蒸煮法提取玉米芯中木聚糖的条件研究

汤卫华，魏纪平，张乐（天津现代职业技术学院生物工程学院，天津300350）

蒸煮法提取玉米芯中木聚糖的条件研究

汤卫华，魏纪平，张乐
（天津现代职业技术学院生物工程学院，天津300350）

基于玉米芯中木聚糖与纤维素和木质素之间通过化学键紧密结合，为了从玉米芯中提取木聚糖，采用预处理与蒸煮相结合的方法。3种预处理液（H2SO4、NaOH和蒸馏水）中，NaOH预处理效果最好。碱液预处理可以使玉米芯充分溶胀，并去除部分杂质。预处理结束后，对玉米芯进行进一步的蒸煮提取，对蒸煮条件进行正交试验，确定木聚糖提取的最佳条件为蒸煮时间为40 min、蒸煮温度为120℃和料液比为1∶10（g/mL）。在此条件下，木聚糖提取率、平均聚合度和色度分别是26.7%、2.8和0.85。

蒸煮法；木聚糖；预处理；平均聚合度

木聚糖是植物细胞中半纤维素的主要成分，也是生产低聚木糖和木糖的主要原料。常用的木聚糖提取原料有玉米芯、麸皮、甘蔗渣、玉米秸秆、花生壳、棉籽壳等。不同来源的农业废弃物其组成成分是不同的，其中玉米芯中的半纤维素含量较高，同时玉米芯的来源广泛且价格低廉，是制备木聚糖的理想原料。

玉米芯的组成成分中半纤维素占35%～40%，纤维素占32%～36%，木质素占25%以及少量灰分［1］。纤维素、半纤维素和木质素分子之间存在不同的结合力，其中半纤维素与纤维素之间以氢键连接，而半纤维素与木质素以醚键连接，形成半纤维素-酯-阿魏酸-醚-木素桥联。同时木质素和半纤维素相互交联覆盖于纤维素表面，形成了致密的保护层［2］。为了能从玉米芯中提取半纤维素木聚糖，必须破坏玉米芯细胞壁的结构，分离出木聚糖。目前破坏细胞壁的方法有碱抽提、高温蒸煮法和气爆法等，同时还有研究者探讨超声波［3］和微波［4］处理方法，后两种方法目前无法实现工业化。目前最常用的是碱抽提、高温蒸煮法和气爆法。

碱抽提法具有得率较高、提取纯度高的优点，但是碱性物质的用量较大，容易引起设备腐蚀［5］。高温蒸煮法是在130℃～170℃高温下处理，其优点是处理量大，得率较高。但是采用过高温度处理会产生一系列副产物，包括可溶性木质素、大量单糖及单糖裂解物，同时高温蒸煮法需要特别的设备［6］。本研究采用化学物质抽提法与蒸煮法相结合的方法，集两种方法的优点，以期制备较高浓度的木聚糖，同时尽量降低产品的副产物。

1　材料与方法

1.1材料与试剂

玉米芯：市售；苯酚、NaOH、H2SO4、3，5-二硝基水杨酸、酒石酸钾钠：分析纯，天津市化学试剂一厂提供。

1.2仪器与设备

F2102型粉碎机：天津泰斯特仪器有限公司；DZKWD-6恒温水浴锅：北京市永光明医疗仪器厂；G154-TR全自动立式高压灭菌锅：致微（厦门）仪器有限公司。

1.3方法

1.3.1玉米芯的粉碎

选择风干的、无发霉的玉米芯用粉碎机粉碎过80目筛，备用。

1.3.2不同预处理液对玉米芯中木聚糖得率和平均聚合度的影响

称取1.0 g玉米芯3份，分别加入10倍体积预处理液（1.0%H2SO4、1.0%的NaOH和蒸馏水）。在60℃下预处理12 h，调节pH至中性。将该玉米芯液（固液比为1∶10 g/mL）置于高压蒸汽灭菌锅内120℃下蒸煮60 min后，抽滤，测定上清液中木聚糖的含量。

1.3.3不同的蒸煮温度对木聚糖提取率的影响

称取1.0 g玉米芯4份，经过预处理后，将玉米芯液（固液比1∶10 g/mL）置于高压蒸汽灭菌锅内100、110、120、130℃下分别处理60 min后，抽滤，测定上清液中木聚糖的含量。

1.3.4不同的蒸煮时间对木聚糖提取率的影响

称取1.0 g玉米芯4份，经过预处理后，将玉米芯（固液比1∶10 g/mL）置于高压蒸汽灭菌锅内120℃下分别处理30、60、90、120 min后，抽滤，测定上清液中木聚糖的含量。

1.3.5不同的固液比对木聚糖提取率的影响

称取1.0 g玉米芯4份，将过预处理后，调整玉米芯的固液比为1∶5、1∶10、1∶15、1∶20（g/mL），将该玉米芯液置于高压蒸汽灭菌锅内120℃下处理60 min后，抽滤，测定上清液中木聚糖的含量。

1.4测定方法

1.4.1总糖和还原糖的测定［7］

总糖含量测定采用苯酚硫酸法，还原糖含量测定采用DNS法。

1.4.2木聚糖含量和得率

木聚糖含量（g/L）=总糖含量（g/L）×0.88，0.88：校正系数。

木聚糖得率/%=玉米芯木聚糖含量（g/L）×滤液体积（L）/玉米芯质量（g）

1.4.3平均聚合度

平均聚合度（D.P）=总糖浓度/还原糖浓度

1.4.4色度测定方法

将待测木聚糖液调至pH7.0左右，测定滤液稀释10倍后420 nm处的吸光值［8］。

2　结果与讨论

2.1不同预处理液对玉米芯中木聚糖得率和聚合度的影响

选择3种常用的预处理液（1.0%H2SO4、1.0%NaOH和蒸馏水）处理玉米芯粉末，然后在同一条件下进行蒸煮，蒸煮结束后，测定木聚糖含量，结果如图1所示。

图1　不同的预处理液对木聚糖提取率及平均聚合度的影响Fig.1　Effect of different pretreatment liquid on the extraction rate and the average degree of polymerization

从图1可知，不同的预处理液中，NaOH预处理后木聚糖提取率高于H2SO4，蒸馏水预处理中木聚糖的提取率最低。这是因为碱性物质预处理玉米芯可以打断木质素与半纤维素之间的化学键，同时使位于细胞次生壁的木质素优先从细胞壁内侧脱除，有利于木聚糖的提取［9］。稀H2SO4预处理中，除了能脱除玉米芯的半纤维素和少量木质素外，还会造成大分子物质的降解。还可能会造成植物细胞的纤维结构发生改变，其表面形成由木质素降解产物与碳水化合物合成的球状颗粒-假木素［10］，这些假木素可能会阻碍木聚糖的提取。而蒸馏水的预处理，仅能够使纤维质材料完全溶胀，能将少量半纤维素溶解，对植物细胞壁的结构改变最小，因此木聚糖的提取率最低。3种预处理液中平均聚合度（D.P）值呈现不同，D.P值定性表示木聚糖主链的断裂程度，D.P值越小表示断裂程度越大［11］。蒸馏水预处理后D.P值达到3.4，而稀酸液处理后的玉米芯D.P值最低，为2.4。基于木聚糖提取率和D.P值，选择NaOH为预处理液。

2.2蒸煮温度对玉米芯木聚糖得率和平均聚合度的影响

图2　蒸煮温度对木聚糖提取率、平均聚合度和色度的影响Fig.2　Effect of cooking temperature on the xylan extraction rate，average degree of polymerization and color value

玉米芯经过碱液预处理后，分别考察不同的蒸煮温度（100、110、120、130℃）对玉米芯木聚糖提取的影响，结果见图2。由图2可知，随着提取温度的提高，木聚糖提取率和D.P值都提高。这说明温度越高，木聚糖的主链断裂，越有利于木聚糖的溶出，由于木聚糖没有进一步降解，因此D.P值也随着温度提高而不断升高。同时温度越高，更多可溶性木质素的溶出，同时包括成色反应包括焦糖化反应、美拉德反应及木糖等还原糖的酸降解反应［12］，造成溶液的色度越高，这对于后续的纯化分离造成困难。因此综合考虑木聚糖提取率、平均聚合度和色度值，选择的蒸煮温度为120℃。

2.3蒸煮时间对木聚糖提取率和平均聚合度的影响玉米芯经碱液预处理后，分别考察不同的蒸煮时间（30、60、90、120 min）对玉米芯木聚糖提取率和平均聚合度的影响，结果见图3。

图3　蒸煮时间对木聚糖提取率、平均聚合度和色度的影响Fig.3　Effect of cooking time on the xylan extraction rate，average degree of polymerization and color value

在120℃下，随着蒸煮时间的提高，木聚糖提取率和色度均提高，这说明蒸煮时间越长，更多的木聚糖从玉米芯中溶出，同时溶液中副反应也增多，造成提取液的色度提高。而平均聚合度随着蒸煮时间的延长反而下降，这是因为更多的木聚糖分解为木糖。从图3可以看出，蒸煮时间越长，木聚糖提取率提高，但是当蒸煮时间达到60 min后，再提高蒸煮时间，其木聚糖的提取率增加缓慢，蒸煮60 min和120 min提取率仅相差0.7%。因此选择的蒸煮时间是60 min。

2.4固液比对木聚糖提取率和平均聚合度的影响

玉米芯经过碱液预处理后，考察固液比1∶5、1∶10、1∶15、1∶20（g/mL）条件下，木聚糖的提取率和平均聚合度，见图4。

图4　固液比对木聚糖提取率、平均聚合度和色度的影响Fig.4　Effect of solid to liquid ratio on the xylan extraction rate，average degree of polymerization and color value

从图4可以得知，随着固液比的提高，玉米芯中木聚糖的提取率具有先上升后下降的趋势，当固液比为1∶10（g/mL）时，木聚糖的提取率最高，为26.5%。这表明高压蒸煮法提取木聚糖有一个最佳的固液比，当固液比太低，会导致木聚糖提取不彻底；而当固液比太高，会造成后续的分离纯化及浓缩造成困难。不同的固液比下，木聚糖的D.P值呈现稍有下降的趋势，但是D.P值差异不大，虽然随着固液比的提高，木聚糖提取液的色度下降，但主要可能是被稀释而导致的。综合考虑木聚糖提取率和平均聚合度最终选择固液比为1∶10（g/mL）。

2.5正交优化提取条件

在单因素试验的基础上进行正交试验，以木聚糖提取率为考察指标，进一步优化木聚糖提取条件，正交试验因素水平设计如表1所示，正交结果分析见表2。

表1　 正交试验因素水平Table 1　Factors and levels in orthogonal experiment

由正交结果分析可以得出蒸煮时间（A）、蒸煮温度（B）、固液比（C）组合A1B2C2最好，即蒸煮时间为40 min，蒸煮温度为120℃，固液比为1∶10（g/mL）。

采用以上的最优提取处理玉米芯，测定木聚糖提取率、平均聚合度和色度分别是26.7%、2.8和0.85。与单独的蒸煮法相比（图5），木聚糖提取率提高了30.9%。

表2　 正交结果分析Table 2　Orthogonal Results

图5　两种提取方式下木聚糖提取率Fig.5　Differences in the extraction rate of the two methods

3　结论

采用预处理与蒸煮法处理玉米芯提取木聚糖，研究发现采用不同的预处理液（1.0%H2SO4、1.0%NaOH和蒸馏水）处理玉米芯时，1.0%NaOH的预处理效果最好。通过正交试验优化蒸煮条件，蒸煮时间为40 min，蒸煮温度为120℃，固液比为1∶10（g/mL）。该条件下，木聚糖提取率、平均聚合度和色度分别是26.7%、2.8 和0.85。与单一的蒸煮法相比，木聚糖的提取率提高了30.9%。

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Study on the Extraction Conditions of Xylan from Corncob by Steaming

TANG Wei-hua，WEI Ji-ping，ZHANG Le
（Department of Chemical Biology，Tianjin Modern Vocational Technology College，Tianjin 300350，China）

Xylan，cellulose and lignin in corncob were closely linked by chemical bond.In order to extract xylan from Corncob，the combination of the pretreatment liquids and cooking methods was used.Among three kinds of pretreatment fluids（NaOH，H2SO4and distilled water），the effect of NaOH was the best.Alkaline pretreatment of corncob can make full swelling，and remove some impurities.After the alkaline pretreatment，the corncob were further cooking extraction.Orthogonal experiments were carried out for cooking conditions，The optimum extraction conditions were as follow：cooking time was 40 min，cooking temperature was 120℃and ratio of solid to liquid was 1∶10（g/mL）.Under these conditions，the extraction rate，the average degree of polymerization and color value were 26.7%，2.8 and 0.85，respectively.

cookingmethod；xylan；pretreatment；averagedegreeofpolymerization

10.3969/j.issn.1005-6521.2016.15.020

天津市津南区科技计划项目（20141201）

汤卫华（1979—），女（汉），副教授，博士，研究方向：生物技术与生物合成。

2015-08-27