文冠果种皮制备木糖工艺及其生物活性初步研究△

严邑萍，宋忠兴，张严磊*

(1.陕西中医药大学附属医院,陕西 咸阳 712083；2.陕西中医药大学/陕西省中药资源产业化协同创新中心；3.陕西省中药基础与新药研究重点实验室，陕西 咸阳 712083)

·中药工业·

文冠果种皮制备木糖工艺及其生物活性初步研究△

严邑萍1，宋忠兴2，张严磊2*

(1.陕西中医药大学附属医院,陕西 咸阳712083；2.陕西中医药大学/陕西省中药资源产业化协同创新中心；3.陕西省中药基础与新药研究重点实验室，陕西 咸阳712083)

目的：以文冠果种皮醇提残渣为原料，经稀硫酸高温短时水解、中和、脱色、低温结晶，分离木糖、低聚木寡糖糖浆。方法：在单因素实验的基础上，通过正交试验法研究水解温度(A)、硫酸浓度(B)、料液比(C)、水解时间(D)对木糖得率的影响。结果：文冠果种皮渣水解制备木糖的最佳工艺条件为硫酸浓度1.5mol·L-1，料液比1∶5，温度90℃，水解时间5h，该条件下木糖的的产量最高可达文冠果种皮干燥基质量的11%，工艺条件稳定；活性实验研究显示，以文冠果种皮制备的木糖具有良好的促乳酸菌生长作用。结论：文冠果种皮是适合制备木糖的原料，同时有助于提高文冠果产业的经济附加值，具有开发前景。

文冠果种皮；木糖；制备

文冠果XanthocerassorbifoliaBunge属于无患子科(Sapindaceae)文冠果属[1]，又名木瓜，是我国特有的珍稀木本油料作物，其果种仁富含脂肪油，出油率高达53.6%～70%[2]。目前文冠果被国家列为木本燃料油能源主要树种，其选育推广受到国家高度重视，大力发展文冠果势在必行。全国现有文冠果栽培面积约5.35万hm2，年产种子在100万kg以上，仅陕西省志丹县就有200 hm2文冠果林，种子年产量约有2000 kg以上。目前，对文冠果的开发利用主要以种仁榨油为主，另外有文冠果叶茶和从文冠果果壳中提取文冠果果壳甘的开发利用。文冠果的种皮坚硬，重量占到种子的50%，文献报道其醇提物含有多种化学成分[3]。分析发现，残渣主要成分为纤维素、半纤维素及木质素，是制备木糖、木聚糖的优良材料，但是目前通常都作为废渣处理，未能做到物尽其用。

木糖是目前市场前景广阔的一类产品，具有良好的食物配伍性，在与氨基酸混合加热过程中容易产生美拉德反应，起到增香及抗氧化的效果[4]；具有良好的保健功能，能改善肠胃功能[5]；工业上被用来生产木糖醇、糠醛、乙醇等化工产品[6-8]；在饲料酵母以及食品、医药、化工、皮革、染料等领域都有着广泛的用途。目前，木糖的工业化生产原料主要为玉米芯，另有报道用稻壳、秸秆、甘蔗叶、核桃壳等农林废弃物。制备方法主要有酸解法、酶解法等[9-14]，产率在11%左右，而生产成本约1.3万元/吨。由于原料来源的限制，且制备工艺较复杂，木糖及木寡糖的生产成本一直居高不下，且具有上涨的趋势，因此寻找新的木糖制备原料，及开发新的制备工艺非常必要。

鉴于以上原因，本文将以文冠果种皮醇提残渣为原料，经稀硫酸高温短时水解、中和、脱色、低温结晶，分离木糖、低聚木寡糖糖浆。为木糖、木寡糖提供新的原料来源，也为文冠果资源的综合开发与利用提供新的途径。

1 材料与方法

1.1材料与仪器

1.1.1材料 文冠果种子去果仁，果皮粉碎备用；氢氧化钙、盐酸、去离子水等试剂及溶剂均为市售分析纯。

1.1.2仪器85-2数显恒温磁力搅拌器(苏州学森仪器设备有限公司)；HH-4型电热恒温水浴锅(北京科伟永兴仪器有限公司)；SHB-Ⅲ循环水式多用真空泵(郑州长城科工贸有限公司)；FW-1000AD型快速开盖高速万能粉碎机(天津鑫博得仪器有限公司)；超导核磁共振仪(INOVA-400MHz，美国Varian公司)。

1.2方法

1.2.1木糖制备方法 参考文献[11,15]的方法，并做少许改进：将文冠果种子砸碎，取出种仁、果皮，粉碎过筛，加乙醇回流1h，冷却后抽滤。滤液回收乙醇得浸膏，浸膏用于制备萜类、黄酮类等药用化合物，滤渣干燥备用。每次称5g干燥的滤渣，加入到装置了机械搅拌和冷凝器的三口瓶中，搅拌下加入一定量的稀硫酸溶液，一定温度下水解一定的时间。冷却后抽滤，滤渣水洗干燥，用于制备高吸附性能活性炭。滤液在70～75℃下用氢氧化钙固体调节pH为3.0～3.5，保温搅拌1h，加入活性炭搅拌均匀后静置过夜，再加热至75℃，保温搅拌1h，趁热抽滤，得到淡黄色透明滤液。滤液浓缩，并及时抽滤除掉析出的硫酸钙沉淀，浓缩后得到透明糖浆。糖浆中加入无水乙醇，40℃水浴上搅拌使其溶解，并及时抽滤除掉不溶物，滤液减压浓缩后冷冻结晶，有白色结晶析出即为木糖，抽滤收集产品，结晶用少量无水乙醇洗掉表面母液，100℃下烘干，得文冠果种皮木糖，滤液浓缩至无乙醇，得粘稠的低聚木寡糖糖浆。

文冠果种皮木糖得率(%)=木糖质量(g)/文冠果壳干基质量(g)×100%

1.2.2单因素试验 硫酸浓度对木糖得率的影响：每份文冠果种皮分别加入0.5、1、1.5、2.0、2.5、3.0mol·L-1的浓硫酸，料液比为1∶5，温度为80℃，时间为1h。

料液比对木糖得率的影响：每份文冠果种皮分别加入料液比分别为1∶1、1∶2、1∶3、1∶4、1∶5的1.5mol·L-1硫酸，温度为80℃，时间为1h。

温度对木糖得率的影响：每份文冠果种皮分别在40、50、60、70、80、90、100℃下，加入1.5mol·L-1的硫酸，料液比1∶5，时间1h。

时间对木糖得率的影响：每份文冠果种皮分别加热2、3、4、5、6、7、8h，硫酸浓度1.5mol·L-1，料液比1∶5，温度80℃。在此基础上设计正交试验，考查硫酸浓度、料液比、温度、时间对木糖得率的影响，确定文冠果种皮水解制备木糖的最佳工艺。

1.2.3正交试验设计 根据单因素试验结果设计正交试验，因素及水平见表1。

表1 正交试验因素及水平

2 结果与讨论

2.1木糖制备工艺条件的选择

2.1.1硫酸浓度对木糖得率的影响 硫酸浓度对木糖得率的影响见图1。

图1 硫酸浓度对木糖产率的影响

由图1可知，在硫酸浓度小于1.5mol·L-1时，随着硫酸浓度的增大，文冠果种皮的水解速率也增大，因此木糖的产量也增加，但是当硫酸浓度大于1.5mol·L-1后，由于木糖的降解及向糠醛等的转化也加快，因此木糖的产量不但不再增加，反而有下降的趋势，因此选择硫酸浓度1.5mol·L-1为最佳实验酸浓度。

2.1.2料液比对木糖得率的影响 料液比对木糖得率的影响见图2。

图2 料液比对木糖产率的影响

由图2可知，随着料液比的增加，木糖的得率一直增大，但增加的幅度并不明显，当料液比大于1∶5之后，随着料液比的增加，木糖产量趋于稳定，因此选择1∶5为最佳实验料液比。

2.1.3温度对木糖得率的影响 温度对木糖得率的影响见图3。

图3 反应温度对木糖产率的影响

图3可知，随着温度的升高，木糖产率增加明显，但是温度超过90℃ 以后，木糖得率有下降的趋势，可能是因为随着温度的升高，木糖又会向糠醛等副产物转化，导致木糖最终产率降低，所以选择90℃为最佳试验温度。

2.1.4时间对木糖得率的影响 时间对木糖得率的影响见图4。

图4 时间对木糖产率的影响

图4可知，木糖产量随着时间的延长而增加明显，在6h时达到最大值，此后随着时间的延长产量不再增加，反而有下降的趋势，可能是因为随着时间的延长，木糖在硫酸作用下会转变为糠醛等，导致木糖产率降低，因此选择6h为最佳实验时间。

2.1.5正交试验及结果 单因素试验的基础，设计正交试验，因素水平及结果见表2。

表2 正交试验结果

由正交试验R值结果可知，硫酸浓度、水解温度对文冠果种皮木糖得率的影响较大，我们认为是高温短时水解的原因，一方面高温有利于纤维素的水解；另一方面短时减少了酸与木糖的作用，降低了木糖向糠醛的转变率。从各单因素的K值分析，得出最佳的提取条件为A2B2C2D3，即硫酸浓度1.5 mol·L-1，料液比1∶5，温度90 ℃，提取时间7 h。结合R值得出的结论，时间对提取得率影响并不明显，虽然随着时间的延长木糖产量会增加，但是过长会使得木糖向糠醛转化，导致木糖最终得率降低；另外考虑节约能源的因素，因此最终选择高温短时水解的最佳提取工艺条件为A2B2C2D1，即硫酸浓度1.5 mol·L-1，料液比1∶5，温度90 ℃，提取时间5 h。

2.1.6 最佳工艺条件稳定性试验 进行3次平行试验，对选择的最佳工艺条件进行稳定性验证，其结果见3。由表3可知，在最佳工艺条件下，木糖的产率为11%，工艺条件稳定。

表3 最佳条件稳定性试验

2.1.7 文冠果种皮木糖的NMR表征 以氘代DMSO为溶剂，采用INOVA-400MH核磁共振仪，对文冠果种皮木糖进行了结构表征，结果见图5。

图5 文冠果种皮木糖NMR表征

2.1.8 文冠果种皮木糖生物活性初步研究 在确定了最佳制备工艺条件之后，对文冠果种皮木糖的生物活性进行初步研究，主要考察其促进益生乳酸菌生长作用。见图6。

图6 文冠果种皮木糖促乳酸菌生长曲线

由图6可以看出，与对照组相比(对照组不含木糖)，文冠果种皮木糖具有明显的促乳酸菌生长作用。

在氮源一定的条件下，pH的高低可以反映出碳源被微生物利用情况，pH降低越多，说明木糖中的碳源越容易被微生物利用，反之，越不易被利用。文冠果种皮木糖对益生乳酸菌生长的促进作用及过程中pH变化结果见图7。

图7可以看出，文冠果种皮木糖在促乳酸菌生长过程中，pH变化比对照组明显且快，说明文冠果种皮木糖能够很容易被益生乳酸菌所利用。

3 讨论与结论

文冠果为我国特有的木本油料作物，目前对其研究与开发主要以榨油及从种皮、果壳中提取果壳甘药用为主，过程中产生了大量的种皮，未见有效的开发利用。本研究以文冠果种皮渣为原料，制备对人体益生菌有益的木糖与木寡糖糖浆，得出的最佳工艺条件：硫酸浓度为1.5 mol·L-1，料液比为1∶5，温度为90 ℃，水解时间为5 h，该条件下木糖的产量最高，可达文冠果种皮干燥基质量的11%，且纯度高、工艺条件稳定。活性实验研究显示，以文冠果种皮制备的木糖具有良好的促乳酸菌生长作用。本研究为文冠果资源的综合开发与利用提供了新的途径。

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Preparation of Xylose by Using Seed Capsule ofXanthocerassorbifolia

YAN YiPing1，SONG ZhongXing2，ZHANG YanLei2*

(1.The Affiliated Hospital of Shaanxi University of Chinese Medicine，Xianyang，712083，China；2.Shaanxi University of Chinese Medicine/Shaanxi Collaborative Innovation Center of Industrialization of Traditional Chinese Medicine Resources,Xianyang，712083，China；3.Shaanxi Key Laboratory of New Drugs and Bioactive Constituents of Traditional Chinese Medicine，Xianyang，712083，China)

Objective：To prepare xylose by using the seed capsule ofXanthocerassorbifoliaas the raw material under sulfuric acid hydrolysis.Methods：The orthogonal experiment was applied to study the effect of reaction temperature(A)，concentration of sulfuric acid(B)，solid-liquid ratio(C)，and reaction time(D)on the yield of xylose.Results：The main influence factors for yield of xylose were sulfuric acid concentration and temperature，the optimized preparation conditions were as follows：sulphuric acid concentration 1.5 mol·L-1，liquid ratio 11∶5，temperature 90 ℃，and reaction time 5 h，under this condition the yield of xylose could be up to 11.00%.Activity study showed that xylose prepared fromX.sorbifoliahas good effect to promote the growth of lactic acid bacteria.Conclusion：The seed capsule ofX.sorbifoliais suitable for the preparation of xylose，this process can also help to improve the economic value ofX.sorbifoliaindustry with development prospects.

Seedcapsule ofXanthocerassorbifoliaseed；xylose；preparation

陕西省科技统筹创新工程计划项目(2011KTCL03-05)；陕西省教育厅产业化中试项目(2010JC05)；陕西省科技资源开放共享平台项目(2015FWPT-01)

] 张严磊，博士，讲师，研究方向：中药资源化学，Email：604033608@163.com

10.13313/j.issn.1673-4890.2017.1.022

2016-03-02)

*[