甜玉米穗軸中水溶性木聚糖提取和純化工藝研究

甜玉米穗軸中水溶性木聚糖提取和純化工藝研究

玉米芯是去除玉米果穗后的穗軸，占玉米穗的20%30%。我國玉米年產(chǎn)量位于美國之后,居世界第二位,按3kg玉米產(chǎn)1kg玉米芯計算,僅2011年我國產(chǎn)生的玉米芯近0.64億t。目前利用率僅有10%～15%,絕大部分玉米芯作為農(nóng)家燃料被燒掉。玉米芯含有豐富的木聚糖,含量高達35%～40%,是天然的木聚糖儲庫。木聚糖是植物半纖維素的主要組分,具有明顯的雙歧桿菌活性,能夠起到調(diào)節(jié)人體生理功能,增加機體免疫力,預(yù)防疾病發(fā)生等作用。木聚糖在食品中可用作乳化劑及膳食纖維,具有促進有絲分裂及免疫調(diào)節(jié)等功能。木聚糖及其衍生物最有可能產(chǎn)生的重要應(yīng)用便是藥物載體、傷口敷料以及造紙業(yè)中的添加劑。如果能從玉米芯中提取木聚糖,既可延長農(nóng)作物的加工鏈條,提高農(nóng)產(chǎn)品加工的附加值,又能夠減少環(huán)境污染,具有極其重要的現(xiàn)實意義。因此,本研究對甜玉米穗軸的木聚糖提取和純化工藝進行了優(yōu)化,旨在探索出一條適合工業(yè)化生產(chǎn)木聚糖的途徑。1材料和方法1.1儀器和試劑甜玉米穗軸哈爾濱市郊區(qū);陰離子交換樹脂captoQ美國GE公司;磷酸氫二鈉、磷酸二氫鈉、濃硫酸、無水乙醇等試劑均為分析純。電熱恒溫水浴鍋上海東星建材實驗設(shè)備有限公司;紫外可見分光光度計上海光譜儀器有限公司;電熱恒溫干燥箱天津市泰斯特儀器有限公司;核酸蛋白檢測儀上海金達生化儀器廠。1.2實驗方法1.2.1正交實驗設(shè)計選擇新鮮的、無蟲蛀、無霉變的甜玉米穗軸,粉碎過80目篩子。選擇硫酸濃度、料液比、蒸煮溫度、蒸煮時間進行單因素實驗,根據(jù)單因素實驗結(jié)果選擇正交實驗的各因素水平,如表1所示,設(shè)計正交實驗優(yōu)化木聚糖粗提工藝參數(shù),以木聚糖提取率為依據(jù)確定最佳工藝。提取率計算公式:木聚糖提取率(%)=(木聚糖質(zhì)量/甜玉米穗軸質(zhì)量)×100。將粉碎后的甜玉米穗軸用一定質(zhì)量濃度的H2SO4浸泡12h,濾去浸泡液,用蒸餾水洗滌2次,調(diào)節(jié)pH至6.0,在一定溫度下蒸煮一段時間后,溶液離心,收集濾液,即為木聚糖的粗提液。1.2.2粗提技術(shù)的演示按照單因素實驗得出的最優(yōu)組合進行驗證實驗,計算提取率。1.2.3-木聚糖聚合系數(shù)t木聚糖含量按以下公式計算:C(%)=(C1-C2)×0.9。式中:C-木聚糖含量;C1(%)-總糖含量;C2(%)-還原糖含量;0.9-木聚糖聚合系數(shù)?？偺?TS)的測定:取一定量的木聚糖液,pH調(diào)節(jié)為5,加入4倍體積無水乙醇,4℃靜置過夜,3000r/min離心15min,獲取沉淀,并在沉淀中加入一定量的8%H2SO4,100℃水解2h,定容100mL,過濾后采用DNS法測定還原糖的質(zhì)量,將其乘以木聚糖聚合因數(shù)0.9得到的數(shù)值即是木聚糖質(zhì)量。1.2.4振蕩脫色時間將木聚糖粗提液用活性炭進行脫色處理,每100mL液體中添加5g活性炭,置于70℃恒溫水浴振蕩脫色時間60min,8000r/min離心20min,收集上清夜。將脫色后的提取液與Sevage試劑以4∶1混合,充分振蕩后,靜止30min,8000r/min離心20min,得到的上清液為經(jīng)脫色、脫脂的木聚糖溶液,將脫蛋白后的木聚糖液在200～400nm范圍掃描。1.2.5木聚糖含量的測定使用陰離子交換樹脂CaptoQ進行柱層析,填充柱高度為30cm,柱直徑2.0cm。平衡液采用20mmol/LpH7.6PB緩沖溶液,上樣量5mL,流速為1.0mL/min,然后使用0.5mol/LNaCl溶液作為洗脫液,檢測波長為490nm。收集洗脫峰,檢測回收率,干燥后計算木聚糖含量?；厥沼嬎愎?回收率(%)=(層析后木聚糖質(zhì)量/層析前木聚糖質(zhì)量)×100。2結(jié)果與分析2.1正交實驗結(jié)果本實驗采用酸預(yù)處理高溫蒸煮法提取甜玉米穗軸木聚糖。單因素得到的最佳提取條件為硫酸濃度2g/L、料液比1∶10、蒸煮溫度150℃、時間30min。在單因素實驗基礎(chǔ)上,選擇合適的水平,進行四因素三水平正交實驗,正交實驗結(jié)果如表2所示,影響木聚糖粗提因素的重要性次序為D>C>A>B,最優(yōu)組合為A3B2C2D3。即最佳提取條件為硫酸濃度3g/L,物料比1∶10,蒸煮溫度150℃,蒸煮時間60min。按照最優(yōu)組合進行驗證實驗,結(jié)果測定提取率為27.32%。玉米穗軸經(jīng)3g/L的H2SO4浸泡12h后,組織纖維結(jié)構(gòu)疏松,機械牢固性遭到破壞,纖維素之間的連接性被削弱,木聚糖充分游離出來。蒸煮法條件較溫和,產(chǎn)生的副產(chǎn)物較少。如果玉米穗軸蒸煮溫度過高會致使木聚糖β-1,4糖苷鍵斷裂發(fā)生自水解現(xiàn)象,生成副產(chǎn)物糠醛。2.2活性炭脫色率活性炭脫色除吸附有色物質(zhì)外還能除濁、除臭,降低糖漿的灰分含量,提高產(chǎn)品穩(wěn)定性等,活性炭脫色率為78.03%。除蛋白后的木聚糖液分別在260nm處、280nm處無核酸吸收峰和蛋白質(zhì)吸收峰,說明樣品核酸和蛋白質(zhì)極低,基本達到了木聚糖液初步純化的目的。2.3交換劑的雜質(zhì)成分對木聚糖檢測的影響木聚糖液過柱后有兩個明顯的峰出現(xiàn)(圖1),峰1為流穿峰,是未與陰離子交換劑結(jié)合的微量蛋白質(zhì)和其他雜質(zhì)成分,檢測后木聚糖含量極低。峰2是0.5mol/LNaCl溶液的洗脫峰,檢測為木聚糖成分,純化的回收率為51.8%。將收集的峰2液凍干成粉后,測得木聚糖的含量為82.7%。3木聚糖的提取根據(jù)上述研究結(jié)果,木聚糖的最佳提取工藝為3g/L的H2SO4浸泡12h,料液比為1∶10,蒸煮溫度為150℃,蒸煮時間為60min,提取率為27.32%。粗提液再經(jīng)CaptoQ陰離子交換樹脂進一步純化,回收率達到51.8%,得到的凍干粉中木聚糖含量為82.7%。目前,木聚糖的生產(chǎn)還處于工業(yè)化的起步階段,雖然有少量工業(yè)化產(chǎn)品面市,但仍存在產(chǎn)品純度不高,回收率低的問題,還需要進一步改進工藝,以低成本、高質(zhì)量的產(chǎn)品來滿足廣大人民群眾追求身心健康的