玉米芯的利用价值和研究现状

玉米芯的利用价值和研究现状 李里特石波 中国农业大学 摘要：本文从产量、化学组成、结构、成分特性方面对玉米芯进行了全面的论述，并对玉米 芯目前的研究状况、应用领域进行了概述和，同时对玉米芯所需迸一步研究的问进行了 探讨，提出了著者的观点。 关键词：玉米芯组成结构研究 一、引言 中国是农业大国，玉米是我国三大粮食作物之一。据统计，1996年我国玉米总产量为1． 27亿吨，1997年玉米总产为1．04亿吨，1998年玉米总产量在1，20亿吨以上。然而在进行玉 米加工的同时，会有极大数量的下脚料玉米芯产生。按tkg玉米产1／3kg玉米芯计算[“，每年 我国大约可均产玉米芯0．4亿吨左右，而且在今后的发展中将继续维持这一水平，数量极其可 观‘I|。 目前我国对玉米芯的利用相对来说还很少。据不完全统计，1990年我国玉米产量为0． 988亿吨，玉米芯为0．326亿吨左右，可仅有40一50万吨用于糠醛、木糖醇及酚类生产，以玉 米芯为原料生产其他产品如食用菌、单细胞蛋白等极少，绝大部分作为农家燃料被白白烧掉。 随着人们对玉米芯组成和结构认识的不断深入，玉米苏这种可再生资源势必得到人们的 重视，对其进行深入的研究是一个热点问题。 二、组成及结构 玉米芯为禾本植物，其组成主要为纤维素、半纤维素和术质素，含量分别为纤维索34． 9％，半纤维素37％，木质素7％[“，另外还含有少量的蛋白、脂肪和灰分。玉米芯的聚糖含量 接近玉米淀粉含量水平，而且它的木质索含量较其他植物纤维原料低，具有较大的开发价值。 1．玉米芯纤维的化学结构及性质 玉为主芯纤维素同其他植物纤维素一样，是以D一吡晡式葡萄糖基(即脱水葡萄糖)作为 其结构基环(结构单元)，其D一吡喃式葡萄糖基的构象为椅式构象(图1)。玉米芯纤维素是 由葡萄糖基通过1—4／3苷键联接起来的大分子。(图2)示纤维索大分子的构象，其8一D一 吡喃式葡萄糖单元成椅式扭转，每个单元上C2位一OH基，Q位一OH基和魄上取代基均处 于水平位置[3]。玉米芯纤维 素同样具有普通纤维素的特 性，如具有吸附与解吸【⋯、润胀 与溶解等特性【5o；在加热、机械 破碎、酸、碱、微生物以及酶的 作用下，可发生一定程度的降 解；另外，还可发生还原、氧化 -138- 图1日一D一吡哺式葡萄糖的椅式构象 等化学反应[3’4，51。 ．一， O 图2纤维素大分子的构象 2、玉米芯半纤雏的化学结构及性质 同其它禾本科植物一样，玉米芯的半纤维素结构主要是聚木糖，并且也是1—48苷键联接 的D一吡喃式木糖基为主链。但在枝链上略有不同c3·⋯。具体如下： —邰-]凸-xpl4岱凸xpl4§．D．xpl4p蛐14p岫14p．D-Xl，i‘ t t t L-afabinoL锄bin叫阻曲蝴删o4．口甲基-葡萄糖醛酸基(葡萄糖醛酸基) 口一D—Xp：(一D一吡喃木糖基) L—axabino：L一阿拉伯糖基 L—arabino—D—glucurono：L一阿拉伯糖基一D一葡萄糖醛酸基 玉米芯半纤维素可溶于稀碱，较难溶予水，加热可溶于稀酸。经加热、高压蒸煮、微粉碎， 其聚合度(Dp)可被明显降低。半纤维素糖苷键在酸性介质或碱性介质中被断开丽使之发生 降解，其中戊糖苷较已糖苷裂开的速度快[3·“。半纤维素在徽生物或酶的作用下亦可分解为 小分子化合物。 3、玉米芯木质素的化学结构及性质 尽管玉米芯中木质素的含量较低(7％左右)，但其结构和性质与其它植物所含的木质素大 同小异，也是由苯丙烷单元以醚键和链连接而成的高分子化合物，并具有甲氧基、羟、羰基等多 种功能的基团，存在不同比例的愈疮木基、紫丁香基、对羟基丙烷等[6．8j。本质素结构单元的 连接约有70％是醚键，其余是碳一碳键连接，口一0—4型连接是木质素的主体[4，9j。 玉米芯木质素具有热朔性，吸水即润胀，在高温蒸煮、机械粉碎时聚合度(DP)降低；在酸、 碱、微生物的作用下可被分解。另外．由于其结构含有的化学基团较多，还可发生如醇解、缩 合、卤化、硝基化、臭氧氧化等化学反应。同时，也发生侧链上的分解反应。另外。还有甲酰化、 酚化、接枝化等。这对于进行化学方法脱木质素以及进行制造木质素衍生物的研究具有十分 重要的意义“．6．9j。 三、研究进展及应用 1、概速 玉米芯独特的结构和成分构成决定了其应用的广泛性，价值的重要性。 玉米芯中半纤维索的含量是地球上可再生植物资源中较高的，目前主要集中在用来生产 木糖、木糖醇和糠醛，但这并没有将其价值完全挖掘出来，而且在生产上述产品时，由于有废水 生成。会对环境产生一定的危害。以玉米芯生产寡糖是当前国际上的一个热点研究问题，若能 在生产工艺上有新的突破，即解决成本问题，将会给玉米芯带来新的发展，具有极高的经济效 ·139· 益、环境效益和社会效益。 2、以玉米芯制备低聚木糖 低聚木糖(xylcoligosacchride)，由2一10个术糖聚合而成，是一种半纤维素降解而得的低 度聚合度。除具有功能性低聚糖的一般特性，如可促进肠道内双歧杆菌的增殖，抑制病原菌和 腹泻，防止便秘，降低血清中胆固醇含量，降低血压，提高机体免疫力，抵抗肿瘤外，还具有热稳 定性好的特点，且耐酸性，即使在酸性条件(pH值=2．5)下加热，也基本下分解，所以比较适合 用在酸奶、乳酸菌和碳酸饮料当中【I⋯。 低聚木糖主要以半纤维素为原料，经过一定的途径制得。由于玉米芯半纤维素含量高(约 37％)，因此是制备低聚木糖的最佳原料。目前El本以稻壳为原料制备并实现工业化生产【II]。 低聚木糖的生产方式可归纳为以下几种： (1)酶分解法L”J 该法主要是选用内切木聚糖酶处理半纤维素，制得木寡糖。由于酶活性的制约，造成成本 高。实际应用价值较小。 (2)物理分解法 该方法为最早选用的方法，即运用物理方法如机械破碎、高压蒸煮等方法，制取木寡糖。 这种方法已不再单独使用。 (3)化学法 该方法是采用酸碱对原料进行处理，从中提取出木寡糖。本方法目前很少单独使用。 (4)化学一酶联合法【l纠 本方法采用化学手段如采用酸或碱对原料进行预处理，然后再选用合适的酶对其进行降 解得到。目前对该方法研究较多，也较深入，但由于经过酸碱处理后会产生大量的废水需要处 理，否则会对环境造成危害。 (5)物理一酶联台法 由于化学一酶联合法生产过程中会产生大量的废水，因此目前十几年来人们对物理一酶 联合法进行了较深入的研究，并取得了一定的成绩。日本选用稻壳为原料，采用物理一酶联合 法进行生产，并实现了工业化[“】。物理一酶联合法制备主要有以下几种途径： 、a．高压热爆(high—pressureandexplode)一酶联合法 该方法是先用高压蒸汽(一般为lOan'n以上的直热水蒸气)处理原料一段时间(一般为5 —3()mins)，然后瞬间释放，再将预处理物用木聚糖酶降解最后得到低聚木糖。其特点为产品 收率高，经济上可行，对环境无污染，但所需设备要求能承受一定的高压。国外研究报道较多， 国内较少【14,15,16]。 b．直热热爆(directheatingandexplode)一酶联合法 该方法不采用直热水蒸气而是直接加热反应器，然后进行瞬间释放，再将预处理物用术聚 糖酶降解最后得到。我国华南理工大学采用该方法处理甘蔗渣【”】，取得一定的成效。但月童 热热爆一稻草秸还未见报道。目前中国农业大学与日本筑波大学合作进行该方面的研究。 c．高温辐射一酶联合法【18J 该方法是选用微波对原料进行辐射，以达到改善植物结构的目的，增强酶的作用效应。目 前国外亦有相关报道。但由于微波辐射的机理还有待深人研究，且设备要求严格，因此该方法 只是处予研究阶段。未见国内有所报道。 ·140· ■ (6)物理一化学一酶联合法【19．2⋯ 该方法将物理和化学法结合在一起，对原料进行预处理，再选用木聚糖酶进行降解，制备 低聚木糖。其不足可能也是会产生一定量的废水，可能会产生环境问题。该方法也只是处于 研究阶段。未见国内有所报道。 3、制备微晶纤维和膳食纤雄 玉米芯中纤维素含量较高，为34％左右。目前美国已进行了用玉米芯来生产微晶纤维和 膳食纤维的研究工作，取得了一定的成就并申报了发明专剁㈨22∞]。 4、生产食用茵 由于玉米芯组成成分的独特性质，我国已将其用于栽培食用菌的生产。现在，应用玉米芯 栽培食用菌已是一门成熟的实用生产技术，正在我国食用菌栽培中发挥应有的作用[“’”-3“。 目前有报道，日本已利用玉米芯栽培食用菌，并将剩余物转化为饲料【3“。 5、作为栽体 玉米芯经微粉碎后，可作为饲料添加剂如氯化胆碱、甜菜碱、维生素、酶制剂等的载体。由 于玉米芯粉不宜潮解，流散性好，已被饲料行业作为饲料添加剂的载体和吸附剂广泛使用。 6、生产葡萄糖、酒精 美国、El本、前苏联几十年来一直从事利用植物纤维生产葡萄糖和酒精的研究工作。近几 年，美国、加拿大、巴西、印度、芬兰、瑞典、意大利、南非和日本等国家相继设立了纤维素糖化、 制乙醇的实验厂，把植物纤维素的糖化研究和应用推向一个新的阶段【6,35,36]。但是由于生产 成本较高，实用价值较小，推广应用前景不被看好。 四、发展展望和有待研究的问题 对于玉米芯的利用早已被人们普遍关注并已取得了一定的成果，获得了较大的经济效益 象目前_以玉米芯为原料生产的木糖、木糖醇、糠醛。但是由于生产过程中有废水生成，对环境 的污染较大，因此该类产品仅限于在发展中国家生产。目前对玉米芯的开发利用应转向利用 高新技术制备附加值高的产品，同时对环境不产生污染。如以玉米芯为原料制备低聚术糖、高 微晶纤维以及膳食纤维等。不管怎样，随着人们对玉米芯这种可再生的植物资源认识的不断 深入和各种科技水平手段的提高，玉米芯的价值会越来越太。 玉米芯限制性酶解制低聚木糖 洪枫+ 余世袁陈牧 南京林业大学化工学院南京210037 摘要：报道了以玉米芯为碳源制备木聚糖酶及采用木聚糖酶限制性水解制备木低糖的研 究结果。结果表明，直接以玉米芯为碳源、里氏木霉为菌种制备术聚糖酶完全可行，当底物浓 -,t*／#．(1970一)，男，博士，现在中国林业科学研究院林产化学工业研究所博士后流动站，南京，210042， 从事林产生物化工研究。 -141· 玉米芯的利用价值和研究现状 作者： 李里特， 石波 作者单位： 中国农业大学 相似文献(1条) 1.期刊论文 刘国昌 麦草综合利用技术 -临沂师范学院学报2003,25(3) 改变传统麦草碱法制浆产生污染治理观念,开展麦草综合利用研究,利用已关停中小造纸企业的设备 提取微晶纤维素(高纤维面粉)、低聚木糖等食品添加剂和木素发,达到即治理污染又增加经济效益和社会 效益. 本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Conference_52528.aspx 授权使用：颜蕴(wfzgnky11)，授权号：80248c54-ee6c-40f5-a2b8- 9e7200d14af5 下载时间：2011年1月21日