稻壳水解生产D-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）

0 引言

稻（水稻）（Oryza sativa L.）属禾本科（Gramineae），粮食作物；秆节明显，节间常中空，叶两列互生，叶脉平行，有叶鞘和叶舌；种子为单子叶，有大量粉质胚乳[1]。稻壳是稻米加工过程中数量最大的副产品，占稻谷质量的14%～27%，按平均20%计算，稻壳的产量也是一个庞大的数目[2]。

D-木糖是一种戊糖，英文名称D-xylose，相对分子质量为150.13，分子式为C5H10O5。D-木糖是多缩聚戊糖的一个组分，迄今为止在自然界还尚未发现游离状态的D-木糖。日本在20世纪60年代已批准木糖作为无热量甜味剂，1973年《日本食品添加物便览》对木糖界定为无热量甜味剂、荤菜肴制品添加剂、油脂抗氧剂、酱色原料、各种香味原料、整肠剂、低吸湿性原料、医药用及工业原料。美国FEMA将木糖列为公认的安全食品添加剂。

稻壳中的戊缩糖含量为16%～22%，主要是聚阿拉伯糖葡萄糖醛酸木糖，因此利用丰富的稻壳资源生产高附加值产品木糖，其经济效益和社会效益都是很可观的[3]。

试验以稻壳为研究对象，经预处理及稀硫酸水解，再通过后续分离纯化工序，制备出高纯度的木糖产品，为以后工业上稻壳大规模生产木糖提供可靠的理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验原料

稻壳，市售。

1.2 主要试剂

浓硫酸、浓盐酸、氢氧化钠、无水乙醇、硫酸铜、酒石酸钾钠、无水葡萄糖，均为分析纯；活性干酵母，安琪酵母股份有限公司提供；氯化锌脱色活性炭，辉县市元铢吸附材料厂提供；D-木糖，山东福田药业有限公司提供；D001型苯乙烯大孔型强阳离子交换树脂、D301-FD型苯乙烯大孔型弱阴离子交换树脂、DOC2001型苯乙烯大孔型强阴离子交换树脂，江苏苏青水处理有限公司提供。

1.3 主要设备

FW100型粉碎机，上海市楚定分析仪器有限公司产品；SC69-02C型快速水分测定仪，上海洪纪设备有限公司产品；YXQ-LS-50SII型立式压力蒸汽灭菌器，上海博迅实业有限公司产品；SS-450N型三足式离心机，汕头市离心机厂产品；RE-5002 50L型旋转蒸发器、YS-10L型双层玻璃立式结晶槽，广州乙胜实验仪器有限公司产品；有机玻璃离子交换柱（1 500 mm×90 mm，2 500 mm×200 mm），江苏金三阳水处理科技江苏有限公司产品；SGD-Ⅳ型全自动还原糖测定仪，山东科学院生物研究所产品；CDUPTL-I-40L型超纯水器，成都越纯科技有限公司产品；N2000色谱数据工作站（Cromatography Data System），赛智科技（杭州） 有限公司产品；Shodex RI-201H型示差折光检测器，上海国凡实业有限公司产品；Model 501 Solvent Delivery System输液泵系统，杭州赛析科技有限公司产品；DT-230A型管柱加热器，天津市东康科技有限公司产品；AJO-4493型钙型保护柱（4 mm×3 mm）、RezexRCM-Monosaccharide Ca2+色谱柱（300 mm×7.8 mm），广州菲罗门仪器有限公司产品。

1.4 试验工艺路线

稻壳粉碎→热水预处理→稀硫酸水解→第1次脱色→第1次蒸发浓缩→发酵→第2次脱色→第1次离子交换→第1次蒸发浓缩→第3次脱色→第2次离子交换→0.45 μm微滤→第3次浓缩→结晶→离心→干燥→产品→高效液相色谱检测。

1.5 分析方法

（1）稻壳中水分含量的测定。按照快速水分测定仪说明方法进行测定。

（2）糖液透光度的测定。按照722N型可见分光光度计说明方法进行测定。

（3）糖液pH值的测定。按照PHS-3C型酸度计说明方法进行测定。

（4）糖液电导率的测定。按照DDS-11A型电导率仪说明方法进行测定。

（5）糖液折光浓度的测定。按照手持糖量计说明方法进行测定。

（6）木糖产品水分含量的测定。按照快速水分测定仪说明方法进行测定。

（7）木糖产品纯度测定。采用高效液相色谱面积归一法进行测定。

（8）木糖产品收率的测定。

2 结果与讨论

2.1 稻壳粉碎

粉碎处理可提高反应性能和水解糖化率。经粉碎物料各成分的量没有变化，但粉碎的物料没有膨胀性、体积小，可以提高基质浓度，水解可得到较高浓度的糖液[4]。

通过稻壳粉碎的不同粒径进行单因素试验法选取最优的粉碎条件，结果为在不考虑其他预处理条件手段的情况下，粉碎至100目对稻壳半纤维素的水解较为有利。

2.2 热水预处理

热水预处理能够除去稻壳内在的果胶、脂肪、含氮物、灰分、色素、蜡质及其他杂质，使用水或水蒸气处理纤维素物料的优点是不必添加酸或碱等化学药品。有研究人员设计和构建了一个热水预处理生物量的试验装置，使用蒸汽和水对生物量进行约2 min的处理后闪蒸，处理过程是在低压下进行。

通过选取不同的预处理温度、预处理时间、料液比进行正交试验法选取最优的热预处理条件，结果为预处理温度118℃，按料液比1∶10添加纯水，保温保压1 h，预处理后稻壳中的灰分降低至0.44%，效果最佳。

2.3 稀硫酸水解

稻壳中多缩戊糖不溶于水，也没有甜味，在酸的水溶液中加热，能把多缩戊糖溶解，并进行水解生成单糖-戊糖，戊糖主要有木糖和阿拉伯糖。有人使用一种CSBR反应器对物料进行稀酸处理，可从所处理的物料中含有的半纤维素和纤维素中得到97%的木糖和87%的葡萄糖。

通过选取硫酸的不同浓度、控制水解的不同时间、料液比、水解温度进行正交试验，选取最优化的水解条件。结果显示，在水解温度123℃，料液比1∶8，添加质量分数为1.2%的硫酸溶液的条件下，高压灭菌器保温保压时间为2 h的效果最佳。

水解前，称取经过热水预处理的绝干稻壳28 kg（快速水分测定仪测定甘蔗叶的水分为13.5%），添加质量分数1.2%的硫酸溶液147.4 L；水解后，水解液152.83 kg，水解液折光度4.85%。

2.4 第1次脱色

采用活性炭间歇脱色，通过物理吸附作用去除糖液中的色素、胶体等杂质，达到初步净化的目的[5]。

通过选取活性炭的添加量、控制脱色的不同时间、脱色温度进行正交试验法，以脱色率为考核指标，选取最优化的脱色条件。结果表明，在活性炭添加量为水解混合液质量的2%，脱色温度80℃，搅拌转速150 r/min，脱色时间30 min条件下，趁热抽滤，效果最佳。

脱色前，水解液152.83 kg，水解液折光度4.85%，活性炭质量3.06 kg；脱色后，脱色液质量140.2 kg，折光度4.75%，脱色液透光度95%。

2.5 第1次蒸发浓缩

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。

工艺参数：真空度设定值为-0.1 MPa，温度80℃，旋转蒸发仪转速20 r/min。

浓缩前，料液质量140.2 kg，折光度4.75%，脱色液透光度95%；浓缩后，料液质量67.33 kg，折光度10%，透光度63%。

2.6 发酵

采用活性干酵母粉，活性干酵母粉添加量为0.2%（W活性干酵母粉/W步骤1.5（5） 浓缩液），料液无需经过灭菌，控制料液温度25℃，鼓风充氧，开放式发酵，设定搅拌器转速100 r/min，活性干酵母耐酸、耐高糖，可以去除第1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。定时用SGD-Ⅳ型全自动还原糖测定仪检测葡萄糖含量，当葡萄糖含量0.3%～1.0%时结束发酵，发酵液用布氏漏斗真空抽滤回收酵母，过滤液备用。

发酵前，料液质量67.33 kg，折光度10%，透光度63%，添加的活性干酵母134.66 g；发酵后，用SGD-Ⅳ型全自动还原糖测定仪检测发酵液中的葡萄糖含量为0.19%，抽滤液质量66.58 kg，折光度9.57%，透光度54%。

2.7 第2次脱色

在活性炭添加量为抽滤液质量的2%，脱色温度80℃，搅拌转速150 r/min，脱色时间30 min，趁热抽滤。

脱色前，质量66.58 kg，折光度9.57%，透光度54%；脱色后，料液质量62.11 kg，折光度9.95%，透光度63.6%。

2.8 第1次离子交换

离子交换树脂中的阴阳离子分别和糖液中的杂质阴阳离子进行交换。离子交换树脂还能吸附一些有机杂质，特别是小分子的有机有色物质，很难被活性炭吸附，但很容易被离子交换树脂吸附。

料液依次通过第1强阳离子交换树脂柱、第1弱阴离子交换树脂柱、第2强阳离子交换树脂柱进行净化提纯，控制进料流量为1 BV/h左右。

离交前，料液质量62.11 kg，折光度9.95%，透光度63.6%，电导率95 700 μs/cm，pH值1；离交后，料液质量99.5 kg，折光度3.5%，透光度95%，电导率963 μs/cm，pH值2.71。

2.9 第2次蒸发浓缩

工艺参数：真空度设定值为-0.1 MPa，温度80℃，旋转蒸发仪转速20 r/min。

浓缩前，料液质量99.5 kg，折光度3.5%，透光度95%，电导率963 μs/cm，pH值2.71；浓缩后，料液质量19.59 kg，折光度20.5%，透光度90%，pH值1.92，电导率2 630 μs/cm。

2.10 第3次脱色

在活性炭添加量为抽滤液质量的2%，脱色温度80℃，搅拌转速150 r/min，脱色时间30 min，趁热抽滤。

脱色前，料液质量19.59 kg，折光度20.5%，透光度90%，pH值1.92，电导率2 630 μs/cm；脱色后，料液质量18.07 kg，折光度20.4%，透光度95%，pH值2.3，电导率2 090μs/cm。

2.11 第2次离子交换

第2次离子交换顺序：料液依次通过第2弱阴离子交换树脂柱、第3强阳离子交换树脂柱、第3强阴离子交换树脂柱进行净化提纯，控制进料流量为1 BV/h左右。

离交前，料液质量18.07 kg，折光度20.4%，透光度95%，pH值2.3，电导率2 090 μs/cm；离交后，料液质量25.95 kg，折光度12.0%，透光度99%，电导率20.5 μs/cm，pH值6.7。

2.12 0.45 μm 微滤

微滤膜过滤可除去料液中的悬浮物、细菌、部分病毒及大尺度的胶体。

微滤前，料液质量25.95 kg，折光度12.0%，透光度99%，电导率20.5 μs/cm，pH值6.7；微滤后，料液质量25.94 kg，折光度12.0%，透光度100%，电导率19.3 μs/cm，pH值6.5。

2.13 第3次浓缩

工艺参数：真空度设定值-0.1 MPa，温度80℃，旋转蒸发仪转速20 r/min。

第3次浓缩工序是木糖生产中非常重要的一个工序，它是水解液经过前期的脱色、一次离子交换、一次浓缩、二次浓缩等多个工序的净化处理后，再进行二次离子交换净化和微滤，已完成了木糖生产中的多个净化工序，除结晶外再没有其他提纯手段了。

浓缩前，料液质量25.94 kg，折光度12.0%，透光度100%，电导率19.3 μs/cm，pH值6.5；浓缩后，糖浆质量4.2 kg，折光度81.0%，透光度100%。

2.14 结晶、离心、干燥

结晶是利用木糖在水中的溶解度随温度下降而减小的特性，先在高温下浓缩糖液使水中溶解的糖量达到极限，然后通过降温，便溶解度下降，超出水溶解能力的木糖析出形成木糖结晶；离心分离是利用离心机高速旋转的转鼓（筛篮）产生的离心力，使糖膏中的木糖晶体与母液分离的过程；干燥是通过木糖结晶与热风接触，离心分离后残留在木糖结晶表面的水分和乙醇受热蒸发后被热风带走去除。

工艺参数：结晶槽转速为25 r/min，降温运行，降温幅度为1℃/h；晶种添加量为糖浆质量的0.5%，添加晶种后，养晶6 h；降温，幅度1℃/h；当降至35℃时，从结晶器底部放料，结晶结束；放置好滤布，将糖膏移入离心机内，开启离心机进行分离，间隔10 min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；烘干箱温度设定45℃，烘干至水分为0.5%以下即可。

烘干后的木糖晶体称质量为2.0 kg，水分含量0.16%，木糖产品得率为7.14%，即14 t绝干稻壳可生产1 t木糖。烘干后的木糖产品外观洁白、晶体均匀一致、流动性好。

2.15 高效液相色谱检测木糖产品纯度

采用高效液相色谱面积归一法测定木糖产品纯度，方法简便、结果准确。相比之下，滴定法、比色法等方法专属性差，准确度低。

工艺参数：以超纯水为流动相，采用Phynomenex公司的Rezex系列Ca2+型糖醇柱（带保护柱）作分离柱，选用示差折光检测器，控制分离温度为75℃，分离流速为0.6 mL/min，对木糖产品进行测定。

检测结果，木糖出峰时间为12.040 min，与标准品出峰时间基本一致，木糖产品纯度99.93%，产品符合GB/T 23532—2009的要求。

3 结论

以甘蔗叶为研究对象，采用稀硫酸水解稻壳中的木聚糖，水解条件为硫酸质量分数1.2%，料液比1∶8，水解时间120 min，水解温度123℃，经过脱色、发酵、离子交换、浓缩、结晶等多步分离纯化工序，制备出外观洁白、晶体均匀一致、流动性好的木糖晶体，产品得率为7.14%，即14 t绝干蔗叶可生产1 t木糖。经高效液相色谱检测，木糖产品的纯度为99.93%，符合GB/T 23532—2009的要求。

[1] 徐汉卿.植物学 [M].北京：中国农业出版社，1996：314-318.

[2] Larbi K K，Roy R，Barati M，et al.Use of rice husk for emission neutral energy generation and synthesis of solargrade silicon feedstock[J].Biomass Conversion and Biorefinery，2012 （12）：34-39.

[3] 任素霞.稻壳资源的综合利用研究 [D].长春：吉林大学，2009.

[4] 陈育如，夏黎明，吴绵斌，等.植物纤维素原料预处理技术的研究进展 [J].化工进展，1999（4）：24-27。

[5] 尤新，李明杰.木糖与木糖醇的生产技术及应用 [M].北京：中国轻工业出版社，2006：32-40.◇