玉米芯氧化裂解工艺优化

杨志强，刘香英，田志刚，孙洪蕊，曾宪鹏，孟悦*

吉林省农业科学院（长春 130124）

我国是玉米生产大国，年产玉米2.1亿 t，位居世界第二位。玉米芯作为玉米生产的副产品，资源相当丰富。玉米芯中纤维素占32%～36%，半纤维素占35%～40%，木质素占25%左右，其中半纤维素主要由戊聚糖组成，是生产木糖和L-阿拉伯糖的主要原料[1-2]。L-阿拉伯糖是一种稀有的功能性糖类，属于五碳醛糖，它是一种没有热量的甜味剂，可以选择性对肠道内蔗糖酶的活性起非竞争性抑制作用，对蔗糖的代谢转化具有阻断作用，可以抑制因摄入蔗糖而导致的血糖升高，可以阻止肥胖、预防并治疗与高血糖相关的疾病[3]。木糖也是一种无热量甜味剂，可以用于生产无糖食品，木糖对人体肠道内的双歧杆菌有较高的增殖作用，食用木糖能改善人体的微生物环境，提高机体的免疫能力[4]。

目前，国内L-阿拉伯糖和木糖的生产均采用硫酸、草酸等稀酸水解玉米皮、玉米芯，在制备木糖的同时，从木糖母液中提取L-阿拉伯糖[5-7]。因此酸碱污染问题一直困扰着这个产业的发展，也限制了其产能的释放，不能实现大规模生产，导致产品价格居高不下，L-阿拉伯糖市场价格近20万元/t，限制了其应用范围，因此十分必要研究一种绿色、高效生产木糖和L-阿拉伯糖的新工艺，为我国新资源食品的开发利用开创新的局面。

此次试验不用酸碱，直接采用氧气氧化裂解玉米芯，同样可以将玉米芯分解为木糖、L-阿拉伯糖和低聚糖类，这样避免了酸碱对环境的污染。另外，采用复合酶进一步酶解戊聚糖和低聚糖类，能彻底将玉米芯分解为单糖，最后再经过结晶分离出木糖和L-阿拉伯糖。此次试验实现了以玉米芯为原料简单高效、绿色环保生产木糖和L-阿拉伯糖。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

玉米芯粉（过60目筛，水分质量分数为4.91%，公主岭市双正玉米芯开发有限公司）；高纯氧气（纯度99.999%，长春巨洋气体有限责任公司）；地衣酚（优级纯，研峰科技有限公司）；D-木糖、L-阿拉伯糖、葡萄糖、木二糖、木三糖、木四糖、木五糖、木六糖标准品（色谱纯，上海吉至生化科技有限公司）；氢氧化钠、盐酸、无水乙醇（分析纯，国药集团化学试剂有限公司）。

1.2 仪器与设备

HXGSH2型高压反应釜（威海汇鑫化工机械有限公司）；ME204E型电子分析天平（德国梅特勒-托利多仪器有限公司）；PHS-3C型精密pH计（上海雷磁仪器有限公司）；WAY-3S型数字阿贝折射仪（上海仪电科学仪器股份有限公司）；HH-ZKYY-5L型恒温水浴锅（上海科升仪器有限公司）；JY 10002型电子秤（良平仪器有限公司）；1260 Infinity型高效液相色谱仪（美国安捷伦公司）；1260 Infinity型蒸发光散射检测器（美国安捷伦公司）。Varian Cary 300型紫外可见分光光度计（Australia PTY. LTD）；Sugar ks-802糖分析钠型阳离子色谱柱（日本昭和电工株式会社）[8]。

1.3 试验方法

1.3.1 原料玉米芯成分分析（参见表1）

表1 原料玉米芯成分分析

1.3.2 试验流程

玉米芯粉+水→调浆→加入到高压反应釜→通氧→加热→维持→降温→卸料→取样检测

1.3.3 玉米芯氧化裂解单因素试验设计

氧化裂解的目的是使半纤维素分解为可溶性的戊聚糖、低聚糖和单糖，并且尽可能多地获得单糖，为进一步酶解做准备。戊聚糖提取率是指从玉米芯中提取出的总戊聚糖质量对玉米芯干重质量的百分数；五碳糖是指木糖和L-阿拉伯糖的总和。

1.3.3.1 氧气压力对玉米芯戊聚糖提取率和五碳糖含量的影响

将玉米芯粉和纯水配制成5份固液比1︰15 g/mL的料液，每份质量1 500 g，然后取1份加入到高压反应釜中，通入氧气，反复排气3次后，调整氧气压力至0.4 MPa，开启搅拌，搅拌转速350 r/min，开始快速升温至160 ℃，在此温度下反应90 min，通冷却水降温至60 ℃，开釜卸料，取样检测戊聚糖提取率和五碳糖含量，重复上述操作，分别调整氧气压力至0.6，0.8，1.0和1.2 MPa。

1.3.3.2 裂解时间对玉米芯戊聚糖提取率和五碳糖含量的影响

将玉米芯粉和纯水配制成固液比1︰15 g/mL的料液，质量1 500 g，然后加入到高压反应釜中，通入氧气，反复排气3次后，调整氧气压力至0.8 MPa，开启搅拌，搅拌转速350 r/min，开始快速升温至160 ℃，在此温度下进行氧化裂解反应，分别在30，60，90，120和150 min时通过放料阀取样检测戊聚糖提取率和五碳糖含量。1.3.3.3 固液比对玉米芯戊聚糖提取率和五碳糖含量的影响

将玉米芯粉和纯水分别配制成固液比1︰7，1︰10，1︰15和1︰20 g/mL的料液，每份质量1 500 g，然后取1份加入到高压反应釜中，通入氧气，反复排气3次后，调整氧气压力至0.8 MPa，开启搅拌，搅拌转速350 r/min，开始快速升温至160 ℃，在此温度下反应60 min，通冷却水降温至60 ℃，开釜卸料，取样检测戊聚糖提取率和五碳糖含量，重复上述操作，完成另3份料液试验。

1.3.3.4 裂解温度对玉米芯戊聚糖提取率和五碳糖含量的影响

将玉米芯粉和纯水配制成4份固液比1︰10 g/mL的料液，每份质量1 500 g，然后取1份加入到高压反应釜中，通入氧气，反复排气3次后，调整氧气压力至0.8 MPa，开启搅拌，搅拌转速350 r/min，开始快速升温至140 ℃，在此温度下反应60 min，通冷却水降温至60 ℃，开釜卸料，取样检测戊聚糖提取率和五碳糖含量，重复上述操作，分别升温至160，180和200 ℃。

1.3.4 正交试验设计优化玉米芯氧化裂解工艺参数

根据单因素试验结果，设计L9(34)正交试验方案，考察氧气压力、裂解时间、固液比、裂解温度4个因素对玉米芯氧化裂解效果的影响[9-10]，因素水平表见表2。

表2 L9(34)正交试验因素水平表

1.3.5 检测方法

1.3.5.1 戊聚糖提取率测定方法

戊聚糖提取率的测定参照NY/T 2335—2013谷物中戊聚糖含量的测定分光光度法，又叫谷物中戊聚糖含量的地衣酚-盐酸测定方法[11]。

1) 木糖标准曲线绘制：制备40，80，120，160和200（μg/mL）的木糖标准溶液，以580 nm波长和670 nm波长检测吸光度，计算吸光度差值ΔA。以木糖浓度为横坐标，吸光度差值ΔA为纵坐标，绘制标准曲线（图1），计算得线性回归方程y=0.111 2x-0.002 6，线性相关系数0.999 3。

2) 戊聚糖提取率按式（1）计算。

式中：X为试样中戊聚糖提取率，%；c为由D-木糖标准曲线得到的D-木糖含量，μg；0.88为单糖与聚糖的转换系数；n为稀释倍数；m为样品质量，g。

图1 木糖标准曲线

1.3.5.2 五碳糖含量测定方法

五碳糖含量的测定参照GB/T 23532—2009木糖标准中高效液相色谱法。色谱条件：Shodex的sugar ks-802糖分析钠型阳离子色谱柱8 mm×300 mm，流动相使用超纯水，氮气为载气，柱温箱设定80 ℃，进样量20 μL，流速0.6 mL/min，将糖液稀释至一定的质量分数，再经过0.2 μm膜过滤，收集滤液进行高效液相检测，通过比较标准品与糖液组分峰的保留时间进行定性分析，利用面积归一法和线性回归方程定量计算木糖和L-阿拉伯糖含量[12]，两者之和即为五碳糖含量。

1.3.5.3 玉米芯组织结构扫描电镜分析

采用扫面电子显微镜（SEM），分别对原料玉米芯粉和经过高压反应釜和氧气处理后的玉米芯粉进行微观结构分析，研究不同处理条件下玉米芯表面形态变化。

2 结果与分析

2.1 玉米芯氧化裂解单因素试验结果与讨论

2.1.1 氧气压力对玉米芯戊聚糖提取率和五碳糖含量的影响

从图2可以看出，随着氧气压力的逐渐升高，戊聚糖提取率和五碳糖含量均缓慢升高，但当氧气压力升高到0.8 MPa后，随着氧气压力升高，戊聚糖提取率和五碳糖含量变化不明显。因此可以判断，氧气压力在0.8 MPa左右比较适合，此时的戊聚糖提取率为26.03%，五碳糖含量为29.51%。

2.1.2 裂解时间对玉米芯戊聚糖提取率和五碳糖含量的影响

图3显示，随着氧化裂解时间的逐渐增长，戊聚糖提取率和溶液中五碳糖的含量均不断升高，但是戊聚糖升势较缓，五碳糖含量升势较快[13]，当裂解时间超过60 min后，戊聚糖提取率和五碳糖含量均趋于平缓，数值波动小，因此基本可以判断，氧气氧化裂解玉米芯裂解时间在60 min左右比较适宜。

图2 氧气压力对玉米芯戊聚糖提取率和五碳糖含量的影响

图3 裂解时间对玉米芯戊聚糖提取率和五碳糖含量的影响

2.1.3 固液比对玉米芯戊聚糖提取率和五碳糖含量的影响

从图4可知，随着固液比的逐渐减小，戊聚糖提取率和五碳糖含量呈现先增高再降低的趋势，两者最大值均是在固液比1︰10 g/mL时出现，高于或低于此固液比时均呈现下降趋势，因此可以判断，玉米芯氧化裂解时，固液比为1︰10 g/mL较为合适，此时的戊聚糖提取率和五碳糖含量较高。

图4 固液比对玉米芯戊聚糖提取率和五碳糖含量的影响

2.1.4 裂解温度对玉米芯戊聚糖提取率和五碳糖含量的影响

如图5所示，玉米芯氧化裂解温度在较高和较低时，戊聚糖提取率和裂解液五碳糖的含量均较低，影响非常明显，温度过低或过高，基本检测不到戊聚糖和五碳糖，同时戊聚糖提取率和裂解液中五碳糖含量随着温度的升高呈现先高后低的变化趋势，波动较大[14]，说明温度对玉米芯粉的氧化裂解影响较大。当裂解温度在180 ℃时，戊聚糖提取率和五碳糖含量同时达到最大值，因此，氧化裂解温度选择180 ℃较为适宜。

图5 裂解温度对玉米芯戊聚糖提取率和五碳糖含量的影响

2.2 玉米芯粉氧化裂解技术参数正交试验结果与讨论

采用L9(34)正交试验表，重点考察氧气压力、裂解时间、固液比、裂解温度对玉米芯粉氧化裂解的影响，试验结果及极差分析见表3。

戊聚糖提取率平均值和极差以大写表示，五碳糖含量平均值和极差以小写表示。从表3可以看出，RC＞RD＞RB＞RA，rd＞rc＞ra＞rb，可以确定各因素对戊聚糖提取率的影响顺序为C＞D＞B＞A，即固液比＞裂解温度＞裂解时间＞氧气压力；各因素对五碳糖含量的影响顺序为D＞C＞A＞B，即裂解温度＞固液比＞pH＞氧气压力＞裂解时间。裂解液戊聚糖提取率和五碳糖含量越高越好，越有利于进一步酶解[15]，故最佳组合为A2B1C2D2，即氧气压力0.8 MPa、裂解时间60 min、固液比1︰10 g/mL、裂解温度180 ℃。

表3 正交试验设计及结果

由表4可知，因素C、D对戊聚糖提取率的影响具有显著性，因素C、D对五碳糖含量的影响也具有显著性。表明裂解温度和固液比对氧化裂解影响显著[16]，因此上述2个因素可作为氧气氧化裂解玉米芯时的首要考虑因素。

表4 正交试验方差分析

2.3 验证试验

以优化的玉米芯氧化裂解条件进行验证试验，共计进行3次平行试验，戊聚糖提取率平均值为29.12%，五碳糖含量平均值为59.23%，几乎是最高的收率，因此正交试验优化出的工艺条件较为准确。

以此条件制备的裂解液，使用木聚糖酶和L-阿拉伯呋喃糖酶进行酶解[17-19]，制备的糖液经高效液相检测，五碳糖含量超过90%，进一步验证了优化的氧化裂解条件是合理的，裂解液高效液相色谱检测结果见图6。玉米芯氧化裂解后，溶液中主要是戊聚糖和木糖，其次是L-阿拉伯糖、葡萄糖、木二糖、木三糖、木四糖，没有检测到木五糖和木六糖。木糖和L-阿拉伯糖含量即五碳糖含量为59.13%，戊聚糖含量为30.95%。从图6可以看出氧化裂解比较适合生产单糖。

图6 玉米芯粉裂解液高效液相检测色谱图

2.4 玉米芯组织结构扫描电镜分析

由图7可知，经过相同的氧气压力、裂解时间、固液比，但不同裂解温度氧化裂解后的玉米芯组织结构发生了较大的变化，原料玉米芯结构细密，表面平滑完整，而氧化裂解后其结构受到了不同程度的破坏，表面出现不均匀的孔洞结构，甚至出现焦块，部分颗粒裂解成碎片[20]。图7（A）是原料玉米芯粉的电镜扫描图，其颗粒表面显示呈薄片装，比较完整平滑；图7（B）是经过160 ℃氧化裂解的玉米芯，在薄片结构中可以看到有一些细小的孔洞，表明已有些许结构遭到破坏；图7（C）是玉米芯经过180 ℃氧化裂解后的玉米芯，在其表面呈现大量明显的孔洞，表明玉米芯的结构遭到明显破坏；图7（D）是在200 ℃条件下氧化裂解的玉米芯，其微观组织结构已经完全被破坏，并且有明显的焦化结块现象。从玉米芯氧化裂解后的组织结构来看，温度低裂解程度不够，会影响糖类物质收率；温度过高，玉米芯会焦化，目标产物糖类也将减少，可见电镜扫描分析和液相检测分析结果是一致的。

图7 玉米芯不同处理条件的电镜扫描图

3 结论

试验以玉米芯粉为原料，通过氧化裂解优化试验确定了氧化裂解技术对玉米芯的最佳裂解条件：氧气压力0.8 MPa，裂解时间60 min，固液比1︰10 g/mL，裂解温度180 ℃。试验制备的玉米芯糖液符合酶解的质量要求，并通过此裂解条件进行了后续的研究工作，验证了不用酸碱采用氧化裂解结合酶法制备木糖和L-阿拉伯糖是可行的，为功能糖生产工艺改进、提质增效提供了一些借鉴。