玉米秸稈制備低聚木糖的研究進展*

潘 晴 孫丕智 徐文彪 李翔宇 時君友

（北華大學材料科學與工程學院，吉林 132013）

面對能源危機以及環(huán)境污染問題，人們將視線轉(zhuǎn)向可再生農(nóng)林生物質(zhì)的開發(fā)與利用。我國一直以來都是一個農(nóng)業(yè)大國，以玉米秸稈為代表的農(nóng)林生物質(zhì)原料來源廣泛、價格低廉，在很多方面有著巨大的潛在利用價值，玉米秸稈高值化利用是近幾年來的熱點話題[1]。目前，利用玉米秸稈生產(chǎn)燃料乙醇及其他生物化學品、生物復(fù)合材料等技術(shù)已經(jīng)基本成熟，以農(nóng)林生物質(zhì)材料制備新型功能性聚合糖——低聚木糖（xylooligosaccharide，XOS）逐漸成為研究者的研究熱點。低聚木糖是半纖維素的降解產(chǎn)物，是一種有助于調(diào)節(jié)腸道微生態(tài)平衡、促進腸道健康、增強營養(yǎng)吸收和提高免疫力的功能性非消化性低聚糖，廣泛用于醫(yī)藥保健品、食品等領(lǐng)域，具有巨大的市場潛力[2-3]。一般而言，使用木質(zhì)纖維素原料制備低聚木糖大致有兩種方法：一種是采用酸解法、蒸煮法、微波法等將木質(zhì)纖維素原料直接降解為低聚木糖，但是該方法所制得的低聚木糖不僅產(chǎn)量低而且純度低；另一種則是預(yù)處理-酶解法，即首先對原料進行預(yù)處理，然后利用木聚糖酶進一步水解，相比于第一種方法，該方法得到的低聚木糖產(chǎn)率高、純度高，故廣泛應(yīng)用于工業(yè)化生產(chǎn)[4]。本文從預(yù)處理角度出發(fā)，綜述了酸水解法、堿水解法、堿性過氧化氫法、水熱法、有機溶劑法、超聲波微波輔助法等幾種預(yù)處理方法的相關(guān)研究與應(yīng)用，并闡述了酶解法制備的低聚木糖的分離純化方法，旨在提高低聚木糖產(chǎn)率及純度。

1 玉米秸稈生物質(zhì)資源

木質(zhì)纖維素（Lignocellulose）在各類禾本科植物中以及針葉、闊葉材中分布較多，主要包括纖維素(Cellulose)、半纖維素(Hemicellulose)、木質(zhì)素(Lignin)。這三大組分在植物細胞壁上形成“鋼筋混凝土”結(jié)構(gòu)的超分子復(fù)合物，構(gòu)成植物細胞壁的基本骨架[5]。正是由于這三大組分含量與比例可觀，利用其生產(chǎn)高附加值產(chǎn)品，將農(nóng)林廢棄物“變廢為寶”成為炙手可熱的研究問題。不同生物質(zhì)材料中三大組分的比例也不同，但一般情況下，纖維素含量最多，占干重的34%～50%；半纖維素含量居中，占干重的20%～40%；木質(zhì)素含量最低，占干重的11%～20%。此外，還包含少量灰分、抽提物等。玉米秸稈中，纖維素占34%，半纖維素占24%，木質(zhì)素占15%[6]，其中半纖維素主要為木聚糖類半纖維素，為利用其制備低聚木糖提供基礎(chǔ)。玉米秸稈的結(jié)構(gòu)差異性很大，從組織結(jié)構(gòu)上來講可以分為葉、稈皮和髓芯三部分，這三部分無論是從外觀上來說還是內(nèi)部成分上都截然不同[7]，進而影響半纖維素的提取和低聚木糖的產(chǎn)率。圖1 為玉米秸稈半纖維素結(jié)構(gòu)，主鏈是以平伏鍵構(gòu)型的β-1,4 糖苷鍵連接的吡喃式木糖基，支鏈C3 位上有L-呋喃式阿拉伯糖，C2位上有吡喃式葡糖糖醛酸，同時存在木糖基和乙?；咎且宜狨ィ┲ф淸8]。

圖1 玉米秸稈半纖維素結(jié)構(gòu)Fig. 1 Hemicellulose structure of corn stalk

2 不同預(yù)處理方法分離半纖維素

在植物細胞壁中，半纖維素以氫鍵和范德華力與木質(zhì)素緊密連接，使得植物細胞之間具有一定的抗降解能力，采用預(yù)處理方法能減弱這種抗降解能力。不同預(yù)處理方法的原理不同，但都是通過破壞三大組分之間的連接鍵，提取出半纖維素。理想的預(yù)處理方法具備高效、價格低廉、操作簡便等優(yōu)點，圖2 形象地表達了木質(zhì)纖維素的預(yù)處理過程[9-11]。

圖2 木質(zhì)纖維素預(yù)處理過程Fig. 2 Pretreatment process of lignocelluloses

2.1 酸解法預(yù)處理

酸解法就是用氫離子斷裂纖維素與半纖維素之間的連接鍵，提取出半纖維素，根據(jù)酸的濃度不同可分為超低酸預(yù)處理、稀酸預(yù)處理以及濃酸預(yù)處理。濃酸預(yù)處理酸度過高，不僅對設(shè)備腐蝕嚴重，還會伴隨著大量副產(chǎn)物的生成，抑制反應(yīng)速率、影響產(chǎn)物的純度[12]，一般不常用。

常用的酸溶液有HCl、H2SO4、HAC等，這三種酸在相同條件下處理秸稈：HAC預(yù)處理的秸稈低聚木糖產(chǎn)率最高為45.91%，其次是HCl和H2SO4，分別為22.54%、9.38%；在掃描電鏡下觀察HAC處理的秸稈發(fā)現(xiàn)大量微孔，秸稈的表面更加粗糙、疏松[13]。HAC是一種弱酸，對設(shè)備腐蝕性較小且水解效率高，常常作為酸解法的首選溶液。王安等[14]選用冰乙酸處理玉米秸稈，發(fā)現(xiàn)一定范圍內(nèi)，隨著反應(yīng)時間和溫度的提高，水解速度會相應(yīng)加快。時間、溫度與半纖維素的去除率具有相關(guān)性，時間的適當延長可促進半纖維素的溶出，溫度為反應(yīng)過程提供能量。試驗結(jié)果表明：在溫度190 ℃、冰乙酸用量為1%、保溫時間為120 min時，半纖維素去除率最高[15]?；诰C合化學和結(jié)構(gòu)分析，適當?shù)姆磻?yīng)時間、溫度及酸濃度能破壞乙?；?，提高秸稈孔隙率。

2.2 堿法預(yù)處理

堿法預(yù)處理原理在于木質(zhì)素溶于堿性溶液，堿離子能夠破壞連接纖維素與半纖維素的氫鍵和半纖維素與木質(zhì)素之間的酯鍵。堿法預(yù)處理的優(yōu)點在于能夠在不過度破壞半纖維素完整鏈形的前提下有效分離出半纖維素[16]。但這種方法得到的產(chǎn)物含鹽量較高，需要進行適當除鹽純化。堿法預(yù)處理常用于商業(yè)半纖維素的制備，通常用的堿性溶液有KOH、NaOH、Ca(OH)2、Ba(OH)2、液氨等。綜合比較，KOH、NaOH是最理想的堿性溶液[17]。

玉米秸稈分為葉、髓芯、稈皮三部分，稈皮半纖維素的含量最小，葉半纖維素的含量最大。然而有研究表明，葉組織更易受到預(yù)處理條件的影響，半纖維素的純度相對較劣，因此髓芯組織比葉組織更適宜提取半纖維素[18]。但半纖維素的提取主要受到堿濃度和溫度的影響，適當?shù)膲A濃度與溫度能有助于破壞木質(zhì)素和半纖維素的連接鍵。堿濃度低時木質(zhì)素更多地結(jié)合半纖維素，堿濃度增加后木質(zhì)素的相對分子質(zhì)量明顯降低，高堿濃度能破壞木質(zhì)素與半纖維素的連接鍵。NaOH濃度在4%～12%時，半纖維素的重均相對分子量從48.6 KD減小至32.0 KD，大分子量半纖維素降解為小分子量半纖維素，含量在60%～82%。劉凱旋等[19]通過試驗表明，10%（w/v）的NaOH是最適宜的堿法預(yù)處理濃度。溫度直接影響堿液的擴散速率，隨著溫度的升高，傳熱傳質(zhì)的速率增大，半纖維素產(chǎn)量也會增加，在90 ℃后產(chǎn)率增加緩慢，90 ℃為最佳提取溫度。此時，半纖維素的回收率為76.92%，木聚糖純度為63.90%，堿能有效脫除木質(zhì)素和灰分，提高酶的可及性。

2.3 堿性過氧化氫法預(yù)處理

堿性過氧化氫法（AHP）具有在反應(yīng)溫和的條件下將木質(zhì)素有效脫除的能力，是近些年來廣受歡迎的木質(zhì)纖維素預(yù)處理方法。由于H2O2在堿性條件下不穩(wěn)定，極易分解為羥基自由基和超氧陰離子自由基，因此木質(zhì)素的脫除關(guān)鍵就是條件反應(yīng)溶液的pH值。一般pH值在11.6 左右時的解離程度最大，H2O2衍生的自由基能有效擴散，同時破壞玉米秸稈各個部分，打破纖維素-半纖維素-木質(zhì)素之間的緊密結(jié)構(gòu)，有助于分離半纖維素，提高酶解效率[20]。

有研究人員深入研究了對秸稈的氧化劑和堿性溶液耦合預(yù)處理，尤以AHP法效果良好。Li等[21]采用AHP法處理玉米秸稈，用NaOH調(diào)節(jié)溶液pH值為11.5，反應(yīng)結(jié)束后，化學分析結(jié)構(gòu)表征表明：AHP法破壞了纖維素-半纖維素-木質(zhì)素網(wǎng)絡(luò)的致密結(jié)構(gòu)，脫除了91.53%的木質(zhì)素和55.77%的半纖維素，并且使纖維素可及的孔體積增加了6 倍，暴露的纖維素面積增加了一倍，幾乎消除了半纖維素中的乙?；瑢γ附饩哂蟹e極作用。此外，H2O2不僅能輔助NaOH處理玉米秸稈提高酶解率，還能脫色。經(jīng)NaOH處理的秸稈溶液為棕黑色，經(jīng)H2O2+NaOH處理的秸稈溶液顏色明顯變淺[22]。

2.4 有機溶劑法預(yù)處理

有機溶劑預(yù)處理具有其他化學法無法比擬的突出特點，如提取的半纖維素純度高、活性好、結(jié)構(gòu)上更接近半纖維素的原始結(jié)構(gòu)。另一方面，在半纖維素的提取過程中，有機溶劑法能避免乙?；乃舛摮@是優(yōu)于酸法、堿法的特殊之處。一般常用的有機溶劑有二甲基亞砜（DMSO）、二氧六環(huán)等[23]。然而，有機溶劑同時會帶來嚴重的化學污染，這限制了該法的大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用。

有研究表明，F(xiàn)eCl3催化DMSO預(yù)處理玉米秸稈能選擇性提取半纖維素的含量高達100%，此外還能去除36.4%木質(zhì)素。同時，由于DMSO沸點高達189 ℃，允許在非封密條件下進行反應(yīng)，相比其他低沸點的有機溶劑，其操作環(huán)境更加簡易。此外FeCl3是一種路易斯酸，能很容易斷裂半纖維素與木質(zhì)素的連接鍵[24]。有機溶劑法是一種極具潛力的玉米秸稈預(yù)處理技術(shù)。李麗君等[25]利用8 種不同溶劑處理棉稈后經(jīng)DMSO抽提，分離半纖維素組分，凝膠滲透色譜顯示表明，經(jīng)堿處理后DMSO能提取出相對分子質(zhì)量較高的半纖維素，且半纖維素主要為木聚糖。

2.5 水熱法預(yù)處理

水熱法又稱自水解法，反應(yīng)過程中只有水和原料的參與，利用高溫水的特性，加壓加熱來破壞木質(zhì)纖維素結(jié)構(gòu)，從而提取半纖維素。玉米秸稈中的乙酰基可以抑制半纖維素的水解，水熱預(yù)處理在脫乙酰化反應(yīng)中起著非常重要的作用，這是由于水的自電離促進半纖維素中的糖基和乙酰基水解，從而維持更高的反應(yīng)速率。水熱法類似于酸解法，需要嚴格控制水解液的pH，抑制副產(chǎn)物的生成。

木聚糖是以木質(zhì)素-木聚糖復(fù)合物的形式存在于秸稈中，在進行酶解之前將木聚糖-木質(zhì)素鍵打破。水熱法適宜的反應(yīng)溫度為135～140 ℃，蒸煮時間為30 min，在這種條件下反應(yīng)，SEM下觀察到半纖維素幾乎完全從木質(zhì)素去除，說明水熱法可有效斷裂半纖維素和木質(zhì)素的連接鍵。酶解后木寡糖的產(chǎn)率為67.7 g(每100 g木聚糖）[26]。周靜等[27]通過試驗也證實了水熱法能改變物料的結(jié)構(gòu)和化學組分，且對半纖維素有較高的去除率，高達74.32%，結(jié)晶度指數(shù)也從28.80%（未處理的物料）升到32.29%（水熱處理后的物料）。

2.6 超聲波與微波輔助預(yù)處理法

超聲波與微波法都是物理預(yù)處理法中的輔助技術(shù)，可以與化學法相結(jié)合，減少反應(yīng)時間、提高反應(yīng)速率，優(yōu)化實驗結(jié)果。

超聲波利用超聲震動使得反應(yīng)物質(zhì)在較低的溫度及較短的時間內(nèi)完成反應(yīng)，一般作為堿法預(yù)處理的輔助技術(shù)。Zhang等[28]探討了超聲波對木質(zhì)纖維素糖化過程的影響，超聲波直接作用在底物上加速其降解，從而促進酶促反應(yīng)。通過SEM與FTIR分析，超聲波與堿法結(jié)合，更利于半纖維素的提取，超聲條件為80 W和4 kHz，超聲波頻率低不會引起原料外觀結(jié)構(gòu)的改變。將超聲輔助堿預(yù)處理和單堿水解預(yù)處理進行對比，發(fā)現(xiàn)堿濃度從8%降低到5%，水解時間從1.5 h降低到0.5 h，木質(zhì)素的去除率提高了23.3%，半纖維素的降解率提高了12.1%。超聲輔助堿預(yù)處理減少了反應(yīng)時間，降低了堿的濃度，與前人的研究基本一致。?zbek等[29]為最大程度獲得半纖維素回收率，采用超聲波輔助堿法（UAAP）預(yù)處理開心果殼，利用Box-Behnken設(shè)計優(yōu)化反應(yīng)條件，發(fā)現(xiàn)最佳條件下半纖維素的回收率為57.67%。UAAP預(yù)處理法縮短了反應(yīng)時間，降低了堿的濃度，是一種可靠、高效的預(yù)處理工藝。

微波加熱頻率在300 MHz～300 GHz，能使反應(yīng)體系迅速升溫，耗時最少，且加熱均勻、節(jié)能高效、無污染，從而引起各界學者的廣泛關(guān)注[30]。Yan等[31]在水熱法的基礎(chǔ)上，利用微波法輔助處理玉米芯，既環(huán)?？尚杏肢@得盡可能多的理想產(chǎn)物。微波加熱與常規(guī)加熱相比更具有優(yōu)勢，牟莉等[32]研究采用這兩種加熱方式降解純纖維素，IR分析表明這兩種加熱方式下固體剩余物的結(jié)構(gòu)相似，而SEM分析表明微波加熱比常規(guī)加熱更容易促進纖維素中糖苷鍵的斷裂。

2.7 不同預(yù)處理方法比較

以上分別列舉了原料預(yù)處理提取半纖維素的4 種化學法和3 種物理法，每種方法的反應(yīng)機理各不相同，表1 對這幾種方法進行對比[33]，以便在實際應(yīng)用中選取合適的分離方法。

表1 幾種玉米秸稈預(yù)處理方法比較Tab.1 Comparison of several pretreatment methods of corn stalk

合理、有效且高值化利用玉米秸稈為代表的農(nóng)林生物質(zhì)原料中的三大素是預(yù)處理的根本目的，上述幾種預(yù)處理方法各有優(yōu)勢，例如堿性過氧化氫法以及水熱法都屬于環(huán)境友好型，符合當代環(huán)境問題之需。近些年研究者將兩種方法相結(jié)合或通過改性某種方法來提取半纖維素、制備低聚木糖，縮短了反應(yīng)時間，降低了反應(yīng)條件，但相應(yīng)引入一些新的問題有待進一步研究，例如半纖維素在提取過程中是否會降解以及產(chǎn)生一些副產(chǎn)物，從而影響產(chǎn)品的品質(zhì)。

3 酶解法制備低聚木糖的分離與純化

3.1 酶解法制備低聚木糖研究

木聚糖是玉米秸稈中半纖維素的主要成分，當前，大多數(shù)研究人員傾向于利用酶解法制備低聚木糖。木聚糖酶是一類水解酶，在高溫下具有高度水解性和活性，可直接將木聚糖的β-1,4-糖苷鍵定向水解生成低聚木糖。由于水解物主要由木二糖、木三糖組成，很少或沒有木糖的生成，其能做到“高低聚木糖，低單糖”，同時反應(yīng)溫和，對環(huán)境友好，因此木聚糖酶被認為是生產(chǎn)低聚木糖的理想用酶。

以上所述幾種預(yù)處理方法通過破壞玉米秸稈結(jié)構(gòu)，為酶解開辟通道。影響酶解反應(yīng)的因素為酶的添加量、酶解溫度、pH值、酶解時間等。張強等[34]通過單因素和正交實驗分析得出幾種反應(yīng)因素對提取程度的影響：pH值＞酶解溫度＞酶添加量＞酶解時間?？梢娔揪厶敲笇H很敏感，pH值直接影響木聚糖酶的活性以及酶與底物結(jié)合的情況，pH值過高或過低會影響酶的解離狀態(tài)。溫度和時間的適當升高和延長會加快反應(yīng)速率，但是也不宜過高過長，一是延長時間、提高溫度會浪費能量，二是過高的溫度會破壞酶的活性。此外，酶的添加量對酶解具有很大影響，酶量不足會導致酶解不完全，酶量過高則增加成本。在建立與優(yōu)化酶法制備低聚木糖的工藝過程中，Wu等[35]研究了一種熱穩(wěn)定型重組木聚糖酶用于水熱法預(yù)處理的玉米芯，探討了底物狀態(tài)的影響，經(jīng)自水解玉米芯得到的木聚糖有液體、固液混合兩種狀態(tài)。實驗表明：固液混合體木聚糖作為水解底物，XOS的產(chǎn)率最高為26.4%，比液體木聚糖作為底物XOS的產(chǎn)率提高了6.8%。這是由于自水解得到的木聚糖來自原材料，始終存于固體中，易被木聚糖酶利用，而液體的作用就是吸附酶，使其與固體結(jié)合更加緊密，從而加速酶解。因此，固液混合狀態(tài)的木聚糖更適宜用于制備低聚木糖。

3.2 低聚木糖分離與純化

玉米秸稈制備的低聚木糖會呈現(xiàn)些許黃色，而且預(yù)處理和酶解過程中會引入一些雜質(zhì)，影響低聚木糖的純度。不同用途的低聚木糖要求也有差異，食品級低聚木糖純度不能低于75%，而且聚合度不能過高，聚合度過高會影響低聚木糖的品質(zhì)和生理活性。此外，伴隨物質(zhì)生活和精神生活水平的提高，人們更加關(guān)注身體的健康管理，追求天然健康的食品、保健品以及醫(yī)藥產(chǎn)品，對低聚木糖的純度提出更高要求。

膜法純化低聚木糖是一種高效、簡易、能耗低的分離方法，尤其是超濾膜和納濾膜，能在去除雜質(zhì)的同時降低產(chǎn)物的聚合度。分離時，膜的種類、操作時的壓力和溫度、待純化溶液的濃度等都會影響產(chǎn)物的純度。納濾能去除一些小分子雜質(zhì)，保留二價鹽、糖類等。超濾則常用于去除大分子的雜質(zhì)或聚合度不同的低聚木糖分級[36]。如果操作條件得當，膜分離不僅能去除一些雜質(zhì)，還能選擇性去除一些色素等。李京[37]研究了超濾膜的不同截留分子量（MWCO）對鹽分的去除率和木聚糖回收情況的影響，試驗表明：用DK1812（MWCO150-300）除鹽時，NaCl的脫鹽率為94.08%時，總糖的脫鹽率僅為10.53%，脫除效率很高。

此外，離子交換樹脂、活性炭-乙醇法也是很有效的方法。孫軍濤等[38]探討了混合陰陽離子交換樹脂對低聚木糖提取液脫色、除鹽的影響，組分分析得到玉米芯低聚木糖提取液主要成分為木糖、木二糖、木三糖和木四糖，經(jīng)混合離子交換樹脂脫鹽脫色后各成分的保留率分別為21.3%、31.4%、5.3%、3.8%。而使用活性炭-乙醇法分離獲得高純度低聚木糖需要選擇適宜的活性炭種類以及乙醇濃度，由于低聚木糖屬于非淀粉多糖類物質(zhì)，乙醇濃度增大會增加低聚木糖的沉淀量。何歡[39]以玉米芯為研究對象，著重探討了低聚木糖的脫色和醇沉的條件，正交試驗表明：低聚木糖的脫色應(yīng)采用35%的活性炭，在30 ℃處理40 min，醇沉時采用無水乙醇，此時，XOS（2-7）的含量達到72.5%，XOS（2-4）的含量達到 55.6%。

4 結(jié)語

玉米秸稈是一種值得進行高附加值開發(fā)的環(huán)境友好型農(nóng)作物。由于玉米秸稈三大組分之間緊密相連，形成“鋼筋混凝土”結(jié)構(gòu)，因此需要預(yù)處理打破這種堅硬結(jié)構(gòu)，從而使后續(xù)反應(yīng)順利進行。從原料方面來說，玉米秸稈髓芯中半纖維素含量較高，且為木聚糖類半纖維素，是制備低聚木糖的理想原料，在未來的研究中，可圍繞玉米秸稈髓芯為原料制備低聚木糖，尋求一種色值高、純度高、效率高、成本低、對環(huán)境友好的定向轉(zhuǎn)化工藝。從產(chǎn)品來說，低聚木糖是一種市場潛力巨大的產(chǎn)品，在醫(yī)藥保健及食品等領(lǐng)域正逐漸占據(jù)重要地位，因此應(yīng)圍繞精制低聚木糖展開研究，尋求一種高效、無毒、無污染的食品級膜材料或者吸附劑，使純化后的低聚木糖更安全、更適宜食用。