高温蒸煮预处理甘蔗叶制备木聚糖*

蒙丽霞，梁欣泉，李敏，陆继新，李鲜能，李坚斌

(广西大学轻工与食品工程学院，广西南宁，530004)

低聚木糖具有很好的双歧杆菌增殖活性，是近几年最有发展前途的功能性低聚糖之一，市场前景广阔［1－3］。工业生产低聚木糖时，一般选用玉米芯、蔗渣等富含木聚糖的植物为原料，采用蒸煮法提取木聚糖、结合酶水解制取低聚木糖的工艺路线。木聚糖的提取方法主要有2种［4－5］:(1)碱法提取。用 NaOH或KOH预处理，酸中和后用乙醇沉淀，离心，干燥，即得到木聚糖。(2)蒸煮法提取。木聚糖在高温环境下脱乙酰形成乙酸，体系pH值降低，木聚糖β-1，4糖苷键断裂、自水解，木聚糖分子量减小、溶解度增大，进而从其木质纤维成分中游离出来进入到提取液中［6］。高温蒸煮会使木质素熔化，半纤维和纤维素分子断裂、降解［7－8］、氢键断裂而吸水，有助于酶接触相应底物［9］，有利于酶解，且比较适合实验室操作。目前有关甘蔗叶的研究较少，闫超等进行了超滤法提取分离甘蔗叶多糖的研究［10］，刘昔辉等用水浸提法提取甘蔗叶中多糖并测定多糖含量［11］，雷光鸿等进行了蒸气爆破结合酸降解处理甘蔗叶提取木糖的研究，并得到了最适的爆破工艺［12］，徐美奕等提出了甘蔗叶制取叶绿素铜钠盐的适用工艺［13］。文中选用甘蔗叶为原料，采用高温蒸煮法分离原料中纤维素、半纤维素、木质素，制取木聚糖，为进一步酶解木聚糖制备低聚木糖做准备。以期最大限度地利用丰富的甘蔗叶资源，变废为宝、保护环境。

1 实验材料和设备

1.1 材料与试剂

甘蔗叶，广西南宁市广西大学农学院实验田;3，5-二硝基水杨酸、盐酸、氢氧化钠、浓硫酸、四水合酒石酸甲钠、苯酚、葡萄糖，以上化学试剂皆为国产分析纯。

1.2 仪器与设备

UV-4802型紫外可见分光光度计，上海尤尼柯有限公司;FZ102微型植物试样粉碎机，江西南昌红燕采制样设备有限公司;AnkeGL-16G高速台式离心机，上海安亭科学仪器厂;S570扫描电子显微镜，日立公司;YX-280D手提式压力蒸汽灭菌锅:江阴滨江医疗设备有限公司。

2 试验方法

2.1 甘蔗叶的粉碎

将洗净的甘蔗叶晒干，粉碎，过100目筛后备用。

2.2 高温蒸煮预处理

2.2.1 高温蒸煮预处理条件的选择

对影响高温蒸煮预处理效果的主要因素:预浸方式、液固比、蒸煮时间、蒸煮温度设计实验，研究不同的蒸煮条件对甘蔗叶木聚糖溶出规律的影响，并确定最适的蒸煮条件。

2.2.2 总糖(TS)、还原糖(RS)、平均聚合度(DP)、木聚糖质量浓度的测定

总糖测定采用苯酚-硫酸法［14］:还原糖测定采用DNS法［15］。平均聚合度(DP)=总糖质量浓度(mg/mL)/还原糖质量浓度(mg/mL)。木聚糖质量浓度用Budetzjty(1993)的公式计算:木聚糖质量浓度=总糖质量浓度 ×0.88，0.88 是校正系数［16］。

2.2.3 高温蒸煮渣表面结构分析

用电子扫描显微镜分析蒸煮前后蒸煮渣的形态，研究影响高温蒸煮效果的因素并探究高温蒸煮的原理。扫描电镜样品制备的主要要求是尽可能使样品的表面结构保存好，无变形和污染，样品干燥且导电性能良好:用水砂纸打磨干燥后的蒸煮渣，37%磷酸脱矿10 s、用0.67 mol/L次氯酸钠溶解胶原10 min，交替进行5次后彻底冲洗处理面，在蒸馏水中进行超声清洗，干燥后用离子溅射器喷金，将处理后的样品保存在干燥器中。测试时，将样品置于电子显微镜中，观察并拍摄具有代表性的样品的形貌。样品可以在样品室中作三度空间的平移和旋转，因此可以从各种角度对样品进行观察。在观察形貌的同时，还可利用从样品发出的其他信号作微区成分分析。扫描电镜的图象显示在阴极射线管(显像管)上，并由照相机拍照记录。

3 结果与分析

3.1 不同预浸方式的蒸煮结果

甘蔗叶分别用 5%NH3·H2O、0.1%H2SO4、水在60℃下浸泡12 h，滤去浸泡液，之后用水反复冲洗，并以不处理作对照，按液固比10∶1于126℃密封蒸煮60 min。从图1看出，水预浸的蒸煮结果最好，其溶出总糖、木聚糖质量浓度最高，平均聚合度较大。原因是水预浸后半纤维素润胀充分，高温条件下利于溶出，木聚糖在水解时主链断裂程度不大、利于木聚糖的提取，故选择水预浸处理方式。

图1 不同预浸方式的蒸煮结果

3.2 不同液固比的蒸煮结果

甘蔗叶用水在60℃下浸泡12 h，液固比分别是5∶1、10∶1、15∶1、20∶1，在 126℃下蒸煮 60 min。从图2看出，当5∶1＜液固比 ＜10∶1时，反应液中产生的木聚糖及其他副产物扩散逐渐加快，木聚糖溶出率增大，还原糖质量浓度增加。当10∶1＜液固比＜20∶1时，总糖质量浓度、木聚糖质量浓度稍有增加，之后降低，还原糖质量浓度快速降低后稍有增加，平均聚合度逐渐增加。液固比为10∶1时，原料与溶液充分接触，总糖质量浓度、木聚糖质量浓度接近最大，还原糖质量浓度最高，说明此时木聚糖得以充分地脱乙酰形成乙酸，体系pH值降低，促进了长链木聚糖的水解，之后木聚糖从其木质纤维成分中游离出来。故液固比是10∶1较好。

图2 不同液固比的蒸煮结果

3.3 不同蒸煮时间的蒸煮结果

甘蔗叶用水在60℃下浸泡12 h，液固比是10∶1，在126℃ 下进行不同时间的蒸煮(15、30、60、90 min)。从图3看出，随蒸煮时间的延长，其溶出总糖量、木聚糖质量浓度增加，平均聚合度变化不明显，说明总糖的溶出与木聚糖的分解都增加。蒸煮时间低于60 min时，因时间太短溶出总糖量较少，而高于60 min时溶出还原糖增多，致使木聚糖提取率低。原因是甘蔗叶一直处于高压的环境下，使多糖内弱的作用力消失，长链木聚糖在酸性高温条件下，阿拉伯糖侧链和主链均发生水解，但由于甘蔗叶纤维结构结合紧密，不容易被破坏，随着时间的延长木聚糖得率的增长变缓，平均聚合度有小幅下降。故选用的蒸煮时间是60 min。

图3 不同蒸煮时间的蒸煮结果

3.4 不同蒸煮温度的蒸煮结果

甘蔗叶用水在60℃下浸泡12 h，液固比是10∶1，在不同温度下(108、114、120、126℃)蒸煮 60 min。从图4看出，随着蒸煮温度的升高，总糖质量浓度、木聚糖质量浓度、还原糖质量浓度均增高，平均聚合度变化不大。这主要是由于温度越高，蒸汽灭菌锅内的压力越大，压力的存在破坏了一部分氢键或一部分结晶区，高温的环境使多糖内弱的作用力消失，有利于糖苷键的降解。在126℃下进行蒸煮，所得总糖质量浓度最高，平均聚合度最大，说明此条件下木聚糖断裂程度不大，高温利于木聚糖从其木质纤维成分中游离出来，故选126℃较合适。

图4 不同蒸煮温度的蒸煮结果

3.5 高温蒸煮原理探讨

高温蒸煮是有效分离天然纤维素原料中相互交织、紧密相连的半纤维素、木质素及纤维素的物理手段之一。纤维素和半纤维素或木质素分子之间的结合主要依赖于氢键，半纤维素和木质素之间除氢键外，还存在化学键的结合［17］。在反应器内，物料被快速加热到指定温度，预浸液中的水进一步润湿细胞壁，长链木聚糖在酸性(pH 3.2～3.6)高温条件下，阿拉伯糖侧链和主链都水解。终止蒸煮时，温度、压力骤降，木聚糖在糖苷键水解的作用下从其木质纤维成分中游离出来，半纤维得以分离［18］。

图5为100目甘蔗叶在不同蒸煮条件下的扫描电镜照片，从图5中可以看出不同蒸煮条件对纤维原料降解的影响。

图5 甘蔗叶在不同蒸煮条件下扫描电镜图

图5-(a)，图5-(b)中，未经高温蒸煮处理的甘蔗叶，其结构组织完整性、空间排列均匀性比较好，组织间间隙较小;但原料在粉碎机的粉碎作用下，表面有少量剥落现象，裂纹少而不深。这是因为粉碎机旋转速度高，在剪切力和摩擦力的作用下部分半纤维素脱落。图5-(c)，图5-(d)中，预浸的甘蔗叶在126℃密封蒸煮60 min后，表面裂纹较多、较深，结构组织排列均匀性较差，碎片脱落较多，表面完整性明显降低;这表明，在酸性高温条件下，纤维表面、结构组织变化较大，木聚糖在高温环境下脱乙酰形成乙酸，体系pH值降低，长链木聚糖、阿拉伯糖侧链和主链都发生水解，使得纤维表面破裂程度加深，进而很好的表明了高温蒸煮对木聚糖溶出规律的影响，并验证了高温蒸煮的机理。

4 结论

研究不同的预处理条件(预浸方式、液固比、蒸煮时间、蒸煮温度)对甘蔗叶木聚糖溶出规律的影响，确定最适的蒸煮条件:用水将甘蔗叶在60℃下浸泡12 h，液固比是10∶1，于126℃密封蒸煮60 min。通过甘蔗叶的扫描电镜实验分析，验证了高温蒸煮对木聚糖溶出规律的影响。

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