謝青，林清英

(福建生物工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，福建 福州 350002)

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超聲波輔助堿法提取大米草半纖維素

謝青，林清英

(福建生物工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，福建 福州 350002)

摘要：[目的]研究超聲波堿法提取大米草半纖維素的最佳提取條件。[方法]采用L9(34)正交試驗(yàn)，考察了NaOH質(zhì)量分?jǐn)?shù)、超聲時(shí)間、浸提溫度、H2O2體積分?jǐn)?shù)對(duì)大米草半纖維素提取得率的影響，優(yōu)選出最佳提取工藝。[結(jié)果]最佳提取條件： NaOH質(zhì)量分?jǐn)?shù)4%、超聲時(shí)間15 min、浸提溫度65℃、H2O2體積分?jǐn)?shù)2%，半纖維素提取得率為24.16%。[結(jié)論]該工藝條件可為工業(yè)生產(chǎn)提供參考數(shù)據(jù)。

關(guān)鍵詞：大米草； 半纖維素； 超聲波； 堿

大米草(Spartina anglica)是多年生耐鹽草本植物，鑒于其具有良好的保灘護(hù)岸、促淤造陸、防治污染等生態(tài)功能，1963年由南京大學(xué)仲崇信教授從英國(guó)引進(jìn)并在我國(guó)海岸灘涂引種成功。但由于極強(qiáng)的抗逆性和生態(tài)適應(yīng)性，大米草蔓延的速度遠(yuǎn)超出人們的控制能力，近年來(lái)更是在富營(yíng)養(yǎng)化污染嚴(yán)重的海岸線瘋狂生長(zhǎng)，對(duì)當(dāng)?shù)厣锒鄻有詷?gòu)成嚴(yán)重威脅，甚至影響了社會(huì)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展[1～3]。如何對(duì)大米草進(jìn)行生態(tài)控制和系統(tǒng)管理已是國(guó)際公認(rèn)難題。從生物資源利用的角度進(jìn)行深度開發(fā)被認(rèn)為是最理想的方法。

目前大米草資源開發(fā)利用主要有黃酮類[4，5]、多糖類[6，7]、生物能源[8]和小分子活性物質(zhì)[9]等，而對(duì)大米草的主要成分半纖維素的研究鮮見報(bào)道。半纖維素是一種雜多糖，其本身及降解產(chǎn)物可以廣泛應(yīng)用于化學(xué)、食品、造紙、制藥及涂料等工業(yè)生產(chǎn)中,有著巨大的發(fā)展?jié)摿褪袌?chǎng)價(jià)值。目前從生物質(zhì)中提取半纖維素的方法有單純堿分離法、堿性過氧化物分離法、中性有機(jī)溶劑分離法等[10]。超聲波技術(shù)可以通過高頻震動(dòng)使溶質(zhì)和溶液之間產(chǎn)生聲波空化作用，強(qiáng)化傳質(zhì)，打破木質(zhì)纖維素的包裹結(jié)構(gòu)，增加溶劑的滲透性，使有效成分溶出，同時(shí)不破壞有效物質(zhì)結(jié)構(gòu)[11]。已有研究表明將超聲波輔助法應(yīng)用到小麥秸稈[12]、毛竹[13]等的半纖維素分離中優(yōu)勢(shì)明顯。

本研究采用H2O2脫除木質(zhì)素、超聲輔助堿法提取分離大米草半纖維素，分析了NaOH質(zhì)量分?jǐn)?shù)、超聲時(shí)間、浸提溫度、H2O2體積分?jǐn)?shù)對(duì)大米草半纖維素提取得率的影響，通過正交試驗(yàn)對(duì)提取工藝進(jìn)行了優(yōu)化，為探索高效分離提取大米草半纖維素提供理論參考。

1材料與方法

1.1儀器

9FC-360型雙羅底錘片式粉碎機(jī)(鄭州市牧昌農(nóng)業(yè)機(jī)械制造有限公司)；DZF-6020型真空干燥箱(上海精宏實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司)；數(shù)控超聲波提取機(jī)(上海比朗儀器有限公司)；旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀RE-52AA(上海亞榮生化儀器廠)；HH-4數(shù)顯恒溫水浴鍋(江蘇省金壇市榮華儀器制造有限公司)；紫外-可見分光光度計(jì)(美譜達(dá)UV-1800PC-DS)；TGL-16M高速臺(tái)式冷凍離心機(jī)(湖南湘儀實(shí)驗(yàn)室儀器開發(fā)有限公司)。

1.2材料

大米草采自福州連江，曬干后，粉碎機(jī)粉碎，過40目篩，儲(chǔ)存?zhèn)溆谩?/p>

1.3試劑

實(shí)驗(yàn)用化學(xué)試劑均為A.R.級(jí)。

1.4方法

1.4.1半纖維素提取方法

選取H2O2體積分?jǐn)?shù)、NaOH質(zhì)量分?jǐn)?shù)、浸提溫度、超聲輔助時(shí)間作為單因素考察指標(biāo)。具體提取方法如下：

取10g大米草粉末，按固液比1∶20(g·mL-1)加水混合均勻，加熱至90 ℃浸泡3h，過濾得濾液1和濾渣1。將濾液1真空濃縮至1/5體積，加3倍量95%乙醇，離心分離30min，用70%乙醇洗滌沉淀得水溶性半纖維素H1。向?yàn)V渣1中加入一定質(zhì)量分?jǐn)?shù)的NaOH、一定體積分?jǐn)?shù)的H2O2溶液，50℃恒溫處理2h，過濾得濾液2和濾渣2。向?yàn)V渣2中加入相應(yīng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)的NaOH溶液，超聲一定時(shí)間，之后在設(shè)定條件下恒溫水浴浸提3h，過濾得濾液3和濾渣3。合并濾液2和濾液3，用鹽酸調(diào)節(jié)pH至5.5，減壓濃縮至原體積1/3，加入3倍量95%乙醇，沉降12h，所得沉淀用乙醇洗滌后烘干，得堿溶性半纖維素H2。

干燥至恒重的半纖維素總質(zhì)量與大米草中半纖維素質(zhì)量的比值即為半纖維素得率x(%)。計(jì)算公式如下：

式中：mH1為水溶性半纖維素H1質(zhì)量/g;mH2為堿溶性半纖維素H2質(zhì)量/g;m 為大米草質(zhì)量/g;ω為大米草中半纖維素含量/%。

1.4.2半纖維素測(cè)定方法

采用2mol·L-1鹽酸水解法測(cè)定大米草中半纖維素含量，并結(jié)合DNS法測(cè)定還原糖[14]。

取8支25mL具塞刻度試管，分別加入0、0.2、0.4、0.6、0.8、1.0、1.2、1.4mL葡萄糖標(biāo)準(zhǔn)溶液(1g·L-1)，繼續(xù)加蒸餾水至2mL，再各加DNS試劑1.5mL后，搖勻，沸水浴5min，冷卻后定容至25mL，超聲3min，在540nm波長(zhǎng)下測(cè)定吸光度。

以葡萄糖含量(mg)為橫坐標(biāo)，以對(duì)應(yīng)的吸光度為縱坐標(biāo)，繪制葡萄糖標(biāo)準(zhǔn)曲線，如圖1所示。

圖1　葡萄糖標(biāo)準(zhǔn)曲線Fig.1　The standard curve of glucose

根據(jù)結(jié)果查對(duì)葡萄糖標(biāo)準(zhǔn)曲線并計(jì)算，得半纖維素含量。由于多糖水解為單糖時(shí)，每斷裂一個(gè)糖苷鍵需加入一分子水，故在計(jì)算時(shí)應(yīng)乘以0.9。

1.4.3正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

在單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果基礎(chǔ)上，以半纖維素得率為指標(biāo)，通過L9(34)正交試驗(yàn)確定最優(yōu)提取條件。

2結(jié)果與分析

2.1單因素試驗(yàn)

分別考察H2O2體積分?jǐn)?shù)、NaOH質(zhì)量分?jǐn)?shù)、超聲輔助時(shí)間、浸提溫度對(duì)半纖維素得率的影響。

2.1.1H2O2體積分?jǐn)?shù)的影響

在堿性介質(zhì)中H2O2會(huì)分解形成氫氧游離基和過氧化陰離子游離基，這些離子會(huì)引起木質(zhì)素的氧化，產(chǎn)生親水基團(tuán)，破壞基團(tuán)之間的連接鍵，從而達(dá)到去除木質(zhì)素，增進(jìn)半纖維素溶解的作用[15，16]。從圖 2 可以看出，當(dāng)H2O2體積分?jǐn)?shù)從1%增加至2.5%時(shí)，半纖維素得率相應(yīng)H2O2用量呈正比增長(zhǎng)。當(dāng)H2O2體積分?jǐn)?shù)為2.5%時(shí)得率最高。但當(dāng)H2O2用量繼續(xù)增加，得率反而開始下降。這是因?yàn)殡S著H2O2用量的繼續(xù)增加，會(huì)中和部分OH-，導(dǎo)致OH-的反應(yīng)活性降低，半纖維素溶出率隨之下降。而且，半纖維素溶解的同時(shí)也伴隨著自身在堿液中的降解[16]。因此，可初步確定H2O2用量為2.5%。

圖2　H2O2體積分?jǐn)?shù)對(duì)半纖維素得率的影響Fig.2　Effect of H2O2 volume fraction on hemicellulose yield

2.1.2NaOH質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響

不同NaOH質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)半纖維素得率的影響如圖3所示，半纖維素得率隨著NaOH質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)。當(dāng)NaOH質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到4%時(shí)，得率達(dá)到最大值18.29%。這是因?yàn)镹aOH質(zhì)量分?jǐn)?shù)在1%～4%時(shí)，隨著堿用量的增加，液相所能溶解的半纖維素的質(zhì)量增加，傳質(zhì)推動(dòng)力增大，有利于半纖維素的提?。欢?dāng)堿濃度繼續(xù)增加，在糖苷鍵水解的同時(shí)，半纖維素還原末端發(fā)生了剝皮反應(yīng)，使得溶于堿液中的部分半纖維素被降解[13]。為獲得較高的半纖維素得率、防止副反應(yīng)的發(fā)生，初步確定NaOH質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%。

圖3　NaOH質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)半纖維素得率的影響Fig.3　Effect of NaOH mass fraction on hemicellulose yield

2.1.3浸提溫度的影響

不同浸提溫度對(duì)半纖維素得率的影響如圖4所示。隨著浸提溫度的升高，半纖維素得率緩慢增加，溫度為65 ℃時(shí)達(dá)到最高值，之后開始減小。這是因?yàn)殡S著溫度的升高，NaOH溶液黏度減小，對(duì)半纖維素分子阻礙變小，且使分子運(yùn)動(dòng)加快。若溫度繼續(xù)升高，會(huì)發(fā)生半纖維素降解副反應(yīng)，導(dǎo)致得率下降。同時(shí)，降解產(chǎn)生的還原糖在堿性環(huán)境中發(fā)生美拉德反應(yīng)，使反應(yīng)體系褐變，顏色加深[17]。故本試驗(yàn)初步確定浸提溫度65 ℃。

圖4　浸提溫度對(duì)半纖維素得率的影響Fig.4　Effect of extraction temperature on hemicellulose yield

2.1.4超聲時(shí)間的影響

從圖5中可以看出，超聲時(shí)間對(duì)大米草半纖維素的提取效果明顯。未超聲時(shí)提取得率僅為14.36%，而在20min內(nèi)提取得率隨著超聲時(shí)間的延長(zhǎng)顯著增加，這是因?yàn)槌暡ǖ目栈饔檬乖系募?xì)胞壁松動(dòng)并令半纖維素的分子暴露，使堿液充分與半纖維素接觸; 超聲波產(chǎn)生的機(jī)械振動(dòng)也加快了半纖維素在堿液中的傳遞擴(kuò)散。半纖維素的可及度和可萃取性得到提高，從而使提取得率上升。但超聲時(shí)間過長(zhǎng)，會(huì)伴隨著部分糖苷鍵的斷裂，造成半纖維素的降解，導(dǎo)致得率下降。綜上考慮，初步確定超聲時(shí)間為20min。

圖5　超聲時(shí)間對(duì)半纖維素得率的影響Fig.5　Effect of ultrasonic time on hemicellulose yield

2.2正交試驗(yàn)

正交試驗(yàn)的因素與水平見表1。

表1L9(34)正交試驗(yàn)因素水平表

Table1L9(34)Factorlevelstableoforthogonalexperiment

水平Levels因素FactorsANaOH質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%NaOHmassfractionB超聲時(shí)間/minUltrasonictimeC浸提溫度/℃ExtractiontempetatureDH2O2體積分?jǐn)?shù)/%H2O2Volumefraction13105522415652.53520753

正交試驗(yàn)中各因素和水平組建的9種組合方式，每組試驗(yàn)結(jié)果及分析見表2。

由表2可見，各因素對(duì)大米草半纖維素提取得率的影響為A>C>D>B，最佳水平組合為A2B2C2D1。

方差分析結(jié)果表明(表3)，4因素對(duì)大米草半纖維素提取得率均有顯著影響，其中NaOH質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響高度顯著，其次是浸提溫度，H2O2體積分?jǐn)?shù)和超聲時(shí)間影響較小。

綜合考慮各因素對(duì)考察指標(biāo)的影響，確定大米草半纖維素的最佳提取條件為NaOH質(zhì)量分?jǐn)?shù)4%、超聲時(shí)間15min、浸提溫度65 ℃、H2O2體積分?jǐn)?shù)2%。在此條件下進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)(n=3)，結(jié)果半纖維素得率為24.16%。

表2　L9(34)正交試驗(yàn)結(jié)果表

表3　L9(34) 正交試驗(yàn)結(jié)果方差分析表

注：F0.01(2，18) = 6.01；F0.05(2，18) = 3.55

Note:F0.01(2，18) = 6.01；F0.05(2，18) = 3.55

3結(jié)論

本試驗(yàn)以大米草為原料，采用超聲波輔助堿法對(duì)半纖維素進(jìn)行了提取研究，提取效果良好。本文的研究變廢為寶，變害為利，所得半纖維素經(jīng)濟(jì)價(jià)值可觀，具有較好的工業(yè)化應(yīng)用前景和一定的理論意義，值得進(jìn)一步深入研究。

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(編輯：馬榮博)

Extractionofhemicellulosesfromspartina anglicabyultrasonic-assistedalkaline

XieQing,LinQingying

(Fujian Institute of Biological Engineering, Fuzhou 350002, China)

Abstract:[Objective]The extraction conditions of hemicelluloses from spartina anglica by ultrasonic-assisted alkaline were studied.[Methods]With hemicelluloses as index, the content of NaOH, ultrasonic time, extraction temperature and the concentration of H2O2 were evaluated by L9(34) orthogonal design method.[Results] The optimum extraction conditions for hemicelluloses were NaOH 4%, ultrasonic time 15 min, extraction temperature 65℃,H2O2 2%.The extraction rate could reach up to 24.16% under these conditions.[Conclusion]The procedure of the extraction can be helpful to the factory-scale production.

Key words:Spartina anglica； Hemicelluloses； Ultrasonic； Alkalil

收稿日期：2016-03-07 修回日期：2016-04-12

作者簡(jiǎn)介：謝青(1973-)，女(漢)，天津?qū)幒尤?，副教授，碩士，研究方向：生物資源利用

基金項(xiàng)目：福建省中青年教師教育科研項(xiàng)目(JB14169)；福建省科技計(jì)劃項(xiàng)目(2014Y2008)

中圖分類號(hào)：TQ353

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1671-8151(2016)07-0514-05