玉米芯高溫熱解提取戊聚糖工藝優化

孟悅，田志剛，劉香英，孫洪蕊，曾憲鵬，楊志強

（吉林省農業科學院，吉林 長春 130124）

在世界糧食生產中，玉米占有重要地位，而我國玉米的種植面積及產量在世界均位居前列，相應的玉米芯產量也較高[1]，玉米芯具有組織均勻、硬度適宜、韌性好、吸水性強、耐磨性能好等優點，在使用過程中易破碎[2]。雖然玉米芯的優點很多，但綜合利用率并不高，只有少量玉米芯用作糠醛、木糖醇等產品的原料，大部分玉米芯還是被丟棄或者作為燃料燒掉，造成資源極大的浪費[3]。因此開展以玉米芯為原料生產低聚木糖，理論研究和生產技術研究是十分必要的。

玉米芯中含有大量的半纖維素、纖維素和木質素，其中半纖維素的主要成分為戊聚糖，它通過降解可生產低聚木糖[4]。低聚木糖系由2個～7個木糖分子以α-1，4糖苷鍵結合而成，具有良好的生理活性，如促進雙歧桿菌增長調節腸道功能，抗腫瘤功能，增強益生菌功能以及免疫調節功能等。它的甜度比蔗糖和葡萄糖均低，僅為蔗糖的40%，具有抗齲齒性[5]。目前，工業上以玉米芯作為生產原料制備低聚木糖，一般采用酸法、堿法、蒸汽爆破法等方法預處理玉米芯提取戊聚糖。酸、堿法在生產過程中需要消耗大量酸、堿化學品，會造成嚴重的環境污染，且提取率較低[6]。蒸汽爆破法則需要加入少量的酸堿調節pH值，并且高溫蒸汽爆破會導致半纖維素部分水解以及碳水化合物的破壞等副反應的產生[7]。所以提高戊聚糖提取率是使玉米芯充分利用的關鍵技術問題。

本研究采用高溫熱解法提取戊聚糖，將料液放入密閉的高溫高壓反應釜中，無需添加強酸、強堿等化學試劑，原料利用率高，且反應時間短，操作簡便。在高溫高壓條件下，使戊聚糖能充分從半纖維素中溶出，提取率大幅度提升。此方法極大程度節省時間和能源，成本減小，對環境不造成生態破壞。為后續酶解工藝生產低聚木糖提供充足的原料。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

玉米芯粉：公主嶺市雙正玉米芯開發有限公司，過60目篩備用，水分質量分數4.91%。

氯化鐵、地衣酚、無水乙醇、鹽酸（均為分析純）：北京化工廠；D-木糖、木二糖 ～木六糖標準品：上海惠世生化試劑有限公司；葡萄糖、L-阿拉伯糖、低聚木糖：山東龍力生物科技股份有限公司；氮氣：長春巨洋氣體有限責任公司。

1.2 儀器與設備

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；1260Infinity型高效液相色譜儀、配蒸發光散射檢測器：美國安捷倫公司；Varian Cary 300型紫外可見分光光度計：Australia PTY.LTD；FSH-2型反應釜：威海匯鑫化工機械有限公司；Vortex-2漩渦混勻儀：上海滬析實業有限公司；M6型沐美電子秤：深圳市沐美科技有限公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 原料玉米芯粉水分測定方法

參照GB/T5009.3—2016《食品安全國家標準食品中水分的測定》[8]。

1.3.2 戊聚糖的提取

稱取過篩后的玉米芯粉，按固液比1∶15（g/mL）加水配制成1 500 g的漿液，用玻璃棒攪拌均勻，倒入反應釜中，蓋嚴釜蓋，不得有漏氣的現象，在熱解溫度為180℃，熱解時間為60 min條件下，得到提取液，取上清液10mL，加入10mL 4mol/L的鹽酸溶液，置于25mL具塞試管內，置于沸水浴中水解120 min，冷卻后用濾紙過濾，收集濾液備用（可適當稀釋n倍）[9-10]。

1.3.3 單因素試驗

1.3.3.1 固液比對戊聚糖提取率的影響

試驗采用了固液比分別為 1 ∶7、1 ∶10、1 ∶15、1 ∶20（g/mL）的4個水平，在熱解溫度為180℃，熱解時間為60min條件下進行試驗操作。分析不同固液比對可溶性戊聚糖含量的影響，以確定適宜的固液比范圍。

1.3.3.2 熱解溫度對戊聚糖提取率的影響

試驗采用了熱解溫度分別為 140、160、180、200、220℃的 5個水平，在固液比為 1∶15（g/mL），熱解時間為60 min條件下進行試驗操作。分析不同熱解溫度對可溶性戊聚糖含量的影響，以確定適宜的熱解溫度范圍。

1.3.3.3 熱解時間對戊聚糖提取率的影響

試驗采用了熱解時間分別為 0、30、60、90、120 min的5個水平，在固液比為1∶15（g/mL），熱解溫度為180℃條件下進行試驗操作。分析不同熱解時間對可溶性戊聚糖含量的影響，以確定適宜的熱解時間范圍。

1.3.4 正交試驗

根據單因素試驗結果，確定主要影響因素固液比、熱解溫度、熱解時間3項為考察因素，依據正交試驗表進行設計，做三因素三水平正交試驗，以確定玉米芯中戊聚糖提取的最適工藝條件[11]，正交試驗因素水平表見表1。

表1 正交試驗因素水平表Table 1 The factors and levels of orthogonal experiment

1.3.5 木糖標準曲線

取6支潔凈的10 mL具塞試管，分別加入100 μg/mL的D-木糖標準溶液 0.0、0.4、0.8、1.2、1.6、2.0 mL，補加蒸餾水至3 mL。再依次加入0.3 mL 1%地衣酚-無水乙醇溶液和3 mL 0.1%氯化鐵-鹽酸溶液，具塞，用漩渦混勻儀混合均勻。沸水浴30 min后，取出試管，流水沖洗冷卻至25℃，轉移至10 mL容量瓶，用水定容，用1 cm比色皿，以D-木糖標準溶液量為0.0的試劑溶液做參比，分別測定在670、580 nm波長下的吸光值，計算兩者之差（ΔA）[12-14]。以ΔA為縱坐標，D-木糖量為橫坐標，建立標準曲線和回歸方程。

1.3.6 戊聚糖提取率的計算

準確量取1.2.2制備的樣品液0.33 mL定容至100 mL，取3 mL于10 mL具塞試管內，按測定木糖標準曲線相同的方法測吸光度，并根據標準曲線得到木糖含量，帶入公式計算戊聚糖提取率。每組試驗分別進行3次平行試驗，以3次試驗的平均值計[15-16]。具體樣品檢測參照NY/T 2335-2013《谷物中戊聚糖含量的測定-分光光度法》。計算公式如下。

式中：X為試樣中戊聚糖提取率，%；c為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。

1.3.7 玉米芯組織結構掃描電鏡分析

采用掃面電子顯微鏡（scanningelectronmicroscope，SEM）分別對粉碎后的玉米芯和經160、180、200℃高溫熱解后的玉米芯粉干燥樣品微觀結構進行分析，觀察不同溫度處理條件下玉米芯表面形態變化[17]。

1.3.8 高效液相色譜定性分析

利用高效液相色譜儀，蒸發光散射檢測器檢測高溫熱解液中的戊聚糖，色譜條件為：SUGARKS-802鈉型陽離子色譜柱8.0 mm×300 mm，氮氣為載氣，超純水為流動相，柱溫箱設定在80℃，進樣量20 μL，流速為0.6 mL/min，將熱解液稀釋至一定的質量分數，再經過0.22 μm膜過濾，收集濾液進行高效液相檢測，通過比較標準品與高溫熱解液組分峰的保留時間進行定性分析[18-19]。

1.4 數據處理

全部試驗結果用Excel 2016和SPSS 19.0進行數據處理分析。方差分析時，p＜0.05或p＜0.01，表示具有顯著性差異或極顯著差異，試驗結果具有統計學意義。

2 結果與分析

2.1 木聚糖標準曲線

繪制標準曲線見圖1。計算得線性回歸方程為y=0.111 2x-0.002 6，線性相關系數0.999 3。

2.2 單因素試驗結果

2.2.1 固液比對戊聚糖提取率的影響

固液比對戊聚糖提取率的影響見圖2。

從圖2可以看出，固液比對戊聚糖的提取效果影響顯著，在固液比從 1 ∶7（g/mL）到 1 ∶20（g/mL）的過程中，隨著干物質的添加量不斷減少，戊聚糖提取率呈現出先增大后減小的趨勢，在固液比為1∶15（g/mL）時，提取率達到了最大值。在固液比1∶7（g/mL）時干物質居多，玉米芯不能充分潤脹，熱解反應不完全，戊聚糖不能完全溶出。

圖1 木糖標準曲線Fig.1 The standard curve of D-xylopyranose

圖2 固液比對戊聚糖提取率的影響Fig.2 Effects of solid-liquid ratio on pentosan content

2.2.2 熱解時間對戊聚糖提取率的影響

熱解時間對戊聚糖提取率的影響見圖3。

圖3 熱解時間對戊聚糖提取率的影響Fig.3 Effects of pyrolysis time on pentosan content

從圖3可見，隨著提取時間的延長，戊聚糖提取率呈現先上升后下降的趨勢，30 min到90 min戊聚糖提取率增長緩慢，在90 min戊聚糖提取率達到了最大值25.01%，但隨著時間的增長，提取液顏色加深，會使后續脫色工藝增加難度。在120 min時戊聚糖提取率會下降是因為玉米芯中的半纖維素過多地轉化成單糖。

2.2.3 熱解溫度對戊聚糖提取率的影響

熱解溫度對戊聚糖提取率的影響見圖4。

圖4 熱解溫度對戊聚糖提取率的影響Fig.4 Effects of pyrolysis temperature on pentosan content

從圖4可見，熱解溫度對戊聚糖提取率有明顯的影響，熱解溫度過高或過低都會導致戊聚糖提取率下降，從160℃到180℃，提取率迅速升高，在180℃時達到最大值23.68%，半纖維素溶解充分。熱解溫度從180℃到220℃，提取率迅速下降，原因是溫度過高戊聚糖氧化變質，其它副產物大量析出。

從圖4可見，熱解溫度對戊聚糖提取率有明顯的影響，熱解溫度過高或過低都會導致戊聚糖提取率下降，從160℃到180℃，提取率迅速升高，在180℃時達到最大值23.68%，半纖維素溶解充分。熱解溫度從180℃到220℃，提取率迅速下降，原因是溫度過高戊聚糖氧化變質，其它副產物大量析出。

2.3 正交試驗優化工藝參數的結果與分析

正交試驗結果與方差分析見表2、表3。

表2 正交試驗設計與結果Table 2 The design and results of orthogonal experiment

由表2中極差分析可知，3個因素對戊聚糖提取率的影響主次順序為：C＞A＞B，即熱解溫度＞固液比＞熱解時間，玉米芯提取戊聚糖的最佳工藝條件為A1B2C2，提取率為24.92%。由K值分析可知，玉米芯提取戊聚糖的最佳工藝條件為A2B1C2，對該條件進行3次驗證試驗，平均提取率為25.84%，不僅時間縮短，還節省原

由表2中極差分析可知，3個因素對戊聚糖提取率的影響主次順序為：C＞A＞B，即熱解溫度＞固液比＞熱解時間，玉米芯提取戊聚糖的最佳工藝條件為A1B2C2，提取率為24.92%。由K值分析可知，玉米芯提取戊聚糖的最佳工藝條件為A2B1C2，對該條件進行3次驗證試驗，平均提取率為25.84%，不僅時間縮短，還節省原料，大大降低了成本，即確定固液比1∶15（g/mL），熱解時間60 min，熱解溫度180℃為玉米芯提取戊聚糖的最佳工藝條件。由表3的方差分析結果可知，熱解溫度對戊聚糖提取率有顯著性影響。料，大大降低了成本，即確定固液比1∶15（g/mL），熱解時間60 min，熱解溫度180℃為玉米芯提取戊聚糖的最佳工藝條件。由表3的方差分析結果可知，熱解溫度對戊聚糖提取率有顯著性影響。

表3 正交試驗方差分析Table 3 Analysis of variance for orthogonal

2.4 玉米芯掃描電鏡結果分析

不同處理條件下的掃描電鏡圖見圖5。

圖5 不同處理條件下的掃描電鏡圖Fig.5 Scanning electron micrograph of different processing conditions

如圖5A所示，未處理過的玉米芯粉組織結構呈現出黏性較大，結塊的狀態，表面完整度較高，內部結構緊密。如圖5B所示，160℃熱解后的樣品組織內部出現蜂窩狀的小孔，結構稍有松散。如圖5C所示，180℃熱解后的樣品呈現完全松散狀態，不規則的小碎片，邊緣全部卷曲。如圖5D所示，200℃熱解后的樣品內部結構完全被破壞，呈焦糊不規則微小顆粒狀。說明隨著熱解溫度的不斷提高，玉米芯中大量的纖維素、半纖維素和木質素在高溫熱解后受到破壞，分解出過多低聚合度的糖類物質。

如圖5A所示，未處理過的玉米芯粉組織結構呈現出黏性較大，結塊的狀態，表面完整度較高，內部結構緊密。如圖5B所示，160℃熱解后的樣品組織內部出現蜂窩狀的小孔，結構稍有松散。如圖5C所示，180℃熱解后的樣品呈現完全松散狀態，不規則的小碎片，邊緣全部卷曲。如圖5D所示，200℃熱解后的樣品內部結構完全被破壞，呈焦糊不規則微小顆粒狀。說明隨著熱解溫度的不斷提高，玉米芯中大量的纖維素、半纖維素和木質素在高溫熱解后受到破壞，分解出過多低聚合度的糖類物質。

2.5 高效液相色譜法結果分析

通過高效液相色譜法對戊聚糖提取液進行定性定量分析，本試驗使用SUGARKS-802鈉型陽離子糖析專用色譜柱，較好地分離開提取液中的糖類物質，戊聚糖提取液樣品液相檢測結果見圖6。

圖6 戊聚糖提取液樣品色譜圖Fig.6 Chromatogram of pentosan extract sample

通過與標準品的出峰時間對比，確定提取液中含有戊聚糖、木二糖、木三糖、木四糖、木五糖和木六糖等低聚糖，以及葡萄糖、木糖和L-阿拉伯糖3種單糖。通過計算峰面積低聚糖含量高達80.375%。這一結果有利于生產低聚木糖[20-22]。

3 結論

1）本研究采用高溫熱解法處理玉米芯提取戊聚糖，通過單因素試驗和L9（33）正交試驗，確定最佳提取工藝條件為固液比1∶15（g/mL），熱解溫度180℃，熱解時間60 min，提取率為25.84%。

2）通過高效液相色譜法進行提取液組分分析結果表明，提取液中含有大量的戊聚糖、木二糖、木三糖、木四糖、木五糖和木六糖。這些糖類物質正是后續酶解工藝所需的低聚糖，可生產大量的低聚木糖。

3）通過掃描電子顯微鏡的結果顯示高溫熱解對玉米芯組織結構有很大影響，結構狀態完全變化。在180℃高溫條件下處理的樣品結構完全松散，表面積與體積比增大，大大增加了酶解作用，為后序工藝提供了更有利的條件。

4）本試驗的目的是利用玉米芯高溫熱解法提取大量的戊聚糖等低聚糖，通過酶解可以獲得大量的低聚木糖，玉米芯具有產量大、價格低的優勢，高溫熱解法不使用強酸、強堿等化學試劑，無污染的優點為后續工藝提供方便，且戊聚糖提取率較高，對實現生物資源的可持續發展具有重要意義。