小米糠中木聚糖提取工藝的研究

劉雙全，馬 萍

（1.孫吳縣市場監督管理局質量技術監督檢驗檢測中心，黑龍江黑河 164299；2.黑龍江八一農墾大學，黑龍江大慶 163319）

0 引言

小米糠是粟加工的副產物，是自然界中產量較大的可再生資源，具有極高的營養價值，主要成分組成有蛋白質13%～18%，脂肪14%～24%，碳水化合物18%～23%，淀粉26%～32%[1-2]。小米糠中還含有多種維生素，包括維B、維C、維D和維E，其中維B1和維E的含量都遠高于精米中的含量，有保護神經系統、改善精神狀態的作用，還能促進生物生長、增加食欲、預防感冒、預防心血管病延緩衰老等[2]。但是，小米糠口感差并伴有異味，導致小米糠多被作為動物飼料或垃圾處理，這既造成了資源浪費，又導致了環境污染[3-5]。研究表明，木聚糖具有良好的抗氧化、抑制癌細胞等生物活性，并被廣泛地應用在工業、化妝、保健品等方面。目前，提取木聚糖的方法主要有超聲波輔助法、超聲處理結合蒸煮法、堿性過氧化氫、堿提-蒸煮法[6-7]，但因其他提取方式工藝要點不明確，所以木聚糖的提取主要采用堿提-蒸煮法，植物組織中的木聚糖因其特殊的結構，導致在動物和人體中消化率低，但提純后的木聚糖可消除木聚糖的屏蔽作用。采用正交試驗的方式，優化出蒸煮-堿提取法的最佳工藝，這為后續木聚糖的提取及工業化利用提供了理論基礎和參考依據。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

小米糠，市售；木糖標準品；葡萄糖、無水乙醇、氫氧化鈉、濃硫酸、鹽酸，均為分析純；3,5-二硝基水楊酸（DNS） 試劑，自配；試驗用水為蒸餾水。

高速萬能粉碎機，天津市泰斯特儀器有限公司產品；FA1604N型電子天平、722S型可見分光光度計，上海精密科學儀器有限公司產品；TD4A型離心機，長沙英泰儀器有限公司產品；DGG-9140B型電熱恒溫鼓風干燥箱，上海市森信實驗儀器有限公司產品。

1.2 試驗方法

1.2.1 粗木聚糖的提取和測定

稱取2.0 g小米糠，加入6倍體積水即12 mL水，然后在一定溫度下進行水浴蒸煮后用3倍體積即36 mL的工業酒精浸泡12 h，過濾并水洗濾渣得沉淀，按不同的料液比在沉淀中加入一定質量分數的NaOH，在一定溫度下提取后離心，得到的上清液用6 mol/L鹽酸調pH值到一定值，靜置12 h，離心得沉淀A留用，而上清液中則加入3倍體積工業酒精靜置 1 h離心得沉淀B。將A，B沉淀混合干燥24 h即得到木聚糖粗品。在所得的木聚糖粗產品中加入質量分數8%的硫酸，于100℃條件下水解2 h，用NaOH中和后定容至100 mL，過濾棄去殘渣，測定濾液中的還原糖質量，將其乘以木聚糖聚合系數0.9作為木聚糖質量[8]。

1.2.2 木糖標準曲線的繪制

準確稱取0.50 g無水木糖，加水溶解，于50 mL的容量瓶中定容搖勻，得到質量濃度為10 g/L的木糖溶液。再移取10 mL溶液于100 mL容量瓶中，定容后搖勻即得標準木糖溶液，其質量濃度為2 mg/mL。分別取標準木糖溶液0.1，0.2，0.3，0.4，0.5，0.6，0.7，0.8，0.9 mL于25 mL比色管中，加水至1.0 mL，再移取3 mL DNS試劑[9]。在沸水浴中保溫5 min顯色，立即冷卻，定容搖勻，以沒加木糖的溶液作對照，于波長520 nm處測定其測吸光度，即為木糖標準曲線[10]。

1.2.3 蒸煮溫度對木聚糖提取的影響

稱取2.0 g小米糠4份，分別加入6倍體積即12 mL水，分別在70，80，90，100℃下蒸煮1 h，用質量分數10%NaOH溶液，于90℃下加熱提取1.5 h，料液比為1∶20，醇沉時調節pH值為5，提取粗木聚糖后測木聚糖質量，并計算木聚糖的得率。

1.2.4 蒸煮時間對木聚糖提取的影響

稱取2.0 g小米糠4份，分別加入6倍體積即12 mL水，于90℃下分別蒸煮0.5，1.0，1.5，2.0 h，用質量分數10%NaOH溶液，于90℃下加熱提取1.5 h，料液比為1∶20，醇沉時調節pH值為5，提取粗木聚糖后測木聚糖質量，并計算木聚糖的得率。

1.2.5 堿提濃度對木聚糖提取的影響

稱取2.0 g小米糠4份，分別加入6倍體積即12 mL水，于90℃下蒸煮1 h，分別用質量分數5%，10%，15%，20%的NaOH溶液，于90℃下加熱提取1.5 h，料液比為1∶20，醇沉時調節pH值為5，提取粗木聚糖后測木聚糖質量，并計算木聚糖的得率。

1.2.6 料液比對木聚糖提取的影響

稱取2.0 g小米糠4份，分別加入6倍體積即12 mL水，于90℃下蒸煮1 h，用質量分數10%NaOH溶液，于90℃下加熱提取1.5 h，料液比分別為 1∶15，1∶20，1∶25，1∶30，醇沉時調節 pH值為5，提取粗木聚糖后測木聚糖質量，并計算木聚糖的得率。

1.2.7 堿提溫度對木聚糖提取的影響

稱取2.0 g小米糠4份，分別加入6倍體積即12 mL水，于90℃下蒸煮1 h，用質量分數10%NaOH溶液，分別在70，80，90，100℃下加熱提取1.5 h，料液比為1∶20，醇沉時調節pH值為5，提取粗木聚糖后測木聚糖質量，并計算木聚糖的得率。

1.2.8 堿提時間對木聚糖提取的影響

稱取2.0 g小米糠4份，分別加入6倍體積即12 mL水，于90℃下蒸煮1 h，用質量分數10%NaOH溶液，于90℃下分別提取0.5，1.0，1.5，2.0 h，料液比為1∶20，醇沉時調節pH值為5，提出粗木聚糖后測木聚糖質量，并計算木聚糖的得率。

1.2.9 數據統計

所得數據均為重復試驗平均值，采用Statistix 8（分析軟件St Paul，MN）對數據進行分析，平均值之間顯著性差異（p＜0.05） 通過Turkey HSD進行 多重比較分析，并采用SigmaPlot 13.0和Excel 6.0作圖。

2 結果與分析

2.1 木糖標準曲線的繪制

使用分光光度法，于波長520 nm處測定木糖標準樣品的吸光度。建立回歸方程為Y=0.957X-0.029，其中Y為吸光度，X為木聚糖質量濃度（g/mL），線性相關系數R2=0.990。

木糖標準曲線見圖1。

圖1 木糖標準曲線

2.2 蒸煮溫度對小米糠中木聚糖提取的影響

蒸煮溫度對小米糠中木聚糖提取率的影響見圖2。

由圖2可知，隨著蒸煮溫度升高，木聚糖提取率逐漸增加。由于高溫和一定壓力的蒸煮可破壞木聚糖與木素結合，使木聚糖游離出來，但是溫度在100，90℃時的提取率相比變化不大，說明溫度到達90℃就能達到充分破壞復合物結合的作用。所以，考慮到節約能源和對設備要求的問題，選取90℃為最佳蒸煮溫度。

圖2 蒸煮溫度對小米糠中木聚糖提取率的影響

2.3 蒸煮時間對小米糠中木聚糖提取的影響

蒸煮時間對小米糠中木聚糖提取率的影響見圖3。

圖3 蒸煮時間對小米糠中木聚糖提取率的影響

由圖3可知，隨著蒸煮時間的延長，木聚糖提取率不斷增加。這是因為蒸煮時間增加，破壞了木聚糖與木素的結合，使木聚糖游離出來，當時間為1.5～2.0 h時，提取率變化不大，這與小米糠中木聚糖含量有關[11]。綜合時間和能源成本而考慮，蒸煮的最佳時間選擇1.5 h。

2.4 NaOH質量分數對小米糠中木聚糖提取率的影響

NaOH質量分數對小米糠中木聚糖提取率的影響見圖4。

圖4 NaOH質量分數對小米糠中木聚糖提取率的影響

由圖4可知，隨著NaOH質量分數升高，木聚糖提取率呈現先上升后降低的趨勢，當NaOH質量分數為10%時，木聚糖提取率達到峰值為19.15%，這是因為當堿溶液質量分數較低時不能完全透過米糠壁，從而導致提取率低，但當堿質量分數過高時，會造成木聚糖分解，從而使提取率降低[12-13]。所以最佳的NaOH質量分數為10%。

2.5 料液比對小米糠中木聚糖提取率的影響

料液比對米糠中木聚糖提取率的影響見圖5。

圖5 料液比對米糠中木聚糖提取率的影響

由圖5可知，隨著料液比的升高，木聚糖的提取率呈現先升高后降低的趨勢，料液比為1∶25時，提取率最高為20.31%，這是因為隨著料液比不斷增大，提取物與提取劑的接觸面積增大，傳遞速率增高，從而使木聚糖提取率升高，當料液比繼續增大時，對木聚糖提取率無明顯促進效果，這是因為提取物表面積有限，所以不會對提取率有更大的影響[14-15]，因此最佳料液比為1∶25。

2.6 提取溫度對小米糠木聚糖提取率的影響

提取溫度對小米糠木聚糖提取率的影響見圖6。

圖6 提取溫度對小米糠木聚糖提取率的影響

由圖6可知，隨著蒸煮溫度從70℃增加到90℃，木聚糖提取率不斷提高，溫度過低時，小米糠中的木聚糖溶出不完全，隨著溫度的提高木聚糖溶出量增加，但當溫度高于90℃，木聚糖提取率有下降趨勢。這說明適當提高溫度有利于提高分子間運動的速度，從而使木聚糖提取率升高，但溫度過高也會使堿液對木聚糖產生降解作用，導致提取率下降[16-17]。綜上所述，小米糠最佳堿提溫度為90℃。

2.7 提取時間對小米糠木聚糖提取的影響

提取時間對小米糠木聚糖提取的影響見圖7。

由圖7可知，隨著提取時間由0.5 h延長到1.5 h，木聚糖的提取率不斷提高，1.5 h達到最大值；提取時間為2.0 h時，木聚糖的提取率略有下降，說明此時有少量木聚糖降解[18-19]。試驗中發現，隨著提取時間的延長，提取液的顏色逐漸加深，可見提取時間不宜過長[20]。

圖7 提取時間對小米糠木聚糖提取率的影響

2.8 正交試驗

用蒸煮-堿處理法提取小米糠木聚糖的試驗中，優化堿提取條件可以除去纖維素等雜質，增加半纖維素溶出量的同時，又能夠降低堿溶液對木聚糖的水解作用。所以選取NaOH質量分數、料液比、提取溫度和提取時間4個因素作為考查對象，在參考單因素試驗結果的基礎上確定試驗水平，采用L9（34）正交試驗設計進一步優化堿處理條件。

正交試驗因素與水平設計見表1，正交試驗結果見表10。

表1 正交試驗因素與水平設計

表2 正交試驗結果

由表2可知，影響提取效果的主次因素順序為C＞B＞A＞D，即提取溫度＞料液比＞NaOH質量分數＞提取時間。最佳提取工藝條件為A1B2C3D3，即NaOH質量分數10%、料液比1∶25（g∶mL）、提取溫度100℃、提取時間2 h，提取的木聚糖得率較高。該組合不在正交試驗之列，通過試驗驗證該組合得率21.71%，結果與理論分析的一致。

3 結論

采用蒸煮-堿提取法提取木聚糖，對影響提取率的蒸煮時間、蒸煮溫度、提取溫度、提取時間、NaOH質量分數、料液比等因素進行單因素試驗，確定各因素對提取條件的影響，比較提取率后選定考查因素進行優化堿提取條件的正交試驗。通過單因素試驗和正交試驗結果可知小米糠中木聚糖提取的最佳工藝條件為蒸煮溫度90℃，蒸煮時間1.5 h，提取溫度100℃，料液比1∶25（g∶mL），NaOH質量分數10%，提取時間2 h，在此條件下木聚糖得率為21.71%。