全 文 ：文章编号 :100028551 (2008) 012060205
小麦麸皮阿拉伯木聚糖碱提工艺条件优化研究
张晓娜1 , 2 　王世平1 　周素梅2 　符秀敏1
(11 中国农业大学食品学院 ,北京　100083 ; 21 中国农业科学院农产品加工研究所 ,北京　100094)
摘 　要 :为提高小麦麸皮中阿拉伯木聚糖的得率 ,本研究在考察了温度、时间、碱液与 H2O2 浓度和振荡速
度等单因素对阿拉伯木聚糖得率影响的基础上 ,采用二次回归正交旋转组合设计对阿拉伯木聚糖的碱提
工艺条件进行了优化并建立数学模型。结果表明 ,在提取温度 88 ℃、时间 200min、NaOH 浓度 0116molΠL、
H2O2 浓度 115 %的条件下 ,阿拉伯木聚糖的得率达到最大值 21123 % ,验证实验结果与模型预测值相符。
关键词 :阿拉伯木聚糖 ;碱提工艺 ;正交旋转组合设计 ;优化
OPTIMIZATION OF AL KALINE EXTRACTION CONDITIONS FOR
ARABINOXYLAN FROM WHEAT BRAN
ZHANG Xiao2na1 　WANG Shi2ping1 　ZHOU Su2mei2 　FU Xiu2min1
(11 College of food science and nutritional engineering , China Agricultural University , Beijing 　100083 ;
21 Institute Food Science & Technology , Chinese Academy of Agricultural Sciences , Beijing 　100094)
Abstract : In order to enhance the extraction yield of arabinoxylan from wheat bran , the effect of temperature , time , the
concentrations of sodium hydroxide and hydrogen peroxide and shaking speed on yield of arabinoxylan were investigated. Based
on this , the optimization of extraction conditions of arabinoxylan was carried out and mathematical model was established
through the quadratic regression orthogonal rotary combination design. Results indicated that when the extraction temperature ,
time , the concentrations of sodium hydroxide and hydrogen peroxide were 88 ℃, 200min , 0116molΠL and 115 % respectively ,
the yield ( Y) reached the maximum (21123 %) , which was consistent with the validate experiment result .
Key words :arabinoxylan ; alkaline extraction ; orthogonal rotation combination design ; optimization
收稿日期 :2007204225 　接受日期 :2007206204
基金项目 :中国农业科学院中央级公益性科研院所基本科研业务费专项 (2060302 - 14)
作者简介 :张晓娜 (19772) ,女 ,河南许昌人 ,硕士研究生 ,专业方向为食品营养与安全。E2mail :xna2002 @1261com
通讯作者 :周素梅 (19712) ,女 ,河南商丘人 ,副研究员 ,硕士生导师 ,从事农产品深加工与功能食品研究。Tel :010262815970 ; E2mail :zhousumei @
yahoo. com. cn
　　我国是小麦生产大国 ,每年仅小麦加工的副产物
———麦麸就高达 2000 多万吨。麦麸中阿拉伯木聚糖
(Arabinoxylan ,AX ,又称戊聚糖) 含量丰富 ,达到干基的
20 %以上[1 ] ,AX具有诸多重要的功能特性 :对面团的
性质和面包的烘焙品质具有较大的影响 ;能增强人体
免疫功能 ;具有抗氧化、降低胆固醇及调节血糖水平等
功能[2 ] 。但是麸皮中水溶性 AX 的含量较低 ,造成这
一现象的一个重要原因是麸皮中的阿拉伯木聚糖与体
系中的木质素、纤维素、蛋白质等其他组分存在着较多
以阿魏酸连接的共价酯键[3 ] ,在碱性条件下 (015molΠL NaOH、饱和 Ba (OH) 2 、Ca (OH) 2 等) [4～7 ] ,这种共价酯键的结合可能会被打断 ,原来水不溶性的阿拉伯木聚糖会变为水溶性的 ,因此 ,碱液通常被作为小麦麸皮、米糠、玉米皮中半纤维素的提取液[8 ,9 ] ,提取得到的 AX称为 碱 溶 性 阿 拉 伯 木 糖 ( Alkaline extractablearabinoxylan ,AEAX) 。二次正交旋转组合设计是一种广泛用以处理多因素试验的科学方法 ,它将回归分析法与正交试验法有机结合起来 ,采用组合设计 ,具有试验次数少 ,数据处理简便 ,并可进行优化分析等优点 ,它既能有效地克服
06　 核 农 学 报　2008 ,22 (1) :60～64Journal of Nuclear Agricultural Sciences
二次回归正交设计的无旋转性 ,又能根据预测值直接
寻求最优区域[10 ] 。本研究首先对作用温度、时间、
NaOH浓度及 H2O2 用量 4 个条件进行单因素考察 ,并
在此基础上 ,采用二次回归正交旋转设计法对麦麸 AX
的碱提工艺进行系统优化 ,以期使目标多糖的得率得
以提高。
1 　材料与方法
111 　试验材料
供试小麦麸皮为北京古船面粉公司提供。
112 　碱提工艺
小麦麸皮 →酸水洗 →015 %H2O2 处理 →挤压后粉
碎 →加水调浆 (料液比为 1∶20) →加 NaOH →加 H2O2 →
恒温振荡 →离心 (4200rΠmin、10min) →取上清液 →乙醇
沉淀 →离心 (条件同上) →沉淀 →复溶 →冷冻干燥 →产
品 (AEAX) 。
113 　试验方法
11311 　麦麸中指标成分的测定 　AEAX 的含量 (以戊
聚糖计) :地衣酚 - 盐酸法[11 ] ;AEAX的得率 (以戊聚糖
计) :麦麸中提取 AEAX的质量Π麦麸的质量 ( %) 。
11312 　麦麸的碱提工艺单因素试验 　分别考察振荡
速度 (0、60、100、140、180rΠmin) 、料液比 (样品质量Π提取
液体积 gΠml 为 1∶10、1∶15、1∶20、1∶25、1∶30) 、作用温度
(26 ℃、40 ℃、60 ℃、70 ℃、80 ℃、90 ℃、100 ℃) 、作用时间
(30、60、120、180、240min) 、NaOH浓度 (0、01025、01050、
01100、01200 molΠL) 、H2O2 浓度 (体积比 ×30 %为 0 %、
015 %、110 %、115 %、310 %) 6 项单因素对 AEAX 得率
的影响 ,初步确定 AEAX的碱提工艺参数 ,为二次回归
旋转组合设计提供参数范围。
11313 　二次回归旋转组合设计 　依据单因素试验的
结果确定因素水平范围 ,在料液比为 1∶20、振荡速度
为 140rΠmin 的条件下 ,采用二次回归旋转法 4 (1Π2) 组
合设计对温度、时间、NaOH 摩尔浓度和 H2O2 浓度范
围进行优化 ,共进行 23 次试验。结果利用 DPS 软件进
行分析。
2 　结果与讨论
211 　AX碱提工艺的单因素试验结果
21111 　振荡速度对 AEAX 提取得率的影响 　由图 1
可知 ,在 NaOH 浓度为 0110molΠL ,料液比为 1∶20 ,60 ℃
恒温振荡 1h 的条件下 ,随振荡速度的增加 ,AEAX 得
率逐渐增加 ,当振荡速度处于 100～140rΠmin 时 ,AEAX
得率增加趋于平缓。图 2 则显示 ,与图 1 同等条件下 ,
再加入 115 %的 H2O2 ,振荡速度为 140rΠmin 时 ,AEAX
得率明显高于 100rΠmin 时的得率 ,说明随振荡速度的
增加 ,H2O2 的存在能够更有效地促进多糖溶出。故本
试验初步选定振荡速度为 140rΠmin。
图 1 　振荡速度对 AEAX提取得率的影响
Fig. 1 　Influence of shaking speed
on extraction yield of AEAX
图 2 　振荡速度与 H2O2 浓度对 AEAX提取得率的影响
Fig. 2 　Influence of shaking speed and 115 % hydrogen
peroxide on extraction yield of AEAX
21112 　料液比对 AEAX 提取得率的影响 　根据液固
萃取基本理论 ,增大提取液的量将有利于溶质的溶出。
但过大的料液比对实际生产而言 ,将增加水的消耗及
后续的浓缩成本。本试验结果显示 (图 3) :在 NaOH浓
度为 0110molΠL ,100rΠmin 60 ℃恒温振荡 1h 的条件下 ,
随着提取液量的增加 ,AEAX 得率逐渐增加。当料液
比达到 1∶20 后 ,AEAX 得率提高非常有限 ,从实际生
产角度考虑 ,料液比以 1∶20 为宜。
21113 　作用温度对 AEAX 提取得率的影响 　由图 4
可知 ,在 NaOH浓度为 0110molΠL ,料液比为 1∶20 ,100rΠ
min 振荡 1h 的条件下 ,AEAX 得率随温度的升高呈递
增趋势 ,90 ℃后趋势变缓 ,但总的来说 ,温度越高 ,多糖
得率越大。这可能与提取液的粘度随温度的升高而减
小有关。温度升高 ,溶液的粘度减小 ,分子运动加快 ,
16　1 期 小麦麸皮阿拉伯木聚糖碱提工艺条件优化研究
图 3 　料液比对 AEAX提取得率的影响
Fig. 3 　Influence of the wheat branΠwater ratio
on extraction yield of AEAX
图 4 　作用温度对 AEAX提取得率的影响
Fig. 4 　Influence of the action temperature
on extraction yield of AEAX
AEAX较易溶出。但温度过高易引起多糖结构的破坏
和生物活性丧失。因此本试验提取温度选择 80 ℃～
90 ℃之间。
21114 　作用时间对 AEAX 提取得率的影响 　由图 5
可知 ,在 NaOH浓度为 0110molΠL ,料液比为 1∶20 ,100rΠ
min 60 ℃恒温振荡的条件下 ,AEAX 得率随着时间的延
长逐渐提高 ,超过 2h 趋势变缓。故本试验选择作用时
间为 120 - 180min。
图 5 　作用时间对 AEAX提取得率的影响
Fig. 5 　Influence of the time on extraction yield of AEAX
21115 　NaOH浓度对 AEAX提取得率的影响　图 6 显
示 ,当料液比为 1∶20 , 100rΠmin 60 ℃恒温振荡 1h 时 ,溶
图 6 　NaoH浓度对 AEAX提取得率的影响
Fig. 6 　Influence of alkaline concentration
on extraction yield of AEAX
液浓度对 AEAX的提取影响较大 ,在碱性条件下多糖
与木质素间的酯键联结易被打断 ,可促进多糖的释放。
因此 ,多糖得率随碱液浓度的增加而增加 ,但过高的碱
溶液浓度易引起糖结构的变化和破坏 ,甚至使其中六
碳环裂解 ,进而引起多糖活性的丧失。综合考虑 ,确定
碱液浓度为 0110molΠL 进行试验。
21116 　H2O2 浓度对 AEAX 提取得率的影响 　图 7 表
明 ,在 NaOH 浓度为 0110molΠL ,料液比为 1∶20 ,100rΠ
min 60 ℃恒温振荡的条件下 ,H2O2 浓度对 AEAX 的提
取有显著的影响。作用时间达到 60min 后 ,015 %和
110 % H2O2 处理的麦麸 AEAX 得率明显高于 115 %和
310 %的处理 ,而且作用时间达到 120min 后 ,多糖得率
增加趋势减缓 ,原因是 H2O2 可以脱除与多糖相连接的
木质素 ,使多糖从麸皮中释放出来 ,但是 H2O2 浓度过
大时 ,又会造成多糖的降解使其含量下降。因此本试
验选择 H2O2 的浓度范围为 015 %～110 % ,作用时间为
120 - 180min。
图 7 　H2O2 浓度对 AEAX提取得率的影响
Fig. 7 　Influence of hydrogen peroxide
concentration on extraction yield of AEAX
212 　正交旋转回归法确定 AEAX的最佳碱提工艺
针对传统单因素试验设计具有的明显不足[10 ] ,在
26 核　农　学　报 22 卷
此采用二次回归旋转组合设计对碱提工艺的主要影响
因素进行优化试验 ,取作用温度 (X1 ) 、作用时间 (X2 ) 、
NaOH摩尔浓度 (X3 ) 和 H2O2 浓度 (X4 ) 作为 4 个因素 ,
每个因素选取 5 个显著水平 (表 1) 。
表 1 　正交试验因素水平表
Table 1 　Factors and levels of the orthogonal
regression tests
水平
levels
温度 (X1)
temperature
( ℃)
时间 (X2)
time
(min)
NaOH浓度 (X3)
concentration of
sodium hydroxide
(molΠL) H2O2 浓度 (X4)concentration ofhydrogen peroxide( %)
11682 40 40 0100 010
1 52 72 0104 016
0 70 120 0110 115
- 1 88 168 0116 214
- 11682 100 200 0120 310
21211 　数学模型
2121111 　拟合回归方程 　试验结果见表 2 ,采用 DPS
数据处理系统用二次回归旋转组合试验统计方法对实
验数据进行拟合 ,得到的回归方程如下 :
Y = 14173742 + 3115358 X1 + 1124912 X2 +
4123144 X3 + 0158614 X4 - 1135105 X21 -
0143534 X22 - 1163919 X23 - 1103815 X24 +
0110563 X1 X2 + 0109063 X1 X3 + 0114938 X1 X4 +
0114938 X2 X3 + 0109063 X2 X4 + 0110563 X3 X4
(1)
2121112 　二次回归模型的显著性检验 　为检验回归
方程的有效性 ,需对回归方程进行 F 检验 ,结果见表
3。由 F0105 (2 , 6) = 5114 < F1 = 101150 < F0101 (2 , 6) =
10192 ,说明失拟项在α= 0105 水平上显著 ,但在α=
0101 水平不显著 ,这表明存在着失拟因子 ,根据作用
条件分析 ,这种失拟可能来自因子间的高阶互作。由
F2 = 121901 > F0101 (14 , 8) = 5156 ,回归方程在α=
0101 水平上极显著 ,表明该模型能较好地描述变量与
产量间的关系。
2121113 　重建二次回归模型　根据表 3 结果 ,剔除α
= 0110 不显著项后 ,简化后的回归方程为 :
Y = 14173742 + 3115358 X1 + 1124912 X2 + 4123144 X3 -
1135105 X21 - 1163919 X23 - 1103815 X24 (2)
2121114 　麦麸AEAX得率与 4 因素相关性 　AEAX 的
得率与作用温度、作用时间、NaOH 浓度以及 H2O2 浓
度的相关系数 R2 = 回归平方和Π总平方和得 95176 % ,
表明该数学模型 4 个因素对产量的影响占 95176 % ,而
其他因素的影响和误差占 4124 %。
表 2 　二次回归旋转组合设计及试验结果
Table 2 　The quadratic rotary combination design and
experimentation results
处理
treat
ment
试验组合 Experimental scheme
X1 X2 X3 X4
AEAX得率
yields of AEAX
( %)
1 1 1 1 1 19148
2 1 1 - 1 - 1 11133
3 1 - 1 1 - 1 15173
4 1 - 1 - 1 1 8180
5 - 1 1 1 - 1 12112
6 - 1 1 - 1 1 4172
7 - 1 - 1 1 1 9124
8 - 1 - 1 - 1 - 1 3101
9 - 11682 0 0 0 5152
10 11682 0 0 0 15152
11 0 - 11682 0 0 11127
12 0 11682 0 0 14195
13 0 0 - 11682 0 1106
14 0 0 11682 0 18135
15 0 0 0 - 11682 9104
16 0 0 0 11682 13177
17 0 0 0 0 15130
18 0 0 0 0 16100
19 0 0 0 0 15135
20 0 0 0 0 15113
21 0 0 0 0 14131
22 0 0 0 0 14185
23 0 0 0 0 13115
21212 　效应分析
2121211 　主要因素效应分析 　用“降维法”[10 ] 将任意
3 个因素固定在零水平 ,得到另一个因素与产量的效
应方程为 :
Y1 = 14173742 + 3115358 X1 - 1135105 X21
Y2 = 14173742 + 1124912 X2 - 0143534 X22
Y3 = 14173742 + 4123144 X3 - 1163919 X23
Y4 = 14173742 + 0158614 X4 - 1103815 X24
　　根据回归系数 (绝对值)可知 4 个因子对得率的影
响顺序为 :NaOH(X3 ) ≥作用温度 (X1 ) ≥作用时间 (X2 )
≥H2O2 ( X4 ) 。由主效应方程可作出各因子与得率的
关系图 (图 8) ,由图 8 可知 ,在 - 11682 ≤Xi ≤11682 的
范围内 ,作用温度、作用时间、NaOH 浓度和 H2O2 浓度
与得率间均呈开口向下的抛物线关系 ,表明这 4 个因
素间均存在一个合理范围 ,超过此范围得率会下降。
作用温度和 NaOH 浓度在低水平和 1 水平间时 AEAX
得率上升 ,但超过 1 水平后 ,得率趋于稳定并逐步下
降。H2O2 浓度在 015 水平以下 AEAX 得率增加 ,超过
015 水平后 ,得率开始下降。作用时间的延长 ,则有利
于 AEAX得率的提高。
36　1 期 小麦麸皮阿拉伯木聚糖碱提工艺条件优化研究
表 3 　试验结果方差分析表
Table 3 　Experimentation results and variance analysis
变异来源
source of
variation
平方和
sum of
squares
自由度
degree of
freedom
均方
mean
比值 F
value of F
显著水平 p
significant
level
X1 1351818 1 1351818 491260 0100011 3 3
X2 211309 1 211309 71729 0102392 3
X3 2441528 1 2441528 881689 0100001 3 3
X4 41692 1 41692 11702 0122833
X21 281096 1 281096 101190 0101276 3
X22 21641 1 21641 01958 0135637
X23 411694 1 411694 151122 0100462 3 3
X24 161359 1 161359 51933 0104083 3
X1X2 01179 1 01179 01065 0180557
X1X3 01131 1 01131 01048 0183265
X1X4 01357 1 01357 01129 0172828
X2X3 01357 1 01357 01129 0172828
X2X4 01131 1 01131 01048 0183265
X3X4 01179 1 01179 01065 0180557
回归 Regression 4971979 14 351570 F2 = 121901
剩余 Excess 221057 8 21757
失拟 Lack of fit 171025 2 81513 F1 = 101150
误差 Error 51032 6 01839
总和 Sum 5201036 22
注 : 3 表示在 0105 水平显著 ,33表示在 0101 水平显著。
Note : 3 indicates significant difference at 5 %leve1 , 33means significant at 1 %
level .
图 8 　试验因子的主效应分析
Fig. 8 　The main effects of experimental factors
2121212 　交互效应分析　通过对回归方程 (1) 的分析
可知 ,作用的温度、时间及 NaOH浓度和 H2O2 浓度这 4
个因素相互之间均有协同作用。
21213 　最佳碱提方案
采用 DPS 数据处理系统对实验数据进行分析 ,求
得麦麸 AEAX 的最佳提取方案为 :温度在 11000 水平
(88 ℃) ,时间在 11682 水平 ( 200min) , NaOH 浓度在
11000 水平 (0116molΠL) , H2O2 浓度在 0 水平 (115 %) 。
此提取方案得出 AEAX 的得率为 21123 %。在此提取
条件下 ,通过验证试验得出 AEAX 的得率为 21174 % ,
实际值Π模型最佳值 = 1102 ,说明此最佳模型是可靠
的。为了节约成本 ,综合考虑 ,本试验得出人工最优碱
提方案为 :温度、时间、NaOH 浓度、H2O2 浓度分别为
88 ℃、120min、0116molΠL、115 % ,得率为 20189 % ,远远
高于郑学玲[12 ]报道的得率 ,原因可能是本试验采用的
原料是经过挤压处理的酸水洗麦麸 ,挤压处理可以使
一些 AX的糖链断裂 ,增加其溶出率 ,另外还可以使麦
麸中 AX 与木质素等的结合变得更加疏松 ,从而有利
于 AX的溶出。
二次回归旋转组合设计试验中 H2O2 的最佳浓度
在 0 水平 (115 %) ,与单因素试验中 H2O2 浓度的最佳
范围在 015 %～110 %之间差异显著 ,可能是因子间的
高阶互作造成的。
3 　结论
311 　通过单因素水平试验 ,本研究确定了碱提工艺中
各单因素的最适范围 :料液比为 1∶20 ,振荡速度为
140rΠmin ,作用温度为 80 ℃～90 ℃,作用时间为 120min ,
NaOH浓度为 0110molΠL 以及 H2O2 浓度为 015 %。
312 　在单因素试验的基础上 ,本研究运用回归设计的
理论与方法 ,通过 DPS 数据处理系统确定了最佳碱提
工艺 :作用温度为 88 ℃,作用时间为 200min ,NaOH 浓
度为 0116molΠL , H2O2 浓度为 115 % ,此时麦麸 AEAX
的得率可达到 21123 %。考虑到成本和工作效率 ,确
定人工最佳碱提工艺为 :作用温度、作用时间、NaOH
浓度和 H2O2 浓度分别为 88 ℃、120min、0116molΠL、
115 % ,得率为 20189 %。
参考文献 :
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(下转第 104 页)
46 Journal of Nuclear Agricultural Sciences
2008 ,22 (1) :60～64
松褐天牛生理特征和生活习性产生影响的因素。此外
松褐天牛是一种具有多交配且终生交配习性的昆虫 ,
在利用辐射不育防治时 ,还应充分考虑到这一特点。
本试验证明 ,与不育雄虫交尾后 ,非辐照雌虫虽然仍然
会继续与其他非辐照雄虫交尾 ,但其生殖力已经显著
下降 ,可以起到控制总体水平的效果 ,从而为防治降低
了成本 ,并进一步论证了通过多年连续释放不育雄虫
来治理松褐天牛这一防治方法的正确性。
本研究中经 40Gy 辐照处理的松褐天牛雄虫 ,与之
交尾的不论是人工饲养还是自然羽化的雌虫 ,其产卵
量都有明显的降低。所产的卵基本上无法正常孵化 ,
具有显著的不育效果。不论人工饲养或自然羽化的松
褐天牛雌虫与辐照雄虫交尾后 ,再与正常雄虫交尾其
产卵量略有提高 ,却显著低于对照的产卵量 ,而在卵的
孵化率方面 ,有非常明显的提高。以上结果说明雄虫
经辐照后能够对与之交尾的雌虫的产卵量产生一定影
响。牟建军通过对不育松褐天牛成虫生理指标的测
定 ,发现处理雄虫的精子易粘结成块 ,而健康雄虫精子
较分散[6 ] 。使雌虫与辐照雄虫交尾再与未辐照雄虫交
尾后产卵量虽然略有上升 ,但却远远低于与未辐照雄
虫交尾的雌虫产卵量。尽管卵的孵化率仍有很大的回
升 ,甚至接近于对照 ,但考虑到在更换雄虫后 ,雌虫的
产卵量已有很大程度的下降这一因素 ,连续多年大量
释放辐照雄虫仍然是一个非常好的防治松褐天牛的方
法。但本次试验中 ,由于受场地所限 ,成虫在辐照时仍
然装在饲养幼虫的容器中 ,为了保湿 ,容器中盛有一定
的半人工饲料 ,因此 ,难免会有饲料将虫体暂时掩埋而
造成虫体受辐照的剂量不均匀 ,从而对结果产生一定
的影响。本研究中经 40Gy 处理后 ,仍然有少量的幼虫
孵化 ,可能与虫体受辐照不均匀有关。
成虫辐照后即刻放入养虫笼进行配比 ,辐照雄虫
与未辐照雌虫的产卵量及孵化率与对照相比 ,差异没
有预计的显著 ,可能是因为辐照对雄虫生殖器官的影
响还未全部表现出来。因此 ,在今后的试验中 ,可以先
将辐照虫单独饲养几天 ,再进行配比试验。
在更换雄虫的试验中 ,设计方案是辐照雄虫、非辐
照雄虫先后与雌虫交尾 ,如果交换这一顺序 ,使雌虫先
与非辐照雄虫交尾再与辐照雄虫交尾 ,结果可能会有
所变化 ,这有待进一步的研究。
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