玉米芯提取木糖工艺

内容提要I.玉米深加工的概述II.玉米芯的研究III.低聚木糖的研究IV.低聚木糖的制备方法V.总结1.玉米的深加工玉米作为粮食和饲料作物，资源丰富，为人类的生存和发展做出了贡献。近年来，随着科技进步，我国玉米年产量超过亿，位居世界第二。20世纪70年代以来，玉米加工业得到各国的普遍重视，发展迅速，已经形成规模宏大的工业部门。玉米深加工产品的种类超过3000多种。玉米食品深加工利用方式有两种：湿法加工：将玉米加工成淀粉作为食品工业基础原料，或以淀粉为中间产品经液化、糖化等工艺加工成玉米糖浆、高果糖浆或结晶葡萄糖，用作食品、饮料的甜味剂。干法加工：将玉米破碎分离成胚乳、胚芽和果皮等，再分别利用其营养组分。2玉米芯的研究玉米芯有较高的利用价值，作为玉米生产的副产物，玉米芯在我国农村一直被廉价地作为燃料而烧掉，使这一资源丰富且具有很高的利用价值的工业原料，没有得到合理充分的利用。2.1玉米芯的化学组成玉米芯主要由纤维素和木质素组成。据测定，玉米芯含粗蛋白2%-6%；粗脂肪0.5%；可溶性无氮物52.9%；粗纤维33.1%；灰分3.2%；水分7.7%。2.2玉米芯的应用前景据统计，我国玉米年产量约为1.2亿吨。按生产1千克玉米同时可得到1/3千克玉米芯计算，我国玉米芯年产量约0.4亿吨，产量极其可观。以玉米芯为原料可以用于生产糠醛、木糖、木糖醇及酚类。3.低聚木糖的研究低聚木糖也称木寡糖(xylo-oligosaeeharide，简称XOS)，由2~7个D-木糖以β-1，4木糖苷键结合而成，是以木二糖、木三糖为主要成分的混合物。为白色结晶或结晶性粉末，易溶于水。3.1低聚木糖的结构图1-1低聚木糖的分子结构3.2低聚木糖的功能双歧杆菌增殖作用和减少有毒发酵产物及有害细菌的产生。抑制病原菌和腹泻。防止便秘。保护肝脏。降低血清胆固醇。降低血压。增强机体免疫力，抗癌。具有良好的配伍性。属于低甜度的甜味剂。促使机体生成多种营养物质，包括VB1、VB2、VB6、VB12、烟酸和叶酸。不会引起牙齿龋变，抑制口腔病菌的滋生。3.3低聚木糖的用途1）木糖主要通过加氢制造木糖醇，其用途更加广泛。2）木糖在食品、饮料中作为无热量甜味剂，适用于肥胖及糖尿病患者。3）木糖在发达国家已应用于宠物饲料。4）木糖用作烤制品。5）木糖用作高档酱油色。6）在轻工、化工方面也有一定用途。4.低聚木糖的提取方法碱法提取；蒸煮法：微波法；酸水解法；酶水解法；4.1碱法提取木糖碱法处理的原理：是通过碱的作用提高木聚糖的水溶性，使木聚糖从玉米芯原料中溶出。粉碎过40目玉米芯沸水浸泡NaOH溶液浸提主要工艺条件碱法提取玉米芯木聚糖的工艺，即采用NaOH浓度0.7mol/L，料液比（w/v）1:10，原料在120℃下处理30min，离心，上清液加入酒精至终浓度65％沉淀木聚糖，离心收集沉淀。该工艺条件下100L规模中试生产粗木聚糖的提取率为16.63％。碱法提取木糖的局限性实际生产中，采用超声波辅助萃取可以降低NaOH的使用浓度，但碱液使用量还是很大，碱液不仅对设备产生腐蚀，还产生大量的碱性废水造成环境污染，因此难以工业化生产。4.2蒸煮法提取木糖原理：蒸煮法提取木聚糖是利用木聚糖自身含有的乙酰基在高温作用下脱落形成乙酸，体系的pH值降低，从而使木聚糖在较高温度下β-1，4糖苷键断裂发生自身水解作用。蒸煮法提取木糖优缺点蒸煮法提取木聚糖，水解程度相对较低，副产物相对较少，也解决了碱法提取带来的严重污染问题。但木聚糖的提取率随温度的升高而增加，其副产物也随之显著增加，颜色也随之加深，同时，生产周期长，能耗高。4.3微波法提取木糖微波作用可以使植物纤维原料结构松散，半纤维素得到有效降解，酶解性能大大提高。与其他预处理方法相比较，微波处理具有工艺过程简单和无污染环境等优点，由于投资大和工艺不成熟等原因，目前还不适合工业化生产。4.4酸水解法提取木糖粉碎后的玉米芯预处理酸水解中和脱色离子交换浓缩二次离子交换二次浓缩结晶干燥酸水解法提取木糖工艺条件预处理：粉碎好的玉米芯用0.1%的硫酸在常压下加热煮沸2h后，滤渣备用。酸水解：对制备的滤渣采用1.5%硫酸水解，时间4h，水解温度为100℃中和：以碳酸钙为中和剂，中和终点pH3.0，中和时间90min，中和温度80℃。脱色：将滤液加入预处理后的活性炭中，脱色温度70℃，脱色时间45min，活性炭用量为2%酸水解法提取木糖工艺条件离子交换：将苯乙烯型强碱型阴离子交换树脂和苯乙烯型强酸型阳离子交换树脂分别用4%的NaOH和3%--4%HCl进行预处理，树脂预处理后装柱，阳离子交换树脂：阴离子交换树脂=1:1.5；糖液先过阳柱后再过阴柱；浓缩：在真空下一次浓缩至原体积40%，二次浓缩至原体积的25%，然后放入晶种，冷却结晶；干燥：干燥时温度不得超过90℃酶水解法制备低聚木糖工艺框架低聚木糖产品xylooligosaccharide酶解反应Enzymehydrolysisreaction预处理Pretreatment原料Rawmaterial分离精制Separationandpurification木聚糖酶的制备木聚糖酶是一种内切型水解酶，其作用方式是水解木聚糖分子中的β-1，4一木糖苷键，其水解反应产物主要是低聚木糖，也有少量木糖和阿拉伯糖等单糖。木聚糖酶主要是通过微生物发酵的方法制取得到，通过微生物的筛选作用可以选出最适宜用玉米芯制取低聚木糖的菌株是sp.E-86菌株。低聚木糖的脱色活性炭脱色：操作简便，成本低廉，但损失率较高;絮凝脱色：通常与活性炭结合使用，可以降低活性炭的使用量，减少低聚木糖的损失率，处理量大，脱色率高，不仅可以脱色，还可以除去木质素、少量纤维素等杂物；新生磷酸钙脱色：在低聚木糖液中加入Ca(OH)2，混合均匀后，再缓慢加入H3P认，反应生成磷酸钙，这时新生磷酸钙便与低聚木糖液中的色素发生吸附作用，从而达到脱色效果，此法脱色效果好，糖损失率相对较低，是一种较为可行的脱色方法;离子交换树脂可脱色脱盐，还能能重复使用。酶水解法制取木糖工艺要点(l)玉米芯预处理工艺用60℃去离子水浸泡风干玉米芯(60目)12h，过滤，弃去滤液，滤渣烘干备用。(2)玉米芯酸预水解工艺将经上述预处理的玉米芯，按固液比1:6加入2.0g/L的硫酸溶液，于120℃酸预水解60min。(3)玉米芯酶水解工艺将经酸预水解渣液调至pH4.6，按40IU/g玉米芯加入木聚糖酶，于50℃酶解4h。(4)酶水解后的溶液经抽滤获得的粗糖液，酵母发酵24h后离心，取上清液加活性炭，80℃脱色60min;活性炭脱色后的糖液再经过离子交换树脂最终糖液脱色率达90%以上，损失率在30%左右，低聚木糖纯度达89%以上。酶水解法制取木糖优缺点酶水解法具有反应条件温和、有害物质产生少、对设备要求不高等优点；缺点是低聚木糖得率低困；所以一般采用物理的、化学的或物理辅助化学法与酶法相结合，先将木聚糖提取出来，然后再用木聚糖酶水解几种提取方法的比较提取方法优点缺点碱法提取工艺操作简单，所用试剂廉价易得。容易造成碱溶液的污染和浪费，产物得率较低。蒸煮法水解程度相对较低，副产物相对较少，解决了碱法提取带来的严重污染问题。木聚糖的提取率随温度的升高而增加，副产物也增加，颜色加深，生产周期长，能耗高微波法工艺过程简单、不污染环境。投资大、工艺不成熟、还不适合工业化生产。酸水解法产物得率相对较高对设备要求高，且水解过程中会伴随有害物质的生成。酶水解法具有反应条件温和、有害物质产生少、对设备要求不高。低聚木糖得率低。总结正是因为以上几种方法的优缺点所以一般采用物理的、化学的或物理辅助化学法与酶法相结合，先将木聚糖提取出来，然后再用木聚糖酶水解。研究发现将木聚糖酶解反应与膜分离技术相结合，将生成的产物不断的分离出来，可以提高低聚木糖的得率和酶的利用率。