甜玉米穗轴中水溶性木聚糖提取和纯化工艺研究

甜玉米穗轴中水溶性木聚糖提取和纯化工艺研究

玉米芯是去除玉米果穗后的穗轴，占玉米穗的20%30%。我国玉米年产量位于美国之后,居世界第二位,按3kg玉米产1kg玉米芯计算,仅2011年我国产生的玉米芯近0.64亿t。目前利用率仅有10%～15%,绝大部分玉米芯作为农家燃料被烧掉。玉米芯含有丰富的木聚糖,含量高达35%～40%,是天然的木聚糖储库。木聚糖是植物半纤维素的主要组分,具有明显的双歧杆菌活性,能够起到调节人体生理功能,增加机体免疫力,预防疾病发生等作用。木聚糖在食品中可用作乳化剂及膳食纤维,具有促进有丝分裂及免疫调节等功能。木聚糖及其衍生物最有可能产生的重要应用便是药物载体、伤口敷料以及造纸业中的添加剂。如果能从玉米芯中提取木聚糖,既可延长农作物的加工链条,提高农产品加工的附加值,又能够减少环境污染,具有极其重要的现实意义。因此,本研究对甜玉米穗轴的木聚糖提取和纯化工艺进行了优化,旨在探索出一条适合工业化生产木聚糖的途径。1材料和方法1.1仪器和试剂甜玉米穗轴哈尔滨市郊区;阴离子交换树脂captoQ美国GE公司;磷酸氢二钠、磷酸二氢钠、浓硫酸、无水乙醇等试剂均为分析纯。电热恒温水浴锅上海东星建材实验设备有限公司;紫外可见分光光度计上海光谱仪器有限公司;电热恒温干燥箱天津市泰斯特仪器有限公司;核酸蛋白检测仪上海金达生化仪器厂。1.2实验方法1.2.1正交实验设计选择新鲜的、无虫蛀、无霉变的甜玉米穗轴,粉碎过80目筛子。选择硫酸浓度、料液比、蒸煮温度、蒸煮时间进行单因素实验,根据单因素实验结果选择正交实验的各因素水平,如表1所示,设计正交实验优化木聚糖粗提工艺参数,以木聚糖提取率为依据确定最佳工艺。提取率计算公式:木聚糖提取率(%)=(木聚糖质量/甜玉米穗轴质量)×100。将粉碎后的甜玉米穗轴用一定质量浓度的H2SO4浸泡12h,滤去浸泡液,用蒸馏水洗涤2次,调节pH至6.0,在一定温度下蒸煮一段时间后,溶液离心,收集滤液,即为木聚糖的粗提液。1.2.2粗提技术的演示按照单因素实验得出的最优组合进行验证实验,计算提取率。1.2.3-木聚糖聚合系数t木聚糖含量按以下公式计算:C(%)=(C1-C2)×0.9。式中:C-木聚糖含量;C1(%)-总糖含量;C2(%)-还原糖含量;0.9-木聚糖聚合系数。总糖(TS)的测定:取一定量的木聚糖液,pH调节为5,加入4倍体积无水乙醇,4℃静置过夜,3000r/min离心15min,获取沉淀,并在沉淀中加入一定量的8%H2SO4,100℃水解2h,定容100mL,过滤后采用DNS法测定还原糖的质量,将其乘以木聚糖聚合因数0.9得到的数值即是木聚糖质量。1.2.4振荡脱色时间将木聚糖粗提液用活性炭进行脱色处理,每100mL液体中添加5g活性炭,置于70℃恒温水浴振荡脱色时间60min,8000r/min离心20min,收集上清夜。将脱色后的提取液与Sevage试剂以4∶1混合,充分振荡后,静止30min,8000r/min离心20min,得到的上清液为经脱色、脱脂的木聚糖溶液,将脱蛋白后的木聚糖液在200～400nm范围扫描。1.2.5木聚糖含量的测定使用阴离子交换树脂CaptoQ进行柱层析,填充柱高度为30cm,柱直径2.0cm。平衡液采用20mmol/LpH7.6PB缓冲溶液,上样量5mL,流速为1.0mL/min,然后使用0.5mol/LNaCl溶液作为洗脱液,检测波长为490nm。收集洗脱峰,检测回收率,干燥后计算木聚糖含量。回收计算公式:回收率(%)=(层析后木聚糖质量/层析前木聚糖质量)×100。2结果与分析2.1正交实验结果本实验采用酸预处理高温蒸煮法提取甜玉米穗轴木聚糖。单因素得到的最佳提取条件为硫酸浓度2g/L、料液比1∶10、蒸煮温度150℃、时间30min。在单因素实验基础上,选择合适的水平,进行四因素三水平正交实验,正交实验结果如表2所示,影响木聚糖粗提因素的重要性次序为D>C>A>B,最优组合为A3B2C2D3。即最佳提取条件为硫酸浓度3g/L,物料比1∶10,蒸煮温度150℃,蒸煮时间60min。按照最优组合进行验证实验,结果测定提取率为27.32%。玉米穗轴经3g/L的H2SO4浸泡12h后,组织纤维结构疏松,机械牢固性遭到破坏,纤维素之间的连接性被削弱,木聚糖充分游离出来。蒸煮法条件较温和,产生的副产物较少。如果玉米穗轴蒸煮温度过高会致使木聚糖β-1,4糖苷键断裂发生自水解现象,生成副产物糠醛。2.2活性炭脱色率活性炭脱色除吸附有色物质外还能除浊、除臭,降低糖浆的灰分含量,提高产品稳定性等,活性炭脱色率为78.03%。除蛋白后的木聚糖液分别在260nm处、280nm处无核酸吸收峰和蛋白质吸收峰,说明样品核酸和蛋白质极低,基本达到了木聚糖液初步纯化的目的。2.3交换剂的杂质成分对木聚糖检测的影响木聚糖液过柱后有两个明显的峰出现(图1),峰1为流穿峰,是未与阴离子交换剂结合的微量蛋白质和其他杂质成分,检测后木聚糖含量极低。峰2是0.5mol/LNaCl溶液的洗脱峰,检测为木聚糖成分,纯化的回收率为51.8%。将收集的峰2液冻干成粉后,测得木聚糖的含量为82.7%。3木聚糖的提取根据上述研究结果,木聚糖的最佳提取工艺为3g/L的H2SO4浸泡12h,料液比为1∶10,蒸煮温度为150℃,蒸煮时间为60min,提取率为27.32%。粗提液再经CaptoQ阴离子交换树脂进一步纯化,回收率达到51.8%,得到的冻干粉中木聚糖含量为82.7%。目前,木聚糖的生产还处于工业化的起步阶段,虽然有少量工业化产品面市,但仍存在产品纯度不高,回收率低的问题,还需要进一步改进工艺,以低成本、高质量的产品来满足广大人民群众追求身心健康的