魏培培，馬曉軍*

(江南大學(xué)食品學(xué)院，江蘇 無錫 214122)

脫脂麥胚棉子糖提取液的脫色

魏培培，馬曉軍*

(江南大學(xué)食品學(xué)院，江蘇 無錫 214122)

為提高棉子糖產(chǎn)品的質(zhì)量，采用活性炭對棉子糖提取液脫色。先利用單因素試驗分別考察活性炭添加量(1～5g/100mL)、脫色溫度(40～80℃)、pH值(4.5～5.5)、脫色時間(0.5～2.5h)對脫色效果的影響。而后在此基礎(chǔ)上采用三因素三水平響應(yīng)面分析法，依據(jù)回歸分析確定較優(yōu)脫色條件。結(jié)果表明，較優(yōu)的脫色條件為活性炭添加量4g/100mL、脫色溫度50℃、pH5.0、脫色時間2h。在此條件下脫色率可達(dá)94.6%，且棉子糖損失極小。采用活性炭對脫脂麥胚棉子糖提取液脫色可取得良好效果。

脫脂麥胚；棉子糖；活性炭；脫色；響應(yīng)面分析

棉子糖，作為一種天然存在的非還原性低聚糖，在植物界中分布廣泛，曾被認(rèn)為是抗?fàn)I養(yǎng)因子而從食物或飼料中去除?，F(xiàn)代研究發(fā)現(xiàn)，它能使雙歧桿菌明顯增殖，顯著改善腸道菌群，增強細(xì)胞抗氧化性，增強機體免疫力、抗過敏性，保護肝臟，治療皮炎，抗腫瘤等作用還可用于藥品工業(yè)，作為冷凍精液和人體器官移植的穩(wěn)定劑[1-5]。

目前，對棉子糖的研究集中于以棉籽粕、無腺體棉籽、脫脂棉籽粕為原料[6-9]，而以小麥胚芽為原料提取棉子糖目前尚未見報道。小麥胚芽是小麥制粉的副產(chǎn)品，含有10.9%的棉子糖(按麥胚質(zhì)量計)[10]。工業(yè)上常將提取胚芽油后的麥胚作為飼料廉價出售，給資源造成極大浪費[11]。如果能從中提取棉子糖，不僅使資源得到合理利用，還可提高小麥制粉廠的經(jīng)濟效益。在提取麥胚中棉子糖的過程中，麥胚中的色素也會進(jìn)入提取液，使提取液呈棕黃色，給棉子糖結(jié)晶帶來困難，并且影響到產(chǎn)品的最終色澤，為提高產(chǎn)品得率和質(zhì)量，必須對提取液脫色。

金青哲[12]、戴衛(wèi)東[13]等對棉籽粕的棉子糖提取液進(jìn)行脫色研究，梁立新等[14]對棉籽雙液相萃取工藝甲醇相中棉子糖提取液的脫色進(jìn)行研究，但對麥胚棉子糖提取液的脫色尚未有相關(guān)研究。制糖工業(yè)中較常用的脫色吸附劑有活性炭、離子交換樹脂和Al2O3。由于麥胚棉子糖提取液為高濃度的乙醇溶液，離子交換樹脂在有機溶劑中吸附能力會有所下降，Al2O3是一種很強的吸附劑，對棉子糖的吸附率也較高，從而造成棉子糖的損失，均不適于麥胚棉子糖提取液的脫色[15]。活性炭作為吸附劑在工業(yè)上應(yīng)用甚為廣泛，尤其多用于溶液的脫色和精制，活性炭有粉末狀和顆粒狀兩種，尤以粉末狀活性炭的吸附效果為好。本實驗將對活性炭脫除棉子糖提取液中色素的工藝條件進(jìn)行研究，并對影響脫色率的主要因素進(jìn)行單因素試驗，而后在此基礎(chǔ)上采用三因素三水平的響應(yīng)面分析法，依據(jù)回歸分析確定較優(yōu)脫色工藝條件。

1 材料與方法

1.1 材料

脫脂麥胚 江蘇丹陽面粉廠；無水乙醇、粉末活性炭、硅藻土(均為AR級) 國藥集團化學(xué)試劑有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

HP 1100高效液相色譜系統(tǒng)(配有示差折光檢測器) 美國惠普公司；725型紫外-可見分光光度計 無錫市科達(dá)儀器有限公司；AL104電子天平 梅特勒-托利多化學(xué)儀器有限公司；SHZ-B水浴恒溫振蕩器 上海博迅實業(yè)有限公司醫(yī)療設(shè)備廠；GZX-GF-MBS-1電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱 上海躍進(jìn)醫(yī)療器械廠；RW 20 digital攪拌器 德國IKA工業(yè)設(shè)備(廣州)。

1.3 棉子糖提取液的制備

將脫脂麥胚粉碎，過100目篩，稱取50g粉末，加250mL 80%乙醇，50℃攪拌提取1.5h，抽濾。濾渣在相同條件下再次提取，抽濾，合并濾液備用。

1.4 色值的測定

糖漿色值計算參照參考文獻(xiàn)[16]。

1.5 棉子糖提取液的脫色方法

取一定量的棉子糖提取液(25mL)于錐形瓶中，用0.1mol/L HCl溶液預(yù)先調(diào)節(jié)好pH值，按一定比例加入活性炭，在50℃、100r/min水浴恒溫振蕩器上處理2h后過濾，并將pH值調(diào)回中性，按上述糖漿色值的測定方法測量色值。

式中：η為脫色率，表示活性炭脫色效果；IU420為脫色液的色值；為提取液的色值。

影響活性炭吸附脫色的因素有很多，其中主要因素包括活性炭的用量、吸附溫度、溶液pH值、吸附時間等。

1.6 棉子糖含量的測定

采用高效液相色譜法(HPLC)測定[8]。

2 結(jié)果與分析

2.1 活性炭脫色過程的優(yōu)化

2.1.1 活性炭添加量對脫色率的影響

取25mL棉子糖提取液，加入不同量的活性炭，并調(diào)pH值到4.5，于50℃、100r/min水浴恒溫振蕩器中吸附2h，過濾后調(diào)節(jié)pH值為中性，測定色值，計算脫色率，結(jié)果如圖1所示。

圖1 活性炭添加量對脫色率的影響Fig.1 Effect of AC dose on decolorization rate

由圖1可知，隨著活性炭添加量的增加，脫色率逐漸升高，但上升的趨勢越來越平緩，當(dāng)添加量到4g/100mL之后，脫色率變化不大，這可能是由于活性炭對色素的吸附量與溶液中色素的濃度有關(guān)，當(dāng)溶液中可以吸附的色素較多時，活性炭對它們的吸附量也較大[17-18]，脫色率上升，而當(dāng)吸附達(dá)到飽和后，再增加活性炭添加量，對脫色率也不會有較大影響，由圖1可知，活性炭添加量在4g/100mL左右吸附達(dá)到飽和，因此活性炭添加量選用4g/100mL的水平。

2.1.2 脫色溫度對脫色率的影響

取25mL棉子糖提取液，加入4g/100mL活性炭，并調(diào)pH值到4.5，在不同溫度，100r/min的水浴恒溫振蕩器中反應(yīng)2h，過濾后調(diào)節(jié)pH值為中性，測定色值，計算脫色率，結(jié)果如圖2所示。

圖2 脫色溫度對脫色率的影響Fig.2 Effect of temperature on decolorization rate

在脫色過程中，脫色溫度對活性炭的吸附有顯著的影響。由圖2可以看出，隨著脫色溫度的升高，脫色率逐漸升高。這可能是由于溫度的升高促進(jìn)提取液內(nèi)分子的運動，有利于活性炭與提取液內(nèi)分子的吸附[12,17]。另一方面因為活性炭上的吸附大多是可逆的物理吸附，即在一定的溫度和壓力下達(dá)到平衡的體系，高溫、低壓下又會解吸下來，而且過高的溫度，可能會導(dǎo)致提取液內(nèi)蛋白質(zhì)等對溫度敏感物質(zhì)的變性，進(jìn)而影響吸附效果[13-14]，因此本實驗采用50℃左右的溫度進(jìn)行脫色。

2.1.3 pH值對脫色率的影響

調(diào)節(jié)提取液到不同的pH值，加入4g/100mL活性炭，在50℃、100r/min的水浴恒溫振蕩器中吸附2h，過濾后調(diào)pH值為中性，測定色值并計算脫色率，結(jié)果如圖3所示。

圖3 pH值對脫色率的影響Fig.3 Effect of pH on decolorization rate

因pH值過低，會腐蝕設(shè)備，還可能促進(jìn)棉子糖的酸性水解[18]，因此，本實驗所用pH值最低為4.0。從圖3可以看出，活性炭脫色過程受pH值影響較大，隨著pH值的增加，脫色率呈下降趨勢，pH值到5.0以后，脫色率下降趨勢非常顯著，這與活性炭本身的特性和麥胚中酚類色素對pH值的敏感性有關(guān)，活性炭具有芳香環(huán)式的結(jié)構(gòu)，易于吸附芳香族有機物(糖液中的有色物質(zhì)大部分屬于這類)，對不帶電物質(zhì)的吸附力較強，而對帶電物質(zhì)的吸附與溶液pH值有關(guān)，在酸性溶液中吸附較強，堿性溶液中較弱，因為麥胚中色素多為酚類，為弱酸性物質(zhì)，在低pH值時帶電較少以至不帶電，較易被吸附，高pH值時電荷較強，不利于吸附[17]。因此，在低pH值條件下活性炭脫色率高，而隨pH值升高脫色率下降。因此，脫色過程中，pH值應(yīng)控制在酸性范圍內(nèi)，本實驗選用4.5～5.5水平。

2.1.4 時間對脫色率的影響

圖4 脫色時間對脫色率的影響Fig.4 Effect of operation time on decolorization rate

取25mL棉子糖提取液，調(diào)節(jié)pH值為5.0，加入4g/100mL活性炭，在50℃、100r/min水浴恒溫振蕩器中吸附不同時間后，過濾測定各吸附時間下的脫色率，結(jié)果如圖4所示。

由圖4可以看出，隨著吸附時間的增加，脫色率逐漸升高，活性炭和糖液混合2h時脫色率達(dá)到最大，之后變化微小，這是由于活性炭脫色是一個可逆的吸附過程，需要一定的時間充分接觸以達(dá)到平衡[14]。由圖4可知，經(jīng)過2h吸附過程基本達(dá)到平衡，再增加接觸時間對結(jié)果的影響不大，不能有效提高脫色效率，還有可能降低生產(chǎn)效率。

2.2 脫色條件的優(yōu)化

在單因素試驗基礎(chǔ)上，采用Box-Behnken中心設(shè)計原理，對影響脫色率較大的活性炭用量、脫色溫度、pH值3個因素，采用SAS 8.1分析軟件設(shè)計三因素三水平中心組合試驗，試驗因素水平設(shè)計及結(jié)果見表1、2。

表1 Box-Behnken設(shè)計因素及水平表Table 1 Factors and levels in Box-Behnken central composite design

表2 Box-Behnken試驗設(shè)計與結(jié)果Table 2 Experimental design for response surface analysis and corresponding results

2.2.1 不同因素對棉子糖提取液脫色率的影響

為考察各因素對脫色率的影響，以脫色率(Y)為指標(biāo)，利用SAS 8.1分析軟件對表2的試驗結(jié)果進(jìn)行分析，得到3因素與棉子糖提取液脫色率之間的回歸方程如下：

對該回歸方程進(jìn)行方差分析，結(jié)果見表3。

從表3可以看出，回歸模型達(dá)到顯著水平(P＜0.05)，而誤差項不顯著，而且回歸模型的決定系數(shù)R2=0.9573，說明回歸方程與實際情況吻合較好，試驗誤差較小，因此可用該回歸方程代替實驗真實點對試驗結(jié)果進(jìn)行分析。回歸模型各項的方差分析結(jié)果還表明，二次項有較顯著的影響，所以響應(yīng)值的變化相當(dāng)復(fù)雜，各個因素對響應(yīng)值的影響不是簡單的線性關(guān)系?；貧w模型中顯示了多項交互作用，其中作用極顯著的是X1、X12，顯著的是X1X3、X22。因此，在一定范圍內(nèi)可調(diào)節(jié)活性炭添加量、脫色溫度、pH值的關(guān)系，使棉子糖提取液脫色率達(dá)到所需水平。影響脫色率的各因素按影響大小排序依次為活性炭添加量(X1)＞脫色溫度(X2)＞pH(X3)。

2.2.2 各因素間交互作用對棉子糖提取液脫色率的響應(yīng)面分析

通過SAS 8.1軟件分析，如表3所示，以脫色率Y和X1、X2、X3分別進(jìn)行分析比較，作出如圖5所示的響應(yīng)曲面及等高線圖，可以直觀地看到各因素之間的交互情況。

圖5 各兩因素交互作用的響應(yīng)面及等高線圖Fig.5 Response surface and contour plots showing the pairwise interaction effects of three conditions on decolorization rate

由圖5可知，X1與X3之間交互作用對棉子糖提取液脫色率的影響最大，而X2、X3兩因素之間的交互作用對棉子糖提取液脫色率的影響最小。

2.2.3 驗證實驗

為確定各因素的最佳取值，可以利用SAS 8.1軟件進(jìn)行分析，得出回歸模型存在最大值點，與之對應(yīng)的實際值為活性炭添加量(X1)4g/100mL、脫色溫度(X2)50℃、pH(X3)5.0，此時活性炭脫色率可達(dá)94.3%。在此優(yōu)化條件下進(jìn)行3次平行驗證實驗，棉子糖提取液脫色率平均可達(dá)94.6%，說明采用RSM法優(yōu)化得到的脫色條件可靠。經(jīng)HPLC測定，脫色前后提取液中棉子糖含量分別為8.94mg/mL和8.77mg/mL，損失極小。

3 結(jié) 論

本實驗對棉子糖提取液脫色過程中影響脫色率的4個主要因素：活性炭添加量、脫色溫度、溶液pH值、脫色時間分別進(jìn)行單因素和響應(yīng)面試驗，從而對提取液脫色過程中各因素的最佳條件進(jìn)行一定探討，最佳脫色條件為活性炭添加量4g/100mL、脫色溫度50℃、溶液pH5.0、脫色時間2h，該工藝條件下提取液脫色率可達(dá)94.6%。經(jīng)HPLC測定，脫色前后棉子糖含量分別為8.94mg/mL和8.77mg/mL，損失極小。采用活性炭對棉子糖提取液脫色可取得良好效果。

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Decolorization of Raffinose Ethanol Solution from Defatted Wheat Germ

WEI Pei-pei，MA Xiao-jun*
(School of Food Science and Technology, Jiangnan University, Wuxi 214122, China)

The high content of pigment makes it difficult to crystallize raffinose from its ethanol solution obtained from defatted wheat germ. In the present study, activated charcoal (AC) was used to develop a method for decolorizing raffinose solution, and the decolorization conditions AC dose, temperature, pH and operation time were optimized by single factor experiments, where the effects of the four conditions on decolorization rate were preliminarily, in combination with a response surface design involving 3 factors (AC dose, temperature and pH) at 3 levels. The optimum decolorization conditions were determined as follows: AC dose, 4 g/100 mL; temperature, 50 ℃; pH, 5.0; and adsorption time, 2 h. Under these conditions, the decolorization rate was up to 94.6%, and a very small amount of raffinose was lost. Therefore, active carbon is applicable to decolorization of raffinose.

defatted wheat germ；raffinose；activated charcoal；decolorization；response surface analysis (RSA)

TS210

A

1002-6630(2011)08-0138-05

2010-07-15

魏培培(1984—)，女，碩士研究生，研究方向為谷物深加工。E-mail：neverever567@126.com

*通信作者：馬曉軍(1968—)，男，副教授，碩士，研究方向為谷物深加工。E-mail：maxiaojun_wx2005@yahoo.com.cn