利用蔗渣制备低聚木糖的工艺

丁胜华，欧仕益，赵健，王远，胡长鹰

（暨南大学食品科学与工程系，广东 广州 510632）

利用蔗渣制备低聚木糖的工艺

丁胜华，欧仕益*，赵健，王远，胡长鹰

（暨南大学食品科学与工程系，广东 广州 510632）

从蔗渣中提取木聚糖后，采用酶法水解制备低聚木糖。碱法提取工艺为：NaOH浓度4%，料液比1∶15（g/mL），30.0℃提取24.0 h；在此条件下，木聚糖产率达20.67%。提取液采用分子量为3000 u的中空纤维超滤膜进行浓缩，浓缩液用清水洗反复超滤除去残余碱，获得浓度为60.17 g/L的木聚糖，采用木聚糖酶进行酶解。正交试验结果表明，当酶量5.0 g/L、pH=6.0，在40.0℃下酶解4.0 h后，可获得产量达31.13 g/L，平均聚合度为2.64的低聚木糖。该技术的优点是：碱液可回收再利用，并可分离碱解液中的阿魏酸和香豆酸。

蔗渣；酶法水解；低聚木糖

随着经济社会的发展和生活水平的提高，人们健康意识的日益增强，对于日常饮食提出了健康、营养、自然等诸多要求，由此掀起了功能性食品的研究开发热潮。低聚木糖又称木寡糖[1]，由2个～10个木糖通过糖苷键连接而成，分子量约为300 u～2000 u。它除具有功能性低聚糖一般的功能性质外，还具有显著的双歧杆菌增殖效果、耐酸、耐热、降低水分活度和防止冻结[2-5]等优点。它可选择性地增殖双歧杆菌，提高人体免疫力和抗癌能力，抑制外源性病菌对人体地侵入，防治肠道疾病，降低人体胆固醇，促进钙吸收，有利于代谢且不受胰岛素的控制，可作为糖尿病和肥胖病患者的甜味剂[5]。20世纪90年代末以来，低聚木糖已经成为国内外竞相研究开发的功能性低聚糖之一。低聚木糖一般以玉米芯为原料，先采用碱法制备出木聚糖，再中和、酶解制备出低聚木糖[6-10]，这种工艺耗碱量大，排放的废水较多；或者对碱提木聚糖采用水的高温高压蒸煮自动水解以及添加无机酸进行水解制备低聚木糖[11]，这两种方法对试验设备都有较高的要求，而且制备的水解产物中除低聚木糖外，还含有较多的单糖及其单糖降解物[12]，容易引发副反应，这对后续低聚木糖的精制工作带来困难。本研究利用南方特有的蔗渣资源，在较温和条件下，采用碱提并结合超滤和酶法制备，达到既可回收碱液，又可高效制备低聚木糖的目的。

1 材料和方法

1.1 原料与仪器

1.1.1 试剂

蔗渣取自台山海宴华侨农场糖厂；NaOH、醋酸、木糖、硫酸、3，5-二硝基水杨酸、丙三醇：均为国产分析纯试剂；木聚糖酶购自诺维信（中国）有限公司。

1.1.2 主要仪器

SHA-BA恒温振荡器：江苏省金坛市神科仪器厂；KDC-12低速离心机：科大创新股份有限公司中佳分公司；中空纤维超滤器：无锡超滤设备厂；UV-9200紫外/可见分光光度计：北京瑞利分析仪器公司。

1.2 方法

1.2.1 蔗渣前处理

将蔗渣在常温下用清水浸泡冲洗去除残余蔗糖，200目尼龙布过滤，晾干，粉碎，收集粉碎的蔗渣置于恒温干燥箱中60.0℃干燥至恒重，取出放于干燥器中，备用。

1.2.2 木聚糖的提取

分别称取10.0 g经过前处理的蔗渣，置于250 mL三角瓶中，加入150 mL不同浓度的NaOH溶液，摇匀，密封置于30.0℃恒温振荡器中以150 r/min振荡提取24.0 h，然后抽滤，滤液以冰醋酸中和至pH7.0。取适当体积溶液于烧杯中，加入4倍体积的95%工业酒精，密封后4.0℃贮存24.0 h，分离沉淀物，60.0℃干燥至恒重，得到淡黄色或棕色木聚糖。

1.2.3 超滤法制备木聚糖

称取1 kg经前处理的蔗渣置于50 L不锈钢桶中，加入4%氢氧化钠15 L，常温下搅拌提取24.0 h，三足离心机离心，收集滤液；残渣用7 L清水洗涤，然后再离心，收集滤液，洗涤重复两次。合并滤液过200目的尼龙布，进中空超滤机进行超滤浓缩。超滤膜为内聚砜膜，分子截留量为3000 u。保持超滤压力为0.15 MPa进行超滤浓缩，浓缩约10倍后，加清水继续超滤，直到木聚糖溶液pH降到中性，浓缩液4.0℃贮存，备用；透过液可采用离子吸附交换法制备阿魏酸、香豆酸[13]等酚酸，过柱后的碱液补充适当量的碱后可再次用来提取木聚糖。木聚糖制备工艺见图1。

1.2.4 木聚糖的酶解工艺

以 4%NaOH 溶液、料液比为 1∶15（g/mL），30.0 ℃对经前处理的蔗渣提取24.0 h得到木聚糖的碱提液，碱液超滤浓缩后，调整pH至7.0，低温贮存，备用。取100 mL浓缩液于250 mL三角瓶中，调整pH，加入木聚糖酶制剂于涡旋混合器上混匀，保鲜膜封口，置于恒温振荡器中150 r/min酶解。一定时间后，取出，沸水浴灭酶20 min，4000 r/min离心30 min，取上层液，稀释适当倍数，测还原糖和总糖。

1.2.5 木聚糖酶酶解正交试验设计

在单因素试验的基础上，取浓度为60.17 g/L木聚糖溶液，以酶添量、酶解温度、酶解pH和酶解时间为决定变量因素，设计L9（34）正交试验，因素水平见表1。

表1 木聚糖酶水解木聚糖L9（34）正交表Table1 L9（34）Orthogonal experiments array of hydrolysis of xylan by pentopan

按照正交表条件反应，反应结束后沸水浴灭酶20 min，4000 r/min离心30 min，取上清液，稀释适当倍数，测还原糖和总糖。1.2.6 分析检测方法

还原糖的测定：采用3，5－二硝基水杨酸法（DNS）法[14]。

总糖的测定：取一定量的样品离心30 min，取上清液缓慢加入H2SO4，使H2SO4质量分数达到7.2%，100℃下反应2.0 h，6 mol/LNaOH中和反应液，过滤，滤液采用DNS法测定还原糖。

水解液可溶性糖的平均聚合度（DP）=水解液可溶性总糖浓度/水解液还原糖浓度

2 结果与讨论

2.1 氢氧化钠溶液浓度对提取率的影响

NaOH溶液浓度对木聚糖提取率的影响见图2。

当料液比、提取时间和温度分别为1∶15（g/mL）、24.0 h和30.0℃时，木聚糖提取率随NaOH溶液浓度的增高而增加；氢氧化钠浓度至4%后木聚糖提取率增加缓慢，考虑到后序工艺需调整pH（太高pH对超滤膜损害大）及低聚木糖液脱色脱盐，氢氧化钠溶液的浓度确定为4%。

2.2 料液比对提取率的影响

提取木聚糖时，料液比的范围为 1∶10～1∶25（g/mL），碱浓度、时间和温度分别固定在4%、24.0 h和30.0℃。研究木聚糖和碱提时间的关系试验结果如图3。

从图 3 可以看出，料液比在 1∶15 和 1∶20（g/mL）之间，提取率随料液比的增加而增加，当料液比在1∶20和 1∶25（g/mL）之间，提取率随料液比的增加而减少，这是因为料液比大，溶液稀释了有效成分，也使搅拌不充分提取率偏低，考虑提取率降低成本等因素结合图3可以看出，提取木聚糖时以料液比1∶15（g/mL）为宜。

2.3 提取时间对提取率的影响

将料液比固定为 1∶15（g/mL），碱液浓度与碱提温度为4%和30.0℃。研究不同料液比对木聚糖提取率的关系，见图4。

图4可以看出提取时间8.0 h至16.0 h，提取率增加较快，提取时间大于24.0 h，随着提取时间的增加，木聚糖的提取率增加缓慢，从试验结果看出，提取木聚糖时间确定为24.0 h。

2.4 提取温度对提取率的影响

将料液比固定为1∶15（g/mL），碱液浓度与碱提时间为4%和24.0 h，研究不同温度对木聚糖提取率的影响。提取温度为30.0℃和40.0℃时，木聚糖的提取率分别达到20.67%和25.30%。随温度增高，木聚糖提取液的颜色加深，能源也消耗增大，对提取设备的要求高。考虑到后续工艺需脱色和能源消耗等因素，提取温度采用30.0℃。

在此基础上，选择最佳碱解工艺，采用超滤法制备木聚糖，获得浓度为60.17 g/L的木聚糖溶液，透过液通过离子交换法可制备阿魏酸、香豆酸等酚酸，碱液可用于碱解蔗渣，减少废水排放和用碱量。

2.5 酶解工艺的确定

2.5.1 木聚糖酶量对低聚木糖生产的影响

为了确定最适酶量，选择一个浓度范围的5种不同剂量进行反应，酶解条件为反应温度为50.0℃，底物浓度为60.17 g/L。pH=5.0,反应时间为6.5 h，不同浓度木聚糖酶催化木聚糖水解成低聚木糖的情况如图5所示。

在酶量为1.0 g/L情况下，水解产物中低聚糖的浓度为21.86 g/L，随着酶浓度的增大，低聚木糖的浓度也不断增加。当酶量达到4.0 g/L时，可溶性总糖的浓度增加比较平缓。

2.5.2 底物浓度对低聚木糖生产的影响

研究不同木聚糖浓度（12.03 g/L～60.17 g/L）在相同酶解条件下对低聚木糖生产的影响，反应条件为：反应温度50.0℃，酶量5.0 g/L，反应时间为6.5 h，pH=5.0，结果见图6，可知，随着底物浓度的增加，可溶性总糖和还原糖的含量显著增加。低底物浓度24.07 g/L时，可溶性总糖浓度相对较小，仅为11.15 g/L，然而，还原糖的浓度却相对较高，达到5.45 g/L。在底物浓度为60.17 g/L时，可溶性总糖浓度增加到24.40 g/L，此时的还原糖浓度为10.28 g/L。推测可能因为低底物浓度时，酶与底物接触充分，随着底物浓度的增加，酶不易与底物充分接触，酶解效率下降。继续增大底物浓度，超滤困难，不易达到要求，酶亦不易扩散，不利酶解，所以控制底物浓度为60.17 g/L。

2.5.3 时间对低聚木糖生产的影响

研究底物浓度为60.17 g/L时不同时间条件下对低聚木糖生产的影响。反应条件为：反应温度50℃，酶量5.0 g/L，反应时间为6.5 h，pH=5.0，结果见图7。

从图7可以看出，在反应时间12.0 h内，随着反应时间的延长，可溶性总糖和还原糖的浓度都增大。当反应时间由6.0 h延长到12.0 h，可溶性总糖浓度增加相对缓慢。在反应2.0 h后，底物酶解后其平均聚合度迅速降到2.58，在4.0 h～12.0 h，酶解产物的平均聚合度从2.56缓慢均匀地降到2.12。推测可能是因为酶解产物对木聚糖酶有抑制作用。

2.5.4 pH对低聚木糖生产的影响

研究了底物浓度为60.17 g/L、pH=4.0～7.0时酶解对生产低聚木糖的影响。反应条件为：酶量5.0 g/L，反应温度为50.0℃，反应时间为6.5 h，结果见图8。

从图8可看出，在pH=5.5时，可溶性总糖及还原糖比其它pH条件下产生的浓度相对较高。酶解产物的聚合度为2.23。

2.5.5 温度对低聚木糖生产的影响

研究了底物浓度为60.17 g/L木聚糖酶在pH=5.0、温度40.0℃～60.0℃对生产低聚木糖的影响。反应条件为：酶量5.0 g/L,pH=5.0,反应时间为6.5 h，结果见图9。

从图9看，温度在45.0℃～55.0℃的酶解产物的可溶性总糖的浓度较40.0℃和60.0℃条件下产生的可溶性总糖浓度高。

2.5.6 酶解反应条件的优化

正交试验和极差分析结果如表2,由表2可以看出各因素的极差（R）的大小为D（酶解时间）>C（酶解pH）>B（酶解温度）>A（酶量）。其中最佳反应条件是A3B1C3D2,即：酶添量 5.0 g/L、温度 40.0 ℃、pH=6.0，反应时间 4 h，此时可溶性总糖浓度为（31.13±0.58）g/L，此时的平均聚合度为2.64。

表2 木聚糖酶水解木聚糖正交试验结果Table2 The result of the orthogonal test

3 结论

1）通过单因素试验初步得利用蔗渣碱提木聚糖的条件为：4%NaOH、料液比 1∶15（g/mL）、提取时间 24.0h、温度30.0℃。在此条件下从蔗渣中提取木聚糖的提取率达20.67%。

2）通过正交试验得出木聚糖酶催化水解木聚糖最佳条件为:酶添量5.0 g/L、温度40.0℃、pH=6.0，反应时间4.0 h。在此条件下水解碱提木聚糖的可溶性总糖为31.13 g/L，其平均聚合度为2.64。

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Preparation of Xylooligosaccharides from Sugarcane Bagasse

DING Sheng-hua，OU Shi-yi*，ZHAO Jian，WANG Yuan，HU Chang-ying
（Department of Food Science and Engineering，Jinan University，Guangzhou 510632，Guangdong，China）

Xylan was extracted from sugarcane bagasse and used to prepare xylooligosaccharides by enzymatic hydrolysis.20.67%xylan was recovered when sugarcane bagasse was extracted with 15 volume of 4%NaOH（g/mL）at 30.0℃ for 24.0 h.The alkali hydrolysate was ultrafiltrated using hollow fiber ultrafiltrator with a 3000 u molecular cutoff and the concentrate was washed by tap water to remove residual alkaline.The concentratewhichcontained60.17g/Lxylanwashydrolysedbypentopan.Theorthogonaltestshowedthat31.13g/L of xylooligosaccharides with average DP 2.64(degree of polymerization)was produced when 5.0 g/L of pentopan was added and reacted at 40.0℃，pH6.0 for 4.0 h.The advantage of this technology is that the alkaline could be recycled and ferulic acid and coumaric acid in the hydrolysate could be recovered.

bagasse；enzymatic hydrolysis；xylooligosaccharides

广东高校科技成果产业化重大项目（cgzhzd0709）

丁胜华(1985—)，男(汉)，硕士研究生，研究方向:功能食品。

*通讯作者：欧仕益(1963—)，男，教授，从事食品化学与功能食品的研究。

2009-08-04