毛竹筍木聚糖提取工藝優化及其抗氧化活性分析

摘 要：為了實現竹筍加工廢棄物的資源轉化與利用，采用堿提醇沉法提取毛竹筍中的木聚糖，通過單因素試驗和正交試驗優化提取工藝，利用高效液相色譜法和傅里葉變換紅外光譜分析毛竹筍木聚糖的理化性質，并通過DPPH法和ABTS法評價毛竹筍木聚糖的體外抗氧化活性。結果表明：在提取時間3.5h、堿液質量濃度0.1g·mL?1、料液比1∶25，提取溫度100℃的條件下，毛竹筍木聚糖提取率最高，可達20.86%。單糖組成和FT-IR分析表明木糖可能是構成毛竹筍木聚糖的主要成分。體外抗氧化性試驗表明毛竹筍木聚糖具有一定的抗氧化活性，當濃度為8mg·mL-時，其對DPPH自由基的清除率達到94.75%，IC50值為1.0mg·mL?1；當濃度為20mg·mL時，其對ABTS自由基的清除率為93.09%，IC50值為3.85mg·mL?1。

關鍵詞：毛竹筍；木聚糖；提取工藝；抗氧化活性

中圖分類號：S795 文獻標志碼：A 文章編號：0253?2301（2024）07?0062?07

DOI： 10.13651/j.cnki.fjnykj.2024.07.011

Optimization of Extraction Process of Xylan from Phyllostachys edulis and Analysis of Its

Antioxidant Activity

CHENGan-lin，LILan-lan，LINPing-dong，XIANGHan，FULei，WUYun-kun（College of Life Science， Fujian Normal University， Fuzhou， Fujian 350108， China）

Abstract： Inordertorealizetheresourceconversionandutilizationofbambooshootprocessingwaste，thexylaninPhyllostachys eduliswasextractedbyusingthealkaliextractionandalcoholprecipitationmethod.Theextractionprocesswasoptimizedbythesinglefactortestandorthogonaltest.ThephysicochemicalpropertiesofxylanextratedfromPhyllostachys eduliswereanalyzedbyhighperformanceliquidchromatographyandFouriertransforminfraredspectroscopy.TheantioxidantactivityinvitroofxylansfromPhyllostachyseduliswasevaluatedbyDPPHmethodandABTSmethod.Theresultsshowedthat：Undertheconditionsoftheextractiontimeof3.5h，thealkalimassconcentrationof0.1g·mL，theratioofsolidtoliquidbeing1∶25andtheextractiontemperatureof100℃，theextractionrateofxylanfromPhyllostachys eduliswasthehighest，reaching20.86%.ThemonosaccharidecompositionandFT-IRanalysisshowedthatthexylosemaybethemaincomponentofxylanfromPhyllostachys edulis.Theinvitroanti-oxidationtestshowedthatthexylanextractedfromPhyllostachys edulishadcertainantioxidantactivity.Whentheconcentrationwas8mg·mL，thescavengingrateofitontheDPPHfreeradicalreached94.75%，andthe?1IC50valuewas1.0mg·mL?1.Whentheconcentrationwas20mg·mL，thescavengingrateofitontheABTSfreeradicalwas93.09%，andtheIC50valuewas3.85mg·mL?1.

Key words： Phyllostachys edulis；Xylan；Extractiontechnology；Antioxidantactivity

木聚糖是一條由β-1，4木糖苷鍵連接D-木糖殘基組成的線性鏈，包含乙酰基、阿拉伯糖基和葡萄糖醛酸基等復雜側鏈[1]。木聚糖具有免疫調節、降血糖、抗腫瘤及調節腸道菌群平衡等多重功效[2]，廣泛應用于食品、保健、醫療等領域[3?6]。此外，木聚糖還是酶法制備功能性低聚木糖的重要原料[7]。隨著木聚糖功能的持續發掘和廣泛應用，探尋天然木聚糖的來源以及高效的提取方法至關重要。

我國竹資源豐富且用途廣泛，隨著竹筍加工產品的日益多樣化，加工過程中產生的竹筍廢棄物量也逐漸增加。目前我國對竹廢棄物開發利用主要集中在建筑材料、動物飼料、功能性食品、生物活性物提取開發等方面[8]。然而在竹筍加工過程中被剔除并丟棄的筍殼和不宜食用的筍節與筍頭下腳料占總量的一半以上[9]，無序利用、浪費或焚燒仍是我國竹筍廢棄物利用的普遍現狀。毛竹（Phyllostachysedulis）是中國分布最廣的竹類，面積約420萬hm2[10]，其主要成分是木質素、纖維素和半纖維素[11]其中半纖維素的含量為21%～31%[1]，是一種提取木聚糖較好的原料。近年來，大多數國內外研究報告都側重于從水稻秸稈、玉米秸稈、甘蔗渣、煙草秸稈等農林廢棄物中提取木聚糖[12?15]，對于從竹筍廢棄物中提取木聚糖的研究相對較少，其中余能富等[16]探討了從筍殼中提取木聚糖，但工藝較為簡單；劉煥燕等[17]研究了響應面法優化毛竹筍殼中木聚糖的提取工藝，但未對其理化性質和抗氧化性進行研究。

本研究采用堿提醇沉法提取毛竹筍中的木聚糖，通過單因素試驗和正交試驗優化提取工藝，并對木聚糖進行單糖組成和FT-IR分析，進一步通過DPPH法和ABTS法評價毛竹筍木聚糖的體外抗氧化活性，以期為高效制備毛竹筍木聚糖提供科學依據，也為后續利用木聚糖酶制備功能性低聚木糖提供新途徑。

1 材料與方法

1.1試驗材料

毛竹筍廢棄物，來自福建省三明市。

1.2主要試劑與主要儀器

主要試劑：無水乙醇、木糖標準品、3，5-二硝基水楊酸、鹽酸、氫氧化鈉等試劑均為市售分析純。主要儀器：電熱恒溫水浴鍋（上海一恒科學儀器有限公司）；超純水儀Master-touchS15UV（上海和泰儀器有限公司）；真空干燥箱DZF-6051（上海一恒科學儀器有限公司）；中藥粉碎機WJX-200（上海緣沃工貿有限公司）；電子太平SE602F（美國OHAUS公司）；多功能臺式冷凍離心機5810R（德國Eendorf公司）；變頻隔膜真空泵Vcstardigital（德國IKA公司）。

1.3試驗方法

1.3.1原料預處理 將毛竹筍廢棄物洗凈置于60℃電熱恒溫鼓風干燥箱中干燥后粉碎，稱取一定量干燥的竹筍粉末，加入適量石油醚（沸程30～60℃），在室溫下浸泡處理24h，并用機械攪拌器不斷攪拌，浸泡處理結束后真空抽濾，再將粉末樣品置于95%（v/v）乙醇中脫脂，真空干燥后得到毛竹筍粉末，備用。

1.3.2木聚糖的提取 采用堿提醇沉法提取毛竹筍木聚糖，準確稱取預處理后的毛竹筍粉末1g，按照一定的堿質量濃度、提取溫度、提取時間和料液比進行提取，反應結束后收集上清液，使用濃鹽酸將濾液pH調至5.0～6.0，加入4倍體積的95%乙醇，醇沉過夜，以5000r·min?1條件下離心10min后收集沉淀，將沉淀用真空冷凍干燥機冷凍干燥24～48h，即得木聚糖粗品。

1.3.3木糖標準曲線 繪制標準曲線：配置1mg·mL-標準木糖溶液，分別吸取0、0.2、0.4、0.6、0.8、1.0、1.2、1.4mL于10mL試管中，添加蒸餾水補足至2mL之后，再加3mL3，5-二硝基水楊酸（DNS）溶液，沸水浴5min后迅速冷卻，加水至刻度線，混勻后于波長540nm處測定其吸光度。

1.3.4木聚糖含量的測定 將冷凍干燥后的粗木聚糖加入適量8%H2SO4溶液溶解，100℃下水解2h，中和、過濾、定容，采用DNS法測定還原糖。

木聚糖提取率（%）=（C×N×0.9×10?3 ）/M×100

式中：C 為木聚糖濃度（mg·mL ?1），N 為稀釋倍 數 ，0.9 為木聚糖聚合系數，M 為原料的質量（g）。

1.3.5竹筍木聚糖提取單因素試驗設計 （1）堿 液質量濃度對毛竹筍木聚糖提取率的影響：控制料 液比 1∶30，將堿液（NaOH 溶液）質量濃度分別設 置為 0.04、0.06、0.08、0.1、0.12g·mL ?1，溫度設 置為 90℃，提取 3h，其余步驟同 1.3.2。

（2）提取溫度對毛竹筍木聚糖提取率的影響：將溫度分別控制在60℃、70℃、80℃、90℃、100℃溫度下提取2.5h，料液比1∶30，堿液（NaOH溶液）質量濃度為0.1g·mL?1，其余步驟同1.3.2。

（3）料液比對毛竹筍木聚糖提取率的影響：將料液比（g/mL）分別控制在1∶20、1∶25、1∶30、1∶35、1∶40。添加質量濃度為0.1g·mL?1的堿液（NaOH溶液），溫度設置為90℃，提取3h，其余步驟同1.3.2。

（4）提取時間對毛竹筍木聚糖提取率的影響：將提取時間分別控制在2、2.5、3、3.5、4h，提取溫度100℃，料液比1∶30，添加質量濃度為0.1g·mL-的堿液（NaOH溶液），其余步驟同1.3.2。

1.3.6正交試驗法確定最佳工藝條件 根據單因素試驗結果，將毛竹筍木聚糖的主要因素設為堿質量濃度（A）、料液比（B）、提取時間（C）、提取溫度（D），將木聚糖提取率作為考察指標，采用四因素三水平設計正交試驗，因素與水平設計見表1。

1.3.7毛竹筍木聚糖單糖組成測定 測試條件為：采用Dionex?CarboPac?PA20（150×3.0mm，10μm）液相色譜柱；進樣量為5μL。流動相A（H O）、流動相B（0.1mol·L?1NaOH）、流動2相C（0.1mol·L?1NaOH，0.2mol·L?1醋酸鈉），流速0.5mL·min?1；柱溫為30℃。

1.3.8毛竹筍木聚糖傅里葉變換紅外光譜（FT-IR）分析 儀器使用NicoletiZ-10傅里葉變換紅外光譜儀掃描分析，儀器分辨率4.00cm?1，掃描范圍為4000～450cm?1，掃描次數：32次。

1.3.9毛竹筍木聚糖體外抗氧化活性的評價 參照文獻[18]方法，并略加以調整，對毛竹筍木聚糖進行DPPH和ABTS自由基清除率進行測定。

（1）DPPH自由基清除試驗：稱取1mgDPPH粉末溶于無水乙醇，配置成濃度為0.1mmol·L-的DPPH工作液，室溫下避光保存備用。用蒸餾水溶解毛竹筍木聚糖，配制濃度為0.2～10mg·mL?1的樣品溶液，等體積量取樣品溶液與DPPH工作液，旋渦混勻，室溫下避光靜置反應30min；以0.1mg·mL?1的抗壞血酸（VC）溶液作為陽性對照，每組樣品另設背景（樣品自身顏色）對照（0.5mL樣品溶液+0.5mL無水乙醇）；以蒸餾水作為空白調零后分別于波長517nm處測吸光度A517。

（2）ABTS自由基清除試驗：稱取2.06mgABTS粉末和0.35mg過硫酸鉀（K2S2O8）粉末，分別用0.5mL蒸餾水溶解制得濃度為7.4mmol·L?1的ABTS儲備液和2.6mmol·L?1的K S O儲備2 2 8液。等體積量取ABTS儲備液和K S O儲備液，2 2 8旋渦混勻，室溫下避光靜置反應至少12h；用無水乙醇將反應后的溶液稀釋一定倍數，使其A734 =（0.7±0.02），得ABTS工作液，室溫下避光保存備用。用蒸餾水溶解毛竹筍木聚糖，配制濃度為0.2～20mg·mL?1的樣品溶液，按1∶4（v∶v）的比例量取樣品溶液和ABTS工作液，旋渦混勻，室溫下避光靜置30min；以0.1mg·mL?1的VC溶液作為陽性對照，每組樣品另設背景（樣品自身顏色）對照（樣品溶液體積∶無水乙醇體積=1∶4）；以蒸餾水作為空白調零后分別于波長734nm處測吸光度A。734

DPPH自由基清除率=[1?（A1?A2）/A0]×100%

ABTS自由基清除率=[1?（A1?A2）/A0]×100%

式中，A0 為空白組的吸光度，A1 為樣品組或陽性 對 照組的吸光度，A2 為背景對照組的吸光度。

2 結果與分析

2.1木糖標準曲線

木聚糖測定時木糖的標準曲線見圖 1，回歸方 程y=9.4575x?0.0346，R 2 =0.9993。

2.2單因素試驗結果分析

2.2.1堿液質量濃度對毛竹筍木聚糖提取率的影響 由圖2可知，堿液在特定反應條件下，可以破壞半纖維素的分子間化學鍵，從而提高半纖維素的溶出率和提取率。隨著堿液濃度的升高，木聚糖提取率先上升后下降，當堿液濃度為0.04g·mL?1時，木聚糖提取率最低；當堿液濃度達到0.08g·mL?1時，木聚糖提取率達到峰值。因此，選擇濃度0.08g·mL -1為最佳堿液濃度。

2.2.2提取溫度對毛竹筍木聚糖提取率的影響 由圖3可知，提取溫度是影響木聚糖產率的重要因素，高溫能夠促進木質素與半纖維素之間的化學鍵斷裂。在60～90℃范圍內，木聚糖提取率逐漸升高，當溫度達到90℃之后，木聚糖的提取率反而下降。從節約成本的角度來看，選擇提取溫度90℃為最適溫度。

2.2.3料液比對毛竹筍木聚糖提取率的影響 由圖4可知，在料液比1∶20至1∶30，木聚糖的提取率呈上升趨勢。在料液比為1∶30時，木聚糖的提取率最高。當料液比為1∶35或1∶40時，毛竹筍木聚糖提取率明顯下降。綜合考慮，選擇料液比1∶30為最佳料液比。

2.2.4提取時間對毛竹筍木聚糖提取率的影響 由圖5可知，隨著提取時長的增加，木聚糖提取率呈增加趨勢，當提取時長為3.5h時，木聚糖提取率最大，隨著時間加長，木聚糖提取率開始緩慢下降。提取時間過長的話可能會導致木聚糖在一定程度上發生降解，從而導致提取率降低。因此，選擇3.5h作為最適提取時間。

2.3正交試驗優化工藝參數

由表2可知，堿法制備毛竹筍木聚糖的最優生產工藝參數組合為A1B1C2D3，此時木聚糖提取率達到20.86%。根據R值判斷各因素對毛竹筍木聚糖提取的影響排序為（堿質量濃度）A＞（提取溫度）D＞（提取時間）C＞（料液比）B，因此，可以確定堿液質量濃度對木聚糖產量的影響最大，其次是反應溫度、提取時間和料液比。

2.4毛竹筍木聚糖單糖組成分析

經檢測，毛竹筍木聚糖單糖組成木糖含量最高，占比接近60%，其次是葡萄糖（25.6%）、阿拉伯糖（11.19%）、半乳糖（3.79%）。木糖的含量高表明其可能是構成毛竹筍木聚糖的主要成分。一般來說，降解產物中阿拉伯糖（Ara）與木糖（Xyl）的比值被認為是衡量阿拉伯糖木聚糖線性或分支程度的一個指標[19]，Ara/Xyl比值高表明是具有大量分支的短鏈聚合物，而Ara/Xyl比值低表明是具有少量側鏈的線性半纖維素聚合物[20]。從試驗數據得出Ara/Xyl=0.1883，表明帶有許多支鏈的半纖維素與木質素的結合并不牢固，在堿性溶液中支鏈糖基更容易溶解。

2.5毛竹筍木聚糖傅里葉變換紅外光譜分析（FT-IR）

由圖6可知，半纖維素的紅外敏感基團為?CH3CO和?OH[21?22]，3330.65cm?1處為O?H的伸縮振動吸收峰，2885.98cm?1處的吸收峰歸屬于C?H伸縮振動。1034.39cm?1處的主要吸收峰屬于木聚糖中糖苷鍵C?O?C的伸縮振動，是木聚糖的特征吸收峰。896.6cm?1處吸收峰歸屬于β?D?木糖的特征結構，表明糖單元以β?糖苷鍵連接。1170～1000cm?1亦是木聚糖的典型特征，1160.35cm-1處吸收峰表明存在阿拉伯糖基團。綜上所述，紅外光譜分析表明從竹筍中提取的木聚糖成分為木糖。

2.6毛竹筍木聚糖的抗氧化活性分析

2.6.1毛竹筍木聚糖對DPPH自由基的清除率 由圖7可知，0.2～8.0mg·mL?1濃度范圍內，隨毛竹筍木聚糖濃度的升高，DPPH·清除率逐漸增加，IC值為1.0mg·mL?1。當毛竹筍木聚糖濃度為850mg·mL-1時，其對DPPH·清除率均接近95%以上。隨濃度進一步提高，其對DPPH·清除率有所降低。在陽性對照組中，0.1mg·mL?1VC對DPPH·的清除率為95.63%，以上結果表明毛竹筍木聚糖具有良好的體外抗氧化活性，表現為對DPPH·較強的清除能力。當達到一定濃度后，毛竹筍木聚糖的DPPH自由基清除能力與VC相當。

2.6.2毛竹筍木聚糖對ABTS自由基的清除率 由圖8可知，毛竹筍木聚糖對ABTS自由基的清除能力隨著濃度的增加而增強。當濃度從0.2mg·mL-1增至20mg·mL?1時，毛竹筍木聚糖的ABTS·清除率從14.74%上升到93.48%，IC50值為3.85mg·mL-1。陽性對照組中，0.1mg·mL?1VC對ABTS·有94.66%清除率。以上結果表明毛竹筍木聚糖具有良好的體外抗氧化活性，表現為對ABTS·較強的清除能力。當達到一定濃度后，毛竹筍木聚糖的ABTS自由基清除能力與VC相當。

3 結論

本研究采用單因素、正交試驗優化毛竹筍木聚糖提取工藝，結果表明堿提毛竹筍木聚糖最優工藝條件為：提取溫度100℃，堿液質量濃度0.1g·mL-1，提取時間3.5h，料液比1∶25，木聚糖提取率達到20.86%。HPLC分析顯示單糖中含量最多的是木糖，其次是阿拉伯糖和葡萄糖。傅里葉變換紅外光譜（FT-IR）進一步證實了提取物具有與木聚糖相吻合的特征結構峰。體外抗氧化活性試驗結果表明，毛竹筍木聚糖具有一定的抗氧化活性，當濃度為8mg·mL?1時，對DPPH自由基的清除率為94.75%，IC50值為1.0mg·mL?1；當濃度為20mg·mL-1時，對ABTS自由基的清除率為93.48%，IC50值為3.85mg·mL?1；且在一定濃度范圍內，其抗氧化活性隨木聚糖濃度的升高而增強。這一研究成果能夠將竹筍廢棄物轉化為高附加值產品開辟一條有效的途徑，同時為后續利用木聚糖酶制備功能性低聚木糖的產業深加工提供新思路。

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（責任編輯：陳文靜）