孫健，李麗，盛金鳳，何雪梅，李昌寶，趙謀明，*，游向榮，劉國(guó)明

（1.華南理工大學(xué)輕工與食品學(xué)院，廣東廣州 510640；2.廣西農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)產(chǎn)品加工研究所，廣西南寧 530007；3.廣西作物遺傳改良重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室，廣西南寧 530007）

甘蔗是廣西特色大宗農(nóng)產(chǎn)品，2012 年廣西區(qū)甘蔗的產(chǎn)量達(dá)到7 500 萬(wàn)t，占全國(guó)總產(chǎn)量的60%。蔗渣是甘蔗糖廠最大量的副產(chǎn)物，它是甘蔗經(jīng)壓榨或滲出處理后剩余的纖維殘?jiān)?，約為甘蔗重量的24 %～27 %（以蔗渣水分約50%計(jì)），并且每生產(chǎn)出1 t 的蔗糖，就會(huì)產(chǎn)生2 t～3 t 的蔗渣[1-2]。目前除小部分蔗渣用于造紙外，大部分直接被用作鍋爐燃料燒掉，不僅造成資源浪費(fèi)，還嚴(yán)重污染環(huán)境。甘蔗渣中含大量的纖維素、半纖維素和木質(zhì)素，經(jīng)降解后可得到木聚糖[3-4]。木聚糖是一種廣泛存在于植物纖維中的多聚五碳糖，在玉米芯、甘蔗渣、稻殼以及棉子殼中含量較為豐富，一般能高達(dá)30%以上。其降解后所產(chǎn)生的低聚木糖不僅具有促進(jìn)人體鈣吸收、抑制病原菌等多重功效，而且還可以用作基本碳源生產(chǎn)各種發(fā)酵產(chǎn)品。張晉博等以甘蔗渣為原料制備低聚木糖。通過單因素試驗(yàn)選取實(shí)驗(yàn)因素與水平，響應(yīng)面分析得出最佳工藝條件為：微波處理壓力0.9 MPa、微波處理時(shí)間17 min、木聚糖酶用量0.7%（相對(duì)于原料甘蔗渣），甘蔗渣酶解液中還原糖含量可達(dá)到9.21 mg/mL。最佳條件下的TLC 顯示：酶解液主要成分是木二糖和木三糖[5]。何亮亮和陸登俊采用響應(yīng)面分析法優(yōu)化了甘蔗渣中木聚糖的提取工藝，得到了蔗渣中木聚糖提取的最佳工藝條件為：NaOH 濃度8.86%、水解時(shí)間205 min、液料比66 ∶1（mL/g），在此條件下木聚糖的得率為27.94%[6]。丁勝華等從蔗渣中提取木聚糖后，采用酶法水解制備低聚木糖，采用堿法提取工藝為：NaOH 濃度4 %，料液比1∶15（g/mL），30.0 ℃提取24.0 h，此條件下木聚糖產(chǎn)率達(dá)20.67%[7]。利用蔗渣制備木聚糖具有十分廣闊的前景。但要提高木聚糖的產(chǎn)率，必須降低蔗渣的聚合度、結(jié)晶度，破壞木質(zhì)素、半纖維素的結(jié)合層，脫去木質(zhì)素，增加有效比表面積[8]。超聲波可以在較低的溫度下大大促進(jìn)溶劑提（浸、萃）取有效成分的過程、降低生產(chǎn)時(shí)間、能源、溶劑的消耗以及廢物的產(chǎn)生，同時(shí)能強(qiáng)化提取過程、提高產(chǎn)率和提取物的純度，既降低了操作費(fèi)用，又合乎環(huán)境保護(hù)的要求，是一種有良好發(fā)展前途的新工藝[9-10]。目前，采用超聲波輔助提取甘蔗渣木聚糖影響的報(bào)道較少。采用超聲波輔助提取甘蔗渣中木聚糖，在單因素的基礎(chǔ)上，采用響應(yīng)曲面法，研究NaOH 濃度、超聲波處理時(shí)間、液料比對(duì)木聚糖提取效果的影響，為甘蔗加工副產(chǎn)物的的深度開發(fā)及工業(yè)化生產(chǎn)提供良好的理論和方法參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)或材料與設(shè)備

甘蔗渣：取自南寧糖業(yè)股份有限公司。D-木糖、3，5-二硝基水楊酸、氫氧化鈉、硫酸、酒石酸鉀鈉、無(wú)水亞硫酸鈉、苯酚等均為分析純。

KQ-300VDE 型雙頻數(shù)控超聲波清洗器：昆山市超聲儀器有限公司；UV-2000 型紫外可見分光光度計(jì)：尤尼柯（上海）儀器有限公司；pH211pH 計(jì)：HANNA instruments；DK-S24 型電熱恒溫水浴鍋：上海精宏實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司；MVS-1 漩渦混合器：北京金北德工貿(mào)有限公司。

1.2 方法

1.2.1 原料預(yù)處理

將甘蔗渣晾干、除雜后，粉粹過40 目篩。將蔗渣在常溫下用清水浸泡12 h 沖洗去除殘余蔗糖，收集蔗渣置于恒溫干燥箱中60.0 ℃干燥至恒重，取出放于干燥器中，備用。

1.2.2 超聲波提取木聚糖

取原料適量，按照一定的固液比加入氫氧化鈉溶液，置于超聲波清洗器中。提取結(jié)束后，將樣品于3 000 r/min 離心10 min，取上清液，殘?jiān)谜麴s水反復(fù)洗滌至中性，洗液并入上清液中和至pH7～8，旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)濃縮，定容至100 mL 容量瓶中搖勻待用。

1.2.3 木聚糖提取率的測(cè)定

準(zhǔn)確吸取一定量的樣品溶液于50 mL 容量瓶，加入1.5 mL 3，5-二硝基水楊酸（DNS）溶液和2 mL 蒸餾水，于沸水浴中加熱5 min，顯色后迅速冷卻，用蒸餾水稀釋定容。另取一50 mL 容量瓶，加入1.5 mL DNS 溶液，用蒸餾水稀釋定容作為空白溶液，用1cm 比色皿，選擇適當(dāng)?shù)奈詹ㄩL(zhǎng)，測(cè)定其吸光度并計(jì)算木聚糖的含量。

木聚糖提取率=還原搪含量×稀釋倍數(shù)×0.88/甘蔗渣的質(zhì)量×100%。

2 結(jié)果與分析

2.1 木糖最大吸收峰的測(cè)定

準(zhǔn)確吸取標(biāo)準(zhǔn)D-木糖溶液1.0 mL 于50 mL 容量瓶中，按基本試驗(yàn)法，配成含量為1 mg/L 的標(biāo)準(zhǔn)D-木糖溶液選擇不同的波長(zhǎng)，分別測(cè)定其吸光度，見圖1。

圖1 波長(zhǎng)與吸光度的關(guān)系Fig.1 Relationship of wavelength and absorption

圖1 表明：在483 nm 處有最大吸收峰，故選擇λ=483 nm。

2.2 木糖標(biāo)準(zhǔn)曲線

取6 支25 mL 具塞刻度試管，分別加入0、0.2、0.4、0.6、0.8、1.0、1.2 mL 濃度為1 mg/mL 的D-木糖標(biāo)準(zhǔn)液，加蒸餾水至2 mL，再加入1.5 mL DNS 試劑，充分混合均勻后沸水浴5 min。迅速冷卻至室溫，在483 nm波長(zhǎng)處測(cè)定吸光度值，繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線。以吸光度y 為縱坐標(biāo)，木糖濃度x 為橫坐標(biāo)建立標(biāo)準(zhǔn)曲線，回歸方程：Y=0.965 7X-0.017（R2=0.993 8）。

圖2 木糖標(biāo)準(zhǔn)曲線Fig.2 Xylose standard curve

2.3 超聲波輔助提取甘蔗渣制備木聚糖的影響單因素試驗(yàn)

2.3.1 NaOH 濃度對(duì)木聚糖提取率的影響

測(cè)定使用不同濃度的NaOH 抽提液對(duì)超聲波輔助提取木聚糖提取率的影響，結(jié)果見圖3。

圖3 NaOH 溶液濃度對(duì)木聚糖提取率的影響Fig.3 Effects of NaOH concentration on extraction rate of xylane

由圖3 可知，木聚糖提取率隨NaOH 溶液濃度的增高而增加，NaOH 溶液濃度至6%后木聚糖提取率增加趨于緩慢，考慮到堿溶液濃度太高，對(duì)甘蔗渣中碳水化合物的破壞增加，同時(shí)會(huì)影響后序工藝，NaOH溶液濃度確定為6%。

2.3.2 液料比對(duì)木聚糖提取率的影響

分別以15∶1、25∶1、35∶1、45∶1、55∶1 和65∶1 的料液比，NaOH 溶液濃度為6%，超聲提取30 min，考察木聚糖得率隨料液比變化的情況，見圖4。

圖4 液料比對(duì)木聚糖提取率的影響Fig.4 Effects of liquid material rate on extraction rate of xylane

由圖4 可知，甘蔗渣木聚糖的提取率隨著液料比的增加而升高，在35 ∶1 處達(dá)到提取率達(dá)到最大值，而后隨著溶液量的進(jìn)一步增大，提取率呈現(xiàn)緩慢下降趨勢(shì)。這主要是因?yàn)樵谝欢ǚ秶鷥?nèi)，料液比越高，單位料樣所接觸到的提取液的有效面積就越大，纖維素的溶脹作用增強(qiáng)，有利于料樣中半纖維素和纖維素的溶出，表現(xiàn)為提取率的顯著升高；當(dāng)繼續(xù)增加料液比時(shí)，堿的濃度被稀釋，單位料樣接觸到的有效堿量反而減少，因此隨著料液比的繼續(xù)升高，木聚糖的提取率緩慢降低。故選取提取的最佳料液比為35 ∶1。

2.3.3 超聲波處理時(shí)間對(duì)木聚糖提取率的影響

測(cè)定在液料比35 ∶1，NaOH 濃度6%的條件下，超聲提取時(shí)間對(duì)木聚糖提取率的影響，結(jié)果見圖5。

圖5 超聲提取時(shí)間對(duì)木聚糖提取率的影響Fig.5 Effects of ultrasonic extraction time on extraction rate of xylane

由圖5 可以看出，木聚糖提取率隨著時(shí)間的延長(zhǎng)先呈明顯的上升趨勢(shì)，而后緩慢下降，這是因?yàn)樵诜磻?yīng)開始后，甘蔗渣中的纖維素和半纖維素迅速溶出，經(jīng)水解生成可溶性木糖和低聚木糖，使溶液中的糖組分迅速增大；當(dāng)反應(yīng)繼續(xù)進(jìn)行時(shí)，部分木聚糖降解導(dǎo)致提取率下降。因此選取超聲提取時(shí)間為30 min。

2.4 響應(yīng)曲面法優(yōu)化超聲波處理甘蔗渣制備低聚木糖研究

2.4.1 響應(yīng)曲面分析因素與水平的選取

在單因素試驗(yàn)結(jié)果基礎(chǔ)上，采用中心組合試驗(yàn)Box-Behnken 設(shè)計(jì)方案，選取NaOH 濃度（%），液料比（mL/g），超聲時(shí)間（min）三因素進(jìn)行響應(yīng)曲面試驗(yàn)，因素水平的設(shè)計(jì)見表1。

表1 響應(yīng)曲面分析試驗(yàn)因素水平及編碼表Table 1 Factors and levels coding of the response surface analysis

2.4.2 響應(yīng)面分析實(shí)驗(yàn)方案及結(jié)果

以木聚糖提取率為響應(yīng)值，具體實(shí)驗(yàn)方案及結(jié)果見表1，由響應(yīng)面分析軟件Design Expert 7.0.0 得到的分析結(jié)果見表2。

表2 響應(yīng)曲面分析試驗(yàn)結(jié)果Table 2 The methods and results of the response surface analysis

運(yùn)用Design Expert 軟件對(duì)表2 的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，得到提取率的二次多元回歸模型為：

對(duì)模型進(jìn)行方差分析，結(jié)果如表3 所示。

表3 回歸模型方差分析Table 3 Analysis of variance for regression model

由表3 提取率回歸模型方差分析（ANOVA）可以看出：F回歸=24.64＞[（F0.01（9，10）=4.94）]，P 值=0.001 3＜0.01，表明模型極其顯著。提取率F 失擬=0.060 6＜（F0.05（9，5）=4.77），表明失擬不顯著。

根據(jù)回歸方程，作出響應(yīng)面和等高線，觀察擬合響應(yīng)曲面的形狀，分析NaOH 濃度、液料比和超聲波處理時(shí)間對(duì)木聚糖提取率的影響，如圖6～圖8 所示。

圖6 NaOH 濃度和液料比對(duì)木聚糖提取率的影響Fig.6 Effects of NaOH concention and liquid material rate on extraction rate of xylane

圖7 超聲時(shí)間和NaOH 濃度對(duì)木聚糖提取率的影響Fig.7 Effects of ultrasonic extraction time and NaOH concention on extraction rate of xylane

圖8 超聲時(shí)間和液料比對(duì)木聚糖提取率的影響Fig.8 Effects of ultrasonic extraction time and liquid material rate on extraction rate of xylane

等高線的形狀可反映出交互效應(yīng)的強(qiáng)弱，橢圓形表示兩因素交互作用顯著，而圓形則與之相反。由圖6～圖8 可以看出，NaOH 濃度和液料比交互作用顯著，其他因素之間的交互作用較小。

2.4.3 最佳提取工藝條件的確定

為了確定最佳提取工藝條件，對(duì)模型（1）取一階偏導(dǎo)等于零，得到一個(gè)三元一次方程組。用Matlab 對(duì)該方程組求解，即可得X1=6.07，X2=38.45，X3=28.4，由此可得超聲波輔助提取木聚糖的最佳方案為：NaOH 濃度6.07%、液料比為38.45 ∶1（mL/g），超聲波處理時(shí)間28.4 min，在此工藝條件下木聚糖提取率的預(yù)測(cè)值為28.46%。為檢驗(yàn)響應(yīng)曲面法所得結(jié)果的可靠性，采用上述優(yōu)化提取條件超聲波輔助提取木聚糖，考慮實(shí)際操作的可行性，可將優(yōu)化方案定為：NaOH 濃度6%、液料比為38 ∶1（mL/g），超聲波處理時(shí)間28.4 min。在此條件下實(shí)際測(cè)得的平均提取率為28.39%，與理論預(yù)測(cè)值相比，其相對(duì)誤差小于5%，說明采用響應(yīng)曲面法優(yōu)化得到的超聲波輔助提取條件參數(shù)準(zhǔn)確可靠，具有實(shí)用價(jià)值。

3 討論

超聲波主要通過空化作用破壞組織，產(chǎn)生局部粉碎，加大溶質(zhì)比表面積，加之空化作用亦能加快擴(kuò)散層上分子的擴(kuò)散作用，強(qiáng)化以上浸提過程，所以超聲波不僅提取速度快，且收率大大超過常規(guī)提取方法[11]。在超聲波輔助提取中，超聲波強(qiáng)度、溶劑用量、提取時(shí)間等條件對(duì)甘蔗渣中木聚糖的提取率有著程度不同的影響，特別是溶劑用量要合適，不宜過大。若溶劑用量過大，回收時(shí)間長(zhǎng)，則長(zhǎng)時(shí)間浸泡會(huì)嚴(yán)重破壞甘蔗渣中碳水化合物。超聲波輔助提取在甘蔗渣木聚糖實(shí)際生產(chǎn)中的工藝優(yōu)化還應(yīng)繼續(xù)研究。

4 結(jié)論

采用超聲波輔助提取甘蔗渣中木聚糖，在單因素的基礎(chǔ)上，采用響應(yīng)曲面法，研究了NaOH 濃度、液料比、超聲波處理時(shí)間對(duì)木聚糖提取效果的影響。結(jié)果表明：各因素對(duì)木聚糖提取率影響的大小順序?yàn)椋阂毫媳龋境晻r(shí)間＞NaOH 濃度，液料比對(duì)木聚糖提取率的影響極顯著。超聲波輔助提取甘蔗渣中木聚糖的最佳條件為NaOH 濃度6%、液料比38 ∶1（mL/g），超聲波處理時(shí)間28.4 min。在此條件下實(shí)際測(cè)得的平均提取率為28.39%。采用超聲波輔助法能夠有效的提取甘蔗渣中木聚糖，方法簡(jiǎn)單，時(shí)間短，效率高。

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