蔗渣制備低聚木糖溶液的脫色脫鹽工藝及其組分分析

盛金鳳，李 麗，孫 健,,*，李昌寶，趙謀明，何雪梅，鄭鳳錦，李杰民，劉國明，廖 芬

（1.廣西農業科學院農產品加工研究所，廣西 南寧 530007；2.廣西作物遺傳改良生物技術重點開放實驗室，廣西 南寧 530007；3.華南理工大學輕工與食品學院，廣東 廣州 510640）

蔗渣制備低聚木糖溶液的脫色脫鹽工藝及其組分分析

盛金鳳1,2，李 麗1,2，孫 健1,2,3,*，李昌寶1,2，趙謀明3，何雪梅1,2，鄭鳳錦1,2，李杰民1,2，劉國明1,2，廖 芬1,2

（1.廣西農業科學院農產品加工研究所，廣西 南寧 530007；2.廣西作物遺傳改良生物技術重點開放實驗室，廣西 南寧 530007；3.華南理工大學輕工與食品學院，廣東 廣州 510640）

利用活性炭結合陰陽離子交換樹脂吸附技術研究甘蔗渣制備低聚木糖溶液的脫色脫鹽工藝，并采用高效液相色譜分析精制后的低聚木糖溶液組分。結果表明：活性炭對低聚木糖溶液最佳脫色工藝為活性炭添加量質量分數1%、反應溫度60 ℃、吸附時間1 h，在該條件下溶液脫色率為80.25%、還原糖保留率為98.70%。通過對7 種不同型號的樹脂進行篩選，確定選用001×7和D301樹脂串聯、V（001×7）∶V（D301）=2∶1、流速254 mL/h時，離子交換樹脂對低聚木糖脫鹽效果最佳。經過活性炭和離子交換樹脂共同脫色脫鹽，低聚木糖溶液的最終脫色率為92.4%、脫鹽率為79.2%，溶液接近中性（pH 7.4）。高效液相色譜法分析確定低聚木糖水解得到的單糖主要為木糖，還含有少量的甘露糖和葡萄糖，其中木糖占所有單糖的88.9%；低聚木糖溶液主要為木二糖和木三糖，還含有少量的木糖和木五糖。

低聚木糖；活性炭；離子交換樹脂；脫色脫鹽；組分

低聚木糖（xylo-oligosaccharides，XOs）是目前發現的最好的食品用功能性低聚糖[1]，由2～7 個木糖以β-1,4糖苷鍵連接而成，目前在飲料、保健食品、焙烤食品、甜點等食品中得到廣泛應用。低聚木糖具有促使雙歧桿菌增殖、抑制病原菌、增強機體免疫力、抵抗腫瘤和分解致癌物等功能[2-3]。工業上生產低聚木糖主要以木質纖維素類物質為原料，如玉米芯、甘蔗渣、秸稈等農產品副產物[4]。

廣西是全國最大的甘蔗種植基地，甘蔗渣含有24%～29%的半纖維素，主要為1-阿拉伯糖-（4-O-甲基-D-葡萄糖醛）-木糖，以及纖維素、木質素等[5-6]。以甘蔗渣為原料制備低聚木糖溶液時，溶液中還混有一部分色素以及鹽分等雜質[7]。其中色素主要來源于纖維素原料本身含有的色素、焦糖化反應、還原糖與纖維質中的氨基酸產生的美拉德反應以及還原糖的酸降解反應產生的產物[8]。在木聚糖堿法提取的過程中，常會有大量的鈉離子混入提取液中，而鈉離子的存在對木聚糖發酵有抑制作用，同時混入鈉離子還會降低終產品低聚木糖的質量。對低聚糖溶液進行脫色脫鹽是低聚糖精制的關鍵所在。丁勝華等[9]研究了4 種活性炭和7 種大孔離子交換樹脂對低聚木糖靜態吸附脫色效果，結果表明糖用HC-303型活性炭和陰離子交換樹脂D750對低聚木糖溶液具有較好的脫色效果；鄭輝杰等[10]采用陽-陰-陰串聯式離子交換柱對海藻糖提取液脫鹽脫色，結果發現，離子交換柱處理量為4 倍柱體積，脫色率98%，海藻糖的收率為94%；膜過濾技術在糖的純化中得到越來越多的重視，韓永萍等[11]研究3 種納濾膜結構對低聚殼聚糖制備液的純化效果，得出NTR-7450納濾膜更具有工業應用價值；章茹[12]、趙鶴飛等[13]對超濾和納濾技術對秸稈制備的低聚木糖溶液的純化開展過研究，得到最佳的純化工藝；袁其朋等[14]研究了絮凝脫色在低聚木糖精制中的應用；黃海等[15-16]研究比較了活性炭和離子交換樹脂對低聚木糖液的脫色效果，結果表明，活性炭脫色效果較好，但糖損失較大；楊瑞金等[17]進一步對低聚木糖中的色素進行研究，為低聚木糖的精制提供了理論依據。目前以甘蔗渣為原料制備低聚木糖研究中，尚未有人開展以活性炭結合陰陽離子交換進行脫鹽脫色的研究，因此開展以活性炭結合離子交換樹脂對低聚木糖溶液進行脫色脫鹽研究，并采用高效液相色譜（high performance liquid chromatography，HPLC）對精制的低聚木糖溶液組分進行分析，以期為有效開發利用蔗渣低聚木糖提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

低聚木糖溶液：自制的甘蔗渣低聚木糖溶液（超聲波堿法提取，酶法制備），電導率15.48 mS/cm，顏色黃褐色；活性炭粉末（分析純） 重慶川東化工（集團）有限公司；D113、001×7、D301、201×4、717、D311、D201樹脂 上海匯珠樹脂廠；甘露糖、鼠李糖、半乳糖醛酸、葡萄糖、半乳糖、木糖、阿拉伯糖標準品 美國Sigma公司；酒石酸鉀鈉、苯酚、3,5-二硝基水楊酸、無水硫酸鈉、三氟乙酸、乙腈、乙酸銨均為分析純。

1.2 儀器與設備

PHS-25型實驗室pH計 上海今邁儀器儀表有限公司；TU-1810紫外-可見分光光度計 北京普析通用儀器有限公司；JA2003電子天平 上海舜宇恒平科學儀器有限公司；BT-100D定時數顯恒流泵 上海滬西分析儀器有限公司；2695高效液相色譜儀 美國Waters公司；磁力攪拌水浴鍋 金壇市萬華實驗儀器廠；DDSJ-308A雷磁電導率儀 上海儀電科學儀器股份有限公司。

1.3 方法

1.3.1 活性炭對低聚木糖脫色效果實驗

考察活性炭添加量、反應溫度和反應時間對低聚木糖脫色效果，反應結束后以8 000 r/min離心15 min，后經45 μm膜過濾，測定過濾液還原糖和色值，計算還原糖保留率和脫色率?；钚蕴壳疤幚矸绞剑夯钚蕴糠勰┎捎觅|量分數1% HCl溶液浸洗，熱去離子水洗至中性，濾干，120 ℃干燥，冷卻至室溫備用。

1.3.2 離子交換樹脂對低聚木糖溶液脫鹽脫色效果實驗

1.3.2.1 樹脂靜態吸附實驗

7 種樹脂各取20 g，添加70 mL低聚木糖酶解液，靜態吸附2 h，每隔一段時間振搖一次，過濾后測濾液脫色率、脫鹽率。樹脂處理方法：陽離子樹脂用清水浸泡20～24 h后用質量分數3% NaOH溶液浸泡4 h，清水洗至中性，然后用質量分數3% HCl溶液浸泡4 h，清水反復洗至中性，50 ℃烘干備用；陰離子樹脂用清水浸泡20～24 h后用質量分數3% HCl溶液浸泡4 h，清水洗至中性，然后用質量分數3% NaOH溶液浸泡4 h，清水反復洗至中性，50 ℃烘干備用。

1.3.2.2 動態吸附實驗確定串聯樹脂柱最佳脫鹽條件

取活性炭脫色后的低聚木糖溶液，采用恒流泵將溶液泵入層析柱中（玻璃層析柱26 mm×300 mm），等流出液糖度大于0后，每25 mL收集一管，測定每管的電導率，以脫鹽率建立動態穿透曲線，通過對比不同條件下每管的脫鹽率，確定最佳的脫鹽條件。陰陽離子樹脂處理方法同1.3.2.1節，樹脂無需干燥。

1.3.3 樣品組分分析

1.3.3.1 進樣前處理

低聚木糖水解處理方法：取2 mL樣品，加3 mL三氟乙酸（2 mol/L）于安瓿瓶內水解，水解液中和，稀釋至10 mL。取0.4 mL加吡唑啉酮（1-phenyl-3-methyl-5-pyrazalone，PMP）衍生后，過0.45 μm膜，進樣量20 μL；標準糖溶液由甘露糖、木糖、鼠李糖、半乳糖醛酸、葡萄糖、半乳糖、阿拉伯糖組成；低聚木糖溶液經稀釋后過0.45 μm膜直接進樣20 μL。

1.3.3.2 色譜條件

測定標準品和水解液色譜條件：2489UV示差折光檢測器，檢測波長為250 nm；色譜柱為C18柱（4.6 mm×250 mm，5 μm）；流動相為V（乙腈）∶V（乙酸銨溶液）=20∶80。

測定低聚糖色譜條件：2414示差折光檢測器；色譜柱為NH3柱（4.6 mm×250 mm，5 μm）；流動相為V（乙腈）∶V（水）=75∶25。

1.3.4 分析方法

還原糖：DNS法；總糖：苯酚-硫酸法；脫鹽率參見公式（1）。

式中：K0為低聚木糖經樹脂處理前的電導率/（mS/cm）；K1為每管流出液的電導率/（mS/cm）。

采用國際糖色值法GB 317—2006《白砂糖》，測定低聚木糖粗糖漿在420 nm波長處的吸光度變化；脫色率參見公式（2）。

式中：A0為脫色前待測糖液的吸光度；A1為脫色后每管待測糖液的吸光度。

2 結果與分析

2.1 活性炭對低聚木糖溶液的脫色效果

活性炭是制糖工業中常用的脫色劑之一，活性炭顆粒表面含有大量的孔隙，能夠吸附糖液中分子質量大小和活性碳孔隙孔徑相當的色素，其對具有芳香環的色素分子有較強的吸附作用，但同時也會造成溶液中糖分的損失[18]。本研究選用質量分數0.5%、1%、3%、5%的活性炭添加到低聚木糖溶液中，50 ℃反應1 h后測定色值和還原糖含量變化，如圖1所示，還原糖保留率隨著活性炭的添加量增加呈逐漸下降的趨勢，還原糖保留率在93.26%以上；而脫色率隨著活性炭添加量增加而逐漸增大，當活性炭添加量大于質量分數1%時，脫色率增加比較緩慢?；钚蕴繉ι睾偷途勰咎堑奈侥芰Σ町惙浅ｏ@著，對色素的吸附率高于對低聚木糖的吸附率。活性炭添加量大于質量分數1%時，雖然低聚木糖溶液的脫色率得到提高，但提高幅度較低，同時活性炭添加越多，脫色結束后過濾難度越大，因此選用質量分數1%活性炭作為最佳活性炭添加量。

圖1 活性炭添加量對低聚木糖溶液脫色和還原糖的影響Fig.1 Effect of activated charcoal dosage on decolorization and reducing sugar retention

選用質量分數1%的活性炭添加到低聚木糖溶液中，分別在50、60、70、80 ℃反應1 h，如圖2所示，脫色率在50～80 ℃時呈先增加后下降的趨勢，而還原糖的保留率呈逐漸下降的趨勢，考慮到60～70 ℃脫色率增加幅度較低，因此以60 ℃作為活性炭脫色溫度。

圖2 溫度對低聚木糖溶液脫色和還原糖的影響Fig.2 Effect of temperature on decolorization and reducing sugar retention by activated charcoal

圖3 活性炭不同吸附時間下對低聚木糖脫色和還原糖的影響Fig.3 Effect of adsorption time on decolorization and reducing sugar retention by activated charcoal

選用質量分數1%的活性炭添加到低聚木糖溶液中，在60 ℃反應0.5、1、1.5、2 h后測定色值和還原糖含量變化，如圖3所示，活性炭對低聚木糖溶液脫色率在0.5～2.0 h時呈先增加后下降的趨勢，反應1、1.5 h脫色率分別為80.25%、80.83%，脫色率變化較??；而還原糖的保留率呈逐漸下降趨勢，同時溫度越高能耗越大，因此活性炭吸附脫色低聚木糖溶液1 h比較適宜。

研究表明，溶液中相對分子質量為5 000和1 000以內的色素物質可被活性炭吸附，同時溶液中的某些雜質也可吸附在活性炭上，從而達到分離提純的目的[19]。綜合以上結果，活性炭對以甘蔗渣為原料制備的低聚木糖溶液的最佳脫色工藝為添加質量分數1%活性炭60 ℃條件下吸附1 h，低聚木糖溶液脫色率為80.25%，還原糖保留率為98.70%。

2.2 離子交換樹脂對低聚木糖溶液的脫鹽脫色效果

糖的粗液中都含有一定量的陰陽離子，離子的存在不僅影響其后處理，而且降低了糖的純度，使其難以達到食品級標準，因此脫鹽也是低聚木糖精制的關鍵工藝。離子交換樹脂是一類帶有功能基的網狀結構的高分子化合物，離子交換樹脂由于分離技術設備簡單、操作方便、生產連續化程度高，得到的產品純度較高，因而在天然提取物的分離純化中得到廣泛應用。本研究將7 種不同離子交換樹脂（陽離子樹脂：D113、001×7，陰離子樹脂：D301、201×4、717、D311、D201）對低聚木糖溶液脫色效果進行比較，如圖4所示，陽離子樹脂D113和001×7對低聚木糖脫色效果較差，陰離子樹脂D301、201×4和D201對溶液脫色效果較好，脫色率分別為68.83%、71.70%、70.54%。除D311外，陰離子樹脂對低聚木糖脫色效果明顯優于陽離子樹脂的脫色效果，這是由于低聚木糖生產過程中色素含有的—N=N—、—HC=CH—等基團在溶液中大部分成電離狀態，且一般帶負電荷，陰離子樹脂對其有較強的吸附和交換能力[20]。

圖4 不同樹脂對低聚木糖溶液靜態吸附脫色的影響Fig.4 Effect of different macroporous ion exchange resins on XO decolorization

不同的離子交換樹脂對溶液中離子的吸著能力不同，如圖5所示，在7 種離子交換樹脂對低聚木糖溶液靜態吸附脫鹽實驗中，001×7、D301和D201對溶液脫鹽率分別為57.11%、62.16%、56.54%，脫鹽效果優于其他4 種樹脂。由于離子樹脂對離子的選擇性吸附，單獨使用陰離子樹脂或陽離子樹脂會導致溶液酸堿度偏大，所以一般離子交換柱是由陽離子交換樹脂和陰離子交換樹脂串聯起來組成[8]；同時由于活性炭已經脫出溶液中絕大多數色素，因此選用001×7和D301陰陽離子串聯，研究待吸附液流速、pH值以及陰陽離子交換樹脂比例對低聚木糖溶液脫鹽效果的影響。

圖5 不同樹脂對低聚木糖溶液靜態吸附脫鹽的影響Fig.5 Effects of different ion exchange resins on XO demineralization

將001×7強酸性陽離子交換樹脂和D301大孔弱堿性陰離子交換樹脂分別按照2∶1（80 mL+40 mL）、1∶1（40 mL+40 mL）和1∶2（40 mL+80 mL）的順序裝柱，按照陽離子樹脂柱-陰離子樹脂柱的順序串聯，取低聚木糖溶液調節pH 5，恒流泵以254 mL/h流速泵入樹脂柱中，每25 mL收集一管，測定每管的電導率，以脫鹽率為指標建立動態穿透曲線。如圖6所示，陽離子樹脂與陰離子樹脂體積比越高，對低聚木糖溶液處理量越大，V（001×7）∶V（D301）=2∶1時，離子交換柱對低聚木糖溶液處理量為1 250 mL，脫鹽率為78%～80%，為10.4 倍樹脂體積；而V（001×7）∶V（D301）=1∶1時，對低聚木糖溶液的處理量450 mL后，脫鹽率迅速下降，離子交換柱處理量為5.6 倍樹脂體積；當V（001×7）∶V（D301）=1∶2時，對低聚木糖溶液的處理量為550 mL，處理量僅為4.6 倍樹脂體積。這表明陽離子樹脂001×7對低聚木糖溶液中離子交換能力大于D301陰離子樹脂，因此選用V（001×7）∶V（D301）=2∶1作為處理低聚木糖溶液的最佳樹脂比例。

圖6 不同樹脂體積比對低聚木糖脫鹽效果的影響Fig.6 Effect of different volume ratio between cation resin and anion resin on XO demineralization

將V（001×7）∶V（D301）=2∶1（80 mL+40 mL）的順序裝柱，取低聚木糖溶液分別調節至pH 5、6、7，恒流泵以254 mL/h流速泵入樹脂柱中，每25 mL收集一管，測定每管的電導率。結果發現，不同pH值條件下，離子交換樹脂柱對低聚木糖溶液脫鹽率及處理量差異較?。▓D7），表明低聚木糖溶液的pH值對樹脂脫鹽效果影響較小。

圖7 不同pH值低聚木糖溶液的離子交換樹脂脫鹽效果Fig.7 Effect of pH on XO demineralization by ion exchange resins

在V（001×7）∶V（D301）=2∶1（80 mL+40 mL）的裝柱條件下，取低聚木糖溶液調節至pH 5，恒流泵分別以254、339、429 mL/h流速泵入樹脂柱中，每25 mL收集一管，測定每管的電導率。結果發現低聚木糖溶液流速越低，離子交換樹脂柱對低聚木糖溶液處理量越大（圖8）。

圖8 低聚木糖溶液不同流速對離子交換樹脂脫鹽效果的影響Fig.8 Effect of sample loading flow rate on XO demineralization by ion exchange resins

綜合以上，陰陽離子串聯樹脂對低聚木糖脫鹽結果表明，溶液的pH值對離子交換樹脂脫鹽效果影響較小，當V（001×7）∶V（D301）=2∶1、低聚木糖溶液流速254 mL/h時脫鹽效果最佳，對低聚木糖脫鹽處理量為10.4 倍的柱體積、對低聚木糖溶液脫鹽率為79.2%、對低聚木糖溶液脫色率為61.4%。通過計算，經活性炭和離子交換樹脂共同脫鹽脫色，低聚木糖溶液的最終脫色率達92.4%，脫鹽率為79.2%，溶液pH值為7.4，溶液酸堿度接近中性。

2.3 低聚木糖溶液組分分析

圖9 標準單糖溶液色譜圖Fig.9 Chromatogram of mixed monosaccharide standard solution

7 種標準品混合液經H P L C分析得到標準單糖溶液色譜圖（圖9）。依據出峰值時間依次為甘露糖（11.4 min）、鼠李糖（15.1 min）、半乳糖醛酸（19.9 min）、葡萄糖（22.8 min）、半乳糖（25.6 min）、木糖（27.3 min）、阿拉伯糖（28.1 min）。

對經過活性炭和離子交換樹脂脫鹽脫色的低聚木糖溶液水解后，利用HPLC進行組分定性定量分析（圖10），確定低聚木糖水解得到的單糖為甘露糖0.05 mg/mL、葡萄糖0.17 mg/mL、木糖1.76 mg/mL，其中木糖為主要的單糖，比例占所有單糖的88.9%。

圖10 低聚木糖水解溶液色譜圖Fig.10 Chromatogram of acid hydrolysates of sugarcane bagasse XOs

從低聚木糖溶液色譜圖（圖11）可見，在4.439 min時出現木糖峰，占2.11%；在5.911 min和6.085 min時出現2 個峰，分別為木二糖和木三糖，含量分別為38.64%和38.38%；在8.021 min時出現的峰推測為木五糖，含量占20.86%；從出峰時間和出峰面積以及低聚木糖水解液后單糖含量推斷得知，低聚木糖溶液主要為木二糖和木三糖，還含有少量的木糖和木五糖。

圖11 低聚木糖溶液色譜圖Fig.11 Chromatogram of sugarcane bagasse XOs

3 結 論

采用活性炭結合離子交換樹脂對蔗渣制備的低聚木糖溶液進行脫色脫鹽研究，低聚木糖溶液中添加質量分數1%活性炭60 ℃條件下吸附1 h，溶液脫色率為80.25%，還原糖保留率為98.70%；當001×7和D301離子交換樹脂串聯、V（001×7）∶V（D301）=2∶1、流速254 mL/h時，離子交換樹脂對低聚木糖脫鹽效果最佳，低聚木糖上柱量為10.4 倍的柱體積，對低聚木糖溶液脫鹽率79.2%，經過活性炭和離子交換樹脂共同脫鹽脫色，低聚木糖溶液的最終脫色率達92.4%，脫鹽率為79.2%，溶液的pH值為7.4，溶液酸堿度接近中性。HPLC分析確定低聚木糖水解得到的單糖主要為木糖，木糖占所有單糖的88.9%，其他為甘露糖和葡萄糖；低聚木糖溶液主要為木二糖和木三糖組成，還含有少量的木糖和木五糖。在低聚木糖的脫色脫鹽和組分分析研究基礎上，可進一步開展特定聚合度低聚木糖的分離純化與生產制備研究。

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Decolorization, Demineralization and Monosaccharide Composition of Xylooligosaccharides from Sugarcane Bagasse

SHENG Jin-feng1,2, LI Li1,2, SUN Jian1,2,3,*, LI Chang-bao1,2, ZHAO Mou-ming3, HE Xue-mei1,2, ZEHNG Feng-jin1,2, LI Jie-min1,2, LIU Guo-ming1,2, LIAO Fen1,2
(1. Institute of Agro-Food Science & Technology, Guangxi Academy of Agricultural Sciences, Nanning 530007, China; 2. Guangxi Crop Genetic Improvement and Biotechnology Key Lab, Nanning 530007, China; 3. College of Light Industry and Food, South China University of Technology, Guangzhou 510640, China)

Decolorization and demineralization of xylooligosaccharides (XOs) from sugarcane bagasse were investigated by activated charcoal combined with ion exchange resin adsorption. The monosaccharide composition of XOs was analyzed by high performance liquid chromatography (HPLC). Results showed that the optimum decolorization conditions for XOs were addition of 1% activated charcoal followed by adsorption at 60 ℃ for 1 h, resulting in a decolorization rate of 80.25% and a retention rate of reducing sugar of 98.7%. Through a comparative analysis of seven different types of resins, sequential chromatography on 001×7 and D301 with a volume ratio of 2:1 at a flow rate of 254 mL/h was chosen for the best demineralization of XOs. The decolorized and demineralized XOs exhibited a decolorization rate of 92.4% and a demineralization rate of 79.2%, and were nearly neutral (pH 7.4). HPLC analysis showed that the major monosaccharide from acid hydrolysates of purified XOs, accounting for 88.9% of the total monosaccharides, and small amounts of mannose and glucose were detected as well. The XOs obtained in this study mainly contained xylobiose and xylotriose, together with a small amount of xylose and xylopentaose.

xylooligosacchardies; activated charcoal; ion exchange resin; decolorization and demineralization; monosaccharide composition

TS201.1

A

1002-6630（2014）14-0040-06

10.7506/spkx1002-6630-201414008

2014-01-24

2011年留學人員科技活動項目擇優資助經費項目（桂人社辦發[2012]250號）；廣西重點實驗室建設項目（12-071-09）；廣西農業科學院面上項目（2013YM03）

盛金鳳（1987—），女，研究實習員，碩士，研究方向為食品科學。E-mail：shengjinfeng919@126.com

*通信作者：孫健（1978—），男，研究員，博士，研究方向為農產品貯藏加工。E-mail：jiansun@gxaas.net