浅谈玉米芯中木聚糖提取工艺的研究进展

郑三

(山东省鲁南地质工程勘察院,山东兖州 272100)

浅谈玉米芯中木聚糖提取工艺的研究进展

郑三

(山东省鲁南地质工程勘察院,山东兖州 272100)

综述了玉米芯中木聚糖提取工艺的研究现状。不同的研究结果表明,不同条件下玉米芯中木聚糖的提取率各有差异。多数情况下,传统的碱法提取和蒸煮法提取等工艺中,木聚糖的提取率在18%-28%之间;采用微波辅助法,木聚糖的提取率可达30%左右。比较微波辅助提取与常规法提取可以看出,两者的木聚糖提取率相差不大。但微波辅助能够大大缩短提取时间,降低提取温度,使木聚糖提取过程更容易。

玉米芯 木聚糖 碱法 蒸煮法 微波 提取

中国是一个农业大国，玉米是中国三大粮食作物之一。据统计，中国每年大约可产生0.4亿t玉米下脚料—玉米芯。然而，大部分玉米芯被作为燃料焚烧，造成很大浪费，而且严重污染环境[1]。据报道，玉米芯中半纤维素占35%-40%，其主要成分为木聚糖[2]。木聚糖对人体有诸多益处：如增殖双歧杆菌、膳食纤维脱毒、消炎、促进有丝分裂等。木聚糖经水解后可生产国际市场上急需的低聚木糖、木糖等疗效食品[3-6]。作为生产低聚木糖及其他木糖产品的原料，木聚糖的提取与水解是关键步骤。因此，如何能够在保证产量的前提下降低工艺条件要求，一直是广大食品、环境科学家关注的问题。当前有关对玉米芯中木聚糖提取工艺研究进展的报道较少，本文将着重对玉米芯中木聚糖提取工艺的研究现状进行综述。

1 木聚糖结构简介

木糖是一种五碳醛糖，以大分子的木聚糖形式广泛存在于植物半纤维中。纯净的木糖是一种无色至白色的结晶或针状粉末，不易被人体消化吸收，低热值，不易被腐败菌发酵，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]。木聚糖是木糖的聚合体，其结构复杂，由β-1，4-糖苷键连接β-D-吡喃型木糖单元构成主链，依来源不同在主链或侧链上带有多种不同的取代基，如乙酰基、阿拉伯糖残基、葡萄糖残基等。木聚糖可经过酶水解等方法制备低聚木糖。低聚木糖又称木寡糖，是由2-7个D-木糖以β-1，4-木糖苷键结合而构成的低聚糖[8，9]。

2 玉米芯中木聚糖的提取工艺

玉米芯中的木聚糖不是以游离的形式存在，而是与木质纤维的其他组分如木质素、果胶和纤维素等通过共价键或其他化学键连接在一起[10]。这些成分的存在及木聚糖本身的侧链基团使木聚糖的提取工艺复杂繁琐。简化该操作工艺一直是该领域的研究热点。根据操作流程的不同，玉米芯中木聚糖的提取工艺主要有碱法提取、碱法-微波辅助法、蒸煮法等。

测定提取滤液中的还原糖量，乘以木聚糖聚合系数0.9为木聚糖质量。提取率计算公式：

式中，m—木聚糖质量(g)；M—原料质量(g)

2.1 玉米芯中木聚糖的碱法提取

邵佩兰[11]等以玉米芯为原料，探讨了影响玉米芯木聚糖提取的因素。通过研究不同提取方法、粉碎度、品种、反应温度、反应时间、pH值等对木聚糖提取率的影响，得出不同方法提取的木聚糖提取率顺序为：碱法＞蒸煮法＞沉淀法。提取过程中玉米品种、粉碎度、温度、时间、pH值等因素都影响木聚糖提取率，尤以温度、时间、pH值影响较大。当pH=9.0、80℃、2h的条件下浸提率较高。金显春[12]等在参考Garcia[13]等的提取方法基础上，将玉米芯与水按质量比1：20，搅拌24h后加体积分数为1.5%的次氯酸钠氧化除杂，再加4%NaOH溶液提取5h，用0.2mol/L乙酸中和后加入甲醇醇沉，甲醇及异丙醇醇洗，测得木聚糖得率为18.9%。该工艺操作条件比较温和，但其提取率较低。李秀婷[14]等研究了碱法提取玉米芯中水不溶性木聚糖的优化条件。通过正交试验得出：40℃预煮处理，碱质量分数15%，固液比为1：15，100℃下提取4h，此条件下木聚糖提取率为20.86%。张红利[15]等将玉米先经酸处理，用NaOH溶液水解法提取木聚糖，通过单因素实验考察了浸提时间、固液比、碱浓度、浸提温度对木聚糖提取率的影响。通过正交实验对工艺条件进行优化，分析得出最佳条件为6%(质量分数)NaOH溶液，固液比1：21，浸提温度91℃，浸提时间94min。在此条件下，玉米芯木聚糖提取率为20.3%。为提高木聚糖得率，姚笛[6]等采用响应面法优化碱法提取玉米芯中木聚糖的工艺条件。根据单因素试验(碱液质量浓度、固液比、处理时间、处理温度)结果设计中心组合试验，采用响应面分析法确定最优工艺参数。结果表明：NaOH溶液的质量浓度为25g/100mL、固液比1：25(g/mL)、94℃抽提3h，在上述条件下木聚糖得率为24.39%，并得出响应面优化法能够提高玉米芯中木聚糖得率的试验结论。为了进一步提高木聚糖提取率，舒国伟[1]等通过单因素及正交实验对从玉米芯中提取木聚糖的工艺条件进行了优化。玉米芯粉碎后筛分得80目颗粒，NaOH溶液浓度为15%，固液比为1：20，在90℃下浸提90 min，离心，将上清液调至pH=5.0，静置离心得木聚糖A，再将上清液用3倍体积95%工业酒精沉淀60 min得木聚糖B。在该条件下木聚糖提取率为28.5%。

温度是限制玉米芯木聚糖提取率的因素之一。为探寻较低的操作工艺温度，罗英[16]等以玉米穗轴为材料分离制备木聚糖。经过试验得出了适宜玉米穗轴木聚糖的最佳提取条件为：60℃条件下浸泡1h，冷藏8-10h，乙醇抽提用量为原木聚糖溶液的2-3倍，证实粗木聚糖产量为1.8 g/L，含量为96.8%(戊聚糖含量=C*0.88/(m*1000)*100% 式中，C由标准液差得的木糖浓度；0.88为戊糖与木糖的比例系数；m为样品质量)。马庆一[17]等用50g40目玉米芯粉浸泡于500mL10%NaOH溶液中，调pH=7，不同温度下浸提4h。结果表明：随温度升高，木聚糖的提取率也逐渐升高，当温度升至85℃时达最大值，为14.142%。张金永[17]等通过研究NaOH浓度及温度对玉米芯木聚糖提取率的不同影响发现，在固液比1：10，NaOH质量浓度4%，50℃条件下处理24h，木聚糖的提取率可达91.0%(木聚糖提取率=碱液中木聚糖含量/原料中木聚糖含量*100%)。

不难看出，采用传统的碱法工艺来提取玉米芯中的木聚糖，单一地改变其他操作单元条件，提取率没有大的变化。

2.2 微波辅助法提取玉米芯木聚糖

微波技术是近些年来发展较快的一项新技术，具有高效率、无污染的优点。王铮敏[19]曾报道了超声波在植物有效成分提取中的应用。之后，将微波应用于作物中成分的提取日益受到青睐，很多科技研究者将微波法用于玉米芯中木聚糖的提取工艺。

丁长河[20]等用酸法、碱法、双氧水法处理玉米芯，比较了经微波处理与不经微波处理的酶解液的主要成分、提取率和还原糖的含量。结果表明：不经微波处理的玉米芯木聚糖酶酶解结果中，以双氧水法处理的样品木聚糖提取率可达20.6%。杨健[21]等考察了用超声波法提取玉米芯木聚糖时各因素对提取率的影响。通过正交实验，分析结果表明：在时间30min，原料质量分数3.23%，功率280W，温度60℃的条件下，用质量分数为7%的NaOH溶液提取木聚糖，提取率可达29.34%。若玉米芯经水煮后，木聚糖提取率为33.01%。汪怀建[22]等利用超声波辅助法提取玉米芯木聚糖，通过响应面分析得出该工艺操作的最佳条件：以10%NaOH为提取剂，功率266W，时间为52min，提取温度为71.1℃，液料比为20.39(mL/g)。在此条件下，通过试验验证得出，玉米芯木聚糖提取率平均值为29.7722%。为探究得到更高的提取率，缩短提取时间，金显春[2]利用微波辅助对提取玉米芯中木聚糖条件优化进行了研究。通过均匀设计分析，得出微波辅助法提取玉米芯木聚糖的最佳条件：粒度50目的玉米芯，以质量分数为10%的NaOH溶液为提取溶剂，微波功率为600W，提取时间为15min，液固比为10：1。此条件下，通过试验分析得出，玉米芯木聚糖提取率(=木糖质量/绝干原料中木聚糖质量*100%)达86.7%，大大缩短了提取时间，且降低了液固比。

2.3 蒸煮法及其他操作工艺

蒸煮法提取木聚糖是传统工艺之一，其原理是利用木聚糖自身含有的乙酰基在高温的作用下脱落成乙酸，使体系pH值降低，从而使木聚糖在较高温度下β-1，4-糖苷键断裂，木聚糖分子量降低，溶解度增大。

李慧静[23]等人利用蒸煮法对玉米芯中的木聚糖进行提取，木聚糖的提取率为31.21%。余东霞[24]等通过对玉米芯中木聚糖提取时几种不同条件的比较，确定了水-酸-水预处理后，在150℃下高温蒸煮1h的方法提取木聚糖，提取率达到29.97%。通过对预处理前后蒸煮测定的结果对比，说明预处理是必要的。相对于余东霞等人的150℃高温条件，邵佩兰[25]等改进玉米芯木聚糖的提取方法，将粉碎至5mm大小颗粒的玉米芯用0.1%H2SO4在60℃条件下浸泡12h，滤去浸泡液，然后加水至固液比为1：10，于120℃下蒸煮60min。结果显示：木聚糖的提取率为20%，且提取液的还原糖与总糖质量之比小于38%。虽然该工艺中木聚糖的提取率较低，但其水解条件温和，副产物相对较少。

除上述外，还有很多研究者用其他方法探求玉米芯木聚糖提取工艺的最佳条件。许炳磊[26]等采用蒸汽爆破法处理玉米芯。通过响应曲面法，研究了不同汽爆压力和维压时间对玉米芯半纤维素、纤维素和木质素降解率的影响。采用Box-Behnken试验设计法进行研究，得到了纤维素基本不降解的区域条件：汽爆压力x1=1.946MPa，维压时间x2=155.7s；在该条件范围内，汽爆压力x1=1.6MPa，维压时间x2=113s时，半纤维素具有最大降解率，达44.8%，木聚糖产率为39.4%。此外，岳昌海[27]等利用醋酸作催化剂水解玉米芯中半纤维素来制做还原糖，也得到了良好的试验效果。

3 结语

诸项研究表明，通过不同的工艺方法可以在一定程度上提高玉米芯中木聚糖的提取率，但都具有一定的局限性。酸法提取的木聚糖中木糖含量太高，不利于后序低聚糖的生产；碱法提取木聚糖的料液浓度太高，不便于生产操作，且碱液易腐蚀设备，污染环境；微波辅助提取有较高收率，但微波设备比常规设备的价格高很多，将其用于大规模生产还有一定的资金难度。由于该工艺中受温度、提取液等多方面因素影响，如何在提高其提取率的同时平衡其它条件，能够在较温和的环境中达到高生产效益的目的，还需要进行更多的试验研究。

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This article is to review the research progress of the xylan from corn cob.The results showed that the yield of xylan obtained was distinct under different conditions.Many times ,the yiled of xylan were 18%-28% in the traditional extraction process,such as steaming and alkali method.When microwave technique was employed to the extraction,the yield could be reached 30%.Compared with traditional extraction technique,the microwave technique could not increase the yield largely.However,using the microwave technique , extraction time is significantly shortened, extraction temperature is decreased,and extraction progress is easier.

corn cob;xylan alkali;steaming microwave extraction

郑三(1980—),女,山东鱼台县人,专科,技术工人,从事仪器分析研究工作。