蔗渣水解提取低聚木糖的初步研究

李 娜 沈伊濛 刘秋娟，*

(1.天津科技大学，天津市制浆造纸重点实验室，天津，300457；2.北京林业大学，北京，100083)

低聚木糖亦称木寡糖，是由2～7个木糖以β-1-4糖苷键连接而成的低聚合度糖类的总称。低聚木糖主要由富含聚木糖的植物经过内切聚木糖酶水解后，再进行分离精制而得，以木二糖和木三糖为主。世界上低聚木糖的生产主要在日本、北美和欧洲，我国较少。日本是世界上较早开发功能性低聚木糖的国家，目前年产量已超过1500万t。低聚木糖是我国正待开发的极有前途的食品项目[1]，功能性低聚糖是功能性食品的一个重要组成部分，近年来备受食品科技界的关注，发展迅速。低聚木糖甜味纯正，难被人体消化吸收，肠道内残存率高，具有极好的双歧杆菌增殖性，其选择利用性高于其他功能性低聚糖。

我国每年甘蔗的种植面积约113万hm2，每年除生产800万t以上蔗糖外，还产生800万t以上的蔗渣。目前，我国糖厂的蔗渣除部分用于造纸外[2]，大部分被用作锅炉燃料直接烧掉，并未获得充分利用，这样不仅污染环境，而且浪费资源。因此，利用糖厂的这些纤维质副产品生产高附加值产品(如溶解浆、燃料乙醇、功能性低聚糖、膳食纤维等)具有诱人的发展前景。

蔗渣的半纤维素主要是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，还有少量的半乳糖。除髓蔗渣的半纤维素中L-阿拉伯糖与木糖质量比为1∶15，糖醛酸含量5.0%(对绝干原料，下同)；蔗髓半纤维素中L-阿拉伯糖与木糖质量比为1∶(6～7)，糖醛酸含量为6.0%[3]。

蔗渣的半纤维素组成复杂，对其进行分解需要多种酶(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，其分解产物主要为木糖、L-阿拉伯糖和葡萄糖醛酸。

本实验对从蔗渣中提取低聚木糖进行了初步研究。将制浆造纸厂常用的蔗渣原料进行蒸煮前预处理，选择合适的水解工艺以提取半纤维素中的聚戊糖(以低聚木糖为主)，用于今后低聚木糖产品生产以及将得到的水解半料纤维用于生产溶解浆等[4-5]。

低聚木糖的生产过程包括低聚木糖的提取和精制、低聚木糖的水解和纯化等步骤，其中，低聚木糖的提取和水解是关键[3]。目前，研究较多的提取方法主要包括热水抽提、酸水解、碱水解及酶解法等[6-7]。相对其他抽提方法，水蒸气抽提更具潜力，因为水蒸气抽提工艺条件温和，不使用化学品，对半纤维素的破坏程度小[8]，而且，对环境的影响较小。

本实验以蔗渣为原料，采用高温水预水解方法提取低聚木糖，并确定了最佳提取工艺。

1 实 验

1.1 原料与药品

(1)原料

蔗渣：取自广西永凯糖纸集团有限公司大桥分公司，风干后备用。

(2)药品

木糖、葡萄糖，生化试剂，Sigma(美国)公司；3,5-二硝基水杨酸，化学纯，北京西中化工厂；重蒸酚，分析纯，北京索莱宝科技有限公司；间苯三酚，分析纯，天津市福晨化学试剂厂。

1.2 仪器

NJKR-10空气浴蒸煮器，南京林业大学机械厂；Agilent 8453 UV/Vis分析仪，Agilent Technology。

1.3 实验方法

通过紫外光谱法测定水解液中的总糖、戊糖(聚糖与单糖之和)以及还原糖含量，计算得到己糖的含量。曾有研究以总糖与还原糖之差代表低聚木糖含量。本研究为了同时考察水解液中的己糖含量，以戊糖含量代表低聚木糖含量，并通过总糖(戊糖与己糖之和)与还原糖的含量，考察其中还原糖的比例。本实验仅作为低聚木糖提取的初步研究，实验中得到的聚木糖还要经过进一步酶解、纯化等处理，才能获得低聚木糖产品。

1.3.1待测样品的制备

蔗渣中低聚木糖的提取采用高温水预水解的方式，在空气浴蒸煮器中进行；水解后将水解液从水解半料分离、过滤、离心后取上清液即得待测试样。半料风干后称量，计算得率。

1.3.2戊糖及己糖含量的测定

采用由传统的Douglas比色法(间苯三酚-冰醋酸显色法)改进的双波长技术，测定425 nm(戊糖和己糖的等摩尔吸收波长)和553 nm(戊糖的特征吸收波长)处的紫外吸收，同时测定总糖、戊糖、己糖的含量[9]。

1.3.3水解液中还原糖含量的测定

采用DNS法测定水解液中的还原糖含量[10-11]。

1.3.4正交实验设计

由前期实验可知，影响蔗渣水预水解的因素主要有水解最高温度、液比和保温时间。针对这3个因素，在前期实验的基础上，采用L9(34)正交实验对每个因素设置相应的水平，研究水解最高温度(A)、液比(B)及保温时间(C)对蔗渣水预水解提取低聚木糖以及其他相关糖类组分和半料得率的影响，以确定最佳的提取条件。正交实验因素及水平见表1。

表1 蔗渣水预水解正交实验因素与水平

2 结果与讨论

2.1 蔗渣水预水解提取低聚木糖的正交实验

2.1.1正交实验结果

L9(34)正交实验对水解最高温度、液比及保温时间的研究结果见表2，其中，正交实验的K1、K2、K3和极差R按照戊糖产率计算。

由表2可以看出，RA>RB>RC，各因素对戊糖产率的影响依次是A>B>C，蔗渣水预水解的最佳条件为A1B3C2，即水解最高温度160℃、液比1∶8、保温时间120 min。根据此结果进行验证实验，结果如表3所示。

由表3可知，在水解最高温度160℃、液比1∶8、保温时间120 min的水预水解条件下，戊糖和己糖的产率都最大，分别为17.0%和2.9%；继续延长保温时间，戊糖和己糖的产率都有所下降，这可能是因为在高温、酸性环境下，戊糖和己糖发生了进一步的降解，戊糖和己糖可能部分转化为糠醛、甲基糠醛等物质。还原糖的产率随保温时间延长呈一直增大的趋势，说明有更多的聚糖降解为单糖。半料得率一直呈下降趋势，说明随保温时间的延长，越来越多的纤维素、半纤维素、木素以及其他物质溶解到水解液中。

表2 正交实验结果

表3 不同保温时间下蔗渣水预水解结果

2.1.2各因素对蔗渣水预水解结果的影响

2.1.2.1水解最高温度对蔗渣水预水解结果的影响

不同水解最高温度对蔗渣水预水解结果的影响如图1和图2所示。

图1 水解最高温度对水解液pH值和半料得率的影响

图2 水解最高温度对糖产率的影响

从图1可以看出，水解液pH值随水解最高温度的升高而降低，水解最高温度的升高使得更多物质溶解到水解液中，半料得率随之下降。由图2可知，戊糖产率随水解最高温度的升高而降低，己糖和还原糖产率随水解最高温度的升高而增大，但戊糖产率始终大于己糖产率。这可能是因为戊糖较己糖更易溶出，戊糖中的单糖随水解最高温度的升高而进一步降解，且单糖降解速率大于聚戊糖溶解进入水解液的速率。水解最高温度的升高有利于更多的己糖解聚，溶解到水解液中，因而还原糖的产率也随之提高，表明水解最高温度的升高有利于单糖的生成。图1给出了半料得率随水解最高温度的变化规律。由于后续研究是用预水解后的蔗渣水制备溶解浆，半料得率对溶解浆的质量和成本都有影响，故水解最高温度不宜过高。

2.1.2.2液比对蔗渣水预水解结果的影响

液比对蔗渣水预水解结果的影响如图3和图4所示。

图3 液比对水解液pH值和半料得率的影响

图4 液比对糖产率的影响

从图3可以看出，液比对水解液pH值和半料得率的影响均不大；当水解液液比增大到1∶7后，pH值和半料得率都基本不变。

由图4可知，随着液比的增加，戊糖产率逐渐增大，己糖产率逐渐减小，而还原糖产率先减后增，戊糖产率大于己糖产率。这可能是因为随着液比的增加，己糖达到扩散平衡，而戊糖未达到扩散平衡。还原糖由部分戊糖和部分己糖组成，还原糖的变化规律与戊糖和己糖的变化都有关。

2.1.2.3保温时间对蔗渣水预水解结果的影响

保温时间对蔗渣水预水解结果的影响如图5和图6所示。

图5 保温时间对水解液pH值和半料得率的影响

图6 保温时间对糖产率的影响

从图5可以看出，水解液pH值随保温时间的延长而下降，但在保温120 min以后，水解液pH值基本不变，半料得率随保温时间的变化幅度不大。由图6可知，随保温时间的延长，戊糖产率的变化不明显，己糖和还原糖产率逐渐增大，但戊糖产率仍然大于己糖产率。

2.2 补充实验

由于最佳水解条件的水解最高温度和液比都是本实验的边缘数据，为进一步验证实验结果的准确性，进行水解最高温度、液比这两个因素的补充实验。水解最高温度和液比的补充实验结果分别如表4和表5所示。

表4 不同保温时间下的蔗渣水预水解结果

由表4可知，在实验条件下，随保温时间的延长，戊糖产率增大；当保温时间为210 min时，戊糖产率为13.5%，与水解最高温度160℃、保温时间120 min时的戊糖产率(17.0%)相差较大。

表5 不同液比条件下蔗渣水预水解结果

表5表明，在实验条件下，继续增大液比，戊糖产率并不能持续增大，具体变化趋势如图7和图8所示。

图7 液比对水解液中戊糖质量浓度的影响

图8 液比对水解液中戊糖和己糖产率的影响

由图7和图8可知，随液比的增大，戊糖质量浓度呈先增大后减小的趋势，液比为1∶8时，戊糖质量浓度达到最大值；随液比的变化，戊糖产率变化不明显，己糖产率在液比1∶10时达到最大值。提取液中糖的质量浓度非常重要，关系到后续利用的能耗和加工成本，故选择水解最高温度160℃、液比1∶8、保温时间120 min 是比较合适的。

通过上述实验，得出蔗渣水预水解提取低聚木糖的最佳条件为：水解最高温度160℃，液比1∶8，保温时间120 min。按此条件对蔗渣进行水预水解，水解液中低聚木糖的得率为17.0%。

3 结 论

以蔗渣为原料，采用高温水预水解方法提取低聚木糖，考察了水解最高温度、液比及保温时间对水解结果的影响。

3.1正交实验结果表明，水解最高温度对蔗渣水预水解提取聚戊糖的影响最大，其次是液比和保温时间。

3.2蔗渣水预水解提取低聚木糖的最佳条件为：水解最高温度160℃，液比1∶8，保温时间120 min；在此条件下，低聚木糖得率为17.0%。

参 考 文 献

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