甜玉米穗轴提取水溶性木聚糖的研究

刘晓飞，张 娜，荆丽荣，王伟婷，马永强

(哈尔滨商业大学食品工程学院，黑龙江哈尔滨150076)

玉米芯是玉米果穗脱去籽粒后的穗轴，占玉米穗20%～30%。我国玉米年产量位于美国之后，居世界第二位［1-2］，按3kg 玉米产1kg 玉米芯计算，仅2011年我国产生的玉米芯近0.64 亿t。目前利用率仅有10%～15%［3］，绝大部分玉米芯作为农家燃料被烧掉。玉米芯含有丰富的木聚糖［4］，含量高达35% ～40%［5］，是天然的木聚糖储库。木聚糖是植物半纤维素的主要组分［6］，具有明显的双歧杆菌活性，能够起到调节人体生理功能，增加机体免疫力，预防疾病发生等作用［7］。木聚糖在食品中可用作乳化剂及膳食纤维，具有促进有丝分裂及免疫调节等功能［8］。木聚糖及其衍生物最有可能产生的重要应用便是药物载体、伤口敷料以及造纸业中的添加剂［9］。如果能从玉米芯中提取木聚糖，既可延长农作物的加工链条，提高农产品加工的附加值，又能够减少环境污染，具有极其重要的现实意义［10］。因此，本研究对甜玉米穗轴的木聚糖提取和纯化工艺进行了优化，旨在探索出一条适合工业化生产木聚糖的途径。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

甜玉米穗轴 哈尔滨市郊区;阴离子交换树脂capto Q 美国GE 公司;磷酸氢二钠、磷酸二氢钠、浓硫酸、无水乙醇等试剂 均为分析纯。

电热恒温水浴锅 上海东星建材实验设备有限公司;紫外可见分光光度计 上海光谱仪器有限公司;电热恒温干燥箱 天津市泰斯特仪器有限公司;核酸蛋白检测仪 上海金达生化仪器厂。

1.2 实验方法

1.2.1 木聚糖粗提液的制备 选择新鲜的、无虫蛀、无霉变的甜玉米穗轴，粉碎过80 目筛子。选择硫酸浓度、料液比、蒸煮温度、蒸煮时间进行单因素实验，根据单因素实验结果［7，11］选择正交实验的各因素水平，如表1 所示，设计正交实验优化木聚糖粗提工艺参数，以木聚糖提取率为依据确定最佳工艺。提取率计算公式:木聚糖提取率(%)=(木聚糖质量/甜玉米穗轴质量)×100。将粉碎后的甜玉米穗轴用一定质量浓度的H2SO4浸泡12h，滤去浸泡液，用蒸馏水洗涤2 次，调节pH 至6.0，在一定温度下蒸煮一段时间后，溶液离心，收集滤液，即为木聚糖的粗提液。

表1 正交实验因素水平表Table 1 Factor and levels of orthogonal test

1.2.2 粗提工艺验证实验 按照单因素实验得出的最优组合进行验证实验，计算提取率。

1.2.3 木聚糖含量测定方法 木聚糖含量按以下公式计算:C(%)=(C1-C2)×0.9。式中:C-木聚糖含量;C1(%)-总糖含量;C2(%)-还原糖含量;0.9-木聚糖聚合系数。总糖(TS)的测定:取一定量的木聚糖液，pH 调节为5，加入4 倍体积无水乙醇，4℃静置过夜，3000r/min 离心15min，获取沉淀，并在沉淀中加入一定量的8% H2SO4，100℃水解2h，定容100mL，过滤后采用DNS 法［12-13］测定还原糖的质量，将其乘以木聚糖聚合因数0.9 得到的数值即是木聚糖质量。

1.2.4 木聚糖粗提液的脱色和除蛋白处理 将木聚糖粗提液用活性炭进行脱色处理，每100mL 液体中添加5g 活性炭，置于70℃恒温水浴振荡脱色时间60min，8000r/min 离心20min，收集上清夜。将脱色后的提取液与Sevage 试剂以4∶1 混合，充分振荡后，静止30min，8000r/min 离心20min，得到的上清液为经脱色、脱脂的木聚糖溶液［14］，将脱蛋白后的木聚糖液在200～400nm 范围扫描。

1.2.5 木聚糖的纯化 使用阴离子交换树脂Capto Q进行柱层析［15］，填充柱高度为30cm，柱直径2.0cm。平衡液采用20mmol/L pH7.6 PB 缓冲溶液，上样量5mL，流速为1.0mL/min，然后使用0.5mol/L NaCl 溶液作为洗脱液，检测波长为490nm。收集洗脱峰，检测回收率，干燥后计算木聚糖含量。回收计算公式:

回收率(%)=(层析后木聚糖质量/层析前木聚糖质量)×100。

2 结果与分析

2.1 木聚糖的粗提结果

本实验采用酸预处理高温蒸煮法提取甜玉米穗轴木聚糖。单因素得到的最佳提取条件为硫酸浓度2g/L、料液比1∶10、蒸煮温度150℃、时间30min。在单因素实验基础上，选择合适的水平，进行四因素三水平正交实验，正交实验结果如表2 所示，影响木聚糖粗提因素的重要性次序为D ＞C ＞A ＞B，最优组合为A3B2C2D3。即最佳提取条件为硫酸浓度3g/L，物料比1∶10，蒸煮温度150℃，蒸煮时间60min。按照最优组合进行验证实验，结果测定提取率为27.32%。玉米穗轴经3g/L 的H2SO4浸泡12h 后，组织纤维结构疏松，机械牢固性遭到破坏，纤维素之间的连接性被削弱，木聚糖充分游离出来。蒸煮法条件较温和，产生的副产物较少。如果玉米穗轴蒸煮温度过高会致使木聚糖β-1，4 糖苷键断裂发生自水解现象，生成副产物糠醛［16］。

表2 木聚糖提取的正交实验结果Table 2 Results of orthogonal test of xylan extraction

2.2 木聚糖粗提液的脱色和除蛋白结果

活性炭脱色除吸附有色物质外还能除浊、除臭，降低糖浆的灰分含量，提高产品稳定性等［17］，活性炭脱色率为78.03%。除蛋白后的木聚糖液分别在260nm 处、280nm 处无核酸吸收峰和蛋白质吸收峰，说明样品核酸和蛋白质极低，基本达到了木聚糖液初步纯化的目的［2］。

2.3 木聚糖纯化的结果

木聚糖液过柱后有两个明显的峰出现(图1)，峰1 为流穿峰，是未与阴离子交换剂结合的微量蛋白质和其他杂质成分，检测后木聚糖含量极低。峰2 是0.5mol/L NaCl 溶液的洗脱峰，检测为木聚糖成分，纯化的回收率为51.8%。将收集的峰2 液冻干成粉后，测得木聚糖的含量为82.7%。

图1 木聚糖粗提液过Capto Q 填料图谱Fig.1 Xylan extracting solution by Capto Q

3 结论

根据上述研究结果，木聚糖的最佳提取工艺为3g/L 的H2SO4浸泡12h，料液比为1∶10，蒸煮温度为150℃，蒸煮时间为60min，提取率为27.32%。粗提液再经Capto Q 阴离子交换树脂进一步纯化，回收率达到51.8%，得到的冻干粉中木聚糖含量为82.7%。目前，木聚糖的生产还处于工业化的起步阶段，虽然有少量工业化产品面市，但仍存在产品纯度不高，回收率低的问题，还需要进一步改进工艺，以低成本、高质量的产品来满足广大人民群众追求身心健康的需要。本研究采用酸预处理高温蒸煮法提取木聚糖，方法简单，易操作。使用的柱层析填料Capto Q是阴离子交换树脂，具有载量大，刚性强，分辨率高，流速快，使用方便等特点，适合工业化生产时使用。本实验为工业化生产甜玉米穗轴的水溶性木聚糖提供了必要的数据支持。

［1］胡叶碧，王璋.纤维素酶和木聚糖酶对玉米皮膳食纤维组成和功能特性的影响［J］.食品工业科技，2006，27(11):103-105.

［2］张静文，张凤清，张培刚，等.玉米芯多糖的提取及其单糖组成研究［J］.食品工业科技，2010，31(3):242-244.

［3］石波，李里特.玉米芯酶法制取低聚木糖的研究［J］.中国农业大学学报，2001，6(2):92-95.

［4］梁涛，李世虹，欧仕益.利用玉米芯制备对香豆酸和低聚木糖的研究［J］.食品工业科技，2011，32(12):341-344.

［5］胡祈淮，罗楚平，李讯，等.以玉米芯木聚糖为碳源的草菇木聚糖酶的发酵条件［J］.无锡轻工大学学报，2004，23(2):94-97.

［6］庞宗文，郭法谋，徐勇，等.高产木聚糖酶嗜热子囊菌固体发酵条件与酶学性质［J］.食品工业科技，2012，33(3):170-174.

［7］杨瑞金，许时婴，王璋.用于低聚木糖生产的玉米芯木聚糖的蒸煮法提取［J］.无锡轻工大学学报，1998，17(4):50-53.

［8］赵灵希，郭仁杰，熊海容.玉米芯中木聚糖提取方法的研究［J］.武汉纺织大学学报，2012，25(3):60-62.

［9］Ebringerova A.Structural diversty and application potential of hemicelluloses［J］.Macromolecular Symposia，2006，232:1-12.

［10］王晓辉，王文雅，袁其朋，等.H2O2催化预处理对玉米芯酶解的影响［J］.食品工业科技，2011，32(10):268-272.

［11］邵佩兰，朱晓红，徐明，等.用蒸煮法从玉米芯中提取木聚糖的研究［J］.宁夏农学院学报，2002，23(1):37-38.

［12］舒国伟，张璐，刘谕，等.玉米芯中提取木聚糖的研究［J］.甘肃农业大学学报，2008，43(2):131-135.

［13］姚笛，马萍，王颖，等.响应面法优化玉米芯中木聚糖的提取工艺［J］.食品科学，2011，32(8):111-115.

［14］黄海，杨瑞金，王璋.低聚木糖的脱色工艺［J］.无锡轻工大学学报，2002，21(3):89-93.

［15］Bao Yang，Yueming Jiang，Mouming Zhao，et al.Structural characterization of polysaceharides purified from longan(Dimocarpus longan Lour.)fruit pericarp［J］.Food Chemistry，2009，115:609-614.

［16］杨瑞金，许时婴，王璋.低聚木糖的酶法生产［J］.无锡轻工大学学报，2000，19(4):340-344.

［17］孙伟伟，曹维强，王静，等.DNS 法测定玉米芯秸秆中总糖［J］.食品研究与开发，2006，27(6):120-123.