李 娜 沈伊濛 劉秋娟，*

(1.天津科技大學(xué)，天津市制漿造紙重點實驗室，天津，300457；2.北京林業(yè)大學(xué)，北京，100083)

低聚木糖亦稱木寡糖，是由2～7個木糖以β-1-4糖苷鍵連接而成的低聚合度糖類的總稱。低聚木糖主要由富含聚木糖的植物經(jīng)過內(nèi)切聚木糖酶水解后，再進(jìn)行分離精制而得，以木二糖和木三糖為主。世界上低聚木糖的生產(chǎn)主要在日本、北美和歐洲，我國較少。日本是世界上較早開發(fā)功能性低聚木糖的國家，目前年產(chǎn)量已超過1500萬t。低聚木糖是我國正待開發(fā)的極有前途的食品項目[1]，功能性低聚糖是功能性食品的一個重要組成部分，近年來備受食品科技界的關(guān)注，發(fā)展迅速。低聚木糖甜味純正，難被人體消化吸收，腸道內(nèi)殘存率高，具有極好的雙歧桿菌增殖性，其選擇利用性高于其他功能性低聚糖。

我國每年甘蔗的種植面積約113萬hm2，每年除生產(chǎn)800萬t以上蔗糖外，還產(chǎn)生800萬t以上的蔗渣。目前，我國糖廠的蔗渣除部分用于造紙外[2]，大部分被用作鍋爐燃料直接燒掉，并未獲得充分利用，這樣不僅污染環(huán)境，而且浪費資源。因此，利用糖廠的這些纖維質(zhì)副產(chǎn)品生產(chǎn)高附加值產(chǎn)品(如溶解漿、燃料乙醇、功能性低聚糖、膳食纖維等)具有誘人的發(fā)展前景。

蔗渣的半纖維素主要是L-阿拉伯糖基-葡萄糖醛酸基-聚木糖和氧-乙酰基- 4-O-甲基-葡萄糖醛酸基-聚木糖，此外，還有少量的半乳糖。除髓蔗渣的半纖維素中L-阿拉伯糖與木糖質(zhì)量比為1∶15，糖醛酸含量5.0%(對絕干原料，下同)；蔗髓半纖維素中L-阿拉伯糖與木糖質(zhì)量比為1∶(6～7)，糖醛酸含量為6.0%[3]。

蔗渣的半纖維素組成復(fù)雜，對其進(jìn)行分解需要多種酶(聚木糖酶、木糖苷酶、L-阿拉伯糖苷酶和葡萄糖醛酸酶)的作用，其分解產(chǎn)物主要為木糖、L-阿拉伯糖和葡萄糖醛酸。

本實驗對從蔗渣中提取低聚木糖進(jìn)行了初步研究。將制漿造紙廠常用的蔗渣原料進(jìn)行蒸煮前預(yù)處理，選擇合適的水解工藝以提取半纖維素中的聚戊糖(以低聚木糖為主)，用于今后低聚木糖產(chǎn)品生產(chǎn)以及將得到的水解半料纖維用于生產(chǎn)溶解漿等[4-5]。

低聚木糖的生產(chǎn)過程包括低聚木糖的提取和精制、低聚木糖的水解和純化等步驟，其中，低聚木糖的提取和水解是關(guān)鍵[3]。目前，研究較多的提取方法主要包括熱水抽提、酸水解、堿水解及酶解法等[6-7]。相對其他抽提方法，水蒸氣抽提更具潛力，因為水蒸氣抽提工藝條件溫和，不使用化學(xué)品，對半纖維素的破壞程度小[8]，而且，對環(huán)境的影響較小。

本實驗以蔗渣為原料，采用高溫水預(yù)水解方法提取低聚木糖，并確定了最佳提取工藝。

1 實 驗

1.1 原料與藥品

(1)原料

蔗渣：取自廣西永凱糖紙集團(tuán)有限公司大橋分公司，風(fēng)干后備用。

(2)藥品

木糖、葡萄糖，生化試劑，Sigma(美國)公司；3,5-二硝基水楊酸，化學(xué)純，北京西中化工廠；重蒸酚，分析純，北京索萊寶科技有限公司；間苯三酚，分析純，天津市福晨化學(xué)試劑廠。

1.2 儀器

NJKR-10空氣浴蒸煮器，南京林業(yè)大學(xué)機(jī)械廠；Agilent 8453 UV/Vis分析儀，Agilent Technology。

1.3 實驗方法

通過紫外光譜法測定水解液中的總糖、戊糖(聚糖與單糖之和)以及還原糖含量，計算得到己糖的含量。曾有研究以總糖與還原糖之差代表低聚木糖含量。本研究為了同時考察水解液中的己糖含量，以戊糖含量代表低聚木糖含量，并通過總糖(戊糖與己糖之和)與還原糖的含量，考察其中還原糖的比例。本實驗僅作為低聚木糖提取的初步研究，實驗中得到的聚木糖還要經(jīng)過進(jìn)一步酶解、純化等處理，才能獲得低聚木糖產(chǎn)品。

1.3.1待測樣品的制備

蔗渣中低聚木糖的提取采用高溫水預(yù)水解的方式，在空氣浴蒸煮器中進(jìn)行；水解后將水解液從水解半料分離、過濾、離心后取上清液即得待測試樣。半料風(fēng)干后稱量，計算得率。

1.3.2戊糖及己糖含量的測定

采用由傳統(tǒng)的Douglas比色法(間苯三酚-冰醋酸顯色法)改進(jìn)的雙波長技術(shù)，測定425 nm(戊糖和己糖的等摩爾吸收波長)和553 nm(戊糖的特征吸收波長)處的紫外吸收，同時測定總糖、戊糖、己糖的含量[9]。

1.3.3水解液中還原糖含量的測定

采用DNS法測定水解液中的還原糖含量[10-11]。

1.3.4正交實驗設(shè)計

由前期實驗可知，影響蔗渣水預(yù)水解的因素主要有水解最高溫度、液比和保溫時間。針對這3個因素，在前期實驗的基礎(chǔ)上，采用L9(34)正交實驗對每個因素設(shè)置相應(yīng)的水平，研究水解最高溫度(A)、液比(B)及保溫時間(C)對蔗渣水預(yù)水解提取低聚木糖以及其他相關(guān)糖類組分和半料得率的影響，以確定最佳的提取條件。正交實驗因素及水平見表1。

表1 蔗渣水預(yù)水解正交實驗因素與水平

2 結(jié)果與討論

2.1 蔗渣水預(yù)水解提取低聚木糖的正交實驗

2.1.1正交實驗結(jié)果

L9(34)正交實驗對水解最高溫度、液比及保溫時間的研究結(jié)果見表2，其中，正交實驗的K1、K2、K3和極差R按照戊糖產(chǎn)率計算。

由表2可以看出，RA>RB>RC，各因素對戊糖產(chǎn)率的影響依次是A>B>C，蔗渣水預(yù)水解的最佳條件為A1B3C2，即水解最高溫度160℃、液比1∶8、保溫時間120 min。根據(jù)此結(jié)果進(jìn)行驗證實驗，結(jié)果如表3所示。

由表3可知，在水解最高溫度160℃、液比1∶8、保溫時間120 min的水預(yù)水解條件下，戊糖和己糖的產(chǎn)率都最大，分別為17.0%和2.9%；繼續(xù)延長保溫時間，戊糖和己糖的產(chǎn)率都有所下降，這可能是因為在高溫、酸性環(huán)境下，戊糖和己糖發(fā)生了進(jìn)一步的降解，戊糖和己糖可能部分轉(zhuǎn)化為糠醛、甲基糠醛等物質(zhì)。還原糖的產(chǎn)率隨保溫時間延長呈一直增大的趨勢，說明有更多的聚糖降解為單糖。半料得率一直呈下降趨勢，說明隨保溫時間的延長，越來越多的纖維素、半纖維素、木素以及其他物質(zhì)溶解到水解液中。

表2 正交實驗結(jié)果

表3 不同保溫時間下蔗渣水預(yù)水解結(jié)果

2.1.2各因素對蔗渣水預(yù)水解結(jié)果的影響

2.1.2.1水解最高溫度對蔗渣水預(yù)水解結(jié)果的影響

不同水解最高溫度對蔗渣水預(yù)水解結(jié)果的影響如圖1和圖2所示。

圖1 水解最高溫度對水解液pH值和半料得率的影響

圖2 水解最高溫度對糖產(chǎn)率的影響

從圖1可以看出，水解液pH值隨水解最高溫度的升高而降低，水解最高溫度的升高使得更多物質(zhì)溶解到水解液中，半料得率隨之下降。由圖2可知，戊糖產(chǎn)率隨水解最高溫度的升高而降低，己糖和還原糖產(chǎn)率隨水解最高溫度的升高而增大，但戊糖產(chǎn)率始終大于己糖產(chǎn)率。這可能是因為戊糖較己糖更易溶出，戊糖中的單糖隨水解最高溫度的升高而進(jìn)一步降解，且單糖降解速率大于聚戊糖溶解進(jìn)入水解液的速率。水解最高溫度的升高有利于更多的己糖解聚，溶解到水解液中，因而還原糖的產(chǎn)率也隨之提高，表明水解最高溫度的升高有利于單糖的生成。圖1給出了半料得率隨水解最高溫度的變化規(guī)律。由于后續(xù)研究是用預(yù)水解后的蔗渣水制備溶解漿，半料得率對溶解漿的質(zhì)量和成本都有影響，故水解最高溫度不宜過高。

2.1.2.2液比對蔗渣水預(yù)水解結(jié)果的影響

液比對蔗渣水預(yù)水解結(jié)果的影響如圖3和圖4所示。

圖3 液比對水解液pH值和半料得率的影響

圖4 液比對糖產(chǎn)率的影響

從圖3可以看出，液比對水解液pH值和半料得率的影響均不大；當(dāng)水解液液比增大到1∶7后，pH值和半料得率都基本不變。

由圖4可知，隨著液比的增加，戊糖產(chǎn)率逐漸增大，己糖產(chǎn)率逐漸減小，而還原糖產(chǎn)率先減后增，戊糖產(chǎn)率大于己糖產(chǎn)率。這可能是因為隨著液比的增加，己糖達(dá)到擴(kuò)散平衡，而戊糖未達(dá)到擴(kuò)散平衡。還原糖由部分戊糖和部分己糖組成，還原糖的變化規(guī)律與戊糖和己糖的變化都有關(guān)。

2.1.2.3保溫時間對蔗渣水預(yù)水解結(jié)果的影響

保溫時間對蔗渣水預(yù)水解結(jié)果的影響如圖5和圖6所示。

圖5 保溫時間對水解液pH值和半料得率的影響

圖6 保溫時間對糖產(chǎn)率的影響

從圖5可以看出，水解液pH值隨保溫時間的延長而下降，但在保溫120 min以后，水解液pH值基本不變，半料得率隨保溫時間的變化幅度不大。由圖6可知，隨保溫時間的延長，戊糖產(chǎn)率的變化不明顯，己糖和還原糖產(chǎn)率逐漸增大，但戊糖產(chǎn)率仍然大于己糖產(chǎn)率。

2.2 補充實驗

由于最佳水解條件的水解最高溫度和液比都是本實驗的邊緣數(shù)據(jù)，為進(jìn)一步驗證實驗結(jié)果的準(zhǔn)確性，進(jìn)行水解最高溫度、液比這兩個因素的補充實驗。水解最高溫度和液比的補充實驗結(jié)果分別如表4和表5所示。

表4 不同保溫時間下的蔗渣水預(yù)水解結(jié)果

由表4可知，在實驗條件下，隨保溫時間的延長，戊糖產(chǎn)率增大；當(dāng)保溫時間為210 min時，戊糖產(chǎn)率為13.5%，與水解最高溫度160℃、保溫時間120 min時的戊糖產(chǎn)率(17.0%)相差較大。

表5 不同液比條件下蔗渣水預(yù)水解結(jié)果

表5表明，在實驗條件下，繼續(xù)增大液比，戊糖產(chǎn)率并不能持續(xù)增大，具體變化趨勢如圖7和圖8所示。

圖7 液比對水解液中戊糖質(zhì)量濃度的影響

圖8 液比對水解液中戊糖和己糖產(chǎn)率的影響

由圖7和圖8可知，隨液比的增大，戊糖質(zhì)量濃度呈先增大后減小的趨勢，液比為1∶8時，戊糖質(zhì)量濃度達(dá)到最大值；隨液比的變化，戊糖產(chǎn)率變化不明顯，己糖產(chǎn)率在液比1∶10時達(dá)到最大值。提取液中糖的質(zhì)量濃度非常重要，關(guān)系到后續(xù)利用的能耗和加工成本，故選擇水解最高溫度160℃、液比1∶8、保溫時間120 min 是比較合適的。

通過上述實驗，得出蔗渣水預(yù)水解提取低聚木糖的最佳條件為：水解最高溫度160℃，液比1∶8，保溫時間120 min。按此條件對蔗渣進(jìn)行水預(yù)水解，水解液中低聚木糖的得率為17.0%。

3 結(jié) 論

以蔗渣為原料，采用高溫水預(yù)水解方法提取低聚木糖，考察了水解最高溫度、液比及保溫時間對水解結(jié)果的影響。

3.1正交實驗結(jié)果表明，水解最高溫度對蔗渣水預(yù)水解提取聚戊糖的影響最大，其次是液比和保溫時間。

3.2蔗渣水預(yù)水解提取低聚木糖的最佳條件為：水解最高溫度160℃，液比1∶8，保溫時間120 min；在此條件下，低聚木糖得率為17.0%。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 韓玉潔， 徐 冬， 徐 忠， 等. 低聚木糖降脂作用研究[J]. 哈爾濱商業(yè)大學(xué)學(xué)報： 自然科學(xué)版， 2004, 22(2): 44.

[2] 楊崎峰, 王雙飛, 黃崇杏, 等. 蒸汽爆破蔗渣漿的微觀研究[J]. 中國造紙學(xué)報, 2005, 20(2): 27.

[3] 聶勛載， 范思齊. 常用非木材堿法制漿實用手冊[M]. 北京： 中國輕工業(yè)出版社， 1993.

[4] 楊瑞金， 許時嬰， 王 璋. 低聚木糖的功能性質(zhì)與酶法生產(chǎn)[J]. 中國食品添加劑， 2000(2)： 89.

[5] 許正宏， 熊筱晶， 陶文沂. 低聚木糖的生產(chǎn)及應(yīng)用研究進(jìn)展[J]. 食品與發(fā)酵工業(yè)， 2001， 28(1)： 56.

[6] Liu C F， Sun R C， Zhang A P. Homogeneous modification of sugarcane bagasse cellulose with succinic anhydride using a ionic liquid as reaction medium[J]. Carbohydrate Research， 2007， 342： 919.

[7] 藍(lán)艷華. 甘蔗渣生產(chǎn)燃料乙醇研究現(xiàn)狀與對策[J]. 甘蔗糖業(yè)， 2007 (6)： 34.

[8] Cheng K K， Cai B Y， Zhang J A， et al. Sugarcane bagasses hemicellulose hydrolyzate for ethanol production by acid recovery process[J]. Biochem Eng J, 2008， 38： 105.

[9] 遲聰聰， 張 曾， 柴欣生， 等. 用雙波長可見光譜法快速測定半纖維素提取液中糖的含量[J].光譜學(xué)與光譜分析， 2010， 30(4)： 1084.

[10] 于建仁， 張 曾， 遲聰聰. 桉木半纖維素預(yù)提取液中戊聚糖快速測定方法[J]. 中國造紙， 2007， 26(11)： 10.

[11] Michael J Bailey. A note on the use of dinitrosalicylic acid for determining the products of enzymatic reactions[J]. Applied Microbiology Biotechnology， 1988， 29： 494.