农业废弃物中戊聚糖的提取、纯化及其功效特征的研究

李曼，康鑫，赵斌

（1. 中华全国供销合作总社天津再生资源研究所，天津300191；2. 天津港保税区城市环境管理局，天津300308）

1 农业废弃物中戊聚糖研究意义

我国每年有近百亿吨农业废弃物产生，且尚未进行有效的资源化利用，多采用浅层粗放形式进行处理，利用效率和产品附加值较低，相当部分资源被浪费且污染环境。因此，提取、利用农业废弃物中活性成分，并加以产业化应用得到广泛关注。

戊聚糖是一种非均一性多糖，并广泛存在于小麦麸皮、玉米秸秆、黑麦麸皮等农作物废弃物中[1-3]，且含量可观。在小麦的加工过程中，麸皮产量可占到加工总量的五分之一左右，而研究发现，小麦麸皮中戊聚糖含量可达到近20%[1]。

戊聚糖在保健领域广受关注和欢迎，应用前景乐观。在预防肠胃疾病方面功能突出，可以促进胃肠道蠕动，被称为“胃肠清道夫”；并且戊聚糖具有调节胃肠道菌群的功能，能够改善胃肠道菌群紊乱，达到促进体内有益菌增殖和菌落平衡的作用；还有助于抑制胆固醇的吸收，降低高血压、高血脂、高血糖等疾病风险的效用[4]。

因此，探讨农业废弃物中活性成分——戊聚糖的提取、纯化技术，进一步提升农业废弃物中活性成分的高值资源化利用水平，对农业废弃物的资源化处置提质增效以及完善农业循环产业链具有重要意义。

2 农业废弃物中戊聚糖含量

戊聚糖在农业废弃物中广泛存在，目前研究主要集中于小麦和黑麦麸皮中的戊聚糖。小麦中戊聚糖分布主要集中于麸皮当中，陈凤莲等[1]以我国黑龙江地区的小麦麸皮为测试样品进行分析，测得其中所含戊聚糖质量分数达到19.42%。小麦籽粒中戊聚糖含量则相对较少。

戊聚糖在玉米皮中也广泛存在。玉米皮中含有大量纤维素、半纤维素、木质素等膳食纤维，组分占比可达到50%左右[5]，其中半纤维素的主要成分就是戊聚糖。

黑小麦麸皮中戊聚糖含量也较为丰富，其中多为水不溶性戊聚糖形式存在。

3 农业废弃物中戊聚糖提取技术

3.1 原料预处理

因原料内内源性碳水化合物酶对多糖的降解作用，造成多糖分子量降低，影响其生理功能，所以对原料进行预处理，以降低内源酶的影响是十分必要。

实验室常以80%乙醇对烘干粉碎过筛后的农业废弃物原料进行热处理，以实现灭酶效果和对单糖等小分子物质的去除，进而提高戊聚糖粗品的纯度。

3.2 水提、碱提法及其影响因素

戊聚糖常用提取方法有：水提法、碱提法、酶提法、汽爆法、酸法等。其中，采用水提、碱提法提取农业废弃物中戊聚糖粗品，因操作简便、污染较小，为目前戊聚糖制备较为普遍通用的方法。

戊聚糖因其溶解度不同，可分为水溶性戊聚糖和水不溶性戊聚糖。其中水溶性戊聚糖组分可采用水提法进行提取。孙元琳等[6]采用高压辅助水提，将预处理后的黑小麦麸在40 ℃水恒温搅拌40 min 后，以3 000 r/min 转速离心20 min，以除去淀粉。离心后所得沉淀于0.12 MPa 高压辅助，在121 ℃热水中浸提2 次，离心合并上清液，得戊聚糖水提组分溶液。

何欢等[7]采用一般水提工艺流程，将预处理后小麦麸皮加水浸泡，离心后进行酶处理，后离心、浓缩、醇沉、干燥，得水溶性戊聚糖粗品，设计单因素试验，考察水溶性戊聚糖提取率影响因素。

研究结果显示，水溶性戊聚糖组分的提取与反应温度、酶浓度、反应时间、pH 值均具有相关关系。何欢等[7]研究发现，戊聚糖提取率与反应温度呈正相关性；酶浓度增加时，戊聚糖提取率相应增加，当溶液中酶浓度达到0.5%后，戊聚糖提取率无明显增幅变化；最佳酶反应时间为1～3 h，此后，反应时间延长，反应速度下降，提取率变化不大；pH 值为4 时，水溶性戊聚糖的提取效果佳。何欢等摸索水溶性戊聚糖的最佳提取条件，选取62 ℃为反应温度，酶浓度为0.55%，反应进行1.5 h，调节pH 值为4.2。此条件下，实现水溶性戊聚糖提取率为15.3%。

采用碱性溶液对水提后沉淀中不溶性戊聚糖组分在室温下进行提取。常用碱性溶液为NaOH 溶液。王文侠等[8]采用碱性H2O2对玉米皮中戊聚糖进行提取，以解决一般碱提方法造成的产品色泽差问题，取得良好效果。

碱溶性戊聚糖组分的提取过程中，固液比、反应温度、反应时间、碱液浓度、pH 值均对戊聚糖提取率产生影响。碱溶性戊聚糖提取率随碱液体积的增加而增大，当固液比达到一定比例后，碱溶性戊聚糖提取率随碱液体积增加而呈现降低趋势；戊聚糖提取率随温度升高呈递增趋势，但温度过高时，戊聚糖的结构将被破坏，导致生物活性丧失；戊聚糖提取率随着反应时间的延长而增大，反应时间达到一定时间后增幅减缓，继续延长反应时间，戊聚糖提取率发生下降现象；当碱液浓度过低时，戊聚糖不能完全溶出，碱液浓度的增加有利于碱溶性戊聚糖的提取，但碱液浓度过高容易导致戊聚糖结构的破坏和引起戊聚糖活性的丧失。何欢等[7]选取小麦麸皮碱提的实验选择最佳条件：料液比1∶20、温度为55 ℃、作用时间为1.5 h、碱浓度为20%。在此条件下，测得碱溶性戊聚糖组分的提取率可达到17.4%。王佩等[9]选用玉米秸秆中提取戊聚糖，确定最佳实验方案为：10%NaOH 溶液，固液比为1∶30，反应温度为70 ℃，反应时间6 h，pH 值为7。

水溶性戊聚糖和水不溶性戊聚糖粗品中，除戊聚糖外，还有大量蛋白质一起提取出来。陈凤莲等[10]对小麦麸皮的酶处理最佳酶解效果进行研究，结果显示，利用α-淀粉酶酶解小麦麸皮中淀粉，具有良好的酶解效果，可以将麸皮中的淀粉含量降至0.5%以下。采用碱性蛋白质酶对小麦麸皮中的蛋白质进行酶解，水洗分离后，测得小麦麸皮中蛋白质残留量仅为0.62%。去除淀粉及蛋白质后，小麦麸皮中戊聚糖含量可提升为34.51%。

3.3 其他方法

戊聚糖常规提取方法还有酸水解法、蒸汽爆破法、蒸煮法等。酸法和蒸煮法副反应较多，且强酸的腐蚀性不利于产品安全性；蒸汽爆破法成本较高，条件要求苛刻。丁长河等[11]采用高温酸水解法提取麸皮中戊聚糖，显示高温可明显提高戊聚糖提取率。摸索高温酸水解法提取戊聚糖的最优工艺条件为：料液比1∶20（g/mL），0.006 mol/L 乙酸于180 ℃下反应25 min。此条件下，可溶性戊聚糖的浓度值可达到15.19 g/L，戊聚糖产率可达到18.96%。赵梦丽等[12]研究发现，汽爆处理可显著提高小麦麸皮可溶性物质的含量，采用汽爆预处理后，可溶戊聚糖含量可提高16.6 倍。

4 农业废弃物中戊聚糖纯化技术

常见戊聚糖粗品纯化方法主要有乙醇沉淀法、柱层析法和盐析法等。

4.1 乙醇沉淀法

通过设置不同梯度乙醇溶液，通过溶液浓度的逐步提升，达到不同分子量戊聚糖组分的分离。郑学玲等[13]采用两级浓度乙醇溶液对小麦麸皮中戊聚糖粗品进行纯化，在样品溶液中加入体积分数为95%的乙醇溶液，使溶液中乙醇的最终体积分数为65%，后于4 ℃静置过夜后离心，所得沉淀部分加水溶解，对所得水溶液进行浓缩，去除残余的乙醇成分，得到戊聚糖提取物C1。离心后上清液部分再次加入体积分数为95%的乙醇溶液，配置体积分数为80%的乙醇溶液，后于4 ℃静置过夜后离心，收集沉淀部分加水溶解，浓缩，得到戊聚糖提取物C2。

4.2 柱层析法

将戊聚糖粗品经TCA 去除蛋白质后，采用柱层析法，对戊聚糖进行纯化。将层析柱采用碱洗、酸洗、再碱洗进行预处理，用去离子水进行平衡后，将样品装填于层析柱中，以水或不同离子强度的盐溶液（多采用不同浓度NaCl 溶液）进行洗脱，实现对水溶性和水不溶性戊聚糖各组分的纯化分级[13]。本方法可用于小分子杂质的去除，或接乙醇沉淀法，作为其提取物的进一步分级纯化。

4.3 盐析法

利用戊聚糖在不同盐溶液中溶解度不同的性质，对戊聚糖粗品进行纯化。其中，采用（NH4）2SO4溶液作为溶液试剂最为广泛。不同浓度的（NH4）2SO4溶液对戊聚糖粗品中的葡聚糖可进行选择性沉淀。孙元琳等[14]将饱和的（NH4）2SO4溶液加入戊聚糖粗品水溶液中，使溶液中（NH4）2SO4最终质量分数为35%，对戊聚糖粗品进行纯化处理。

5 戊聚糖的功效特征

5.1 戊聚糖具有润肠通便作用

戊聚糖是谷物膳食纤维的主要成分，人体难以消化，具有润肠通便的作用。黄觉非等[15]对小麦提取物中不同剂量戊聚糖的润肠通便作用进行比较探讨。采用不同等级剂量小鼠进行试验，并与空白对照组和模型对照组进行对比研究。结果显示，与模型对照组对比，不同剂量小麦戊聚糖提取物均可提高肠道蠕动功能，且差异明显；与模型对照组对比显示，中高等剂量小麦戊聚糖提取物具有良好的促进排便功能，可显著提高排便量；其中，中等剂量性价比最高，可作为人体服用的参考剂量。不同提取技术所得戊聚糖组分的润肠通便效果存在差异。郑学玲等[16]研究发现，小麦麸皮中碱溶性戊聚糖组分具有较好的润肠通便效果，水提法所得戊聚糖组分及剩余残渣的效果较差。这说明具有润肠通便效果的组分为小麦麸皮中戊聚糖，且相应效果与其溶解性具有相关性，水不溶性组分的效果更佳，水溶性戊聚糖的润肠通便效果较差。戊聚糖对肠道中菌落也有调节作用。孙元琳等[17]研究表明，戊聚糖在结肠部位被特定的具有戊聚糖水解酶的细菌所降解，能够增殖肠道中的双歧杆菌和乳杆菌等有益菌。

5.2 戊聚糖具有减脂降糖作用

戊聚糖因其具有减脂、降糖的效果，得到关注。目前作用机理尚未得到明确。学者推测，一方面可能因为戊聚糖增加胃糜的粘性，另一方面可能与戊聚糖增加消化道中微生物菌落，细菌与寄主争夺营养物质有关。董玉枝等[18]以实验性肥胖大鼠为实验对象，研究戊聚糖的减肥降脂作用。研究结果显示，戊聚糖粗品降低肥胖效果明显，可使肥胖大鼠体重达到正常水平。沈丽娟等[19]对小麦戊聚糖对糖尿病小鼠的肠道菌群及血糖影响进行研究。结果显示，诱导2 型糖尿病后，小鼠空腹血糖升高，双歧杆菌、乳酸杆菌数量下降，肠道菌群产生紊乱，且二者呈负相关。经小麦戊聚糖灌胃处理后，血糖值降低，双歧杆菌及乳酸杆菌的数量有所恢复。说明戊聚糖制剂能起到有效调节作用，降低血糖水平。

6 研究展望

随着农业废弃物的大规模非资源化处置，由此引发的环境污染问题受到了日益关注。在当前的农业废弃物处置过程中，活性成分——戊聚糖尚且得不到有效的应用，正逐渐引起重视。伴随着戊聚糖功效特征的广泛认识，迫切需要对农业废弃物中戊聚糖的提取和纯化技术进行系统及工业化研究，对农业废弃物中戊聚糖含量的种类及区域性特点进行深入探讨，开展农业废弃物中戊聚糖提取、纯化技术及功效特征产业化应用的相关研究。