酸解法提取脫淀粉玉米纖維中半纖維素的研究

曲肖男，董森，佟毅，姜宇佳，武麗達，王金枝，李義，呂紹武，，*

（1.吉林大學(xué)分子酶學(xué)工程教育部重點實驗室，吉林長春130012；2.玉米深加工國家工程研究中心，吉林中糧生化有限公司，吉林長春130033）

酸解法提取脫淀粉玉米纖維中半纖維素的研究

曲肖男1，董森1，佟毅2，姜宇佳1，武麗達2，王金枝2，李義2，呂紹武1，2，*

（1.吉林大學(xué)分子酶學(xué)工程教育部重點實驗室，吉林長春130012；2.玉米深加工國家工程研究中心，吉林中糧生化有限公司，吉林長春130033）

通過單因素試驗和正交試驗對酸解法提取脫淀粉玉米纖維中半纖維素的工藝進行優(yōu)化，確定酸解的最佳酸濃度、時間、溫度和料液比。結(jié)果表明：半纖維素提取的最佳條件為酸解溫度110℃，時間2 h，酸濃度0.5%，料液比為1∶12.5（g/mL），在此條件下半纖維素的提取率達94.45%。

脫淀粉玉米纖維；半纖維素提取；酸解法

隨著科學(xué)技術(shù)的進步和社會經(jīng)濟的發(fā)展，玉米不僅是人類賴以生存的糧食作物，也成為了重要的工業(yè)原料[1]。玉米纖維（俗稱玉米皮）是濕磨法加工玉米淀粉生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的一種廉價且豐富的副產(chǎn)品[2]，玉米纖維中含有10%～20%的淀粉、10%～20%的纖維素、30%～40%的半纖維素及其他成分[3-4]。半纖維素是可以用稀酸或稀堿從植物細胞壁中提取的多糖類混合物，其水解產(chǎn)物木聚糖、阿拉伯糖等都是水溶性膳食纖維的組成成分[5]。目前，采用稀堿提取半纖維素主要產(chǎn)生葡萄糖、半乳糖及阿拉伯木聚糖，但該法對占半纖維素總量50%以上木糖成分的提取能力極低[6]。在酸性條件下纖維素和半纖維素均會降解，但在酸濃度較低的情況下，控制酸解的時間、溫度和濃度，就能夠顯著降低酸對纖維素的降解，可有效提取半纖維素中的大部分木糖成分，因此可采用酸解法提取玉米纖維中豐富的半纖維素。但通常玉米纖維中會殘留較多的淀粉，這會影響下游產(chǎn)品的提純效果，繼而影響到產(chǎn)品的價值。近期，我們利用玉米纖維中殘留亞硫酸的酸性，以蒸煮法脫除了玉米纖維中的大部分淀粉[7]?；谇捌谘芯拷Y(jié)果，本文以脫淀粉玉米纖維為研究對象，通過優(yōu)化酸解法提取半纖維素的工藝條件，為有效提取和利用半纖維素提供基礎(chǔ)試驗數(shù)據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

硫酸、鹽酸、NaOH、酒石酸鉀鈉、乙酸、乙酸鈉：購自北京化工廠；酚酞、苯酚、3，5-二硝基水楊酸、無水亞硝酸鈉：購自國藥集團化學(xué)試劑有限公司；3，5-二硝基水楊酸（DNS）試劑：參照文獻[8]進行配置；原料脫淀粉玉米纖維：參考文獻[7]中的沖洗纖維，以取自生產(chǎn)線的玉米纖維按照該文獻進行制備，玉米纖維取自中糧生化能源（公主嶺）有限公司生產(chǎn)線的纖維脫水工序，未經(jīng)進一步干燥，批號為G14-09-16-07，G14-11-03-04，G15-05-22-02，G15-08-01-03，G15-09-10-02。

DT500A電子天平：常熟市意歐儀器表有限公司；DZF-6021型真空干燥箱：上海一恒科學(xué)儀器有限公司；UV-1700分光光度計：島津儀器（蘇州）有限公司；D-78532型離心機：德國Hettich廠；SHA-B恒溫振蕩器：常州國華電器有限公司；ESJ180-4型分析天平：沈陽龍騰電子稱量有限公司；101-2型電熱鼓風干燥箱：黃驊市航天儀器廠；分子篩（100目）：浙江上虞市道墟儀器篩具廠。

1.3 方法

1.3.1 試驗步驟

采用單因素試驗和正交試驗優(yōu)化酸解法提取半纖維素的工藝參數(shù)—酸濃度（A）、酸解時間（B）、酸解溫度（C）和酸解料液比（D）。以脫淀粉玉米纖維（5 g，干重計）為原料，用硫酸調(diào)反應(yīng)液至一定的酸濃度、料液比，將反應(yīng)液放置于一定溫度下，保溫一定時間得到酸解液，分離酸解液得到酸解纖維殘渣和酸解濾出液。測定酸解纖維殘渣中半纖維素的含量，可以分析各因素對脫淀粉玉米纖維中半纖維素提取的影響。同時對糖渣中含有的還原糖、總糖及平均聚合度進行測定。

1.3.2 測定方法

1.3.2.1 半纖維素測定

參考GB/T 2677.9-1994《造紙原料多戊糖含量的測定》及相關(guān)文獻[9]進行。

1.3.2.2 木糖標準曲線

取8支洗凈烘干的20 mL具塞刻度試管，分別加入木糖標準溶液 （1.0 mg/mL）0、0.2、0.4、0.6、0.8、1.0、1.2、1.4 mL，補充蒸餾水至2 mL，再各加入1.5 mL DNS后搖勻沸水浴5 min，冷卻后定容至15 mL，用分光光度計測定540 nm時候的波長。以木糖含量（mg）為橫坐標，以540 nm對應(yīng)的光密度值為縱坐標，繪制出木糖標準曲線。

1.3.2.3 糖渣中還原糖、總糖測定及平均聚合度測定

還原糖含量測定：將濾出液稀釋適當?shù)谋稊?shù)，利用DNS法和葡萄糖標準曲線計算每毫升溶液中還原糖的含量。

總糖含量測定：取稀釋適當濃度的濾出液，向其中加入適量稀硫酸配制成酸濃度為15%的溶液，密封并放置于120℃反應(yīng)2 h后取出冷卻。利用DNS法和葡萄糖標準曲線計算每毫升溶液中還原糖的含量，即為總糖含量。

平均聚合度：聚合物的分子量本身就是平均值，所以重復(fù)單元分子量除平均分子量就是平均聚合度[10]。在本文中平均聚合度＝總糖含量/還原糖含量。

1.3.3 酸解法試驗設(shè)計

1.3.3.1 單因素試驗

單因素試驗設(shè)計如表1。

表1 單因素試驗因素與水平Table 1 Levels of factors

1.3.3.2 正交試驗

在單因素試驗的基礎(chǔ)上，以酸濃度（A）、酸解時間（B）、酸解溫度（C）為影響因素，以酸解纖維殘渣中半纖維素含量為指標，設(shè)計正交試驗（見表2）。

表2 正交試驗因素與水平Table 2 Factors and levels of orthogonal test

1.3.4 驗證試驗

綜合單因素試驗和正交試驗結(jié)果，驗證最優(yōu)條件的準確性和重復(fù)性。

2 結(jié)果與討論

2.1 木糖標準曲線

木糖標準曲線的制作見圖1，得到標準曲線方程為 y＝0.893 1x，R2＝0.997 3，木糖含量在 0.000 0 mg～1.400 0 mg內(nèi)線性關(guān)系良好。

2.2 單因素試驗結(jié)果

2.2.1 酸濃度對酸解纖維殘渣中剩余半纖維素含量的影響

設(shè)定酸解時間2 h，酸解溫度110℃，酸解料液比1∶12.5（g/mL），測定酸濃度變化對酸解纖維殘渣中剩余半纖維素含量的影響，見圖2。

圖2 酸濃度對半纖維素含量的影響Fig 2 Effects of acid concentration on the hemicellulose content after acid hydrolysis

從圖2可看出，酸濃度在0.5%～1%范圍內(nèi)，隨酸濃度的增加，酸解纖維殘渣中半纖維素含量表現(xiàn)為明顯下降；而酸濃度在1%～4%范圍內(nèi)，隨酸濃度的增加，半纖維素含量僅略有下降。從圖2中還可以看出，在所選定的酸濃度范圍內(nèi)，由酸濃度不同而引起的半纖維素含量降低的極差為較小的0.22 g/5 g（半纖維素/原料），這是由于經(jīng)蒸煮法脫淀粉的玉米纖維內(nèi)部結(jié)構(gòu)變的更加松散，有利于后酸解的進行，同時本單因素試驗的反應(yīng)時間為充足的2 h，酸解反應(yīng)較徹底。因此，基于節(jié)約考慮確定后續(xù)試驗的酸濃度為1%。

2.2.2 料液比對酸解纖維殘渣中剩余半纖維素含量的影響

設(shè)定酸濃度1%，酸解時間2 h，酸解溫度110℃，測定料液比變化對酸解纖維殘渣中剩余半纖維素含量的影響，見圖3。

從圖 3 可看出，料液比在 1∶20（g/mL）～1∶12.5（g/mL）范圍內(nèi)，酸解纖維殘渣中半纖維素含量隨液體體積的減小表現(xiàn)為明顯下降；在 1∶12.5（g/mL）～1∶10（g/mL）范圍內(nèi)，酸解纖維殘渣中半纖維素含量隨液體體積的減小略有下降。從圖3中還可以看出，本單因素試驗的料液比設(shè)定范圍較廣，但料液比變化對酸解纖維殘渣中半纖維素含量變化影響僅為0.06 g/5 g，說明料液比因素對試驗結(jié)果影響較小，故在正交試驗中將不再體現(xiàn)。根據(jù)本步結(jié)果，將料液比最優(yōu)水平定為1∶12.5（g/mL）。

圖3 料液比對半纖維素含量的影響Fig.3 Effects of solid-liquid ratio on the hemicellulose content after acid hydrolysis

2.2.3 酸解溫度對酸解纖維殘渣中剩余半纖維素含量的影響

設(shè)定酸濃度 1%，酸解時間 2 h，料液 1∶12.5（g/mL），測定酸解溫度變化對酸解纖維殘渣中剩余半纖維素含量的影響，見圖4。

圖4 溫度對半纖維素含量的影響Fig.4 Effects of temperature on the hemicellulose content after acid hydrolysis

從圖4中可看出，酸解溫度在100℃～105℃范圍內(nèi)，隨溫度升高，酸解纖維殘渣中半纖維素含量表現(xiàn)為明顯下降；在105℃～120℃范圍內(nèi)，隨溫度升高，酸解纖維殘渣中半纖維素含量僅略有下降。因此，后續(xù)試驗的酸解溫度選擇為105℃。

2.2.4 酸解時間對酸解纖維殘渣剩余半纖維素含量的影響

設(shè)定酸濃度1%，酸解溫度105℃，料液比1∶12.5（g/mL），測定酸解時間變化對酸解纖維殘渣中剩余半纖維素含量的影響，見圖5。

從圖5可看出，酸解時間在0.5 h～2 h范圍內(nèi)，隨時間延長，酸解纖維殘渣中半纖維素含量表現(xiàn)為明顯下降；在2 h～4 h范圍內(nèi)，隨時間延長，酸解纖維殘渣中半纖維素含量變化不明顯。因此，后續(xù)試驗的酸解時間選擇為2 h。

圖5 時間對酸解后半纖維素含量的影響Fig.5 Effects of time on the hemicellulose content after acid hydrolysis

2.3 正交試驗結(jié)果

正交試驗結(jié)果見表3，方差分析見表4。

表3 正交試驗結(jié)果Table 3 The results of orthogonal test

表4 方差分析表Table 4 Analysis of variance

通過方差分析（表4）可知，3個因素對酸解纖維殘渣中半纖維素含量的影響都不顯著，則最佳提取條件可直觀的從表3中選擇均值小的水平組合即可。由表3的分析可知：（1）極差R值大小表示對酸解纖維殘渣中半纖維素含量的影響程度，極差值中RC為0.38，RB為1.33，RA為0.10，說明B因素影響最大，其次為C因素，影響最小的是A因素，主次順序為B>C>A，即影響酸解纖維殘渣中半纖維素含量的因素分別為酸解時間>酸解溫度>酸解酸濃度。（2）最佳理論提取條件為C3B3A2，即：即酸解溫度110℃，酸解時間2 h，酸濃度1%。

2.4 驗證試驗

由于較高的酸濃度高會對實驗裝置產(chǎn)生腐蝕，且正交試驗的結(jié)果顯示酸濃度是影響纖維素提取率的次要因素。因此在驗證試驗中，固定主要因素（即酸解溫度110℃，酸解時間2 h），將次要因素酸濃度降低至0.5%，以5 g脫淀粉玉米纖維（干重計）進行5次單獨試驗進行驗證，得到酸解纖維殘渣中半纖維素含量為0.12、0.09、0.11、0.11、0.09 g，其平均值為 0.11 g。相對偏差分別是 15.39%、13.46%、5.77%、5.77%、13.46%，標準差為0.01，顯示出良好的提取效果和重復(fù)性。

2.5 酸解前后主要成分含量對比

酸解前后主要成分變化見表5。

表5 酸解前后主要成分變化Table 5 Main composition of corn fiber and the fiber after acid hydrolysis

對比酸解前后主要成分含量變化可以發(fā)現(xiàn)，脫淀粉玉米纖維原料經(jīng)稀酸處理后半纖維素含量降低了94.45%，說明半纖維素已經(jīng)基本完全提取。酸解處理還會提取接近一半的蛋白和部分纖維素，但對玉米纖維中的油脂含量沒有影響。該酸解纖維殘渣經(jīng)有機試劑萃取可獲得玉米纖維油，再經(jīng)蛋白酶處理可獲得到較為純凈的纖維素，具備進一步精深加工的基礎(chǔ)。

2.6 糖渣中還原糖、總糖測定及平均聚合度測定

測定結(jié)果表明，糖渣中還原糖含量為34.52 g/100 g糖渣，總糖含量占糖渣總重83.79 g/100 g糖渣，平均聚合度為3.68。結(jié)合表5的結(jié)果可以看出，糖渣中的糖類大部分為半纖維素水解產(chǎn)生的，并且酸解產(chǎn)生的糖大部分都為寡糖[11]，這些寡糖可經(jīng)過簡單處理（分離純化）后，作為添加劑應(yīng)用于食品中。

3 結(jié)論

經(jīng)單因素試驗和正交試驗可以確定時間對酸解提取半纖維素的影響最大，料液比的影響最小，影響半纖維素提取率的主次順序為時間＞溫度＞酸濃度＞料液比，最佳半纖維素提取條件即酸解溫度110℃，時間2 h，酸濃度 0.5%，料液比為 1∶12.5（g/mL）。本研究所報的工藝優(yōu)點是：以脫淀粉玉米纖維為原料，減少了淀粉糖對下游產(chǎn)品提純的影響，操作簡單，半纖維素提取率高，上述優(yōu)點使該工藝可廣泛應(yīng)用于玉米深加工工業(yè)。

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Research of Extracting Hemicellulose from De-starch Corn Fiber by Acid Solution

QU Xiao-nan1，DONG Sen1，TONG Yi2，JIANG Yu-jia1，WU Li-da2，WANG Jin-zhi2，LI Yi2，Lü Shao-wu1，2，*
（1.Key Laboratory for Molecular Enzymology and Engineering of the Ministry of Education，Jilin University，Changchun 130012，Jilin，China；2.Corn Deep Processing of National Engineering Research Center，Jilin COFCO Biochemical Co.，Ltd.，Changchun 130033，Jilin，China）

In order to explore the best temperature，time，acid concentration and solid-liquid rate of the extraction rate of hemicellulose from corn fiber，the cooking process was used on the basis of single factor experiments and orthogonal experiment.The results showed that optimum destarching conditions were solid-water rate of 1∶12.5（g/mL），temperature of 110℃，acid concentration of 0.5%，time of 2 h.Under these conditions，the extraction rate of hemicellulose was 94.45%.

de-starch corn fiber；extraction of hemicellulose；acid solution

10.3969/j.issn.1005-6521.2016.14.009

吉林省科技發(fā)展計劃（2015YMLS003NY）；吉林省自然科學(xué)基金項目（20130101159JC）

曲肖男（1994—），女（漢），碩士，研究方向：酶工程。

*通信作者：呂紹武（1978—），男（漢），副教授，碩導(dǎo)，博士，研究方向：酶工程。

2016-03-07