酸水解玉米秸稈發酵生產木糖醇

馬偉超，李一婧，念亞男

（天水師范學院生命科學與化學學院，甘肅 天水 741001）

木糖醇（xylitol）的化學名稱為 l，2，3，4，5-戊五醇，是木糖代謝的中間產物，甜度與蔗糖相當，可替代蔗糖作為甜味劑，且具有良好的抗齲齒性能，故在食品、醫藥工業具有廣泛的應用價值[1]。玉米芯和玉米秸稈中富含多縮戊糖、纖維素、半纖維素，是制備木糖醇的良好來源。目前工業上主要采用木糖化學催化加氫的方法來生產木糖醇，其設備和工藝復雜、成本很高，而利用發酵法生產木糖醇不需純化木糖，且發酵液中木糖醇的分離提純較簡單，能夠降低生產成本[2]。試驗用稀硫酸預處理玉米秸稈，進一步優化木糖醇發酵生產的工藝條件。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

1.1.1 菌 種 熱帶假絲酵母（Candida tropicalis菌種保存號：CICC 1779），購自中國普通微生物菌種保藏中心，4℃保存。

1.1.2培養基YM培養基[3]（5mL）：3 g/L麥芽汁、5 g/L蛋白胨、3 g/L酵母粉、pH=6.0。發酵培養基[4]：蛋白胨 2.5 g/L、酵母粉 2.5 g/L、KH2PO45 g/L、MgSO40.5g/L、（NH4）2SO40.5 g/L ，溶解于秸稈水解液中，121℃滅菌15min。

1.1.3 試 劑 麥芽汁（10波林度麥芽汁）（北京雙旋微生物培養基制品廠）；木糖、木糖醇均為分析純（南京奧多福尼生物科技有限公司）；其他藥品均為分析純。

1.2 方法

1.2.1 標準曲線的制作 利用地衣酚比色法[5]制作木糖的標準曲線；利用變色酸比色法[6]制作木糖醇的標準曲線。

1.2.2 玉米秸稈水解液的制備[7-9]參考江滔[7]，邵世芳[8]，張繼泉[9]等，將玉米秸稈用高速組織搗碎機搗碎，稱取7.5 g，設置3個處理組，分別為：①1.5%H2SO4（100 mL）125℃ 80 min；②1.0%H2SO4（75 mL）120℃2 h；③4.0%H2SO4（75 mL）90℃4 h，在鼓風干燥箱中處理，然后過濾，收集濾液，調pH值為7.0，2 500 r/min離心5 min，取上清液，待用。

1.2.3 脫色水解液的制備 按曾雷等[10]的方法，在玉米秸稈水解液中加一定量的活性炭（8%～10%質量比），置于搖床 55℃、1 000 r/min脫色 40 min，然后用真空泵抽濾以除去活性炭。測水解液和脫色水解液的木糖含量。

1.2.4 發酵培養 取活化的熱帶假絲酵母菌懸液1mL，以接種量5%加入發酵培養液中，于30℃、180 r/min搖床培養，每24 h測一次發酵液中木糖和木糖醇的濃度。

1.2.5 木糖和木糖醇含量的測定 將發酵液在12 000 r/min條件下離心5 min，取上清液，用分光光度計測木糖OD670吸光值和木糖醇OD570吸光值，根據標準曲線回歸方程計算出發酵液中木糖和木糖醇的濃度。

2 結果與分析

2.1 標準曲線

2.1.1 木糖標準曲線 木糖的標準曲線如圖1。標準曲線方程為y=0.065 4 x+0.027 7，R2=0.997 8。

圖1 木糖標準曲線

2.1.2 木糖醇標準曲線 木糖醇的標準曲線如圖2。標準曲線方程為y=0.177 3 x+0.016，R2=0.999 0。

圖2 木糖醇標準曲線

2.2 水解液中木糖的含量

對脫色前后的水解液中木糖含量進行對比，結果如表1。由表1可以看出，脫色后水解液的木糖含量比脫色前略低，這是由于活性炭吸附脫色時吸附了少量木糖所致。在不同濃度酸處理水解液中，1%的硫酸處理對木糖產量的影響明顯優于1.5%硫酸處理組，但與4%硫酸處理組差異不顯著。經方差分析后得出，硫酸濃度和脫色與否對水解液中木糖含量的影響都極顯著，但從兩者貢獻的離差平方和來看，硫酸濃度對因變量木糖產量的影響大于脫色對因變量的影響。

表1 初始培養基中木糖的含量

2.3 發酵液中木糖醇及其轉化率的測定

發酵過程中的發酵液木糖醇濃度測定結果見表2。由表2可知：脫色后發酵液中木糖醇的濃度較未脫色組高，用4%硫酸處理組的木糖醇濃度較1%硫酸和1.5%硫酸處理組高。將其進行發差分析及差異顯著性分析，如表3、表4。

表2 發酵液中木糖醇濃度 （mg/100mL）

表3 木糖醇產量的方差分析

由表3、表4可得出：脫色與否對發酵液中木糖醇濃度的影響極顯著；4%硫酸處理組對木糖醇含量的影響最大，其次是1%硫酸處理組，最后是1.5%硫酸組。

根據木糖醇轉化率=木糖醇濃度/培養基初始木糖濃度，對不同處理組的木糖醇轉化率進行比較，結果如圖3。由圖3可知，脫色后木糖轉化率比未脫色組整體要高一些，其中，4%硫酸處理組最高，達46.59%。

表4 木糖醇產量差異顯著性分析

圖3 木糖醇轉化率

根據木糖醇生成速率（g/L·h）=（木糖醇的最終濃度-木糖醇的最初濃度）/發酵時間，對不同處理組的木糖醇生成速率進行比較，結果如圖4。由圖4可知：木糖醇的生成速率以4%硫酸脫色處理組最高，達到1.37mg/L·h。以1.5%硫酸未脫色組最低。

圖4 木糖醇的生成速率

3 結 論

利用3種不同濃度稀硫酸處理玉米秸稈，然后吸附脫色，比較脫色前后不同處理組水解液中木糖含量，得出以1%硫酸未脫色的處理組木糖量最高，為253.348 6μg/mL；4%硫酸未脫色處理組位于其次，為225.519 9μg/mL；且脫色處理木糖量整體低于未脫色處理。將熱帶假絲酵母接種在含上述不同水解液的培養基上進行發酵，發酵72 h后，4%硫酸脫色處理組發酵液中木糖醇含量最高，達10.507 6 mg/100mL；比較各組發酵液中木糖醇轉化率，脫色處理組比未脫色處理組整體要高，且以4%脫色處理組最高，木糖醇轉化率可達46.59%；比較木糖醇生成速率，仍以4%硫酸脫色處理組最高，達到1.37 mg/L·h。

[1] 馮永強，王江星.木糖醇的特性及其在食品中的應用[J].食品科學，2004，25（11）：379-381.

[2] 馬偉超，李一婧，任偉亮，等.熱帶假絲酵母兩態型的控制研究[J].中國釀造，2010，（12）：104-108.

[3] 焦 鵬，胡平沙，黃英明，等.熱帶假絲酵母不同培養條件下絲化的研究[J].微生物學雜志，2000，20（2）：31-33.

[4] 鄧立紅，王艷輝，張 揚，等.熱帶假絲酵母發酵生產木糖醇的研究[J].食品與發酵工業，2004，30（9）：37-40.

[5] 王玉萬，徐文玉.木質纖維素固體基質發酵物中半纖維素、纖維素和木質素的定量分析程序[J].微生物學通報，1987，14（2）：81-84.

[6] 董麗輝，周曉云，張朝暉，等.發酵玉米芯水解液生產木糖醇的研究[J].科技通報，2007，23（1）：123-126.

[7] 江 滔，李國學，路 鵬，等.玉米秸稈稀酸水解糖化法影響因子的研究[J].農業工程學報，2008，24（7）：175-179.

[8] 邵世芳，吳琴燕.酶磨法處理玉米秸稈的糖化發酵研究[J].江西農業學報，2011，（5）：112-116.

[9] 張繼泉，孫玉英，關鳳梅，等.玉米秸稈稀硫酸預處理條件的初步研究[J].纖維素科學與技術，2002，10（2）：33-35。

[10] 曾 雷，賓冬梅.木糖醇制取工藝研究[J].中國林副特產，2005，（2）：28-29.