付 文，王 麗，史 博

（廣東石油化工學院，化工與環(huán)境工程學院，廣東茂名525000）

生物質(zhì)提取木糖工藝及木糖檢測方法研究進展

付 文，王 麗*，史 博

（廣東石油化工學院，化工與環(huán)境工程學院，廣東茂名525000）

木糖作為一種重要的化工原料，在食品、飲料等行業(yè)中應用廣泛。綜述了生物質(zhì)制備木糖的工藝進展，對木糖檢測方法進行了簡單闡述。

木糖，工藝，綜述

木糖作為一種重要的化工原料，在食品、飲料等行業(yè)中作為理想的甜味劑、營養(yǎng)劑和治療劑已為國際所公認。除此之外，木糖的相關(guān)產(chǎn)品也有很高的功能價值。如木糖（Xylose）經(jīng)催化加氫可制得木糖醇（Xylitol），木糖醇甜度和發(fā)熱量同蔗糖相當，但糖尿病人也可食用；還具有防齲功能，發(fā)達國家已廣泛用作食品添加劑；它還是國防、塑料、醫(yī)藥等工業(yè)的重要原料，有廣闊的市場和發(fā)展前景。因此，木糖的生產(chǎn)與分析工藝對木糖及木糖相關(guān)行業(yè)的發(fā)展十分重要。綜述了生物質(zhì)制備木糖的工藝進展，對木糖檢測方法進行了簡單闡述。

1 木糖的性質(zhì)與功能

D-木糖（D-xylose）是戊糖的一種，分子量為150.14，和阿拉伯糖、核糖同屬于五碳糖，化學結(jié)構(gòu)式見圖1。其性狀為白色針狀結(jié)晶或結(jié)晶性粉末，無毒、無臭，具有清涼甜味，易溶于水，難溶于乙醇，有右旋光性和變旋光性。木糖是木聚糖的一個組分，廣泛存在于植物中，也存在于動物肝素、軟骨素和糖蛋白中，是某些糖蛋白中糖鏈與絲氨酸（或蘇氨酸）的連接單位[1]。

木糖作為一種功能性食品的基料，具有以下主要功能：促進益生菌-雙歧桿菌的增殖，減少有毒發(fā)酵產(chǎn)物及有害細菌酶的產(chǎn)生，改善人體的微生物環(huán)境，提高機體的免疫能力；抑制病原菌的產(chǎn)生，防止腹瀉；抑制口腔病菌的滋生，防止齲齒；具備膳食纖維的部分生理功能，有降血壓血脂，降膽固醇及預防腸癌的作用；食物的配伍性好。木糖與鈣同時攝入，可以提高人體對鈣的吸收率和保留率。

圖1 D-木糖的結(jié)構(gòu)式Fig.1 The structural formular of D-xylose

2 木糖制備原料來源

在自然界，木糖多以縮聚狀態(tài)廣泛存在于自然界植物的半纖維素中，即以大分子的多縮戊糖（木聚糖）的形式存在于植物體內(nèi)。大量的科學研究結(jié)果證明，半纖維素幾乎存在于所有的植物細胞壁當中，是植物細胞壁的三大組織之一。統(tǒng)計資料表明，全球的植物每年生成的半纖維素有3.5×1010t之多，半纖維素是地球上最豐富、最廉價的可再生資源之一。從理論角度講，只要含有半纖維素的植物均可作為木糖的生產(chǎn)原料，植物細胞壁中的纖維素和木質(zhì)素是由聚糖混合物緊密地相互貫穿在一起的，此聚糖混合物被稱為半纖維素[2]，因此生產(chǎn)木糖的原料來源比較廣泛。一般來說，農(nóng)業(yè)植物纖維廢料如玉米芯、棉籽殼、甘蔗渣、稻殼以及其他種子皮殼、一些木科植物等都是制取木糖的理想原料。這些植物廢料中含有大約16%～40%的多縮戊糖，而多縮戊糖經(jīng)水解則可得到高附加值的低聚木糖和木糖。從農(nóng)作物廢料中提取木糖不僅有利于資源的綜合利用，而且拓展了制備木糖的原料范圍，具有廣泛的經(jīng)濟效益與明顯的社會效益。表1列舉了幾種常見的制備木糖的原料及成分。

表1 幾種原料的主要成分[3-4]Table 1 The basis of several raw material

3 木糖的提取工藝

半纖維素以β-1，4糖苷鍵連接，分支度高，能被熱的無機酸所水解。利用半纖維素酸催化水解制備木糖的過程較為復雜，其中的反應過程包括：首先，半纖維素苷鍵在酸性介質(zhì)中會被裂開而使半纖維素發(fā)生降解，半纖維素在酸催化作用下被水解成木糖母液，水解反應如下：

其次，木糖在酸性條件下發(fā)生副反應，進一步水解而生成糠醛，水解反應如下：

目前，國內(nèi)外制備木糖的方法有中和法脫酸工藝、離子交換脫酸工藝、酸堿水解法、電滲析脫酸法、酶化學法、層析分離法以及氣爆法等。其中，中和脫酸工藝與離子交換脫酸工藝是國內(nèi)比較成熟的兩種制備木糖的工藝方法。

3.1 中和脫酸工藝

中和脫酸法制備木糖的工藝為：原料預處理，水解，中和脫色，離子交換除雜，濃縮結(jié)晶，最后分離得到木糖晶體。其中，原料預處理除去了原料中的膠質(zhì)、果膠、灰分等；中和工序主要是除去水解液中的無機酸；脫色除雜工序包括了使用活性炭和離子交換樹脂，該工序可以除去木糖母液中的色素與部分雜質(zhì)；濃縮結(jié)晶工序通過蒸發(fā)水解液中微量的有機酸分，控制濃縮后木糖液的濃度與結(jié)晶時間得到木糖晶體。

張宏喜[5]等以棉桿為原料，通過中和、脫色、離子交換和結(jié)晶等過程，得到純度為98.5%的木糖晶體。通過單因素多水平實驗和正交實驗，考察了影響半纖維素水解的因素。研究結(jié)果表明，水解的最佳條件為：水解溫度140℃，水解時間2.5h，硫酸濃度為5%，固液比為1∶6，木糖的最終產(chǎn)率為11.62%。李雪雁[6]探討了用酸法從玉米芯中提取木糖的工藝。得出最佳水解條件為：硫酸濃度為1.5%，水解溫度100℃，水解時間4h；最佳中和條件為pH=3.0，80℃，中和時間90min；最佳脫色條件為：活性炭用量2%，脫色溫度70℃，脫色時間40min。并對離子交換條件進行改進，最終得到的木糖固形物的產(chǎn)率達18%～21%。Silvio S[7]等選用桉樹皮為原料，得出最佳水解條件為硫酸濃度5%，溫度為140℃，水解10min。常雅寧[8]研究了以竹屑為原料進行水解生產(chǎn)木糖。研究結(jié)果表明：硫酸濃度為1.5%，水解溫度110℃，水解時間4h，再經(jīng)過液體量的2%活性炭脫色，用2%熱氨水洗滌后的糖液，經(jīng)過減壓蒸餾得到產(chǎn)品。李浩洋[9]研究了稻殼聯(lián)產(chǎn)二氧化硅和木糖的工藝，所得木糖純度可達98%。

中和脫酸工藝作為傳統(tǒng)的木糖提取工藝，其工藝酸堿消耗低，可降低成本，設(shè)備較簡單，易操作，投資少。但由于中和工序中形成的石膏（CaSO4）會部分沉積在蒸發(fā)器的管壁上，形成隔熱層，降低蒸發(fā)效率，降低設(shè)備使用壽命，且清理麻煩，勞動強度大。

3.2 離子交換脫酸法

針對中和脫酸工藝中的結(jié)垢問題，提出了離子交換脫酸工藝。該法是利用木糖在堿性條件下極不穩(wěn)定的還原性，主要通過離子交換除雜來制備木糖。離子交換脫酸的工藝為：原料預處理，水解，脫色，離子交換除雜，濃縮結(jié)晶，最后分離得到木糖晶體。

嚴浪[10]研究了蓮藕渣中多糖的提取和分離，利用離子交換柱層析法分離純化出蓮藕多糖NPh1和NPh2，并用凝膠過濾柱色譜及高效液相色譜儀檢測多糖純度，證明NPh2為純品，是一種酸性雜多糖，單糖組成為半乳糖、阿拉伯糖、鼠李糖、葡萄糖、巖藻糖和木糖，摩爾比依次為：26.74∶16.17∶5.69∶5.49∶2.31∶1。王麗麗[11]等人選用毛竹為原料，利用陰陽離子交換脫酸法來制備木糖晶體。通過正交設(shè)計法，探討了預水解及水解溫度、時間和酸濃度等對水解的影響，得出在水解溫度為120℃，時間為2h，硫酸的濃度為2%的最佳的實驗條件下，可以得到熔點為140.5～146.0℃、產(chǎn)率為13.4%、純度為91.3%的木糖晶體。Lavarack[12]等人利用離子交換法研究了從甘蔗渣中提取木糖，得出在120℃，酸濃度在1%，水解時間為2h的實驗條件下，可以得到22%的木糖得率。趙先芝[13]選用玉米芯為原料，通過兩道離子交換工序，制備在木糖液中產(chǎn)率達到49.67%的白色粉狀結(jié)晶木糖。賀東海[14]研究了四種不同強堿性陰離子交換樹脂MA5133、D296、KD890、D293在木糖除雜中的應用效果。結(jié)果表明，KD890交換量大，而且木糖異構(gòu)化最小，純度降低最少，是用于木糖凈化最理想的三次離子交換樹脂。針對離子交換樹脂在使用一段時間后，其工作交換量明顯降低，而且脫色性能下降的問題，王關(guān)斌[15]研究了木糖除雜中廣泛應用的D301樹脂的再生問題，提出用8%NaOH再生，用HCl浸泡處理樹脂鐵中毒，延長了樹脂使用壽命，提高了離子交換樹脂的利用率。王關(guān)斌[16]針對在強堿離子交換柱中，木糖分子容易被部分催化異構(gòu)轉(zhuǎn)化為阿拉伯糖，使得木糖純度下降，結(jié)晶困難的問題，考察了強堿樹脂再生濃度、淋洗終點pH、交換溫度以及流速對木糖分子異構(gòu)的影響，得出最佳的交換工藝條件：再生劑濃度為2%、淋洗終點pH為7.5、交換溫度20℃、流速為1BV/h。

離子交換脫酸工藝較中和脫酸工藝復雜，樹脂用量較多，設(shè)備也繁雜，投資大，酸堿消耗多。1992年，山東禹城木糖廠以陽離子交換樹脂作為催化劑，生產(chǎn)規(guī)模為300t/a。70年代末到80年代初我國在漳州、開化建廠，現(xiàn)已有兩條生產(chǎn)工藝，規(guī)模已達到2000t/a。1994年起，安徽省科苑應用技術(shù)開發(fā)（集團）股份有限公司開始從事木糖的研制和生產(chǎn)工作，經(jīng)過多年努力，現(xiàn)已探索出一條工藝先進、設(shè)備簡單、操作方便的路線。該路線改進了離子交換工藝，選用了新型結(jié)晶方式，產(chǎn)品經(jīng)過齊魯石化研究所測試，質(zhì)量穩(wěn)定，產(chǎn)品的各項指標均符合美國食品級FCCⅣ版和英國藥典BP93版的標準，且保質(zhì)期可達兩年以上。

3.3 酸堿水解法

酸堿水解法也是木糖生產(chǎn)中的常用方法。由于木糖能夠溶于堿，并與強堿作用而導致異構(gòu)化，因而木糖生產(chǎn)中堿法水解不常用。酸水解法工藝簡單，容易控制，有利后續(xù)分離純化，是目前工業(yè)化制備木糖常用的一種方法。朱琴[17]利用酸水解獲取油茶籽殼中木糖，通過正交實驗對水解工藝參數(shù)進行優(yōu)化，得到較佳水解條件：水解溫度120℃、料液比1∶5、水解時間2h，H2SO42%，木糖得率為9.11%。劉仁成[18]利用椰殼常壓酸水解制備木糖，通過正交實驗考察了酸預處理時間、酸濃度、椰殼粉粒度、水解時間等對木糖產(chǎn)率的影響。研究表明：用0.2mol/L的鹽酸，100℃水解6h，木糖產(chǎn)率可達椰殼空氣干燥基質(zhì)量的16%，水解液經(jīng)脫色脫鹽等一系列工藝制備的椰殼木糖純度達99%以上。吳真[19]研究了甲酸/鹽酸體系水解麥草產(chǎn)生木糖的工藝，發(fā)現(xiàn)采用甲酸/鹽酸水解體系能有效水解麥草中的半纖維素，含HCl 10%的水解體系在65℃水解麥草0.5h可實現(xiàn)麥草中聚戊糖的充分水解，木糖的得率達到98%?？紤]到高溫水解的大量能耗和復雜工藝，石榮銘[20]研究了常溫酸水解法從稻殼中提取木糖，將半纖維素長時間浸泡濃硫酸，研究結(jié)果表明：硫酸濃度為70%，浸泡時間為14h，木糖的得率最高為52.34%。出糖率較高溫酸解法有很大的提高，而且摒棄了水解過程中需要的大量能耗，節(jié)約了成本，簡化了工藝。

3.4 木糖制備的其它工藝

木糖制備的工藝除了中和脫酸、離子交換脫酸和酸堿水解法外，還包括酶化學法[17，21]、電滲析脫酸法[22]、層析分離法[23]、氣爆法[24]和結(jié)晶木糖法[25]等。

采用酸堿水解法獲取木糖雖然轉(zhuǎn)化率較高，但水解過程需要消耗大量的酸堿且對環(huán)境造成二次污染，高溫高壓條件比較苛刻，成本較高且工藝復雜。利用微生物發(fā)酵生產(chǎn)木糖及相關(guān)產(chǎn)品，副產(chǎn)物少且含量低，易于分離提純，已經(jīng)成為世界研究的一個熱點。木聚糖的降解需要木聚糖水解酶系中各種酶相互之間協(xié)同完成，其中木聚糖酶是最關(guān)鍵的水解酶。目前對木聚糖酶的研究集中于真菌和細菌產(chǎn)生的木聚糖酶，它只含一個亞單位的蛋白質(zhì)。多數(shù)木聚糖酶作用的穩(wěn)定pH范圍為3.0～10.0，最適pH范圍為4.0～7.0，最適作用溫度為40～60℃[26]。

朱琴[17]利用微生物發(fā)酵獲取油茶籽殼中木糖的研究中，研究了白腐菌微生物發(fā)酵獲取油茶籽中的木糖。采用響應面法對液體培養(yǎng)基組成優(yōu)化：油茶籽殼4%，（NH4）SO4（W/V）1%、MgSO4·7H2O（W/V）0.6%。經(jīng)用此配方組成的培養(yǎng)基進行發(fā)酵實驗驗證，其木糖實際得率為2.89%。通過搖瓶發(fā)酵實驗得到了較合理的液體培養(yǎng)條件：培養(yǎng)液初始pH5.5、裝液量為100mL/250mL、接種量10%、培養(yǎng)溫度30℃、培養(yǎng)時間48h、搖床轉(zhuǎn)速120r/min。按此液體培養(yǎng)條件搖瓶發(fā)酵后，木糖得率為2.96%。劉長虹[21]用堿法從玉米秸稈中提取木聚糖，再利用木聚糖酶酶解木聚糖制備木糖。結(jié)果表明：粉碎過的玉米秸稈經(jīng)過沸水浸4h，過濾，用10%NaOH溶液按m（秸稈）∶m（NaOH溶液）為1∶15，于80℃下浸提2h，木聚糖提取率可達30%。取50mL木聚糖液，加入20mL木聚糖酶液，在水解溫度65℃下反應5h，最后測得木糖的得率為20.34%。

化學轉(zhuǎn)化生產(chǎn)木糖及相關(guān)產(chǎn)品存在著工藝設(shè)備要求高，副產(chǎn)物成分復雜，化學試劑用量大，污染嚴重等問題。有學者在此基礎(chǔ)上提出了氣爆法提取木糖。崔素芬[24]研究了蒸汽爆碎處理甘蔗葉提取木糖過程中爆碎壓力、維壓時間對木糖溶出量的影響。研究表明：木糖溶出量隨爆碎壓力增加而增加，隨維壓時間增加，先增大后減小，隨粒度增大而減小，隨固液比增大先減小后增大。崔素芬采用響應面實驗和DesignExpert 7.0軟件分析實驗設(shè)計擬合得到的模型較好地符合實際，并得到最佳爆碎工藝為：爆碎壓力1.1MPa，維壓時間12.5min，粒度100目，液料比15∶1（v/w）。

此外，還發(fā)展了電滲析脫酸工藝及層析分離工藝。電滲析脫酸法尚處于實驗階段，世界上還沒有工業(yè)化生產(chǎn)。電滲析法的工藝為：原料經(jīng)預處理、水解、脫色、電滲析、濃縮結(jié)晶，最后分離得到木糖晶體。由于電滲析的效果不是很理想，一般只能達到80%的滲析效果[22]，故目前還沒有研究者對此工藝進行深入研究。層析分離制備木糖工藝是當今世界較先進的生產(chǎn)方法，采用連續(xù)水解工藝，提高了木糖產(chǎn)率，水解液糖濃度高達10%以上[23]。層析分離法的工藝為：原料經(jīng)預處理、水解、中和、脫色、離子交換、蒸發(fā)、木糖層析分離、濃縮結(jié)晶，最后分離得到木糖晶體。采用層析分離技術(shù)使產(chǎn)品純度提高，質(zhì)量好，同時降低能耗，國內(nèi)該工藝尚未達到工業(yè)化生產(chǎn)水平。結(jié)晶木糖法工藝較簡單，但總產(chǎn)率不高是該法的主要缺陷。胡德榮[25]利用結(jié)晶木糖法，以稻殼為原料，得到收率為5%的木糖晶體。

4 木糖檢測方法的研究進展

2006年11月25日，中國發(fā)酵工業(yè)協(xié)會在北京召開《木糖國家標準》編寫預備會，會上提出了木糖作為一種食品、飲料等的重要添加劑有其特殊性。因此對木糖的純度等相關(guān)指標提出了更高的要求，這對木糖檢測和分析方法也提出了更高的要求。目前，木糖定性定量分析方法主要有費林試劑法[3]、3，5-二硝基水楊酸法（又稱DNS法）[27-28]、薄層層析法[29]、Douglas法[30-31]和色譜法[32-33]等。

4.1 DNS法和費林試劑法

DNS法和費林試劑法統(tǒng)稱還原法，是根據(jù)木糖是一種還原糖的特性來進行測定。DNS法其原理是3，5-二硝基水楊酸溶液與還原糖溶液共熱后被還原成棕紅色的氨基化合物，在一定實驗范圍內(nèi)還原糖的量和棕紅色物質(zhì)顏色深淺的程度成一定比例關(guān)系，可用比色測定。在NaOH和丙三醇存在下，3，5-二硝基水楊酸（DNS）與還原糖共熱后被還原生成氨基化合物（式1），在過量的NaOH堿性溶液中此化合物呈桔紅色，在一定波長處有最大吸收，其吸光度與還原糖含量有線性關(guān)系。資料顯示，采用DNS法的測定最佳波長有480nm[27]和490nm[28]兩種說法。費林試劑法原理是：費林氏A、B液混合時，生成天藍色氫氧化銅沉淀，該沉淀立即與酒石酸鉀鈉反應，生成深藍色的絡(luò)合物——酒石酸鉀鈉銅。當酒石酸鉀鈉銅與木糖混合在一起時，該絡(luò)合物被木糖還原，生成紅色的氧化亞銅沉淀（式2）。還原法操作簡便、快速，雜質(zhì)干擾較少。

4.2 薄層層析法

薄層層析法是一種固－液吸附色譜，是近年來發(fā)展起來的一種微量、快速而簡單的色譜法，它兼?zhèn)淞酥V和紙色譜的優(yōu)點，此法特別適用于檢測揮發(fā)性較小或較高溫度易發(fā)生變化而不能用氣相色譜分析的物質(zhì)。具體操作過程可分為：調(diào)漿、涂板、活化、點樣分析。在干凈的玻板（10×3cm左右）上均勻地涂一層吸附劑或支持劑，待干燥、活化后將D-木糖標準液溶液用管口平整的毛細管滴加于離薄層板一端約1cm處的起點線上，晾干或吹干后置薄層板于盛有展開劑的展開槽內(nèi)，浸入深度為0.5cm。待展開劑前沿離頂端約1cm附近時，將色譜板取出，干燥后噴以顯色劑，或在紫外燈下顯色。

4.3 Douglas法

因木糖是戊糖類中的一種，具備戊糖的通性。Douglas法其原理是利用抽提試劑在高溫條件下將待測樣品中的戊聚糖水解為木糖和阿拉伯糖，間苯三酚選擇性的與戊糖發(fā)生顯色反應，并且顯色物質(zhì)濃度與吸光度呈正相關(guān)關(guān)系，從而反映出原試樣中戊糖的濃度。資料顯示，Douglas法測定有單波長（552nm）[30]，也有雙波長（552～510nm）[31]之說。

4.4 色譜法

色譜法分為氣相色譜法、液相色譜法和離子色譜法等。氣相色譜法具有分離效率高、分析速度快、樣品用量少、檢測靈敏度高等優(yōu)點。但對于木糖這類揮發(fā)性和熱穩(wěn)定性較低的物質(zhì)，需先將木糖通過硅烷化法和乙?；ㄖ瞥上鄳牡头悬c衍生物，然后進行測試。目前該方法已成功用于海洋膠體中的木糖含量測定（YY-SW-TL-0493）和南瓜中木糖含量的測定（YY-SW-TL-0486），但氣相色譜法操作中樣品處理復雜、操作費時、誤差較大，因而有一定的局限性。傳統(tǒng)的液相色譜采用柱后衍生和可見光檢測，在用于木糖測定時，需將樣品制備成具有紫外吸收或能發(fā)出熒光的衍生物，制備過程復雜。現(xiàn)在普遍應用的是高效液相色譜法（HPLC），它是采用高壓輸液系統(tǒng)，將具有不同極性的單一溶劑或不同比例的混合溶劑、緩沖液等流動相泵入裝有固定相的色譜柱，在柱內(nèi)各成分被分離后，進入檢測器進行檢測，從而實現(xiàn)對試樣的分析。在進行糖分分析時，填充材料的選擇是否恰當是色譜純化分離的關(guān)鍵所在，常選擇氧化鋁、活性炭、離子交換劑等作為分離介質(zhì)。近年來也有報道采用[32]氨基柱和Waters-Sugar-PakTM1[33]。離子色譜法是一種改進的色譜分析方法，用高效的陰離子交換柱分離糖，用脈沖積分安培檢測器進行檢測。離子色譜柱可直接進行低濃度木糖的定量分析，無需衍生和樣品前處理，既節(jié)約了時間，也避免了一些有毒衍生試劑的使用。分析木糖常用的交換柱有CarboPacPA10等。直流安培檢測器不能用于糖的檢測，主要是因為糖氧化會對電極產(chǎn)生不可逆的污染，而PAD檢測器解決了這一問題，并具有很高的靈敏度。

5 結(jié)論

木糖作為一種新型的添加劑和甜味劑，產(chǎn)品用途較廣，功能價值較高，已越來越廣泛地應用到人們?nèi)粘Ｉ钪小Ｈ欢?，在工業(yè)化應用的工藝中，木糖得率較低以及木糖結(jié)晶后的母液中具有較高含量的糖分等缺陷仍未得到根本的改善。我國擁有得天獨厚的原材料資源，擁有廣闊的發(fā)展天地和市場前景。如何變廢為寶，降低成本，改善工藝，是廣大科技工作者需要解決的問題。

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Research progress in preparation processing and detection method of xylose

FU Wen，WANG Li*，SHI Bo
（College of Chemical and Environmental Engineering，Guangdong University of Petrochemical Technology，Maoming 525000，China）

Xylose as an important chemical raw materials，has been widely used in food，beverage and other industries.This paper reviewed the progress in the preparation process of xylose.The detection method of xylose was also described simply.

xylose；technology；review

TS201.1

A

1002-0306（2012）05-0405-05

2011－04－19 *通訊聯(lián)系人

付文（1983-），男，碩士，講師，研究方向：生物質(zhì)綜合利用。

廣東省自然科學基金（S2011040001765）；廣東石油化工學院大學生創(chuàng)新實驗項目。