甘蔗渣制備木聚糖的研究

甘蔗是廣西的特產(chǎn)。2012年，廣西甘蔗產(chǎn)量達(dá)到75萬(wàn)元，占全國(guó)總收率的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1t的蔗糖,就會(huì)產(chǎn)生2t~3t的蔗渣。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。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(guò)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0.9MPa、微波處理時(shí)間17min、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9.21mg/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。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205min、液料比66∶1(mL/g),在此條件下木聚糖的得率為27.94%。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24.0h,此條件下木聚糖產(chǎn)率達(dá)20.67%。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。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(guò)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(guò)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。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(kāi)發(fā)及工業(yè)化生產(chǎn)提供良好的理論和方法參考。1材料和方法1.1儀器、設(shè)備和測(cè)試設(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(jiàn)分光光度計(jì):尤尼柯(上海)儀器有限公司;pH211pH計(jì):HANNAinstruments;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蔗渣的預(yù)處理將甘蔗渣晾干、除雜后,粉粹過(guò)40目篩。將蔗渣在常溫下用清水浸泡12h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樣品處理和蒸發(fā)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3000r/min離心10min,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100mL容量瓶中搖勻待用。1.2.3木聚糖含量的測(cè)定準(zhǔn)確吸取一定量的樣品溶液于50mL容量瓶,加入1.5mL3,5-二硝基水楊酸(DNS)溶液和2mL蒸餾水,于沸水浴中加熱5min,顯色后迅速冷卻,用蒸餾水稀釋定容。另取一50mL容量瓶,加入1.5mLDNS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不同波長(zhǎng)d-木糖檢測(cè)準(zhǔn)確吸取標(biāo)準(zhǔn)D-木糖溶液1.0mL于50mL容量瓶中,按基本試驗(yàn)法,配成含量為1mg/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(jiàn)圖1。圖1表明:在483nm處有最大吸收峰,故選擇λ=483nm。2.2繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線取6支25mL具塞刻度試管,分別加入0、0.2、0.4、0.6、0.8、1.0、1.2mL濃度為1mg/mL的D-木糖標(biāo)準(zhǔn)液,加蒸餾水至2mL,再加入1.5mLDNS試劑,充分混合均勻后沸水浴5min。迅速冷卻至室溫,在483nm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=0.9657X-0.017(R2=0.9938)。2.3超聲輔助提取甘蔗渣產(chǎn)生的聚糖單因素試驗(yàn)2.3.1naoh溶液濃度對(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(jiàn)圖3。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料液比對(duì)甘蔗渣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30min,考察木聚糖得率隨料液比變化的情況,見(jiàn)圖4。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反應(yīng)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(jiàn)圖5。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(kāi)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30min。2.4采用超聲法優(yōu)化甘蔗渣與低聚糖制備的混合處理2.4.1x-behnken響應(yīng)曲面試驗(yàn)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(jiàn)表1。2.4.2響應(yīng)面分析及擬合結(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(jiàn)表1,由響應(yīng)面分析軟件DesignExpert7.0.0得到的分析結(jié)果見(jiàn)表2。運(yùn)用DesignExpert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。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=0.0013<0.01,表明模型極其顯著。提取率F失擬=0.0606<(F0.05(9,5)=4.77),表明失擬不顯著。各因素對(duì)木聚糖提取率影響的大小順序?yàn)?液料比(X2)>超聲時(shí)間(X3)>NaOH濃度(X1)。提取率模型中X2液料比極顯著;二次項(xiàng)X1X2,X12,X22(p<0.01)極顯著,X32顯著,其余項(xiàng)均不顯著。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。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最佳方案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28.4min,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28.4min。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(shuō)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超聲輔助提取法超聲波主要通過(guò)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(guò)程,所以超聲波不僅提取速度快,且收率大大超過(guò)常規(guī)提取方法。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(guò)大。若溶劑用量過(guò)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超聲輔助提取法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)