黄酒糟中低聚木糖的提取及活性炭脱色工艺

2015-11-17改造者杨志成刘铁兵刘星层张丞彦徐明雅

中国科技信息 2015年16期

改造者：杨志成刘铁兵陈劼刘星层张丞彦徐明雅

黄酒糟中低聚木糖的提取及活性炭脱色工艺

改造者：杨志成刘铁兵陈劼刘星层张丞彦徐明雅

黄酒糟中含有丰富的营养活性成分，其中含有较高的低聚木糖。低聚木糖是一种发展应用较快的活性多糖，本文以新鲜黄酒糟为原料，采用2％的硫酸溶液配合水浴进行浸提木糖，所采用的料液比为1：15，于90℃水浴中提取2h，趁热3000 r/min离心15 min，将上清液过滤即得到黄酒糟木糖粗提液。再将木糖提取液与活性炭在水浴搅拌器中进行脱色反应，实验得出，在添加量为4 ％，pH为5，超声时间为60min，反应温度为50℃时，脱色效果最好。

近年来功能性食品的研究和生产已经成为国际上的热点，活性低聚糖的生产已成为人们关注的新产业，因其生理功能独特，已成为一种重要的助能性食品基础原料。黄酒糟中含有丰富的功能性低聚木糖，利用黄酒糟来生产低聚木糖，为木糖的生产提供新的原料，提高生产附加值，减少废弃物污染。通常使用酸法水解法来提取黄酒糟中的木糖，此法会使水解液的颜色随着水解时间的进行而逐渐加深，对黄酒糟中木糖提取液的感官性能和品质有所降低，在生产中的应用有一定的不足。脱色是基于物理吸附剂吸附为基础的，活性炭具有极大比表面积及很强吸附和脱色能力的一种炭材料，尤其是粉末活性炭脱色率高、速度快、成本低。

功能性低聚糖具有低热、整肠、摄入后促进肠道内双歧杆菌的增殖，提高人的机体免疫、促进健康的独特生理功能，是一种重要的活性多糖，功能性食品原料，已得到全社会的普遍关注。低聚木糖又称木寡糖，是由2-10个D一木糖单元分子以β-1，4糖苷键结合而成的功能性聚合糖，以木二糖和木三糖为主，因人体胃肠道内没有水解低聚木糖的酶，不宜被消化，消化系统中残存率高，较易接进入消化系统内并被双歧杆菌利用，极大的促进双歧杆菌增殖，并可以产生多种有机酸，提高消化系统中的酸度，抑制有害微生物生长，使消化系统中的益生菌大量增殖，实现保健功能。

实验部分

实验材料

新鲜黄酒糟（杭州市西湖酒厂提供）

实验试剂

表1 实验试剂表

实验仪器

表2 实验仪器和设备

实验方法

黄酒糟中低聚木糖的提取

将新鲜黄酒糟烘干后，过80目筛得到淡黄色粉末。以2％的硫酸溶液为提取溶剂，料液比为1：15，超声提取时间0.5h，提取温度为90℃，水浴时间为2h。待提取完成后，冷却至室温，再置于高速离心机中，以3000r/min的速度进行离心15min，取上清液，即得到黄酒糟木糖的粗提液。

木糖提取液最大吸收波长的测定

取上述实验所得的木糖粗提液2mL，加入2ml DNS试剂，在100℃水浴放置5min。取出试管迅速冷却至室温，用水稀释并定容至25mL。以等量的蒸馏水和DNS试剂作参比液，在400～500nm波长下进行紫外-可见光分光光度计的扫描，确定黄酒糟木糖提取液色素的最大吸收波长。

D一木糖标准曲线的绘制

DNS试剂的配制：准确称量3，5-二硝基水杨酸10.0 g，氢氧化钠16.0 g，酒石酸钾钠300.0 g，苯酚6.5 mL，亚硫酸钠5.0 g完全溶解与热去离子水中，溶解后定容至1000mL，在4℃下细口的棕色瓶中保存，7天后使用。

1.00 mg/mL葡萄糖液的配制：在分析天平中准确称量葡萄糖0.5000 g，用蒸馏水溶解，并用容量瓶定容致500 mL。

配制木糖浓度分别为0、0.2、0.4、0.6、0.8、1.0、1.2、1.4、1.6、2.0 mg/mL溶液，各取3mL，再分别加入3mLDNS试剂于沸水中保持5 min，以便于显色，经冷却，定容至25 mL，静置30 min，于499 nm下测定吸光度值。

活性炭的活化

粉炭经1％HCI洗涤后，再用热去离子水洗，过滤干燥，使其冷却到室温后使用。

木糖提取液的脱色反应

在100mL 的三角瓶中加入20mL从黄酒糟中的木糖提取液，接着加入一定量的活性炭，先在超声波中反应，再置于水浴搅拌器中反应30min脱色。反应结束后，通过多次过滤的方法除去活性炭，收集滤液，木糖浓度和色素的测定采用分光光度法。

通过检测，木糖损失率的计算方法如下，

公式：M（％）=（C0-C）/C0×100

M代表木糖醇损失率；

C0为样液脱色前木糖的质量浓度，g/L；

C为样液脱色后木糖的质量浓度，g/L。

吸附色素率的计算公式：

N（％）=（A0-A）/A0×100

式中：N为色素吸附率；

A0为样液脱色前的吸光度值；

A为样液脱色后的吸光度值。

脱色后木糖含量的测定

活性炭添加量

移取20mL木糖提取液溶液，分别加入1％，2％，3％，4％，5％的量的活性炭，超声波辅助反应后，在水浴温度为60℃的水浴锅中放置1h，每30min测定各组过滤后的吸光值，计算色素吸附率，根据D-木糖标准曲线计算木糖损失率，进行制图比较，得出活性炭对木糖色素吸附率和木糖损失率随活性炭添加量的变化情况。

移取20mL木糖提取液溶液，加入一定量的活性炭，用0.1mol/L的氢氧化钠溶液和0.1mol/L的盐酸溶液进行调节pH为3，4，5，6，7，8的六个水平，超声波辅助反应后，在水浴温度为60℃的水浴锅中放置30min，过滤后测定各个组的吸光值，计算色素吸附率，根据D-木糖标准曲线计算木糖损失率，进行制图比较，得出活性炭对木糖色素吸附率和木糖损失率随pH的变化情况。

超声时间

移取20mL木糖提取液溶液，加入一定量的活性炭，分别超声波辅助反应时间为20，40，60，80和100min的五个水平，在水浴温度为60℃的水浴锅中放置30min，过滤后测定各个组的吸光值，计算色素吸附率，根据D-木糖标准曲线计算木糖损失率，进行制图比较，得出活性炭对木糖色素吸附率和木糖损失率随超声波时间的变化情况。

温度

移取20mL木糖提取液溶液，加入一定量的活性炭，超声波辅助反应后，再分别置于30、40、50、60、70、80、90、100（℃）的水浴温放置30min，过滤后测定各个组的吸光值，计算色素吸附率，根据D-木糖标准曲线计算木糖损失率，进行制图比较，得出活性炭对木糖色素吸附率和木糖损失率随温度的变化情况。

结果与讨论

最大吸收值波长位置的确定

用紫外-可见分光光度计测定对黄酒糟的提取液在400-500nm波长范围进行扫描，记录扫描波长所对应的吸光度，从而确定黄酒糟中木糖提取液的吸收波长最大吸收值的位置。由图1得出，在440 nm波长时，为1.424吸光度最大。因此，黄酒糟中木糖提取液的最大吸光度值位置是440 nm，所以我们选择在此波长下进行测定脱色效果。

D-木糖标准曲线的绘制

用紫外-可见分光光度计在440 nm波长处测定不同浓度的木糖溶液的吸光度；以横坐标为木糖的浓度（mg /mL），纵坐标为吸光值（A），绘制得出标准曲线，如图2所示，其回归方程为：y=1.240x-0.036，相关系数R=0.993，线性关系良好。根据标准木糖溶液的曲线方程，我们可以通过所测的木糖提取液的吸光度得出待测木糖溶液的浓度。

图1 木糖提取液的吸光值

图2 D-木糖溶液标准曲线

脱色反应受活性炭添加量的影响

分别选用7种不同的活性炭用量，对黄酒糟中木糖提取液在50℃下绘制吸附等温线，横坐标为活性炭的用量代表色素吸附平衡时活性炭的浓度，纵坐标为色素吸附率代表色素吸附平衡时的等温吸附量，如图3所示，黄酒糟提取液的组成较为复杂，但活性炭与黄酒糟木糖提取液中色素的吸附曲线仍具有“Langmiur”等温线特征，同林英等研究人员蔗渣木糖提取的研究结果具有一致性。

由图3和图4比较得知，在水浴时间为30min和1h的色素吸附率、木糖损失率差异较小，经济考虑，选择水浴时间30min，随着实验过程中活性炭使用量的增加，脱色率和糖损失率同步增加。当活性炭用量小于4％时，脱色效果与活性炭的用量关系显著，木糖损失率的变化较小，当活性炭用量大于4％时，随着活性炭用量的增加，活性炭吸附色素能力逐渐接近平衡，但木糖损失率却急剧增大，当活性炭用量达到7％时，木糖损失率甚至将近50％，在这种情况下部分活性炭主要吸附糖分子，我们需要考虑在提高木糖提取液色素吸附率的前提下，同时减少活性炭的使用量，使木糖提取液的脱色效果提高和损失减少。从结果分析选择活性炭添加量为4％较适宜，有较好的脱色效果和糖保持率。

图3 活性炭在40℃下30min，1h的色素吸附等温线

图4 活性炭在40℃下脱色30 min，1h时的木糖吸附损失率

图5 pH值对木糖提取液脱色作用的影响

pH对脱色反应的影响

理论上，不同的酸度对糖液的脱色效果影响很大，选择不同pH值对黄酒糟木糖提取液的脱色效果进行比较，从图5看出，黄酒糟中提取的低聚木糖液的脱色率随pH值的增大呈缓慢地先上升后下降趋势，活性炭的脱色效果在3.0＜提取液初始pH值＜6.0 时，脱色效果稳定较好。当pH大于6时，虽然糖损失率呈下降趋势，但色素吸附率也呈下降趋势，当脱色的酸度控制在pH值为5.0时，对色素的吸附率为84％；而木糖的损失率为9.8％；把几个因素结合考虑，得出木糖提取液的初始pH 值控制为5.0 时，脱色效果为好。

超声时间对脱色反应的影响

在其他条件不变的情况下比较，选择不同的超声时间对吸附脱色反应的影响。结果图6可见，色素吸附率随着时间的变化先显著升高，当活性炭超声时间为60分钟时，色素吸附率达到90％以上，随着时间继续增加，色素吸附率反而降低，说明一部分被吸附的色素又被重新解吸下来，达到新的吸附平衡，此时，影响了黄酒糟木糖提取液的脱色效果。木糖的损失率随着时间上升，在20min到60min之间呈缓慢上升趋势，因为大部分的活性炭用于吸附色素，当时间在60min时，色素吸附出于饱和，则开始主要吸附木糖，所以此时木糖的损失率急剧上升，当时间为100min时，木糖损失率达到将近95％。综上所述，60min是比较合适的脱色时间，色素吸附率为91％，木糖损失率仅7.4％。

图6 黄酒糟木糖提取液超声脱色时间进程曲线

图7 温度对黄酒糟木糖提取液吸附脱色作用的影响

温度对脱色反应的影响

调节黄酒糟木糖提取液初始pH为5，加入4％的活性炭，脱色反应分别在8个不同温度下进行实验，每一个的反应时间均为60 min，比较研究了对温度对脱色效果的影响，活性炭对低聚木糖色素的吸附作用是可逆的，温度过高会使吸附作用逆向反应.从图7可知，当温度在≤60℃范围时，脱色反应随着温度的升高，脱色效果明显提高。在一定的吸附体系，在较低的温度条件下，吸附过程达到平衡的时间较长，当温度不断的升高时，分子的运动速度也不断的加快，提取的木糖液粘度也会不断下降，有利于对色素的吸附。当温度达到60℃时，色素的吸附率达到约90％。当温度≥60℃时，活性炭对色素的吸附率则随之下降，因为部分被吸附的色素随着温度的升高从活性炭上解吸率也在提高，在实际的生产中，温度高会增加能耗，增加成本，增加操作难度增大。

脱色条件的优化

黄酒糟中木糖提取液的脱色主要因素有脱色体系中的温度、活性炭用量和脱色的pH值及超声时间等4个因素，采用正交表设计，将每个因素取3个水平，安排9个试验，每个试验做3次，将实验结果取平均值。

表3 因素水平表

在以上的单因素分析中，我们得出了最佳活性炭用量、起始pH、超声时间及水浴温度，但是在脱色反应过程中还要考虑4个因素之间的相互作用和相互影响，所以最佳生产工艺条件的确定，考虑在色素吸附率最优，木糖损失率最低，以有利于原材料的充分利用和降低生产成本，实现产业化生产。通过平行实验得出，选择一定的组合进行正交实验，以确定确定最佳工艺。正交实验结果见如表4。

表4 脱色条件的优化正交试验数据及极差分析

从表4比较3个影响因素的极差，我们得出色素的吸附率和木糖回收率影响的顺序为起始pH 值＞活性炭用量＞脱色温度＞脱色时间，最佳工艺条件为A1B2C2D1。在最佳工艺条件下进行了木糖脱色的效果试验，得出色素吸附率为88.43％，木糖回收率为93.12％。

结语

通过活性炭用量的不同选择脱色的效果比较，绘制了它们的吸附等温线。发现它们对木糖提取液中色素的吸附属于典型的“Langmuir”等温吸附这个结果同一致。通过单因素分析和正交实验，得出在活性炭用量为4％、起始pH为5、超声时间为60 min、脱色温度为50℃的条件下为最有脱色工艺，从黄酒糟中得到的木糖提取液，其脱色率为93.54％，木糖的回收率为92.0l％。这为以黄酒糟为原料生产木糖提供了脱色的一种有效方法，脱色后木糖的色泽和品质满足食品工业的生产要求。

致谢

感谢浙江科技学院交叉预研项目（2014JC07Y），浙江省公益技术应用研究项目的支持（2014C33085）和项目团队成员的密切合作及有关专家的指导。