甘蔗叶水解生产木糖工艺研究

钱朋智，张梅娟

（1．齐齐哈尔大学食品与生物工程学院，黑龙江 齐齐哈尔 161006；2．齐齐哈尔大学生命科学与农林学院，黑龙江 齐齐哈尔161006）

国内外学者对玉米芯、秸秆、稻壳、蔗渣等半纤维素原料提取制备木糖进行了大量的研究。但以甘蔗叶为原料生产木糖的技术，国外研究较少[1-4]，国内研究则较多[5-14]。雷光鸿等[5-8]用蒸汽爆破结合酸降解处理甘蔗叶提取木糖，得到最佳爆破工艺是爆碎压力1．2MPa，维压时间12．5 min，粒度100目，固液比1∶15；得到最佳酸解工艺条件：硫酸浓度2%，反应时间2 h，反应温度100℃，料液比是1∶11；采用Ca(OH)2中和脱酸，活性炭脱色，离子交换树脂脱盐方法研究了爆破甘蔗叶酸解水解液的纯化工艺：水解液用Ca(OH)2中和调节至pH3．0，木糖损失率最小，溶液颜色最浅；活性炭用量是6 g/100 mL，初始pH3．0，脱色温度80℃，脱色时间60 min；离子交换树脂能提高木糖的纯度，可达92．5%。周开法[9]就甘蔗叶水解生产木糖的工艺进行了初探，甘蔗叶预处理采用 70℃蒸煮 40min；水解温度为 103℃；固液比 1∶6、1∶7、1∶8；硫酸浓度 1．8%；水解时间 2h；经过脱色、离交、浓缩、结晶得出的木糖产品纯度为98%，得率为6．87%。

现有的甘蔗叶提取木糖的工艺中，在预处理手段、提取工艺、分离提纯等方面仍存在一些问题。如：（1）预处理阶段缺乏合适的预处理手段，如蒸汽爆破预处理过程中，木糖的溶出规律缺乏系统的研究，且对其能够应用于工业化生产的研究还不够深入；（2）酸催化水解过程中，酸碱耗用过多，设备腐蚀严重，且在酸解过程中，半纤维素、木质素、纤维素等降解机理缺乏系统的阐述；（3）目前，水解液脱酸的工艺多采用中和脱酸的方式，在此过程中石灰水与硫酸形成石膏，最终有一部分粘附在蒸发器的管壁上，无法除去，降低了设备效率，而除去工艺复杂，化学法不能除去，只能用机械法除去，过程中难免对设备造成一定程度的损伤，降低了设备的使用寿命；（4）层析分离法是目前世界上分离木糖最有效的方法，耗能低、分离效率高，但是在国内还没有实现工业化，还需要科学工作者进一步研究等[10]。随着生物工程下游技术的迅速发展，各种新技术和新设备的出现，势必带来木糖提纯技术的革新。高效率、低成本的分离纯化工艺，将使得制约木糖工业化进程的壁垒不复存在，木糖（醇）产品必将得到更为有效的推广和应用。

本试验综合现阶段化学法工艺与生物发酵法工艺的技术优势，建立了一条高温蒸煮+稀酸水解与生物发酵法相结合的新型木糖清洁化生产工艺路线，该工艺路线条件温和，木糖得率、纯度进一步提高，环保压力大幅减小。经济效益、社会效益、环保效益都十分显著。

1 材料与方法

1.1 试验材料

1.1.1 试验原料 甘蔗叶，采自广西南宁蔗田。

1.1.2 主要试剂 活性干酵母：安琪酵母股份有限公司；离子交换树脂：江苏苏青水处理有限公司；硫酸、氢氧化钠等均为分析纯。

1.1.3 主要设备 FW100型粉碎机：上海市楚定分析仪器有限公司；立式压力蒸汽灭菌器YXQ-LS-50SII：上海博迅实业有限公司；三足式离心机SS-450N：汕头市离心机厂；有机玻璃离子交换柱：江苏金三阳水处理科技江苏有限公司；SGD-Ⅳ型全自动还原糖测定仪：山东科学院生物研究所；高效液相色谱仪：浙江大学智达信息工程有限公司；Rezex RCM-Monosaccharide Ca2+色谱柱（带钙型保护柱）：广州菲罗门仪器有限公司；钙型保护柱AJO-4493 4mm×3mm：广州菲罗门仪器有限公司。

1.2 试验方法

1.2.1 试验工艺路线 甘蔗叶粉碎→热水预处理→稀硫酸水解→水洗回收糖→水洗液和水解液混合→第一次脱色→第一次蒸发浓缩→发酵→第二次脱色→第一次离子交换→第二次蒸发浓缩→第二次离子交换→0．45μm微滤→第三次浓缩→结晶→离心→干燥→产品→高效液相色谱检测。

1.2.2 主要工艺参数

1.2.2.1 水解 称取经过热水预处理的绝干甘蔗叶28kg（快速水分测定仪测定甘蔗叶的水分为36．5%），添加质量浓度 1．2%的硫酸溶液 224．2kg。

1.2.2.2 脱色 两次脱色均为：活性炭添加量为抽滤液重量的2%，脱色温度80℃，搅拌转速150r/min，脱色时间30min，脱色完毕后趁热用真空抽滤瓶抽滤。脱色后糖液透光80%以上。

1.2.2.3 蒸发浓缩 3次蒸发浓缩均为：真空度设定值-0．1MPa、温度80℃、旋转蒸发仪转速20r/min。

1.2.2.4 离子交换 第一次离子交换：第一强、第二强阳离子交换树脂柱尺寸2500mm×200mm，柱内装填的树脂型号为D001，树脂装填量为30kg；第一弱阴离子交换树脂柱尺寸2500mm×200mm，柱内装填的树脂型号为DOC2001，树脂装填量为30kg。控制进料流量为1BV/h左右。

第二次离子交换：第二强阴离子交换树脂柱尺寸1500mm×90mm，柱内树脂型号为DOC2001；第三强阳离子交换树脂柱尺寸1500mm×90mm，柱内树脂型号为D001；第三弱阴离子交换树脂柱尺寸1500mm×90mm，柱内树脂型号为D301-FD，各树脂装填量均为5kg；控制进料流量为1BV/h左右。

1.2.2.5 微滤 微滤膜孔径为0．45μm，微滤膜放置在玻璃砂芯过滤装置中，采用无油隔膜真空泵进行抽滤。

1.2.2.6 结晶、离心、干燥 （1）结晶：槽转速25r/min，降温运行，降温幅度为1℃/h；仔细观察结晶器中的糖浆状态，当刚要起晶时，加入浓缩糖浆重量的0．5%晶种（事先将木糖晶种研磨，用适量无水酒精配成晶种糊），养晶6h；降温；当降至35℃时从结晶器底部放料，结晶结束，准备离心分离。（2）离心：离心时放置好滤布，用纯水冲洗干净离心机和滤布，将糖膏移入离心机内，开启离心机进行分离，间隔10min添加少量无水乙醇淋洗；离心至木糖晶体洁白、无母液时放料，木糖晶体水分在1．5%～2%。

1.2.2.7 高效液相色谱检测 以超纯水为流动相，选用示差折光检测器，控制分离温度为75℃，分离流速为0．6mL/min，上样浓度1%，上样量10μL。准确称取木糖标准品0．25g置于25 mL容量瓶中，以高纯水溶解并定容至刻度，配成单组分的标准储备液。称取0．25g（精确至0．1mg）木糖产品，置于25 mL容量瓶中，以高纯水溶解并定容至刻度，摇匀，用针头过滤器取5mL，经0．22μm滤膜至少过滤3遍后供分析用。

1.2.3 分析方法 甘蔗叶中水分含量采用快速水分测定仪进行测定；糖液折光浓度采用手持糖量计进行测定；糖液中还原总糖含量采用SGD-Ⅳ型全自动还原糖测定仪进行测定；糖液透光度采用722N型可见分光光度计在420nm下进行测定；木糖含量采用高效液相色谱面积归一法[15]；糖液pH采用PHS-3C型酸度计进行测定；糖液电导率采用DDS-11A型电导率仪进行测定。

2 结果与分析

2.1 甘蔗叶粉碎

预处理可去除或打破木质素和半纤维素与纤维素的交织，降低半纤维素、纤维素和木质素的聚合度与结晶度[16]。机械粉碎属于物理法预处理方法，即通过机械作用把原料切片研磨成粉，在一定的范围内，能够增加比表面积，可促进半纤维素的水解[17]。崔素芬等利用蒸汽爆破处理甘蔗叶时，选用的原料粒度分别为40～100目，当反应釜中升压至1．2MPa，维压时间为12．5min时，原料粒度增大，爆破液中木糖含量增加[11]，这一试验结果验证了甘蔗叶粉碎有利于水解论点的正确性。但水解得率与原料粒度并不完全成正比关系，例如景文祥等[18]分别称取粒径为20～40目、40～60目、60～80目的甘蔗渣进行碱液提取木聚糖酶，结果发现，在不考虑其他预处理条件的情况下，粉碎至60目比80目提取的甘蔗叶木聚糖多，这是因为原料太细导致浸润不完全、冲料等问题，得率反而不高。

本试验将甘蔗叶粉碎为粒径20、40、60、80、100目，结果发现，在不考虑其他预处理条件的情况下，粉碎至60目对甘蔗叶半纤维素的水解较为有利，糖液中还原糖最高，浓度为2．45%，结果与崔素芬等[11]蒸汽爆破处理甘蔗叶的结果不同。这可能因生物质种类、碾磨方式及碾磨时间的差异而导致的[19]，试验研究的结果与景文祥研究结果是一致的，原料粒度与水解得率并不完全成正比关系。

2.2 热水预处理

影响高温蒸煮预处理效果的主要因素有液固比、蒸煮时间、蒸煮温度等。蒙丽霞等[12]利用高温蒸煮预处理甘蔗叶制备木聚糖时，发现当5∶1＜液固比＜10∶1时，反应液中木聚糖溶出率增大，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；随蒸煮时间的延长，其溶出总糖量、木聚糖质量浓度增加，随着时间的延长木聚糖得率的增长变缓；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。本试验优化结果为：预处理温度118℃；按绝干固液比1∶10添加纯水，保温保压1h，预处理后甘蔗叶中的灰分降低至0．32%，效果最佳。试验固液比、蒸煮时间与李敏等[13]利用甘蔗叶酶法制取低聚木糖工艺研究的参数相同，但蒸煮温度比童乃姗[19]研究结果要低8℃，与崔素芬等[11]蒸汽爆破处理甘蔗叶的结果亦不同，他们的处理压力为1．1MPa，远远大于本试验研究参数，料液比为1∶15，也远远大于本试验研究参数，粒度为100目，也与本试验研究参数差别很大。与参考文献相比，本试验研究方法节约了大量的能耗，比参考文献中的高温蒸煮法以及蒸汽爆破法更加经济。

2.3 稀硫酸水解、水洗回收糖、水洗液和水解液混合

糖在酸催化下会脱水生成醛和有机酸等副产物，过大的催化剂用量反而会导致水解所得的糖大量消耗，因此适当的催化剂用量才能得到更多水解产物；只有合适的液固比和水解温度才能生成更多的糖；化学上，反应时间越长，反应越充分，产率越高，但时间过长，也会造成副产物的生产，影响水解液的质量[20]。

本试验通过正交优化，结果为在水解温度123℃，按绝干固液比1∶8添加质量浓度为1．2%的硫酸溶液，高压灭菌器保温保压时间2h效果最佳，还原总糖收率为25．88%。试验中的催化剂用量、水解温度和时间与韦巧艳等[21]利用甘蔗叶提取木糖，采用硫酸浓度2%、反应时间1．5h、反应温度100℃的不同。本试验采用的硫酸浓度与固液比均比文献[21]要小，但水解温度和水解时间要比文献[12]高或多，这可能与预处理方式不同有关；文献[21]选取的是蒸汽爆破处理，本试验选取的是高温蒸煮处理。试验中的催化剂用量、水解温度和固液比与雷光鸿等[7]酸催化水解处理甘蔗叶提取木糖的研究不同，他们采用硫酸浓度2%，反应温度100℃，液料比是11∶1(v/w)，同样，这可能与预处理方式不同有关；文献[7]选取的是蒸汽爆破处理后的甘蔗叶进行硫酸水解，本试验选取的是高温蒸煮处理后的甘蔗叶进行硫酸水解。

2.4 第一次脱色

目前主要有以下几种脱色方式：酸析脱色、活性炭脱色、离子交换树脂脱色、超滤等，工业上广泛选用的是活性炭脱色[22]。本试验结合实验室操作环境和工艺简单操作的原则选择活性炭脱色，选取最优化的脱色条件为：在活性炭添加量为水解混合液重量的2%，脱色温度80℃，搅拌转速150r/min，脱色时间30min，趁热抽滤，脱色率为88．42%，效果最佳。本试验与崔素芬[14]脱色优化条件的活性炭用量6%（w/v）、脱色温度80℃、脱色时间60min，脱色率85．67%相比，工艺参数具有明显的省料省时及高脱色率优点。

2.5 第一次蒸发浓缩

水解液经过活性炭脱色净化提纯后，浓度低。通过一次蒸发，糖液体积大为减少，降低了后序工序的精制负担，同时糖液中的一部分易挥发有机物（部分有机酸及醛类）也被蒸发除去，另外还可以除去水解液中的灰分，所以一次蒸发也不是单纯为了蒸浓水解液，还有净化半成品的功能[23]。

2.6 发酵

经检测，发现试验中的甘蔗叶水解液含10%～15%阿拉伯糖，65%～75%木糖，5%～15%的葡萄糖，通过去除葡萄糖，可提高木糖纯度，可有利于结晶过程木糖和阿拉伯糖的分离。国内外采用去除葡萄糖的方法主要有自然发酵法、酵母发酵法、葡萄糖氧化酶法、超滤法等几种[24]。

本试验采用活性干酵母粉，开放式发酵，料液无需经过灭菌，活性干酵母耐酸、耐高糖，可以去除第一次浓缩液中的葡萄糖，并不代谢木糖和L-阿拉伯糖，菌体可迅速而大量繁殖，而霉菌、细菌由于高糖下发生渗透作用难以生长。试验过程活性干酵母直接按比例投放到敞口发酵设备内（试验结果：以葡萄糖含量降至1%以下的时间为考核指标，活性干酵母扩培后再添加与粉剂直接添加效果相差不大）。发酵过程中，酵母的接种量、发酵温度、搅拌速度等条件都会对发酵过程产生极大的影响。以脱除葡萄糖效果为指标，经正交因素试验得出，活性干酵母粉添加比例为0．2%，pH自然，控制料液温度25℃，鼓风充氧，开放式发酵，设定搅拌器转速100r/min，发酵时间4．5～6h，效果最好。用生物传感仪或高效液相色谱仪检测葡萄糖含量，当葡萄糖含量＜1%时，结束发酵，用布氏漏斗真空抽滤发酵液回收酵母，收集滤液备用。本试验采用活性干酵母开放式发酵法去除水解中的葡萄糖，与其他方法相比，试验方法易操作、设备简单、安全性高，价格低廉。

2.7 第一次离子交换

目前，已经工业化的木糖制备方法包括中和脱酸法和离子交换脱酸法。阴阳离子交换树脂不仅可以去除水解液中的硫酸，还可以除掉盐离子、带电色素等杂质，从而使电导率降低，在脱除硫酸、色素和盐过程中，木糖含量有一定降低，但是已经初步达到了净化木糖溶液的目的[25]。

本试验采用的脱酸工艺与雷光鸿[8]利用甘蔗叶水解液提取木糖纯化工艺的研究工艺不同，他们采用Ca(OH)2进行中和脱酸。中和脱酸必须严格控制水解液的pH，若pH高于4.0，溶液中乙酸、阿魏酸等一些有机酸就会被中和，生产可溶性钙盐而不容易去除，增加了后续离子交换树脂脱盐的负担；而且在蒸发工序中，由于中和脱酸生成的石膏在进入浓缩工序时，随着水解液变浓，石膏在水解液中浓度也变大，呈过饱和状态，此时就有一部分石膏又沉淀出来，沉积在蒸发器的管壁上，形成隔热层，降低蒸发效力，浪费蒸汽，降低设备利用率；由于这层结垢很难除去，特别是很难用化学方法除去，不得不用机械法清除结垢，不但麻烦，而且劳动强度很大，对设备也有不同程度的损伤，降低设备的使用寿命[10]。本试验采用离子交换树脂进行脱酸脱盐脱色，离子交换脱酸工艺比较复杂，树脂用量较多，设备较多，投资大，增加了酸碱消耗，加大了成本。但离子交换脱酸工艺还有其不可替代的优点，它解决了中和脱酸工艺品中设备结垢的缺点，提高了设备利用率和使用寿命，减少了水解液中的灰分和酸的含量，提高了水解液的质量，相应地提高了产品质量。

离子交换顺序为：料液依次通过第一强阳离子交换树脂柱、第一弱阴离子交换树脂柱、第二强阳离子交换树脂柱进行净化提纯。离交后电导率由97300μS/cm降低为606μS/cm，电导率降低率为99.37%，远远高于雷光鸿[8]利用甘蔗叶水解液提取木糖纯化工艺的电导降低率（66.32%）。

2.8 第二次离子交换、微滤

离子交换顺序：料液依次通过第二强阴离子交换树脂柱、第三强阳离子交换树脂柱、第三弱阴离子交换树脂柱进行进一步的净化提纯。微滤膜过滤可除去料液中的悬浮物、细菌、部分病毒及径粒较大的杂质[26]。

2.9 第三次浓缩

第二次离子交换后的木糖溶液浓度为10%～15%，需要浓缩到81%～83%，浓缩倍数为5～8。由于浓缩倍数较大且最终出料浓度较高，若采用一步到位浓缩，对蒸发器运行不利，而且髙浓度糖液的沸点升高很多，将造成木糖严重损失[23]。所以微滤后糖液的浓缩采用两段进行。第一段将料液浓缩到45%～60%，第二段等料液温度降至50℃时再开启旋转真空蒸发仪，将料液由40%～60%浓缩到81%～83%。

2.10 干燥

烘干后的木糖晶体称重为2.71kg，水分含量0.28%，木糖产品得率为9.68%，即10.33t干蔗叶生产1t木糖。烘干后的木糖产品外观洁白、晶体均匀一致、流动性好。

2.11 高效液相色谱检测木糖产品纯度

在选定的色谱条件下，用微量进样器分别取10 L标准溶液和产品溶液，进行检测，产品组成分别见表1和表2，木糖标准品和木糖产品分别为99.9336%和99.967%（图 1和图 2）。

3 结论

试验主要研究了以甘蔗叶为原料生产木糖的工艺，通过分析目前甘蔗叶生产木糖工艺中各自的优缺点，并以此为基础对甘蔗叶的预处理工艺和发酵法除杂糖、离交法脱酸脱盐工艺进行了深入的研究。

实验结果表明，将甘蔗叶粉碎至60目对甘蔗叶半纤维素的水解较为有利；最优化的热预处理条件为：预处理温度118℃；按绝干固液比1∶10添加纯水，保温保压1h，预处理后甘蔗叶中的灰分降低至0．32%；最佳水解工艺：硫酸浓度1．2%、固液比1∶8、水解时间120min、水解温度123℃；采用活性干酵母敞口发酵去除水解液中的葡萄糖，提高了水解液中木糖的纯度，大大有利于木糖和阿拉伯糖的分离；采用离子交换脱酸工艺，具有不可替代的优点，解决了中和脱酸工艺中设备结垢的缺点，提高了设备的利用率和使用寿命，减少了水解液中的灰分和酸的含量，提高了水解液的质量，相应地提高了木糖产品质量；通过蒸发浓缩、结晶分离等工序制备出外观洁白、晶体大小形状均匀一致、流动性好的木糖晶体，产品得率为9．68%，即10．33t绝干的蔗叶可生产1t木糖。经高效液相色谱面积归一法对制备的木糖晶体进行纯度初步鉴定，结果发现，试验制备的木糖产品和木糖标准品结构几乎完全相同，且纯度达到99．967%，符合GB/T 23532-2009的要求。