毛竹笋木聚糖提取工艺优化及其抗氧化活性分析

摘 要：为了实现竹笋加工废弃物的资源转化与利用，采用碱提醇沉法提取毛竹笋中的木聚糖，通过单因素试验和正交试验优化提取工艺，利用高效液相色谱法和傅里叶变换红外光谱分析毛竹笋木聚糖的理化性质，并通过DPPH法和ABTS法评价毛竹笋木聚糖的体外抗氧化活性。结果表明：在提取时间3.5h、碱液质量浓度0.1g·mL−1、料液比1∶25，提取温度100℃的条件下，毛竹笋木聚糖提取率最高，可达20.86%。单糖组成和FT-IR分析表明木糖可能是构成毛竹笋木聚糖的主要成分。体外抗氧化性试验表明毛竹笋木聚糖具有一定的抗氧化活性，当浓度为8mg·mL-时，其对DPPH自由基的清除率达到94.75%，IC50值为1.0mg·mL−1；当浓度为20mg·mL时，其对ABTS自由基的清除率为93.09%，IC50值为3.85mg·mL−1。

关键词：毛竹笋；木聚糖；提取工艺；抗氧化活性

中图分类号：S795 文献标志码：A 文章编号：0253−2301（2024）07−0062−07

DOI： 10.13651/j.cnki.fjnykj.2024.07.011

Optimization of Extraction Process of Xylan from Phyllostachys edulis and Analysis of Its

Antioxidant Activity

CHENGan-lin，LILan-lan，LINPing-dong，XIANGHan，FULei，WUYun-kun（College of Life Science， Fujian Normal University， Fuzhou， Fujian 350108， China）

Abstract： Inordertorealizetheresourceconversionandutilizationofbambooshootprocessingwaste，thexylaninPhyllostachys eduliswasextractedbyusingthealkaliextractionandalcoholprecipitationmethod.Theextractionprocesswasoptimizedbythesinglefactortestandorthogonaltest.ThephysicochemicalpropertiesofxylanextratedfromPhyllostachys eduliswereanalyzedbyhighperformanceliquidchromatographyandFouriertransforminfraredspectroscopy.TheantioxidantactivityinvitroofxylansfromPhyllostachyseduliswasevaluatedbyDPPHmethodandABTSmethod.Theresultsshowedthat：Undertheconditionsoftheextractiontimeof3.5h，thealkalimassconcentrationof0.1g·mL，theratioofsolidtoliquidbeing1∶25andtheextractiontemperatureof100℃，theextractionrateofxylanfromPhyllostachys eduliswasthehighest，reaching20.86%.ThemonosaccharidecompositionandFT-IRanalysisshowedthatthexylosemaybethemaincomponentofxylanfromPhyllostachys edulis.Theinvitroanti-oxidationtestshowedthatthexylanextractedfromPhyllostachys edulishadcertainantioxidantactivity.Whentheconcentrationwas8mg·mL，thescavengingrateofitontheDPPHfreeradicalreached94.75%，andthe−1IC50valuewas1.0mg·mL−1.Whentheconcentrationwas20mg·mL，thescavengingrateofitontheABTSfreeradicalwas93.09%，andtheIC50valuewas3.85mg·mL−1.

Key words： Phyllostachys edulis；Xylan；Extractiontechnology；Antioxidantactivity

木聚糖是一条由β-1，4木糖苷键连接D-木糖残基组成的线性链，包含乙酰基、阿拉伯糖基和葡萄糖醛酸基等复杂侧链[1]。木聚糖具有免疫调节、降血糖、抗肿瘤及调节肠道菌群平衡等多重功效[2]，广泛应用于食品、保健、医疗等领域[3−6]。此外，木聚糖还是酶法制备功能性低聚木糖的重要原料[7]。随着木聚糖功能的持续发掘和广泛应用，探寻天然木聚糖的来源以及高效的提取方法至关重要。

我国竹资源丰富且用途广泛，随着竹笋加工产品的日益多样化，加工过程中产生的竹笋废弃物量也逐渐增加。目前我国对竹废弃物开发利用主要集中在建筑材料、动物饲料、功能性食品、生物活性物提取开发等方面[8]。然而在竹笋加工过程中被剔除并丢弃的笋壳和不宜食用的笋节与笋头下脚料占总量的一半以上[9]，无序利用、浪费或焚烧仍是我国竹笋废弃物利用的普遍现状。毛竹（Phyllostachysedulis）是中国分布最广的竹类，面积约420万hm2[10]，其主要成分是木质素、纤维素和半纤维素[11]其中半纤维素的含量为21%～31%[1]，是一种提取木聚糖较好的原料。近年来，大多数国内外研究报告都侧重于从水稻秸秆、玉米秸秆、甘蔗渣、烟草秸秆等农林废弃物中提取木聚糖[12−15]，对于从竹笋废弃物中提取木聚糖的研究相对较少，其中余能富等[16]探讨了从笋壳中提取木聚糖，但工艺较为简单；刘焕燕等[17]研究了响应面法优化毛竹笋壳中木聚糖的提取工艺，但未对其理化性质和抗氧化性进行研究。

本研究采用碱提醇沉法提取毛竹笋中的木聚糖，通过单因素试验和正交试验优化提取工艺，并对木聚糖进行单糖组成和FT-IR分析，进一步通过DPPH法和ABTS法评价毛竹笋木聚糖的体外抗氧化活性，以期为高效制备毛竹笋木聚糖提供科学依据，也为后续利用木聚糖酶制备功能性低聚木糖提供新途径。

1 材料与方法

1.1试验材料

毛竹笋废弃物，来自福建省三明市。

1.2主要试剂与主要仪器

主要试剂：无水乙醇、木糖标准品、3，5-二硝基水杨酸、盐酸、氢氧化钠等试剂均为市售分析纯。主要仪器：电热恒温水浴锅（上海一恒科学仪器有限公司）；超纯水仪Master-touchS15UV（上海和泰仪器有限公司）；真空干燥箱DZF-6051（上海一恒科学仪器有限公司）；中药粉碎机WJX-200（上海缘沃工贸有限公司）；电子太平SE602F（美国OHAUS公司）；多功能台式冷冻离心机5810R（德国Eendorf公司）；变频隔膜真空泵Vcstardigital（德国IKA公司）。

1.3试验方法

1.3.1原料预处理 将毛竹笋废弃物洗净置于60℃电热恒温鼓风干燥箱中干燥后粉碎，称取一定量干燥的竹笋粉末，加入适量石油醚（沸程30～60℃），在室温下浸泡处理24h，并用机械搅拌器不断搅拌，浸泡处理结束后真空抽滤，再将粉末样品置于95%（v/v）乙醇中脱脂，真空干燥后得到毛竹笋粉末，备用。

1.3.2木聚糖的提取 采用碱提醇沉法提取毛竹笋木聚糖，准确称取预处理后的毛竹笋粉末1g，按照一定的碱质量浓度、提取温度、提取时间和料液比进行提取，反应结束后收集上清液，使用浓盐酸将滤液pH调至5.0～6.0，加入4倍体积的95%乙醇，醇沉过夜，以5000r·min−1条件下离心10min后收集沉淀，将沉淀用真空冷冻干燥机冷冻干燥24～48h，即得木聚糖粗品。

1.3.3木糖标准曲线 绘制标准曲线：配置1mg·mL-标准木糖溶液，分别吸取0、0.2、0.4、0.6、0.8、1.0、1.2、1.4mL于10mL试管中，添加蒸馏水补足至2mL之后，再加3mL3，5-二硝基水杨酸（DNS）溶液，沸水浴5min后迅速冷却，加水至刻度线，混匀后于波长540nm处测定其吸光度。

1.3.4木聚糖含量的测定 将冷冻干燥后的粗木聚糖加入适量8%H2SO4溶液溶解，100℃下水解2h，中和、过滤、定容，采用DNS法测定还原糖。

木聚糖提取率（%）=（C×N×0.9×10−3 ）/M×100

式中：C 为木聚糖浓度（mg·mL −1），N 为稀释倍 数 ，0.9 为木聚糖聚合系数，M 为原料的质量（g）。

1.3.5竹笋木聚糖提取单因素试验设计 （1）碱 液质量浓度对毛竹笋木聚糖提取率的影响：控制料 液比 1∶30，将碱液（NaOH 溶液）质量浓度分别设 置为 0.04、0.06、0.08、0.1、0.12g·mL −1，温度设 置为 90℃，提取 3h，其余步骤同 1.3.2。

（2）提取温度对毛竹笋木聚糖提取率的影响：将温度分别控制在60℃、70℃、80℃、90℃、100℃温度下提取2.5h，料液比1∶30，碱液（NaOH溶液）质量浓度为0.1g·mL−1，其余步骤同1.3.2。

（3）料液比对毛竹笋木聚糖提取率的影响：将料液比（g/mL）分别控制在1∶20、1∶25、1∶30、1∶35、1∶40。添加质量浓度为0.1g·mL−1的碱液（NaOH溶液），温度设置为90℃，提取3h，其余步骤同1.3.2。

（4）提取时间对毛竹笋木聚糖提取率的影响：将提取时间分别控制在2、2.5、3、3.5、4h，提取温度100℃，料液比1∶30，添加质量浓度为0.1g·mL-的碱液（NaOH溶液），其余步骤同1.3.2。

1.3.6正交试验法确定最佳工艺条件 根据单因素试验结果，将毛竹笋木聚糖的主要因素设为碱质量浓度（A）、料液比（B）、提取时间（C）、提取温度（D），将木聚糖提取率作为考察指标，采用四因素三水平设计正交试验，因素与水平设计见表1。

1.3.7毛竹笋木聚糖单糖组成测定 测试条件为：采用Dionex™CarboPac™PA20（150×3.0mm，10μm）液相色谱柱；进样量为5μL。流动相A（H O）、流动相B（0.1mol·L−1NaOH）、流动2相C（0.1mol·L−1NaOH，0.2mol·L−1醋酸钠），流速0.5mL·min−1；柱温为30℃。

1.3.8毛竹笋木聚糖傅里叶变换红外光谱（FT-IR）分析 仪器使用NicoletiZ-10傅里叶变换红外光谱仪扫描分析，仪器分辨率4.00cm−1，扫描范围为4000～450cm−1，扫描次数：32次。

1.3.9毛竹笋木聚糖体外抗氧化活性的评价 参照文献[18]方法，并略加以调整，对毛竹笋木聚糖进行DPPH和ABTS自由基清除率进行测定。

（1）DPPH自由基清除试验：称取1mgDPPH粉末溶于无水乙醇，配置成浓度为0.1mmol·L-的DPPH工作液，室温下避光保存备用。用蒸馏水溶解毛竹笋木聚糖，配制浓度为0.2～10mg·mL−1的样品溶液，等体积量取样品溶液与DPPH工作液，旋涡混匀，室温下避光静置反应30min；以0.1mg·mL−1的抗坏血酸（VC）溶液作为阳性对照，每组样品另设背景（样品自身颜色）对照（0.5mL样品溶液+0.5mL无水乙醇）；以蒸馏水作为空白调零后分别于波长517nm处测吸光度A517。

（2）ABTS自由基清除试验：称取2.06mgABTS粉末和0.35mg过硫酸钾（K2S2O8）粉末，分别用0.5mL蒸馏水溶解制得浓度为7.4mmol·L−1的ABTS储备液和2.6mmol·L−1的K S O储备2 2 8液。等体积量取ABTS储备液和K S O储备液，2 2 8旋涡混匀，室温下避光静置反应至少12h；用无水乙醇将反应后的溶液稀释一定倍数，使其A734 =（0.7±0.02），得ABTS工作液，室温下避光保存备用。用蒸馏水溶解毛竹笋木聚糖，配制浓度为0.2～20mg·mL−1的样品溶液，按1∶4（v∶v）的比例量取样品溶液和ABTS工作液，旋涡混匀，室温下避光静置30min；以0.1mg·mL−1的VC溶液作为阳性对照，每组样品另设背景（样品自身颜色）对照（样品溶液体积∶无水乙醇体积=1∶4）；以蒸馏水作为空白调零后分别于波长734nm处测吸光度A。734

DPPH自由基清除率=[1−（A1−A2）/A0]×100%

ABTS自由基清除率=[1−（A1−A2）/A0]×100%

式中，A0 为空白组的吸光度，A1 为样品组或阳性 对 照组的吸光度，A2 为背景对照组的吸光度。

2 结果与分析

2.1木糖标准曲线

木聚糖测定时木糖的标准曲线见图 1，回归方 程y=9.4575x−0.0346，R 2 =0.9993。

2.2单因素试验结果分析

2.2.1碱液质量浓度对毛竹笋木聚糖提取率的影响 由图2可知，碱液在特定反应条件下，可以破坏半纤维素的分子间化学键，从而提高半纤维素的溶出率和提取率。随着碱液浓度的升高，木聚糖提取率先上升后下降，当碱液浓度为0.04g·mL−1时，木聚糖提取率最低；当碱液浓度达到0.08g·mL−1时，木聚糖提取率达到峰值。因此，选择浓度0.08g·mL -1为最佳碱液浓度。

2.2.2提取温度对毛竹笋木聚糖提取率的影响 由图3可知，提取温度是影响木聚糖产率的重要因素，高温能够促进木质素与半纤维素之间的化学键断裂。在60～90℃范围内，木聚糖提取率逐渐升高，当温度达到90℃之后，木聚糖的提取率反而下降。从节约成本的角度来看，选择提取温度90℃为最适温度。

2.2.3料液比对毛竹笋木聚糖提取率的影响 由图4可知，在料液比1∶20至1∶30，木聚糖的提取率呈上升趋势。在料液比为1∶30时，木聚糖的提取率最高。当料液比为1∶35或1∶40时，毛竹笋木聚糖提取率明显下降。综合考虑，选择料液比1∶30为最佳料液比。

2.2.4提取时间对毛竹笋木聚糖提取率的影响 由图5可知，随着提取时长的增加，木聚糖提取率呈增加趋势，当提取时长为3.5h时，木聚糖提取率最大，随着时间加长，木聚糖提取率开始缓慢下降。提取时间过长的话可能会导致木聚糖在一定程度上发生降解，从而导致提取率降低。因此，选择3.5h作为最适提取时间。

2.3正交试验优化工艺参数

由表2可知，碱法制备毛竹笋木聚糖的最优生产工艺参数组合为A1B1C2D3，此时木聚糖提取率达到20.86%。根据R值判断各因素对毛竹笋木聚糖提取的影响排序为（碱质量浓度）A＞（提取温度）D＞（提取时间）C＞（料液比）B，因此，可以确定碱液质量浓度对木聚糖产量的影响最大，其次是反应温度、提取时间和料液比。

2.4毛竹笋木聚糖单糖组成分析

经检测，毛竹笋木聚糖单糖组成木糖含量最高，占比接近60%，其次是葡萄糖（25.6%）、阿拉伯糖（11.19%）、半乳糖（3.79%）。木糖的含量高表明其可能是构成毛竹笋木聚糖的主要成分。一般来说，降解产物中阿拉伯糖（Ara）与木糖（Xyl）的比值被认为是衡量阿拉伯糖木聚糖线性或分支程度的一个指标[19]，Ara/Xyl比值高表明是具有大量分支的短链聚合物，而Ara/Xyl比值低表明是具有少量侧链的线性半纤维素聚合物[20]。从试验数据得出Ara/Xyl=0.1883，表明带有许多支链的半纤维素与木质素的结合并不牢固，在碱性溶液中支链糖基更容易溶解。

2.5毛竹笋木聚糖傅里叶变换红外光谱分析（FT-IR）

由图6可知，半纤维素的红外敏感基团为−CH3CO和−OH[21−22]，3330.65cm−1处为O−H的伸缩振动吸收峰，2885.98cm−1处的吸收峰归属于C−H伸缩振动。1034.39cm−1处的主要吸收峰属于木聚糖中糖苷键C−O−C的伸缩振动，是木聚糖的特征吸收峰。896.6cm−1处吸收峰归属于β−D−木糖的特征结构，表明糖单元以β−糖苷键连接。1170～1000cm−1亦是木聚糖的典型特征，1160.35cm-1处吸收峰表明存在阿拉伯糖基团。综上所述，红外光谱分析表明从竹笋中提取的木聚糖成分为木糖。

2.6毛竹笋木聚糖的抗氧化活性分析

2.6.1毛竹笋木聚糖对DPPH自由基的清除率 由图7可知，0.2～8.0mg·mL−1浓度范围内，随毛竹笋木聚糖浓度的升高，DPPH·清除率逐渐增加，IC值为1.0mg·mL−1。当毛竹笋木聚糖浓度为850mg·mL-1时，其对DPPH·清除率均接近95%以上。随浓度进一步提高，其对DPPH·清除率有所降低。在阳性对照组中，0.1mg·mL−1VC对DPPH·的清除率为95.63%，以上结果表明毛竹笋木聚糖具有良好的体外抗氧化活性，表现为对DPPH·较强的清除能力。当达到一定浓度后，毛竹笋木聚糖的DPPH自由基清除能力与VC相当。

2.6.2毛竹笋木聚糖对ABTS自由基的清除率 由图8可知，毛竹笋木聚糖对ABTS自由基的清除能力随着浓度的增加而增强。当浓度从0.2mg·mL-1增至20mg·mL−1时，毛竹笋木聚糖的ABTS·清除率从14.74%上升到93.48%，IC50值为3.85mg·mL-1。阳性对照组中，0.1mg·mL−1VC对ABTS·有94.66%清除率。以上结果表明毛竹笋木聚糖具有良好的体外抗氧化活性，表现为对ABTS·较强的清除能力。当达到一定浓度后，毛竹笋木聚糖的ABTS自由基清除能力与VC相当。

3 结论

本研究采用单因素、正交试验优化毛竹笋木聚糖提取工艺，结果表明碱提毛竹笋木聚糖最优工艺条件为：提取温度100℃，碱液质量浓度0.1g·mL-1，提取时间3.5h，料液比1∶25，木聚糖提取率达到20.86%。HPLC分析显示单糖中含量最多的是木糖，其次是阿拉伯糖和葡萄糖。傅里叶变换红外光谱（FT-IR）进一步证实了提取物具有与木聚糖相吻合的特征结构峰。体外抗氧化活性试验结果表明，毛竹笋木聚糖具有一定的抗氧化活性，当浓度为8mg·mL−1时，对DPPH自由基的清除率为94.75%，IC50值为1.0mg·mL−1；当浓度为20mg·mL-1时，对ABTS自由基的清除率为93.48%，IC50值为3.85mg·mL−1；且在一定浓度范围内，其抗氧化活性随木聚糖浓度的升高而增强。这一研究成果能够将竹笋废弃物转化为高附加值产品开辟一条有效的途径，同时为后续利用木聚糖酶制备功能性低聚木糖的产业深加工提供新思路。

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（责任编辑：陈文静）