玉米芯氧化裂解工藝優化

楊志強，劉香英，田志剛，孫洪蕊，曾憲鵬，孟悅*

吉林省農業科學院（長春 130124）

我國是玉米生產大國，年產玉米2.1億 t，位居世界第二位。玉米芯作為玉米生產的副產品，資源相當豐富。玉米芯中纖維素占32%～36%，半纖維素占35%～40%，木質素占25%左右，其中半纖維素主要由戊聚糖組成，是生產木糖和L-阿拉伯糖的主要原料[1-2]。L-阿拉伯糖是一種稀有的功能性糖類，屬于五碳醛糖，它是一種沒有熱量的甜味劑，可以選擇性對腸道內蔗糖酶的活性起非競爭性抑制作用，對蔗糖的代謝轉化具有阻斷作用，可以抑制因攝入蔗糖而導致的血糖升高，可以阻止肥胖、預防并治療與高血糖相關的疾病[3]。木糖也是一種無熱量甜味劑，可以用于生產無糖食品，木糖對人體腸道內的雙歧桿菌有較高的增殖作用，食用木糖能改善人體的微生物環境，提高機體的免疫能力[4]。

目前，國內L-阿拉伯糖和木糖的生產均采用硫酸、草酸等稀酸水解玉米皮、玉米芯，在制備木糖的同時，從木糖母液中提取L-阿拉伯糖[5-7]。因此酸堿污染問題一直困擾著這個產業的發展，也限制了其產能的釋放，不能實現大規模生產，導致產品價格居高不下，L-阿拉伯糖市場價格近20萬元/t，限制了其應用范圍，因此十分必要研究一種綠色、高效生產木糖和L-阿拉伯糖的新工藝，為我國新資源食品的開發利用開創新的局面。

此次試驗不用酸堿，直接采用氧氣氧化裂解玉米芯，同樣可以將玉米芯分解為木糖、L-阿拉伯糖和低聚糖類，這樣避免了酸堿對環境的污染。另外，采用復合酶進一步酶解戊聚糖和低聚糖類，能徹底將玉米芯分解為單糖，最后再經過結晶分離出木糖和L-阿拉伯糖。此次試驗實現了以玉米芯為原料簡單高效、綠色環保生產木糖和L-阿拉伯糖。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

玉米芯粉（過60目篩，水分質量分數為4.91%，公主嶺市雙正玉米芯開發有限公司）；高純氧氣（純度99.999%，長春巨洋氣體有限責任公司）；地衣酚（優級純，研峰科技有限公司）；D-木糖、L-阿拉伯糖、葡萄糖、木二糖、木三糖、木四糖、木五糖、木六糖標準品（色譜純，上海吉至生化科技有限公司）；氫氧化鈉、鹽酸、無水乙醇（分析純，國藥集團化學試劑有限公司）。

1.2 儀器與設備

HXGSH2型高壓反應釜（威海匯鑫化工機械有限公司）；ME204E型電子分析天平（德國梅特勒-托利多儀器有限公司）；PHS-3C型精密pH計（上海雷磁儀器有限公司）；WAY-3S型數字阿貝折射儀（上海儀電科學儀器股份有限公司）；HH-ZKYY-5L型恒溫水浴鍋（上海科升儀器有限公司）；JY 10002型電子秤（良平儀器有限公司）；1260 Infinity型高效液相色譜儀（美國安捷倫公司）；1260 Infinity型蒸發光散射檢測器（美國安捷倫公司）。Varian Cary 300型紫外可見分光光度計（Australia PTY. LTD）；Sugar ks-802糖分析鈉型陽離子色譜柱（日本昭和電工株式會社）[8]。

1.3 試驗方法

1.3.1 原料玉米芯成分分析（參見表1）

表1 原料玉米芯成分分析

1.3.2 試驗流程

玉米芯粉+水→調漿→加入到高壓反應釜→通氧→加熱→維持→降溫→卸料→取樣檢測

1.3.3 玉米芯氧化裂解單因素試驗設計

氧化裂解的目的是使半纖維素分解為可溶性的戊聚糖、低聚糖和單糖，并且盡可能多地獲得單糖，為進一步酶解做準備。戊聚糖提取率是指從玉米芯中提取出的總戊聚糖質量對玉米芯干重質量的百分數；五碳糖是指木糖和L-阿拉伯糖的總和。

1.3.3.1 氧氣壓力對玉米芯戊聚糖提取率和五碳糖含量的影響

將玉米芯粉和純水配制成5份固液比1︰15 g/mL的料液，每份質量1 500 g，然后取1份加入到高壓反應釜中，通入氧氣，反復排氣3次后，調整氧氣壓力至0.4 MPa，開啟攪拌，攪拌轉速350 r/min，開始快速升溫至160 ℃，在此溫度下反應90 min，通冷卻水降溫至60 ℃，開釜卸料，取樣檢測戊聚糖提取率和五碳糖含量，重復上述操作，分別調整氧氣壓力至0.6，0.8，1.0和1.2 MPa。

1.3.3.2 裂解時間對玉米芯戊聚糖提取率和五碳糖含量的影響

將玉米芯粉和純水配制成固液比1︰15 g/mL的料液，質量1 500 g，然后加入到高壓反應釜中，通入氧氣，反復排氣3次后，調整氧氣壓力至0.8 MPa，開啟攪拌，攪拌轉速350 r/min，開始快速升溫至160 ℃，在此溫度下進行氧化裂解反應，分別在30，60，90，120和150 min時通過放料閥取樣檢測戊聚糖提取率和五碳糖含量。1.3.3.3 固液比對玉米芯戊聚糖提取率和五碳糖含量的影響

將玉米芯粉和純水分別配制成固液比1︰7，1︰10，1︰15和1︰20 g/mL的料液，每份質量1 500 g，然后取1份加入到高壓反應釜中，通入氧氣，反復排氣3次后，調整氧氣壓力至0.8 MPa，開啟攪拌，攪拌轉速350 r/min，開始快速升溫至160 ℃，在此溫度下反應60 min，通冷卻水降溫至60 ℃，開釜卸料，取樣檢測戊聚糖提取率和五碳糖含量，重復上述操作，完成另3份料液試驗。

1.3.3.4 裂解溫度對玉米芯戊聚糖提取率和五碳糖含量的影響

將玉米芯粉和純水配制成4份固液比1︰10 g/mL的料液，每份質量1 500 g，然后取1份加入到高壓反應釜中，通入氧氣，反復排氣3次后，調整氧氣壓力至0.8 MPa，開啟攪拌，攪拌轉速350 r/min，開始快速升溫至140 ℃，在此溫度下反應60 min，通冷卻水降溫至60 ℃，開釜卸料，取樣檢測戊聚糖提取率和五碳糖含量，重復上述操作，分別升溫至160，180和200 ℃。

1.3.4 正交試驗設計優化玉米芯氧化裂解工藝參數

根據單因素試驗結果，設計L9(34)正交試驗方案，考察氧氣壓力、裂解時間、固液比、裂解溫度4個因素對玉米芯氧化裂解效果的影響[9-10]，因素水平表見表2。

表2 L9(34)正交試驗因素水平表

1.3.5 檢測方法

1.3.5.1 戊聚糖提取率測定方法

戊聚糖提取率的測定參照NY/T 2335—2013谷物中戊聚糖含量的測定分光光度法，又叫谷物中戊聚糖含量的地衣酚-鹽酸測定方法[11]。

1) 木糖標準曲線繪制：制備40，80，120，160和200（μg/mL）的木糖標準溶液，以580 nm波長和670 nm波長檢測吸光度，計算吸光度差值ΔA。以木糖濃度為橫坐標，吸光度差值ΔA為縱坐標，繪制標準曲線（圖1），計算得線性回歸方程y=0.111 2x-0.002 6，線性相關系數0.999 3。

2) 戊聚糖提取率按式（1）計算。

式中：X為試樣中戊聚糖提取率，%；c為由D-木糖標準曲線得到的D-木糖含量，μg；0.88為單糖與聚糖的轉換系數；n為稀釋倍數；m為樣品質量，g。

圖1 木糖標準曲線

1.3.5.2 五碳糖含量測定方法

五碳糖含量的測定參照GB/T 23532—2009木糖標準中高效液相色譜法。色譜條件：Shodex的sugar ks-802糖分析鈉型陽離子色譜柱8 mm×300 mm，流動相使用超純水，氮氣為載氣，柱溫箱設定80 ℃，進樣量20 μL，流速0.6 mL/min，將糖液稀釋至一定的質量分數，再經過0.2 μm膜過濾，收集濾液進行高效液相檢測，通過比較標準品與糖液組分峰的保留時間進行定性分析，利用面積歸一法和線性回歸方程定量計算木糖和L-阿拉伯糖含量[12]，兩者之和即為五碳糖含量。

1.3.5.3 玉米芯組織結構掃描電鏡分析

采用掃面電子顯微鏡（SEM），分別對原料玉米芯粉和經過高壓反應釜和氧氣處理后的玉米芯粉進行微觀結構分析，研究不同處理條件下玉米芯表面形態變化。

2 結果與分析

2.1 玉米芯氧化裂解單因素試驗結果與討論

2.1.1 氧氣壓力對玉米芯戊聚糖提取率和五碳糖含量的影響

從圖2可以看出，隨著氧氣壓力的逐漸升高，戊聚糖提取率和五碳糖含量均緩慢升高，但當氧氣壓力升高到0.8 MPa后，隨著氧氣壓力升高，戊聚糖提取率和五碳糖含量變化不明顯。因此可以判斷，氧氣壓力在0.8 MPa左右比較適合，此時的戊聚糖提取率為26.03%，五碳糖含量為29.51%。

2.1.2 裂解時間對玉米芯戊聚糖提取率和五碳糖含量的影響

圖3顯示，隨著氧化裂解時間的逐漸增長，戊聚糖提取率和溶液中五碳糖的含量均不斷升高，但是戊聚糖升勢較緩，五碳糖含量升勢較快[13]，當裂解時間超過60 min后，戊聚糖提取率和五碳糖含量均趨于平緩，數值波動小，因此基本可以判斷，氧氣氧化裂解玉米芯裂解時間在60 min左右比較適宜。

圖2 氧氣壓力對玉米芯戊聚糖提取率和五碳糖含量的影響

圖3 裂解時間對玉米芯戊聚糖提取率和五碳糖含量的影響

2.1.3 固液比對玉米芯戊聚糖提取率和五碳糖含量的影響

從圖4可知，隨著固液比的逐漸減小，戊聚糖提取率和五碳糖含量呈現先增高再降低的趨勢，兩者最大值均是在固液比1︰10 g/mL時出現，高于或低于此固液比時均呈現下降趨勢，因此可以判斷，玉米芯氧化裂解時，固液比為1︰10 g/mL較為合適，此時的戊聚糖提取率和五碳糖含量較高。

圖4 固液比對玉米芯戊聚糖提取率和五碳糖含量的影響

2.1.4 裂解溫度對玉米芯戊聚糖提取率和五碳糖含量的影響

如圖5所示，玉米芯氧化裂解溫度在較高和較低時，戊聚糖提取率和裂解液五碳糖的含量均較低，影響非常明顯，溫度過低或過高，基本檢測不到戊聚糖和五碳糖，同時戊聚糖提取率和裂解液中五碳糖含量隨著溫度的升高呈現先高后低的變化趨勢，波動較大[14]，說明溫度對玉米芯粉的氧化裂解影響較大。當裂解溫度在180 ℃時，戊聚糖提取率和五碳糖含量同時達到最大值，因此，氧化裂解溫度選擇180 ℃較為適宜。

圖5 裂解溫度對玉米芯戊聚糖提取率和五碳糖含量的影響

2.2 玉米芯粉氧化裂解技術參數正交試驗結果與討論

采用L9(34)正交試驗表，重點考察氧氣壓力、裂解時間、固液比、裂解溫度對玉米芯粉氧化裂解的影響，試驗結果及極差分析見表3。

戊聚糖提取率平均值和極差以大寫表示，五碳糖含量平均值和極差以小寫表示。從表3可以看出，RC＞RD＞RB＞RA，rd＞rc＞ra＞rb，可以確定各因素對戊聚糖提取率的影響順序為C＞D＞B＞A，即固液比＞裂解溫度＞裂解時間＞氧氣壓力；各因素對五碳糖含量的影響順序為D＞C＞A＞B，即裂解溫度＞固液比＞pH＞氧氣壓力＞裂解時間。裂解液戊聚糖提取率和五碳糖含量越高越好，越有利于進一步酶解[15]，故最佳組合為A2B1C2D2，即氧氣壓力0.8 MPa、裂解時間60 min、固液比1︰10 g/mL、裂解溫度180 ℃。

表3 正交試驗設計及結果

由表4可知，因素C、D對戊聚糖提取率的影響具有顯著性，因素C、D對五碳糖含量的影響也具有顯著性。表明裂解溫度和固液比對氧化裂解影響顯著[16]，因此上述2個因素可作為氧氣氧化裂解玉米芯時的首要考慮因素。

表4 正交試驗方差分析

2.3 驗證試驗

以優化的玉米芯氧化裂解條件進行驗證試驗，共計進行3次平行試驗，戊聚糖提取率平均值為29.12%，五碳糖含量平均值為59.23%，幾乎是最高的收率，因此正交試驗優化出的工藝條件較為準確。

以此條件制備的裂解液，使用木聚糖酶和L-阿拉伯呋喃糖酶進行酶解[17-19]，制備的糖液經高效液相檢測，五碳糖含量超過90%，進一步驗證了優化的氧化裂解條件是合理的，裂解液高效液相色譜檢測結果見圖6。玉米芯氧化裂解后，溶液中主要是戊聚糖和木糖，其次是L-阿拉伯糖、葡萄糖、木二糖、木三糖、木四糖，沒有檢測到木五糖和木六糖。木糖和L-阿拉伯糖含量即五碳糖含量為59.13%，戊聚糖含量為30.95%。從圖6可以看出氧化裂解比較適合生產單糖。

圖6 玉米芯粉裂解液高效液相檢測色譜圖

2.4 玉米芯組織結構掃描電鏡分析

由圖7可知，經過相同的氧氣壓力、裂解時間、固液比，但不同裂解溫度氧化裂解后的玉米芯組織結構發生了較大的變化，原料玉米芯結構細密，表面平滑完整，而氧化裂解后其結構受到了不同程度的破壞，表面出現不均勻的孔洞結構，甚至出現焦塊，部分顆粒裂解成碎片[20]。圖7（A）是原料玉米芯粉的電鏡掃描圖，其顆粒表面顯示呈薄片裝，比較完整平滑；圖7（B）是經過160 ℃氧化裂解的玉米芯，在薄片結構中可以看到有一些細小的孔洞，表明已有些許結構遭到破壞；圖7（C）是玉米芯經過180 ℃氧化裂解后的玉米芯，在其表面呈現大量明顯的孔洞，表明玉米芯的結構遭到明顯破壞；圖7（D）是在200 ℃條件下氧化裂解的玉米芯，其微觀組織結構已經完全被破壞，并且有明顯的焦化結塊現象。從玉米芯氧化裂解后的組織結構來看，溫度低裂解程度不夠，會影響糖類物質收率；溫度過高，玉米芯會焦化，目標產物糖類也將減少，可見電鏡掃描分析和液相檢測分析結果是一致的。

圖7 玉米芯不同處理條件的電鏡掃描圖

3 結論

試驗以玉米芯粉為原料，通過氧化裂解優化試驗確定了氧化裂解技術對玉米芯的最佳裂解條件：氧氣壓力0.8 MPa，裂解時間60 min，固液比1︰10 g/mL，裂解溫度180 ℃。試驗制備的玉米芯糖液符合酶解的質量要求，并通過此裂解條件進行了后續的研究工作，驗證了不用酸堿采用氧化裂解結合酶法制備木糖和L-阿拉伯糖是可行的，為功能糖生產工藝改進、提質增效提供了一些借鑒。