淺談玉米芯中木聚糖提取工藝的研究進展

鄭三

(山東省魯南地質(zhì)工程勘察院,山東兗州 272100)

淺談玉米芯中木聚糖提取工藝的研究進展

鄭三

(山東省魯南地質(zhì)工程勘察院,山東兗州 272100)

綜述了玉米芯中木聚糖提取工藝的研究現(xiàn)狀。不同的研究結(jié)果表明,不同條件下玉米芯中木聚糖的提取率各有差異。多數(shù)情況下,傳統(tǒng)的堿法提取和蒸煮法提取等工藝中,木聚糖的提取率在18%-28%之間;采用微波輔助法,木聚糖的提取率可達30%左右。比較微波輔助提取與常規(guī)法提取可以看出,兩者的木聚糖提取率相差不大。但微波輔助能夠大大縮短提取時間,降低提取溫度,使木聚糖提取過程更容易。

玉米芯 木聚糖 堿法 蒸煮法 微波 提取

中國是一個農(nóng)業(yè)大國，玉米是中國三大糧食作物之一。據(jù)統(tǒng)計，中國每年大約可產(chǎn)生0.4億t玉米下腳料—玉米芯。然而，大部分玉米芯被作為燃料焚燒，造成很大浪費，而且嚴重污染環(huán)境[1]。據(jù)報道，玉米芯中半纖維素占35%-40%，其主要成分為木聚糖[2]。木聚糖對人體有諸多益處：如增殖雙歧桿菌、膳食纖維脫毒、消炎、促進有絲分裂等。木聚糖經(jīng)水解后可生產(chǎn)國際市場上急需的低聚木糖、木糖等療效食品[3-6]。作為生產(chǎn)低聚木糖及其他木糖產(chǎn)品的原料，木聚糖的提取與水解是關(guān)鍵步驟。因此，如何能夠在保證產(chǎn)量的前提下降低工藝條件要求，一直是廣大食品、環(huán)境科學(xué)家關(guān)注的問題。當前有關(guān)對玉米芯中木聚糖提取工藝研究進展的報道較少，本文將著重對玉米芯中木聚糖提取工藝的研究現(xiàn)狀進行綜述。

1 木聚糖結(jié)構(gòu)簡介

木糖是一種五碳醛糖，以大分子的木聚糖形式廣泛存在于植物半纖維中。純凈的木糖是一種無色至白色的結(jié)晶或針狀粉末，不易被人體消化吸收，低熱值，不易被腐敗菌發(fā)酵，具有明顯的雙歧桿菌活性，能夠起到調(diào)節(jié)人體生理功能，增加機體免疫力，預(yù)防疾病發(fā)生等作用[7]。木聚糖是木糖的聚合體，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，由β-1，4-糖苷鍵連接β-D-吡喃型木糖單元構(gòu)成主鏈，依來源不同在主鏈或側(cè)鏈上帶有多種不同的取代基，如乙酰基、阿拉伯糖殘基、葡萄糖殘基等。木聚糖可經(jīng)過酶水解等方法制備低聚木糖。低聚木糖又稱木寡糖，是由2-7個D-木糖以β-1，4-木糖苷鍵結(jié)合而構(gòu)成的低聚糖[8，9]。

2 玉米芯中木聚糖的提取工藝

玉米芯中的木聚糖不是以游離的形式存在，而是與木質(zhì)纖維的其他組分如木質(zhì)素、果膠和纖維素等通過共價鍵或其他化學(xué)鍵連接在一起[10]。這些成分的存在及木聚糖本身的側(cè)鏈基團使木聚糖的提取工藝復(fù)雜繁瑣。簡化該操作工藝一直是該領(lǐng)域的研究熱點。根據(jù)操作流程的不同，玉米芯中木聚糖的提取工藝主要有堿法提取、堿法-微波輔助法、蒸煮法等。

測定提取濾液中的還原糖量，乘以木聚糖聚合系數(shù)0.9為木聚糖質(zhì)量。提取率計算公式：

式中，m—木聚糖質(zhì)量(g)；M—原料質(zhì)量(g)

2.1 玉米芯中木聚糖的堿法提取

邵佩蘭[11]等以玉米芯為原料，探討了影響玉米芯木聚糖提取的因素。通過研究不同提取方法、粉碎度、品種、反應(yīng)溫度、反應(yīng)時間、pH值等對木聚糖提取率的影響，得出不同方法提取的木聚糖提取率順序為：堿法＞蒸煮法＞沉淀法。提取過程中玉米品種、粉碎度、溫度、時間、pH值等因素都影響木聚糖提取率，尤以溫度、時間、pH值影響較大。當pH=9.0、80℃、2h的條件下浸提率較高。金顯春[12]等在參考Garcia[13]等的提取方法基礎(chǔ)上，將玉米芯與水按質(zhì)量比1：20，攪拌24h后加體積分數(shù)為1.5%的次氯酸鈉氧化除雜，再加4%NaOH溶液提取5h，用0.2mol/L乙酸中和后加入甲醇醇沉，甲醇及異丙醇醇洗，測得木聚糖得率為18.9%。該工藝操作條件比較溫和，但其提取率較低。李秀婷[14]等研究了堿法提取玉米芯中水不溶性木聚糖的優(yōu)化條件。通過正交試驗得出：40℃預(yù)煮處理，堿質(zhì)量分數(shù)15%，固液比為1：15，100℃下提取4h，此條件下木聚糖提取率為20.86%。張紅利[15]等將玉米先經(jīng)酸處理，用NaOH溶液水解法提取木聚糖，通過單因素實驗考察了浸提時間、固液比、堿濃度、浸提溫度對木聚糖提取率的影響。通過正交實驗對工藝條件進行優(yōu)化，分析得出最佳條件為6%(質(zhì)量分數(shù))NaOH溶液，固液比1：21，浸提溫度91℃，浸提時間94min。在此條件下，玉米芯木聚糖提取率為20.3%。為提高木聚糖得率，姚笛[6]等采用響應(yīng)面法優(yōu)化堿法提取玉米芯中木聚糖的工藝條件。根據(jù)單因素試驗(堿液質(zhì)量濃度、固液比、處理時間、處理溫度)結(jié)果設(shè)計中心組合試驗，采用響應(yīng)面分析法確定最優(yōu)工藝參數(shù)。結(jié)果表明：NaOH溶液的質(zhì)量濃度為25g/100mL、固液比1：25(g/mL)、94℃抽提3h，在上述條件下木聚糖得率為24.39%，并得出響應(yīng)面優(yōu)化法能夠提高玉米芯中木聚糖得率的試驗結(jié)論。為了進一步提高木聚糖提取率，舒國偉[1]等通過單因素及正交實驗對從玉米芯中提取木聚糖的工藝條件進行了優(yōu)化。玉米芯粉碎后篩分得80目顆粒，NaOH溶液濃度為15%，固液比為1：20，在90℃下浸提90 min，離心，將上清液調(diào)至pH=5.0，靜置離心得木聚糖A，再將上清液用3倍體積95%工業(yè)酒精沉淀60 min得木聚糖B。在該條件下木聚糖提取率為28.5%。

溫度是限制玉米芯木聚糖提取率的因素之一。為探尋較低的操作工藝溫度，羅英[16]等以玉米穗軸為材料分離制備木聚糖。經(jīng)過試驗得出了適宜玉米穗軸木聚糖的最佳提取條件為：60℃條件下浸泡1h，冷藏8-10h，乙醇抽提用量為原木聚糖溶液的2-3倍，證實粗木聚糖產(chǎn)量為1.8 g/L，含量為96.8%(戊聚糖含量=C*0.88/(m*1000)*100% 式中，C由標準液差得的木糖濃度；0.88為戊糖與木糖的比例系數(shù)；m為樣品質(zhì)量)。馬慶一[17]等用50g40目玉米芯粉浸泡于500mL10%NaOH溶液中，調(diào)pH=7，不同溫度下浸提4h。結(jié)果表明：隨溫度升高，木聚糖的提取率也逐漸升高，當溫度升至85℃時達最大值，為14.142%。張金永[17]等通過研究NaOH濃度及溫度對玉米芯木聚糖提取率的不同影響發(fā)現(xiàn)，在固液比1：10，NaOH質(zhì)量濃度4%，50℃條件下處理24h，木聚糖的提取率可達91.0%(木聚糖提取率=堿液中木聚糖含量/原料中木聚糖含量*100%)。

不難看出，采用傳統(tǒng)的堿法工藝來提取玉米芯中的木聚糖，單一地改變其他操作單元條件，提取率沒有大的變化。

2.2 微波輔助法提取玉米芯木聚糖

微波技術(shù)是近些年來發(fā)展較快的一項新技術(shù)，具有高效率、無污染的優(yōu)點。王錚敏[19]曾報道了超聲波在植物有效成分提取中的應(yīng)用。之后，將微波應(yīng)用于作物中成分的提取日益受到青睞，很多科技研究者將微波法用于玉米芯中木聚糖的提取工藝。

丁長河[20]等用酸法、堿法、雙氧水法處理玉米芯，比較了經(jīng)微波處理與不經(jīng)微波處理的酶解液的主要成分、提取率和還原糖的含量。結(jié)果表明：不經(jīng)微波處理的玉米芯木聚糖酶酶解結(jié)果中，以雙氧水法處理的樣品木聚糖提取率可達20.6%。楊健[21]等考察了用超聲波法提取玉米芯木聚糖時各因素對提取率的影響。通過正交實驗，分析結(jié)果表明：在時間30min，原料質(zhì)量分數(shù)3.23%，功率280W，溫度60℃的條件下，用質(zhì)量分數(shù)為7%的NaOH溶液提取木聚糖，提取率可達29.34%。若玉米芯經(jīng)水煮后，木聚糖提取率為33.01%。汪懷建[22]等利用超聲波輔助法提取玉米芯木聚糖，通過響應(yīng)面分析得出該工藝操作的最佳條件：以10%NaOH為提取劑，功率266W，時間為52min，提取溫度為71.1℃，液料比為20.39(mL/g)。在此條件下，通過試驗驗證得出，玉米芯木聚糖提取率平均值為29.7722%。為探究得到更高的提取率，縮短提取時間，金顯春[2]利用微波輔助對提取玉米芯中木聚糖條件優(yōu)化進行了研究。通過均勻設(shè)計分析，得出微波輔助法提取玉米芯木聚糖的最佳條件：粒度50目的玉米芯，以質(zhì)量分數(shù)為10%的NaOH溶液為提取溶劑，微波功率為600W，提取時間為15min，液固比為10：1。此條件下，通過試驗分析得出，玉米芯木聚糖提取率(=木糖質(zhì)量/絕干原料中木聚糖質(zhì)量*100%)達86.7%，大大縮短了提取時間，且降低了液固比。

2.3 蒸煮法及其他操作工藝

蒸煮法提取木聚糖是傳統(tǒng)工藝之一，其原理是利用木聚糖自身含有的乙?；诟邷氐淖饔孟旅撀涑梢宜幔贵w系pH值降低，從而使木聚糖在較高溫度下β-1，4-糖苷鍵斷裂，木聚糖分子量降低，溶解度增大。

李慧靜[23]等人利用蒸煮法對玉米芯中的木聚糖進行提取，木聚糖的提取率為31.21%。余東霞[24]等通過對玉米芯中木聚糖提取時幾種不同條件的比較，確定了水-酸-水預(yù)處理后，在150℃下高溫蒸煮1h的方法提取木聚糖，提取率達到29.97%。通過對預(yù)處理前后蒸煮測定的結(jié)果對比，說明預(yù)處理是必要的。相對于余東霞等人的150℃高溫條件，邵佩蘭[25]等改進玉米芯木聚糖的提取方法，將粉碎至5mm大小顆粒的玉米芯用0.1%H2SO4在60℃條件下浸泡12h，濾去浸泡液，然后加水至固液比為1：10，于120℃下蒸煮60min。結(jié)果顯示：木聚糖的提取率為20%，且提取液的還原糖與總糖質(zhì)量之比小于38%。雖然該工藝中木聚糖的提取率較低，但其水解條件溫和，副產(chǎn)物相對較少。

除上述外，還有很多研究者用其他方法探求玉米芯木聚糖提取工藝的最佳條件。許炳磊[26]等采用蒸汽爆破法處理玉米芯。通過響應(yīng)曲面法，研究了不同汽爆壓力和維壓時間對玉米芯半纖維素、纖維素和木質(zhì)素降解率的影響。采用Box-Behnken試驗設(shè)計法進行研究，得到了纖維素基本不降解的區(qū)域條件：汽爆壓力x1=1.946MPa，維壓時間x2=155.7s；在該條件范圍內(nèi)，汽爆壓力x1=1.6MPa，維壓時間x2=113s時，半纖維素具有最大降解率，達44.8%，木聚糖產(chǎn)率為39.4%。此外，岳昌海[27]等利用醋酸作催化劑水解玉米芯中半纖維素來制做還原糖，也得到了良好的試驗效果。

3 結(jié)語

諸項研究表明，通過不同的工藝方法可以在一定程度上提高玉米芯中木聚糖的提取率，但都具有一定的局限性。酸法提取的木聚糖中木糖含量太高，不利于后序低聚糖的生產(chǎn)；堿法提取木聚糖的料液濃度太高，不便于生產(chǎn)操作，且堿液易腐蝕設(shè)備，污染環(huán)境；微波輔助提取有較高收率，但微波設(shè)備比常規(guī)設(shè)備的價格高很多，將其用于大規(guī)模生產(chǎn)還有一定的資金難度。由于該工藝中受溫度、提取液等多方面因素影響，如何在提高其提取率的同時平衡其它條件，能夠在較溫和的環(huán)境中達到高生產(chǎn)效益的目的，還需要進行更多的試驗研究。

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This article is to review the research progress of the xylan from corn cob.The results showed that the yield of xylan obtained was distinct under different conditions.Many times ,the yiled of xylan were 18%-28% in the traditional extraction process,such as steaming and alkali method.When microwave technique was employed to the extraction,the yield could be reached 30%.Compared with traditional extraction technique,the microwave technique could not increase the yield largely.However,using the microwave technique , extraction time is significantly shortened, extraction temperature is decreased,and extraction progress is easier.

corn cob;xylan alkali;steaming microwave extraction

鄭三(1980—),女,山東魚臺縣人,專科,技術(shù)工人,從事儀器分析研究工作。