稀酸預(yù)處理玉米芯提取木糖的研究

傅丹寧 唐艷軍 李 勉

（1.浙江理工大學(xué)材紡學(xué)院制漿造紙研究所，浙江杭州，310018；2.浙江華康藥業(yè)股份有限公司，浙江衢州，324302）

木糖是重要的食品添加劑和甜味劑，因其獨特的化學(xué)性質(zhì)和生理功能，可用作糖尿病、肥胖病等疾病患者的良好食療添加劑；此外，木糖還被廣泛應(yīng)用于肉食加工、肉料香料以及制備食品抗氧劑等領(lǐng)域[1-2]。隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展，人們的生活質(zhì)量水平已經(jīng)從溫飽型走向營養(yǎng)型和保健型，木糖日益廣泛地滲透于人們的生活中，預(yù)計在未來幾年，食品級木糖的需求量將會持續(xù)快速增長。木糖除了本身具有較高的應(yīng)用價值外，還可用其制取其他高附加值的化學(xué)產(chǎn)品，木糖的高值化利用途徑如圖1所示。如木糖加氫還原可獲得木糖醇[3-4]，它是一種健康的甜味劑；木糖進一步降解生成的產(chǎn)物糠醛是一種重要的化工原料，其應(yīng)用也十分廣泛[5-6]；此外，木糖通過發(fā)酵可制得可再生清潔燃料——乙醇[7]，它對于緩解當(dāng)今世界面臨的能源、環(huán)境問題具有十分重要的現(xiàn)實意義。因此，尋求一種環(huán)保高效、便于工業(yè)化生產(chǎn)且低污染的木糖制備方法意義重大。

木質(zhì)纖維是地球上最豐富的生物質(zhì)資源，其主要由纖維素、半纖維素和木質(zhì)素構(gòu)成；對于木質(zhì)纖維中各組分的利用具有經(jīng)濟、環(huán)保和可再生等優(yōu)點[8]。據(jù)報道，我國的玉米年產(chǎn)量位居世界第二，玉米芯則是玉米在加工過程中產(chǎn)生的大量廢棄物料之一。研究發(fā)現(xiàn)，玉米芯是一種開發(fā)利用潛力巨大的生物質(zhì)資源[9]。玉米芯中的半纖維素含量較高，是聚木糖含量最為豐富的農(nóng)副產(chǎn)品；玉米芯中一般含有30%～40%的多縮戊糖，多縮戊糖經(jīng)水解作用可制得木糖。因而，玉米芯被視為提取木糖的優(yōu)良原料[10]。半纖維素水解制備木糖的過程如圖2所示。

圖1 木糖高值化利用途徑

圖2 半纖維素水解制備木糖過程

大量的實驗研究[11]表明，利用不同的提取方法從玉米芯中提取木糖切實可行，且提取率較高。當(dāng)前化學(xué)法預(yù)處理玉米芯制備木糖的途徑主要包括酸處理法[12]、堿處理法[13-15]、氧化預(yù)處理法[16]、離子液體預(yù)處理法[5]以及有機溶劑預(yù)處理法[17-18]等，其中酸處理法由于具有水解效果好，稀酸一定程度上不會水解或破壞生物質(zhì)原料中的纖維素和木質(zhì)素等優(yōu)點，因而被廣泛應(yīng)用于工業(yè)化木糖的制備。目前對于酸處理法制備木糖的工藝研究重點主要集中在酸水解條件的優(yōu)化上，如章磊等人[19]以油茶殼為原料，采用正交實驗法探究了稀硫酸濃度、水解溫度以及水解時間對酸解效率的影響，結(jié)果表明，在酸濃度1.0%、催化溫度80°C，保溫時間2 h的條件下，木糖得率高達98%以上。許國輝等人[20]利用玉米芯為原料，采用酸解法研究確定玉米芯制備木糖的最佳工藝條件，結(jié)果顯示，在酸解溫度為120°C，酸濃度為1.0%，固液比為1∶10，酸水解2 h后，木糖最終得率達到80%左右。

基于前期研究結(jié)果[20-23]，本實驗以玉米芯為原料，通過優(yōu)化稀硫酸預(yù)處理提取木糖的工藝參數(shù)，欲在較低成本、低污染的條件下獲得更高得率、高濃度的木糖產(chǎn)品，為有效提取和利用木糖提供可靠的實驗數(shù)據(jù)，并為進一步地綜合利用玉米芯提供理論參考。

1 實 驗

1.1 材料與試劑

超純水，實驗室自制；硫酸，購自浙江三鷹化學(xué)試劑有限公司；木糖、葡萄糖、阿拉伯糖、乙酸，購自Sigma-Aldrich上海斯信生物科技有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

JA1003N型電子分析天平，上海精密科學(xué)儀器有限公司；101A型數(shù)顯電熱鼓風(fēng)干燥箱，上海一恒科學(xué)儀器有限公司；9FZ-35型電動直聯(lián)多功能粉碎機，泰安市岱岳區(qū)泰峰農(nóng)牧機械廠；304型皇代高速多功能粉碎機，永康市鉑歐五金制品有限公司；分子篩（35目、80目），浙江上虞市道墟儀器篩具廠；XW-80A型旋渦混合器Vortex，上海馳唐電子有限公司；SHZ-III型循環(huán)水真空泵，上海亞榮生化儀器廠；LDZF-30KB型立式壓力蒸汽滅菌器，上海申安醫(yī)療器械廠；1260 Infinity II型高效液相色譜儀，美國安捷倫科技公司。

1.3 實驗方法

1.3.1 主要實驗步驟

采用單因素實驗法優(yōu)化稀硫酸預(yù)處理玉米芯提取木糖的工藝參數(shù)：固液比（A）、酸濃度（B）、處理溫度（C）和處理時間（D）。以2.00 g（絕干質(zhì)量）35～80目粒徑大小的玉米芯為原料，以一定濃度的稀硫酸為催化劑，在立式壓力蒸汽滅菌器中保溫一定時間，獲得玉米芯稀硫酸水解液；自然冷卻后進行真空抽濾，分離得到玉米芯酸水解濾液和玉米芯纖維濾渣，分別對玉米芯酸水解液中的單糖、乙酸濃度及玉米芯濾渣中的組分含量進行測定，以分析稀硫酸預(yù)處理玉米芯過程中各工藝參數(shù)對木糖提取效果的影響。稀硫酸預(yù)處理玉米芯的主要工藝流程如圖3所示。

圖3 稀硫酸預(yù)處理玉米芯工藝流程圖

1.3.2 具體實驗方法

（1）玉米芯原料組分分析

玉米芯原料中纖維素、半纖維素、木質(zhì)素等的組分分析參照文獻[24]進行。

（2）各樣品標準曲線繪制

分別稱取0.02、0.2、0.4、0.6、0.8 g的木糖/阿拉伯糖標準樣品置于燒杯中加超純水溶解，轉(zhuǎn)移至洗凈并干燥的20 mL容量瓶中，加水定容至刻度，靜置待測。

分別稱取0.02、0.1、0.2、0.3、0.4 g的葡萄糖標準樣品置于燒杯中加超純水溶解，轉(zhuǎn)移至洗凈并干燥的20 mL容量瓶中，加水定容至刻度，靜置待測。

分 別 稱 取 0.0002、 0.0008、 0.002、 0.004、0.008、0.01、0.02 g的乙酸標準樣品置于燒杯中加超純水溶解，轉(zhuǎn)移至洗凈并干燥的20 mL容量瓶中，加水定容至刻度，靜置待測。

將上述4種標準樣品用0.22 μm微孔濾膜過濾后，依次裝入2.5 mL棕色試劑瓶中，利用高效液相色譜儀（HPLC檢測參數(shù)：HPX-87H型色譜柱，示差檢測器，流動相為5 mmol/L稀硫酸溶液，樣品進樣量為20 μL）進行檢測，并將得到的色譜圖進行處理，以標準溶液濃度（g/L）為橫坐標，峰面積為縱坐標，分別繪制出木糖、葡萄糖、阿拉伯糖和乙酸的標準曲線圖。

（3）稀硫酸預(yù)處理玉米芯工藝

首先將玉米芯用粉碎機粉碎，然后利用分子篩篩選得到35～80目粒徑大小的玉米芯顆粒，于105°C下干燥3 h后取出，放入棕色細口玻璃瓶中密封保存。

用電子天平稱取2.00 g（絕干質(zhì)量）玉米芯置于藍蓋水解瓶中，加入一定質(zhì)量的超純水（將固液比控制在一定范圍內(nèi)）和一定濃度的稀硫酸溶液，再將該水解瓶置于旋渦混合器上進行料液的快速均勻混合，然后轉(zhuǎn)移至立式壓力蒸汽滅菌器中保溫一段時間后取出冷卻。最后，將酸水解液進行真空抽濾，收集濾液于具塞三角燒瓶中，并在4°C下冷藏備用；收集濾渣于稱量瓶中，在105°C溫度下進行干燥，取出冷卻后用密封袋保存?zhèn)溆谩?/p>

（4）水解濾液中成分分析與木糖得率的計算

將玉米芯水解濾液稀釋至一定倍數(shù)，再利用高效液相色譜儀（HPLC）進行檢測分析，將檢測結(jié)果與各標準曲線對比以獲得濾液中各單糖以及副產(chǎn)物的濃度。

木糖得率計算公式如式（1）所示。

式中，Y為玉米芯水解成木糖的得率，%；c為水解濾液中的木糖濃度，g/L；V為水解濾液的體積，L；m為玉米芯原料的絕干質(zhì)量，g；0.88為理論上半纖維素完全水解成木糖的轉(zhuǎn)化系數(shù)。

（5）水解濾渣中組分分析

玉米芯水解濾渣中纖維素、半纖維素、木質(zhì)素等的組分分析參照文獻[24]進行。

1.3.3 稀硫酸預(yù)處理單因素實驗設(shè)計

以固液比（A）、酸濃度（B）、處理溫度（C）和處理時間（D）為影響因素，設(shè)計單因素實驗如表1所示。

表1 單因素實驗設(shè)計

1.3.4 稀硫酸預(yù)處理正交實驗設(shè)計

在單因素實驗的基礎(chǔ)上，以酸濃度（B）、處理溫度（C）和處理時間（D）為影響因素，以酸處理后玉米芯濾液中的木糖得率為指標，設(shè)計正交實驗如表2所示。

2 結(jié)果與討論

2.1 各樣品的標準曲線

各標樣的高效液相色譜圖如圖4所示。由圖4可知，葡萄糖、木糖、阿拉伯糖和乙酸的保留時間依次約為8.076、8.646、9.399和13.661 min。

表2 正交實驗因素與水平

表3 各樣品的標準曲線方程

木糖、葡萄糖、阿拉伯糖、乙酸標準曲線的繪制如圖5所示，標準曲線方程匯總見表3。

由圖5和表3可知，木糖和阿拉伯糖濃度在0～40 g/L內(nèi)線性關(guān)系良好，葡萄糖濃度在0～20 g/L內(nèi)線性關(guān)系很好，乙酸濃度在0～1 g/L內(nèi)線性關(guān)系很好。

2.2 單因素實驗結(jié)果

2.2.1 固液比對玉米芯預(yù)處理效果的影響

設(shè)定酸濃度為1.0%，處理溫度120°C，處理時間60 min，探究固液比對稀硫酸預(yù)處理玉米芯的影響，結(jié)果如圖6所示。

圖4 各標樣的液相色譜圖

圖5 各樣品的標準曲線圖

圖6 固液比對稀硫酸預(yù)處理玉米芯的影響

由圖6可知，隨著玉米芯水解過程中固液比的逐漸增大，即水解液越來越稀，水解后液體中各單糖的濃度（玉米芯中半纖維素水解得到的單體主要是木糖、葡萄糖和阿拉伯糖等單糖）和酸水解副產(chǎn)物——乙酸（由半纖維素脫乙?；茫┑臐舛仍絹碓降停欢舛鹊囊宜峥纱偈拱肜w維素中糖基之間的糖苷鍵斷裂，從而加速玉米芯的水解[25]；然而，玉米芯水解得到的木糖得率卻呈現(xiàn)相反的趨勢，其隨固液比的增大出現(xiàn)上升的現(xiàn)象。過低的固液比可能無法將玉米芯原料中的木糖完全浸提出來，導(dǎo)致木糖得率降低；過高的固液比會造成水資源浪費，且由于產(chǎn)物濃度的降低易加大后續(xù)蒸發(fā)濃縮等過程的能耗和難度。因此，為制得高濃度、高得率的木糖水解液，同時降低后續(xù)酶解過程前脫毒等工藝的難度，可綜合選擇適宜的固液比為1∶10。且由圖6(b)可知，固液比因素實驗的選擇范圍較廣，但隨著固液比的增加，木糖得率的變化區(qū)間僅為2.5%左右，這表明固液比對實驗結(jié)果影響較小，故在正交實驗中不做體現(xiàn)。

由該實驗結(jié)果可知，水解時間設(shè)定為60 min時，木糖得率最高可達88%以上，即半纖維素幾乎完全水解；因此，為了同時達到提高實驗效率與節(jié)約成本的目的，將后續(xù)實驗過程中的水解時間均設(shè)定為60 min。

2.2.2 酸濃度對玉米芯預(yù)處理效果的影響

設(shè)定酸處理的固液比為1∶10，處理溫度120°C，處理時間60 min，探究酸濃度對稀硫酸預(yù)處理玉米芯的影響，結(jié)果如圖7所示。

由圖7(a)可知，隨著玉米芯水解過程中所添加稀硫酸濃度的逐漸上升，水解液中各單糖的濃度呈現(xiàn)先緩慢上升，隨后趨于平緩的趨勢。由圖7(b)可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)酸濃度約為1.0%時，木糖得率已處于較高值（約為87%）。由于酸濃度越高，其對設(shè)備的腐蝕性越大，且酸會進一步催化單糖降解和促進其他非半纖維素物質(zhì)發(fā)生副反應(yīng)，最終導(dǎo)致水解液中的副產(chǎn)物（主要為乙酸、糠醛、酚類等物質(zhì)）濃度也升高[26-27]，水解后的木糖液顏色加深，這不利于后續(xù)木糖的分離純化，一定程度上降低了木糖最終得率，因此稀硫酸預(yù)處理過程的適宜酸濃度可初步定為1.0%。

2.2.3 處理溫度對玉米芯預(yù)處理效果的影響

設(shè)定酸處理的固液比為1∶10，酸濃度1.0%，處理時間60 min，探究處理溫度對稀硫酸預(yù)處理玉米芯的影響，結(jié)果如圖8所示。

由圖8可知，隨著玉米芯水解過程中處理溫度的緩慢升高，玉米芯水解液中各單糖濃度以及木糖得率增加得越來越快，且當(dāng)處理溫度由100°C升至120°C時，水解液的木糖得率上升了60個百分點（從27%升至87%），因此可以得出，處理溫度是影響酸水解工藝的關(guān)鍵因素，溫度控制在水解玉米芯制備木糖的工藝中極其重要。然而，處理溫度的上升代表能耗的增加，且由圖8(b)可知，副產(chǎn)物乙酸濃度也隨處理溫度的上升而迅速增加；此外，高溫條件也可能會導(dǎo)致部分戊糖轉(zhuǎn)化為糠醛從而降低木糖得率[28-29]。綜合各方面因素，最終將酸處理的適宜溫度確定為120°C。

圖7 酸濃度對稀硫酸預(yù)處理玉米芯的影響

圖8 處理溫度對稀硫酸預(yù)處理玉米芯的影響

2.2.4 處理時間對玉米芯預(yù)處理效果的影響

設(shè)定酸處理的固液比為1∶10、酸濃度1.0%、處理溫度120°C，探究處理時間對稀硫酸預(yù)處理玉米芯的影響，結(jié)果如圖9所示。

由圖9可知，酸水解時間在30～60 min時，隨著玉米芯水解時間的延長，玉米芯水解濾液中各單糖濃度以及木糖得率都略微增加，這表明水解反應(yīng)在持續(xù)進行；在60～120 min時，隨著反應(yīng)時間的增加，各單糖濃度仍舊呈現(xiàn)上升的趨勢，但副產(chǎn)物乙酸的濃度也一直上升，木糖得率開始出現(xiàn)下降的情況。該實驗結(jié)果表明，反應(yīng)時間過長會提高生成副產(chǎn)物的可能性，木糖極可能進一步降解成糠醛，因而木糖得率會出現(xiàn)略微下降的趨勢。為了得到較高得率的木糖產(chǎn)品，同時降低副反應(yīng)發(fā)生的可能性，可將酸處理的適宜時間確定為60 min。

2.3 玉米芯組分分析

玉米芯稀硫酸處理前后主要組分含量變化情況如表4所示。

對酸解后的玉米芯濾渣進行組分分析，酸解條件為：固液比1∶10，酸濃度1.0%，處理溫度120°C，處理時間60 min。與玉米芯相比，酸處理大大降低了玉米芯半纖維素含量，這表明玉米芯中的大部分半纖維素被利用生成木糖。酸處理在一定程度上還降低了木質(zhì)素和灰分含量，其原因可能是酸解破壞了木質(zhì)素結(jié)構(gòu)單元之間的醚鍵和碳-碳鍵，生成了醛類和羧酸類物質(zhì)，使木質(zhì)素含量出現(xiàn)一定程度的降低，纖維素更多地裸露出來，這對于后續(xù)玉米芯濾渣的綜合利用具有重要意義[30-32]。

2.4 正交實驗結(jié)果

正交實驗結(jié)果與極差分析如表5所示。

表4 稀硫酸預(yù)處理前后玉米芯中組分含量 %

表5 正交實驗結(jié)果與極差分析

圖9 處理時間對稀硫酸預(yù)處理玉米芯的影響

在表5中，極差R值的大小表示各因素對稀硫酸預(yù)處理玉米芯效果的影響程度，酸濃度極差值為8.53，處理溫度極差值為79.46，處理時間極差值為5.91，即影響酸解玉米芯制取木糖得率的主次因素為：處理溫度＞酸濃度＞處理時間。直接比較表5可知，9個實驗結(jié)果中，以實驗9中的木糖得率最高，按因素列來看，其水平組合為B3C3D3，分別是各因素中影響最大的水平，即理論上最佳稀硫酸預(yù)處理條件為B3C3D3，具體值為：酸濃度1.2%，處理溫度120°C，處理時間90 min。在該最佳預(yù)處理條件下進行3組驗證實驗，得到的木糖得率分別為86.31%、86.36%和86.28%，相對偏差分別為0.01%、0和0.05%，標準差為0.03，即驗證結(jié)果顯示出較高的木糖得率和數(shù)據(jù)可靠性。

3 結(jié)論

通過單因素實驗和正交實驗，得到稀硫酸預(yù)處理玉米芯制備木糖的較優(yōu)工藝條件為：固液比1∶10、酸濃度1.2%、處理溫度120°C和處理時間90 min，此條件下玉米芯制備木糖的得率高達86.36%。稀酸預(yù)處理玉米芯制備木糖過程中，處理溫度對預(yù)處理效果影響最為顯著，而處理時間的影響最小，稀酸預(yù)處理過程各因素對玉米芯木糖提取率影響程度由大到小的順序為：處理溫度＞酸濃度＞處理時間。