黃酒糟中低聚木糖的提取及活性炭脫色工藝

改造者：楊志成 劉鐵兵 陳 劼 劉星層 張丞彥 徐明雅

黃酒糟中低聚木糖的提取及活性炭脫色工藝

改造者：楊志成 劉鐵兵 陳 劼 劉星層 張丞彥 徐明雅

黃酒糟中含有豐富的營養(yǎng)活性成分，其中含有較高的低聚木糖。低聚木糖是一種發(fā)展應用較快的活性多糖，本文以新鮮黃酒糟為原料，采用2％的硫酸溶液配合水浴進行浸提木糖，所采用的料液比為1：15，于90℃水浴中提取2h，趁熱3000 r/min離心15 min，將上清液過濾即得到黃酒糟木糖粗提液。再將木糖提取液與活性炭在水浴攪拌器中進行脫色反應，實驗得出，在添加量為4 ％，pH為5，超聲時間為60min，反應溫度為50℃時，脫色效果最好。

近年來功能性食品的研究和生產已經成為國際上的熱點，活性低聚糖的生產已成為人們關注的新產業(yè)，因其生理功能獨特，已成為一種重要的助能性食品基礎原料。黃酒糟中含有豐富的功能性低聚木糖，利用黃酒糟來生產低聚木糖，為木糖的生產提供新的原料，提高生產附加值，減少廢棄物污染。通常使用酸法水解法來提取黃酒糟中的木糖，此法會使水解液的顏色隨著水解時間的進行而逐漸加深，對黃酒糟中木糖提取液的感官性能和品質有所降低，在生產中的應用有一定的不足。脫色是基于物理吸附劑吸附為基礎的，活性炭具有極大比表面積及很強吸附和脫色能力的一種炭材料， 尤其是粉末活性炭脫色率高、速度快、成本低。

功能性低聚糖具有低熱、整腸、攝入后促進腸道內雙歧桿菌的增殖，提高人的機體免疫、促進健康的獨特生理功能，是一種重要的活性多糖，功能性食品原料，已得到全社會的普遍關注。低聚木糖又稱木寡糖，是由2-10個D一木糖單元分子以β-1，4糖苷鍵結合而成的功能性聚合糖，以木二糖和木三糖為主，因人體胃腸道內沒有水解低聚木糖的酶，不宜被消化，消化系統(tǒng)中殘存率高，較易接進入消化系統(tǒng)內并被雙歧桿菌利用，極大的促進雙歧桿菌增殖，并可以產生多種有機酸，提高消化系統(tǒng)中的酸度，抑制有害微生物生長，使消化系統(tǒng)中的益生菌大量增殖，實現(xiàn)保健功能。

實驗部分

實驗材料

新鮮黃酒糟（杭州市西湖酒廠提供）

實驗試劑

表1 實驗試劑表

實驗儀器

表2 實驗儀器和設備

實驗方法

黃酒糟中低聚木糖的提取

將新鮮黃酒糟烘干后，過80目篩得到淡黃色粉末。以2％的硫酸溶液為提取溶劑，料液比為1：15，超聲提取時間0.5h，提取溫度為90℃，水浴時間為2h。待提取完成后，冷卻至室溫，再置于高速離心機中，以3000r/min的速度進行離心15min，取上清液，即得到黃酒糟木糖的粗提液。

木糖提取液最大吸收波長的測定

取上述實驗所得的木糖粗提液2mL，加入2ml DNS試劑，在100℃水浴放置5min。取出試管迅速冷卻至室溫，用水稀釋并定容至25mL。以等量的蒸餾水和DNS試劑作參比液，在400～500nm波長下進行紫外-可見光分光光度計的掃描，確定黃酒糟木糖提取液色素的最大吸收波長。

D一木糖標準曲線的繪制

DNS試劑的配制：準確稱量3，5-二硝基水楊酸10.0 g，氫氧化鈉16.0 g，酒石酸鉀鈉300.0 g，苯酚6.5 mL，亞硫酸鈉5.0 g完全溶解與熱去離子水中，溶解后定容至1000mL，在4℃下細口的棕色瓶中保存，7天后使用。

1.00 mg/mL葡萄糖液的配制：在分析天平中準確稱量葡萄糖0.5000 g，用蒸餾水溶解，并用容量瓶定容致500 mL。

配制木糖濃度分別為0、0.2、0.4、0.6、0.8、1.0、1.2、1.4、1.6、2.0 mg/mL溶液，各取3mL，再分別加入3mLDNS試劑于沸水中保持5 min，以便于顯色，經冷卻，定容至25 mL，靜置30 min，于499 nm下測定吸光度值。

活性炭的活化

粉炭經1％HCI洗滌后，再用熱去離子水洗，過濾干燥，使其冷卻到室溫后使用。

木糖提取液的脫色反應

在100mL 的三角瓶中加入20mL從黃酒糟中的木糖提取液，接著加入一定量的活性炭，先在超聲波中反應，再置于水浴攪拌器中反應30min脫色。反應結束后，通過多次過濾的方法除去活性炭，收集濾液，木糖濃度和色素的測定采用分光光度法。

通過檢測，木糖損失率的計算方法如下，

公式：M（％）=（C0-C）/C0×100

M代表木糖醇損失率；

C0為樣液脫色前木糖的質量濃度，g/L；

C為樣液脫色后木糖的質量濃度，g/L。

吸附色素率的計算公式：

N（％）=（A0-A）/A0×100

式中：N為色素吸附率；

A0為樣液脫色前的吸光度值；

A為樣液脫色后的吸光度值。

脫色后木糖含量的測定

活性炭添加量

移取20mL木糖提取液溶液，分別加入1％，2％，3％，4％，5％的量的活性炭，超聲波輔助反應后，在水浴溫度為60℃的水浴鍋中放置1h，每30min測定各組過濾后的吸光值，計算色素吸附率，根據D-木糖標準曲線計算木糖損失率，進行制圖比較，得出活性炭對木糖色素吸附率和木糖損失率隨活性炭添加量的變化情況。

pH

移取20mL木糖提取液溶液，加入一定量的活性炭，用0.1mol/L的氫氧化鈉溶液和0.1mol/L的鹽酸溶液進行調節(jié)pH為3，4，5，6，7，8的六個水平，超聲波輔助反應后，在水浴溫度為60℃的水浴鍋中放置30min，過濾后測定各個組的吸光值，計算色素吸附率，根據D-木糖標準曲線計算木糖損失率，進行制圖比較，得出活性炭對木糖色素吸附率和木糖損失率隨pH的變化情況。

超聲時間

移取20mL木糖提取液溶液，加入一定量的活性炭，分別超聲波輔助反應時間為20，40，60，80和100min的五個水平，在水浴溫度為60℃的水浴鍋中放置30min，過濾后測定各個組的吸光值，計算色素吸附率，根據D-木糖標準曲線計算木糖損失率，進行制圖比較，得出活性炭對木糖色素吸附率和木糖損失率隨超聲波時間的變化情況。

溫度

移取20mL木糖提取液溶液，加入一定量的活性炭，超聲波輔助反應后，再分別置于30、40、50、60、70、80、90、100（℃）的水浴溫放置30min，過濾后測定各個組的吸光值，計算色素吸附率，根據D-木糖標準曲線計算木糖損失率，進行制圖比較，得出活性炭對木糖色素吸附率和木糖損失率隨溫度的變化情況。

結果與討論

最大吸收值波長位置的確定

用紫外-可見分光光度計測定對黃酒糟的提取液在400-500nm波長范圍進行掃描，記錄掃描波長所對應的吸光度，從而確定黃酒糟中木糖提取液的吸收波長最大吸收值的位置。由圖1得出，在440 nm波長時，為1.424吸光度最大。因此，黃酒糟中木糖提取液的最大吸光度值位置是440 nm，所以我們選擇在此波長下進行測定脫色效果。

D-木糖標準曲線的繪制

用紫外-可見分光光度計在440 nm波長處測定不同濃度的木糖溶液的吸光度； 以橫坐標為木糖的濃度（mg /mL），縱坐標為吸光值（A），繪制得出標準曲線，如圖2所示，其回歸方程為：y=1.240x-0.036，相關系數R=0.993，線性關系良好。根據標準木糖溶液的曲線方程，我們可以通過所測的木糖提取液的吸光度得出待測木糖溶液的濃度。

圖1 木糖提取液的吸光值

圖2 D-木糖溶液標準曲線

脫色反應受活性炭添加量的影響

分別選用7種不同的活性炭用量，對黃酒糟中木糖提取液在50℃下繪制吸附等溫線，橫坐標為活性炭的用量代表色素吸附平衡時活性炭的濃度，縱坐標為色素吸附率代表色素吸附平衡時的等溫吸附量，如圖3所示，黃酒糟提取液的組成較為復雜，但活性炭與黃酒糟木糖提取液中色素的吸附曲線仍具有“Langmiur”等溫線特征，同林英等研究人員蔗渣木糖提取的研究結果具有一致性。

由圖3和圖4比較得知，在水浴時間為30min和1h的色素吸附率、木糖損失率差異較小，經濟考慮，選擇水浴時間30min，隨著實驗過程中活性炭使用量的增加，脫色率和糖損失率同步增加。當活性炭用量小于4％時，脫色效果與活性炭的用量關系顯著，木糖損失率的變化較小，當活性炭用量大于4％時，隨著活性炭用量的增加，活性炭吸附色素能力逐漸接近平衡，但木糖損失率卻急劇增大，當活性炭用量達到7％時，木糖損失率甚至將近50％，在這種情況下部分活性炭主要吸附糖分子，我們需要考慮在提高木糖提取液色素吸附率的前提下，同時減少活性炭的使用量，使木糖提取液的脫色效果提高和損失減少。從結果分析選擇活性炭添加量為4％較適宜，有較好的脫色效果和糖保持率。

圖3 活性炭在40℃下30min，1h的色素吸附等溫線

圖4 活性炭在40℃下脫色30 min，1h時的木糖吸附損失率

圖5 pH值對木糖提取液脫色作用的影響

pH對脫色反應的影響

理論上，不同的酸度對糖液的脫色效果影響很大，選擇不同pH值對黃酒糟木糖提取液的脫色效果進行比較，從圖5看出，黃酒糟中提取的低聚木糖液的脫色率隨pH值的增大呈緩慢地先上升后下降趨勢，活性炭的脫色效果在3.0＜ 提取液初始pH值＜6.0 時，脫色效果穩(wěn)定較好。當pH大于6時，雖然糖損失率呈下降趨勢，但色素吸附率也呈下降趨勢，當脫色的酸度控制在pH值為5.0時，對色素的吸附率為84％；而木糖的損失率為9.8％；把幾個因素結合考慮，得出木糖提取液的初始pH 值控制為5.0 時，脫色效果為好。

超聲時間對脫色反應的影響

在其他條件不變的情況下比較，選擇不同的超聲時間對吸附脫色反應的影響。結果圖6可見，色素吸附率隨著時間的變化先顯著升高，當活性炭超聲時間為60分鐘時，色素吸附率達到90％以上，隨著時間繼續(xù)增加，色素吸附率反而降低，說明一部分被吸附的色素又被重新解吸下來，達到新的吸附平衡，此時，影響了黃酒糟木糖提取液的脫色效果。木糖的損失率隨著時間上升，在20min到60min之間呈緩慢上升趨勢，因為大部分的活性炭用于吸附色素，當時間在60min時，色素吸附出于飽和，則開始主要吸附木糖，所以此時木糖的損失率急劇上升，當時間為100min時，木糖損失率達到將近95％。綜上所述，60min是比較合適的脫色時間，色素吸附率為91％，木糖損失率僅7.4％。

圖6 黃酒糟木糖提取液超聲脫色時間進程曲線

圖7 溫度對黃酒糟木糖提取液吸附脫色作用的影響

溫度對脫色反應的影響

調節(jié)黃酒糟木糖提取液初始pH為5，加入4％的活性炭，脫色反應分別在8個不同溫度下進行實驗， 每一個的反應時間均為60 min，比較研究了對溫度對脫色效果的影響，活性炭對低聚木糖色素的吸附作用是可逆的，溫度過高會使吸附作用逆向反應.從圖7可知，當溫度在≤60℃范圍時，脫色反應隨著溫度的升高，脫色效果明顯提高。在一定的吸附體系，在較低的溫度條件下，吸附過程達到平衡的時間較長，當溫度不斷的升高時，分子的運動速度也不斷的加快，提取的木糖液粘度也會不斷下降，有利于對色素的吸附。當溫度達到60℃時，色素的吸附率達到約90％。當溫度≥60℃時，活性炭對色素的吸附率則隨之下降，因為部分被吸附的色素隨著溫度的升高從活性炭上解吸率也在提高，在實際的生產中，溫度高會增加能耗，增加成本，增加操作難度增大。

脫色條件的優(yōu)化

黃酒糟中木糖提取液的脫色主要因素有脫色體系中的溫度、活性炭用量和脫色的pH值及超聲時間等4個因素，采用正交表設計，將每個因素取3個水平，安排9個試驗，每個試驗做3次，將實驗結果取平均值。

表3 因素水平表

在以上的單因素分析中，我們得出了最佳活性炭用量、起始pH、超聲時間及水浴溫度，但是在脫色反應過程中還要考慮4個因素之間的相互作用和相互影響，所以最佳生產工藝條件的確定，考慮在色素吸附率最優(yōu)，木糖損失率最低，以有利于原材料的充分利用和降低生產成本，實現(xiàn)產業(yè)化生產。通過平行實驗得出，選擇一定的組合進行正交實驗，以確定確定最佳工藝。正交實驗結果見如表4。

表4 脫色條件的優(yōu)化正交試驗數據及極差分析

從表4比較3個影響因素的極差，我們得出色素的吸附率和木糖回收率影響的順序為起始pH 值＞活性炭用量＞脫色溫度＞脫色時間，最佳工藝條件為A1B2C2D1。在最佳工藝條件下進行了木糖脫色的效果試驗，得出色素吸附率為88.43％，木糖回收率為93.12％。

結語

通過活性炭用量的不同選擇脫色的效果比較，繪制了它們的吸附等溫線。發(fā)現(xiàn)它們對木糖提取液中色素的吸附屬于典型的“Langmuir”等溫吸附這個結果同一致。通過單因素分析和正交實驗，得出在活性炭用量為4％、起始pH為5、超聲時間為60 min、脫色溫度為50℃的條件下為最有脫色工藝，從黃酒糟中得到的木糖提取液，其脫色率為93.54％，木糖的回收率為92.0l％。這為以黃酒糟為原料生產木糖提供了脫色的一種有效方法，脫色后木糖的色澤和品質滿足食品工業(yè)的生產要求。

致謝

感謝浙江科技學院交叉預研項目（2014JC07Y），浙江省公益技術應用研究項目的支持（2014C33085）和項目團隊成員的密切合作及有關專家的指導。

楊志成1、2 劉鐵兵1* 陳 劼1劉星層1 張丞彥2 徐明雅2

1.浙江科技學院生物與化學工程學院；2.杭州市糧油中心檢驗監(jiān)測站

*通訊作者：同第一作者具有等同的貢獻，應當視為共同第一作者。

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.16.037