高壓蒸汽處理玉米芯提取木聚糖動力學研究

宋娜，李竹生，丁長河

（1.鄭州職業技術學院生物工程系，河南鄭州450121；2.河南工業大學糧油食品學院，河南鄭州450052）

高壓蒸汽處理玉米芯提取木聚糖動力學研究

宋娜1，李竹生1，丁長河2

（1.鄭州職業技術學院生物工程系，河南鄭州450121；2.河南工業大學糧油食品學院，河南鄭州450052）

研究了不同溫度下（170℃～210℃）高壓蒸汽處理玉米芯提取木聚糖的動力學模型。考察了提取主要產物木聚糖的動力學規律，并得出高壓蒸汽處理玉米芯過程中木聚糖水解的動力學參數。結果表明，用0.05%的稀硫酸浸泡可以降低玉米芯降解過程中的活化能。

高壓蒸汽；玉米芯；木聚糖；動力學研究

Abstract:A process followed by compressed-steaming to extract xylan from corncobs was studied with an emphasis on examining the kinetic characteristics of compressed-steaming products(xylan)with selected kinetic models.The kinetic law was studied and the kinetic parameter was received.The results showed that activation energy reduced during extracting xylan from corncobs by soaked in 0.05%sulfuric acid.

Key words：compressed-steaming;corncob;xylan;kinetic study

玉米芯主要由纖維素、半纖維素和木質素組成，半纖維素不能直接從自然界獲取，而且其成分相比于纖維素復雜得多，因而針對半纖維素的熱裂解動力學的研究也較少。木聚糖作為半纖維素的主要成分，通過一步靜態動力學研究，用Arrhenius方程求解得到動力學數據[1]。

根據Mehlberg和Tsao[2]的研究表明：在酸水解的條件下，木聚糖降解機理包括存在于不同降解程度物料中的木聚糖的消耗、木聚糖轉化為低聚木糖，低聚木糖降解為木糖和戊糖，再降解為糠醛。

自水解和后水解有相同的理論基礎，因為二者都包括半纖維素多聚糖雜環肽鍵的水解。自水解和后水解的不同在于反應介質的催化劑：作為自水解的中間反應結果低聚木糖含量較高，在自水解的過程中，低聚木糖的分子量在減小，導致低聚木糖的聚合度低，由于低分子重的低聚木糖在水解過程中比高分子重的低聚木糖更傾向于轉化單糖。Conner和Lorenz[3]提出了低聚木糖轉化為單糖過程中的不同可能性。

本文在不同溫度下（170℃~210℃）高壓蒸汽處理玉米芯提取木聚糖的動力學規律，并得出了動力學參數。

1 材料與方法

1.1 材料和主要試劑

1.1.1 材料

玉米芯取自河南省民權縣，已經粉碎成直徑2mm及以下的顆粒。水分含量：7.93%，灰分：2.78%。

1.1.2 試劑

地衣酚（3，5-二羥基苯酚，化學純）：國藥集團化學試劑有限公司；鹽酸，無水乙醇，硫酸，氫氧化鈉，三氯化鐵均為分析純。

1.2 儀器設備

高壓反應釜（KCFD1－4.0型）：煙臺市招遠松齡儀器設備有限公司；渦流混合器（MVS－1）：北京金北德工貿有限公司；紫外可見分光光度（UV－2000型）：上海尤尼柯有限公司；pH計（pH211）：北京哈納科儀科技有限公司；恒溫振蕩培養箱（HZQ－F160型）：哈爾濱市東聯電子技術有限公司。

1.3 方法

1.3.1 稀酸浸泡

稱取原料玉米芯10.00 g加100 mL濃度為0.05%的稀硫酸在60℃水浴中浸泡12 h，用清水洗至pH 5.0左右。

1.3.2 高壓蒸汽處理

將稀酸浸泡后的玉米芯濾去水分，置入反應釜后加蓋密封。加2 L蒸餾水于蒸汽發生器內，密封蒸汽發生器，接通電源。待溫度升到250℃左右，壓力升到4 MPa，打開閥門，使蒸汽排入反應釜內。達到所需溫度后，關閉閥門。利用開關閥門控制所需溫度進行高壓蒸汽處理，到測定時間后，通冷凝水使反應釜溫度冷卻到50℃以下。倒出提取渣液，離心，取部分上清液測定木聚糖提取量。

1.4 分析方法

木聚糖提取率的測定：地衣酚-鹽酸法[4]。

1.5 動力學模型

本文研究高壓蒸汽處理玉米芯可溶性木聚糖動力學規律，所用到的方程有：

式中：ln為自然對數；k為速率常數，s-1；CA0為初始濃度，（mg/g）；CA為不同蒸汽處理時間的濃度，（mg/g）；t為蒸汽處理時間，min；k0 為常數，s-1；Ea 為活化能，（kJ/mol）；R為8.314/（mol·K）；T為蒸汽溫度，K。

2 結果與討論

2.1 高壓蒸汽處理玉米芯提取木聚糖

可溶性木聚糖提取量在溫度（170℃~210℃）隨高壓蒸汽處理玉米芯時間的變化規律如圖1所示。

隨著高壓蒸汽溫度的增高和處理時間的延長，可溶性木聚糖的提取量有明顯的增加。從圖1中也可以看出木聚糖的水解隨高壓蒸汽處理時間的增加分兩個階段，快速水解階段和慢速水解階段。只是因為玉米芯中的半纖維素有兩種類型，快速水解的半纖維素和慢速水解的半纖維素[5]。

2.2 木聚糖提取的動力學研究

根據Arrhenius方程，高壓蒸汽處理玉米芯提取木聚糖快速水解木聚糖和慢速水解木聚糖水解的動力學模型如圖2所示。

第1階段是快速水解木聚糖的水解反應模型，第2階段是慢速水解木聚糖的水解反應模型。Lavarack（2000）[6]酸解甘蔗渣得到了木聚糖產率的相似曲線。

為了比較不同溫度下木聚糖形成的速度，以木聚糖提取速率的對數值為縱坐標，以高壓蒸汽溫度（絕對溫度）的倒數為橫坐標作阿列紐斯圖，如圖3所示。

從圖3可以看出，高壓蒸汽溫度對木聚糖提取速率有一定的影響，快速水解木聚糖提取速率和慢速水解木聚糖提取速率均與高壓蒸汽處理溫度成阿列紐斯線性變化，第1階段和第2階段的阿列紐斯方程分別為：y=-6452.9x+12.207（R2＝0.9119）和 y＝－7937.9x＋12.458（R2＝0.8953），且變化較陡，說明加熱溫度對木聚糖提取速率影響較大。高壓蒸汽處理玉米芯提取木聚糖第2階段的阿列紐斯曲線的斜率大于第1階段的斜率，說明高壓蒸汽溫度對慢速水解木聚糖提取速率影響更大。

2.3 高壓蒸汽處理玉米芯過程中木聚糖水解的動力學參數

高壓蒸汽處理玉米芯過程中木聚糖水解的動力學參數如表1所示，高壓蒸汽處理玉米芯過程中木聚糖水解率符合阿列紐斯方程。

表1 高壓蒸汽處理玉米芯過程中木聚糖水解的動力學參數Table 1 The kinetic parameter during extracting xylan from corncobs by compressed-steaming

快速水解木聚糖和慢速水解木聚糖水解的活化能分別是：53.65 kJ/mol和66.20 kJ/mol。楊瑞金的文章（125℃～155℃）中木聚糖水解第1階段和第2階段的活化能是 109kJ/mol和 166kJ/mol[7]；Garrote（2002）（170 ℃～216℃）活化能分別是251 kJ/mol和177 kJ/mol[10]；高壓蒸汽處理玉米芯水解木聚糖的機理是：木聚糖在高溫條件下脫乙酰形成乙酸，體系pH降低。體系pH降低后長鏈木聚糖在酸性（pH 3.2～3.6）和高溫條件下，阿拉伯糖側鏈和主鏈均發生水解，木聚糖從其它木質纖維成分中游離出來并且聚合度下降，溶解度提高，進入到提取液中[8]。楊瑞金在實驗中用了0.1%的稀硫酸浸泡玉米芯，后沖洗玉米芯至洗出液呈中性，再經高壓蒸汽處理，這降低了活化能；而本實驗中用了0.05%稀硫酸浸泡，浸泡液的pH 2.1，浸泡后沖洗玉米芯至洗出液pH 5.0左右，還留有部分酸液在玉米芯中，后經高壓蒸汽處理過程中，體系pH更易達到3.2～3.6，水解更易進行，這也是本實驗大大降低活化能的原因。

3 結論

高壓蒸汽處理玉米芯可溶性木聚糖水解的產物動力學研究表明：稀硫酸浸泡玉米芯對降低玉米芯降解過程中的活化能有一定幫助。

[1]王樹榮,鄭贊,文麗華,等.半纖維素?；餆崃呀鈩恿W研究[J].燃燒科學與技術,2006,12(2)：105-109

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[3]Conner A H,Lorentz L F.Kinetic modeling of hardwood prehydrolysis.Part III.Water and dilute acetic acid prehydrolysis of southern red oak[J].Wood Fiber Sci,1986,18(2)：248-263

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[6]鄭建仙.功能性食品甜味劑[M].北京：中國輕工業出版社,1997：174-183

[7]Yang R,Zhang C,Feng H,et al.A kinetic study of xylan solubility and degradation during corncob steaming[J].Biosystems engineering,2006,93(4)：375-382

[8]Gil G,Herminia D,Juan C.Kinetic modelling of corncob autohydrolysis[J].Process biochemistry,2001,36：571-578

Study on Kinetic Characteristics of Extract Xylan from Corncob with Compressed-Steaming

SONG Na1,LI Zhu-sheng1,DING Chang-he2
(1.Bioengineering Dept.,Zhengzhou Technical College,Zhengzhou 450121,Henan,China;2.Grain and Food College,Henan University of Technology,Zhengzhou 450052,Henan,China）

2011-12-23

宋娜（1979—），女（漢），講師，碩士，研究方向：多糖、低聚糖等功能性食品開發。