楊志強(qiáng)，劉香英，田志剛，孫洪蕊，曾憲鵬，孟悅*

吉林省農(nóng)業(yè)科學(xué)院（長(zhǎng)春 130124）

我國(guó)是玉米生產(chǎn)大國(guó)，年產(chǎn)玉米2.1億 t，位居世界第二位。玉米芯作為玉米生產(chǎn)的副產(chǎn)品，資源相當(dāng)豐富。玉米芯中纖維素占32%～36%，半纖維素占35%～40%，木質(zhì)素占25%左右，其中半纖維素主要由戊聚糖組成，是生產(chǎn)木糖和L-阿拉伯糖的主要原料[1-2]。L-阿拉伯糖是一種稀有的功能性糖類，屬于五碳醛糖，它是一種沒(méi)有熱量的甜味劑，可以選擇性對(duì)腸道內(nèi)蔗糖酶的活性起非競(jìng)爭(zhēng)性抑制作用，對(duì)蔗糖的代謝轉(zhuǎn)化具有阻斷作用，可以抑制因攝入蔗糖而導(dǎo)致的血糖升高，可以阻止肥胖、預(yù)防并治療與高血糖相關(guān)的疾病[3]。木糖也是一種無(wú)熱量甜味劑，可以用于生產(chǎn)無(wú)糖食品，木糖對(duì)人體腸道內(nèi)的雙歧桿菌有較高的增殖作用，食用木糖能改善人體的微生物環(huán)境，提高機(jī)體的免疫能力[4]。

目前，國(guó)內(nèi)L-阿拉伯糖和木糖的生產(chǎn)均采用硫酸、草酸等稀酸水解玉米皮、玉米芯，在制備木糖的同時(shí)，從木糖母液中提取L-阿拉伯糖[5-7]。因此酸堿污染問(wèn)題一直困擾著這個(gè)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，也限制了其產(chǎn)能的釋放，不能實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)，導(dǎo)致產(chǎn)品價(jià)格居高不下，L-阿拉伯糖市場(chǎng)價(jià)格近20萬(wàn)元/t，限制了其應(yīng)用范圍，因此十分必要研究一種綠色、高效生產(chǎn)木糖和L-阿拉伯糖的新工藝，為我國(guó)新資源食品的開(kāi)發(fā)利用開(kāi)創(chuàng)新的局面。

此次試驗(yàn)不用酸堿，直接采用氧氣氧化裂解玉米芯，同樣可以將玉米芯分解為木糖、L-阿拉伯糖和低聚糖類，這樣避免了酸堿對(duì)環(huán)境的污染。另外，采用復(fù)合酶進(jìn)一步酶解戊聚糖和低聚糖類，能徹底將玉米芯分解為單糖，最后再經(jīng)過(guò)結(jié)晶分離出木糖和L-阿拉伯糖。此次試驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了以玉米芯為原料簡(jiǎn)單高效、綠色環(huán)保生產(chǎn)木糖和L-阿拉伯糖。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

玉米芯粉（過(guò)60目篩，水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4.91%，公主嶺市雙正玉米芯開(kāi)發(fā)有限公司）；高純氧氣（純度99.999%，長(zhǎng)春巨洋氣體有限責(zé)任公司）；地衣酚（優(yōu)級(jí)純，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、木六糖標(biāo)準(zhǔn)品（色譜純，上海吉至生化科技有限公司）；氫氧化鈉、鹽酸、無(wú)水乙醇（分析純，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司）。

1.2 儀器與設(shè)備

HXGSH2型高壓反應(yīng)釜（威海匯鑫化工機(jī)械有限公司）；ME204E型電子分析天平（德國(guó)梅特勒-托利多儀器有限公司）；PHS-3C型精密pH計(jì)（上海雷磁儀器有限公司）；WAY-3S型數(shù)字阿貝折射儀（上海儀電科學(xué)儀器股份有限公司）；HH-ZKYY-5L型恒溫水浴鍋（上海科升儀器有限公司）；JY 10002型電子秤（良平儀器有限公司）；1260 Infinity型高效液相色譜儀（美國(guó)安捷倫公司）；1260 Infinity型蒸發(fā)光散射檢測(cè)器（美國(guó)安捷倫公司）。Varian Cary 300型紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)（Australia PTY. LTD）；Sugar ks-802糖分析鈉型陽(yáng)離子色譜柱（日本昭和電工株式會(huì)社）[8]。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 原料玉米芯成分分析（參見(jiàn)表1）

表1 原料玉米芯成分分析

1.3.2 試驗(yàn)流程

玉米芯粉+水→調(diào)漿→加入到高壓反應(yīng)釜→通氧→加熱→維持→降溫→卸料→取樣檢測(cè)

1.3.3 玉米芯氧化裂解單因素試驗(yàn)設(shè)計(jì)

氧化裂解的目的是使半纖維素分解為可溶性的戊聚糖、低聚糖和單糖，并且盡可能多地獲得單糖，為進(jìn)一步酶解做準(zhǔn)備。戊聚糖提取率是指從玉米芯中提取出的總戊聚糖質(zhì)量對(duì)玉米芯干重質(zhì)量的百分?jǐn)?shù)；五碳糖是指木糖和L-阿拉伯糖的總和。

1.3.3.1 氧氣壓力對(duì)玉米芯戊聚糖提取率和五碳糖含量的影響

將玉米芯粉和純水配制成5份固液比1︰15 g/mL的料液，每份質(zhì)量1 500 g，然后取1份加入到高壓反應(yīng)釜中，通入氧氣，反復(fù)排氣3次后，調(diào)整氧氣壓力至0.4 MPa，開(kāi)啟攪拌，攪拌轉(zhuǎn)速350 r/min，開(kāi)始快速升溫至160 ℃，在此溫度下反應(yīng)90 min，通冷卻水降溫至60 ℃，開(kāi)釜卸料，取樣檢測(cè)戊聚糖提取率和五碳糖含量，重復(fù)上述操作，分別調(diào)整氧氣壓力至0.6，0.8，1.0和1.2 MPa。

1.3.3.2 裂解時(shí)間對(duì)玉米芯戊聚糖提取率和五碳糖含量的影響

將玉米芯粉和純水配制成固液比1︰15 g/mL的料液，質(zhì)量1 500 g，然后加入到高壓反應(yīng)釜中，通入氧氣，反復(fù)排氣3次后，調(diào)整氧氣壓力至0.8 MPa，開(kāi)啟攪拌，攪拌轉(zhuǎn)速350 r/min，開(kāi)始快速升溫至160 ℃，在此溫度下進(jìn)行氧化裂解反應(yīng)，分別在30，60，90，120和150 min時(shí)通過(guò)放料閥取樣檢測(cè)戊聚糖提取率和五碳糖含量。1.3.3.3 固液比對(duì)玉米芯戊聚糖提取率和五碳糖含量的影響

將玉米芯粉和純水分別配制成固液比1︰7，1︰10，1︰15和1︰20 g/mL的料液，每份質(zhì)量1 500 g，然后取1份加入到高壓反應(yīng)釜中，通入氧氣，反復(fù)排氣3次后，調(diào)整氧氣壓力至0.8 MPa，開(kāi)啟攪拌，攪拌轉(zhuǎn)速350 r/min，開(kāi)始快速升溫至160 ℃，在此溫度下反應(yīng)60 min，通冷卻水降溫至60 ℃，開(kāi)釜卸料，取樣檢測(cè)戊聚糖提取率和五碳糖含量，重復(fù)上述操作，完成另3份料液試驗(yàn)。

1.3.3.4 裂解溫度對(duì)玉米芯戊聚糖提取率和五碳糖含量的影響

將玉米芯粉和純水配制成4份固液比1︰10 g/mL的料液，每份質(zhì)量1 500 g，然后取1份加入到高壓反應(yīng)釜中，通入氧氣，反復(fù)排氣3次后，調(diào)整氧氣壓力至0.8 MPa，開(kāi)啟攪拌，攪拌轉(zhuǎn)速350 r/min，開(kāi)始快速升溫至140 ℃，在此溫度下反應(yīng)60 min，通冷卻水降溫至60 ℃，開(kāi)釜卸料，取樣檢測(cè)戊聚糖提取率和五碳糖含量，重復(fù)上述操作，分別升溫至160，180和200 ℃。

1.3.4 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)優(yōu)化玉米芯氧化裂解工藝參數(shù)

根據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果，設(shè)計(jì)L9(34)正交試驗(yàn)方案，考察氧氣壓力、裂解時(shí)間、固液比、裂解溫度4個(gè)因素對(duì)玉米芯氧化裂解效果的影響[9-10]，因素水平表見(jiàn)表2。

表2 L9(34)正交試驗(yàn)因素水平表

1.3.5 檢測(cè)方法

1.3.5.1 戊聚糖提取率測(cè)定方法

戊聚糖提取率的測(cè)定參照NY/T 2335—2013谷物中戊聚糖含量的測(cè)定分光光度法，又叫谷物中戊聚糖含量的地衣酚-鹽酸測(cè)定方法[11]。

1) 木糖標(biāo)準(zhǔn)曲線繪制：制備40，80，120，160和200（μg/mL）的木糖標(biāo)準(zhǔn)溶液，以580 nm波長(zhǎng)和670 nm波長(zhǎng)檢測(cè)吸光度，計(jì)算吸光度差值ΔA。以木糖濃度為橫坐標(biāo)，吸光度差值ΔA為縱坐標(biāo)，繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線（圖1），計(jì)算得線性回歸方程y=0.111 2x-0.002 6，線性相關(guān)系數(shù)0.999 3。

2) 戊聚糖提取率按式（1）計(jì)算。

式中：X為試樣中戊聚糖提取率，%；c為由D-木糖標(biāo)準(zhǔn)曲線得到的D-木糖含量，μg；0.88為單糖與聚糖的轉(zhuǎn)換系數(shù)；n為稀釋倍數(shù)；m為樣品質(zhì)量，g。

圖1 木糖標(biāo)準(zhǔn)曲線

1.3.5.2 五碳糖含量測(cè)定方法

五碳糖含量的測(cè)定參照GB/T 23532—2009木糖標(biāo)準(zhǔn)中高效液相色譜法。色譜條件：Shodex的sugar ks-802糖分析鈉型陽(yáng)離子色譜柱8 mm×300 mm，流動(dòng)相使用超純水，氮?dú)鉃檩d氣，柱溫箱設(shè)定80 ℃，進(jìn)樣量20 μL，流速0.6 mL/min，將糖液稀釋至一定的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，再經(jīng)過(guò)0.2 μm膜過(guò)濾，收集濾液進(jìn)行高效液相檢測(cè)，通過(guò)比較標(biāo)準(zhǔn)品與糖液組分峰的保留時(shí)間進(jìn)行定性分析，利用面積歸一法和線性回歸方程定量計(jì)算木糖和L-阿拉伯糖含量[12]，兩者之和即為五碳糖含量。

1.3.5.3 玉米芯組織結(jié)構(gòu)掃描電鏡分析

采用掃面電子顯微鏡（SEM），分別對(duì)原料玉米芯粉和經(jīng)過(guò)高壓反應(yīng)釜和氧氣處理后的玉米芯粉進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)分析，研究不同處理?xiàng)l件下玉米芯表面形態(tài)變化。

2 結(jié)果與分析

2.1 玉米芯氧化裂解單因素試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1.1 氧氣壓力對(duì)玉米芯戊聚糖提取率和五碳糖含量的影響

從圖2可以看出，隨著氧氣壓力的逐漸升高，戊聚糖提取率和五碳糖含量均緩慢升高，但當(dāng)氧氣壓力升高到0.8 MPa后，隨著氧氣壓力升高，戊聚糖提取率和五碳糖含量變化不明顯。因此可以判斷，氧氣壓力在0.8 MPa左右比較適合，此時(shí)的戊聚糖提取率為26.03%，五碳糖含量為29.51%。

2.1.2 裂解時(shí)間對(duì)玉米芯戊聚糖提取率和五碳糖含量的影響

圖3顯示，隨著氧化裂解時(shí)間的逐漸增長(zhǎng)，戊聚糖提取率和溶液中五碳糖的含量均不斷升高，但是戊聚糖升勢(shì)較緩，五碳糖含量升勢(shì)較快[13]，當(dāng)裂解時(shí)間超過(guò)60 min后，戊聚糖提取率和五碳糖含量均趨于平緩，數(shù)值波動(dòng)小，因此基本可以判斷，氧氣氧化裂解玉米芯裂解時(shí)間在60 min左右比較適宜。

圖2 氧氣壓力對(duì)玉米芯戊聚糖提取率和五碳糖含量的影響

圖3 裂解時(shí)間對(duì)玉米芯戊聚糖提取率和五碳糖含量的影響

2.1.3 固液比對(duì)玉米芯戊聚糖提取率和五碳糖含量的影響

從圖4可知，隨著固液比的逐漸減小，戊聚糖提取率和五碳糖含量呈現(xiàn)先增高再降低的趨勢(shì)，兩者最大值均是在固液比1︰10 g/mL時(shí)出現(xiàn)，高于或低于此固液比時(shí)均呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，因此可以判斷，玉米芯氧化裂解時(shí)，固液比為1︰10 g/mL較為合適，此時(shí)的戊聚糖提取率和五碳糖含量較高。

圖4 固液比對(duì)玉米芯戊聚糖提取率和五碳糖含量的影響

2.1.4 裂解溫度對(duì)玉米芯戊聚糖提取率和五碳糖含量的影響

如圖5所示，玉米芯氧化裂解溫度在較高和較低時(shí)，戊聚糖提取率和裂解液五碳糖的含量均較低，影響非常明顯，溫度過(guò)低或過(guò)高，基本檢測(cè)不到戊聚糖和五碳糖，同時(shí)戊聚糖提取率和裂解液中五碳糖含量隨著溫度的升高呈現(xiàn)先高后低的變化趨勢(shì)，波動(dòng)較大[14]，說(shuō)明溫度對(duì)玉米芯粉的氧化裂解影響較大。當(dāng)裂解溫度在180 ℃時(shí)，戊聚糖提取率和五碳糖含量同時(shí)達(dá)到最大值，因此，氧化裂解溫度選擇180 ℃較為適宜。

圖5 裂解溫度對(duì)玉米芯戊聚糖提取率和五碳糖含量的影響

2.2 玉米芯粉氧化裂解技術(shù)參數(shù)正交試驗(yàn)結(jié)果與討論

采用L9(34)正交試驗(yàn)表，重點(diǎn)考察氧氣壓力、裂解時(shí)間、固液比、裂解溫度對(duì)玉米芯粉氧化裂解的影響，試驗(yàn)結(jié)果及極差分析見(jiàn)表3。

戊聚糖提取率平均值和極差以大寫表示，五碳糖含量平均值和極差以小寫表示。從表3可以看出，RC＞RD＞RB＞RA，rd＞rc＞ra＞rb，可以確定各因素對(duì)戊聚糖提取率的影響順序?yàn)镃＞D＞B＞A，即固液比＞裂解溫度＞裂解時(shí)間＞氧氣壓力；各因素對(duì)五碳糖含量的影響順序?yàn)镈＞C＞A＞B，即裂解溫度＞固液比＞pH＞氧氣壓力＞裂解時(shí)間。裂解液戊聚糖提取率和五碳糖含量越高越好，越有利于進(jìn)一步酶解[15]，故最佳組合為A2B1C2D2，即氧氣壓力0.8 MPa、裂解時(shí)間60 min、固液比1︰10 g/mL、裂解溫度180 ℃。

表3 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果

由表4可知，因素C、D對(duì)戊聚糖提取率的影響具有顯著性，因素C、D對(duì)五碳糖含量的影響也具有顯著性。表明裂解溫度和固液比對(duì)氧化裂解影響顯著[16]，因此上述2個(gè)因素可作為氧氣氧化裂解玉米芯時(shí)的首要考慮因素。

表4 正交試驗(yàn)方差分析

2.3 驗(yàn)證試驗(yàn)

以優(yōu)化的玉米芯氧化裂解條件進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，共計(jì)進(jìn)行3次平行試驗(yàn)，戊聚糖提取率平均值為29.12%，五碳糖含量平均值為59.23%，幾乎是最高的收率，因此正交試驗(yàn)優(yōu)化出的工藝條件較為準(zhǔn)確。

以此條件制備的裂解液，使用木聚糖酶和L-阿拉伯呋喃糖酶進(jìn)行酶解[17-19]，制備的糖液經(jīng)高效液相檢測(cè)，五碳糖含量超過(guò)90%，進(jìn)一步驗(yàn)證了優(yōu)化的氧化裂解條件是合理的，裂解液高效液相色譜檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖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，沒(méi)有檢測(cè)到木五糖和木六糖。木糖和L-阿拉伯糖含量即五碳糖含量為59.13%，戊聚糖含量為30.95%。從圖6可以看出氧化裂解比較適合生產(chǎn)單糖。

圖6 玉米芯粉裂解液高效液相檢測(cè)色譜圖

2.4 玉米芯組織結(jié)構(gòu)掃描電鏡分析

由圖7可知，經(jīng)過(guò)相同的氧氣壓力、裂解時(shí)間、固液比，但不同裂解溫度氧化裂解后的玉米芯組織結(jié)構(gòu)發(fā)生了較大的變化，原料玉米芯結(jié)構(gòu)細(xì)密，表面平滑完整，而氧化裂解后其結(jié)構(gòu)受到了不同程度的破壞，表面出現(xiàn)不均勻的孔洞結(jié)構(gòu)，甚至出現(xiàn)焦塊，部分顆粒裂解成碎片[20]。圖7（A）是原料玉米芯粉的電鏡掃描圖，其顆粒表面顯示呈薄片裝，比較完整平滑；圖7（B）是經(jīng)過(guò)160 ℃氧化裂解的玉米芯，在薄片結(jié)構(gòu)中可以看到有一些細(xì)小的孔洞，表明已有些許結(jié)構(gòu)遭到破壞；圖7（C）是玉米芯經(jīng)過(guò)180 ℃氧化裂解后的玉米芯，在其表面呈現(xiàn)大量明顯的孔洞，表明玉米芯的結(jié)構(gòu)遭到明顯破壞；圖7（D）是在200 ℃條件下氧化裂解的玉米芯，其微觀組織結(jié)構(gòu)已經(jīng)完全被破壞，并且有明顯的焦化結(jié)塊現(xiàn)象。從玉米芯氧化裂解后的組織結(jié)構(gòu)來(lái)看，溫度低裂解程度不夠，會(huì)影響糖類物質(zhì)收率；溫度過(guò)高，玉米芯會(huì)焦化，目標(biāo)產(chǎn)物糖類也將減少，可見(jiàn)電鏡掃描分析和液相檢測(cè)分析結(jié)果是一致的。

圖7 玉米芯不同處理?xiàng)l件的電鏡掃描圖

3 結(jié)論

試驗(yàn)以玉米芯粉為原料，通過(guò)氧化裂解優(yōu)化試驗(yàn)確定了氧化裂解技術(shù)對(duì)玉米芯的最佳裂解條件：氧氣壓力0.8 MPa，裂解時(shí)間60 min，固液比1︰10 g/mL，裂解溫度180 ℃。試驗(yàn)制備的玉米芯糖液符合酶解的質(zhì)量要求，并通過(guò)此裂解條件進(jìn)行了后續(xù)的研究工作，驗(yàn)證了不用酸堿采用氧化裂解結(jié)合酶法制備木糖和L-阿拉伯糖是可行的，為功能糖生產(chǎn)工藝改進(jìn)、提質(zhì)增效提供了一些借鑒。