从玉米芯中提取木聚糖的工艺研究

1、 STUPY ON TECHNOLOGY OF XYLANASE EXTRACTFROM CORNCOB目 录摘要1关键词11前言1 1.1玉米芯的应用前景1 1.2木聚糖的性质与作用2 1.3国内外研究状况32实验材料试剂及仪器3 2.1主要的仪器3 2.2 主要的材料与试剂43 实验方法和过程4 3.1 实验材料的处理4 3.2 木聚糖的测定4 3.3 木糖标准曲线的制作4 3.4 温度对木聚糖提取率的影响4 3.5 反应时间对木聚糖提取率的影响4 3.6 反应浓度对木聚糖提取率的影响5 3.7 反应PH浓度对木聚糖提取率的影响 5 3.8 酒精倍数对木聚糖提取率的影响5 3.9 酒精沉淀

2、时间对木聚糖提取率的影响5 3.10 正交试验法确定最佳提取工艺 54 结果分析5 4.1 温度对木聚糖提取率的影响分析5 4.2 反应时间对木聚糖提取率的影响分析6 4.3 反应浓度对木聚糖提取率的影分析6 4.4 反应PH浓度对木聚糖提取率的影响分析 6 4.5 酒精倍数对木聚糖提取率的影响分析7 4.6 酒精沉淀时间对木聚糖提取率的影响分析7 4.7 正交试验法确定最佳提取工艺分析75结论9参考文献 9致谢11从玉米芯中提取木聚糖的工艺研究学 生：高 韬 指导老师：林元山 (湖南农业大学东方科技学院，长沙 410128) 摘 要：通过单因素及正交试验对从玉米芯中提取木聚糖的工艺条件进行了

3、优化。最佳的工艺如下：NaOH溶液的浓度为15%，80抽提取90min；离心，将上清液pH值调到5.0，静置过夜，离心得到木聚糖A，再将离心液用3倍95%的工业酒精沉淀90min得木聚糖B，在上述条件下木聚糖提取率为82.5%。关键词：玉米芯；木聚糖；提取；正交试验；TECHNOLOGY OF XYLANASE EXTRACTED FROM THE CORNCOBStudent:Gao TaoTutor:Lin Yuanshan(Oriental Science Technology College of Hunan Agricultural University, Changsha 4101

4、28)Abstract：The technology of xylan extnact from corncot was optimized by means of Single fautor and orthognal test. The result showed as follows: xylan A was seimentated and entrifugated when cornrob was extract in solution of 15% NaOH at 80 for 90min. Xylan B was also sedimentated by 3 fold volume

5、 of 95% etland from supernatant trented same as xylan A. The total of extract rate of xylan reuehed 82.5% under the condition described asabove.Key-Words: Corncob; Xylan;Extraction; Orthogonal test1 前言1.1 玉米芯的应用前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, 2003年玉米总产量在1.16亿t, 2004年玉米总产量在1.30亿t以上1。在进行玉米加工的同时,会有大量的下脚

6、料玉米芯产生。按3 kg玉米产l kg玉米芯计算,每年中国大约可均产玉米芯0.4亿t左右。t，然而，仅有少量玉米芯用于制造纳米粒子2，栽培白灵菇3，生产葡萄糖、木糖4,5、乳酸6等，然而玉米芯在很长时间内不能被广泛利用,绝大部分作为农家燃料被白白烧掉,造成很大的浪费。玉米芯中纤维素占32 %-36 %,多缩戊糖占35 %-40 %,木质素占25 %,其次还含有少量的灰分等,其中多聚戊糖的主要成分为木聚糖,包括A和B两个组分,前者可通过调pH得到,后者可通过有机溶剂沉淀得到。玉米芯含有丰富的木聚糖，是制造木糖的重要原料之一。1.2 木聚糖的性质与作用 性质：由木糖红-1，4-糖苷键连接而成7，分

7、子量约30000（200个糖单位），白色无定形粉末，不溶于冷水，溶于稀碱溶液，随样品不同，旋光度D-71.2到-109.5。俗称半纤维素木聚糖是半纤维素中主要的结构形式，由-D-木吡喃糖以14键连接。一些木聚糖常含有少量其他的糖，如 L阿拉伯糖、D葡萄糖、D半乳糖、D甘露糖、D葡萄糖醛酸和D-半乳糖醛酸等，它们常以接枝的方式形成支链。木聚糖溶于稀碱中，可与纤维素分开。木聚糖与强酸共热水解，是工业上制备糠醛的方法。在稀酸中水解，得木糖，是制备木糖醇的主要原料。 木聚糖是一种五碳醛糖，为无色至白色结晶或针状性粉末，不易被人体消化吸收、低热值，不易被腐败菌发酵，具有明显的双歧杆菌活性，能够起到调节人

8、体生理功能，增加机体免疫力，预防疾病发生等作用。木聚糖与其它种类低聚糖相比，具有用量少、耐热、耐酸、耐储存等特性。因此，木聚糖可应用于酸性、需高温处理的食品中，且少量添加即可有特定的保健功效8。木聚糖在食品、医药、轻工等领域有着广泛的用途。它可以作为甜味剂加工成各种糖尿病人专用食品，可以降低人体血糖值，是糖尿病人的辅助治疗剂，在轻工业中木聚糖可以代替甘油作保湿剂9。因此，研究开发该类产品有广泛的前途。 木聚糖是半纤维素的一种，在自然界中广泛存在，主要存在于禾本科植物（竹子、芦苇、甘蔗渣、玉米芯、稻草、麦草等），阔叶材（榉木、杨木、桦木等），针叶材（冷杉、云杉、马尾松、落叶松等）。不同来源的木聚

9、糖，主链结构都是相同的，通过D 型吡喃木糖-1-4糖苷键联接，不同的木聚糖侧链有所不同，主要的侧链取代基有：阿拉伯糖、葡萄糖醛酸、4-0-甲基葡萄糖醛酸、乙酰基、半乳糖基等10。A Ebringerova11等人报道玉米芯木聚糖可以作为免疫佐剂调节免疫应答，从竹叶、玉米杆、麦杆及硬木中提取的酸性木聚糖能有效地抑制S180 以及其他肿瘤的生长。A Ebringerova12等人研究发现多支链的玉米芯木聚糖具有有丝分裂原活性，可以刺激细胞的免疫调节。 随着经济的发展和生活水平的提高,人类更加关注自身的健康,因而对能促进双歧杆菌增殖的功能性低聚糖的研究开发具有重大意义。低聚木糖对双歧杆菌的增殖效果好

10、于其他低聚糖, 人体每天食用0.7g就能达到理想的效果,而食用低聚果糖需每天10g。低聚木糖在PH2.5-8.0煮沸1h无明显变化,这一范围PH几乎覆盖了所有的食品体系。低聚木糖不但稳定性好,而且还具有降低水分的作用。总之, 与其他低聚糖相比,低聚木糖具有用量小、性质稳定耐酸、耐热、降低水分和防止冻结等特点, 加之其生产原料是农副产品玉米芯, 因此是一种具有发展前景的低聚糖。我国目前对低聚糖的研究还处在起步阶段, 日本三得利公司已有该产品上市, 折合人民币售价600万元/t。低聚木搪的生产分为木聚糖的提取与木聚糖的水解两个过程,这两个过程都很重要。木聚糖的提取不仅要做到提取充分, 而且还要尽可

11、能使其降解木糖的量少, 只有这样才能保证最终产品低聚木糖含量高。木聚糖在食品中可用作乳化剂及膳食纤维13, 具有促进有丝分裂及免疫调节等功能14。此外, 木聚糖通过酶解可制备低聚木糖, 低聚木糖有促进肠道内有益菌的繁殖、抑制有害菌生长的独特生理功能。本文以玉米芯为原料, 用碱提取的方法, 对木聚糖的提取工艺进行了优化,为低聚木糖的制备奠定基础, 也为玉米芯资源的利用提供了基础数据。1.3 国内研究状况 木聚糖的提取15,16方法主要有三种沉淀法、碱法、高温蒸煮法。蒸煮法提取木聚糖的原理是利用木聚糖自身含有的乙酞基在高温的作用下脱落成乙酸, 使体系降低, 从而使木聚糖在较高温度下-1，4- 糖昔

12、键断裂,木聚糖分子量降低, 溶解度增大。沉淀法提取其溶出总糖量较低,且溶出的总糖中还原糖含量较大,不利于木聚糖的提取。减法、蒸煮法提取其溶出总糖量较高,且溶出的总糖还原糖的含量较小,是提取木聚糖的较好方法,尤其碱法。所以本文以碱法作为玉米芯的提取方法对其进行工艺优化。2 实验材料、试剂及仪器2.1 主要仪器 恒温水浴箱 烘干机 粉碎机 电子天平 试管架 试管2.2 主要的材料与试剂 玉米芯 NaOH固体 95%酒精 无氨蒸馏水 H2SO4 木聚糖粉末3 实验方法与过程3.1 实验材料的处理将玉米芯芯皮分离再依次剪碎并烘干过夜。将已烘干过夜的芯皮粉碎成粉末状,40目过筛。3.2 木聚糖的测定17

13、取干燥后的木聚糖粉末, 加入一定量的8%H2SO4,于100 水解2 h, 用NaOH中和,定容至100 mL, 测定滤液的还原糖质量, 将其乘以木聚糖聚合系数0.9 作为木聚糖质量m。提取率(%)=m(g)/M( 玉米芯的质量g) 100 %3.3 温度对木聚糖提取率的影响用电子天平准确称取0.5g玉米芯，加入试管中。再分别加入15%的NaOH溶液10ml,取4只试管分别编号1，2，3，4.再依次放入温度为60，70，80，90的恒温水浴箱中，反应1.5h后调节pH到5再过滤。过滤所得的沉淀放入培养皿中烘干过夜。用天平称取沉淀重量并记录。3.4 反应时间对木聚糖提取率的影响电子天平准确称取0

14、.5g玉米芯，加入试管中。再分别加入15%的NaOH溶液10ml,取4只试管分别编号1，2，3，4.再放入温度为80的恒温水浴箱中，看表依次反应1，1.5，2，2.5h后pH到5再过滤。过滤所得的沉淀放入培养皿中烘干过夜。用天平称取沉淀重量并记录。3.5 NaOH浓度对木聚糖提取率的影响 电子天平准确称取0.5g玉米芯，加入试管中。再分别加入5%，10%，15%，20%的NaOH溶液10mL,取4只试管分别编号1，2，3，4.再放入温度为80的恒温水浴箱中，看表反应1.5h后pH到5再过滤。过滤所得的沉淀放入培养皿中烘干过夜。用天平称取沉淀重量并记录。3.6 反应pH浓度对木聚糖提取率的影响用

15、电子天平准确称取0.5g玉米芯，加入试管中。再分别加入15%的NaOH溶液10mL,取4只试管分别编号1，2，3，4.再放入温度为80的恒温水浴箱中，反应1.5h后调节pH到3，5，7，9再过滤。过滤所得的沉淀放入培养皿中烘干过夜。用天平称取沉淀重量并记录。3.7 酒精倍数对木聚糖提取率的影响用电子天平准确称取0.5g玉米芯，加入试管中。再分别加入15%的NaOH溶液10ml,取4只试管分别编号1，2，3，4.再放入温度为80的恒温水浴箱中，反应1.5h后调节pH到5再过滤。过滤后的上清液分别倒入4只试管中，再分别用1，2，3，4倍酒精沉淀1.5h再过滤。过滤所得的沉淀放入培养皿中烘干过夜。用

16、天平称取沉淀重量并记录。3.8 酒精沉淀时间对木聚糖提取率的影响用电子天平准确称取0.5g玉米芯，加入试管中。再分别加入15%的NaOH溶液10ml,取4只试管分别编号1，2，3，4.再放入温度为80的恒温水浴箱中，反应1.5h后调节PH到5再过滤。过滤后的上清液分别倒入4只试管中，再分别用3倍酒精沉淀1，1.5，2，2.5h再过滤。过滤所得的沉淀放入培养皿中烘干过夜。用天平称取沉淀重量并记录。3.9 正交试验法确定最佳提取工艺选取碱处理时间(A)、碱液浓度(B)、反应pH浓度(C）和碱处理温度(D)作为考查因素，参考单因素的试验结果确定试验水平，做4因素3水平正交试验来确定最佳提取工艺。4

17、结果分析 4.1 温度对木聚糖提取率的影响分析表1 温度对木聚糖提取率的影响Table1 Effect of temperature on extract rate of xylan 编号1234处理温度60708090提取率37.8% 36.0%43.2%37.8% 由上表可知在80时提取最优。温度太低时，玉米芯中的木聚糖溶出不充分随着温度的升高，木聚糖溶出量增加，这说明适当提高温度对碱液溶解木聚糖是有利的但同时发现，温度升高以后提取液的颜色逐渐加深并且过高的温度也会使碱液对木聚糖产生降解作用，导致提取率下降4.2 反应时间对木聚糖提取率的影响分析表2 提取时间对木聚糖提取率的影响Table

18、2 Effect of extract time on xylane extract rate编号1234处理时间1h1.5h2h2.5h提取率50.4%73.8%66.6%70.2% 由上表可知反应时间在1.5h的时候提取最优化。 在4个处理中，处理1.5 h的半纤维素含量最高，处理时间延长半纤维素含量明显下降碱浓度、温度和处理时间偏低时原料中的半纤维素不能充分溶出，偏高时会导致碱溶液在溶出半纤维素的同时对其中的木聚糖产生部分水解作用，因此需要通过正交试验来调整各主要处理条件，选取更适合的碱处理条件4.3 NaOH浓度对木聚糖提取率的影响分析 表3 氢氧化钠浓度对木聚糖提取率的影响Table

19、3 Effect of concentration of NaOH on extract rate of xylan编号1234NaOH浓度5%10%15%20%提取率 60.3%70.2%80.8%76.7%由上表(3)可知15%的NaON提取最优化。并且发现其中20%中的沉淀显灰黑色。4.4 反应PH浓度对木聚糖提取率的影响分析 表4 pH值对木聚糖提取率的影响Table4 Effect of pH on extract rate of xylan编号1234处理液PH3579提取率69.6%71.6%69.3%65.3% 由上表可知在pH=7的时候提取最优化。不同pH值对提取率影响较为明

20、显，在pH为5时沉淀量最大，这可能是因为木聚糖溶液处于带负电荷状态，微酸性环境下，胶团的负电荷被中和，使pH值接近等电点而形成絮状沉淀，从而使木聚糖提取率提高。4.5 酒精倍数对木聚糖提取率的影响分析 表5 酒精用量对木聚糖提取率的影响Table5 Effect of ethanol volume on extract rate of xylan 编号1234酒精倍数1234提取率 22.5%24.8%25.7%26.1% 由上表可知在酒精倍数为4倍的时候提取最优化。提取率随着酒精体积的增大而增大，3倍体积沉淀时提取率与4倍体积沉淀时提取率相差不大而继续增加酒精用量提取率增幅不大，且酒精用量过

21、大会提高提取成本并且造成精制困难，因此选取待沉淀料液3倍体积的工业酒精进行沉淀。4.6 酒精沉淀时间对木聚糖提取率的影响分析 表6 酒精沉淀时间对木聚糖提取率的影响Table6 Effect of time treated with ethanol on extract rate xylan 编号1234酒精沉淀时间1h1.5h2h2.5h提取率 28.8%24.1%24.3%24.6% 由上表可知沉淀时间为2.5h时提取最优化。 沉淀时间越长，木聚糖提取率越高，但超过1.5 h之后影响不大，1.5h就可将提取液中的木聚糖沉淀出来4.7 正交试验法的结果分析表7 正交试验表Table7 rth

22、ogonat test试验号处理时间碱液浓度反应pH浓度碱处理温度提取率160min10%37062.2%260min15%58070.3%360min20%79060.3%490min15%59075.6%590min20%77080.2%690min10%38075.2%7120min20%78063.3%8120min10%39066.3%9120min15%57061.4%K164.26767.03367.90067.933ABDCK277.00072.26769.10069.600A2B2C2D2K363.67765.63367.93367.400R13.3336.6341.2002

23、.200图1 因素趋势图Fig1 Trend of factors 由上表(7)可知各因素对提取木聚糖影响显著程度依次为ABDC，即处理时间碱液浓度处理温度反应pH浓度，由图(1)可知最佳提取组和A2B2C2D2因为这个组合在上表(7)中没有，所以又做了A2B2C2D2的验证发现A2B2C2D2下的提取率为82.5%高于实验中的80.2%所以最佳的组合为A2B2C2D2提取率为82.5%5 结论综上所得可知玉米芯中木聚糖提取的最佳工艺条件为: NaOH浓度为15 %, 浸提温度为80, 浸提时间为90min, 得木聚糖的最佳pH 值为5。在上述条件上木聚糖的提取率为82.5%。 次级提取木聚糖

24、的最佳酒精体积为3 倍, 沉淀时间90 min。 参考文献1 中国人民国家统计局. 中国统计年鉴M. 北京: 中国统计出版社,2005:12- 232 Rosangela B GarciaToshiyuki Nagashima JPraxedesK CPreparation of micro and nanoparticles from corncobs xylan,J-Polymer Bulletin200146：371-3793 张桂香玉米芯栽培白灵菇的试验研究J甘肃农业大学学报200439(5)；537-5394 Hang E Y DWoodams EEnzymatic producti

25、on of re-ducing sugars from corncobsJLebensmittel Wissen-schaft und-Technologic200I34(3)：140-1425 Ydfera P ETortosa C IBreijo F JHydrolysis of corncoblignocellulosic residue from pentose preparation6 Rivas BMolders A BJos E Met a1Lactic acid pro-duction from corncobs by simultaneous saccharmcati0nan

26、d fermentation:interpretationJEnzyme andMicrobialTechnology200434(7)：627-6347 陈瑞娟.新型低聚糖的介绍J.仁食品与发酵工业,199319(2):82-928 邵佩兰，朱小红，徐明，等用蒸煮法从玉米芯提取木聚糖的研究J宁夏农学院报，2002，23(1)：37-389 尤新玉米深加工技术M北京：中国轻工业出版社，2004：33410 邹永龙, 王国强. 木聚糖降解酶系统J. 植物生理学通报, 1999, 35(5): 404-410.11 A Ebringerova, A Kardosova, Z Hromadkova. Immunom