新疆胡杨树皮提取木聚糖的研究

王晶　董翔　覃瑞

摘要：采集新疆地区胡杨（Populus euphratica）树皮，利用碱提法提取其木聚糖。采用水煮处理脱去大部分水溶性物质后，在胡杨树皮中加入10%氢氧化钠溶液（m∶V=1∶5）在70 ℃下碱提1 h，8层纱布过滤后的碱提滤液加入0.15倍体积的30%双氧水，70 ℃脱色1 h，最后调pH至中性，加入2倍体积乙醇，醇沉获得木聚糖。结果表明，得到木聚糖的干重收率为4.35%，自提胡杨树皮木聚糖能够作为木聚糖酶试验中的底物使用，具有一定的替代性，且其来源为新疆胡杨树皮，对当地资源开发利用有一定实际意义。

关键词：胡杨（Populus euphratica）；资源利用；新疆；木聚糖

中图分类号：TQ91 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2018）03-0075-03

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2018.03.017

Abstract： The bark of Populus euphratica in Xinjiang was collected，and then extracted xylan by alkali extraction method. The sediment of the bark of Populus euphratica was cleaned up and most of the water-soluble substance was washed away with boiled water. After adding the 10% sodium hydroxide solution（m∶V=1∶5） at 70 ℃ for 1 h，the alkali extract which was filtered by eight-layer gauze was added with 0.15 fold volume of 30% of hydrogen peroxide at 70 ℃ for 1 h，for decolorization. The final pH was adjusted to neutral，with ethanol（V∶V=1∶2） to obtain xylan. The dry-based yield was 4.35%. The results showed that the xylan from Populus euphratica could be used as a substrate in xylanase experiment.

Key words： populus（Populus euphratica）； resource utilization； Xinjiang； xylan

木聚糖是半纤维素的主要组成成分，半纤维素的含量在自然界中仅次于纤维素，是重要的可再生資源[1]。木聚糖是一种通过β-1，4-糖苷键连接β-D-吡喃型木糖单元构成主链的异质多糖，其主链或侧链上通常带有多种不同的取代基，常见取代基有葡萄糖醛酸、4-O-甲基-D-葡萄糖醛酸、α-L-阿拉伯呋喃醛酸、乙酰基、阿魏酰基和ρ-香豆酰基[2，3]。木聚糖可以用于生产低聚木糖、木糖醇、糠醛、乙醇、水溶性薄膜和水凝胶等多种产品[4-6]。有多种方法可以分离出半纤维素，比如碱提法、酸法、蒸汽爆破法、液态热水法，再加以超声辅助提取等[7，8]，其中最常用的方法为碱提法。

近年来，关于木聚糖酶的研究越来越多，利用酶解法处理纤维素和半纤维素类物质，不仅能使造纸行业更加环保，也能在降低成本的同时使饲料利用率更高效[9，10]。新疆地区的胡杨（Populus euphratica）林占全国胡杨林总量的90%以上，是胡杨林的主要分布地区。塔里木盆地是新疆胡杨林的中心分布区，其分布范围包括塔里木盆地各河流域流经的阿克苏、喀什和和田3个地区以及巴音郭楞蒙古自治州[11]。有针对胡杨的耐旱、耐盐以及生物量等方面的研究[12-14]，对胡杨资源的利用鲜见报道[15]。目前，胡杨林大部分是作为旅游景点进行开发，大面积栽种胡杨以及对胡杨林的保护都需要经济支持，将胡杨资源化作为经济资源能促进胡杨的栽种以及对胡杨林的保护力度。本研究采集了新疆地区的胡杨树皮，采用水煮处理脱去大部分水溶性物质后，利用碱提法提取其中的木聚糖，证明该地区胡杨树皮能提取目前市价较贵且有一定需求量的杨树木聚糖，通过后续工艺优化提高木聚糖的收率，以期带动胡杨资源的利用以及当地经济的发展。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

原料：胡杨树皮，采样时间为2017年8月2日，采样地点为新疆巴音郭楞蒙古自治州若羌县，坐标北纬39°68′，东经88°42′。

木聚糖酶：实验室保藏酶粉DSB（蛋白质数据库编号PDB：1YNA），使用时采用缓冲溶液溶解稀释。试剂（均为分析纯）：氢氧化钠、双氧水、盐酸、无水乙醇、酒石酸钾钠、3，5-二硝基水杨酸、苯酚、亚硫酸钠、磷酸氢二钠、柠檬酸。木聚糖标准品：X0502 （Sigma公司）。

1.2 仪器与设备

FW117型中草药粉碎机（天津市泰斯特仪器有限公司）；SHZ-DIII型循环水式真空泵（巩义市予华仪器有限责任公司）；HH-2型数显恒温水浴锅（常州朗越仪器制造有限公司）；SCIENTZ-12N型冷冻干燥机（宁波新芝生物科技股份有限公司）；V-5800型可见分光光度计（上海元析仪器有限公司）。

1.3 方法

1.3.1 从胡杨树皮中提取木聚糖 用水冲洗胡杨树皮去掉泥沙后，将其用剪刀剪碎至1 cm左右，放入粉碎机粉碎。将粉碎好的树皮与水混合（m∶V=1∶10）后70 ℃水浴2 h，用8层纱布过滤树皮，并用大量水冲洗，随后50 ℃烘干至恒重。取烘干后的树皮与10%氢氧化钠水溶液混合（m∶V=1∶5），70 ℃水浴处理1 h，8层纱布过滤取滤液。向滤液中加入0.15倍体积的30%双氧水搅拌充分，70 ℃水浴处理至无气泡冒出，随后使用盐酸调pH至约6.5，最后加入2倍体积无水乙醇醇沉过夜。抽滤获得滤渣即为自提木聚糖，冷冻干燥样品获得自提木聚糖粉末。

1.3.2 检测胡杨树皮木聚糖 取一定量的自提木聚糖粉末，用pH 6.0磷酸氢二钠-柠檬酸缓冲溶液配制成木聚糖底物，加热煮沸使木聚糖溶解。取木聚糖酶酶粉，同样用pH 6.0磷酸氢二钠-柠檬酸缓冲溶液配制成一定浓度的木聚糖酶酶液。使用DNS法检测还原糖的存在，检测方法如下：空白对照组（900 μL pH 6.0缓冲溶液于60 ℃反应10 min后加入1.5 mL DNS，补100 μL酶液，100 ℃水浴5 min显色），还原糖检测组（900 μL自提木聚糖于60 ℃反应10 min后加入1.5 mL DNS，补100 μL酶液，100 ℃水浴5 min显色），酶解试验组（900 μL自提木聚糖中加入100 μL木聚糖酶酶液后于60 ℃反应10 min，加入1.5 mL DNS，100 ℃水浴5 min显色）。以空白对照组为空白，在540 nm下測定还原糖检测组及酶解试验组的吸光度。

2 结果与分析

2.1 胡杨树皮提取木聚糖的工艺路线和收率

40 g胡杨树皮提取得到木聚糖1.74 g，自提胡杨树皮木聚糖的收率约为4.35%，收率不高，还有改进工艺提升收率的空间。如图1所示，自提木聚糖工艺较为简单，在进行适当的工艺优化后，能进行大批量生产。

2.2 自提杨树木聚糖外观鉴定

如图2所示，自提木聚糖粉末呈淡黄色，缓冲溶液不能将其完全溶解，加热煮沸后，呈淡黄色，有小颗粒悬浮其中，静置一段时间后会有少量沉淀，其外观与Sigma公司生产的Brichwood xylan相似度很高。

2.3 还原糖及木聚糖检测

通过DNS法测定了还原糖检测组及酶解试验组在540 nm下的吸光度，以0.25%自提木聚糖作为底物的还原糖检测组在540 nm下的吸光度平均值为0.036，酶解试验组的吸光度平均值为1.188。这说明0.25%自提木聚糖溶液中还原糖含量很低，可以忽略不计，酶解试验组能在酶的作用下生成大量还原糖，且由图3可以看出其反应液较为澄清，不会出现细小悬浮物干扰540 nm下吸光度的测定。

以0.5%自提木聚糖作为底物的还原糖检测组在540 nm下的吸光度平均值为0.273，酶解试验组的吸光度平均值为2.39。这说明0.5%自提木聚糖溶液中含有一定量还原糖，但其含量很低，如图4所示，酶解试验组能在酶的作用下生成更多的还原糖，实际使用时可以根据试验目的来决定底物配制浓度。

3 小结

新疆地区的胡杨树树皮能够提取得到质量较好的木聚糖，收率约为4.35%，其中还原糖含量少，木聚糖含量高，符合木聚糖酶研究中对底物的要求。目前，对于胡杨树树皮的利用研究较少，其树叶可以作为饲料，树干是较好的木材，这一验证结果不仅可以解决目前市面上购置不到符合试验要求的木聚糖的问题，也提供了一种有效利用新疆地区胡杨树树皮资源的方法。木聚糖收率较低，后续可以对其提取工艺进行优化，以提高其收率。

参考文献：

[1] 余天意.极端耐热木聚糖酶XYNH的异源表达及酶学性质鉴定[D].武汉：中南民族大学，2016.

[2] LIAB K，AZADI P，COLLINS R，et al. Relationships between activities of xylanases and xylan structures[J].Enzyme Microb Technol，2000，27：89-94.

[3] KULKARNI N，SHENDYE A，RAO M. Molecular and biotechnological aspects of xylanases[J].FEMS Microbiol Rev，1999， 23（4）：411-456.

[4] JAYAPAL N，SAMANTA A K，KOLTE A P，et al. Value addition to sugarcane bagasse：Xylan extraction and its process optimization for xylooligosaccharides production[J].Industrial Crops and Products，2013，42：14-24.

[5] GU？譈RBU？譈Z E I，GALLO J M R，ALONSO D M，et al. Conversion of hemicellulose into furfural using solid acid catalysts in γ-valerolactone[J].Angewandte Chemie International Edition，2013，52（4）：1270-1274.

[6] LI H Q，JIANG W，JIA J X，et al. pH pre-corrected liquid hot water pretreatment on corn stover with high hemicellulose recovery and low inhibitors formation[J].Bioresource Technology，2014，153：292-299.

[7] SUN S L，WEN J L，MA M G，et al. Successive alkali extraction and structural characterization of hemicelluloses from sweet sorghum stem[J].Carbohydrate Polymers，2013，92（2）：2224-2231.

[8] SALEH S H，NOOR M A M，ROSMA A. Fractionation of oil palm frond hemicelluloses by water or alkaline impregnation and steam explosion[J].Carbohydrate Polymers，2015，115：533-539.

[9] COLLINS T，GERDAY C，FELLER G. Xylanases，xylanase families and extremophilic xylanases[J].FEMS Microbiol Rev，2005， 29（1）：3-23.

[10] YU T，ANBARASAN S，WANG Y W，et al. Hyperthermostable Thermotoga maritima xylanase XYN10B shows high activity at high temperatures in the presence of biomass-dissolving hydrophilic ionic liquids[J].Extremophiles，2016，20（4）：515-524.

[11] 姚运高.新疆胡杨林资源及其保护和利用[J].林业资源管理，1991（1）：16-19.

[12] 王海珍，韩 路，徐雅丽，等.干旱胁迫下胡杨光合光响应过程模拟与模型比较[J].生态学报，2017，37（7）：2315-2324.

[13] 陈永富，王 阳，冯 倩，等.异源表达胡杨PeCPD基因提高烟草对盐、高氮和干旱胁迫的抗性[J].应用与环境生物学报，2017， 23（2）：225-231.

[14] 韩 路，王家强，王海珍，等.塔里木河上游胡杨种群结构与动态[J].生态学报，2014，34（16）：4640-4651.

[15] 刘 松，廖蓉苏，李俊清.胡杨树皮多酚的提取工艺研究[J].生物质化学工程，2006（6）：13-16.