论文初稿[2][2].doc

稻壳中提取木聚糖的工艺研究稻壳中提取木聚糖的工艺研究刘芬化学化工学院 04级应化101班摘要 以常德石门稻壳为原料，采用制备纤维素再碱提取的方法，分析了不同碱溶液浓度、温度、固液比和时间对稻壳半纤维素中木聚糖得率的影响，再通过正交实验来确定提取木聚糖工艺的最佳条件。实验结果表明，稻壳中多戊糖含量为19.1，证实稻壳是较好的木聚糖资源。碱提取稻壳中木聚糖的方法为：预处理：80水浸泡3h；碱提取条件：碱质量分数11，固液比(g：mL)1：10，提取时间3h，提取温度75。木聚糖提取率达原料中木聚糖总量的62.10以上。关键词 稻壳；木聚糖；提取Study on the extraction reaction of xylan from rice hullLiu FenChemistry Department , Class 04101Abstract In this paper, multi-pentose was extracted with base from cellulose prepared firstly, taking rice hull from ShiMen, ChangDe as raw material. Factors affecting the yield of xylan including reaction temperature, reaction time, solid-to-liquid ratio and base concentration were investigated. The optimal reaction conditions have been determined by Orthogonal experiment. The result showed the amount of multi-pentose in rice hull was up to 19.1, indicating that the rice hull was a good resource of xylan. The method extracting xylan with base from rice hull is as follows: pretreatment: rice hull soaked in water at 75 for 3 hours; Condition for Extraction with alkali: mass fraction was 11,solid-to-liquid ratio was 1:10, reaction time was 3h, reaction temperature was 75, extraction yield reached to 62.10 of the total amount of xylan in material or even more.Key words rice hull xylan extraction1 引言木聚糖是由D木糖主链（以1,4键相连）和L阿拉伯糖分枝（1,2和1,3相连）所组成的聚合物，由于它是由阿拉伯糖和木糖两种单糖聚合而成，因此也称阿拉伯木聚糖或戊聚糖。木聚糖是自然界中的一种丰富的可再生资源，是最具代表性的半纤维素，占半纤维素的1/31/2，是除纤维素外，自然界中最丰富的多糖。与纤维素相比，半纤维素更易被微生物降解转化，降解产物木糖在酶的作用下可转变为乙醇1-4。低聚木糖又称木寡糖，是由2-7个木糖分子以（1-4）糖苷键结合而成的功能性聚合糖5。经过国内外众多科研工作者数年研究试验证明，木寡糖与通常人们所用的寡糖类如乳果糖、麦芽低聚糖、低聚果糖、低聚异麦芽糖等相比具有其独特的优点。低聚木糖对双歧杆菌的增殖效果好于其他低聚糖，人体只要每天食用0.7g就能达到理想的效果，而食用低聚果糖需每天lOg。低聚木糖在pH258.0煮沸1 h无明显变化，这一 pH 范围几乎含盖所有的食品体系。低聚木糖不但稳定性好。而且还具有降低水分的作用。总之，与其它低聚糖相比，低聚木糖具有用量小，性质稳定(耐酸、耐热)，降低水分和防止冻结等特点。5其主要功能有：1、减少有毒发酵产物及有害细菌酶的产生；2、双向调节治疗便秘，抑制病原菌和腹泻；3、保护肝脏功能；能增强机体免疫力，抗癌；4、降低血清胆固醇，降低血压；5、低甜度、低热值；抗龋齿；6、具有良好的配伍性，能促使机体生成多种营养物质等2、6。稻壳又名砻糠或大糠，是稻谷加工中的副产物，其含量占整个稻谷籽粒重量的18-22。由于稻壳坚韧粗糙、木质化程度高、营养价值低，难以利用，加之我国稻壳生成量很大，约占全球稻壳生产量的1/3以上，其对环境构成极大的威胁7-8。稻壳是大米加工中的副产品，产量很大，但目前利用价值较低。我国是世界上主要的水稻生产国，每年稻壳产量约5400万吨。不仅无法利用其造纸、饲料，而且不易降解，容易造成环境污染。一般用作燃料、建筑材料、热解及制备含硅化合物，经济效益不高9-10。但稻壳中含有较为丰富的低聚木糖，如果能加以利用，则不失为一种合理的解决途径。目前国内外对此已引起足够重视，尤其以玉米芯中提取木聚糖的工艺已经初步产业化，但从稻壳中提取的方法尚在探索之中，由此看来从稻壳中提取木聚糖具有现实的意义。2 实验部分2.1试剂与仪器2.1.1主要实验仪器仪器名称 型号 生产厂家分光光度计 722S 上海市实验仪器总厂精密电子天平BS 210S 北京塞多利斯天平有限公司磁力搅拌电热器 KDM 菏绎东城科源仪器设备厂恒温水浴锅 HH-S 郑州长城科工贸有限公司2.1.2主要实验试剂试剂或原料 规格 生产厂家稻壳 常德石门3，5二硝基水杨酸 化学纯 国药集团化学试剂有限公司酒石酸钾钠 化学纯 中国上海试剂一厂苯酚 分析纯 天津市博迪化工有限公司盐酸 分析纯 株洲湘氮九州化学试剂有限公司无水亚硫酸钠 分析纯 湖南化学试剂总厂氢氧化钠 分析纯 长沙湘科精细化工厂冰醋酸 分析纯 上海试一化学试剂有限公司苯胺 分析纯 上海试剂三厂氯化钠 分析纯 湘中化学试剂开发中心酚酞 长沙湘科精细化工厂无水乙醇 分析纯 长沙安泰精细化工研究所 硫酸 分析纯 天津市博迪化工有限公司D-木糖 中国渔环红星生化制品厂糠醛 分析纯 广州化学试剂厂2.1.3主要试剂的配制（1）12%盐酸溶液量取307mL(d=1.19)分析纯浓盐酸溶于500mL的蒸馏水中，加水稀释到1000mL。（2）苯胺醋酸溶液移取新蒸馏的苯胺10.0mL于小烧杯中，加入少量分析纯冰醋酸溶解后，转移到100mL的容量瓶中，用冰醋酸定容，摇匀备用。（3）木糖标准溶液的配制配制lmgmL的木糖溶液：准确称取木糖1g溶于100mL蒸馏水中，转移至1000mL的容量瓶中定容。（4）配制DNS试剂将3.15gDNS和262mL2mol/LNaOH溶液，加到500mL含有185g酒石酸钾钠的热水溶液中，再加2.5g结晶酚和2.5g亚硫酸钠。冷却后加蒸馏水定容至l000mL，保存备用。（5）8%的硫酸溶液的配制 准确量取10.4mL的浓硫酸缓慢注入盛有水的100mL的烧杯中，冷却后转移至250mL的容量瓶中定容。（6）糠醛标准溶液的配制 把分析纯的糠醛置于蒸馏装置中在170C下蒸馏，收集162C的馏分,装入干燥的小滴瓶中，用减量法准确称取0.5g(准至0.0001g)的糠醛，滴入1000mL的容量瓶中，用蒸馏水溶解后稀释到刻度，摇匀并从中移取10.00mL移入100mL的容量瓶中，用蒸馏水稀释到刻度,摇匀备用。(该试验称取0.5117g的糠醛,所得标液的浓度C=0.05117mg/mL)。2.2实验原理2.2.1分光光度法测定稻壳中多戊糖的原理11植物原料用盐酸水解后，得到多戊糖，蒸馏并收集馏出液即为糠醛待测液。分光光度法测定糠醛的原理是在醋酸性条件下：C4H4O-CHO(糠醛)+2C6H5-NH2(苯胺)C6H5-NH-CH=CH-CH=C(OH)-CH=C6H5（红色）2.2.2 从稻壳中提取木聚糖的原理12a酸降解法制备木糖，酸降解法制备木糖已用于生产，其产物是木糖，不适宜于制备低聚木糖；b蒸煮法提取木聚糖，利用木聚糖自身含有的乙酰基在高温下形成乙酸，体系的pH值降低，使木聚糖在较高温度下一1，4糖苷键断裂而发生水解作用，木聚糖分子质量降低，溶解度增大。蒸煮法提取木聚糖与酸水解法相比条件比较温和，水解程度较低，有利于制备低聚木糖；c碱法提取木聚糖，木聚糖是碱溶性物质，碱提取是一种简单而有效的方法，多用氢氧化钠溶液。2.2.3 DNS法测定总糖含量的原理13-15还原糖的测定是糖定量测定的基本方法。还原糖是指含有自由醛基和酮基的糖类。单糖都是还原糖。利用单糖、双糖与多糖的溶解度的不同可把他们分开。用酸水解法使没有还原性的双糖，彻底水解成具有还原性的单糖，再进行测定，就可以求出样品中的还原糖的含量。 在碱性溶液中，还原糖变为烯二醇（1,2烯二醇）。烯二醇易被各种氧化剂如铁氰化物、3,5二硝基水杨酸和Cu2O氧化为糖酸。氰化物和二硝基水杨酸盐的还原作用是还原糖定量测定的基础。在NaOH和丙三醇存在下，3,5二硝基水杨酸（DNS）与还原糖共热后被还原生成氨基化合物。在过量的NaOH碱性溶液中此化合物呈桔红色，在540nm波长处有最大吸收，在一定的浓度范围内，还原糖的量与光吸收值呈线性关系，利用比色法可测定样品中的含糖量。还原糖和碱性二硝基水杨酸试剂一起共热，产生一种棕红色的氨基化合物，在一定的浓度范围内，棕红色物质颜色的深浅程度与还原糖的量成正比。因此，我们可以测定样品中还原糖以及总糖的量。 黄色 桔红色2.3稻壳中多戊糖含量的测定（1）精确称取一定量粉碎的试样于洁净平滑纸上，再将其移入容量为250mL圆底烧瓶中。加入5gNaCL，再加入50mL 12%盐酸溶液。装上冷凝器及滴液漏斗，漏斗中盛有一定量12%盐酸。调节烧瓶下万能电炉的温度，使烧瓶内容物沸腾并控制蒸馏速度为每5min馏出液从刻度滴液漏斗滴入15mL12%盐酸于烧瓶中。至总共蒸馏出150mL馏出液后，用醋酸苯胺检验是否蒸馏完全。为此用一试管从冷凝器下端集取1mL馏出液，加12滴1%的酚酞酒精溶液，用1mol/L NaOH中和至恰现微红色，然后加入1mL新配制的醋酸苯胺溶液。放置1min后，如现红色，则证实多戊糖尚未蒸馏完毕,还必须继续蒸馏；如不现红色，则表示蒸馏完毕。（2）将馏出液移入500mL的容量瓶中，用蒸馏水清洗量筒2次，并将全部洗液倾入容量瓶中，然后加蒸馏水至刻度，塞紧摇匀。（3）试样瓶的配制：吸取蒸馏中所得的多戊糖溶液10.00mL，置于100mL的容量瓶中，用4050mL蒸馏水溶解，滴入1滴1%的酚酞指示剂，用1mol/L NaOH中和至恰现微红色，再稀释到刻度。（4）制备糠醛的标准曲线：准确吸取0、0.5、1.0、1.5、2.0、2.5糠醛标液分别于25mL容量瓶中，加0.25gNaCL和6.00mL苯胺醋酸溶液，摇匀，置于恒温在20C的水浴锅避光保温10min后，用蒸馏水稀释到刻度，在30min内于波长为520nm下用分光光度计以零号管作参比，用1cm的比色皿测定各管的吸光度值(见表1)，绘制标准曲线(见图1)。（5）稻壳中多戊糖含量的测定：在试样管中吸取5.0ml的制备液于25ml的容量瓶中，加0.25gNaCL和6.00ml苯胺醋酸溶液，摇匀，置于恒温在20的水浴锅避光保温10min后，用蒸馏水稀释到刻度，在30min内于波长为520nm下用分光光度计以零号管作参比，用1cm的比色皿测定各管的吸光度值。计算出稻壳中多戊糖含量的测定。2.4稻壳中提取木聚糖的工艺流程稻壳粉碎预处理浸提抽滤滤液浓缩粗制品重结晶产品2.5稻壳的预处理把稻壳粉碎，至于80水中浸泡3h，冷却后进行减压抽滤，用水进行反复冲洗后过滤干燥后制备综纤维素再提取。2.6稻壳中木聚糖的提取准确称取制备的综纤维素在温度为60100，固液比为1：61：14（w/v），提取时间为1h5h，NaOH的浓度5%20%来进行单因素实验确定对木聚糖的提取率的影响。再进行正交实验来确定最佳的工艺条件。 2.7提取液中多戊糖中总糖含量的测定提取的多戊糖用3，5一二硝基水杨酸(DNS)法测定总糖含量14。 （1）绘制标准曲线将lmgmL标准糖液，吸取0、0.2、0.4、0.6、0.8、1.0、1.2、1.4和1.6mL标准糖液分别于25mL容量瓶中，加1mL蒸馏水和2mLDNS试剂，于沸水浴中保温5min显色，迅速冷却，加入蒸馏水定容，测定糖液520nm处的吸光值（见表2）。绘制标准曲线（见图3）。 （2）多戊糖中总糖含量的测定在一定体积的木聚糖液中，加入同体积的8的H2SO4溶液，在121oC保温lh。然后以20的NaOH溶液中和至pH值7.0左右，用水定容至糖质量浓度在464mgL，用DNS法测定中和液的还原糖质量浓度c(gL)，移取一定量(1.0或2.0mL)降解的木聚糖液加入到25mL容量瓶中，再加入2.0mLDNS试剂，沸水浴中煮沸5min，冷却至室温，加蒸馏水定容，用分光光度计在520nm处测定吸光值，在回归标准方程中计算出还原糖的浓度。则被测样品的总还原糖质量浓度(c)为：CT=C稀释倍数0.9；3 结果与讨论3.1稻壳中多戊糖含量的测定表1 糠醛标准曲线的制作和多戊糖含量的测定标准管编号 0 1 2 3 4 5 6 样管加糠醛标液量(ml) 0 0.50 1.00 1.50 2.00 2.50 3.00 1.0加NaCl(g) 0.25 0.25 0.25 0.25 0.25 0.25 0.25 0.25苯胺醋酸溶液(mL) 6.00 6.00 6.00 6.00 6.00 6.00 6.00 6.00测得吸光度值(A=) 0 0.229 0.457 0.668 0.890 1.079 1.219 1.097图1 糠醛标准曲线由图1可以得到其直线回归方程为：Y=0.4136X+0.0285 R2=0.9955计算公式：C糠醛标液的浓度(mg/mL)Vx由标准曲线上查出相当于糠醛标液的体积(mL)G试样的重量(mg)。(该试验G=0.4761g稻壳)110/(500100)样液稀释折算倍数1.38非木材类,糠醛换算为多戊糖的理论换算因数计算结果：从标准曲线中查出Vx=2.58mL，代入公式求得该稻壳样品中多戊糖含量为19.1%。3.2木糖标准曲线的绘制表2 绘制木糖标准曲线标准管编号 1 2 3 4 5 6 7 8 9木糖标液量(ml) 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6蒸馏水(ml) 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0DNS试剂(mL) 2.0 2.0 2.0 2.0 2.0 2.0 2.0 2.0 2.0测得吸光度(A) 0 0.076 0.177 0.303 0.426 0.530 0.645 0.738 0.845 图2 木糖标准曲线图其直线回归标准方程为：Y=0.01375X-0.025 R2=0.9981木聚糖的提取率计算公式：木聚糖提取率=提取液中总还原糖质量/原料中多戊糖含量100%3. 3不同提取条件对木聚糖提取率的影响3.3.1碱的质量浓度对提取率的影响准确称取制备的综纤维素5.0g在温度为75，固液比为1：10（w/v），提取时间为3h的情况下改变碱的质量浓度来进行木聚糖的提取。过滤取2.0mL滤液定容至25mL，摇匀。再从中移取2mL的溶液用DNS测定吸光度测定提取液中多戊糖总糖溶出量（见表3），进行比较（见图3）。木聚糖提取率即为溶出总糖量（%）表3 碱质量浓度对木聚糖提取率的影响编号 1 2 3 4 5 NaOH浓度（%） 4 7 10 13 16测得吸光度值 0.348 0.501 0.547 0.557 0.560提取率（%） 39.94 56.33 61.26 62.32 62.64图3 碱的质量浓度对木聚糖提取率影响从图3可以看出，木聚糖提取率随着碱的质量分数的增加而增加，在碱的浓度为4%10%的时候木聚糖的提取率随着碱质量浓度的增加幅度很大，但碱的质量分数10%时，木聚糖提取率的增加并不大。考虑到以后除碱方便，选用质量分数为10%的碱提取木聚糖。3.3.2固液比对提取率的影响制备的综纤维素在温度为75，碱的浓度10%，提取时间为3h的情况下改变固液比为1.：61：12（w/v）来进行木聚糖的提取。过滤用移液管吸取2mL的滤液于25mL的容量瓶中，用蒸馏水定容，摇匀。再从中移取2mL的溶液用DNS测定吸光度，得提取液中还原糖含量和总糖溶出量（见表4），进行比较（见图4）。表4 固液比对木聚糖提取率的影响编号 1 2 3 4 5 固液比 1:6 1:8 1:10 1:12 1:14 测得吸光度值 0.519 0.522 0.546 0.539 0.535提取率（%） 58.26 58.57 61.15 60.40 59.97(W/V)图4 固液比对木聚糖提取率的影响从图4中可以看出，固液比1：10（w/v）时，木聚糖提取率最高，因为在固液比为1：6、1：8（w/v）时，碱液刚刚浸透样品，木聚糖的提取率偏低，木聚糖的提取不完全。因此选择固液比为1：10（w/v）作为木聚糖提取条件。3.3.3提取温度对提取率的影响制备的综纤维素在固液比为1：10（w/v），碱的浓度10%，提取时间为3h的情况下改变温度为60100来进行木聚糖的提取。过滤用移液管吸取2mL的滤液于25mL的容量瓶中，用蒸馏水定容，摇匀。再从中移取2mL的溶液用DNS测定吸光度，得提取液中总糖溶出量（见表5），进行比较（见图5）。表5 提取温度对木聚糖提取率的影响编号 1 2 3 4 5 温度（） 60 70 80 90 100 测得吸光度值 0.539 0.543 0.548 0.550 0.552 提取率（%） 60.40 60.83 61.36 61.58 61.79图5 提取温度对木聚糖提取率的影响从图5中可以看出，木聚糖提取率随温度的增加虽然略有增加，但是增加的幅度并不是很大。从节约能源角度考虑，经浸泡3h后，提取木聚糖的温度在6090比较适合，因此选择75。3.3.4提取时间对提取率的影响制备的总纤维素在固液比为1：10（w/v），碱的浓度10%，温度为75的情况下改变提取时间为26h来进行木聚糖的提取。过滤用移液管吸取2mL的滤液于25mL的容量瓶中，用蒸馏水定容，摇匀。再从中移取2mL的滤液，用DNS测定吸光度，得提取液中总糖溶出量（见表6），进行比较（见图6）。表6 提取时间对木聚糖提取率的影响编号 1 2 3 4 5 提取时间（h） 2 3 4 5 6 测得吸光度值 0.496 0.547 0.550 0.553 0.556提取率（%） 55.79 61.26 61.58 61.90 62.22图6 提取时间对木聚糖提取率的影响 从图6可以看出，木聚糖提取率随着提取时间的增加而不断增加，提取时间为1h3h木聚糖的提取率随时间增加的幅度比较大，而当时间达到3h后，增加的幅度就很小。从缩短生产周期考虑取提取时间为3h。 3.3.5不同条件下的正交实验对提取率的影响根据上面的实验结果可以看出温度对木聚糖的提取率影响很小，取温度为75，做三因素三水平正交实验，正交实验设计方案见表7，正交实验结果与分析见表8。表7 正交实验设计方案因素水平 A：碱的浓度% B：固液比 C：提取时间h 1 9 1：9 22 10 1：10 33 11 1：11 4表8 正交实验结果编号 A B C 吸光度 提取率%1 1 1 1 0.458 51.732 1 2 2 0.529 59.33 3 1 3 3 0.520 58.37 4 2 1 3 0.537 60.07 5 2 2 1 0.550 61.586 2 3 2 0.546 61.157 3 1 2 0.543 60.838 3 2 3 0.554 62.109 3 3 1 0.549 61.47K1 56.47 57.54 58.26 K2 60.93 61.00 60.58K3 61.47 60.33 60.18R 5.00 2.79 2.32由表8可以看出，以稻壳为原料用碱提取木聚糖中碱的质量浓度对提取率的影响最大，极差R为5.00，固液比和提取时间对木聚糖提取率的影响较小。通过正交实验的到提取木聚糖的最佳提取的工艺条件为A3B2C2，即在提取温度为75下进行提取时，碱的质量浓度为11%、固液比为1：10（w/v）、提取时间为3h。4结论本实验原料稻壳中多戊糖含量为19.1%，是较好的木聚糖资源。本实验从碱的质量浓度、固液比、提取温度、提取时间的方面对提取木聚糖的影响因素进行研究，再通过正交实验，结合能源和提取周期方面考虑，得出了碱法提取稻壳中木聚糖的工艺的最佳条件为：碱的质量浓度为11%、固液比为1：10（w/v）、温度为75，提取时间为3h，可取得最佳提取效果。但是本实验还存在一些不足的地方，如对稻壳本身的一些性质没有进行详细的研究