微波协同酶法提取玉米须多糖工艺的优化研究

陈 红，张艳荣，王大为*，刘婷婷，张 波

(吉林农业大学食品科学与工程学院，吉林 长春 130118)

微波协同酶法提取玉米须多糖工艺的优化研究

陈 红，张艳荣，王大为*，刘婷婷，张 波

(吉林农业大学食品科学与工程学院，吉林 长春 130118)

采用微波协同酶法提取玉米须多糖并对其工艺进行优化。通过单因素试验和正交试验，确定微波协同酶法提取的最佳工艺条件：微波功率500W、微波处理时间2min、液料比30:1(mL/g)、纤维素酶用量1.5%、酶解温度50℃、酶解时间40min、pH5.0，在此工艺条件下，多糖提取率为8.12%。

玉米须；多糖；提取；微波；纤维素酶

Abstract：The present study aimed at developing an optimal procedure for the extraction of polysaccharides from corn silk hydrolyzed with a commercial cellulase preparation under microwave assistance. The optimal values of crucial technological parameters for improved polysaccharides yield were determined by one-factor-at-a-time and orthogonal array design methods as follows: microwave powder 500 W for 2 min treatment, water/material ratio 30:1 (mL/g), enzyme dosage 1.5%, pH 5.0 and hydrolysis temperature 50 ℃ for a hydrolysis duration of 40 min. Under such conditions, a maximum polysaccharides yield of up to 8.12% was obtained.

Key words：corn silk；polysaccharides；extraction；microwave；cellulase

玉米须是禾本科作物玉米的干燥花柱和柱头，其味甘，性微温，有利尿、平肝、利胆、抗肿瘤等功效[1-2]，可用于治疗糖尿病、黄疸、高血压、胆囊炎、胆结石等病症[3-4]，现代药理研究证明玉米须有显著的利尿效果和降血糖作用[5-7]。玉米须来源丰富，价格低廉，易于获得，是有待全面开发利用的药用资源，具有广阔的研究与开发前景[8]。

玉米须多糖是多聚糖，主要由葡萄糖、半乳糖、阿拉伯糖、半乳糖醛酸、甘露糖和木糖所组成[9]，玉米须多糖无毒安全，具有降血糖、抗癌、增强免疫力等生理功能[10-11]。传统的玉米须多糖提取方法是热水浸提法，该法提取温度高、提取时间长、成本高、提取率低[10]。微波技术是近几年来用于天然植物有效成分提取的一项新技术，它具有快速、高效、安全、有效成分提取率高、节能等特点[12]。目前国内外对玉米须多糖的研究较少，尚未见有关微波协同纤维素酶提取玉米须多糖的研究报道。本实验利用此方法对玉米须多糖的提取工艺进行研究，旨在为进一步开发利用玉米须资源提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

成熟期玉米须，采自吉林农业大学农学系实习基地。

纤维素酶(15000U/g) 中国科学院上海生化东风生化技术公司；浓硫酸、苯酚、无水乙醇、三氯乙酸(TCA)等均为国产分析纯；葡萄糖标准品 Sigma公司。

1.2 仪器与设备

HH-SIS数显恒温水浴锅 常州市国立试验设备研究所；TU-1810紫外-可见分光光度计 北京普析通用仪器有限责任公司；GZX-9240MBE电热恒温鼓风干燥箱 上海跃进医疗器械厂；PHS-Ⅲ型精密pH计 上海天达仪器有限公司；LJX-Ⅱ型离心沉淀机 上海医用分析仪器厂。

1.3 方法

1.3.1 提取工艺

1.3.2 葡萄糖标准溶液的配制

精确称取干燥至质量恒定的葡萄糖100mg，定容至100mL，得浓度为1mg/mL的葡萄糖贮备溶液。再准确移取10mL，用蒸馏水定容至100mL，得0.1mg/mL的葡萄糖使用液。

1.3.3 苯酚溶液的制备

取苯酚100g，加0.1g铝片和0.05g碳酸氢钠蒸馏，收集182℃馏分。称取馏出液15g，加蒸馏水定容至300mL溶解，混匀并转移至棕色瓶中，即得5%苯酚溶液，置4℃冰箱备用。

1.3.4 标准曲线的绘制

采用苯酚-硫酸法[13]。取上述0.1mg/mL的葡萄糖使用液0.2、0.4、0.6、0.8、1.0、1.2mL分别置于25mL比色管中，依次加水使最终体积为2mL，同时吸取2mL水于25mL比色管中作空白对照，分别加入1mL 5%苯酚溶液，再加入5.0mL浓硫酸，迅速摇匀。室温静置20min，以使其充分显色，然后于490nm波长处测定吸光度，以葡萄糖含量(X，mg)为横坐标，吸光度(A)为纵坐标，得标准曲线的回归方程为A＝0.009X－0.0063，R2=0.9991。

1.3.5 多糖提取率计算

精确称取20mg自制玉米须粗多糖，用少量50℃水完全溶解后，用蒸馏水定容至100mL。吸0.5mL多糖液加1.5mL的蒸馏水，再加入5%苯酚溶液1.0mL及浓硫酸5.0mL；室温静置20min后于波长490nm处测吸光度。将所测吸光度代入回归方程，得多糖相当于葡萄糖含量C(mg)。

式中：C为多糖液测定A值从回归方程求得的多糖相当于葡萄糖的含量/mg；D为稀释倍数；F为玉米须多糖相对葡萄糖的换算因子，其值为2.365；m0为玉米须干质量/mg。

1.3.6 单因素试验设计

利用单因素试验分别考察微波功率、微波处理时间、液料比、纤维素酶用量、酶解温度、酶解时间、酶解体系pH值7个因素对玉米须多糖提取率的影响程度，选择最佳的提取工艺条件。

2 结果与分析

2.1 单因素试验结果

2.1.1 微波功率对多糖提取率的影响

在微波处理时间2min、液料比30:1(mL/g)、纤维素酶用量1.5%、酶解温度50℃、酶解时间40min、酶解体系pH5.0条件下，不同微波功率对多糖提取率的影响结果见图1。

图1 微波功率对多糖提取率的影响Fig.1 Effect of microwave power on polysaccharides yield

由图1可知，微波功率小于500W时，多糖的提取率随着功率的增大而提高，但功率超过700W提取率显著下降。故微波功率选取500W为宜。原因是功率太小，则不足以提供足够的摩擦热使胞内水分汽化而实现微波破壁，故提取率相对较低。随着微波功率的增大，物系吸收微波能增多，玉米须细胞内部温度上升较快，温度越高，对玉米须细胞壁的破坏作用就越大，有利于物料有效成分浸出。但如果功率过高，因瞬间加热作用会使被处理成分发生变性，对提取介质的渗入造成较大的阻碍，导致有效成分提取率下降。

2.1.2 微波处理时间对多糖提取率的影响

在微波功率500W、液料比30:1、纤维素酶用量1.5%、酶解温度50℃、酶解时间40min、酶解体系pH5.0条件下，不同处理时间对多糖提取率的影响结果见图2。

图2 微波处理时间对多糖提取率的影响Fig.2 Effect of microwave treatment time on polysaccharides yield

由图2可知，处理时间小于2min时，多糖提取率随着处理时间的增加而增大，当微波处理时间为2min时，提取率达到最大值，而后又有所下降。故微波处理时间以2min为宜。

2.1.3 液料比对多糖提取率的影响

在微波功率500W、微波处理时间2min、纤维素酶用量1.5%、酶解温度50℃、酶解时间40min、酶解体系pH5.0条件下，不同液料比对多糖提取率的影响结果见图3。

图3 液料比对多糖提取率的影响Fig.3 Effect of water/material ratio on polysaccharides yield

由图3可知，液料比小于30:1时，多糖提取率随液料比的增大而增加，当液料比为30:1时，多糖提取率达到最大值，因为适当的液料比可以提高多糖的溶出率，液料比过小，溶剂量太少，会使物料黏度大，扩散速度慢，阻碍多糖的进一步溶出，难以保证原料中的多糖大量转移到提取液中，提取不完全，故多糖提取率较低；当液料比超过30:1，多糖提取率有下降趋势。故液料比以30:1为宜。

2.1.4 纤维素酶用量对多糖提取率的影响

在微波功率500W、微波处理时间2min、液料比30:1、酶解温度50℃、酶解时间40min、酶解体系pH5.0条件下，不同纤维素酶用量对多糖提取率的影响结果见图4。

图4 纤维素酶用量对多糖提取率的影响Fig.4 Effect of cellulase dosage on polysaccharides yield

由图4可知，纤维素酶用量在0.5%～1.5%时，随着酶用量的增加，多糖提取率提高显著，故纤维素酶用量以1.5%～2%为宜。

2.1.5 酶解温度对多糖提取率的影响

在微波功率500W、微波处理时间2min、液料比30:1、纤维素酶用量1.5%、酶解时间40min、酶解体系pH5.0条件下，不同酶解温度对多糖提取率的影响结果见图5。

图5 酶解温度对多糖提取率的影响Fig.5 Effect of hydrolysis temperature on polysaccharides yield

由图5可知，酶解温度在30～50℃时，随着温度升高，提取率不断增大，在50℃达到最大值。当酶解温度大于50℃时，提取率随温度升高逐渐下降。故酶解温度以50℃为宜。

2.1.6 酶解时间对多糖提取率的影响

在微波功率500W、微波处理时间2min、液料比30:1、纤维素酶用量1.5%、酶解温度50℃、酶解体系pH5.0条件下，不同酶解时间对多糖提取率的影响结果见图6。

图6 酶解时间对多糖提取率的影响Fig.6 Effect of hydrolysis time on polysaccharides yield

由图6可知，酶解时间低于30min时，多糖提取率提高比较显著，30～40min之间提取率的增加不明显，40min之后提取率有略微下降趋势。故酶解时间以30～40min为宜。

2.1.7 酶解体系pH值对多糖提取率的影响

在微波功率500W、微波处理时间2min、液料比30:1、纤维素酶用量1.5%、酶解温度50℃、酶解时间40min条件下，不同酶解体系pH值对多糖提取率的影响结果见图7。

图7 酶解体系pH值对多糖提取率的影响Fig.7 Effect of pH on polysaccharides yield

由图7可知，当pH值为5.0时，多糖的提取率达到最大，pH值增大或减小，提取率均开始下降。这可能是因为pH值过高或过低都会影响酶的活性，导致提取率降低，pH值为5.0时酶活性达到最大。故酶解体系pH值以5.0为宜。

2.2 正交试验设计及结果

表1 正交试验因素水平Table 1 Factors and levels in orthogonal array design

表2 正交试验结果表Table 2 Orthogonal array design matrix and experimental values of polysaccharides yield

在单因素试验结果基础上，确定微波处理时间2min，液料比30:1，酶解体系pH5.0条件下，以玉米须多糖提取率作为评价指标，选取对提取率有较大影响的酶解温度、纤维素酶用量、微波功率、酶解时间4个因素进行L9(34)正交试验，确定最佳提取工艺条件，因素及水平设计见表1。结果及分析见表2。

由表2正交试验结果可以看出，对玉米须多糖提取率的影响程度强弱顺序为C＞B＞A＞D，最佳工艺条件为A1B2C2D2，即酶解温度50℃、纤维素酶用量1.5%、微波功率500W、酶解时间40min。

2.3 传统的热水浸提法与微波协同酶提取法比较

表3 两种方法比较结果Table 3 Comparisons between hot water extraction and microwave-assisted cellulase hydrolysis of corn silk in optimal conditions and polysaccharides yield

由表3可知，与传统的热水浸提法相比，微波协同酶法可显著提高玉米须多糖的提取率。原因主要有以下两点：微波加热将导致细胞内部温度迅速上升，液态水分汽化产生的压力将使细胞膜和细胞壁急剧破裂，形成微小的孔洞，持续的迅速加热，会使细胞急剧收缩，表面出现裂纹。细胞膜和细胞壁上孔洞和裂纹的存在使细胞外溶剂容易进入细胞内，溶解并释放出胞内产物；玉米须的细胞壁主要由纤维素构成，所以纤维素可能是制约多糖最大限度溶出的主要物质。纤维素酶能特异性降解纤维素，破坏细胞壁，使细胞内多糖最大限度地溶出[14-17]。

3 结 论

微波协同酶法提取玉米须多糖的最佳工艺条件：微波功率500W，微波处理时间2min、液料比30:1、纤维素酶用量1.5%、酶解温度50℃、酶解时间40min、酶解体系pH5.0，在此工艺条件下，多糖提取率为8.12%。

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Microwave-assisted Enzymatic Hydrolysis of Corn Silk for Extraction of Polysaccharides

CHEN Hong，ZHANG Yan-rong，WANG Da-wei*，LIU Ting-ting，ZHANG Bo
(College of Food Science and Engineering, Jilin Agricultural University, Changchun 130118, China)

TS242.9

A

1002-6630(2010)10-0042-05

2009-08-02

“十一五”国家科技支撑计划项目(2006BAD27B07)

陈红(1976—)，女，讲师，硕士，主要从事食品营养与功能食品研究与开发。E-mail：chenhong216@yahoo.com.cn

*通信作者：王大为(1960—)，男，教授，博士，主要从事功能食品研究与开发。E-mail：xcpyfzx@163.com