蒸煮法提取玉米芯中木聚糖的條件研究

湯衛華，魏紀平，張樂（天津現代職業技術學院生物工程學院，天津300350）

蒸煮法提取玉米芯中木聚糖的條件研究

湯衛華，魏紀平，張樂
（天津現代職業技術學院生物工程學院，天津300350）

基于玉米芯中木聚糖與纖維素和木質素之間通過化學鍵緊密結合，為了從玉米芯中提取木聚糖，采用預處理與蒸煮相結合的方法。3種預處理液（H2SO4、NaOH和蒸餾水）中，NaOH預處理效果最好。堿液預處理可以使玉米芯充分溶脹，并去除部分雜質。預處理結束后，對玉米芯進行進一步的蒸煮提取，對蒸煮條件進行正交試驗，確定木聚糖提取的最佳條件為蒸煮時間為40 min、蒸煮溫度為120℃和料液比為1∶10（g/mL）。在此條件下，木聚糖提取率、平均聚合度和色度分別是26.7%、2.8和0.85。

蒸煮法；木聚糖；預處理；平均聚合度

木聚糖是植物細胞中半纖維素的主要成分，也是生產低聚木糖和木糖的主要原料。常用的木聚糖提取原料有玉米芯、麩皮、甘蔗渣、玉米秸稈、花生殼、棉籽殼等。不同來源的農業廢棄物其組成成分是不同的，其中玉米芯中的半纖維素含量較高，同時玉米芯的來源廣泛且價格低廉，是制備木聚糖的理想原料。

玉米芯的組成成分中半纖維素占35%～40%，纖維素占32%～36%，木質素占25%以及少量灰分［1］。纖維素、半纖維素和木質素分子之間存在不同的結合力，其中半纖維素與纖維素之間以氫鍵連接，而半纖維素與木質素以醚鍵連接，形成半纖維素-酯-阿魏酸-醚-木素橋聯。同時木質素和半纖維素相互交聯覆蓋于纖維素表面，形成了致密的保護層［2］。為了能從玉米芯中提取半纖維素木聚糖，必須破壞玉米芯細胞壁的結構，分離出木聚糖。目前破壞細胞壁的方法有堿抽提、高溫蒸煮法和氣爆法等，同時還有研究者探討超聲波［3］和微波［4］處理方法，后兩種方法目前無法實現工業化。目前最常用的是堿抽提、高溫蒸煮法和氣爆法。

堿抽提法具有得率較高、提取純度高的優點，但是堿性物質的用量較大，容易引起設備腐蝕［5］。高溫蒸煮法是在130℃～170℃高溫下處理，其優點是處理量大，得率較高。但是采用過高溫度處理會產生一系列副產物，包括可溶性木質素、大量單糖及單糖裂解物，同時高溫蒸煮法需要特別的設備［6］。本研究采用化學物質抽提法與蒸煮法相結合的方法，集兩種方法的優點，以期制備較高濃度的木聚糖，同時盡量降低產品的副產物。

1　材料與方法

1.1材料與試劑

玉米芯：市售；苯酚、NaOH、H2SO4、3，5-二硝基水楊酸、酒石酸鉀鈉：分析純，天津市化學試劑一廠提供。

1.2儀器與設備

F2102型粉碎機：天津泰斯特儀器有限公司；DZKWD-6恒溫水浴鍋：北京市永光明醫療儀器廠；G154-TR全自動立式高壓滅菌鍋：致微（廈門）儀器有限公司。

1.3方法

1.3.1玉米芯的粉碎

選擇風干的、無發霉的玉米芯用粉碎機粉碎過80目篩，備用。

1.3.2不同預處理液對玉米芯中木聚糖得率和平均聚合度的影響

稱取1.0 g玉米芯3份，分別加入10倍體積預處理液（1.0%H2SO4、1.0%的NaOH和蒸餾水）。在60℃下預處理12 h，調節pH至中性。將該玉米芯液（固液比為1∶10 g/mL）置于高壓蒸汽滅菌鍋內120℃下蒸煮60 min后，抽濾，測定上清液中木聚糖的含量。

1.3.3不同的蒸煮溫度對木聚糖提取率的影響

稱取1.0 g玉米芯4份，經過預處理后，將玉米芯液（固液比1∶10 g/mL）置于高壓蒸汽滅菌鍋內100、110、120、130℃下分別處理60 min后，抽濾，測定上清液中木聚糖的含量。

1.3.4不同的蒸煮時間對木聚糖提取率的影響

稱取1.0 g玉米芯4份，經過預處理后，將玉米芯（固液比1∶10 g/mL）置于高壓蒸汽滅菌鍋內120℃下分別處理30、60、90、120 min后，抽濾，測定上清液中木聚糖的含量。

1.3.5不同的固液比對木聚糖提取率的影響

稱取1.0 g玉米芯4份，將過預處理后，調整玉米芯的固液比為1∶5、1∶10、1∶15、1∶20（g/mL），將該玉米芯液置于高壓蒸汽滅菌鍋內120℃下處理60 min后，抽濾，測定上清液中木聚糖的含量。

1.4測定方法

1.4.1總糖和還原糖的測定［7］

總糖含量測定采用苯酚硫酸法，還原糖含量測定采用DNS法。

1.4.2木聚糖含量和得率

木聚糖含量（g/L）=總糖含量（g/L）×0.88，0.88：校正系數。

木聚糖得率/%=玉米芯木聚糖含量（g/L）×濾液體積（L）/玉米芯質量（g）

1.4.3平均聚合度

平均聚合度（D.P）=總糖濃度/還原糖濃度

1.4.4色度測定方法

將待測木聚糖液調至pH7.0左右，測定濾液稀釋10倍后420 nm處的吸光值［8］。

2　結果與討論

2.1不同預處理液對玉米芯中木聚糖得率和聚合度的影響

選擇3種常用的預處理液（1.0%H2SO4、1.0%NaOH和蒸餾水）處理玉米芯粉末，然后在同一條件下進行蒸煮，蒸煮結束后，測定木聚糖含量，結果如圖1所示。

圖1　不同的預處理液對木聚糖提取率及平均聚合度的影響Fig.1　Effect of different pretreatment liquid on the extraction rate and the average degree of polymerization

從圖1可知，不同的預處理液中，NaOH預處理后木聚糖提取率高于H2SO4，蒸餾水預處理中木聚糖的提取率最低。這是因為堿性物質預處理玉米芯可以打斷木質素與半纖維素之間的化學鍵，同時使位于細胞次生壁的木質素優先從細胞壁內側脫除，有利于木聚糖的提取［9］。稀H2SO4預處理中，除了能脫除玉米芯的半纖維素和少量木質素外，還會造成大分子物質的降解。還可能會造成植物細胞的纖維結構發生改變，其表面形成由木質素降解產物與碳水化合物合成的球狀顆粒-假木素［10］，這些假木素可能會阻礙木聚糖的提取。而蒸餾水的預處理，僅能夠使纖維質材料完全溶脹，能將少量半纖維素溶解，對植物細胞壁的結構改變最小，因此木聚糖的提取率最低。3種預處理液中平均聚合度（D.P）值呈現不同，D.P值定性表示木聚糖主鏈的斷裂程度，D.P值越小表示斷裂程度越大［11］。蒸餾水預處理后D.P值達到3.4，而稀酸液處理后的玉米芯D.P值最低，為2.4。基于木聚糖提取率和D.P值，選擇NaOH為預處理液。

2.2蒸煮溫度對玉米芯木聚糖得率和平均聚合度的影響

圖2　蒸煮溫度對木聚糖提取率、平均聚合度和色度的影響Fig.2　Effect of cooking temperature on the xylan extraction rate，average degree of polymerization and color value

玉米芯經過堿液預處理后，分別考察不同的蒸煮溫度（100、110、120、130℃）對玉米芯木聚糖提取的影響，結果見圖2。由圖2可知，隨著提取溫度的提高，木聚糖提取率和D.P值都提高。這說明溫度越高，木聚糖的主鏈斷裂，越有利于木聚糖的溶出，由于木聚糖沒有進一步降解，因此D.P值也隨著溫度提高而不斷升高。同時溫度越高，更多可溶性木質素的溶出，同時包括成色反應包括焦糖化反應、美拉德反應及木糖等還原糖的酸降解反應［12］，造成溶液的色度越高，這對于后續的純化分離造成困難。因此綜合考慮木聚糖提取率、平均聚合度和色度值，選擇的蒸煮溫度為120℃。

2.3蒸煮時間對木聚糖提取率和平均聚合度的影響玉米芯經堿液預處理后，分別考察不同的蒸煮時間（30、60、90、120 min）對玉米芯木聚糖提取率和平均聚合度的影響，結果見圖3。

圖3　蒸煮時間對木聚糖提取率、平均聚合度和色度的影響Fig.3　Effect of cooking time on the xylan extraction rate，average degree of polymerization and color value

在120℃下，隨著蒸煮時間的提高，木聚糖提取率和色度均提高，這說明蒸煮時間越長，更多的木聚糖從玉米芯中溶出，同時溶液中副反應也增多，造成提取液的色度提高。而平均聚合度隨著蒸煮時間的延長反而下降，這是因為更多的木聚糖分解為木糖。從圖3可以看出，蒸煮時間越長，木聚糖提取率提高，但是當蒸煮時間達到60 min后，再提高蒸煮時間，其木聚糖的提取率增加緩慢，蒸煮60 min和120 min提取率僅相差0.7%。因此選擇的蒸煮時間是60 min。

2.4固液比對木聚糖提取率和平均聚合度的影響

玉米芯經過堿液預處理后，考察固液比1∶5、1∶10、1∶15、1∶20（g/mL）條件下，木聚糖的提取率和平均聚合度，見圖4。

圖4　固液比對木聚糖提取率、平均聚合度和色度的影響Fig.4　Effect of solid to liquid ratio on the xylan extraction rate，average degree of polymerization and color value

從圖4可以得知，隨著固液比的提高，玉米芯中木聚糖的提取率具有先上升后下降的趨勢，當固液比為1∶10（g/mL）時，木聚糖的提取率最高，為26.5%。這表明高壓蒸煮法提取木聚糖有一個最佳的固液比，當固液比太低，會導致木聚糖提取不徹底；而當固液比太高，會造成后續的分離純化及濃縮造成困難。不同的固液比下，木聚糖的D.P值呈現稍有下降的趨勢，但是D.P值差異不大，雖然隨著固液比的提高，木聚糖提取液的色度下降，但主要可能是被稀釋而導致的。綜合考慮木聚糖提取率和平均聚合度最終選擇固液比為1∶10（g/mL）。

2.5正交優化提取條件

在單因素試驗的基礎上進行正交試驗，以木聚糖提取率為考察指標，進一步優化木聚糖提取條件，正交試驗因素水平設計如表1所示，正交結果分析見表2。

表1　 正交試驗因素水平Table 1　Factors and levels in orthogonal experiment

由正交結果分析可以得出蒸煮時間（A）、蒸煮溫度（B）、固液比（C）組合A1B2C2最好，即蒸煮時間為40 min，蒸煮溫度為120℃，固液比為1∶10（g/mL）。

采用以上的最優提取處理玉米芯，測定木聚糖提取率、平均聚合度和色度分別是26.7%、2.8和0.85。與單獨的蒸煮法相比（圖5），木聚糖提取率提高了30.9%。

表2　 正交結果分析Table 2　Orthogonal Results

圖5　兩種提取方式下木聚糖提取率Fig.5　Differences in the extraction rate of the two methods

3　結論

采用預處理與蒸煮法處理玉米芯提取木聚糖，研究發現采用不同的預處理液（1.0%H2SO4、1.0%NaOH和蒸餾水）處理玉米芯時，1.0%NaOH的預處理效果最好。通過正交試驗優化蒸煮條件，蒸煮時間為40 min，蒸煮溫度為120℃，固液比為1∶10（g/mL）。該條件下，木聚糖提取率、平均聚合度和色度分別是26.7%、2.8 和0.85。與單一的蒸煮法相比，木聚糖的提取率提高了30.9%。

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Study on the Extraction Conditions of Xylan from Corncob by Steaming

TANG Wei-hua，WEI Ji-ping，ZHANG Le
（Department of Chemical Biology，Tianjin Modern Vocational Technology College，Tianjin 300350，China）

Xylan，cellulose and lignin in corncob were closely linked by chemical bond.In order to extract xylan from Corncob，the combination of the pretreatment liquids and cooking methods was used.Among three kinds of pretreatment fluids（NaOH，H2SO4and distilled water），the effect of NaOH was the best.Alkaline pretreatment of corncob can make full swelling，and remove some impurities.After the alkaline pretreatment，the corncob were further cooking extraction.Orthogonal experiments were carried out for cooking conditions，The optimum extraction conditions were as follow：cooking time was 40 min，cooking temperature was 120℃and ratio of solid to liquid was 1∶10（g/mL）.Under these conditions，the extraction rate，the average degree of polymerization and color value were 26.7%，2.8 and 0.85，respectively.

cookingmethod；xylan；pretreatment；averagedegreeofpolymerization

10.3969/j.issn.1005-6521.2016.15.020

天津市津南區科技計劃項目（20141201）

湯衛華（1979—），女（漢），副教授，博士，研究方向：生物技術與生物合成。

2015-08-27