文冠果種皮制備木糖工藝及其生物活性初步研究△

嚴(yán)邑萍，宋忠興，張嚴(yán)磊*

(1.陜西中醫(yī)藥大學(xué)附屬醫(yī)院,陜西 咸陽 712083；2.陜西中醫(yī)藥大學(xué)/陜西省中藥資源產(chǎn)業(yè)化協(xié)同創(chuàng)新中心；3.陜西省中藥基礎(chǔ)與新藥研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 咸陽 712083)

·中藥工業(yè)·

文冠果種皮制備木糖工藝及其生物活性初步研究△

嚴(yán)邑萍1，宋忠興2，張嚴(yán)磊2*

(1.陜西中醫(yī)藥大學(xué)附屬醫(yī)院,陜西 咸陽712083；2.陜西中醫(yī)藥大學(xué)/陜西省中藥資源產(chǎn)業(yè)化協(xié)同創(chuàng)新中心；3.陜西省中藥基礎(chǔ)與新藥研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 咸陽712083)

目的：以文冠果種皮醇提殘?jiān)鼮樵?，?jīng)稀硫酸高溫短時(shí)水解、中和、脫色、低溫結(jié)晶，分離木糖、低聚木寡糖糖漿。方法：在單因素實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，通過正交試驗(yàn)法研究水解溫度(A)、硫酸濃度(B)、料液比(C)、水解時(shí)間(D)對木糖得率的影響。結(jié)果：文冠果種皮渣水解制備木糖的最佳工藝條件為硫酸濃度1.5mol·L-1，料液比1∶5，溫度90℃，水解時(shí)間5h，該條件下木糖的的產(chǎn)量最高可達(dá)文冠果種皮干燥基質(zhì)量的11%，工藝條件穩(wěn)定；活性實(shí)驗(yàn)研究顯示，以文冠果種皮制備的木糖具有良好的促乳酸菌生長作用。結(jié)論：文冠果種皮是適合制備木糖的原料，同時(shí)有助于提高文冠果產(chǎn)業(yè)的經(jīng)濟(jì)附加值，具有開發(fā)前景。

文冠果種皮；木糖；制備

文冠果XanthocerassorbifoliaBunge屬于無患子科(Sapindaceae)文冠果屬[1]，又名木瓜，是我國特有的珍稀木本油料作物，其果種仁富含脂肪油，出油率高達(dá)53.6%～70%[2]。目前文冠果被國家列為木本燃料油能源主要樹種，其選育推廣受到國家高度重視，大力發(fā)展文冠果勢在必行。全國現(xiàn)有文冠果栽培面積約5.35萬hm2，年產(chǎn)種子在100萬kg以上，僅陜西省志丹縣就有200 hm2文冠果林，種子年產(chǎn)量約有2000 kg以上。目前，對文冠果的開發(fā)利用主要以種仁榨油為主，另外有文冠果葉茶和從文冠果果殼中提取文冠果果殼甘的開發(fā)利用。文冠果的種皮堅(jiān)硬，重量占到種子的50%，文獻(xiàn)報(bào)道其醇提物含有多種化學(xué)成分[3]。分析發(fā)現(xiàn)，殘?jiān)饕煞譃槔w維素、半纖維素及木質(zhì)素，是制備木糖、木聚糖的優(yōu)良材料，但是目前通常都作為廢渣處理，未能做到物盡其用。

木糖是目前市場前景廣闊的一類產(chǎn)品，具有良好的食物配伍性，在與氨基酸混合加熱過程中容易產(chǎn)生美拉德反應(yīng)，起到增香及抗氧化的效果[4]；具有良好的保健功能，能改善腸胃功能[5]；工業(yè)上被用來生產(chǎn)木糖醇、糠醛、乙醇等化工產(chǎn)品[6-8]；在飼料酵母以及食品、醫(yī)藥、化工、皮革、染料等領(lǐng)域都有著廣泛的用途。目前，木糖的工業(yè)化生產(chǎn)原料主要為玉米芯，另有報(bào)道用稻殼、秸稈、甘蔗葉、核桃殼等農(nóng)林廢棄物。制備方法主要有酸解法、酶解法等[9-14]，產(chǎn)率在11%左右，而生產(chǎn)成本約1.3萬元/噸。由于原料來源的限制，且制備工藝較復(fù)雜，木糖及木寡糖的生產(chǎn)成本一直居高不下，且具有上漲的趨勢，因此尋找新的木糖制備原料，及開發(fā)新的制備工藝非常必要。

鑒于以上原因，本文將以文冠果種皮醇提殘?jiān)鼮樵?，?jīng)稀硫酸高溫短時(shí)水解、中和、脫色、低溫結(jié)晶，分離木糖、低聚木寡糖糖漿。為木糖、木寡糖提供新的原料來源，也為文冠果資源的綜合開發(fā)與利用提供新的途徑。

1 材料與方法

1.1材料與儀器

1.1.1材料 文冠果種子去果仁，果皮粉碎備用；氫氧化鈣、鹽酸、去離子水等試劑及溶劑均為市售分析純。

1.1.2儀器85-2數(shù)顯恒溫磁力攪拌器(蘇州學(xué)森儀器設(shè)備有限公司)；HH-4型電熱恒溫水浴鍋(北京科偉永興儀器有限公司)；SHB-Ⅲ循環(huán)水式多用真空泵(鄭州長城科工貿(mào)有限公司)；FW-1000AD型快速開蓋高速萬能粉碎機(jī)(天津鑫博得儀器有限公司)；超導(dǎo)核磁共振儀(INOVA-400MHz，美國Varian公司)。

1.2方法

1.2.1木糖制備方法 參考文獻(xiàn)[11,15]的方法，并做少許改進(jìn)：將文冠果種子砸碎，取出種仁、果皮，粉碎過篩，加乙醇回流1h，冷卻后抽濾。濾液回收乙醇得浸膏，浸膏用于制備萜類、黃酮類等藥用化合物，濾渣干燥備用。每次稱5g干燥的濾渣，加入到裝置了機(jī)械攪拌和冷凝器的三口瓶中，攪拌下加入一定量的稀硫酸溶液，一定溫度下水解一定的時(shí)間。冷卻后抽濾，濾渣水洗干燥，用于制備高吸附性能活性炭。濾液在70～75℃下用氫氧化鈣固體調(diào)節(jié)pH為3.0～3.5，保溫?cái)嚢?h，加入活性炭攪拌均勻后靜置過夜，再加熱至75℃，保溫?cái)嚢?h，趁熱抽濾，得到淡黃色透明濾液。濾液濃縮，并及時(shí)抽濾除掉析出的硫酸鈣沉淀，濃縮后得到透明糖漿。糖漿中加入無水乙醇，40℃水浴上攪拌使其溶解，并及時(shí)抽濾除掉不溶物，濾液減壓濃縮后冷凍結(jié)晶，有白色結(jié)晶析出即為木糖，抽濾收集產(chǎn)品，結(jié)晶用少量無水乙醇洗掉表面母液，100℃下烘干，得文冠果種皮木糖，濾液濃縮至無乙醇，得粘稠的低聚木寡糖糖漿。

文冠果種皮木糖得率(%)=木糖質(zhì)量(g)/文冠果殼干基質(zhì)量(g)×100%

1.2.2單因素試驗(yàn) 硫酸濃度對木糖得率的影響：每份文冠果種皮分別加入0.5、1、1.5、2.0、2.5、3.0mol·L-1的濃硫酸，料液比為1∶5，溫度為80℃，時(shí)間為1h。

料液比對木糖得率的影響：每份文冠果種皮分別加入料液比分別為1∶1、1∶2、1∶3、1∶4、1∶5的1.5mol·L-1硫酸，溫度為80℃，時(shí)間為1h。

溫度對木糖得率的影響：每份文冠果種皮分別在40、50、60、70、80、90、100℃下，加入1.5mol·L-1的硫酸，料液比1∶5，時(shí)間1h。

時(shí)間對木糖得率的影響：每份文冠果種皮分別加熱2、3、4、5、6、7、8h，硫酸濃度1.5mol·L-1，料液比1∶5，溫度80℃。在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)，考查硫酸濃度、料液比、溫度、時(shí)間對木糖得率的影響，確定文冠果種皮水解制備木糖的最佳工藝。

1.2.3正交試驗(yàn)設(shè)計(jì) 根據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)，因素及水平見表1。

表1 正交試驗(yàn)因素及水平

2 結(jié)果與討論

2.1木糖制備工藝條件的選擇

2.1.1硫酸濃度對木糖得率的影響 硫酸濃度對木糖得率的影響見圖1。

圖1 硫酸濃度對木糖產(chǎn)率的影響

由圖1可知，在硫酸濃度小于1.5mol·L-1時(shí)，隨著硫酸濃度的增大，文冠果種皮的水解速率也增大，因此木糖的產(chǎn)量也增加，但是當(dāng)硫酸濃度大于1.5mol·L-1后，由于木糖的降解及向糠醛等的轉(zhuǎn)化也加快，因此木糖的產(chǎn)量不但不再增加，反而有下降的趨勢，因此選擇硫酸濃度1.5mol·L-1為最佳實(shí)驗(yàn)酸濃度。

2.1.2料液比對木糖得率的影響 料液比對木糖得率的影響見圖2。

圖2 料液比對木糖產(chǎn)率的影響

由圖2可知，隨著料液比的增加，木糖的得率一直增大，但增加的幅度并不明顯，當(dāng)料液比大于1∶5之后，隨著料液比的增加，木糖產(chǎn)量趨于穩(wěn)定，因此選擇1∶5為最佳實(shí)驗(yàn)料液比。

2.1.3溫度對木糖得率的影響 溫度對木糖得率的影響見圖3。

圖3 反應(yīng)溫度對木糖產(chǎn)率的影響

圖3可知，隨著溫度的升高，木糖產(chǎn)率增加明顯，但是溫度超過90℃ 以后，木糖得率有下降的趨勢，可能是因?yàn)殡S著溫度的升高，木糖又會向糠醛等副產(chǎn)物轉(zhuǎn)化，導(dǎo)致木糖最終產(chǎn)率降低，所以選擇90℃為最佳試驗(yàn)溫度。

2.1.4時(shí)間對木糖得率的影響 時(shí)間對木糖得率的影響見圖4。

圖4 時(shí)間對木糖產(chǎn)率的影響

圖4可知，木糖產(chǎn)量隨著時(shí)間的延長而增加明顯，在6h時(shí)達(dá)到最大值，此后隨著時(shí)間的延長產(chǎn)量不再增加，反而有下降的趨勢，可能是因?yàn)殡S著時(shí)間的延長，木糖在硫酸作用下會轉(zhuǎn)變?yōu)榭啡┑?，?dǎo)致木糖產(chǎn)率降低，因此選擇6h為最佳實(shí)驗(yàn)時(shí)間。

2.1.5正交試驗(yàn)及結(jié)果 單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)，因素水平及結(jié)果見表2。

表2 正交試驗(yàn)結(jié)果

由正交試驗(yàn)R值結(jié)果可知，硫酸濃度、水解溫度對文冠果種皮木糖得率的影響較大，我們認(rèn)為是高溫短時(shí)水解的原因，一方面高溫有利于纖維素的水解；另一方面短時(shí)減少了酸與木糖的作用，降低了木糖向糠醛的轉(zhuǎn)變率。從各單因素的K值分析，得出最佳的提取條件為A2B2C2D3，即硫酸濃度1.5 mol·L-1，料液比1∶5，溫度90 ℃，提取時(shí)間7 h。結(jié)合R值得出的結(jié)論，時(shí)間對提取得率影響并不明顯，雖然隨著時(shí)間的延長木糖產(chǎn)量會增加，但是過長會使得木糖向糠醛轉(zhuǎn)化，導(dǎo)致木糖最終得率降低；另外考慮節(jié)約能源的因素，因此最終選擇高溫短時(shí)水解的最佳提取工藝條件為A2B2C2D1，即硫酸濃度1.5 mol·L-1，料液比1∶5，溫度90 ℃，提取時(shí)間5 h。

2.1.6 最佳工藝條件穩(wěn)定性試驗(yàn) 進(jìn)行3次平行試驗(yàn)，對選擇的最佳工藝條件進(jìn)行穩(wěn)定性驗(yàn)證，其結(jié)果見3。由表3可知，在最佳工藝條件下，木糖的產(chǎn)率為11%，工藝條件穩(wěn)定。

表3 最佳條件穩(wěn)定性試驗(yàn)

2.1.7 文冠果種皮木糖的NMR表征 以氘代DMSO為溶劑，采用INOVA-400MH核磁共振儀，對文冠果種皮木糖進(jìn)行了結(jié)構(gòu)表征，結(jié)果見圖5。

圖5 文冠果種皮木糖NMR表征

2.1.8 文冠果種皮木糖生物活性初步研究 在確定了最佳制備工藝條件之后，對文冠果種皮木糖的生物活性進(jìn)行初步研究，主要考察其促進(jìn)益生乳酸菌生長作用。見圖6。

圖6 文冠果種皮木糖促乳酸菌生長曲線

由圖6可以看出，與對照組相比(對照組不含木糖)，文冠果種皮木糖具有明顯的促乳酸菌生長作用。

在氮源一定的條件下，pH的高低可以反映出碳源被微生物利用情況，pH降低越多，說明木糖中的碳源越容易被微生物利用，反之，越不易被利用。文冠果種皮木糖對益生乳酸菌生長的促進(jìn)作用及過程中pH變化結(jié)果見圖7。

圖7可以看出，文冠果種皮木糖在促乳酸菌生長過程中，pH變化比對照組明顯且快，說明文冠果種皮木糖能夠很容易被益生乳酸菌所利用。

3 討論與結(jié)論

文冠果為我國特有的木本油料作物，目前對其研究與開發(fā)主要以榨油及從種皮、果殼中提取果殼甘藥用為主，過程中產(chǎn)生了大量的種皮，未見有效的開發(fā)利用。本研究以文冠果種皮渣為原料，制備對人體益生菌有益的木糖與木寡糖糖漿，得出的最佳工藝條件：硫酸濃度為1.5 mol·L-1，料液比為1∶5，溫度為90 ℃，水解時(shí)間為5 h，該條件下木糖的產(chǎn)量最高，可達(dá)文冠果種皮干燥基質(zhì)量的11%，且純度高、工藝條件穩(wěn)定?；钚詫?shí)驗(yàn)研究顯示，以文冠果種皮制備的木糖具有良好的促乳酸菌生長作用。本研究為文冠果資源的綜合開發(fā)與利用提供了新的途徑。

[1] 董桂杰，邵海市，陳芳，等.文冠果的化學(xué)成分研究進(jìn)展[J].黑龍江醫(yī)藥，2009，22(6)：874-875.

[2] 侯元凱，黃琳，周忠惠.文冠果果實(shí)性狀相關(guān)性研究[J].林業(yè)科學(xué)研究，2011，24(3)：395-398.

[3] 王穎，潘英，邢亞超，等.文冠果種皮化學(xué)成分的分離與鑒定[J].中國藥物化學(xué)雜志，2013，23(5)：397-399

[4] 徐真真，黃國清，肖軍霞，等.干熱條件下大豆分離蛋白―木糖美拉德反應(yīng)研究[J].糧油食品科技，2015，23(2)：26-30.

[5] 史先振，朱圣陶，賀峰，等.木糖改善胃腸道保健功能的實(shí)驗(yàn)研究[J].食品與藥品，2008，10(9)：40-42.

[6] 馬賽，李憑力，朱濤，等.氯化鐵催化木糖降解制備糠醛反應(yīng)動力學(xué)[J].化工進(jìn)展，2015，34(1)：108-112.

[7] 石琢，李清明，熊興耀，等.絲狀真菌發(fā)酵木糖產(chǎn)乙醇的研究[J].中國釀造，2014，33(11)：47-50.

[8] 劉敏，湯婷婷，趙國明，等.Pd/C 催化氧化木糖制備木糖酸[J].化學(xué)反應(yīng)工程與工藝，2014，30(4)：352-356.

[9] 李雪雁，王丹，胡朝霞，等.玉米芯酸法提取木糖的工藝改進(jìn)[J].食品工業(yè)科技，2009，30(6)：263-264，308.

[10]雷光鴻，崔素芬，李辰，等.酸催化水解處理甘蔗葉提取木糖的研究[J].食品科技，2015，40(5)：220-223.

[11]鄭生宏，李大祥，方世輝，等.茶籽殼酸水解制備木糖工藝研究[J].茶葉科學(xué)，2011，31(3)：195-200.

[12]劉仁成，黃廣民，姚伯元，等.椰殼常壓酸水解制備木糖[J].食品科學(xué)，2007，27(12)：263-267.

[13]劉長虹，吳樹新，朱艷坤，等.玉米秸稈制備木糖工藝的研究[J].中國資源綜合利用，2009，27(1)：9-12.

[14]薛業(yè)敏，于瑾瑾，戴軍，等.極耐熱性阿拉伯糖昔酶在木糖制備中的應(yīng)用[J].食品與發(fā)酵工業(yè)，2007，33(9)：14-19.

[15]李士雨，李響，齊向娟，等.乙醇溶析結(jié)晶法由棉籽殼制備木糖[J].化工學(xué)報(bào)，2010，61(6)：1482-1485.

Preparation of Xylose by Using Seed Capsule ofXanthocerassorbifolia

YAN YiPing1，SONG ZhongXing2，ZHANG YanLei2*

(1.The Affiliated Hospital of Shaanxi University of Chinese Medicine，Xianyang，712083，China；2.Shaanxi University of Chinese Medicine/Shaanxi Collaborative Innovation Center of Industrialization of Traditional Chinese Medicine Resources,Xianyang，712083，China；3.Shaanxi Key Laboratory of New Drugs and Bioactive Constituents of Traditional Chinese Medicine，Xianyang，712083，China)

Objective：To prepare xylose by using the seed capsule ofXanthocerassorbifoliaas the raw material under sulfuric acid hydrolysis.Methods：The orthogonal experiment was applied to study the effect of reaction temperature(A)，concentration of sulfuric acid(B)，solid-liquid ratio(C)，and reaction time(D)on the yield of xylose.Results：The main influence factors for yield of xylose were sulfuric acid concentration and temperature，the optimized preparation conditions were as follows：sulphuric acid concentration 1.5 mol·L-1，liquid ratio 11∶5，temperature 90 ℃，and reaction time 5 h，under this condition the yield of xylose could be up to 11.00%.Activity study showed that xylose prepared fromX.sorbifoliahas good effect to promote the growth of lactic acid bacteria.Conclusion：The seed capsule ofX.sorbifoliais suitable for the preparation of xylose，this process can also help to improve the economic value ofX.sorbifoliaindustry with development prospects.

Seedcapsule ofXanthocerassorbifoliaseed；xylose；preparation

陜西省科技統(tǒng)籌創(chuàng)新工程計(jì)劃項(xiàng)目(2011KTCL03-05)；陜西省教育廳產(chǎn)業(yè)化中試項(xiàng)目(2010JC05)；陜西省科技資源開放共享平臺項(xiàng)目(2015FWPT-01)

] 張嚴(yán)磊，博士，講師，研究方向：中藥資源化學(xué)，Email：604033608@163.com

10.13313/j.issn.1673-4890.2017.1.022

2016-03-02)

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