超声波辅助碱法提取大米草半纤维素

谢青，林清英

(福建生物工程职业技术学院，福建 福州 350002)



超声波辅助碱法提取大米草半纤维素

谢青，林清英

(福建生物工程职业技术学院，福建 福州 350002)

摘要：[目的]研究超声波碱法提取大米草半纤维素的最佳提取条件。[方法]采用L9(34)正交试验，考察了NaOH质量分数、超声时间、浸提温度、H2O2体积分数对大米草半纤维素提取得率的影响，优选出最佳提取工艺。[结果]最佳提取条件： NaOH质量分数4%、超声时间15 min、浸提温度65℃、H2O2体积分数2%，半纤维素提取得率为24.16%。[结论]该工艺条件可为工业生产提供参考数据。

关键词：大米草； 半纤维素； 超声波； 碱

大米草(Spartina anglica)是多年生耐盐草本植物，鉴于其具有良好的保滩护岸、促淤造陆、防治污染等生态功能，1963年由南京大学仲崇信教授从英国引进并在我国海岸滩涂引种成功。但由于极强的抗逆性和生态适应性，大米草蔓延的速度远超出人们的控制能力，近年来更是在富营养化污染严重的海岸线疯狂生长，对当地生物多样性构成严重威胁，甚至影响了社会、经济发展[1～3]。如何对大米草进行生态控制和系统管理已是国际公认难题。从生物资源利用的角度进行深度开发被认为是最理想的方法。

目前大米草资源开发利用主要有黄酮类[4，5]、多糖类[6，7]、生物能源[8]和小分子活性物质[9]等，而对大米草的主要成分半纤维素的研究鲜见报道。半纤维素是一种杂多糖，其本身及降解产物可以广泛应用于化学、食品、造纸、制药及涂料等工业生产中,有着巨大的发展潜力和市场价值。目前从生物质中提取半纤维素的方法有单纯碱分离法、碱性过氧化物分离法、中性有机溶剂分离法等[10]。超声波技术可以通过高频震动使溶质和溶液之间产生声波空化作用，强化传质，打破木质纤维素的包裹结构，增加溶剂的渗透性，使有效成分溶出，同时不破坏有效物质结构[11]。已有研究表明将超声波辅助法应用到小麦秸秆[12]、毛竹[13]等的半纤维素分离中优势明显。

本研究采用H2O2脱除木质素、超声辅助碱法提取分离大米草半纤维素，分析了NaOH质量分数、超声时间、浸提温度、H2O2体积分数对大米草半纤维素提取得率的影响，通过正交试验对提取工艺进行了优化，为探索高效分离提取大米草半纤维素提供理论参考。

1材料与方法

1.1仪器

9FC-360型双罗底锤片式粉碎机(郑州市牧昌农业机械制造有限公司)；DZF-6020型真空干燥箱(上海精宏实验设备有限公司)；数控超声波提取机(上海比朗仪器有限公司)；旋转蒸发仪RE-52AA(上海亚荣生化仪器厂)；HH-4数显恒温水浴锅(江苏省金坛市荣华仪器制造有限公司)；紫外-可见分光光度计(美谱达UV-1800PC-DS)；TGL-16M高速台式冷冻离心机(湖南湘仪实验室仪器开发有限公司)。

1.2材料

大米草采自福州连江，晒干后，粉碎机粉碎，过40目筛，储存备用。

1.3试剂

实验用化学试剂均为A.R.级。

1.4方法

1.4.1半纤维素提取方法

选取H2O2体积分数、NaOH质量分数、浸提温度、超声辅助时间作为单因素考察指标。具体提取方法如下：

取10g大米草粉末，按固液比1∶20(g·mL-1)加水混合均匀，加热至90 ℃浸泡3h，过滤得滤液1和滤渣1。将滤液1真空浓缩至1/5体积，加3倍量95%乙醇，离心分离30min，用70%乙醇洗涤沉淀得水溶性半纤维素H1。向滤渣1中加入一定质量分数的NaOH、一定体积分数的H2O2溶液，50℃恒温处理2h，过滤得滤液2和滤渣2。向滤渣2中加入相应质量分数的NaOH溶液，超声一定时间，之后在设定条件下恒温水浴浸提3h，过滤得滤液3和滤渣3。合并滤液2和滤液3，用盐酸调节pH至5.5，减压浓缩至原体积1/3，加入3倍量95%乙醇，沉降12h，所得沉淀用乙醇洗涤后烘干，得碱溶性半纤维素H2。

干燥至恒重的半纤维素总质量与大米草中半纤维素质量的比值即为半纤维素得率x(%)。计算公式如下：

式中：mH1为水溶性半纤维素H1质量/g;mH2为碱溶性半纤维素H2质量/g;m 为大米草质量/g;ω为大米草中半纤维素含量/%。

1.4.2半纤维素测定方法

采用2mol·L-1盐酸水解法测定大米草中半纤维素含量，并结合DNS法测定还原糖[14]。

取8支25mL具塞刻度试管，分别加入0、0.2、0.4、0.6、0.8、1.0、1.2、1.4mL葡萄糖标准溶液(1g·L-1)，继续加蒸馏水至2mL，再各加DNS试剂1.5mL后，摇匀，沸水浴5min，冷却后定容至25mL，超声3min，在540nm波长下测定吸光度。

以葡萄糖含量(mg)为横坐标，以对应的吸光度为纵坐标，绘制葡萄糖标准曲线，如图1所示。

图1　葡萄糖标准曲线Fig.1　The standard curve of glucose

根据结果查对葡萄糖标准曲线并计算，得半纤维素含量。由于多糖水解为单糖时，每断裂一个糖苷键需加入一分子水，故在计算时应乘以0.9。

1.4.3正交试验设计

在单因素实验结果基础上，以半纤维素得率为指标，通过L9(34)正交试验确定最优提取条件。

2结果与分析

2.1单因素试验

分别考察H2O2体积分数、NaOH质量分数、超声辅助时间、浸提温度对半纤维素得率的影响。

2.1.1H2O2体积分数的影响

在碱性介质中H2O2会分解形成氢氧游离基和过氧化阴离子游离基，这些离子会引起木质素的氧化，产生亲水基团，破坏基团之间的连接键，从而达到去除木质素，增进半纤维素溶解的作用[15，16]。从图 2 可以看出，当H2O2体积分数从1%增加至2.5%时，半纤维素得率相应H2O2用量呈正比增长。当H2O2体积分数为2.5%时得率最高。但当H2O2用量继续增加，得率反而开始下降。这是因为随着H2O2用量的继续增加，会中和部分OH-，导致OH-的反应活性降低，半纤维素溶出率随之下降。而且，半纤维素溶解的同时也伴随着自身在碱液中的降解[16]。因此，可初步确定H2O2用量为2.5%。

图2　H2O2体积分数对半纤维素得率的影响Fig.2　Effect of H2O2 volume fraction on hemicellulose yield

2.1.2NaOH质量分数的影响

不同NaOH质量分数对半纤维素得率的影响如图3所示，半纤维素得率随着NaOH质量分数的增加呈现先增加后减小的趋势。当NaOH质量分数达到4%时，得率达到最大值18.29%。这是因为NaOH质量分数在1%～4%时，随着碱用量的增加，液相所能溶解的半纤维素的质量增加，传质推动力增大，有利于半纤维素的提取；而当碱浓度继续增加，在糖苷键水解的同时，半纤维素还原末端发生了剥皮反应，使得溶于碱液中的部分半纤维素被降解[13]。为获得较高的半纤维素得率、防止副反应的发生，初步确定NaOH质量分数为4%。

图3　NaOH质量分数对半纤维素得率的影响Fig.3　Effect of NaOH mass fraction on hemicellulose yield

2.1.3浸提温度的影响

不同浸提温度对半纤维素得率的影响如图4所示。随着浸提温度的升高，半纤维素得率缓慢增加，温度为65 ℃时达到最高值，之后开始减小。这是因为随着温度的升高，NaOH溶液黏度减小，对半纤维素分子阻碍变小，且使分子运动加快。若温度继续升高，会发生半纤维素降解副反应，导致得率下降。同时，降解产生的还原糖在碱性环境中发生美拉德反应，使反应体系褐变，颜色加深[17]。故本试验初步确定浸提温度65 ℃。

图4　浸提温度对半纤维素得率的影响Fig.4　Effect of extraction temperature on hemicellulose yield

2.1.4超声时间的影响

从图5中可以看出，超声时间对大米草半纤维素的提取效果明显。未超声时提取得率仅为14.36%，而在20min内提取得率随着超声时间的延长显著增加，这是因为超声波的空化作用使原料的细胞壁松动并令半纤维素的分子暴露，使碱液充分与半纤维素接触; 超声波产生的机械振动也加快了半纤维素在碱液中的传递扩散。半纤维素的可及度和可萃取性得到提高，从而使提取得率上升。但超声时间过长，会伴随着部分糖苷键的断裂，造成半纤维素的降解，导致得率下降。综上考虑，初步确定超声时间为20min。

图5　超声时间对半纤维素得率的影响Fig.5　Effect of ultrasonic time on hemicellulose yield

2.2正交试验

正交试验的因素与水平见表1。

表1L9(34)正交试验因素水平表

Table1L9(34)Factorlevelstableoforthogonalexperiment

水平Levels因素FactorsANaOH质量分数/%NaOHmassfractionB超声时间/minUltrasonictimeC浸提温度/℃ExtractiontempetatureDH2O2体积分数/%H2O2Volumefraction13105522415652.53520753

正交试验中各因素和水平组建的9种组合方式，每组试验结果及分析见表2。

由表2可见，各因素对大米草半纤维素提取得率的影响为A>C>D>B，最佳水平组合为A2B2C2D1。

方差分析结果表明(表3)，4因素对大米草半纤维素提取得率均有显著影响，其中NaOH质量分数的影响高度显著，其次是浸提温度，H2O2体积分数和超声时间影响较小。

综合考虑各因素对考察指标的影响，确定大米草半纤维素的最佳提取条件为NaOH质量分数4%、超声时间15min、浸提温度65 ℃、H2O2体积分数2%。在此条件下进行验证试验(n=3)，结果半纤维素得率为24.16%。

表2　L9(34)正交试验结果表

表3　L9(34) 正交试验结果方差分析表

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结论

本试验以大米草为原料，采用超声波辅助碱法对半纤维素进行了提取研究，提取效果良好。本文的研究变废为宝，变害为利，所得半纤维素经济价值可观，具有较好的工业化应用前景和一定的理论意义，值得进一步深入研究。

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(编辑：马荣博)

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

作者简介：谢青(1973-)，女(汉)，天津宁河人，副教授，硕士，研究方向：生物资源利用

基金项目：福建省中青年教师教育科研项目(JB14169)；福建省科技计划项目(2014Y2008)

中图分类号：TQ353

文献标识码：A

文章编号：1671-8151(2016)07-0514-05