從玉米芯中提取木聚糖的工藝研究

1、          STUPY ON TECHNOLOGY OF XYLANASE EXTRACTFROM CORNCOB       目    錄 摘要1關鍵詞11前言1  1.1玉米芯的應用前景1  1.2木聚糖的性質(zhì)與作用2  1.3國內(nèi)外研究狀況32實驗材料試劑及儀器3  2.1主要的儀器3  2.2 主要的材料與試劑43 實驗方法和過程4

2、  3.1 實驗材料的處理4  3.2 木聚糖的測定4  3.3 木糖標準曲線的制作4  3.4 溫度對木聚糖提取率的影響4  3.5 反應時間對木聚糖提取率的影響4  3.6 反應濃度對木聚糖提取率的影響5  3.7 反應PH濃度對木聚糖提取率的影響 5  3.8 酒精倍數(shù)對木聚糖提取率的影響5  3.9 酒精沉淀時間對木聚糖提取率的影響5  3.10 正交試驗法確定最佳提取工藝 54 結果分析5  4.1 溫度對木聚糖提取率的影響分析5  4.2 反應時間對木聚糖提取率的

3、影響分析6  4.3 反應濃度對木聚糖提取率的影分析6  4.4 反應PH濃度對木聚糖提取率的影響分析 6  4.5 酒精倍數(shù)對木聚糖提取率的影響分析7  4.6 酒精沉淀時間對木聚糖提取率的影響分析7  4.7 正交試驗法確定最佳提取工藝分析75結論9參考文獻 9致謝11                 從玉米芯中提取木聚糖的工藝研究學  生：高  韜&#

4、160; 指導老師：林元山 (湖南農(nóng)業(yè)大學東方科技學院，長沙 410128)                摘  要：通過單因素及正交試驗對從玉米芯中提取木聚糖的工藝條件進行了優(yōu)化。最佳的工藝如下：NaOH溶液的濃度為15%，80抽提取90min；離心，將上清液pH值調(diào)到5.0，靜置過夜，離心得到木聚糖A，再將離心液用3倍95%的工業(yè)酒精沉淀90min得木聚糖B，在上述條件下木聚糖提取率為82.5%。關鍵詞：玉米芯；木聚糖；提??；正交試

5、驗；TECHNOLOGY OF XYLANASE EXTRACTED FROM THE CORNCOBStudent:Gao TaoTutor:Lin Yuanshan(Oriental Science Technology College of Hunan Agricultural University, Changsha 410128)Abstract：The technology of xylan extnact from corncot was optimized by means of Single fautor and orthognal test. The result show

6、ed as follows: xylan A was seimentated and entrifugated when cornrob was extract in solution of 15% NaOH at 80 for 90min. Xylan B was also sedimentated by 3 fold volume of 95% etland from supernatant trented same as xylan A. The total of extract rate of xylan reuehed 82.5% under the condition descri

7、bed asabove.Key-Words: Corncob; Xylan;Extraction; Orthogonal test  1  前言1.1 玉米芯的應用前景 中國是一個農(nóng)業(yè)大國,玉米是中國三大糧食作物之一。據(jù)統(tǒng)計, 2003年玉米總產(chǎn)量在1.16億t, 2004年玉米總產(chǎn)量在1.30億t以上1。在進行玉米加工的同時,會有大量的下腳料玉米芯產(chǎn)生。按3 kg玉米產(chǎn)l kg玉米芯計算,每年中國大約可均產(chǎn)玉米芯0.4億t左右。t，然而，僅有少量玉米芯用于制造納米粒子2，栽培白靈菇3，生產(chǎn)葡萄糖、木糖4,5、乳酸6等，然而玉米芯在很長時間內(nèi)不能被廣泛利

8、用,絕大部分作為農(nóng)家燃料被白白燒掉,造成很大的浪費。玉米芯中纖維素占32 %-36 %,多縮戊糖占35 %-40 %,木質(zhì)素占25 %,其次還含有少量的灰分等,其中多聚戊糖的主要成分為木聚糖,包括A和B兩個組分,前者可通過調(diào)pH得到,后者可通過有機溶劑沉淀得到。玉米芯含有豐富的木聚糖，是制造木糖的重要原料之一。1.2 木聚糖的性質(zhì)與作用    性質(zhì)：由木糖紅-1，4-糖苷鍵連接而成7，分子量約30000（200個糖單位），白色無定形粉末，不溶于冷水，溶于稀堿溶液，隨樣品不同，旋光度D-71.2°到-109.5°。俗稱半纖維素木聚糖是半纖維素中主

9、要的結構形式，由-D-木吡喃糖以14鍵連接。一些木聚糖常含有少量其他的糖，如 L阿拉伯糖、D葡萄糖、D半乳糖、D甘露糖、D葡萄糖醛酸和D-半乳糖醛酸等，它們常以接枝的方式形成支鏈。木聚糖溶于稀堿中，可與纖維素分開。木聚糖與強酸共熱水解，是工業(yè)上制備糠醛的方法。在稀酸中水解，得木糖，是制備木糖醇的主要原料。    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(diào)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。木聚糖與其它種類低聚糖相比，具有用量少、耐熱、耐酸、耐儲存等特性。因此，

10、木聚糖可應用于酸性、需高溫處理的食品中，且少量添加即可有特定的保健功效8。木聚糖在食品、醫(yī)藥、輕工等領域有著廣泛的用途。它可以作為甜味劑加工成各種糖尿病人專用食品，可以降低人體血糖值，是糖尿病人的輔助治療劑，在輕工業(yè)中木聚糖可以代替甘油作保濕劑9。因此，研究開發(fā)該類產(chǎn)品有廣泛的前途。    木聚糖是半纖維素的一種，在自然界中廣泛存在，主要存在于禾本科植物（竹子、蘆葦、甘蔗渣、玉米芯、稻草、麥草等），闊葉材（櫸木、楊木、樺木等），針葉材（冷杉、云杉、馬尾松、落葉松等）。不同來源的木聚糖，主鏈結構都是相同的，通過D 型吡喃木糖-1-4糖苷鍵聯(lián)接，不同的木聚糖側鏈有所不

11、同，主要的側鏈取代基有：阿拉伯糖、葡萄糖醛酸、4-0-甲基葡萄糖醛酸、乙?；?、半乳糖基等10。A Ebringerova11等人報道玉米芯木聚糖可以作為免疫佐劑調(diào)節(jié)免疫應答，從竹葉、玉米桿、麥桿及硬木中提取的酸性木聚糖能有效地抑制S180 以及其他腫瘤的生長。A Ebringerova12等人研究發(fā)現(xiàn)多支鏈的玉米芯木聚糖具有有絲分裂原活性，可以刺激細胞的免疫調(diào)節(jié)。    隨著經(jīng)濟的發(fā)展和生活水平的提高,人類更加關注自身的健康,因而對能促進雙歧桿菌增殖的功能性低聚糖的研究開發(fā)具有重大意義。低聚木糖對雙歧桿菌的增殖效果好于其他低聚糖, 人體每天食用0.7g就能達到理想

12、的效果,而食用低聚果糖需每天10g。低聚木糖在PH2.5-8.0煮沸1h無明顯變化,這一范圍PH幾乎覆蓋了所有的食品體系。低聚木糖不但穩(wěn)定性好,而且還具有降低水分的作用。總之, 與其他低聚糖相比,低聚木糖具有用量小、性質(zhì)穩(wěn)定耐酸、耐熱、降低水分和防止凍結等特點, 加之其生產(chǎn)原料是農(nóng)副產(chǎn)品玉米芯, 因此是一種具有發(fā)展前景的低聚糖。我國目前對低聚糖的研究還處在起步階段, 日本三得利公司已有該產(chǎn)品上市, 折合人民幣售價600萬元/t。低聚木搪的生產(chǎn)分為木聚糖的提取與木聚糖的水解兩個過程,這兩個過程都很重要。木聚糖的提取不僅要做到提取充分, 而且還要盡可能使其降解木糖的量少, 只有這樣才能保證最終產(chǎn)品

13、低聚木糖含量高。木聚糖在食品中可用作乳化劑及膳食纖維13, 具有促進有絲分裂及免疫調(diào)節(jié)等功能14。此外, 木聚糖通過酶解可制備低聚木糖, 低聚木糖有促進腸道內(nèi)有益菌的繁殖、抑制有害菌生長的獨特生理功能。本文以玉米芯為原料, 用堿提取的方法, 對木聚糖的提取工藝進行了優(yōu)化,為低聚木糖的制備奠定基礎, 也為玉米芯資源的利用提供了基礎數(shù)據(jù)。1.3 國內(nèi)研究狀況    木聚糖的提取15,16方法主要有三種沉淀法、堿法、高溫蒸煮法。蒸煮法提取木聚糖的原理是利用木聚糖自身含有的乙酞基在高溫的作用下脫落成乙酸, 使體系降低, 從而使木聚糖在較高溫度下-1，4- 糖昔鍵斷裂,木聚

14、糖分子量降低, 溶解度增大。沉淀法提取其溶出總糖量較低,且溶出的總糖中還原糖含量較大,不利于木聚糖的提取。減法、蒸煮法提取其溶出總糖量較高,且溶出的總糖還原糖的含量較小,是提取木聚糖的較好方法,尤其堿法。所以本文以堿法作為玉米芯的提取方法對其進行工藝優(yōu)化。 2  實驗材料、試劑及儀器2.1  主要儀器  恒溫水浴箱        烘干機        粉碎機      電子天平 

15、;        試管架      試管2.2  主要的材料與試劑      玉米芯      NaOH固體      95%酒精      無氨蒸餾水      H2SO4    

16、0; 木聚糖粉末3  實驗方法與過程3.1 實驗材料的處理將玉米芯芯皮分離再依次剪碎并烘干過夜。將已烘干過夜的芯皮粉碎成粉末狀,40目過篩。3.2 木聚糖的測定17取干燥后的木聚糖粉末, 加入一定量的8%H2SO4,于100 水解2 h, 用NaOH中和,定容至100 mL, 測定濾液的還原糖質(zhì)量, 將其乘以木聚糖聚合系數(shù)0.9 作為木聚糖質(zhì)量m。提取率(%)=m(g)/M( 玉米芯的質(zhì)量g) ×100 %3.3 溫度對木聚糖提取率的影響用電子天平準確稱取0.5g玉米芯，加入試管中。再分別加入15%的NaOH溶液10ml,取4只試管分別編號1，2，3，4.再依次放入溫度為6

17、0，70，80，90的恒溫水浴箱中，反應1.5h后調(diào)節(jié)pH到5再過濾。過濾所得的沉淀放入培養(yǎng)皿中烘干過夜。用天平稱取沉淀重量并記錄。3.4 反應時間對木聚糖提取率的影響電子天平準確稱取0.5g玉米芯，加入試管中。再分別加入15%的NaOH溶液10ml,取4只試管分別編號1，2，3，4.再放入溫度為80的恒溫水浴箱中，看表依次反應1，1.5，2，2.5h后pH到5再過濾。過濾所得的沉淀放入培養(yǎng)皿中烘干過夜。用天平稱取沉淀重量并記錄。3.5 NaOH濃度對木聚糖提取率的影響    電子天平準確稱取0.5g玉米芯，加入試管中。再分別加入5%，10%，15%，20%的Na

18、OH溶液10mL,取4只試管分別編號1，2，3，4.再放入溫度為80的恒溫水浴箱中，看表反應1.5h后pH到5再過濾。過濾所得的沉淀放入培養(yǎng)皿中烘干過夜。用天平稱取沉淀重量并記錄。3.6 反應pH濃度對木聚糖提取率的影響用電子天平準確稱取0.5g玉米芯，加入試管中。再分別加入15%的NaOH溶液10mL,取4只試管分別編號1，2，3，4.再放入溫度為80的恒溫水浴箱中，反應1.5h后調(diào)節(jié)pH到3，5，7，9再過濾。過濾所得的沉淀放入培養(yǎng)皿中烘干過夜。用天平稱取沉淀重量并記錄。3.7 酒精倍數(shù)對木聚糖提取率的影響用電子天平準確稱取0.5g玉米芯，加入試管中。再分別加入15%的NaOH溶液10ml

19、,取4只試管分別編號1，2，3，4.再放入溫度為80的恒溫水浴箱中，反應1.5h后調(diào)節(jié)pH到5再過濾。過濾后的上清液分別倒入4只試管中，再分別用1，2，3，4倍酒精沉淀1.5h再過濾。過濾所得的沉淀放入培養(yǎng)皿中烘干過夜。用天平稱取沉淀重量并記錄。3.8 酒精沉淀時間對木聚糖提取率的影響用電子天平準確稱取0.5g玉米芯，加入試管中。再分別加入15%的NaOH溶液10ml,取4只試管分別編號1，2，3，4.再放入溫度為80的恒溫水浴箱中，反應1.5h后調(diào)節(jié)PH到5再過濾。過濾后的上清液分別倒入4只試管中，再分別用3倍酒精沉淀1，1.5，2，2.5h再過濾。過濾所得的沉淀放入培養(yǎng)皿中烘干過夜。用天平

20、稱取沉淀重量并記錄。3.9 正交試驗法確定最佳提取工藝選取堿處理時間(A)、堿液濃度(B)、反應pH濃度(C）和堿處理溫度(D)作為考查因素，參考單因素的試驗結果確定試驗水平，做4因素3水平正交試驗來確定最佳提取工藝。4  結果分析 4.1 溫度對木聚糖提取率的影響分析    表1 溫度對木聚糖提取率的影響Table1 Effect of temperature on extract rate of xylan 編號1234處理溫度60708090提取率37.8% 36.0%43.2%37.8%    由上表可知在

21、80時提取最優(yōu)。溫度太低時，玉米芯中的木聚糖溶出不充分隨著溫度的升高，木聚糖溶出量增加，這說明適當提高溫度對堿液溶解木聚糖是有利的但同時發(fā)現(xiàn)，溫度升高以后提取液的顏色逐漸加深并且過高的溫度也會使堿液對木聚糖產(chǎn)生降解作用，導致提取率下降4.2 反應時間對木聚糖提取率的影響分析表2 提取時間對木聚糖提取率的影響Table2 Effect of extract time on xylane extract rate編號1234處理時間1h1.5h2h2.5h提取率50.4%73.8%66.6%70.2%    由上表可知反應時間在1.5h的時候提取最優(yōu)化。 &

22、#160;  在4個處理中，處理1.5 h的半纖維素含量最高，處理時間延長半纖維素含量明顯下降堿濃度、溫度和處理時間偏低時原料中的半纖維素不能充分溶出，偏高時會導致堿溶液在溶出半纖維素的同時對其中的木聚糖產(chǎn)生部分水解作用，因此需要通過正交試驗來調(diào)整各主要處理條件，選取更適合的堿處理條件4.3 NaOH濃度對木聚糖提取率的影響分析 表3 氫氧化鈉濃度對木聚糖提取率的影響Table3 Effect of concentration of NaOH on extract rate of xylan編號1234NaOH濃度5%10%15%20%提取率    60

23、.3%70.2%80.8%76.7%由上表(3)可知15%的NaON提取最優(yōu)化。并且發(fā)現(xiàn)其中20%中的沉淀顯灰黑色。4.4 反應PH濃度對木聚糖提取率的影響分析  表4 pH值對木聚糖提取率的影響Table4 Effect of pH on extract rate of xylan編號1234處理液PH3579提取率69.6%71.6%69.3%65.3%    由上表可知在pH=7的時候提取最優(yōu)化。不同pH值對提取率影響較為明顯，在pH為5時沉淀量最大，這可能是因為木聚糖溶液處于帶負電荷狀態(tài)，微酸性環(huán)境下，膠團的負電荷被中和，使pH值接近等電點而形成

24、絮狀沉淀，從而使木聚糖提取率提高。4.5 酒精倍數(shù)對木聚糖提取率的影響分析 表5 酒精用量對木聚糖提取率的影響Table5 Effect of ethanol volume on extract rate of xylan 編號1234酒精倍數(shù)1234提取率    22.5%24.8%25.7%26.1%    由上表可知在酒精倍數(shù)為4倍的時候提取最優(yōu)化。提取率隨著酒精體積的增大而增大，3倍體積沉淀時提取率與4倍體積沉淀時提取率相差不大而繼續(xù)增加酒精用量提取率增幅不大，且酒精用量過大會提高提取成本并且造成精制困難，因此選取待沉淀料液3

25、倍體積的工業(yè)酒精進行沉淀。4.6 酒精沉淀時間對木聚糖提取率的影響分析 表6 酒精沉淀時間對木聚糖提取率的影響Table6 Effect of time treated with ethanol on extract rate xylan 編號1234酒精沉淀時間1h1.5h2h2.5h提取率    28.8%24.1%24.3%24.6%    由上表可知沉淀時間為2.5h時提取最優(yōu)化。    沉淀時間越長，木聚糖提取率越高，但超過1.5 h之后影響不大，1.5h就可將提取液中的木聚糖沉淀出來4.7 正

26、交試驗法的結果分析表7  正交試驗表Table7 rthogonat test試驗號處理時間堿液濃度反應pH濃度堿處理溫度提取率160min10%37062.2%260min15%58070.3%360min20%79060.3%490min15%59075.6%590min20%77080.2%690min10%38075.2%7120min20%78063.3%8120min10%39066.3%9120min15%57061.4%K164.26767.03367.90067.933A>B>D>CK277.00072.26769.10069.600A2B2C2D

27、2K363.67765.63367.93367.400 R13.3336.6341.2002.200                圖1 因素趨勢圖Fig1 Trend of factors    由上表(7)可知各因素對提取木聚糖影響顯著程度依次為A>B>D>C，即處理時間>堿液濃度>處理溫度>反應pH濃度，由圖(1)可知最佳提取組和A2B2C2D2因為這個組

28、合在上表(7)中沒有，所以又做了A2B2C2D2的驗證發(fā)現(xiàn)A2B2C2D2下的提取率為82.5%高于實驗中的80.2%所以最佳的組合為A2B2C2D2提取率為82.5% 5 結論綜上所得可知玉米芯中木聚糖提取的最佳工藝條件為: NaOH濃度為15 %, 浸提溫度為80, 浸提時間為90min, 得木聚糖的最佳pH 值為5。在上述條件上木聚糖的提取率為82.5%。 次級提取木聚糖的最佳酒精體積為3 倍, 沉淀時間90 min。             

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