玉米芯含丰富的纤维素、半纤维素及木质素，可作为饲料在动物养殖中应用。玉米芯约含有30%~35%的半纤维素成分，半纤维素由木聚糖以及甘露聚糖等成分组成，是一种关键的抗营养因子，严重影响饲料营养成分消化与动物的生长；目前饲料生产中常采用半纤维素酶等方法去除半纤维素[1-3]。张学雯等[4]利用混合微生物制剂研究提高玉米芯饲用价值及肉兔的饲喂效果。何香凝等[5]研究发酵玉米芯在反刍动物中的应用。Nazli等[6]研究全玉米青贮饲料饲喂肉牛。孙炬仁[7]研究玉米秸秆营养成分的影响因素及不同收获期对饲用价值的影响。司丙文[8]研究甜玉米芯在肉牛饲养中的应用。玉米芯含有较多的支链结构，是一类制备生物高分子的理想原料[9-11]。目前，玉米芯主要应用于木聚糖、木糖及阿拉伯糖等功能性糖的生产，需要硫酸预处理及高温蒸煮，破坏玉米芯中的纤维素及半纤维素，影响玉米芯的饲料价值[12-13]。采用高温酸解法制备木糖可产生大量的葡萄糖等杂质影响木糖生产。本试验采用超声微波协同技术提取玉米芯中的半纤维素，优化玉米芯中半纤维素提取的技术参数，采用膜分离技术回收碱液降低环境污染，将处理后的玉米芯应用于饲料生产，建立玉米芯综合利用新工艺，为其高效的产业化生产提供参考。1材料与方法1.1试验材料玉米芯购自鹤岗市经纬糖醇有限公司。氢氧化钠、氧化钙、活性炭购自市面化学试剂商铺。1.2仪器与设备TGL20M台式离心机（常州良友仪器设备有限公司）、BILON-CW-1000超声-微波协同萃取仪（上海比朗仪器制造有限公司）、膜分离装置（国家杂粮工程技术研究中心）。1.3试验方法1.3.1玉米芯中半纤维素提取及综合利用技术路线选取一定量的玉米芯，去除玉米秸秆等杂质，粉碎，过50目筛，按照一定的液料比添加5%氢氧化钠溶液，放入超声微波协同萃取仪中萃取，得到半纤维素提取液。提取液离心，经膜回收碱液、酸热降解等工序制备木糖及阿拉伯糖等功能性糖。滤渣中含有纤维素及木质素，经简单处理在饲料生产应用。玉米芯中半纤维素提取及综合利用技术路线见图1。10.13557/j.cnki.issn1002-2813.2022.09.017.F001图1玉米芯中半纤维素提取及综合利用技术路线1.3.2单因素试验1.3.2.1超声波对半纤维素提取率称取玉米芯100 g，按照液料比10 mL/g加入5%的NaOH溶液，提取温度70 ℃，提取时间60 min，微波功率300 W，分别考察超声波辅助对半纤维素提取的影响，每个水平做3个平行样，按照玉米芯半纤维素提取的工艺路线进行试验，以提取率为指标，确定最佳的超声波辅助工艺条件。1.3.2.2NaOH浓度对半纤维素提取率称取玉米芯100 g，按照液料比10 mL/g分别加入3%、4%、5%、6%、7%的NaOH溶液，提取温度70 ℃，提取时间60 min，微波功率300 W，分别考察NaOH浓度对半纤维素提取的影响，每个水平做3个平行样，按照玉米芯半纤维素提取的工艺路线进行试验，以提取率为指标，确定最佳的NaOH浓度工艺条件。1.3.2.3提取温度对半纤维素提取称取玉米芯100 g，按照液料比10 mL/g加入5%的NaOH溶液，提取温度分别为50、60、70、80、90 ℃，提取时间60 min，微波功率为300 W，考察提取温度对半纤维素提取的影响，每个水平做3个平行样，按照玉米芯半纤维素提取的工艺路线进行试验，以提取率为指标，确定最佳的提取温度工艺条件。1.3.2.4提取时间对半纤维素提取称取玉米芯100 g，按照液料比10 mL/g加入5%的NaOH溶液，提取温度为70 ℃，提取时间分别为40、50、60、70、80 min，微波功率为300 W，考察提取时间对半纤维素提取的影响，每个水平做3个平行样，按照玉米芯半纤维素提取的工艺路线进行试验，以提取率为指标，确定最佳的提取时间工艺条件。1.3.2.5液料比对半纤维素提取称取玉米芯100 g，按照液料比5、10、15、20、25 mL/g加入5%的NaOH溶液，提取温度70 ℃，提取时间60 min，微波功率300 W，考察液料比对半纤维素提取的影响，每个水平做3个平行样，按照玉米芯半纤维素提取的工艺路线进行试验，以提取率为指标，确定最佳的液料比工艺条件。1.3.3响应面优化试验方法研究以半纤维素提取率为Y、NaOH浓度为X1、提取温度为X2、提取时间为X3、液料比为X4，采用响应面法优化提取工艺。因素水平设计见表1。10.13557/j.cnki.issn1002-2813.2022.09.017.T001表1因素水平设计水平X1/%X2/℃X3/minX4/(mL/g)-24.0706010.0-14.5756512.505.0807015.0+15.5857517.5+26.0908020.01.4测定指标及方法1.4.1提取液中半纤维素类总含量采用两步酸解法进行测定[14]半纤维素。1.4.2半纤维素提取率的计算半纤维素提取率=粗品半纤维含量/玉米芯中半纤维含量×100%(1)1.5数据统计与分析试验数据采用SAS 9.4软件进行统计分析，采用RSREG语句进行回归方程的方差分析，SAS 9.4软件的Rsreg语句进行响应面典型分析，以获得最大提取率时的提取条件。2结果与分析2.1工艺条件对玉米芯半纤维素提取率的影响2.1.1超声波辅助对玉米半纤维素提取率的影响研究发现，超声波辅助提取的条件下，玉米半纤维素的提取率为（62.8±0.5）%，不加超声波辅助提取工艺的玉米半纤维素的提取率平均为（56.5%±0.6）%；因此超声波辅助提取对半纤维素提取率的影响差异较大，说明超声波辅助工艺利于玉米芯中半纤维素的提取。超声波具有强烈的空化作用和热效应，因此超声波工艺有助于半纤维素迅速溶解，溶剂的溶解能力和溶解速度显著提高，玉米芯中半纤维素的提取率显著提高[15]。2.1.2NaOH浓度对玉米半纤维素提取率的影响（见图2）由图2可知，随着NaOH浓度不断提高，玉米芯半纤维素的提取率呈不断上升的趋势，当NaOH浓度大于5%时，提取率趋于平衡，增加不明显。10.13557/j.cnki.issn1002-2813.2022.09.017.F002图2NaOH浓度对半纤维素提取率的影响原因是NaOH浓度过低，无法破坏纤维素、半纤维素及木质素之间的氢键，半纤维素溶解性较差；当NaOH浓度不低于5%时，提取液中NaOH浓度已足够破坏氢键且利于增加半纤维素的溶解性，导致形成玉米半纤维素提取率先明显增加，后趋于平衡[16]。因此，试验选择NaOH浓度为5%进行响应面试验。2.1.3提取温度对玉米半纤维素提取率的影响（见图3）由图3可知，随着微波提取温度不断增加，玉米芯半纤维素提取率逐渐增大。当微波提取温度达到80 ℃时，提取率达到最大值；当微波提取温度大于80 ℃，半纤维素的提取率略有下降，但差异不明显。10.13557/j.cnki.issn1002-2813.2022.09.017.F003图3提取温度对半纤维素提取率的影响原因可能是提取温度较低时分子运动速度低半纤维素溶解性差，但提取温度过高会导致其他物质析出，影响玉米芯中半纤维素的提取[17]。因此，试验选择提取温度80 ℃进行响应面试验。2.1.4提取时间对玉米半纤维素提取率的影响（见图4）由图4可知，随着微波提取时间不断增加，玉米芯半纤维素提取率逐渐增大。当微波提取时间达到70 min时，提取率达到峰值；微波提取时间大于70 min，半纤维素的提取率略有下降，但差异不明显。10.13557/j.cnki.issn1002-2813.2022.09.017.F004图4提取时间对半纤维素提取率的影响原因可能是提取时间较短时半纤维素未能完全溶解，提取效率低下，达到一定时间后玉米芯中的半纤维素基本均已溶解，提取达到极限，同时一些非半纤维素继续析出，影响玉米芯的半纤维素提取[18]。因此，试验选择提取时间70 min进行响应面试验。2.1.5微波液料比对玉米半纤维素提取率的影响（见图5）由图5可知，随着液料比不断增加，玉米芯半纤维素提取率逐渐增大。当微波液料比达到15 mL/g时，提取率达到峰值；液料比大于15 mL/g，半纤维素的提取率略有下降，但差异不明显。10.13557/j.cnki.issn1002-2813.2022.09.017.F005图5微波液料比对半纤维素提取率的影响原因是液料比较低时玉米芯与溶解接触性较差半纤维素未能完全溶解，提取效率低下，达到一定液料比后玉米芯中的半纤维素溶解性较强，提取效率高，同时部分非半纤维素继续析出，影响玉米芯的半纤维素提取[19]。因此，试验选择提取液料比以15 mL/g进行响应面试验。2.2响应面优化试验的结果与分析（见表2~表4）基于单因素试验的结果，以NaOH浓度（X1）、提取温度（X2）、提取时间（X3）、液料比（X4）为自变量X，以半纤维素提取率（Y）进行响应面试验。试验设计见表2。10.13557/j.cnki.issn1002-2813.2022.09.017.T002表2试验设计试验号X1X2X3X4提取率/%1111170.22111-162.5311-1173.6411-1-165.151-11168.861-11-160.471-1-1162.281-1-1-155.89-111166.710-111-153.111-11-1173.212-11-1-162.113-1-11170.714-1-11-160.815-1-1-1166.716-1-1-1-158.217200070.918-200060.719020064.1200-20055.221002072.22200-2070.523000273.524000-243.525000070.926000073.827000072.128000073.4对试验结果进行统计分析，响应面试验方差分析见表3，二次回归模型参数见表4。10.13557/j.cnki.issn1002-2813.2022.09.017.T003表3响应面试验方差分析项目平方和自由度均方和F值P显著性模型1 465.8114104.7016.080.001**一次项848.824212.2132.620.001**二次项451.914112.9817.350.001**交互项164.08627.354.200.014*A154.77530.954.750.011*B445.37589.0713.680.001**C111.62522.323.430.034*D1 044.455208.8932.080.001**失拟项79.45107.944.570.118不显著纯误差5.2131.74总误差84.66136.51注：*表示影响显著（P0.05）；**表示影响极显著（P0.01）。10.13557/j.cnki.issn1002-2813.2022.09.017.T004表4二次回归模型参数模型非标准化系数T显著性检验常数项-1 268.700-4.150.001 1X1-0.5200.010.988 5X223.5005.780.000 1X36.8701.780.098 4X416.8102.590.022 6X12-6.380-3.060.009 1X1X20.6402.500.026 7X1X30.3501.380.190 5X1X4-0.610-1.190.257 1X22-0.130-6.010.000 1X2X3-0.100-3.850.002 0X2X40.0400.750.464 1X32-0.008-0.400.697 1X3X40.0260.500.625 7X42-0.550-657.000.000 1由表3可知，回归模型P0.01，失拟项的P0.05，说明该模型拟合结果较好。一次项、二次项、交互项P0.05，说明各项均不同程度影响半纤维素的提取率[20]。由表4可知，以半纤维素提取率为Ｙ值，得出NaOH浓度（X1）、提取温度（X2）、提取时间（X3）、液料比（X4）的回归方程为：Y=-1 268.7-0.52X1+23.5X2+6.87X3+16.81X4-6.38X12+0.64X1X2+0.35X1X3-0.61X1X4-0.13X22-0.1X2X3+0.04X2X4-0.008X32+0.026X3X4-0.55X422.3响应面和等高线图分析（见图6~图11）根据回归方程绘制响应曲面图，图6~图11分别为交互相X1X2、X1X3、X1X4、X2X3、X2X4和X3X4。10.13557/j.cnki.issn1002-2813.2022.09.017.F006图6NaOH浓度和提取温度的交互作用响应面及等高线曲线10.13557/j.cnki.issn1002-2813.2022.09.017.F007图7NaOH浓度和提取时间的交互作用响应面及等高线曲线10.13557/j.cnki.issn1002-2813.2022.09.017.F008图8NaOH浓度和液料比的交互作用响应面及等高线曲线10.13557/j.cnki.issn1002-2813.2022.09.017.F009图9提取温度和提取时间的交互作用响应面及等高线曲线10.13557/j.cnki.issn1002-2813.2022.09.017.F010图10提取温度和液料比的交互作用响应面及等高线曲线10.13557/j.cnki.issn1002-2813.2022.09.017.F011图11提取时间和液料比的交互作用响应面及等高线曲线由图6可知，NaOH浓度在4%~5%范围内、提取温度在80~90 ℃范围内时，二者均具有显著增效作用，玉米芯半纤维素提取率随着NaOH浓度和提取温度的增加而增加。当NaOH 浓度在5%~6%范围内、提取温度在70~80 ℃范围内时，玉米芯半纤维素提取率随NaOH浓度和提取温度的增加而减小。由图7可知，NaOH 浓度在4%~5%范围内、提取时间在70~80 min范围内时，二者均具有显著增效作用，玉米芯半纤维素提取率随着NaOH浓度和提取时间的增加而增加；当NaOH浓度在5%~6%范围内、提取时间在60~70 min范围内时，玉米芯半纤维素提取率随NaOH浓度和提取时间的增加而减小。由图8可知，NaOH浓度在4%~5%范围内、液料比在10~15 mL/g范围内时，二者均具有显著增效作用，玉米芯半纤维素提取率随着NaOH浓度和液料比的增加而增加；当NaOH浓度在5%~6%范围内、液料比在15~20 mL/g范围内时，玉米芯半纤维素提取率随NaOH浓度和液料比的增加而减小。由图9可知，提取温度在70~80 ℃范围内、提取时间在70~80 min范围内时，二者均具有显著增效作用，玉米芯半纤维素提取率随着提取温度和提取时间的增加而增加；当提取温度在80~90 ℃范围内，提取时间在60~70 min范围内时，玉米芯半纤维素提取率随提取温度和提取时间的增加而减小。由图10可知，提取温度在70~80 ℃范围内、液料比在10~15 mL/g范围内时，二者均具有显著增效作用，玉米芯半纤维素提取率随着提取温度和液料比的增加而增加；当提取温度在80~90 ℃范围内、液料比在15~20 mL/g范围内时，玉米芯半纤维素提取率随提取温度和液料比的增加而减小。由图11可知，提取时间在60~70 min范围内、液料比在10~15 mL/g范围内时，二者均具有显著增效作用，玉米芯半纤维素提取率随着提取时间和液料比的增加而增加；当提取时间在70~80 min范围内、液料比在15~20 mL/g范围内时，玉米芯半纤维素提取率随提取时间和液料比的增加而减小。2.4最优条件确定（见表5）由表5可知，提取效果最高时的NaOH浓度5.23%、提取温度80.6 ℃、提取时间74.1 min、液料比17.0 mL/g，该条件下理论最大的提取率为76.28%。10.13557/j.cnki.issn1002-2813.2022.09.017.T005表5最优提取条件及吸光度值因素标准化非标准化提取率/%X10.235.2376.28X20.0680.62X304174.14X40.4117.03验证试验得到半纤维素的提取率（76.0±0.18）%，与理论值非常接近，可知试验建立的模型能够较好地反映超声微波协同提取半纤维素的条件。3讨论试验采用超声微波协同提取技术高效去除玉米芯中的半纤维素成分，将处理后的玉米芯应用于饲料生产，发现玉米芯能够促进动物的营养成分消化以及动物的生长性能，可以为玉米芯饲料化的研究与应用提供新思路。半纤维素去除过程中使用到大量碱液，为高效无污染综合利用玉米芯，须进行碱液的高效回收。试验采用进口纳滤膜进行碱液回收，碱液的初步回收率在85%以上，且运行成本较低，与现有研究结论基本一致[20-23]。本研究发现，有效去除玉米芯中的半纤维素成分，并将处理后的玉米芯应用于饲料生产，半纤维素应用于木糖生产，建立了一种高效无污染的玉米芯综合利用新工艺。但玉米芯半纤维素提取工业化装置及工艺参数优化、提高半纤维素提取率、降低生产成本、碱液的工业化回收装置及工艺参数优化、提高液碱回收率以及处理后玉米芯的中和、烘干等处理技术和饲料的生产、功能性配比等方面仍需进一步的研究与探索。4结论本试验条件下，最佳优化条件为NaOH浓度5.23%、提取温度80.6 ℃、提取时间74.1 min、液料比17.0 mL/g，该条件下理论最大的提取率为76.28%。