刘 维，林元山，王珂瑶，万刘澳

从水稻秸秆中提取木聚糖的工艺研究

刘 维，⋆林元山，王珂瑶，万刘澳

（湖南农业大学生物科学技术学院，湖南长沙 410128）

以水稻秸秆为原料，经5%NaCl溶液浸泡预处理，采用通过单因素试验和正交试验，对水稻秸秆木聚糖的提取工艺进行了优化。结果表明，在料液比1∶15（g∶mL），NaOH质量分数12%，浸提温度80℃，浸提时间1.5 h，提取液用2倍体积95%酒精沉淀的条件下，木聚糖得率为11.1%。

水稻秸秆；木聚糖；提取工艺

我国各类农作物秸秆年总产量就达6×108t以上，以水稻、玉米和小麦为主，共占76.1%，其中水稻2.3×108t[1-2]。湖南省水稻及其秸秆产量居全国首位，水稻秸秆年总产量达2 500×104t[3]。水稻秸秆的主要成分大约35%为纤维素、25%为半纤维素和15%为木质素[4-5]。合理利用水稻秸秆资源将产生巨大的社会效益与经济效益，然而无序利用、废弃或焚烧是我国水稻秸秆利用的普遍现状，这造成了资源的极大浪费和严重的环境污染问题[6-7]。木聚糖是酶法制备功能性低聚木糖的关键原料，在食品中可以作为乳化剂及膳食纤维，具有促进有丝分裂及免疫调节等功能[8]。此外，木聚糖通过酶解可制备低聚木糖，低聚木糖还有很强的增殖肠道双歧杆菌、乳酸菌等益生菌的功能[9]。试验以水稻秸秆为原料提取木聚糖，为低聚木糖的制备提供应用基础。

1 材料与方法

1.1 材料

水稻秸秆，收购于江西宜春；木聚糖标样，Sigma公司产品（货号V900513，榉木木聚糖）；其他试剂为国产分析纯。

1.2 原料预处理[10]

准确称取10 g水稻秸秆，至250 mL三角瓶中加入5%NaCl 100 mL浸泡过夜，滤渣备用。

1.3 木聚糖提取

将预处理过的水稻秸秆滤渣，按提取的基本工艺条件：提取溶剂NaOH 10%，料液比1∶10，在100℃下浸提2 h，经中和，1.5倍酒精沉淀离心、漂洗、冻干得粗木聚糖。在基本工艺条件下，分别单因素变动NaOH质量分数、料液比、浸提温度、浸提时间、沉淀用酒精体积倍数，及其以NaOH质量分数、料液比、浸提温度、浸提时间等因素进行正交试验，确定提取木聚糖的得率。

浸提液用纱布过滤，滤液以转速6 000 r/min离心10 min，离心后的滤液用HCl调节pH值5～6，溶液用一定量体积的95%乙醇沉淀过夜。过夜后的沉淀以转速10 000 r/min离心10 min，弃上清液，沉淀用蒸馏水洗涤2次，每次以转速10 000 r/min离心10 min。沉淀用真空冷冻干燥机干燥24 h，得粗木聚糖。

1.4 木聚糖的测定

1.4.1 木聚糖标准曲线绘制

配制1 mg/mL标准木聚糖溶液，分别取标准木聚糖溶液 0.1，0.2，0.3，0.4，0.5，0.6，0.7 mL 于20 mL具塞试管中加水至1.0 mL，再加入3,5-二硝基水杨酸DNS溶液3 mL，沸水浴中5 min立即冷却定容后摇匀，蒸馏水作对照，于波长540 nm处测定其吸光度，得拟合曲线Y=0.715X+0.020 5，R2=0.9964（Y为木聚糖含量mg/mL，X为吸光度OD540nm）。

1.4.2 粗木聚糖的测定

准确称取0.1 g干燥后的粗木聚糖粉末，加入10 mL 7%HCl，100℃水解 2 h，冷却后用 NaOH调节pH值至中性，定容至100 mL，利用DNS法测定其还原糖质量，将其乘以木聚糖聚合系数0.88作为木聚糖质量[11]。

式中：m——提取木聚糖质量，g；

M——水稻秸秆质量，g。

2 结果与讨论

2.1 NaOH质量分数对水稻秸秆中木聚糖得率的影响

按提取木聚糖的基本工艺条件，分别取不同NaOH质量分数作为提取溶剂，获得粗木聚糖。

NaOH质量分数对水稻秸秆中木聚糖得率的影响见图1。

图1 NaOH质量分数对水稻秸秆中木聚糖得率的影响

由图1可知，随着NaOH质量分数增加，木聚糖得率逐渐增大。当NaOH质量分数为5%～8%时，木聚糖得率增加显著（p＜0.05）；NaOH质量分数为20%时，木聚糖得率为9.00%；但NaOH质量分数为10%～15%时，差异不显著；NaOH质量分数为10%时，木聚糖得率为8.00%。因此，选择10%的NaOH为进一步正交试验。

2.2 料液比对水稻秸秆中木聚糖得率的影响

按提取木聚糖的基本工艺条件，以10%的NaOH为提取溶剂，取不同料液比，并考查其对水稻秸秆中木聚糖得率的影响。

料液比对水稻秸秆中木聚糖得率的影响见图2。

图2 料液比对水稻秸秆中木聚糖得率的影响

由图2可知，随着提取溶剂增加，木聚糖得率逐渐增加。当料液比为1∶12～1∶20时，木聚糖得率为9.9%～10.7%，且无显著差异。考虑到提取溶剂增加，沉淀用酒精倍数成倍增加，工作量也成倍增加，因此选择1∶12料液比进一步研究比较适宜。

2.3 浸提温度对水稻秸秆中木聚糖得率的影响

按提取木聚糖的基本工艺条件，变动浸提温度，并考查其对水稻秸秆中木聚糖得率的影响。

浸提温度对水稻秸秆中木聚糖得率的影响见图3。

图3 浸提温度对水稻秸秆中木聚糖得率的影响

由图3可知，木聚糖得率在浸提温度为80℃时最优，木聚糖得率为10.7%，与其他浸提温度差异显著。随着浸提温度进一步增加，木聚糖得率呈下降的趋势，可能是在高温、高碱性条件下，木聚糖分解加速，水解为木糖或低聚木糖，溶解于水中无法用酒精沉淀而流失。因此，选用80℃为浸提温度，且具有节省能源的优势。

2.4 浸提时间对水稻秸秆中木聚糖得率的影响

浸提时间对水稻秸秆中木聚糖得率的影响，既表现为时间成本，在高温条件下还包含了能源成本。

浸提时间对水稻秸秆中木聚糖得率的影响见图4。

图4 浸提时间对水稻秸秆中木聚糖得率的影响

由图4可知，在按提取木聚糖的基本工艺条件下，木聚糖得率以浸提时间2 h为界，呈“山峰型”趋势，浸提时间达到2 h时木聚糖得率最大为10.1%。但随着浸提时间的推移，木聚糖得率有所下降，有可能是浸提时间过长，提取的木聚糖在高温条件下持续水解，导致得率有所下降。

2.5 酒精沉淀对水稻秸秆中木聚糖得率的影响

木聚糖在水和酒精中溶解度较低，试验采用碱提醇沉的方法可获得更大得率。

酒精体积倍数对水稻秸秆中木聚糖得率的影响见图5。

图5 酒精体积倍数对水稻秸秆中木聚糖得率的影响

由图5可知，未用酒精沉淀，木聚糖得率为5.4%。酒精沉淀明显增加木聚糖的得率，当加入2倍体积的酒精沉淀时，木聚糖得率达10.8%；但继续增加酒精体积，木聚糖得率反而略有下降。所以，2倍体积酒精比较适合。

2.6 正交试验法确定最佳工艺条件

单因素试验结果表明，影响水稻秸秆提取木聚糖的主要因素有NaOH质量分数（A）、料液比（B）、浸提温度（C）、浸提时间（D），因此按四因素三水平设计正交试验。

因素与水平设计见表1，水稻秸秆浸提木聚糖正交试验结果与分析见表2。

表1 因素与水平设计

由表2中可知，影响提取木聚糖显著程度依次为 A＞C＞B＞D，最佳提取组合为 A3B3C2D1，即 NaOH质量分数12%，料液比1∶15，浸提温度80℃，浸提时间1.5 h，该组合下木聚糖得率为11.1%。

3 结论

农业秸秆中，玉米秸秆木聚糖含量较高达30%，水稻秸秆中半纤维素的含量较少，约21%[4-5]。玉米秸秆比水稻、小麦秸秆更易粉碎，因此国内低聚木糖的生产厂家，如山东龙力公司等，均以玉米秸秆为原料生产低聚木糖。湖南省水稻及其秸秆产量居全国首位，但水稻秸秆没有形成稳定的市场，也没有得到很好的无害化、资源化处理[3]。试验利用水稻秸秆浸提木聚糖，为进一步探索水稻秸秆资源化、无害化提供了一定参考，为制备低聚木糖提供了试验基础。

表2 水稻秸秆浸提木聚糖正交试验结果与分析

[1]魏赛金，曾研华，倪国荣，等.江西省水稻秸秆综合利用现状 [J].科技广场，2012（12）：179-185.

[2]高祥照，马文奇，马常宝，等.中国作物秸秆资源利用现状分析 [J].华中农业大学学报，2002（3）：242-247.

[3]曾良贵，陈可明，揭红科，等.湖南省水稻生产概况及发展策略 [J].湖南农业科学，2013（2）：17-19.

[4]李传友，郝东生，杨立国，等.水稻小麦秸秆成分近红外光谱快速分析研究 [J].中国农学通报，2014（20）：133-140.

[5]丁长河，马康，张洪宾，等.国内几种主要功能性低聚糖生产分析 [J].农产品加工（学刊），2014（11）：48-52

[6]Li Lingjun，Wang Ying，Zhang Qiang L，et al.Wheat straw burning and its associated impacts on Beijing air quality[J].Science in China Series D：Earth Sciences，2008，51 （3）：403-414.

[7]Huo J，Xiaohui L U，Wang X，et al.Online single particle analysis of chemical composition and mixing state of crop straw burning particles:from laboratory study to field measurement[J].Frontiers of Environmental Science&Engineering，2016，10 （2）：244-252.

[8]郑建仙.功能性低聚糖=Functionai Oligosaccharides[M].北京：化学工业出版社，2004：96-103.

[9]Ebringerová A，Hromádková Z，Hríbalová V.Structure and mitogenic activities of corn cob heteroxylans[J].International Journal of Biological Macromolecules，1995，17（6）：73-77.

[10]李相前，任世英.以秸秆为原料制备低聚木糖工艺研究 [J].现代化工，2008（S2）：380-382.

[11]杨健，王艳辉，马润宇.超声波法提取玉米芯木聚糖的研究 [J].北京化工大学学报（自然科学版），2005（3）：106-109.◇

Study on Process of Extracting Xylan fromRice Straw

LIU Wei，⋆LINYuanshan，WANG Keyao，WANLiuao
（College of Biological Science and Technology，Hu'nan Agricultural University，Changsha，Hu'nan 410128，China）

The processes of extracting xylan from rice straw，which is used as raw material and pretreated with 5%sodium chloride solution，are optimized by single factor experiment and orthogonal experiment in this article.The results show that the yield of xylan obtained 11.1%under extracting conditions as follows：extraction solution of sodium hydroxide 12%，with the ratio of solid to liquid 1∶15（g∶mL），extracting temperatrue 80℃，extracting time 1.5 h，and finally the extract was precipitated with twice volume of 95%alcohol.

rice straw；xylan；extracting process

TQ914.1

A

10.16693/j.cnki.1671-9646（X）.2017.09.009

1671-9646（2017） 09a-0033-03

2017-06-26

湖南省科技厅农村领域重点研发项目资助“水稻秸秆谷壳资源化利用与功能性低聚木糖的制备研究”（2016NK2114）；湖南省研究生科研创新项目资助“碱性木聚糖酶的发酵制备及其相关基因的克隆”（CX2016B294）。

刘 维（1993— ），男，在读硕士，研究方向为应用微生物。

⋆通讯作者：林元山（1969— ），男，博士，副教授，研究方向为微生物、酶与发酵工程。