木聚糖提取工艺条件的优化
1 研究的目的和意义
1.1研究背景
中国是一个农业大国，玉米是中国三大粮食作物之一。据统计，01年中国玉米总产量为1.14亿吨，02年玉米总产量为1.21亿吨，03年玉米总产量在1.16亿吨，04年玉米总产量在1.30亿吨以上[1]。在进行玉米加工的同时，会有大量的下脚料玉米芯产生。按3kg玉米产lkg玉米芯计算，每年中国大约可均产玉米芯0.4亿吨左右，而且在今后的发展中将继续维持这一水平[2]。
目前中国对玉米芯的利用相对来说还很少，尽管在工业上玉米芯已实现了一定程度上的应用（见图1），但在农村仍有大量的玉米芯作为燃料或废弃物处理，对玉米芯的利用还远远不够，因此如何开发利用玉米芯这一资源己成为一个新兴的重要课题。玉米芯质地适中、木聚糖含量高，是提取木聚搪的良好材料。玉米芯的市场价格为100～200元/吨，而木聚糖产品的价格高达24-26万元/吨，因此，生产玉米芯木聚糖有着相当高的经济效益，并且可以大大
减少玉米芯作为燃料燃烧对环境造成的污染，具有一定的环保意义
图1 玉米芯的工业用途
1.2木聚糖概述
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。在植物光合作用的产物中，半纤维素是仅次于纤维素的一大类碳水化合物。木聚糖类半纤维素在禾本科植物半纤维素中占绝大多数，是一类取之不尽而又待开发的可再生资源，经酶水解可生产国际市场上急需的低聚木糖、木糖等疗效食品。其降解后所产生的木糖和少量其他单糖，可以用作基本碳源生产各种发酵产品，包括有机酸、氨基酸、
单细胞蛋白、燃料乙醇、木糖醇等。作为生产低聚木糖的原料，木聚糖的提取和木聚糖的水解是关键步骤。
1.3 木聚糖提取研究现状
根据所查文献报道，木聚糖提取方式主要有以下几种。
（1）酸法提取[3]：半纤维素能较好溶解在稀酸中。在用稀酸处理时，半纤维素同时由于酸的作用发生降解。半纤维素稀酸水解实际上是在溶解状态下进行的。稀酸抽提半纤维素时木聚糖基本上都水解成单糖即木糖，因而不能用于低聚木糖的生产。酸法提取木聚糖已成功用于木糖生产。但提取木聚糖存在较大的缺点，比如提取液中木糖比例很高，不能满足低聚木糖的生产要求；在提取过程中会产生许多副反应并生成一些可能的致癌物质，从而影响到终产品的安全性。
（2） 碱提取法[4]：其原理是利用半纤维素溶于碱溶液，不溶于其它溶剂的性质，先用碱溶液将半纤维素抽提出来，然后沉淀分离抽提物获得木聚糖。此方法适合于以木聚糖为主要成分的半纤维素原料。该法的优点是提取率较高、提取纯度高。
（3）高温蒸煮法[5-7]：利用高温破坏木聚糖与纤维素、木素的结合，利用木聚糖自身含有的乙酰基在一定温度或压力的作用下脱落生成乙酸，造成体系的pH值降低，从而使木聚糖发生自身水解作用，木聚糖分子量降低、溶解度增大 该法的优点是处理量较大，提取率较高，但提取纯度不及碱提取法，并且蒸煮法需要较高的温度和压力，因此对设备要求较高。
（4）蒸汽喷爆法[8-10]:在一定压力、温度和水分条件下，半纤维素发生糖苷键断裂，释放出乙酸，即进行自身水解反应，变为分子量较小、可溶于水的木聚糖。该法的优点是处理量大，这一预处理技术在加拿大己应用于商业化生产，其不足之处是对设备的要求较高，能耗较大，在高温条件下由于部分木糖的变性会产生糠醛等有害物质。
（5）超声波提取法: 杨健等[11] 考察了用超声波法提取玉米芯木聚糖时各因素对提取率的影响，并通过正交实验确定了提取过程的最优条件。Zdena等[12]对比了传统提取方法及超声波提取对木聚糖得率的影响。
本研究拟采用蒸煮-碱提取法来提取玉米芯中木聚糖，其基本原理是：①蒸煮：在高温下使
半纤维素大分子链形成的无定形区充分溶胀以利于碱液进入发挥作用；破坏部分木聚糖-木素复合物，使玉米芯中的水溶性物质溶出；②有机溶剂处理：除去原料中的树脂、菇烯、丹宁等非极性杂质；③碱处理：利用半纤维素的碱溶性将半纤维素抽提出来，同时除去了纤维素等不溶于碱的杂质；④中和沉淀：沉淀出较高分子的中性部分即半纤维素A；⑤有机溶剂沉淀：碱提取前除去原料中的非极性杂质，中和沉淀后沉淀出剩余部分中半纤维素的较小分子的酸性部分即半纤维素B。
本研究综合蒸煮和碱提取法的优点，从玉米芯中提取木聚糖，这既可以为后续木聚糖酶的研究提供底物，又可以大大减少玉米芯作为燃料燃烧对环境造成的污染，还可以为生产低聚木糖、木糖、木糖醇等提供原料，对低聚木糖的开发有重要的意义。
2 研究内容及技术路线
2.1研究内容
2.1.1玉米芯的高温蒸煮
选取不同蒸煮温度（如80℃、100℃和120℃）以及蒸煮时间（如1h、2h和3h）对经预处
理后的玉米芯进行处理，考察其对木聚糖得率的影响。
2.1.2 碱处理研究
主要考察碱液浓度、原料与碱溶液的固液比、处理温度和时间是碱法提取中影响提取效果的主要因素，对各个碱处理条件进行单因素探讨以确定处理条件的范围，为正交试验选出合适的水平。
2.1.3 沉淀条件的研究
主要考察pH、沉淀剂种类、醇沉时间、醇沉体积等对木聚糖得率的影响
2.2分析方法[11]
(1)DNS (3，5－二硝基水杨酸)的配制及标准曲线的测定。
(2)还原糖浓度的测定
取1mL待测样品与3mLDNS溶液沸水浴5分钟后测吸光度，调整样品浓度使反应后吸光度在0.2～0.7范围内，根据回归方程即可算出还原糖浓度。
（3）木聚糖质量的测定:称取样品2.0g于三角烧瓶中，加入72%硫酸8m1，摇匀，室温下水解lhr。加水将硫酸稀释至浓度6%，加热回流2hr进行稀酸水解，中和、定容、过滤，测定滤液的还原糖含量，将其乘以木聚糖聚合系数0.9作为木聚糖质量。
（4）计算公式
木聚糖提取率(%)=m/M×100％
m为木聚糖质量，mg；M为原料质量，mg
2.3技术路线
3实验进度
1- 2 周 查资料
3- 4 周 实验方案设计准备实验药品，仪器
5- 6 周 玉米芯的预处理
7-14 周 蒸煮－碱法提取条件的研究
15－16周 实验数据的整理、分析，撰写论文
17 周进行预答辩
4小结
以上是对本课题的初步设想，在具体实验过程中，可能还会出现一些考虑不到的问题，到时会对实验方案做出及时和必要的调整，以达到预期的研究目标。
参考文献
[1] 中华人民国家统计局编.中国统计年鉴－－2005[M].北京:中国统计出版社,2005
[2] 李相安.玉米芯特殊用途的介绍[J].淀粉与淀粉糖.1995, 32 (3): 17
[3] 杨瑞金,许时婴,王璋.用于低聚木糖生产的玉米芯木聚糖的蒸煮法提取[J],无锡轻工大学学报, 1998(17):50～53
[4]邵佩兰,徐明,李海峰等.碱法提取玉米芯木聚糖的研究[[J].宁夏农学院学报,2000,21(4):47～49
[5]杨瑞金,许时婴,王璋.低聚木糖的酶法生产[J].无锡轻工大学学报,2000,29(4):340～344
[6]杨瑞金,许时婴,王璋.低聚木糖的功能性质与酶法生产[[J].中国食品添加剂,2000(2):89～93
[7l许正宏,熊筱晶,陶文沂.低聚木糖的生产及应用研究进展[J].食品与发酵工业,2002,28(1):56～59
[8]洪枫,单谷,采用蒸汽爆破技术制木低聚糖的尝试[J],林产化工通讯,1999 (6):3～6
[9]洪枫,陈琳,新型功能性食品基料――木低聚糖的研制[J],纤维素科学与技术,1999,7(4):47～55
[10]唐爱民,梁文芷,纤维素预处理技术的发展[J],林产化学与工业,1999,19(4):81～88
[11]杨健,王艳辉,马润宇.声波法提取玉米芯木聚糖的研究[J].北京化工大学学报,2005,32（3）:106～109
[12]Zdena Hromadkova. Study of the classical and ultra sound assisted extraction of the corncobxylan[J]. Industrial Cropsand Products, 1999(9):101～109.
