姚 笛，馬 萍，王 穎，楊 健，張麗媛

(黑龍江八一農墾大學食品學院，黑龍江 大慶 163319)

響應面法優(yōu)化玉米芯中木聚糖的提取工藝

姚 笛，馬 萍，王 穎，楊 健，張麗媛

(黑龍江八一農墾大學食品學院，黑龍江 大慶 163319)

為提高玉米芯中木聚糖的得率，采用響應面法優(yōu)化堿法提取玉米芯中木聚糖的工藝條件，對堿液質量濃度、固液比、處理時間、處理溫度4個因素進行單因素試驗。根據(jù)單因素試驗結果設計中心組合試驗，以木聚糖得率為指標值，采用響應面分析法確定最優(yōu)工藝參數(shù)。結果表明：NaOH溶液的質量濃度為25g/100mL、固液比1:25(g/mL)、94℃抽提3h，在上述條件下木聚糖得率為24.39%，比單因素試驗的最高得率20.35%高出19.85%，與模型的預期值24.41%基本相符。響應面優(yōu)化法能夠提高玉米芯的木聚糖得率。

響應面；玉米芯；木聚糖；提取工藝

木聚糖是自然界中的一種豐富的再生資源，是除纖維素外，自然界中最豐富的多糖[1-2]。木聚糖是一種五碳醛糖，為無色至白色結晶或針狀性粉末，不易被人體消化吸收、低熱值，不易被腐敗菌發(fā)酵，具有明顯的雙歧桿菌活性，能夠起到調節(jié)人體生理功能，增加機體免疫力，預防疾病發(fā)生等作用[3-6]。另外，木聚糖類半纖維素是一類取之不盡而又待開發(fā)的可再生資源，經酶水解可生產國際市場上急需的低聚木糖、木糖等療效食品[7-9]。其降解后所產生的木糖和少量其他單糖，可以用作基本碳源生產各種發(fā)酵產品，包括有機酸、氨基酸、單細胞蛋白、燃料乙醇、木糖醇等[10-11]。作為生產低聚木糖及發(fā)酵產品的原料，木聚糖的提取和木聚糖的水解是關鍵步驟。

玉米是世界三大糧食作物之一，據(jù)聯(lián)合國糧農組織(FAO)報道，世界玉米種植面積1.35億hm2[2,12]，我國位居世界第二，玉米年產量1.1億t左右，全國有玉米芯資源2750萬t，玉米芯中木聚糖的含量高達35%～40%[13]。王萍[14]、邵佩蘭[15]等利用堿法提取小麥麩皮中的木聚糖發(fā)現(xiàn)，NaOH浸提法是提取木聚糖的首選方法。本實驗以玉米芯為原料，通過響應面法對堿法提取木聚糖的提取工藝進行優(yōu)化，為玉米芯資源的利用提供了基礎數(shù)據(jù)，具有重要的生態(tài)效益和經濟效益。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

玉米芯取自大慶市郊區(qū)；木糖、3,5-二硝基水楊酸北京奧博星生物技術有限公司；乙醇、氫氧化鈉等為國產分析純。

1.2 方法

1.2.1 玉米芯的粉碎

選擇干燥的、無蟲蛀、無霉變的玉米芯，先用錘子敲碎成小塊，然后置于粉碎機中粉碎，過40目篩，備用。

1.2.2 玉米芯木聚糖的提取

準確稱取玉米芯10g，加220mL 10g/100mL NaOH溶液，100℃攪拌浸提2.5h，離心，取上清液、過濾、定容、待測。

1.2.3 木糖標準曲線的繪制

分別取標準木糖液0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9mL于25mL比色管中，加水至1.0mL，再加入3mL 3,5-二硝基水楊酸(DNS)溶液。在沸水浴中蒸煮5min，立即冷卻，定容后搖勻，以沒加木糖的溶液作對照，在500nm處測定其吸光度，以木糖質量濃度對吸光度作圖，確定木糖標準曲線。

1.2.4 木聚糖的測定

取一定量的木聚糖溶液，調節(jié)pH值至5，加入4倍體積無水乙醇，4℃靜置過夜，然后3000r/min離心15min，取沉淀，加入一定量的7% H2SO4于100℃水解2h，中和、定容、過濾，測定濾液的還原糖質量，將其乘以木聚糖聚合因數(shù)0.9作為木聚糖質量。還原糖的測定采用DNS法[8]。

式中：m為木聚糖質量/mg；M為原料質量/mg。

1.2.5 單因素試驗

1.2.5.1 處理時間的影響

將處理時間調至1、2、3、4、5h，固液比1:20，堿液質量濃度20g/100mL，90℃條件下進行提取。

1.2.5.2 固液比的影響

將固液比調至1:10、1:20、1:30、1:40、1:50，處理時間3h，堿液質量濃度20g/100mL，90℃條件下進行提取。

1.2.5.3 堿液質量濃度的影響

將堿液質量濃度調至5、10、15、20、25g/100mL，固液比1:30，處理時間3h，90℃條件下進行提取。

1.2.5.4 處理溫度的影響

將處理溫度調至60、70、80、90、100℃，堿液質量濃度20g/100mL，固液比1:30，處理3h進行提取。

1.2.6 響應面法對提取工藝進行優(yōu)化

在單因素試驗基礎上，根據(jù)中心組合試驗設計原理[16]，以木聚糖得率為指標，設計4因素5水平響應面分析試驗，因素水平編碼見表1，數(shù)據(jù)用Design Expert軟件分析確定最優(yōu)發(fā)酵工藝參數(shù)。

表1 因素水平編碼表Table 1 Factors and levels in central composite design

2 結果與分析

2.1 木糖的測定

以木糖質量濃度為X軸、吸光度為Y軸，繪制標準曲線圖，由標準曲線圖可得回歸方程y=0.8636x＋0.0164，相關系數(shù)R2=0.9969，在0.2～0.9g/L范圍內木糖質量濃度和吸光度有良好線性關系。

2.2 不同因素對木聚糖得率的影響

2.2.1 處理時間對木聚糖得率的影響

圖1 處理時間對木聚糖得率的影響Fig.1 Effect of extraction time on the yield of xylan

由圖1可知，隨著處理時間的延長木聚糖得率先增加后減少，1～3h增加明顯，3～5h有較小幅度降低，處理3h時木聚糖得率最高，所以處理時間以3h較好。

2.2.2 固液比對木聚糖得率的影響

圖2 固液比對木聚糖得率的影響Fig.2 Effect of solid-to-liquid ratio on the yield of xylan

由圖2可知，隨著固液比的增大木聚糖得率先增加后減少，在1:30時得率最高，所以固液比以1:30較好。

2.2.3 堿液質量濃度對木聚糖得率的影響

圖3 堿液質量濃度對木聚糖得率的影響Fig.3 Effect of NaOH concentration on the yield of xylan

由圖3可知，隨著NaOH質量濃度的增加，木聚糖得率逐漸增加，以25g/100mL NaOH較好。

2.2.4 溫度對木聚糖得率的影響

圖4 處理溫度對木聚糖提取率的影響Fig.4 Effect of extraction temperature on the yield of xylan

由圖4可知，隨著提取溫度的升高，木聚糖提取率先逐漸增加后有所降低，以90℃木聚糖得率最高。

2.3 響應面法優(yōu)化玉米芯中木聚糖的提取工藝參數(shù)

2.3.1 回歸方程的建立與方差分析

響應面試驗結果如表2所示，通過Design Expert數(shù)據(jù)分析軟件進行回歸分析，得到的方差分析結果如表3所示。由表3可知，處理時間的一次項達到極顯著水平(P＜0.01)，固液比和堿液體積分數(shù)的一次項均達到顯著水平(P＜0.05)，表明這3個因素對木聚糖得率的線性效應顯著；所有二次項對木聚糖得率的曲面效應顯著；AC、CD交互效應顯著(P＜0.05)，表明各影響因素對木聚糖得率的影響不是簡單的線性關系。從表3的分析結果來看，整體模型的P＜0.01，該二次方程模型達到極顯著水平，并且失擬項不顯著(P＞0.05)，說明該回歸方程對數(shù)據(jù)進行了較好擬合，二次回歸方程為：

Y=23.39＋1.95A＋1.04B＋0.66C＋0.78D－0.089AB＋0.68AC－0.42AD－0.59BC－0.56BD＋0.89CD－2.80A2－2.78B2－1.21C2－0.62D2

表2 響應面分析方案及試驗結果Table 2 Experimental scheme and results of central composite design

表3 回歸模型方差分析Table 3 Variance analysis of the regression equation for the yield of xylan

2.3.2 響應面及等高線分析結果

響應面圖是響應值在各試驗因素交互作用下得到的結果構成的一個三維空間曲面。根據(jù)回歸方程繪制響應曲面圖，考察所擬合的響應曲面的形狀。圖5、6是對響應值木聚糖得率影響較大的兩因素交互作用的結果，其他因素交互作用不顯著。

圖5 處理時間和堿液質量濃度對木聚糖得率交互影響的響應面和等高線圖Fig.5 Response surface and contour plots showing the effects of extraction time and NaOH concentration on the yield of xylan

圖6 處理溫度和堿液質量濃度對木聚糖得率交互影響的響應面和等高線圖Fig.6 Response surface and contour plots showing the effects of temperature and NaOH concentration on the yield of xylan

由圖5可知，處理時間在1.6～2.5h范圍內，堿液質量濃度在14%～20%范圍內時，兩者存在顯著的增效作用，木聚糖得率隨著處理時間和堿液質量濃度的增加而增加；而處理時間在2.5～4h范圍內，堿液質量濃度在20～30g/100mL范圍內時，木聚糖得率隨著兩個因素的增加反而開始降低。由圖6可知，堿液質量濃度在14～20g/100mL范圍內，處理溫度在76～85℃范圍內時，兩者存在著顯著的增效作用，木聚糖得率隨著溫度和時間的增加而升高；而當堿液質量濃度在20～26g/100mL區(qū)間，處理溫度在85～94℃木聚糖得率反而隨著兩個因素的增加開始降低。

為了確定最佳點的值，對模型進行分析，以得到最高木聚糖得率的最佳提取工藝條件，經分析得出最佳提取條件為處理時間2.83h、固液比1:25(g/mL)、堿液質量濃度24.42g/100mL、處理溫度93.92℃，木聚糖得率24.41%。

2.3.3 驗證實驗

為檢驗實驗的可靠性，采用上述最優(yōu)提取條件進行玉米芯木聚糖的提取，同時考慮到實際操作的便利，最佳條件修正為處理時間3h、固液比1:25(g/mL)、堿液質量濃度25g/100mL、處理溫度94℃，木聚糖得率24.39%。與預測值比較可知，曲面響應分析所得的化模型是可靠的。

3 結 論

采用中心組合試驗設計，進行響應面分析結合實際值確定木聚糖提取的最佳工藝條件為處理時間3h、固液比1:25(g/mL)、堿液質量濃度25g/100mL、處理溫度94℃，木聚糖提取率為24.39%。處理時間、固液比和堿液體積分數(shù)對木聚糖得率的影響顯著，處理溫度的影響不顯著；處理時間與堿液體積分數(shù)，堿液體積分數(shù)與處理溫度的交互項對木聚糖得率的曲面效應顯著。

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Optimization of Extraction Process for Xylan from Corncob by Response Surface Methodology

YAO Di，MA Ping，WANG Ying，YANG Jian，ZHANG Li-yuan
(College of Food Science, Heilongjiang Bayi Agricultural University, Daqing 163319, China)

Response surface methodology was used to optimize the conditions for alkaline extraction of xylan from corncob with the aim of maximizing the yield of xylan. The effects of NaOH concentration, solid-to-liquid ratio, extraction time and temperature on the yield of xylan were studied in single factor experiments. Subsequently, a regression model for the yield of xylan was established using a central composite design involving the above four factors at five levels and based on the model,response surface analysis was carried out to find out the optimum levels of these four factors. The results indicated that the optimum extraction conditions were NaOH concentration of 25 g/100 mL, solid-to-liquid ratio of 1:25, temperature of 94 ℃ and extraction time of 3 h. Under such conditions, the experimental yield of xylan was 24.39%, which was basically consistent with the predicted one of 24.41% and increased by 19.85% than the maximum one of 20.35% obtained in single factor experiments.

response surface method；corncob；xylan；extraction process

TQ929.2

A

1002-6630(2011)08-0111-05

2010-06-23

黑龍江省教育廳科學技術研究項目(11551324)

姚笛(1980—)，女，講師，碩士，研究方向為食品微生物與生物技術。E-mail：yaodi0226@sina.com