玉米芯的综合利用研究技术进展

李昌文，张丽华，纵伟，李江涛

（1.郑州轻工业学院食品与生物工程学院，河南郑州450002；2.食品生产与安全河南省协同创新中心，河南郑州450002）

玉米芯的综合利用研究技术进展

李昌文1，2，张丽华1，2，纵伟1，2，李江涛1

（1.郑州轻工业学院食品与生物工程学院，河南郑州450002；2.食品生产与安全河南省协同创新中心，河南郑州450002）

玉米芯是玉米生产和加工的副产物，资源丰富。玉米芯通常被当作饲料和燃料使用或作为废弃物，未能充分利用。对玉米芯进行开发和综合利用，可提高农副产品的经济效益和社会效益。叙述了以玉米芯为原料生产还原糖、木糖、木聚糖、多酚、多糖、糠醛、黄原胶、生物质活性炭、木质素、丁醇、2，3－丁二醇、改性玉米芯的生产工艺和研究进展，为玉米芯的综合利用提供参考。

玉米芯；副产物；综合利用；技术

玉米在我国的种植面积大、分布广，年产量高达千亿公斤，位居世界第2位，玉米芯是玉米生产和加工的副产物，其产量达千万吨以上，玉米芯除少部分用在造纸制浆、生物制糖和家畜饲料等方面，其余大部分被丢弃或烧掉，造成资源浪费严重。近年来，国内外许多科研工作者对玉米芯的开发利用进行了大量研究。本文叙述了以玉米芯为原料生产还原糖、木糖、木聚糖、多酚、多糖、糠醛、黄原胶、生物质活性炭、木质素、丁醇、2，3－丁二醇、改性玉米芯的生产工艺及相关研究进展，以期对玉米芯资源的研究、开发和进一步利用提供参考。

1玉米芯简介

玉米芯是玉米果穗去籽脱粒后的穗轴，一般占玉米穗重量的20.0%～30.0%，具有组织均匀、硬度适宜、韧性好、吸水性强、耐磨性能好等优点，是一种重要可回收利用的资源［1］。玉米芯的主要成分以纤维素、半纤维素、木质素和木聚糖为主。玉米芯中还有其他成分，如粗蛋白、粗脂肪、糖类、矿物质等。玉米芯经处理后可生产出重要的化工原料，如还原糖、木糖、木聚糖、多酚、多糖、糠醛、黄原胶、生物质活性炭、木质素、丁醇、2，3－丁二醇、改性玉米芯等高附加值产品［2］。

2玉米芯综合利用的技术及研究技术

2.1玉米芯制备还原糖

玉米芯中含有大量的纤维素、木质素、半纤维素、木聚糖等天然高分子物质，其中纤维素的含量最高，可以将其转化为容易利用的单糖，不仅可以解决环境污染问题，还能取得良好的经济效益。罗鹏等研究了以玉米芯为原料，使用超临界二氧化碳及超声波辅助提取的预处理后，再用稀酸水解制备还原糖，结果表明两种预处理条件下对应的最大还原糖产率分别为39.5%和38.4%，相比空白样品分别提高13.3%和12.2%［3］。说明玉米芯采用超临界二氧化碳及超声波辅助提取的预处理后还原糖得率得到明显提高。

2.2玉米芯生产木糖

米芯富含半纤维素，可以用来进行预处理水解生产木糖。然而玉米芯结构复杂，纤维素、半纤维素和木质素相互缠绕，形成网状结构，要对半纤维素进行水解，就必须破坏生物质的保护结构，对生物质进行预处理。研究表明，稀酸在常温条件下容易水解半纤维素，对纤维素和木质素溶解性则很小，所以稀酸常被用来水解生物质产木糖，这在一些生物质（如甘蔗、玉米秸秆和木材等）中已经得到应用［4-5］。吴晓斌等对稀盐酸和硝酸水解玉米芯生产木糖进行了研究，得到最适宜水解条件为温度150℃，预处理时间10 min，酸质量分数为1.0%；对应HNO3得到的木糖浓度为56.77 g/L，产率96.31%；HCl木糖浓度为45.38 g/L，产率76.99%。通过对比得出HNO3对玉米芯的水解效果要优于HCl［6］。酶法也可提高木聚糖的产率，王东美等研究采用酶法降解经蒸汽爆破的玉米芯半纤维素产木糖，木糖产率高达83.24%［7］。

2.3玉米芯生产木聚糖

木聚糖是广泛存在于自然界的植物纤维中半纤维素的主要成分，它由木糖经β-1，4糖苷键连接而成。木聚糖经酶水解可生产国际市场上急需的低聚木糖、木糖等功能食品。玉米芯中木聚糖含量在30%以上，可作为生产木聚糖的优质原料。碱法提取木聚糖的研究报道较多［8-11］。例如姚笛等采用碱法提取木聚糖，得到最优工艺为NaOH溶液的质量浓度为25 g/100 mL、固液比1∶25（g/mL）、94℃抽提3 h，提取率为24.39%。徐艳阳等报道应用微波辅助法提取玉米芯木聚糖的最佳条件为：粒度80目的玉米芯，以体积分数为2.0%的硫酸溶液为提取溶剂，微波功率为539 W，微波时间为5 min，固液比为1∶10（g/mL），提取率达30.21%。通常认为微波辅助法提取玉米芯中木聚糖提取率高、时间短［12］。

2.4玉米芯提取多酚

多酚是一类广泛存在于植物体内的多元酚化合物，属于一种非营养性生物剂，在保护人体不受自由基所致的氧化损伤方面有十分重要的作用，可直接影响到蛋白质、脂质、碳水化合物和DNA。赖富饶［13］等研究了超声波辅助提取甜玉米芯多酚的最优条件，结果表明超声辅助提取甜玉米芯多酚最佳工艺条件为：固液比（g/mL）为1∶15，乙醇浓度为80%，提取温度为40℃，超声功率为200 W，提取时间45 min，此条件下所得提取液的总酚提取率为（2.61±0.09）%，因此可以采用一些辅助的方法来从玉米芯中提取多酚。

2.5玉米芯提取多糖

生物活性多糖参与各种生命活动，具有多种生物学功能。如多糖对机体有免疫调节作用，具有增强免疫、抗肿瘤、降血糖、抗病毒、抗凝血、延缓衰老等方面的功能。近年来，对玉米芯多糖的生物活性和药理功效已有一些报道，但对其提取工艺的研究还较少，并且一般采用碱法和酸法。然而，一般的酸提、碱提工艺在一定程度上会破坏其分子结构，从而影响其生物活性、功能，且生产中使用大量酸碱对设备要求高，容易造成环境污染［14-15］。张静文等对玉米芯中水溶性多糖的热水浸提及纯化工艺和其单糖组成进行了研究，结果表明玉米芯多糖的最佳提取工艺为：料水比1∶25（g/mL），温度90℃，时间2.5 h，玉米芯多糖提取率可达13.18%，确定了其单糖组分主要为木糖、树胶醛糖和葡萄糖，这种方法污染小、提取率较高［16］。

2.6玉米芯制备糠醛

糠醛是一种用途很广的基础有机化工原料，广泛应用于合成塑料、医药、农药等工业。目前我国糠醛生产工艺水平比较落后，一般是原料在硫酸或盐酸等催化剂的作用下水解，多缩戊糖转化为戊糖，戊糖再在高温下经脱水环化生成糠醛，糠醛被水蒸汽汽提后再进行精制，这种方法存在能耗高、糠醛收率低、废水废气污染严重等问题。为了改变这种现状，许多科研工作者展开了相关研究。例如李志松等对采用二步法从玉米芯制备糠醛进行了研究，并在水解过程中加入氯化钠作为助催化剂；在环化脱水过程中采用甲苯取代水蒸汽汽提用于反应蒸馏，通过加入甲苯作为糠醛的萃取剂，在氮气流的携带下，加入的甲苯与生成的糠醛一同蒸出，减少了糠醛在反应器中的停留时间，有利于减少糠醛的副反应，提高糠醛的收率，并且可以减少水蒸汽的用量，糠醛收率达到85%［17］。岳丽清等研究了三苯基磷在稀硫酸法水解玉米芯制备糠醛中的应用，试验结果表明：随着三苯基磷用量的增加，糠醛收率明显提高，当三苯基磷加入量为玉米芯总量的0.25%时，糠醛收率升至86.0%，同传统工艺相比，糠醛收率提高20%～25%。由此可见，通过添加三苯基磷的途径可大幅度提高糠醛收率。这些方法的优点是产物收率高，催化剂用量小，环境污染小，具有较好的应用前景［18-19］。

2.7生产黄原胶

黄原胶是由野油菜黄单胞菌以碳水化合物为主要原料，经通风发酵、分离提纯后得到的一种微生物高分子酸性胞外杂多糖，由于它的大分子特殊结构和胶体特性，而具有多种功能，可作为乳化剂、稳定剂、凝胶增稠剂、浸润剂、膜成型剂等，广泛应用于国民经济各领域。已有的研究报道中，黄原胶的发酵生产大多用蔗糖、淀粉水解液等成本相对较高的原材料，何海燕等报道则采用玉米芯为碳源发酵生产黄原胶，通过正交设计确定优化的发酵条件为：发酵培养基蛋白胨浓度0.3%、柠檬酸含量0.01%、发酵液初始pH7、发酵温度33℃、发酵时间为96 h，在优化的发酵条件下黄原胶的产量可达20.78 g/L［20］。因此利用玉米芯来生产黄原胶是黄原胶生产的另一重要途径，具有重要的意义。

2.8玉米芯制备生物质活性炭

活性炭在食品加工、医药、冶金、化工、农业、环保等方面具有广泛用途。活性炭的生产方法主要分为物理活化法和化学活化法。由于玉米芯主要成分是纤维素和木质素，所以玉米芯活性炭的生产工艺同其它木质活性炭一样，主要是化学法，包括磷酸活化法，氯化锌活化法，氢氧化钾活化法、碳酸氢钠活化法等。化学方法的优点在于制备的活性炭孔隙率大，且可通过调整活化剂的浓度生产不同孔径的活性炭，活化时间短、活化反应易控制、产物比表面积大。采用化学方法利用玉米芯制备生物活性炭的研究报道较多［21-22］。例如简相坤等以玉米芯为原料，磷酸为活化剂，硼酸为催化剂制备玉米芯活性炭工艺进行了研究，得出最佳的水平组合是磷酸与玉米芯的质量比为2∶1，硼酸的添加量为4%，活化温度为450℃，活化时间为80 min，添加硼酸比不添加硼酸制备出活性炭的BET比表面积、总孔容、微孔孔容和中孔孔容都大，硼酸没有改变整个活化过程，但有积极的催化活化作用。也有研究报道利用生产糠醛的过程中产生的玉米芯水解废弃物来生产活性碳［23-24］。例如龚建平等则以玉米芯酸水解制备糠醛的废弃物为原料，采用物理法和化学法相结合的方式制造活性炭，试验结果表明：在由糠醛废渣制得的炭质原料中加入2%的灰分促融剂，在900℃下进行水蒸气活化，活化料用15%的盐酸进行酸洗，极大的降低了物料中灰分的含量，可制得品质较好的活性炭，该研究提出了糠醛废渣制活性炭的新工艺，即物理法与化学法相结合，在新的工艺中活性炭的制造过程被优化，并应用了去除灰分的新方法。这些研究都证明玉米芯是制备生物质活性炭的优良原料之一。

2.9玉米芯制备木质素

木质素是一种天然有机高分子化合物，在自然界中，木质素的储量仅次于纤维素，而且每年都以500亿吨的速度再生。木质素广泛存在于木本植物、草本植物和维管植物中，在农作物的秸秆、果壳等下脚料中木质素含量为10%～25%，具有广泛的利用价值，木质素及其衍生物具有多种功能性，例如可作为分散剂、吸附剂/解吸剂、石油回收助剂、沥青乳化剂，其应用前景十分广阔。玉米芯中木质素含量丰富，可以用来提取木质素。贾玲等以甲酸/乙酸水溶液为溶剂提取玉米芯木质素，结果表明，最优的反应条件为：甲酸与乙酸体积比为4∶5，提取温度为91℃，反应时间4 h，在该条件下木质素产率的预测值为67.91%，实验验证值为70.16%［25］。

2.10玉米芯制备丁醇

丁醇是优良的有机溶剂和重要的大宗基础化工原料，主要用于制造邻苯二甲酸、脂肪族二元酸及磷酸的正丁酯类增塑剂，它们广泛用于各种塑料和橡胶制品中，也是有机合成中制丁醛、丁酸、丁胺和乳酸丁酯等的原料；同时因燃烧、储存及运输特性，它是比乙醇更优越的下一代清洁生物燃料。由于玉米棒芯富含纤维素和半纤维素，且价格低廉，是用于发酵生产丁醇的理想原料之一，林逸君等研究利用Clostridium thermocellum与Clostridium beijerinckii偶联发酵玉米棒芯生产丁醇，研究表明C.thermocellum和C.beijerinckii偶联发酵能够有效地利用玉米棒芯生产溶剂16.0 g/L，其中丁醇产量高达8.75 g/L，实现了直接厌氧降解玉米棒芯并进一步发酵成为以丁醇为主的溶剂［26］。

2.11玉米芯制备2，3-丁二醇

2，3-丁二醇广泛应用于化工、食品、燃料和航空航天领域，是石油替代战略中的重要平台化合物。化学法生产2，3-丁二醇是以石油裂解时产生的四碳类碳氢化合物在高温、高压下水解生产得到的，此方法难度大，生产成本高，过程繁琐，难以实现大规模工业化生产，从而也限制了2，3-丁二醇用途的开发。传统的2，3-丁二醇发酵工业主要以玉米、小麦等粮食淀粉或甘蔗汁为原料，以淀粉或糖为原料的生产成本高，可以利用废弃物玉米芯来制备2，3-丁二醇。米芯制备2，3-丁二醇通常采用同步糖化发酵方法。蒋兴对玉米芯同步糖化发酵产2，3-丁二醇进行了研究，结果认为采用同步糖化发酵生产2，3-丁二醇可明显缩短生产周期，提高生产效率。玉米芯中的纤维素、半纤维素的己糖和戊糖可被Klebsiella oxytoca用于发酵生成2，3-丁二醇，当玉米芯残渣质量浓度为120 g/L，同步糖化发酵36 h，2，3-丁二醇可达46.02 g/L［27］。彭晓培等利用玉米芯以2，3-丁二醇生产为研究对象，对同步糖化发酵系统中氮源控制的影响进行了研究，结果认为可以使用发酵过程补氮控制及不同氮源组合方式来达到氮源结构优化目的，从而获得更高的产物转化率，利用发酵过程分批补氮方式获得了27.625 g/L的2，3-丁二醇终产量，较单次投入酵母浸粉（21.273 g/L）提高了29.86%，利用酵母粉与尿素组合的方式获得了28.582 g/L的2，3-丁二醇终产量，较单独使用尿素（25.295 g/L）提高了12.99%［28］。这些研究成果在玉米芯的生物转化与利用方面具有良好的应用前景。

2.12改性玉米芯的制备

玉米芯表面有很多活性官能团，如羟基、羧基、氨基等，这些官能团可以与重金属离子发生离子交换吸附或化学吸附，此外玉米芯的多孔结构使溶液很容易渗透进入玉米芯内部，因此吸附速度较快。并且玉米芯可用盐酸解吸再生，因此可以重复使用［29］。通常认为玉米芯如果不经过改性处理，其对重金属的吸附容量不高，为了提高玉米芯的吸附容量，有必要对其进行一定的改性。许多学者研究了改性玉米芯在重金属污染物的处理方面的应用［30-33］。例如严素定等研究采用KOH、磷酸和柠檬酸对玉米芯进行改性处理，制得4种改性玉米芯MC-1～MC-4，结果表明用KOH对玉米芯改性时，最佳活化温度为750℃；当溶液pH为6、玉米芯投加量为5.00 mg/mL、吸附剂种类为MC-2时改性玉米芯对Cd2＋的吸附效果最佳。张庆芳等研究了磷酸改性的玉米芯吸附水中Cr6+的研究，改性玉米芯对Cr6+有很强的吸附性，其对Cr6+的吸附率与吸附时间、溶液的pH、Cr6+的初始浓度及温度等因素有关，其中，pH对Cr6+的吸附率有很大的影响。这些研究证实了改性玉米芯可以用于处理低浓度重金属废水。改性玉米芯对废水还具有一定的脱色功能，邹雪娟针对采用磷酸改性的玉米芯对苯胺废水的脱色特性进行了试验研究，结果表明用改性玉米芯处理苯胺废水时，其最佳条件是吸附时间为120 min，pH为8，初始浓度为150 mg/L，此时对苯胺废水的脱色效果较好［34］。

3展望

综上所述，我国玉米芯资源丰富，以玉米芯为原料采用现代高新技术对其进行开发生产还原糖、木糖、木聚糖、多酚、多糖、糠醛、黄原胶、生物质活性炭、木质素、丁醇、2，3-丁二醇、改性玉米芯等物质。不仅能使玉米加工的副产物得到综合利用，同时也能获得了良好的经济效益和社会效益，在资源日趋紧张的情况下，玉米芯资源具有广阔的开发前景。

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Research Progress in Comprehensive Utilization of Corn Cobs

LI Chang-wen1，2，ZHANG Li-hua1，2，ZONG Wei1，2，LI Jiang-tao1
（1.School of Food and Biological Engineering，Zhengzhou University of Light Industry，Zhengzhou 450002，Henan，China；2.Henan Collaborative Innovation Center for Food Production and Safety，Zhengzhou 450002，Henan，China）

As the by-product of corn processing，corn cob abounds in China.Corn cob is usually used in feed and fuel field or discarded.The economic and social benefit of agricultural product can be increased by the comprehensive utilization of corn cob.The development of studies on processing techniques of glucose，xylose，xylan，polyphenol，polysaccharide，furfural，xamthan gum，activated carbon，lignin，butanol，2，3-butanediol and modified corncob powder with corn cob as material were mainly introduced，which provided the

of comprehensive utilization of corn cob.

corn cob；by-product；comprehensive utilization；techniques

10.3969/j.issn.1005-6521.2015.15.034

2014-04-19

2012国家级大学生创新创业训练项目（201210462007）

李昌文（1976—），男（汉），副教授，硕士，主要从事农产品加工研究。