孟悅，田志剛，劉香英，孫洪蕊，曾憲鵬，楊志強

（吉林省農(nóng)業(yè)科學(xué)院，吉林 長春 130124）

在世界糧食生產(chǎn)中，玉米占有重要地位，而我國玉米的種植面積及產(chǎn)量在世界均位居前列，相應(yīng)的玉米芯產(chǎn)量也較高[1]，玉米芯具有組織均勻、硬度適宜、韌性好、吸水性強、耐磨性能好等優(yōu)點，在使用過程中易破碎[2]。雖然玉米芯的優(yōu)點很多，但綜合利用率并不高，只有少量玉米芯用作糠醛、木糖醇等產(chǎn)品的原料，大部分玉米芯還是被丟棄或者作為燃料燒掉，造成資源極大的浪費[3]。因此開展以玉米芯為原料生產(chǎn)低聚木糖，理論研究和生產(chǎn)技術(shù)研究是十分必要的。

玉米芯中含有大量的半纖維素、纖維素和木質(zhì)素，其中半纖維素的主要成分為戊聚糖，它通過降解可生產(chǎn)低聚木糖[4]。低聚木糖系由2個～7個木糖分子以α-1，4糖苷鍵結(jié)合而成，具有良好的生理活性，如促進雙歧桿菌增長調(diào)節(jié)腸道功能，抗腫瘤功能，增強益生菌功能以及免疫調(diào)節(jié)功能等。它的甜度比蔗糖和葡萄糖均低，僅為蔗糖的40%，具有抗齲齒性[5]。目前，工業(yè)上以玉米芯作為生產(chǎn)原料制備低聚木糖，一般采用酸法、堿法、蒸汽爆破法等方法預(yù)處理玉米芯提取戊聚糖。酸、堿法在生產(chǎn)過程中需要消耗大量酸、堿化學(xué)品，會造成嚴(yán)重的環(huán)境污染，且提取率較低[6]。蒸汽爆破法則需要加入少量的酸堿調(diào)節(jié)pH值，并且高溫蒸汽爆破會導(dǎo)致半纖維素部分水解以及碳水化合物的破壞等副反應(yīng)的產(chǎn)生[7]。所以提高戊聚糖提取率是使玉米芯充分利用的關(guān)鍵技術(shù)問題。

本研究采用高溫?zé)峤夥ㄌ崛∥炀厶?，將料液放入密閉的高溫高壓反應(yīng)釜中，無需添加強酸、強堿等化學(xué)試劑，原料利用率高，且反應(yīng)時間短，操作簡便。在高溫高壓條件下，使戊聚糖能充分從半纖維素中溶出，提取率大幅度提升。此方法極大程度節(jié)省時間和能源，成本減小，對環(huán)境不造成生態(tài)破壞。為后續(xù)酶解工藝生產(chǎn)低聚木糖提供充足的原料。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

玉米芯粉：公主嶺市雙正玉米芯開發(fā)有限公司，過60目篩備用，水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)4.91%。

氯化鐵、地衣酚、無水乙醇、鹽酸（均為分析純）：北京化工廠；D-木糖、木二糖 ～木六糖標(biāo)準(zhǔn)品：上海惠世生化試劑有限公司；葡萄糖、L-阿拉伯糖、低聚木糖：山東龍力生物科技股份有限公司；氮氣：長春巨洋氣體有限責(zé)任公司。

1.2 儀器與設(shè)備

ME204E型電子分析天平：德國梅特勒-托利多儀器有限公司；PHS-3C型精密pH計：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?？粕齼x器有限公司；1260Infinity型高效液相色譜儀、配蒸發(fā)光散射檢測器：美國安捷倫公司；Varian Cary 300型紫外可見分光光度計：Australia PTY.LTD；FSH-2型反應(yīng)釜：威海匯鑫化工機械有限公司；Vortex-2漩渦混勻儀：上海滬析實業(yè)有限公司；M6型沐美電子秤：深圳市沐美科技有限公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 原料玉米芯粉水分測定方法

參照GB/T5009.3—2016《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn)食品中水分的測定》[8]。

1.3.2 戊聚糖的提取

稱取過篩后的玉米芯粉，按固液比1∶15（g/mL）加水配制成1 500 g的漿液，用玻璃棒攪拌均勻，倒入反應(yīng)釜中，蓋嚴(yán)釜蓋，不得有漏氣的現(xiàn)象，在熱解溫度為180℃，熱解時間為60 min條件下，得到提取液，取上清液10mL，加入10mL 4mol/L的鹽酸溶液，置于25mL具塞試管內(nèi)，置于沸水浴中水解120 min，冷卻后用濾紙過濾，收集濾液備用（可適當(dāng)稀釋n倍）[9-10]。

1.3.3 單因素試驗

1.3.3.1 固液比對戊聚糖提取率的影響

試驗采用了固液比分別為 1 ∶7、1 ∶10、1 ∶15、1 ∶20（g/mL）的4個水平，在熱解溫度為180℃，熱解時間為60min條件下進行試驗操作。分析不同固液比對可溶性戊聚糖含量的影響，以確定適宜的固液比范圍。

1.3.3.2 熱解溫度對戊聚糖提取率的影響

試驗采用了熱解溫度分別為 140、160、180、200、220℃的 5個水平，在固液比為 1∶15（g/mL），熱解時間為60 min條件下進行試驗操作。分析不同熱解溫度對可溶性戊聚糖含量的影響，以確定適宜的熱解溫度范圍。

1.3.3.3 熱解時間對戊聚糖提取率的影響

試驗采用了熱解時間分別為 0、30、60、90、120 min的5個水平，在固液比為1∶15（g/mL），熱解溫度為180℃條件下進行試驗操作。分析不同熱解時間對可溶性戊聚糖含量的影響，以確定適宜的熱解時間范圍。

1.3.4 正交試驗

根據(jù)單因素試驗結(jié)果，確定主要影響因素固液比、熱解溫度、熱解時間3項為考察因素，依據(jù)正交試驗表進行設(shè)計，做三因素三水平正交試驗，以確定玉米芯中戊聚糖提取的最適工藝條件[11]，正交試驗因素水平表見表1。

表1 正交試驗因素水平表Table 1 The factors and levels of orthogonal experiment

1.3.5 木糖標(biāo)準(zhǔn)曲線

取6支潔凈的10 mL具塞試管，分別加入100 μg/mL的D-木糖標(biāo)準(zhǔn)溶液 0.0、0.4、0.8、1.2、1.6、2.0 mL，補加蒸餾水至3 mL。再依次加入0.3 mL 1%地衣酚-無水乙醇溶液和3 mL 0.1%氯化鐵-鹽酸溶液，具塞，用漩渦混勻儀混合均勻。沸水浴30 min后，取出試管，流水沖洗冷卻至25℃，轉(zhuǎn)移至10 mL容量瓶，用水定容，用1 cm比色皿，以D-木糖標(biāo)準(zhǔn)溶液量為0.0的試劑溶液做參比，分別測定在670、580 nm波長下的吸光值，計算兩者之差（ΔA）[12-14]。以ΔA為縱坐標(biāo)，D-木糖量為橫坐標(biāo)，建立標(biāo)準(zhǔn)曲線和回歸方程。

1.3.6 戊聚糖提取率的計算

準(zhǔn)確量取1.2.2制備的樣品液0.33 mL定容至100 mL，取3 mL于10 mL具塞試管內(nèi)，按測定木糖標(biāo)準(zhǔn)曲線相同的方法測吸光度，并根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線得到木糖含量，帶入公式計算戊聚糖提取率。每組試驗分別進行3次平行試驗，以3次試驗的平均值計[15-16]。具體樣品檢測參照NY/T 2335-2013《谷物中戊聚糖含量的測定-分光光度法》。計算公式如下。

式中：X為試樣中戊聚糖提取率，%；c為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。

1.3.7 玉米芯組織結(jié)構(gòu)掃描電鏡分析

采用掃面電子顯微鏡（scanningelectronmicroscope，SEM）分別對粉碎后的玉米芯和經(jīng)160、180、200℃高溫?zé)峤夂蟮挠衩仔痉鄹稍飿悠肺⒂^結(jié)構(gòu)進行分析，觀察不同溫度處理條件下玉米芯表面形態(tài)變化[17]。

1.3.8 高效液相色譜定性分析

利用高效液相色譜儀，蒸發(fā)光散射檢測器檢測高溫?zé)峤庖褐械奈炀厶牵V條件為：SUGARKS-802鈉型陽離子色譜柱8.0 mm×300 mm，氮氣為載氣，超純水為流動相，柱溫箱設(shè)定在80℃，進樣量20 μL，流速為0.6 mL/min，將熱解液稀釋至一定的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，再經(jīng)過0.22 μm膜過濾，收集濾液進行高效液相檢測，通過比較標(biāo)準(zhǔn)品與高溫?zé)峤庖航M分峰的保留時間進行定性分析[18-19]。

1.4 數(shù)據(jù)處理

全部試驗結(jié)果用Excel 2016和SPSS 19.0進行數(shù)據(jù)處理分析。方差分析時，p＜0.05或p＜0.01，表示具有顯著性差異或極顯著差異，試驗結(jié)果具有統(tǒng)計學(xué)意義。

2 結(jié)果與分析

2.1 木聚糖標(biāo)準(zhǔn)曲線

繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線見圖1。計算得線性回歸方程為y=0.111 2x-0.002 6，線性相關(guān)系數(shù)0.999 3。

2.2 單因素試驗結(jié)果

2.2.1 固液比對戊聚糖提取率的影響

固液比對戊聚糖提取率的影響見圖2。

從圖2可以看出，固液比對戊聚糖的提取效果影響顯著，在固液比從 1 ∶7（g/mL）到 1 ∶20（g/mL）的過程中，隨著干物質(zhì)的添加量不斷減少，戊聚糖提取率呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，在固液比為1∶15（g/mL）時，提取率達到了最大值。在固液比1∶7（g/mL）時干物質(zhì)居多，玉米芯不能充分潤脹，熱解反應(yīng)不完全，戊聚糖不能完全溶出。

圖1 木糖標(biāo)準(zhǔn)曲線Fig.1 The standard curve of D-xylopyranose

圖2 固液比對戊聚糖提取率的影響Fig.2 Effects of solid-liquid ratio on pentosan content

2.2.2 熱解時間對戊聚糖提取率的影響

熱解時間對戊聚糖提取率的影響見圖3。

圖3 熱解時間對戊聚糖提取率的影響Fig.3 Effects of pyrolysis time on pentosan content

從圖3可見，隨著提取時間的延長，戊聚糖提取率呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，30 min到90 min戊聚糖提取率增長緩慢，在90 min戊聚糖提取率達到了最大值25.01%，但隨著時間的增長，提取液顏色加深，會使后續(xù)脫色工藝增加難度。在120 min時戊聚糖提取率會下降是因為玉米芯中的半纖維素過多地轉(zhuǎn)化成單糖。

2.2.3 熱解溫度對戊聚糖提取率的影響

熱解溫度對戊聚糖提取率的影響見圖4。

圖4 熱解溫度對戊聚糖提取率的影響Fig.4 Effects of pyrolysis temperature on pentosan content

從圖4可見，熱解溫度對戊聚糖提取率有明顯的影響，熱解溫度過高或過低都會導(dǎo)致戊聚糖提取率下降，從160℃到180℃，提取率迅速升高，在180℃時達到最大值23.68%，半纖維素溶解充分。熱解溫度從180℃到220℃，提取率迅速下降，原因是溫度過高戊聚糖氧化變質(zhì)，其它副產(chǎn)物大量析出。

從圖4可見，熱解溫度對戊聚糖提取率有明顯的影響，熱解溫度過高或過低都會導(dǎo)致戊聚糖提取率下降，從160℃到180℃，提取率迅速升高，在180℃時達到最大值23.68%，半纖維素溶解充分。熱解溫度從180℃到220℃，提取率迅速下降，原因是溫度過高戊聚糖氧化變質(zhì)，其它副產(chǎn)物大量析出。

2.3 正交試驗優(yōu)化工藝參數(shù)的結(jié)果與分析

正交試驗結(jié)果與方差分析見表2、表3。

表2 正交試驗設(shè)計與結(jié)果Table 2 The design and results of orthogonal experiment

由表2中極差分析可知，3個因素對戊聚糖提取率的影響主次順序為：C＞A＞B，即熱解溫度＞固液比＞熱解時間，玉米芯提取戊聚糖的最佳工藝條件為A1B2C2，提取率為24.92%。由K值分析可知，玉米芯提取戊聚糖的最佳工藝條件為A2B1C2，對該條件進行3次驗證試驗，平均提取率為25.84%，不僅時間縮短，還節(jié)省原

由表2中極差分析可知，3個因素對戊聚糖提取率的影響主次順序為：C＞A＞B，即熱解溫度＞固液比＞熱解時間，玉米芯提取戊聚糖的最佳工藝條件為A1B2C2，提取率為24.92%。由K值分析可知，玉米芯提取戊聚糖的最佳工藝條件為A2B1C2，對該條件進行3次驗證試驗，平均提取率為25.84%，不僅時間縮短，還節(jié)省原料，大大降低了成本，即確定固液比1∶15（g/mL），熱解時間60 min，熱解溫度180℃為玉米芯提取戊聚糖的最佳工藝條件。由表3的方差分析結(jié)果可知，熱解溫度對戊聚糖提取率有顯著性影響。料，大大降低了成本，即確定固液比1∶15（g/mL），熱解時間60 min，熱解溫度180℃為玉米芯提取戊聚糖的最佳工藝條件。由表3的方差分析結(jié)果可知，熱解溫度對戊聚糖提取率有顯著性影響。

表3 正交試驗方差分析Table 3 Analysis of variance for orthogonal

2.4 玉米芯掃描電鏡結(jié)果分析

不同處理條件下的掃描電鏡圖見圖5。

圖5 不同處理條件下的掃描電鏡圖Fig.5 Scanning electron micrograph of different processing conditions

如圖5A所示，未處理過的玉米芯粉組織結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出黏性較大，結(jié)塊的狀態(tài)，表面完整度較高，內(nèi)部結(jié)構(gòu)緊密。如圖5B所示，160℃熱解后的樣品組織內(nèi)部出現(xiàn)蜂窩狀的小孔，結(jié)構(gòu)稍有松散。如圖5C所示，180℃熱解后的樣品呈現(xiàn)完全松散狀態(tài)，不規(guī)則的小碎片，邊緣全部卷曲。如圖5D所示，200℃熱解后的樣品內(nèi)部結(jié)構(gòu)完全被破壞，呈焦糊不規(guī)則微小顆粒狀。說明隨著熱解溫度的不斷提高，玉米芯中大量的纖維素、半纖維素和木質(zhì)素在高溫?zé)峤夂笫艿狡茐?，分解出過多低聚合度的糖類物質(zhì)。

如圖5A所示，未處理過的玉米芯粉組織結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出黏性較大，結(jié)塊的狀態(tài)，表面完整度較高，內(nèi)部結(jié)構(gòu)緊密。如圖5B所示，160℃熱解后的樣品組織內(nèi)部出現(xiàn)蜂窩狀的小孔，結(jié)構(gòu)稍有松散。如圖5C所示，180℃熱解后的樣品呈現(xiàn)完全松散狀態(tài)，不規(guī)則的小碎片，邊緣全部卷曲。如圖5D所示，200℃熱解后的樣品內(nèi)部結(jié)構(gòu)完全被破壞，呈焦糊不規(guī)則微小顆粒狀。說明隨著熱解溫度的不斷提高，玉米芯中大量的纖維素、半纖維素和木質(zhì)素在高溫?zé)峤夂笫艿狡茐?，分解出過多低聚合度的糖類物質(zhì)。

2.5 高效液相色譜法結(jié)果分析

通過高效液相色譜法對戊聚糖提取液進行定性定量分析，本試驗使用SUGARKS-802鈉型陽離子糖析專用色譜柱，較好地分離開提取液中的糖類物質(zhì)，戊聚糖提取液樣品液相檢測結(jié)果見圖6。

圖6 戊聚糖提取液樣品色譜圖Fig.6 Chromatogram of pentosan extract sample

通過與標(biāo)準(zhǔn)品的出峰時間對比，確定提取液中含有戊聚糖、木二糖、木三糖、木四糖、木五糖和木六糖等低聚糖，以及葡萄糖、木糖和L-阿拉伯糖3種單糖。通過計算峰面積低聚糖含量高達80.375%。這一結(jié)果有利于生產(chǎn)低聚木糖[20-22]。

3 結(jié)論

1）本研究采用高溫?zé)峤夥ㄌ幚碛衩仔咎崛∥炀厶牵ㄟ^單因素試驗和L9（33）正交試驗，確定最佳提取工藝條件為固液比1∶15（g/mL），熱解溫度180℃，熱解時間60 min，提取率為25.84%。

2）通過高效液相色譜法進行提取液組分分析結(jié)果表明，提取液中含有大量的戊聚糖、木二糖、木三糖、木四糖、木五糖和木六糖。這些糖類物質(zhì)正是后續(xù)酶解工藝所需的低聚糖，可生產(chǎn)大量的低聚木糖。

3）通過掃描電子顯微鏡的結(jié)果顯示高溫?zé)峤鈱τ衩仔窘M織結(jié)構(gòu)有很大影響，結(jié)構(gòu)狀態(tài)完全變化。在180℃高溫條件下處理的樣品結(jié)構(gòu)完全松散，表面積與體積比增大，大大增加了酶解作用，為后序工藝提供了更有利的條件。

4）本試驗的目的是利用玉米芯高溫?zé)峤夥ㄌ崛〈罅康奈炀厶堑鹊途厶?，通過酶解可以獲得大量的低聚木糖，玉米芯具有產(chǎn)量大、價格低的優(yōu)勢，高溫?zé)峤夥ú皇褂脧娝帷妷A等化學(xué)試劑，無污染的優(yōu)點為后續(xù)工藝提供方便，且戊聚糖提取率較高，對實現(xiàn)生物資源的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。