玉米芯来源低聚木糖的脱色工艺研究

刘 蕾，李加伟，曹 洪

(南京科技职业学院 生物与环境学院，江苏 南京 210048)

低聚木糖是一种功能性低聚糖，由2～10个木糖通过糖苷键连接而成，人体内缺少能够降解β-糖苷键的酶，因此低聚木糖可以通过胃而直接完整到达肠道，并作为碳源被肠道益生菌所利用，促进肠道益生菌的生长，是一种有效的益生元。目前，低聚木糖主要由通过化学法和酶法从富含木聚糖的木质纤维素原料中提取，玉米芯是制备低聚木糖的理想原材料之一。我国作为一个农业大国，据统计，中国每年大约可产生0.4亿t玉米下脚料―玉米芯，2015年大约有0.76亿t的玉米芯副产物，生产低聚木糖的资源优势不可忽视[1]。然而玉米芯中含有大量的天然色素物质，因此需要对制备的玉米芯低聚木糖进行脱色提高产品的纯度和质量[2]。在制糖工业中，较常采用的脱色吸附剂有活性炭、硅藻土、大孔树脂等，本文采用不同的大孔树脂以及市售常用吸附剂对玉米芯制备的低聚木糖溶液进行脱色处理以提高其附加值，在静态条件下通过吸附实验选择最合适的脱色剂，并进行了工艺优化，为玉米芯来源低聚木糖的脱色工艺提供理论基础。

1 材料与方法

1.1 实验材料与仪器

低聚木糖：取一定量的玉米芯粉，粉碎至40～80目备用，按照固液比1∶20，添加10%(w/v) NaOH在70℃条件下进行碱抽提4 h，添加木聚糖酶进行酶解，酶用量为20 IU/g，在50℃和pH值5.0条件下酶解2 h，反应结束后，沸水浴加热5 min，冷却至室温，过滤，5000 r/min条件下离心20 min，所得上清液即为玉米芯低聚木糖粗提取溶液。木聚糖酶：北京沃凯生物科技有限公司。

D900树脂，D941树脂购自于郑州勤实科技有限公司；活性炭和白土购自于山东优索化工科技有限公司；HPD300购自于陕西乐博生化有限公司。

恒温震荡摇床，常州澳华仪器有限公司；721型紫外可见分光光度计，上海仪电分析仪器有限公司；电子分析天平，国药集团化学试剂有限公司；冷冻离心机，卢湘仪TGL-18MS，上海卢湘仪离心机仪器有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 树脂预处理

D900，D941树脂采用浓度为1 mol/L的NaOH 溶液浸泡树脂1 h，用去离子水冲洗至pH值为9.0左右；再用浓度为1 mol/L的HCl 溶液浸泡树脂1 h，用水冲洗至pH值为4.0左右；最后用浓度为1 mol/L的NaCl溶液浸泡过夜，用去离子水冲洗直至出水pH值为中性；HPD300树脂在90%乙醇中浸泡4 h，再用蒸馏水清洗干净，沥干后备用。

1.2.2 不同吸附剂静态脱色筛选

经过预处理的D900树脂，D941树脂，活性炭，白土，HPD300树脂各称取1.0 g，置于50 mL锥形瓶中，各加入20 mL预处理后的低聚木糖粗糖液，在恒温摇床中静态吸附3 h，转速150 r/min，温度设置为25℃，当吸附达到平衡后进行固液分离，测定上清液中的糖浓度、色值，以吸附过程的脱色率和低聚木糖损失率为评价指标对不同的脱色剂进行筛选。

1.2.3 糖液色值的测定

将待测糖液样品调节至pH值7.0，然后用0.45 μm的微孔滤膜过滤，测定滤液在420 nm处的吸光度值从而计算糖液的色值和脱色率[2]。其中：

脱色率计算公式入下[2]，其中：Ts为透光率；A为420 nm处的吸光度；b为比色皿厚度(cm)；ρ为糖液浓度(g/mL)。

1.2.4 还原糖的测定

还原糖含量测定采用DNS法，具体见参考文献[4]。其中木糖标准曲线的回归方程为Y=0.6414X-0.0459，其中，R2=0.9945。

1.2.5 糖液中低聚木糖的测定

预处理液中低聚木糖含量的计算如下[5]：

C= (C1×N-C2)×0.88

式中: C2为低聚木糖液中木糖质量浓度，g/L；C1为低聚木糖酸水解液中木糖质量浓度，g/L；N为稀释倍数；0.88为低聚木糖和木糖之间的转换系数。

2 结果与分析

2.1 脱色剂的筛选

不同脱色剂在室温25℃条件下对低聚木糖粗提取液进行吸附脱色后，不同脱色剂添加量为5%(w/v)，脱色效果和吸附过程中低聚木糖的损失率如图1所示。

图1 不同脱色剂的筛选

如图1所示，粗低聚木糖提取液经过脱色剂吸附后，其中HPD300树脂的脱色率最高，达60.05%，其次为D941，脱色率为58.13%；随着脱色的进行，不同脱色剂对低聚木糖也产生了一定程度的吸附，其中HPD300吸附后的损失率最大，达到22.09%，而经D941树脂吸附后，低聚木糖损失率最小，为15.09%。由于低聚木糖的市场附加值较高，综合产品的色值和附加值考虑，选用D941树脂进行后续低聚木糖液脱色工艺的研究。

2.2 D941树脂脱色工艺研究

2.2.1 温度对D941脱色工艺的影响

将D941树脂在不同温度25，30，35，40，50℃下在恒温摇床中对低聚木糖粗糖液进行静态吸附脱色，效果如图2所示。

图2 温度对低聚木糖脱色的影响

由图2可以看出，随着温度的升高，糖液脱色率呈现出不断降低的趋势，在温度为35℃时，脱色率达到最高，达58.86%，低聚木糖损失率为14.88%；继续升高温度，脱色率略有下降，这可能是由于温度过高会使吸附与解析动态平衡遭到破坏，导致部分已被树脂吸附的色素重新解析出来。因此，D941大孔树脂的适宜脱色温度选择40℃。

2.2.2 D941树脂脱色时间的研究

脱色时间是影响糖液脱色的一个重要因素，亦直接决定了工艺的经济性。图3考察了时间对低聚木糖液脱色的影响。

图3 时间对低聚木糖脱色的影响

由图3可知，脱色随着时间的延长，脱色率不断提高，脱色达到60 min时，脱色率达到最高，为64.54%，此时低聚木糖损失率为9.76%。随着时间的延长，糖液的脱色率和低聚木糖损失率变化幅度不大，从工艺经济性角度考虑，选用脱色时间60 min较为适宜。继续延长脱色时间，D941树脂对色素的吸附已经达到了饱和，脱色率趋于稳定，但低聚木糖损失率却明显升高。综合考虑，D941树脂的脱色时间选择60 min较为适宜。

2.2.3 pH值对树脂脱色的影响

如图4所示，随着pH值的升高，脱色过程低聚木糖的损失率逐渐升高，在pH值5.0达到最高，D941树脂的脱色率最高，为65.21%，低聚木糖损失率最低，为9.53%，此后，随着pH值逐渐升高，脱色率开始逐渐降低并趋于稳定，而低聚木糖损失率逐步升高。结果表明，酸性环境有利于D941大孔树脂对溶液中色素的吸附，而碱性环境则加大了低聚木糖的损失率，这有可能由于低聚木糖在碱性环境中溶解度相应变小，形成了部分沉淀造成了损失量增加。

图4 pH值对低聚木糖脱色的影响

3 结论

采用木聚糖酶酶解玉米芯来源低聚木糖，分别采用树脂D900，树脂D941，活性炭，白土，树脂HPD300对低聚木糖粗糖液进行吸附脱色，结果表明：大孔弱碱性离子交换树脂D941树脂对低聚木糖粗糖液脱色效果较好，最佳脱色工艺条件为：脱色温度40℃，脱色时间60 min，pH值为5.0。在此优化条件下，粗低聚木糖溶液的脱色率为65.21%，低聚木糖损失率为9.53%。