玉米芯來源低聚木糖的脫色工藝研究

劉 蕾，李加偉，曹 洪

(南京科技職業(yè)學(xué)院 生物與環(huán)境學(xué)院，江蘇 南京 210048)

低聚木糖是一種功能性低聚糖，由2～10個(gè)木糖通過糖苷鍵連接而成，人體內(nèi)缺少能夠降解β-糖苷鍵的酶，因此低聚木糖可以通過胃而直接完整到達(dá)腸道，并作為碳源被腸道益生菌所利用，促進(jìn)腸道益生菌的生長，是一種有效的益生元。目前，低聚木糖主要由通過化學(xué)法和酶法從富含木聚糖的木質(zhì)纖維素原料中提取，玉米芯是制備低聚木糖的理想原材料之一。我國作為一個(gè)農(nóng)業(yè)大國，據(jù)統(tǒng)計(jì)，中國每年大約可產(chǎn)生0.4億t玉米下腳料―玉米芯，2015年大約有0.76億t的玉米芯副產(chǎn)物，生產(chǎn)低聚木糖的資源優(yōu)勢不可忽視[1]。然而玉米芯中含有大量的天然色素物質(zhì)，因此需要對制備的玉米芯低聚木糖進(jìn)行脫色提高產(chǎn)品的純度和質(zhì)量[2]。在制糖工業(yè)中，較常采用的脫色吸附劑有活性炭、硅藻土、大孔樹脂等，本文采用不同的大孔樹脂以及市售常用吸附劑對玉米芯制備的低聚木糖溶液進(jìn)行脫色處理以提高其附加值，在靜態(tài)條件下通過吸附實(shí)驗(yàn)選擇最合適的脫色劑，并進(jìn)行了工藝優(yōu)化，為玉米芯來源低聚木糖的脫色工藝提供理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料與儀器

低聚木糖：取一定量的玉米芯粉，粉碎至40～80目備用，按照固液比1∶20，添加10%(w/v) NaOH在70℃條件下進(jìn)行堿抽提4 h，添加木聚糖酶進(jìn)行酶解，酶用量為20 IU/g，在50℃和pH值5.0條件下酶解2 h，反應(yīng)結(jié)束后，沸水浴加熱5 min，冷卻至室溫，過濾，5000 r/min條件下離心20 min，所得上清液即為玉米芯低聚木糖粗提取溶液。木聚糖酶：北京沃凱生物科技有限公司。

D900樹脂，D941樹脂購自于鄭州勤實(shí)科技有限公司；活性炭和白土購自于山東優(yōu)索化工科技有限公司；HPD300購自于陜西樂博生化有限公司。

恒溫震蕩搖床，常州澳華儀器有限公司；721型紫外可見分光光度計(jì)，上海儀電分析儀器有限公司；電子分析天平，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；冷凍離心機(jī)，盧湘儀TGL-18MS，上海盧湘儀離心機(jī)儀器有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 樹脂預(yù)處理

D900，D941樹脂采用濃度為1 mol/L的NaOH 溶液浸泡樹脂1 h，用去離子水沖洗至pH值為9.0左右；再用濃度為1 mol/L的HCl 溶液浸泡樹脂1 h，用水沖洗至pH值為4.0左右；最后用濃度為1 mol/L的NaCl溶液浸泡過夜，用去離子水沖洗直至出水pH值為中性；HPD300樹脂在90%乙醇中浸泡4 h，再用蒸餾水清洗干凈，瀝干后備用。

1.2.2 不同吸附劑靜態(tài)脫色篩選

經(jīng)過預(yù)處理的D900樹脂，D941樹脂，活性炭，白土，HPD300樹脂各稱取1.0 g，置于50 mL錐形瓶中，各加入20 mL預(yù)處理后的低聚木糖粗糖液，在恒溫?fù)u床中靜態(tài)吸附3 h，轉(zhuǎn)速150 r/min，溫度設(shè)置為25℃，當(dāng)吸附達(dá)到平衡后進(jìn)行固液分離，測定上清液中的糖濃度、色值，以吸附過程的脫色率和低聚木糖損失率為評價(jià)指標(biāo)對不同的脫色劑進(jìn)行篩選。

1.2.3 糖液色值的測定

將待測糖液樣品調(diào)節(jié)至pH值7.0，然后用0.45 μm的微孔濾膜過濾，測定濾液在420 nm處的吸光度值從而計(jì)算糖液的色值和脫色率[2]。其中：

脫色率計(jì)算公式入下[2]，其中：Ts為透光率；A為420 nm處的吸光度；b為比色皿厚度(cm)；ρ為糖液濃度(g/mL)。

1.2.4 還原糖的測定

還原糖含量測定采用DNS法，具體見參考文獻(xiàn)[4]。其中木糖標(biāo)準(zhǔn)曲線的回歸方程為Y=0.6414X-0.0459，其中，R2=0.9945。

1.2.5 糖液中低聚木糖的測定

預(yù)處理液中低聚木糖含量的計(jì)算如下[5]：

C= (C1×N-C2)×0.88

式中: C2為低聚木糖液中木糖質(zhì)量濃度，g/L；C1為低聚木糖酸水解液中木糖質(zhì)量濃度，g/L；N為稀釋倍數(shù)；0.88為低聚木糖和木糖之間的轉(zhuǎn)換系數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 脫色劑的篩選

不同脫色劑在室溫25℃條件下對低聚木糖粗提取液進(jìn)行吸附脫色后，不同脫色劑添加量為5%(w/v)，脫色效果和吸附過程中低聚木糖的損失率如圖1所示。

圖1 不同脫色劑的篩選

如圖1所示，粗低聚木糖提取液經(jīng)過脫色劑吸附后，其中HPD300樹脂的脫色率最高，達(dá)60.05%，其次為D941，脫色率為58.13%；隨著脫色的進(jìn)行，不同脫色劑對低聚木糖也產(chǎn)生了一定程度的吸附，其中HPD300吸附后的損失率最大，達(dá)到22.09%，而經(jīng)D941樹脂吸附后，低聚木糖損失率最小，為15.09%。由于低聚木糖的市場附加值較高，綜合產(chǎn)品的色值和附加值考慮，選用D941樹脂進(jìn)行后續(xù)低聚木糖液脫色工藝的研究。

2.2 D941樹脂脫色工藝研究

2.2.1 溫度對D941脫色工藝的影響

將D941樹脂在不同溫度25，30，35，40，50℃下在恒溫?fù)u床中對低聚木糖粗糖液進(jìn)行靜態(tài)吸附脫色，效果如圖2所示。

圖2 溫度對低聚木糖脫色的影響

由圖2可以看出，隨著溫度的升高，糖液脫色率呈現(xiàn)出不斷降低的趨勢，在溫度為35℃時(shí)，脫色率達(dá)到最高，達(dá)58.86%，低聚木糖損失率為14.88%；繼續(xù)升高溫度，脫色率略有下降，這可能是由于溫度過高會(huì)使吸附與解析動(dòng)態(tài)平衡遭到破壞，導(dǎo)致部分已被樹脂吸附的色素重新解析出來。因此，D941大孔樹脂的適宜脫色溫度選擇40℃。

2.2.2 D941樹脂脫色時(shí)間的研究

脫色時(shí)間是影響糖液脫色的一個(gè)重要因素，亦直接決定了工藝的經(jīng)濟(jì)性。圖3考察了時(shí)間對低聚木糖液脫色的影響。

圖3 時(shí)間對低聚木糖脫色的影響

由圖3可知，脫色隨著時(shí)間的延長，脫色率不斷提高，脫色達(dá)到60 min時(shí)，脫色率達(dá)到最高，為64.54%，此時(shí)低聚木糖損失率為9.76%。隨著時(shí)間的延長，糖液的脫色率和低聚木糖損失率變化幅度不大，從工藝經(jīng)濟(jì)性角度考慮，選用脫色時(shí)間60 min較為適宜。繼續(xù)延長脫色時(shí)間，D941樹脂對色素的吸附已經(jīng)達(dá)到了飽和，脫色率趨于穩(wěn)定，但低聚木糖損失率卻明顯升高。綜合考慮，D941樹脂的脫色時(shí)間選擇60 min較為適宜。

2.2.3 pH值對樹脂脫色的影響

如圖4所示，隨著pH值的升高，脫色過程低聚木糖的損失率逐漸升高，在pH值5.0達(dá)到最高，D941樹脂的脫色率最高，為65.21%，低聚木糖損失率最低，為9.53%，此后，隨著pH值逐漸升高，脫色率開始逐漸降低并趨于穩(wěn)定，而低聚木糖損失率逐步升高。結(jié)果表明，酸性環(huán)境有利于D941大孔樹脂對溶液中色素的吸附，而堿性環(huán)境則加大了低聚木糖的損失率，這有可能由于低聚木糖在堿性環(huán)境中溶解度相應(yīng)變小，形成了部分沉淀造成了損失量增加。

圖4 pH值對低聚木糖脫色的影響

3 結(jié)論

采用木聚糖酶酶解玉米芯來源低聚木糖，分別采用樹脂D900，樹脂D941，活性炭，白土，樹脂HPD300對低聚木糖粗糖液進(jìn)行吸附脫色，結(jié)果表明：大孔弱堿性離子交換樹脂D941樹脂對低聚木糖粗糖液脫色效果較好，最佳脫色工藝條件為：脫色溫度40℃，脫色時(shí)間60 min，pH值為5.0。在此優(yōu)化條件下，粗低聚木糖溶液的脫色率為65.21%，低聚木糖損失率為9.53%。