高温热处理对竹材糖分含量的影响规律

孙润鹤，刘 元，李贤军，侯瑞光，乔建政，吴义强

(中南林业科技大学 材料科学与工程学院，湖南 长沙 410004)

高温热处理对竹材糖分含量的影响规律

孙润鹤，刘 元，李贤军，侯瑞光，乔建政，吴义强

(中南林业科技大学 材料科学与工程学院，湖南 长沙 410004)

在4个不同的温度和时间水平下对新鲜毛竹进行了高温干燥-热处理，利用液相色谱分析方法较系统地研究了热处理温度和时间对竹材冷水和热水抽提物中糖分含量的影响规律。结果表明：高温热处理可以显著降低竹材的糖分含量，且随着热处理温度的升高，竹材糖分种类总体呈降低趋势；与热处理时间相比，热处理温度对竹材糖分含量的影响更显著；在处理条件下，热水抽提液中的糖分含量要大于冷水抽提中的糖分含量；随着热处理温度的升高和处理时间延长，两种抽提液中的糖分含量变化趋势不尽相同。

竹束；热处理；糖分含量；冷水抽提；热水抽提

目前，我国竹林面积、蓄积量和竹业产值均居世界前列[1-6]。但竹材含有大量糖类物质，且其缺少像木材那样具有天然抗腐性的心材，因此竹材极易受霉菌和害虫侵袭，从而降低竹制品使用价值[7-11]。为了在不添加化学药剂的前提下提高竹制品的防霉、防腐性能，在竹制品生产过程中，一般需要对竹材进行汽蒸和干燥处理。其工艺过程一般为：在温度为120～140℃，压力为0.3～0.5 MPa的热处理罐中处理1～4 h，再将热处理后的竹材在干燥窑中干燥至含水率为6%～12%之间[12-17]。该工艺存在着操作繁琐、效率低、能耗大等缺陷。笔者在借鉴木材高温炭化技术的基础上[18-22]，将高温干燥与热处理技术合二为一，研发出了竹材常压高温干燥-热处理一体化技术。前期研究表明，采用该技术可以实现竹材的高效干燥与炭化改性处理，改善竹材的防霉、耐腐性能。本研究将在上述研究基础上，利用液相色谱分析方法研究高温热处理对竹材糖分的影响规律，以期为揭示高温干燥与炭化改性能提高竹材防霉、防腐性能的内在机理提供参考和借鉴。

1 材料与方法

1.1 材料

疏解新鲜毛竹竹束，购自湖南益阳桃江，竹龄4年，竹束含水率大于50%，长度为460 mm，无变色、霉变等可见缺陷。

1.2 仪器与设备

高温炭化罐：长沙市金来木业有限公司，型号为Ф325×650；全自动电脑干燥箱：杭州蓝天化验仪器厂，型号为DHG-9203C；高效液相色谱仪：美国 Waters 公司；型号为2695型。

1.3 试验方法

新鲜毛竹竹束置于高温炭化罐中，高温炭化罐内湿空气的温度控制在120℃，在此温度条件下将竹束含水率干燥至12%左右。然后再对干燥竹束进行高温热处理，热处理温度（140、160、180和200℃）和热处理时间（0.5、1.0、2.0和3.0 h）皆为4个水平。热处理结束后关闭加热器，停止加热，待炭化罐内温度冷却至室温后取出竹束并陈放一周，将其充分平衡。

将干燥-热处理竹束和对照竹束用植物粉碎机粉碎成40～60目粉末，并分别用冷水抽提（常温下将试样浸泡24 h）和热水（沸水煮1 h）抽提两种抽提方式对试样进行抽提，并对澄清抽提液进行液相色谱检测。试验所采用流动相为水，柱温为70℃，流速为0.6 mL/min；采用面积归一法计算出各峰峰面积，并计算出各种游离糖的含量（g/100 g）。

2 结果与讨论

表1为不同干燥-热处理条件下两种抽提方式的液相色谱检测结果。表中详细列出了各种糖分的含量及总糖含量。从表1中我们可以看出，随着热处理温度的升高，抽提液中所含糖的种类在减少。在热水抽提液液相色谱检测结果可以得出，对照竹束抽提液中包含4种糖（多糖、二糖、葡萄糖和果糖），而当处理温度分别为140、160、180和200℃，处理时间均为2.0 h的条件下，检测出的糖的种类分别是4种（多糖、低聚糖、葡萄糖和果糖），3种（多糖、低聚糖和葡萄糖），2种（多糖和低聚糖），2种（多糖和二糖）；在冷水抽提液液相色谱检测结果可以得出，对照竹束抽提液中包含4种糖（多糖、二糖、葡萄糖和果糖），当处理温度分别为而当处理温度分别为140、160、180和200℃，处理时间均为2 h的条件下，检测出的糖的种类分别是3种（多糖、二糖和葡萄糖）、2种（多糖和二糖）、2种（多糖和二糖）、2种（多糖和低聚糖）。而在热处理温度为180℃，处理时间分别为0.5、1.0、2.0和3.0 h的处理条件下，液相色谱检测结果显示糖的种类及数目变化不明显。说明，热处理时间对糖的种类变化影响不显著。从各组检测结果中还可以看出，多糖是抽提液中含量最多的糖分。在各组干燥-热处理试件检测结果可以得出，多糖含量达到50%以上，且当温度在140℃以上时，多糖的含量更是达到80%以上。

表1 热处理竹材的糖分含量Table 1 Sugar contents in thermal treated bamboo bundles

图1表示热处理时间均为2 h，热处理温度为140、160、180和200℃条件下冷水和热水抽提液的液相色谱检测结果。从图1中可以看出，热水抽提物和冷水抽提物中总糖含量均明显低于对照竹束。冷水抽提液检测显示，与对照竹束相比（总糖含量6.98 g/100 g），干燥-热处理最大可以使竹束糖分下降达近70%，热水抽提液检测显示，与对照竹束相比（总糖含量7.883 g/100 g），干燥-热处理最大可以使竹束糖分下降达47%；在相同热处理温度水平下，热水抽提物检测的总糖含量要均高于冷水抽提检测结果；随着热处理温度的升高，不同抽提方式的检测结果显示总糖含量变化趋势不尽相同。在本研究范围内，随着热处理温度的升高，冷水抽提物总糖含量呈逐渐下降的趋势，而热水抽提物中总糖含量则呈现先下降后增加的趋势。

图1 热处理温度对竹束糖分的影响Fig.1 Effects of temperature on sugar in bamboo bundles

图2 表示热处理温度均为180℃，热处理时间为0.5、1.0、2.0和3.0 h处理条件下，冷水和热水抽提液的液相色谱检测结果。从图中可以看出，热水抽提物和冷水抽提物中总糖含量均明显低于对照竹束。冷水抽提液色相色谱检测显示，与对照竹束相比（总糖含量6.98 g/100 g），干燥-热处理最大可以使竹束糖分下降达近60%，热水抽提液相色谱检测显示，与对照竹束相比（总糖含量7.883 g/100 g），干燥-热处理最大可以使竹束糖分下降达41%；在相同热处理时间水平下，热水抽提物检测的总糖含量要均高于冷水抽提检测结果；随着热处理时间的延长，不同抽提方式的检测结果显示总糖含量变化趋势不尽相同。在本研究范围内，随着热处理时间的延长，冷水抽提物总糖含量呈逐渐下降的趋势，而热水抽提物中总糖含量则呈现先下降后增加的趋势。且从图1和图2中可以看出，热处理温度对竹束糖分含量的影响程度要大于热处理时间对竹束糖分含量的影响程度。

图2 热处理时间对竹束糖分的影响Fig.2 Effects of time on sugar in bamboo bundles

竹材作为天然植物的一种，其主要成分也是由3大素（纤维素、半纤维素和木质素）组成，其中抗热解和水解的能力由强到弱依次是木质素、纤维素和半纤维素。木质素的基本单元是苯基丙烷，它通过碳-碳键连接而组成高分子聚合物，很难发生热解，在水中一般也不发生水解。纤维素是由葡萄糖基相互以甙键连接而成的线性高分子，在一定的水热条件下甙键发生断裂，中间产物是多糖，最终产物是单糖。半纤维素是由两种或两种以上的单糖基组成的不均一聚糖[16-17]。在受热的情况下，特别是在水热共同作用下，易生成低聚糖和单糖。同时部分低聚糖和单糖脱下的羟基可以形成甲酸和乙酸等有机酸，有机酸进一步促进半纤维素的水解，生成糖分。竹材本身的糖分与竹材三大素受热分解而产生的糖分在干燥-热处理过程中发生降解和变性，且热处理温度越高，糖分降解和变性的程度也越大，从表1中我们也可以看出，随着处理温度的提高，所检测的总糖含量总体呈逐渐降低的趋势，而当温度达到180℃和200℃时，未检测出单糖葡萄糖的含量。这也证实了通过干燥-热处理可以显著降低竹材的糖分含量，从而提高竹材的防腐防虫性能，进一步提高竹制品的附加价值。

抽提方式对抽提物的总量和成分的影响也十分显著[18]。本研究采用冷水抽提和热水抽提两种方式对试样进行抽提。根据前人的研究成果，冷水抽提物的主要成分是单糖、低聚糖和少量的单宁、氨基酸及水溶性色素、无机盐等。而热水抽提物的主要成分除包含冷水抽提物（含量更多）外，还含有淀粉、树胶等多糖类。这也就解释了检测结果中在同一处理条件下，热水抽提液的总糖含量要比冷水抽提的检测结果要高。同时竹材在热水抽提过程中受到水热作用，会导致竹材内部的半纤维素或其它非糖成分热解重新生成糖份从而与冷水抽提液相色谱检测结果的趋势不同。

3 小 结

本研究分别采用冷水抽提和热水抽提两种抽提方式对处理温度均为180℃，处理时间为0.5、1.0、2.0和3.0 h以及热处理时间均为2 h，处理温度为140、160、180、200℃的处理竹束进行抽提，并对抽提液进行液相色谱检测。研究结果表明：

（1）相对于未处理竹束，高温干燥-热处理技术能显著降低竹束的糖分，从而提高竹制品的防腐防虫性能。

（2）高温干燥-热处理温度对竹材总糖含量量变化的影响程度要比热处理时间对总糖含量的影响程度要大。

（3）在相同高温干燥-热处理条件下，热水抽提液中的含糖量要比冷水抽提液中的含糖量要大。

（4）随着热处理温度的升高，竹材内部糖分的种类总体呈降低的趋势，但随着热处理时间的延长，糖分种类变化不明显。

（5）随着热处理温度的提高和处理时间的延长，冷水抽提液中的糖分含量呈逐渐降低的趋势；而热水抽提液中糖分的含量随着处理温度的升高呈现先降低后升高的趋势，而随着时间的延长呈现先增加后降低的趋势。

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Effect of heat treatment on sugar of bamboo bundles

SUN Run-he, LIU Yuan, LI Xian-jun, HOU Rui-guang, QIAO Jian-zheng, WU Yi-qiang
(School of Material Science and Engineering, Central South University of Forestry and Technology, Changsha 410004, Hunan, China)

The high-temperature drying and heat treatment of fresh bamboo bundles have been conducted with four varying temperature and time. The effect laws of heat treatment temperature and time on sugar contents in the extracts extracted by cold water and extracted by hot water were systematacially investigated by liquid chromatography analysis method. The results show that the dry-thermal treatment could make the content of sugar decrease obviously, and with the rise of heat temperature, the types of bamboo sugar showed a general uptrend; Contrasted to the heat treatment time, the temperature had a larger effect on the content of sugar; and with the same treating conditions, the content of sugar in hot water extraction was more than that in the cold water extraction; with the rise of temperature and the extending of processing time, the changing trends of the sugars in cold water extraction and hot water extraction were not quite similar.

bamboo bundles; heat treatment; sugar content; extracted by cold water; extracted by hot water

S784

A

1673-923X(2013)06-0132-04

2012-12-14

湖南省科技重大专项（2011FJ1006）；教育部新世纪优秀人才支持计划项目；湖南省科技支撑计划项目( 2010NK3039)

孙润鹤（1987-），男，河南郑州人，硕士研究生，主要研究方向为木材材性与功能性改良；E-mail: sunrh_mu@163.com

刘 元（1960-），男，湖南衡阳人，教授，博士生导师，主要研究方程为木材功能性改良；E-mail:liuyuan60@hotmail.com

[本文编校：欧阳钦]