竹筍殼半纖維素水解液的制備

陳顯群　楊勝利

1溫州市食品研究所（浙江溫州　325000）2浙江工業(yè)大學(xué)藥學(xué)院（浙江杭州　310014）

竹筍殼半纖維素水解液的制備

陳顯群1楊勝利2

1溫州市食品研究所（浙江溫州325000）2浙江工業(yè)大學(xué)藥學(xué)院（浙江杭州310014）

對(duì)用來(lái)發(fā)酵生產(chǎn)木糖醇的竹筍殼半纖維素水解液的制備進(jìn)行了研究。在水解單因素試驗(yàn)基礎(chǔ)上確定因素的合適水平，通過(guò)正交試驗(yàn)優(yōu)化確定了水解條件：硫酸質(zhì)量濃度0.01 g/mL、溫度120℃、時(shí)間1 h、液料比（mL/g）8∶1。在該條件下水解木糖得率為69.31%，使半纖維素利用率得以提高。

竹筍殼 水解液 優(yōu)化

木糖醇是一種天然甜味劑，化學(xué)名為1,2,3,4,5－戊五醇，是一種五碳糖。外表和口感都與蔗糖相似，與其他多元糖醇相比，其甜度最高[1]。已被廣泛應(yīng)用于食品、醫(yī)藥、印染、紡織、國(guó)防、皮革及化工等領(lǐng)域[2-3]。我國(guó)木糖醇生產(chǎn)采用傳統(tǒng)方法，主要以玉米芯為原料，利用酸水解預(yù)處理，經(jīng)多次精制木糖，再采用氫化技術(shù)生產(chǎn)木糖醇。該方法存在產(chǎn)量低、污染嚴(yán)重、能耗高、生產(chǎn)成本高等缺點(diǎn)[4]。此外，使用的鎳催化劑會(huì)污染環(huán)境，嚴(yán)重制約企業(yè)發(fā)展和競(jìng)爭(zhēng)力的提升。而利用微生物直接發(fā)酵半纖維素水解液生產(chǎn)木糖醇，工藝條件溫和、能耗低、環(huán)境污染小、產(chǎn)品質(zhì)量安全可靠。竹筍殼及竹筍加工下腳料目前還未得到充分開(kāi)發(fā)利用，大部分腐爛后被用作肥料，雖曾有廠家將竹筍殼制作成包裝材料、拖鞋、竹殼雕和快餐盒等，但都未形成規(guī)模。竹筍殼富含半纖維素，且成本低廉，是生產(chǎn)木糖乃至木糖醇很好的原料，然而目前國(guó)內(nèi)外未見(jiàn)相關(guān)報(bào)道。

植物纖維原料水解液中含有很多發(fā)酵抑制物，如果直接用來(lái)發(fā)酵會(huì)影響木糖醇的生產(chǎn)。水解液的制備決定了其發(fā)酵性能，是利用植物纖維原料水解液制備木糖醇的關(guān)鍵步驟，因此對(duì)其進(jìn)行研究具有重要意義。本文對(duì)竹筍殼原料進(jìn)行預(yù)處理和水解條件的優(yōu)化，為提高水解液的發(fā)酵性能作準(zhǔn)備。

1　材料與方法

1.1試驗(yàn)原材料與試劑

竹筍殼；D－木糖、L－鼠李糖，上海伯奧生物科技有限公司；無(wú)水硫酸鎂，上海申博化工有限公司；磷酸氫二鉀、濃硫酸，湖州湖試化學(xué)試劑有限公司；蛋白胨，南通東海龍生生物制品有限公司；酵母粉，廣西一品鮮生物科技有限公司；瓊脂，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；氯化鈣，杭州永星五交化有限公司；乙酰丙酮，永華化學(xué)科技（江蘇）有限公司；硫酸銨，上海益海嘉里有限公司；氫氧化鈉，杭州蕭山化學(xué)試劑廠；乙酸銨，上海研生實(shí)業(yè)有限公司；乙酸，上海杰仁化工有限公司；高碘酸鉀，上海埃彼化學(xué)試劑有限公司。以上試劑均為分析純。

1.2水解方法

稱(chēng)取10 g曬干粉碎的竹筍殼于250 mL的錐形瓶中，加入一定體積的硫酸，在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的條件下于水解鍋中進(jìn)行水解。水解結(jié)束后，用去離子水洗滌并抽濾得到水解液，定容至250 mL，根據(jù)需要稀釋一定的倍數(shù)。

1.2.1水解單因素試驗(yàn)

以木糖得率為目標(biāo)函數(shù)，考察了硫酸質(zhì)量濃度、溫度、時(shí)間和液料比（mL/g）對(duì)水解的影響。

1.2.2水解正交試驗(yàn)

考察硫酸質(zhì)量濃度、液料比和水解時(shí)間的協(xié)同作用及因素之間的交互作用，優(yōu)化水解條件，針對(duì)竹筍殼的水解進(jìn)行了L9(33)的正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)。

1.3分析測(cè)定方法

1.3.1木糖質(zhì)量濃度測(cè)定

取待測(cè)品10 mL，2500 r/min離心10 min，將上清液適當(dāng)稀釋。在25 mL試管中加入1 mL經(jīng)過(guò)稀釋的上清液，再加入3 mL DNS試劑（灑石酸鉀鈉18.2 g溶于50 mL蒸餾水中，加熱后依次加入3,5－二硝基水楊酸0.63 g、氫氧化鈉2.1 g、苯酚0.5 g，攪拌至溶解，冷卻后用蒸餾水定容至100 mL，貯于棕色瓶中，室溫保存），混勻后在沸水浴中反應(yīng)5 min，冷卻后定容至25 mL。在波長(zhǎng)540 nm處測(cè)量吸光度值，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)回歸方程計(jì)算樣品木糖質(zhì)量濃度。1.3.2木糖醇含量測(cè)定

用紫外-可見(jiàn)分光光度計(jì)法來(lái)測(cè)定木糖醇的含量。

試劑的配置：（1）試劑a將0.32 g高碘酸鉀溶于100 mL 1%的鹽酸中；（2）試劑b配置L-鼠李糖溶液1.11 g/L；（3）Nash試劑（需現(xiàn)配現(xiàn)用）在100 mL150 g/L的乙酸銨中，分別加入0.2 mL乙酸及乙酰丙酮。

測(cè)定方法：取適量發(fā)酵液，4 500 r/min離心15 min，將上清液適當(dāng)稀釋。取1 mL稀釋液置于小試管中，加入1 mL試劑a，混勻后在室溫下反應(yīng)10 min，再分別加入2 mL試劑b和4 mL Nash試劑，混合均勻后在53℃水浴中保溫15 min，冷卻后于412 nm處測(cè)定吸光度值。

1.3.3木糖轉(zhuǎn)化率的計(jì)算

2　結(jié)果與分析

2.1原料中木聚糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)的測(cè)定

植物纖維原料中主要含有半纖維素、纖維素。不同種類(lèi)的植物纖維原料中這兩種主要成分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)不同，即使是同一種植物原料，其中木聚糖的質(zhì)量分?jǐn)?shù)也與產(chǎn)地有很大的關(guān)系。經(jīng)檢測(cè)，竹筍殼中木聚糖的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為26.54%。

2.2木糖標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)的繪制（見(jiàn)圖1）

圖1　木糖標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)

2.3水解單因素試驗(yàn)

2.3.1硫酸質(zhì)量濃度對(duì)竹筍殼半纖維素水解的影響

硫酸的質(zhì)量濃度分別設(shè)定為0.005，0.01，0.02，0.03，0.04，0.05 g/mL，以10∶l液料比于107℃下水解1.5 h，得到水解液，考察木糖得率隨硫酸質(zhì)量濃度變化的情況，如圖2所示。

由圖2可以看出：隨著硫酸質(zhì)量濃度的增大，竹筍殼水解液的木糖得率呈先逐漸增大后減小的趨勢(shì)，在硫酸質(zhì)量濃度為0.02 g/mL時(shí)達(dá)到最大值，為65.2%，但是和硫酸質(zhì)量濃度為0.01 g/mL時(shí)的收率（64.8%）差別不大。當(dāng)硫酸質(zhì)量濃度超過(guò)0.02 g/mL時(shí)，木糖得率逐漸減小。原因可能是硫酸質(zhì)量濃度過(guò)低，水解反應(yīng)速率慢，生成木糖的速率慢，木糖得率較低；硫酸質(zhì)量濃度過(guò)高，水解反應(yīng)速率快，生成木糖速率雖加快，然而木糖降解生成副產(chǎn)物的速率也加快，木糖得率也相應(yīng)降低。綜合考慮，選擇硫酸的質(zhì)量濃度為0.01 g/mL。

圖2　硫酸質(zhì)量濃度對(duì)木糖得率的影響

2.3.2液料比對(duì)竹筍殼半纖維素水解的影響

采用質(zhì)量濃度0.01 g/mL的硫酸，分別以5∶1，6∶1，7∶1，8∶1，9∶1和10∶1的液料比于107℃下水解1.5 h，得到水解液，考察木糖得率隨液料比變化的情況，如圖3所示。

圖3　液料比對(duì)木糖得率的影響

由圖3可以看出：隨著液料比的增大，竹筍殼水解液的木糖得率持續(xù)增大。原因是液料比越大，水解越徹底，木糖質(zhì)量濃度越大，木糖得率也就越大。但由于酸的作用有限，到達(dá)一定程度后再增大用量，木糖得率明顯下降。而且液料比過(guò)大，酸的消耗量增加，同時(shí)木糖質(zhì)量濃度過(guò)低會(huì)造成后續(xù)濃縮成本增加。綜合考慮成本和木糖得率，確定液料比為8∶1。

2.3.3溫度對(duì)竹筍殼半纖維素水解的影響

采用質(zhì)量濃度0.01 g/mL的硫酸，以8∶l的液料比分別于100，105，110，115，120和130℃下水解1.5 h，得到水解液，考察木糖得率隨溫度變化的情況，如圖4所示。

圖4　溫度對(duì)木糖得率的影響

由圖4可以看出：隨著水解溫度的升高，竹筍殼水解液的木糖得率先增大后減小，在120℃時(shí)達(dá)到最大值，為66.3%。原因可能是水解溫度過(guò)低，水解反應(yīng)速率慢，木糖的形成速率慢，木糖得率較低；溫度過(guò)高，水解反應(yīng)速率快，木糖的形成速率雖快，但木糖降解生成副產(chǎn)物的速率也加快，木糖得率也會(huì)相應(yīng)降低。因此，選取水解溫度為120℃。

2.3.4水解時(shí)間對(duì)竹筍殼半纖維素水解的影響

采用質(zhì)量濃度1 g/mL的硫酸，以8∶1的液料比于120℃下分別水解40，60，80，100和120 min，得到水解液，考察木糖得率隨時(shí)間變化的情況，如圖5所示。

圖5　水解時(shí)間對(duì)木糖得率的影響

由圖5可以看出：隨著水解時(shí)間的延長(zhǎng)，竹筍殼水解液的木糖得率先逐漸增大后逐漸減小，在60～80 min時(shí)達(dá)到最大值，為69.7%。原因可能是水解時(shí)間過(guò)短，水解反應(yīng)進(jìn)行不徹底，木糖質(zhì)量濃度較低，木糖得率也低；水解時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，木糖降解生成副產(chǎn)物的量明顯增加，木糖得率也會(huì)降低。

2.4水解正交試驗(yàn)

為了考察硫酸質(zhì)量濃度、液料比和水解時(shí)間的協(xié)同作用及因素之間的交互作用，優(yōu)化水解條件，對(duì)竹筍殼原料進(jìn)行了L9(33)的正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)。因素水平安排如表1所示，結(jié)果和數(shù)據(jù)分析如表2和3所示。

表1　因素水平安排

表2　竹筍殼水解正交試驗(yàn)結(jié)果

竹筍殼半纖維素水解正交試驗(yàn)結(jié)果及各因素與水解液木糖得率關(guān)系的方差分析結(jié)果表明：竹筍殼原料的最佳水解工藝為A2B2C2，即硫酸質(zhì)量濃度為0.01 g/mL，液料比為8∶l，水解時(shí)間為1 h。從表3的方差分析結(jié)果可知，各因素對(duì)木糖水解得率的影響大小順序?yàn)椋篊（水解時(shí)間）＞A（硫酸質(zhì)量濃度）＞B（液料比）。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，在最佳工藝條件下水解竹筍殼，木糖得率為69.31%。

表3　方差分析

3　結(jié)論

利用1%稀硫酸溶液水解竹筍殼，得到不同還原糖和木糖含量的水解液。在水解單因素試驗(yàn)基礎(chǔ)上確定因素的合適水平，通過(guò)正交試驗(yàn)優(yōu)化確定了水解條件：硫酸質(zhì)量濃度0.01 g/mL、溫度120℃、時(shí)間1 h、液料比8∶1，提高了水解木糖得率，從而使半纖維素的利用率得以提高。

[1]張鳳清,張麗君,周長(zhǎng)民.木糖醇的特性及應(yīng)用[J].當(dāng)代化工,2008,37(1)：92-95.

[2]M?kinen K K.Xylitol and oral health[J].Advances in Food Research,1979,25：137-157.

[3]Misra S,Gupta P,Raghuwanshi S,et al.Comparative study on different strategies involved for xylitol purification from culture media fermented byCandida tropicalis[J].Separation and Purification Technology,2011,78(3)：266-273.

[4]王關(guān)斌,趙光輝.木糖醇的生產(chǎn)與發(fā)展趨勢(shì)[J].浙江化工,2005,36(2)：25-26,42.

Study on the Preparation of Bamboo Shell Hemicellulose Hydrolysate

Chen Xianqun Yang Shengli

The preparation of bamboo shell hemicellulosic hydrolysate used for production of xylitol by fermentation was studied.On the basis of single factor experiment,the optimal hydrolysis conditions were established by orthogonal experimental design with sulfuric acid concentration of 1%,reaction time of 1 h,hydrolysis temperature of 120℃,liquid to solid ratio(mg/L)of 8∶1.Under above conditions,the yield of xylose was 69.31%,which could improve the utilization rate of hemicellulose.

Bamboo shell;Hydrolysate;Optimization

TS201.3

浙江省科技廳公益項(xiàng)目（2013C32079）

陳顯群 男 1965年生 碩士高級(jí)工程師現(xiàn)從事食品營(yíng)養(yǎng)方面的研究

2015年4月