基于甘蔗叶中的木糖催化加氢制备木糖醇的研究

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）

我国甘蔗叶年产量高达400×104t，资源十分丰富，但除少部分作为动物饲料外，大部分作为农作物废弃物被蔗农就地焚烧，造成资源的极大浪费，并严重环境污染[1-2]。相关资料显示，667 m2产5 t原料蔗，约有500 kg蔗叶（干基），蔗叶的木聚糖约占干基的20%，且蔗叶采收集中、价格低廉、原料清洁，在我国南方是理想的生产D-木糖的原料。

甘蔗叶中的木聚糖经水解，结晶出木糖，木糖再经催化加氢获得木糖醇，这种用甘蔗叶中的木糖制取的木糖醇，其化学结构和自然界中的完全相同。国际上欧洲、美国、日本等几十个国家，均把木糖醇批准为公认安全的食品添加剂。

试验以甘蔗叶为原料，先制备出木糖，木糖产品在最佳的工艺参数，经化糖、脱色、镍合金催化剂加氢、离子交换、浓缩、结晶等工序制备出木糖醇产品。

1 材料与方法

1.1 试验原料与试剂

甘蔗叶，采自蔗田。

活性炭，辉县市元铢吸附材料厂提供；离子交换树脂，江苏苏青水处理有限公司提供；Raney Ni合金催化剂RTH-311，大连通用化工有限公司提供。

1.2 主要设备

RE-5002 50L型旋转蒸发器，广州乙胜实验仪器有限公司产品；有机玻璃离子交换柱，江苏金三阳水处理科技有限公司产品；SGD-Ⅳ型全自动还原糖测定仪，山东科学院生物研究所产品；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；CD-UPTL-I-40L型超纯水器，成都越纯科技有限公司产品；SUP-DB型实验室用高压静音氢气压缩机，济南思明特科技有限公司产品；GSH-3型实验室反应釜，威海汇鑫化工机械有限公司产品；高效液相色谱系统，赛智科技（杭州）有限公司产品；AJO-4493 4×3 mm型钙型保护柱，广州菲罗门仪器有限公司产品；Rezex RCM-Monosaccharide Ca2+色谱柱300 mm×7.8 mm，广州菲罗门仪器有限公司产品。

1.3 工艺路线

甘蔗叶粉碎→热水预处理→稀硫酸水解→水洗回收糖→第1次脱色→第1次浓缩→第2次脱色→第1次离子交换→第2次浓缩→第2次离子交换→第3次浓缩→结晶→分离→木糖产品→化糖→脱色→微滤→氢化→回收催化剂→脱色→离子交换→浓缩→结晶→分离→烘干→木糖醇→高效液相色谱检测纯度。

1.4 分析方法

总可溶性固形物含量（折光仪法） 采用手持式折光仪法[3]；电导率值测定采用按照电导仪说明方法进行测定；透光度测定采用分光光度计法[4]；残糖含量的测定，按照SGD-Ⅳ型全自动还原糖测定仪的说明方法进行测定；转化率的计算方法采用转化率=（折光-残糖）×100%/折光；纯度的测定采用高效液相色谱法。

产品得率计算方法：

式中：m1——烘干后的木糖醇晶体质量；

m0——木糖的质量。

2 结果与讨论

2.1 甘蔗叶木糖提取工艺

正交试验优化得出最佳水解参数为硫酸质量分数1.2%，料液比1∶8，水解时间150 min，水解温度123℃，经过脱色、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。

24 kg绝干甘蔗叶能生产2.43 kg木糖产品，产品得率为10.13%。高效液相色谱检测木糖产品的纯度为99.87%，符合GB/T 23532—2009的要求。

2.2 化糖

工艺过程及参数为恒温水浴温度65℃，以转速100 r/min搅拌，玻璃烧杯中倒入质量为2.44 kg的木糖晶体，往烧杯中添加纯水，用手持糖量计测溶液的折光浓度，当折光度为35%时停止加水。

2.3 脱色

正交试验优化得出最佳脱色参数为活性炭添加量为料液质量的1%，温度80℃，转速200 r/min，保温30 min，布氏漏斗抽真空过滤。

手持折光仪测得滤液折光度为34.91%，分光光度计测定透光度94.78%。

2.4 微滤

工艺过程：将0.22 μm微滤膜放置在玻璃砂芯过滤器中，漏斗装置中倒入脱色液，采用无油隔膜真空泵进行抽滤。

手持折光仪测得滤液折光度为34.87%，分光光度计测定透光度100%。

2.5 氢化

（1） 工艺过程及参数。将微滤液倒入3 L加氢反应釜中，用浓度2 mol/L的NaOH溶液调pH值至7.5～8.0，备用；按W（催化剂） ∶W（滤液） =1∶9称取催化剂，反应釜装液量不超过釜面的2/3，盖上釜盖，设定温度124℃，搅拌转速1 200 r/min，开始升温。先用氮气置换空气，通入氮气，升压至0.5 MPa，放压到0.1 MPa，如此反复3次，再用氢气置换氮气，方法同氮气，重复3次，仔细检查（肥皂水法）反应釜有无漏气现象。

（2）氢化过程。氢气压缩机向反应釜通入氢气，观察反应釜压力表数字，当压力升至6～7 MPa，温度升至80～110℃，关闭氢气阀，压力表数字下降比较明显，说明釜内物料吸氢比较明显；釜内压力升至11 MPa，关闭氢气阀门，反应釜压力表数字维持在11 MPa不下降，温度稳定在124℃左右，说明物料不再吸氢，氢化反应完毕。用水经反应釜夹层冷却盘管进行内冷却，当釜内温度下降到90℃以下时，打开反应釜排空阀，使釜内压力缓慢降至为0.1 MPa，利用反应釜内部压力，从釜底出料口排出木糖醇料液。氢化过程用时75 min。

（3）注意事项。①反应釜加热升温时，升温速度不应大于80℃/h，加热功率应从低压缓慢加起。工作时磁力搅拌器与釜盖间的水套应通冷却水，保证水温小于35℃，以免磁钢退磁；②当釜内温度超过100℃，磁力搅拌器与釜盖间的水套应通冷却水，保证水温小于35℃，以免磁钢退磁。

2.6 回收催化剂

将盛有木糖醇液的玻璃烧杯静止放置，使催化剂自然沉降，取上清液备用，上清液外观颜色接近无色，测得木糖醇液的透光度为88.93%，pH值6.19，氢化反应的转化率99.87%。用纯水将催化剂清洗至折光度为1%，收集水洗液与上清液混合。

2.7 脱色

经正交试验确定最佳脱色参数：0.5%木糖醇醇液质量活性炭，温度75℃，转速150 r/min，保温35 min，布氏漏斗过滤。测脱色液透光度93.26%。

2.8 离子交换

离子交换顺序：脱色液进依次进入树脂柱的顺序为强阳离子交换树脂柱（型号为D001）-弱阴离子交换树脂柱（型号为D301-FD）。测离子交换后木糖醇溶液折光度21.59%，透光度100%，电导4.13 μs/cm，pH值6.49。

2.9 蒸发浓缩

工艺参数为温度80℃，转速25 r/min；测得醇浆质量2.88 kg，折光度83%，高效液相色谱分析醇浆中木糖醇纯度为99.98%。

2.10 结晶、离心、烘干

工艺参数为降温幅度1℃/h，转速15 r/min，0.5%醇浆质量的晶种，降温总时间40 h。结晶结束，将醇膏移入离心机内，开启离心机进行分离，间隔10 min添加少量无水乙醇淋洗；离心至木糖醇晶体洁白、无母液时放料。设置电热鼓风干燥箱温度45℃，干燥时间25 min。

烘干后的木糖醇外观为结晶性颗粒，大小均匀一致、流动性好、结构松散；测得木糖醇晶体质量为1.69 kg，水分0.45%，高效液相色谱分析木糖醇产品纯度99.96%。相对于木糖产品来说，木糖醇得率为69.4%。即1.44 t木糖通过化学催化加氢可制备出1 t木糖醇。

3 结论

以硫酸为酸化剂水解甘蔗叶，硫酸质量分数1.2%，料液比1∶8，水解时间150 min，水解温度123℃，经过脱色、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。24 kg绝干甘蔗叶生产2.43 kg木糖产品，产品得率为10.13%。高效液相色谱检测木糖产品的纯度为99.87%，符合GB/T 23532—2009的要求。

利用大连生产的Raney Ni合金催化剂RTH-311对木糖产品进行氢化，氢化液经过脱色、离子交换、浓缩、结晶、离心、烘干等工序制备出大小均匀一致、流动性好、结构松散的木糖醇晶体，测得木糖醇晶体质量为1.69 kg，高效液相色谱分析木糖醇产品纯度99.96%。对木糖产品来说，木糖醇得率为69.4%。即1.44 t木糖通过化学催化加氢可制备出1 t木糖醇。

参考文献：

[1]邓家刚，侯小涛，李爱媛，等．甘蔗叶的药效学初步研究 [J]．广西中医药大学学报，2008，11（3）：77-79.

[2]吴建中，欧仕益，汪勇，等．甘蔗叶中黄酮类物质的提取及其抗氧化性研究 [J].现代食品科技，2009，25（2）：165-167.

[3]任鸿钧．木糖醇生产技术问答 [M].北京：化学工业出版社，2008：229-230.

[4]任鸿钧．木糖醇生产技术问答 [M].北京：化学工业出版社，2008：234.◇