竹笋壳半纤维素水解液的制备

陈显群　杨胜利

1温州市食品研究所（浙江温州　325000）2浙江工业大学药学院（浙江杭州　310014）

竹笋壳半纤维素水解液的制备

陈显群1杨胜利2

1温州市食品研究所（浙江温州325000）2浙江工业大学药学院（浙江杭州310014）

对用来发酵生产木糖醇的竹笋壳半纤维素水解液的制备进行了研究。在水解单因素试验基础上确定因素的合适水平，通过正交试验优化确定了水解条件：硫酸质量浓度0.01 g/mL、温度120℃、时间1 h、液料比（mL/g）8∶1。在该条件下水解木糖得率为69.31%，使半纤维素利用率得以提高。

竹笋壳 水解液 优化

木糖醇是一种天然甜味剂，化学名为1,2,3,4,5－戊五醇，是一种五碳糖。外表和口感都与蔗糖相似，与其他多元糖醇相比，其甜度最高[1]。已被广泛应用于食品、医药、印染、纺织、国防、皮革及化工等领域[2-3]。我国木糖醇生产采用传统方法，主要以玉米芯为原料，利用酸水解预处理，经多次精制木糖，再采用氢化技术生产木糖醇。该方法存在产量低、污染严重、能耗高、生产成本高等缺点[4]。此外，使用的镍催化剂会污染环境，严重制约企业发展和竞争力的提升。而利用微生物直接发酵半纤维素水解液生产木糖醇，工艺条件温和、能耗低、环境污染小、产品质量安全可靠。竹笋壳及竹笋加工下脚料目前还未得到充分开发利用，大部分腐烂后被用作肥料，虽曾有厂家将竹笋壳制作成包装材料、拖鞋、竹壳雕和快餐盒等，但都未形成规模。竹笋壳富含半纤维素，且成本低廉，是生产木糖乃至木糖醇很好的原料，然而目前国内外未见相关报道。

植物纤维原料水解液中含有很多发酵抑制物，如果直接用来发酵会影响木糖醇的生产。水解液的制备决定了其发酵性能，是利用植物纤维原料水解液制备木糖醇的关键步骤，因此对其进行研究具有重要意义。本文对竹笋壳原料进行预处理和水解条件的优化，为提高水解液的发酵性能作准备。

1　材料与方法

1.1试验原材料与试剂

竹笋壳；D－木糖、L－鼠李糖，上海伯奥生物科技有限公司；无水硫酸镁，上海申博化工有限公司；磷酸氢二钾、浓硫酸，湖州湖试化学试剂有限公司；蛋白胨，南通东海龙生生物制品有限公司；酵母粉，广西一品鲜生物科技有限公司；琼脂，国药集团化学试剂有限公司；氯化钙，杭州永星五交化有限公司；乙酰丙酮，永华化学科技（江苏）有限公司；硫酸铵，上海益海嘉里有限公司；氢氧化钠，杭州萧山化学试剂厂；乙酸铵，上海研生实业有限公司；乙酸，上海杰仁化工有限公司；高碘酸钾，上海埃彼化学试剂有限公司。以上试剂均为分析纯。

1.2水解方法

称取10 g晒干粉碎的竹笋壳于250 mL的锥形瓶中，加入一定体积的硫酸，在实验设计的条件下于水解锅中进行水解。水解结束后，用去离子水洗涤并抽滤得到水解液，定容至250 mL，根据需要稀释一定的倍数。

1.2.1水解单因素试验

以木糖得率为目标函数，考察了硫酸质量浓度、温度、时间和液料比（mL/g）对水解的影响。

1.2.2水解正交试验

考察硫酸质量浓度、液料比和水解时间的协同作用及因素之间的交互作用，优化水解条件，针对竹笋壳的水解进行了L9(33)的正交试验设计。

1.3分析测定方法

1.3.1木糖质量浓度测定

取待测品10 mL，2500 r/min离心10 min，将上清液适当稀释。在25 mL试管中加入1 mL经过稀释的上清液，再加入3 mL DNS试剂（洒石酸钾钠18.2 g溶于50 mL蒸馏水中，加热后依次加入3,5－二硝基水杨酸0.63 g、氢氧化钠2.1 g、苯酚0.5 g，搅拌至溶解，冷却后用蒸馏水定容至100 mL，贮于棕色瓶中，室温保存），混匀后在沸水浴中反应5 min，冷却后定容至25 mL。在波长540 nm处测量吸光度值，根据标准曲线回归方程计算样品木糖质量浓度。1.3.2木糖醇含量测定

用紫外-可见分光光度计法来测定木糖醇的含量。

试剂的配置：（1）试剂a将0.32 g高碘酸钾溶于100 mL 1%的盐酸中；（2）试剂b配置L-鼠李糖溶液1.11 g/L；（3）Nash试剂（需现配现用）在100 mL150 g/L的乙酸铵中，分别加入0.2 mL乙酸及乙酰丙酮。

测定方法：取适量发酵液，4 500 r/min离心15 min，将上清液适当稀释。取1 mL稀释液置于小试管中，加入1 mL试剂a，混匀后在室温下反应10 min，再分别加入2 mL试剂b和4 mL Nash试剂，混合均匀后在53℃水浴中保温15 min，冷却后于412 nm处测定吸光度值。

1.3.3木糖转化率的计算

2　结果与分析

2.1原料中木聚糖质量分数的测定

植物纤维原料中主要含有半纤维素、纤维素。不同种类的植物纤维原料中这两种主要成分的质量分数不同，即使是同一种植物原料，其中木聚糖的质量分数也与产地有很大的关系。经检测，竹笋壳中木聚糖的质量分数为26.54%。

2.2木糖标准曲线的绘制（见图1）

图1　木糖标准曲线

2.3水解单因素试验

2.3.1硫酸质量浓度对竹笋壳半纤维素水解的影响

硫酸的质量浓度分别设定为0.005，0.01，0.02，0.03，0.04，0.05 g/mL，以10∶l液料比于107℃下水解1.5 h，得到水解液，考察木糖得率随硫酸质量浓度变化的情况，如图2所示。

由图2可以看出：随着硫酸质量浓度的增大，竹笋壳水解液的木糖得率呈先逐渐增大后减小的趋势，在硫酸质量浓度为0.02 g/mL时达到最大值，为65.2%，但是和硫酸质量浓度为0.01 g/mL时的收率（64.8%）差别不大。当硫酸质量浓度超过0.02 g/mL时，木糖得率逐渐减小。原因可能是硫酸质量浓度过低，水解反应速率慢，生成木糖的速率慢，木糖得率较低；硫酸质量浓度过高，水解反应速率快，生成木糖速率虽加快，然而木糖降解生成副产物的速率也加快，木糖得率也相应降低。综合考虑，选择硫酸的质量浓度为0.01 g/mL。

图2　硫酸质量浓度对木糖得率的影响

2.3.2液料比对竹笋壳半纤维素水解的影响

采用质量浓度0.01 g/mL的硫酸，分别以5∶1，6∶1，7∶1，8∶1，9∶1和10∶1的液料比于107℃下水解1.5 h，得到水解液，考察木糖得率随液料比变化的情况，如图3所示。

图3　液料比对木糖得率的影响

由图3可以看出：随着液料比的增大，竹笋壳水解液的木糖得率持续增大。原因是液料比越大，水解越彻底，木糖质量浓度越大，木糖得率也就越大。但由于酸的作用有限，到达一定程度后再增大用量，木糖得率明显下降。而且液料比过大，酸的消耗量增加，同时木糖质量浓度过低会造成后续浓缩成本增加。综合考虑成本和木糖得率，确定液料比为8∶1。

2.3.3温度对竹笋壳半纤维素水解的影响

采用质量浓度0.01 g/mL的硫酸，以8∶l的液料比分别于100，105，110，115，120和130℃下水解1.5 h，得到水解液，考察木糖得率随温度变化的情况，如图4所示。

图4　温度对木糖得率的影响

由图4可以看出：随着水解温度的升高，竹笋壳水解液的木糖得率先增大后减小，在120℃时达到最大值，为66.3%。原因可能是水解温度过低，水解反应速率慢，木糖的形成速率慢，木糖得率较低；温度过高，水解反应速率快，木糖的形成速率虽快，但木糖降解生成副产物的速率也加快，木糖得率也会相应降低。因此，选取水解温度为120℃。

2.3.4水解时间对竹笋壳半纤维素水解的影响

采用质量浓度1 g/mL的硫酸，以8∶1的液料比于120℃下分别水解40，60，80，100和120 min，得到水解液，考察木糖得率随时间变化的情况，如图5所示。

图5　水解时间对木糖得率的影响

由图5可以看出：随着水解时间的延长，竹笋壳水解液的木糖得率先逐渐增大后逐渐减小，在60～80 min时达到最大值，为69.7%。原因可能是水解时间过短，水解反应进行不彻底，木糖质量浓度较低，木糖得率也低；水解时间过长，木糖降解生成副产物的量明显增加，木糖得率也会降低。

2.4水解正交试验

为了考察硫酸质量浓度、液料比和水解时间的协同作用及因素之间的交互作用，优化水解条件，对竹笋壳原料进行了L9(33)的正交试验设计。因素水平安排如表1所示，结果和数据分析如表2和3所示。

表1　因素水平安排

表2　竹笋壳水解正交试验结果

竹笋壳半纤维素水解正交试验结果及各因素与水解液木糖得率关系的方差分析结果表明：竹笋壳原料的最佳水解工艺为A2B2C2，即硫酸质量浓度为0.01 g/mL，液料比为8∶l，水解时间为1 h。从表3的方差分析结果可知，各因素对木糖水解得率的影响大小顺序为：C（水解时间）＞A（硫酸质量浓度）＞B（液料比）。经试验验证，在最佳工艺条件下水解竹笋壳，木糖得率为69.31%。

表3　方差分析

3　结论

利用1%稀硫酸溶液水解竹笋壳，得到不同还原糖和木糖含量的水解液。在水解单因素试验基础上确定因素的合适水平，通过正交试验优化确定了水解条件：硫酸质量浓度0.01 g/mL、温度120℃、时间1 h、液料比8∶1，提高了水解木糖得率，从而使半纤维素的利用率得以提高。

[1]张凤清,张丽君,周长民.木糖醇的特性及应用[J].当代化工,2008,37(1)：92-95.

[2]Mäkinen K K.Xylitol and oral health[J].Advances in Food Research,1979,25：137-157.

[3]Misra S,Gupta P,Raghuwanshi S,et al.Comparative study on different strategies involved for xylitol purification from culture media fermented byCandida tropicalis[J].Separation and Purification Technology,2011,78(3)：266-273.

[4]王关斌,赵光辉.木糖醇的生产与发展趋势[J].浙江化工,2005,36(2)：25-26,42.

Study on the Preparation of Bamboo Shell Hemicellulose Hydrolysate

Chen Xianqun Yang Shengli

The preparation of bamboo shell hemicellulosic hydrolysate used for production of xylitol by fermentation was studied.On the basis of single factor experiment,the optimal hydrolysis conditions were established by orthogonal experimental design with sulfuric acid concentration of 1%,reaction time of 1 h,hydrolysis temperature of 120℃,liquid to solid ratio(mg/L)of 8∶1.Under above conditions,the yield of xylose was 69.31%,which could improve the utilization rate of hemicellulose.

Bamboo shell;Hydrolysate;Optimization

TS201.3

浙江省科技厅公益项目（2013C32079）

陈显群 男 1965年生 硕士高级工程师现从事食品营养方面的研究

2015年4月