摘 要：通过单因素试验和正交试验对酸解法提取脱淀粉玉米纤维中半纤维素的工艺进行优化，确定酸解的最佳酸浓度、时间、温度和料液比。结果表明：半纤维素提取的最佳条件为酸解温度110℃，时间2 h，酸浓度0.5%，料液比为1∶12.5（g/mL），在此条件下半纤维素的提取率达94.45%。
关键词：脱淀粉玉米纤维；半纤维素提取；酸解法
随着科学技术的进步和社会经济的发展，玉米不仅是人类赖以生存的粮食作物，也成为了重要的工业原料[1]。玉米纤维（俗称玉米皮）是湿磨法加工玉米淀粉生产过程中产生的一种廉价且丰富的副产品 [2]，玉米纤维中含有10%～20%的淀粉、10%～20%的纤维素、30%～40%的半纤维素及其他成分[3-4]。半纤维素是可以用稀酸或稀碱从植物细胞壁中提取的多糖类混合物，其水解产物木聚糖、阿拉伯糖等都是水溶性膳食纤维的组成成分[5]。目前，采用稀碱提取半纤维素主要产生葡萄糖、半乳糖及阿拉伯木聚糖，但该法对占半纤维素总量50%以上木糖成分的提取能力极低[6]。在酸性条件下纤维素和半纤维素均会降解，但在酸浓度较低的情况下，控制酸解的时间、温度和浓度，就能够显著降低酸对纤维素的降解，可有效提取半纤维素中的大部分木糖成分，因此可采用酸解法提取玉米纤维中丰富的半纤维素。但通常玉米纤维中会残留较多的淀粉，这会影响下游产品的提纯效果，继而影响到产品的价值。近期，我们利用玉米纤维中残留亚硫酸的酸性，以蒸煮法脱除了玉米纤维中的大部分淀粉[7]。基于前期研究结果，本文以脱淀粉玉米纤维为研究对象，通过优化酸解法提取半纤维素的工艺条件，为有效提取和利用半纤维素提供基础试验数据。
硫酸、盐酸、NaOH、酒石酸钾钠、乙酸、乙酸钠：购自北京化工厂；酚酞、苯酚、3，5-二硝基水杨酸、无水亚硝酸钠：购自国药集团化学试剂有限公司；3，5-二硝基水杨酸（DNS）试剂：参照文献[8]进行配置；原料脱淀粉玉米纤维：参考文献[7]中的冲洗纤维，以取自生产线的玉米纤维按照该文献进行制备，玉米纤维取自中粮生化能源（公主岭）有限公司生产线的纤维脱水工序，未经进一步干燥，批号为G14-09-16-07，G14-11-03-04，G15-05-22-02，G15-08-01-03，G15-09-10-02。
DT500A电子天平：常熟市意欧仪器表有限公司；DZF-6021型真空干燥箱：上海一恒科学仪器有限公司；UV-1700分光光度计：岛津仪器（苏州）有限公司；D-78532型离心机：德国Hettich厂；SHA-B恒温振荡器：常州国华电器有限公司；ESJ180-4型分析天平：沈阳龙腾电子称量有限公司；101-2型电热鼓风干燥箱：黄骅市航天仪器厂；分子筛（100目）：浙江上虞市道墟仪器筛具厂。
1.3.1 试验步骤
采用单因素试验和正交试验优化酸解法提取半纤维素的工艺参数—酸浓度（A）、酸解时间（B）、酸解温度（C）和酸解料液比（D）。以脱淀粉玉米纤维（5 g，干重计）为原料，用硫酸调反应液至一定的酸浓度、料液比，将反应液放置于一定温度下，保温一定时间得到酸解液，分离酸解液得到酸解纤维残渣和酸解滤出液。测定酸解纤维残渣中半纤维素的含量，可以分析各因素对脱淀粉玉米纤维中半纤维素提取的影响。同时对糖渣中含有的还原糖、总糖及平均聚合度进行测定。
1.3.2 测定方法
1.3.2.1 半纤维素测定
参考GB/T 2677.9-1994《造纸原料多戊糖含量的测定》及相关文献[9]进行。
1.3.2.2 木糖标准曲线
取8支洗净烘干的20 mL具塞刻度试管，分别加入木糖标准溶液 （1.0 mg/mL）0、0.2、0.4、0.6、0.8、1.0、1.2、1.4 mL，补充蒸馏水至2 mL，再各加入1.5 mL DNS后摇匀沸水浴5 min，冷却后定容至15 mL，用分光光度计测定540 nm时候的波长。以木糖含量（mg）为横坐标，以540 nm对应的光密度值为纵坐标，绘制出木糖标准曲线。
1.3.2.3 糖渣中还原糖、总糖测定及平均聚合度测定
还原糖含量测定：将滤出液稀释适当的倍数，利用DNS法和葡萄糖标准曲线计算每毫升溶液中还原糖的含量。
总糖含量测定：取稀释适当浓度的滤出液，向其中加入适量稀硫酸配制成酸浓度为15%的溶液，密封并放置于120℃反应2 h后取出冷却。利用DNS法和葡萄糖标准曲线计算每毫升溶液中还原糖的含量，即为总糖含量。
平均聚合度：聚合物的分子量本身就是平均值，所以重复单元分子量除平均分子量就是平均聚合度[10]。在本文中平均聚合度＝总糖含量/还原糖含量。
1.3.3 酸解法试验设计
1.3.3.1 单因素试验
单因素试验设计如表1。
表1 单因素试验因素与水平
Table 1 Levels of factors
水平D料液比/（g/mL）1 0.5 0.5 100 1∶10 2 1 1 105 1∶12.5因素A酸浓度/% B酸解时间/h C酸解温度/℃3 110 1∶15 4 3 3 115 1∶17.5 2 2 5 4 4 120 1∶20
1.3.3.2 正交试验
在单因素试验的基础上，以酸浓度（A）、酸解时间（B）、酸解温度（C）为影响因素，以酸解纤维残渣中半纤维素含量为指标，设计正交试验（见表2）。
表2 正交试验因素与水平
Table 2 Factors and levels of orthogonal test
水平 因素A酸浓度/% B酸解时间/h C酸解温度/℃1 0.5 1 100 2 1 1.5 105 3 2 2 110
1.3.4 验证试验
综合单因素试验和正交试验结果，验证最优条件的准确性和重复性。
木糖标准曲线的制作见图1，得到标准曲线方程为 y＝0.893 1x，R2＝0.997 3，木糖含量在 0.000 0 mg～1.400 0 mg内线性关系良好。
图1 木糖标准曲线
Fig.1 Standard curve of xylitol
2.2.1 酸浓度对酸解纤维残渣中剩余半纤维素含量的影响
设定酸解时间2 h，酸解温度110℃，酸解料液比1∶12.5（g/mL），测定酸浓度变化对酸解纤维残渣中剩余半纤维素含量的影响，见图2。
图2 酸浓度对半纤维素含量的影响
Fig 2 Effects of acid concentration on the hemicellulose content after acid hydrolysis
从图2可看出，酸浓度在0.5%～1%范围内，随酸浓度的增加，酸解纤维残渣中半纤维素含量表现为明显下降；而酸浓度在1%～4%范围内，随酸浓度的增加，半纤维素含量仅略有下降。从图2中还可以看出，在所选定的酸浓度范围内，由酸浓度不同而引起的半纤维素含量降低的极差为较小的0.22 g/5 g（半纤维素/原料），这是由于经蒸煮法脱淀粉的玉米纤维内部结构变的更加松散，有利于后酸解的进行，同时本单因素试验的反应时间为充足的2 h，酸解反应较彻底。因此，基于节约考虑确定后续试验的酸浓度为1%。
2.2.2 料液比对酸解纤维残渣中剩余半纤维素含量的影响
设定酸浓度1%，酸解时间2 h，酸解温度110℃，测定料液比变化对酸解纤维残渣中剩余半纤维素含量的影响，见图3。
从图 3 可看出，料液比在 1∶20（g/mL）～1∶12.5（g/mL）范围内，酸解纤维残渣中半纤维素含量随液体体积的减小表现为明显下降；在 1∶12.5（g/mL）～1∶10（g/mL）范围内，酸解纤维残渣中半纤维素含量随液体体积的减小略有下降。从图3中还可以看出，本单因素试验的料液比设定范围较广，但料液比变化对酸解纤维残渣中半纤维素含量变化影响仅为0.06 g/5 g，说明料液比因素对试验结果影响较小，故在正交试验中将不再体现。根据本步结果，将料液比最优水平定为1∶12.5（g/mL）。
图3 料液比对半纤维素含量的影响
Fig.3 Effects of solid-liquid ratio on the hemicellulose content after acid hydrolysis
2.2.3 酸解温度对酸解纤维残渣中剩余半纤维素含量的影响
设定酸浓度 1%，酸解时间 2 h，料液 1∶12.5（g/mL），测定酸解温度变化对酸解纤维残渣中剩余半纤维素含量的影响，见图4。
图4 温度对半纤维素含量的影响
Fig.4 Effects of temperature on the hemicellulose content after acid hydrolysis
从图4中可看出，酸解温度在100℃～105℃范围内，随温度升高，酸解纤维残渣中半纤维素含量表现为明显下降；在105℃～120℃范围内，随温度升高，酸解纤维残渣中半纤维素含量仅略有下降。因此，后续试验的酸解温度选择为105℃。
2.2.4 酸解时间对酸解纤维残渣剩余半纤维素含量的影响
设定酸浓度1%，酸解温度105℃，料液比1∶12.5（g/mL），测定酸解时间变化对酸解纤维残渣中剩余半纤维素含量的影响，见图5。
从图5可看出，酸解时间在0.5 h～2 h范围内，随时间延长，酸解纤维残渣中半纤维素含量表现为明显下降；在2 h～4 h范围内，随时间延长，酸解纤维残渣中半纤维素含量变化不明显。因此，后续试验的酸解时间选择为2 h。
图5 时间对酸解后半纤维素含量的影响
Fig.5 Effects of time on the hemicellulose content after acid hydrolysis
正交试验结果见表3，方差分析见表4。
表3 正交试验结果
Table 3 The results of orthogonal test
试验号 因素 半纤维素含量/g A/% B/h C/℃1 0.5 1 100 1.86 2 1 1.5 100 0.97 3 2 2 100 0.07 4 1 1 105 0.96 5 2 1.5 105 0.81 6 0.5 2 105 0.11 7 2 1 110 1.50 8 0.5 1.5 110 0.12 9 1 2 110 0.15 K1 0.70 1.44 0.97 K2 0.69 0.63 0.63 K3 0.79 0.11 0.59 R 0.10 1.33 0.38
表4 方差分析表
Table 4 Analysis of variance
变差来源 偏差平方和 自由度 均方 F比 F临界值 显著性温度 0.26 2 0.13 0.30 4.46 P＞0.01时间 2.69 2 1.35 3.07 4.46 P＞0.01酸浓度 0.02 2 0.01 0.02 4.46 P＞0.01误差 0.54 2 0.27总和 3.51 8
通过方差分析（表4）可知，3个因素对酸解纤维残渣中半纤维素含量的影响都不显著，则最佳提取条件可直观的从表3中选择均值小的水平组合即可。由表3的分析可知：（1）极差R值大小表示对酸解纤维残渣中半纤维素含量的影响程度，极差值中RC为0.38，RB为1.33，RA为0.10，说明B因素影响最大，其次为C因素，影响最小的是A因素，主次顺序为B>C>A，即影响酸解纤维残渣中半纤维素含量的因素分别为酸解时间>酸解温度>酸解酸浓度。（2）最佳理论提取条件为C3B3A2，即：即酸解温度110℃，酸解时间2 h，酸浓度1%。
由于较高的酸浓度高会对实验装置产生腐蚀，且正交试验的结果显示酸浓度是影响纤维素提取率的次要因素。因此在验证试验中，固定主要因素（即酸解温度110℃，酸解时间2 h），将次要因素酸浓度降低至0.5%，以5 g脱淀粉玉米纤维（干重计）进行5次单独试验进行验证，得到酸解纤维残渣中半纤维素含量为0.12、0.09、0.11、0.11、0.09 g，其平均值为 0.11 g。相对偏差分别是 15.39%、13.46%、5.77%、5.77%、13.46%，标准差为0.01，显示出良好的提取效果和重复性。
酸解前后主要成分变化见表5。
表5 酸解前后主要成分变化
Table 5 Main composition of corn fiber and the fiber after acid hydrolysis
成分脱淀粉玉米纤维/（g/100 g干脱淀粉玉米纤维）酸解纤维残渣/（g/100 g干脱淀粉玉米纤维） 变化量/%纤维素 21.14±0.92 17.90±0.88 -15.33半纤维素 42.78±1.67 2.37±0.24 -94.45蛋白质 12.33±0.74 6.55±0.73 -46.85脂类 4.01±0.51 4.01±0.43 0
对比酸解前后主要成分含量变化可以发现，脱淀粉玉米纤维原料经稀酸处理后半纤维素含量降低了94.45%，说明半纤维素已经基本完全提取。酸解处理还会提取接近一半的蛋白和部分纤维素，但对玉米纤维中的油脂含量没有影响。该酸解纤维残渣经有机试剂萃取可获得玉米纤维油，再经蛋白酶处理可获得到较为纯净的纤维素，具备进一步精深加工的基础。
测定结果表明，糖渣中还原糖含量为34.52 g/100 g糖渣，总糖含量占糖渣总重83.79 g/100 g糖渣，平均聚合度为3.68。结合表5的结果可以看出，糖渣中的糖类大部分为半纤维素水解产生的，并且酸解产生的糖大部分都为寡糖[11]，这些寡糖可经过简单处理（分离纯化）后，作为添加剂应用于食品中。
经单因素试验和正交试验可以确定时间对酸解提取半纤维素的影响最大，料液比的影响最小，影响半纤维素提取率的主次顺序为时间＞温度＞酸浓度＞料液比，最佳半纤维素提取条件即酸解温度110℃，时间2 h，酸浓度 0.5%，料液比为 1∶12.5（g/mL）。本研究所报的工艺优点是：以脱淀粉玉米纤维为原料，减少了淀粉糖对下游产品提纯的影响，操作简单，半纤维素提取率高，上述优点使该工艺可广泛应用于玉米深加工工业。
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Research of Extracting Hemicellulose from De-starch Corn Fiber by Acid Solution
Abstract：In order to explore the best temperature，time，acid concentration and solid-liquid rate of the extraction rate of hemicellulose from corn fiber，the cooking process was used on the basis of single factor experiments and orthogonal experiment.The results showed that optimum destarching conditions were solid-water rate of 1∶12.5（g/mL），temperature of 110℃，acid concentration of 0.5%，time of 2 h.Under these conditions，the extraction rate of hemicellulose was 94.45%.
Key words：de-starch corn fiber；extraction of hemicellulose；acid solution
DOI：10.3969/j.issn.1005-6521.2016.14.009
基金项目：吉林省科技发展计划（2015YMLS003NY）；吉林省自然科学基金项目（20130101159JC）
收稿日期：2016-03-07