全 文 ：生物杖术通推
研 究 报 告 丑币口2万门阴W 笼刀 6 Y B UJ 凭 E 刀万 2 (X 冷 年 增 刊
响应面分析法对甘蔗渣中木聚糖提取条件的优化
韦杰 段永忠 唐湘华 ,2 李俊俊 黄遵锡 ,2
( 云南师范大学生命科学学院 , 昆明 65 侧刃2; 2云南师范大学生物能源持续开发利用教育部工程
研究中心, 昆明 65仪为2)
摘要 : 以甘蔗渣为原料 ,通过单因素实验选取因紊和水平 ,在此基础上 ,综合考虑各因素对木聚糖提取率的影响.根据
Bo x一Be nhi止en 实脸设计原理 ,用D es ign 一ExP ert 软件进行响应面分析(R sA ) ,得出甘蔗法木豪精的最佳提取工艺条件 :室沮条
件下,抽提时间3 h ,固液比 1:30 , N aO H 浓度 8.56 % 经脸证.实际测得的木聚粉提取率为28 .84 % ,比单因素实脸的最高提取率
25 .57 % 高出3.27% ,在误差允许的范圈内,与模型的预浏值 28 .17 % 基本相符
关妞词: 甘蔗渣 木聚特 提取工艺 响应面分析
B agasse Xy lan E xtraction P rocess in T erm s of Re sPonse Surfa ee
M eth o d to O P tim ize
W eiJie, D ua n Y on乎ho雌, T ang )万angh ua,, Li Junj un , H uan g Z u ,2
(肠陇梦 of L诉 灰ic二es y一 八勺爪以 几动ers勿, K ~ 叮 650 92, .Z E呼ne eri鳍 Researc h Ce 欣r of s而nab le De , e帅me nt 山以
从众以勿n of 而 ~ , E能嚼 , 衬云几臼勺 of E减uc 勿 n Yun ~ 八乞爪d Un动ers好, K~ 咭 650 92 少
A bat ra ot : T ak e th e bagasse as raw ma te 闹 , 翻d seleete 丘ct oo an d levels th ro ugh th e singl e 反ctor e即erim ent on this bas i, . To
des ign th e exP erune nt aecordi 吃 to B ox一Benh nk en Prin ciPl es , th en using th e D esi, 一ExP ert softw are in re sP ons e to surfa ee an aJ四s
(R SA ) fo r cho sm g th e oP切m u幻比extra ction eondi tions w hi ch m akes th e hi gh est 恻an extra ction ra te . In th is exP erim ent, the oPtim um
extra cti o n co ndi tions 15 in ro om temP era幻以re con di ti ons , th e e翻 cti on tUn e of 3 h , so lid一liquid ra ti o of l:30 , an d N ao H eon eentra tion
of 8.56% .C e币五ed , th e ac tu al m eas ure d ra te of xv lan exOlctio n 15 28.84 % , eomP are d 初th th e hi gh est singl e fa ctor experim ent extra etion
te 25.57% 15 3.27 Perc ent hi gh er. In th e ero r al owe d , th e mo delPre di eted 28.17% 15 adj us t to the actu 习extTa etion 28.84% ,of the
K6y wo 川s: B a, sse x ylan Extra etion tee腼 职es R e印ons o su ee an习vsis (R sA )
甘蔗渣是制糖工业的主要副产品 ,据报道[I] ,全
国 20 7一20 8 年至少产生 4 X叉)万 t甘蔗渣 , 这些
蔗渣资源除少量用于造纸外 ,绝大部分被烧掉或废
弃,不仅造成资源浪费,还严重污染环境 木聚糖是
一种广泛存在于植物纤维中的多聚五碳糖 ,在玉米
芯 甘蔗渣 稻壳以及棉子壳中含量较为丰富 ,一般
能高达 30% 12, 3] 其降解后所产生的低聚木糖不仅
具有促进人体钙吸收l 抑制病原菌l5]等多重功效 ,
而且还可以用作基本碳源生产各种发酵产品 .包括
有机酸 氨基酸 单细胞蛋白 燃料乙醇 木糖醇等
l6] ,应用前景十分广阔 因此 ,从甘蔗渣中提取木聚
糖不仅变废为宝 ,还有利于 资源环境友好型 社会
的建设 ,具有很高的经济效益和社会效益
响 应 面分 析 法 (R esPo nse Surfa ee A nalysis,
R SA) 是由 B ox 等人于 20 世纪 50 年代提出的一种
优化工艺条件的有效方法lv] 它不同于正交实验等
点对点的优化 ,而是以回归方法作为函数估算的工
具 , 将多因子实验中因子与实验结果的相互关系 ,
收稿 日期 :2仪旧一04 一29
作者简介:韦杰(198 6一) ,女 ,本科生;E 一耐 卜 we ij eZ(X) ssk @ 163 .~
通讯作者:黄遵锡 (l 964 一) ,男 ,教授 ,博导 ,从事微生物基因工程和酶工程研究,E 一m ail :hu an gz unx i@ 16 3 .com
292 健物孩术通稚刀勿.沁几加恤盯 B uj肠血 2(X 刃 年 增 刊
用多项式近似 ,把因子与实验结果(响应值)的关系
函数化 ,依此可对函数的响应值进行分析 ,研究因
子与响应值之间 因子与因子之间的相互关系及其
主效应和交互效应 ,并进行优化[8, , 本实验应用
Des ign 一 Expe rt 7.1.6 软件系统对实验数据进行统计
分析 ,拟合曲线 ,建立数学模型 ,利用其提供的三维
立体图形 ,观察响应曲面 ,进一步对实验条件参数
进行优化l,,41
1 材料与方法
1.1 材料 试荆和仪器
甘蔗渣 , 取自云南省红河州弥勒县朋普糖厂;
D (+ )木糖 氢氧化钠 3 , 5一二硝基水杨酸 酒石酸
钾钠 苯酚 亚硫酸钠 盐酸均为国产分析纯试剂 ;
7225 可见分光光度计 , 上海普华科技仪器有限公
司 ;水流真空泵 ,上海爱朗仪器有限公司
1 .2 甘蔗渣 的预 处理
用亚抓酸钠法对甘蔗渣进行脱木质素预处理 ,
使其木素含t 在 2% 一4% ,粉碎过 40 目筛备用
1.3 制作木枪标准曲线
用 D N S 法制作木糖标准曲线并计算出标准方
程I,,l
1.4 提取 工艺流程
用亚抓酸钠和冰乙酸对甘蔗渣预处理* 打磨
粉碎 (过 40 目筛 )* 称取一定量的过 40 目的蔗渣 ,
加人 Na0 H 抽提 抽滤 (取滤液)一中和 (pH 7.0)
定容一 酸水解 (酸浓度为 3m ollL ,沸水浴 钓m in) 斗
中和 (pH 7.0 )一定容 显色 (沸水浴 sm in )一测定
糖浓度 (D N S 法 )
1.5 单因素实脸
分别考查温度为室温(20 ) 40 60 80 ,
抽提时间为 Z h 4 h 6 h s h , 固液 比为 l:15 l:
30 l:45 l:印 , N a0 H 浓 度为 6% 8% 10% 12% 条
件下 ,对木聚糖提取率的影响
1.6 响应 面实脸
在单因素实验的基础上 ,确定各因素的最佳用
t 范围 ,设计抽提时间 固液比和 N aO H 浓度 3 因
素 3 水平的响应面实验 ,并且在分析得到的最佳提
取工艺条件下 ,做 4 组平行实验验证响应面分析方
法的可靠性
1.7 糖含1 的浏定[ls] 和木聚格提取率的计算
采用 D NS 法测定出 54( In m 处的吸光值 , 代人
标准方程 ,计算出还原糖含量 ,其中:
木聚糖含量二还原搪含量x稀释倍数xo.8
木聚糖提取率二总木聚糖含量 / 绝干料t x
1洲%
2 结果分析
2.1 单因素对木聚糖提取率的影响
2.1.1 抽提温度对提取率的影响 固定抽提时间
为 6h ,固液比 1:30 , N a0H 浓度 10 % ,测定在此条件
下 ,抽提温度对木聚糖提取率的影响
勺即劝名浮l,落伯幻怕坦lt(心城璐乙.妞耗
拍门口口佗
圈 1 抽提沮度对木二 提取率的影晌
由图 1 可以看出 ,在此实验条件下 ,随着温度
的升高 ,木聚糖的提取率呈逐渐下降趋势 ,造成此
结果的原因可能是由于温度的升高破坏了甘蔗渣
中的碳水化合物的结构 当温度高于 60 时 ,提取
率又出现回升 ,造成此现象的原因尚不清楚 在实
际生产中 ,为了降低生产成本 ,故选取室温条件
2.1.2 抽提时间对提取率的影响 室温条件下 ,固
定固液比 1:30 , N a0H 浓度 10 % ,测定在此条件下 ,
不同的抽提时间对木聚糖提取率的影响
拍j邓.s刘J钧n
邓舰时韶璐口艺.峨关
0 2 4 6 8 10
抽组时阁 (目
圈2 抽提时间对木. 粉提取率的影晌
由图 2 可以看出 ,在此实验条件下 ,木聚糖提
取率随着时间的延长先呈明显的上升趋势 ,而后急
速下降 ,随后又缓慢上升 这是因为在反应开始后 ,
2 (X 为 年 增 刊 韦杰等 :响应面分析法对甘蔗渣中木聚糖提取条件的优化 293
甘蔗渣中的纤维素和半纤维素迅速溶出 ,经水解生
成可溶性木糖和低聚木糖 ,使溶液中的糖组分迅速
增大 ;当反应继续进行时 ,部分木聚糖降解导致提
取率下降 ,最后则可能是由于木糖和低聚木糖之间
的相互转化 ,使得溶液中糖的聚合度的变化而引起
木聚糖提取率的波动变化 综合各方面因素考虑 ,
实验选取抽提时间为 4 h
2.1.3 固液比对提取率的影响 室温条件下 ,固
定抽提时间为 4 h , N aO H 浓度 10 % ,此条件下 ,测
定不同固液比对木聚糖提取率的影响
匀 4 6 曰
一液比(卜,)
由图 4 可以看出 , 在此反应条件下 , Na0 H 浓
度在 6% 一8% 范围内变动时 , 木聚糖提取率随着
N a0 H 浓度的升高而升高 , 当继续增高 N aO H 浓度
时 ,提取率反而明显下降 这是因为随着 N a0 H 浓
度的升高 ,甘蔗渣中的半纤维素等碳水化合物不断
溶出 ,经水解生成木糖和低聚木糖 ,表现为提取率
明显上升 ;当继续增高 N a0 H 浓度时 ,有效碱对碳
水化合物的损害作用增大阴 ,所以 ,糖的提取率反
而降低 故根据实验结果 ,选取 8% 的 Na0 H 为最
佳抽提浓度
2. 2 响应面 实脸
2. 2.1 分析因素的选取及分析方案 综合考虑以
上四因素对木聚糖提取率的影响 ,确定选取室温条
件下 ,抽提时间 4 h ,固液比 1:45 , N a0 H 浓度 8% 设
计 3 因素 3 水平实验进行响应面分析 ,对提取工艺
进行优化 各因素与水平编码表见表 1
厂.eL-| .邢忿汤24.s娜 加纵左份喊弓彭,令肠
圈 3 固液比对木. 枯提取率的影晌 裹 1 晌应面分析法的因帝与水平衰
因索
一 1 .0
全J,
4h气1:4沙h鱿% 1:63人(抽提时间 )
B (固液比 )
C (N aO H 浓度 )
+ 1 .0
5 h
1 :创)
10%
裹 2 晌应面分析结.
试验组 时间(h) 固液比 浓度(% ) 提取率(% )
1 .(洲X )
0. (洲洲)
一1.心X洲)
1.峨X
一1.峨X刃
0 .侧刃
1.(比旧
0. 以洲)
0. X洲)
0. (X 幻
0. (阅旧
0. X X)
1 .(洲 )
一l 扣幻
一1.侧X)
2 6 .2 5
2 7 .6 9
2 3 .9 6
2 6 .9 2
2 3 .4 2
2 6 .8 9
2 7 .2 6
2 8 .6 3
2 6 .2 0
2 6 .4 8
2 6 .5 8
2 8 .2 1
2 5 .56
2 3 .50
2 2 .9 5
姗朋 -l0.1.L咖姗朋1几丹
刁0.
由图 3 可以看出 ,在一定变化范围内 ,木聚糖
提取率随着固液比的增加而升高 , 在 1:45 处达到
最大值 ,而后随着固液比的进一步增大而呈缓慢下
降趋势 这主要是因为在一定范围内 ,固液比越高 ,
单位料样所接触到的提取液的有效面积就越大 ,纤
维素的溶胀作用增强 ,有利于料样中半纤维素和纤
维素的溶出 ,表现为提取率的显著升高 ;当继续增
加固液比时 ,碱的浓度被稀释 ,单位料样接触到的
有效碱量反而减少 ,溶出物量下降l6] ,表现为随着
固液比的继续增大 ,提取率缓慢降低 故选取 1:45
为最佳反应时的固液比
2.1.4 N a0 H 浓度对提取率的影响 室温条件
下 ,固定抽提时间为 4h , 固液 比 1:45 ,测定在此条
件下 ,使用不同浓度的 N aO H 抽提液对木聚糖提取
率的影响 8 一l 以洲)
溯咖仰姗
朋伽溯 01 15234109
祷卑派联仆谬
.兀旧
(X 旧
-l众
广 \
内O H浓度 ( )
圈 4 N aO H 浓度对木. 摘提取率的影晌
294 性物技术吸银 刀勿翻动即城盯 2(X 为 年增 刊
2. 2. 2 模型的建立及显著性检验 对表 3 中木聚
糖提取率进行多元回归拟合 ,获得木聚糖提取率对
编码 自变t (抽提时间 固液比 Na0 H 浓度 )的二
次多项回归方程 :
提取率二 27.19一0.59A +0.20 B + l.52C +0.33AB 一
0 .05 0A C + 0 .3 lB C 一0 .05 2A 2+0 .13 B Z一2 .26 C Z
由回归方程可以看出 , C 因素 (N a0 H 浓度)较
其他因素对木聚糖提取率的影响较为显著 , A 因素
(时间 )次之 , B (固液比)因素的影响最弱 ;在因素
的交互作用中 , A C 因素的交互作用对响应值的影
响最弱 , A B BC 则稍强
2. 2. 3.1 时间一固液比的交互作用对木聚糖提取率
的影响 由图 5 可以看出 , 当时间处于低水平时 ,
随着固液比的升高 , 木聚糖提取率的变化不明显 ,
当时间处于高水平时 ,提取率随固液比的升高呈缓
慢上升趋势 ;当固液比处于低水平时 ,随着时间的
延长 ,提取率呈逐渐下降趋势 ,当固液比处于高水
平时 ,随着抽提时间的延长 ,提取率亦呈现下降趋
势 ,但相较低水平下降的略为缓慢 由此可以看出 ,
在时间一固液比的交互作用中 , 时间对木聚糖提取
率的影响与固液比相比更大圈 ,是主效应因子 ,此
结论也可以由等高线与两因素坐标轴的交点数看
出 ,交点多的为主效应因子
裹 3 方基分析衰
总方差 自由度 平均方差 F 值 n旧b> F
模型 4 1.56 9 4 62 6 .53 0 .02 63*
A 一时间 2 74 1 2.74 3 .87 0 .1伪3
B一固液比 0 32 1 0 .32 0 .45 0 .53 11
C一浓度 18 48 1 18.4 8 26 .12 0 .加37**
A B 0. 4 1 0. 4 0. 62 0 .肠 82
A C 1.以幻E 一加 2 1 1 X 旧E 一加 2 0 .0 14 0 .9 1的
BC O 38 1 0.38 0 .54 0 .4洲 2
A2 9 856E 一 (X) 3 1 9 856E 一(X) 3 0 0 14 0 9 107
B Z O J又汤 1 0 .义泛 0 .的 3 0 .7 30
C Z 18 80 1 18 .80 26 .57 0 .加 36 **
残差 3. 54 5 0. 71
失拟项 l 9 3 0 .63 0 .78 0 .印5 3
净误差 l 63 2 0 .82
总误差 45 , 10 14
甲 0 .92 15
提取率
二次响应面回归模型的方差分析结果表明 :回
归模型显著 (P<0. 05 ) ,失拟项不显著 (P> 0. 05 ) ,表
明模型的拟合性较好 从表中还可以看出 , C 因素
(Na0 H 浓 度 ) 对实验结果的影响极其显著 (P <
0. 01 ) , 其他因素以及因素间的交互作用的影响均
不显著 (乃 0. 05 ) ,此结果与拟合方程相吻合
回归模型的 甲二0.9 215 表明 92.巧 % 的木聚糖
提取率变化都可以由此模型来解释 ,故此模型可以
用来估计木聚糖提取率
2. 2. 3 因素间的交互影响
圈5 时间一圈液比对木. 摘提取率的影晌的晌应面圈
2. 2. 3. 2 时间一N aO H 浓度的交互作用对木聚糖提
取率的影响 等高线为椭圆 ,表明因素间的交互作
用显著 ,为圆形时 ,则交互作用不显著10 由图 7 可
以看出 ,时间一Na0 H 浓度之间的交互作用显著 当
抽提时间处于低水平时 , 随着 N a0 H 浓度的升高 ,
2以为 年 增 刊 韦杰等 :响应面分析法对甘蔗渣中木聚糖提取条件的优化 295
份璐衰
拐取率
j
任侧二U
..
任侧肠
, . 匀. 朋 . 月月 压. 匆曰 , 工 . 悦 二 目
内 时间 . :. 彼比
圈 6 时间一N a0 H 浓度对木滚精提取率的影晌 圈 7 固液比一N aO H 浓度对木. 帕提取率的影晌
木聚糖提取率先上升后下降 , 当时间处于高水平
时 , 提取率亦随着 NaO H 浓度的升高先上升后下
降 ;当 N a0 H 浓度固定在一定水平时 ,随着时间的
延长 ,提取率变化不明显 可见在时间一N aO H 浓度
的交互作用中 , N a0 H 浓度是影响木聚糖提取率的
主要因素 ,从等高线与 N a0 H 浓度轴的交点数更多
也可以看出
2. 2. 3. 3 固液比一N aO H 浓度的交互作用对木聚糖
提取率的影响 由图 7 可以看出 ,当固液比固定在
一定水平时 , 由低到高变化 N a0 H 浓度 ,提取率先
上升后下降 ; 当将 N a0 H 浓度固定在低水平时 ,随
着固液比的升高 , 提取率几乎无明显变化 , 当将
N a0 H 浓度固定在高水平时 , 随着固液比的升高 ,
提取率有缓慢上升趋势 ,但变化不明显 从图中还
看出 ,等高线与坐标轴的交点几乎都在 N aO H 浓度
轴上 ,因此 ,在此二者的交互作用中 , N a0 H 浓度是
影响提取率的主要因素 ,是主效应因子
由以上分析可以看出 , 在此三因素中 , N a0 H
浓度对木聚糖提取率的影响最大 , 抽提时间次之 ,
固液比对其影响最弱 此结果与方差分析表所反映
出的一致 在此基础上 ,得出甘蔗渣中木聚糖提取
工艺的优化条件参数 ,见表 5
由表 4 可以看得出 ,响应面法优化木聚糖提取
工艺的条件参数为抽提时间 3 h , 固液 比 1:30 ,
N a0 H 浓度 8.56% , 优化后的时间和固液比两因素
都取了实验设计的最小值 ,这和方差分析中所得出
的时间和固液比对响应值的影响不大的结论是一
致的 经优化后 ,木聚糖提取率为 28 .17 %
2. 2. 4 拟合优化的验证 由表 4 得知从甘蔗渣中
提取木聚糖的最佳工艺条件参数为 :抽提时间 3h ,
固液 比 1:30 , N aO H 浓度 8.56% ,在此条件下 ,木聚
糖的最高提取率为 28 .1656 % 为验证响应面分析
法 (RSA )的可靠性 ,采用上述最佳条件 ,设 4 组平
行 ,对其进行验证
2% 生物该术通橄刀初姗无肋城盯 Buj 肠血 2(X 拍 年增刊
裹 4 优化. 件. 傲衰
试脸组 时间 固液比 浓度 提取率 t 信度
(% ) (% )
3.01
30 .0
30 .0
3O o
28.165 9 0. 肠 8 闭 ec .ed
28 .163 8 0 .伪 8
28 .1588 0 .肠吕
28 .15(X) 0. 肠 7
28 .12 15 0 .肠 7
28 .1211 0 .肠 7
28 .12的 0 .伪 7
幼 .! !0 0. 肠 7
28 .1 158 0 .肠 7
28 .1 139 0 .肠 ,
28 .1128 0 .肠 7
28 .1039 0 .肠 ,
28 .仪场 5 0 .(场泛
28. 加 57 0. (巧6
时间一浓度的作用显著外 ,其他因素间均不明显 ,直
接相关性很小 实验最终得出的最佳提取工艺条件
为室温条件下 ,抽提时间 3h ,固液比 1:30 , N aO H 浓
度 8.56% 经验证 ,在此反应条件下 ,实际测得的木
聚糖提取率为 28 .84 % , 比单因素实验的最高提取
率 25 .57% 高出 3.27% , 与模型的预测值 28 .17 % 基
本相符 因此 ,采用响应面分析法(RSA )能够简单
准确 可靠地对木聚糖提取工艺进行优化 ,具有很
高的实用价值
564006砚邢一
l护.,几11内J舀
498
8.8 1
8.87
8.85
8.82
8.83
8.55
436780R谷一拢
2
3
4
5
6
7
8
9
l0
l 1
l2
l3
14
3.02 30 .0
3 .的 印 .0
3. 的 印 .0
3 .0 印 .0
3.0! 印 .0
3 .0 59. 67
3.(X) 59 .56
3 .伪 30. 0
3.阅 58 .98
3 .(X) 37 .37
3.0 42 .88
衰 5 脸证实脸摘. 裹
实脸组
木康. 提取率 29 .肠% 29 .19 % 28 .7 8% 28 .3 3%
经 验 证 性 实 验 侧 得 的 木 聚 糖 提 取 率 为
28 .84 % , 比单因素实验的最高提取率 25 .57 % 高出
3.27 % , 在误差允许的范围内 , 与理论预测值基本
相符
3 结论
本研究采用 Box 一Be nh nk en 实验设计原理 ,用
D es ign 一ExPe rt 软件进行响应面分析 (R SA ) ,对从甘
蔗渣中提取木聚糖的工艺条件进行了初步的探索
实验结果表明 , 在讨论分析的几个因素中 , N a0H
浓度对木聚糖提取率的影响作用较大 , 时间次之 ,
固液比的影响作用最小 ,并且因素间的交互作用除
今考文橄
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