酸水解玉米秸秆发酵生产木糖醇

马伟超，李一婧，念亚男

（天水师范学院生命科学与化学学院，甘肃 天水 741001）

木糖醇（xylitol）的化学名称为 l，2，3，4，5-戊五醇，是木糖代谢的中间产物，甜度与蔗糖相当，可替代蔗糖作为甜味剂，且具有良好的抗龋齿性能，故在食品、医药工业具有广泛的应用价值[1]。玉米芯和玉米秸秆中富含多缩戊糖、纤维素、半纤维素，是制备木糖醇的良好来源。目前工业上主要采用木糖化学催化加氢的方法来生产木糖醇，其设备和工艺复杂、成本很高，而利用发酵法生产木糖醇不需纯化木糖，且发酵液中木糖醇的分离提纯较简单，能够降低生产成本[2]。试验用稀硫酸预处理玉米秸秆，进一步优化木糖醇发酵生产的工艺条件。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

1.1.1 菌 种 热带假丝酵母（Candida tropicalis菌种保存号：CICC 1779），购自中国普通微生物菌种保藏中心，4℃保存。

1.1.2培养基YM培养基[3]（5mL）：3 g/L麦芽汁、5 g/L蛋白胨、3 g/L酵母粉、pH=6.0。发酵培养基[4]：蛋白胨 2.5 g/L、酵母粉 2.5 g/L、KH2PO45 g/L、MgSO40.5g/L、（NH4）2SO40.5 g/L ，溶解于秸秆水解液中，121℃灭菌15min。

1.1.3 试 剂 麦芽汁（10波林度麦芽汁）（北京双旋微生物培养基制品厂）；木糖、木糖醇均为分析纯（南京奥多福尼生物科技有限公司）；其他药品均为分析纯。

1.2 方法

1.2.1 标准曲线的制作 利用地衣酚比色法[5]制作木糖的标准曲线；利用变色酸比色法[6]制作木糖醇的标准曲线。

1.2.2 玉米秸秆水解液的制备[7-9]参考江滔[7]，邵世芳[8]，张继泉[9]等，将玉米秸秆用高速组织捣碎机捣碎，称取7.5 g，设置3个处理组，分别为：①1.5%H2SO4（100 mL）125℃ 80 min；②1.0%H2SO4（75 mL）120℃2 h；③4.0%H2SO4（75 mL）90℃4 h，在鼓风干燥箱中处理，然后过滤，收集滤液，调pH值为7.0，2 500 r/min离心5 min，取上清液，待用。

1.2.3 脱色水解液的制备 按曾雷等[10]的方法，在玉米秸秆水解液中加一定量的活性炭（8%～10%质量比），置于摇床 55℃、1 000 r/min脱色 40 min，然后用真空泵抽滤以除去活性炭。测水解液和脱色水解液的木糖含量。

1.2.4 发酵培养 取活化的热带假丝酵母菌悬液1mL，以接种量5%加入发酵培养液中，于30℃、180 r/min摇床培养，每24 h测一次发酵液中木糖和木糖醇的浓度。

1.2.5 木糖和木糖醇含量的测定 将发酵液在12 000 r/min条件下离心5 min，取上清液，用分光光度计测木糖OD670吸光值和木糖醇OD570吸光值，根据标准曲线回归方程计算出发酵液中木糖和木糖醇的浓度。

2 结果与分析

2.1 标准曲线

2.1.1 木糖标准曲线 木糖的标准曲线如图1。标准曲线方程为y=0.065 4 x+0.027 7，R2=0.997 8。

图1 木糖标准曲线

2.1.2 木糖醇标准曲线 木糖醇的标准曲线如图2。标准曲线方程为y=0.177 3 x+0.016，R2=0.999 0。

图2 木糖醇标准曲线

2.2 水解液中木糖的含量

对脱色前后的水解液中木糖含量进行对比，结果如表1。由表1可以看出，脱色后水解液的木糖含量比脱色前略低，这是由于活性炭吸附脱色时吸附了少量木糖所致。在不同浓度酸处理水解液中，1%的硫酸处理对木糖产量的影响明显优于1.5%硫酸处理组，但与4%硫酸处理组差异不显著。经方差分析后得出，硫酸浓度和脱色与否对水解液中木糖含量的影响都极显著，但从两者贡献的离差平方和来看，硫酸浓度对因变量木糖产量的影响大于脱色对因变量的影响。

表1 初始培养基中木糖的含量

2.3 发酵液中木糖醇及其转化率的测定

发酵过程中的发酵液木糖醇浓度测定结果见表2。由表2可知：脱色后发酵液中木糖醇的浓度较未脱色组高，用4%硫酸处理组的木糖醇浓度较1%硫酸和1.5%硫酸处理组高。将其进行发差分析及差异显著性分析，如表3、表4。

表2 发酵液中木糖醇浓度 （mg/100mL）

表3 木糖醇产量的方差分析

由表3、表4可得出：脱色与否对发酵液中木糖醇浓度的影响极显著；4%硫酸处理组对木糖醇含量的影响最大，其次是1%硫酸处理组，最后是1.5%硫酸组。

根据木糖醇转化率=木糖醇浓度/培养基初始木糖浓度，对不同处理组的木糖醇转化率进行比较，结果如图3。由图3可知，脱色后木糖转化率比未脱色组整体要高一些，其中，4%硫酸处理组最高，达46.59%。

表4 木糖醇产量差异显著性分析

图3 木糖醇转化率

根据木糖醇生成速率（g/L·h）=（木糖醇的最终浓度-木糖醇的最初浓度）/发酵时间，对不同处理组的木糖醇生成速率进行比较，结果如图4。由图4可知：木糖醇的生成速率以4%硫酸脱色处理组最高，达到1.37mg/L·h。以1.5%硫酸未脱色组最低。

图4 木糖醇的生成速率

3 结 论

利用3种不同浓度稀硫酸处理玉米秸秆，然后吸附脱色，比较脱色前后不同处理组水解液中木糖含量，得出以1%硫酸未脱色的处理组木糖量最高，为253.348 6μg/mL；4%硫酸未脱色处理组位于其次，为225.519 9μg/mL；且脱色处理木糖量整体低于未脱色处理。将热带假丝酵母接种在含上述不同水解液的培养基上进行发酵，发酵72 h后，4%硫酸脱色处理组发酵液中木糖醇含量最高，达10.507 6 mg/100mL；比较各组发酵液中木糖醇转化率，脱色处理组比未脱色处理组整体要高，且以4%脱色处理组最高，木糖醇转化率可达46.59%；比较木糖醇生成速率，仍以4%硫酸脱色处理组最高，达到1.37 mg/L·h。

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