高溫蒸煮預處理甘蔗葉制備木聚糖*

蒙麗霞，梁欣泉，李敏，陸繼新，李鮮能，李堅斌

(廣西大學輕工與食品工程學院，廣西南寧，530004)

低聚木糖具有很好的雙歧桿菌增殖活性，是近幾年最有發展前途的功能性低聚糖之一，市場前景廣闊［1－3］。工業生產低聚木糖時，一般選用玉米芯、蔗渣等富含木聚糖的植物為原料，采用蒸煮法提取木聚糖、結合酶水解制取低聚木糖的工藝路線。木聚糖的提取方法主要有2種［4－5］:(1)堿法提取。用 NaOH或KOH預處理，酸中和后用乙醇沉淀，離心，干燥，即得到木聚糖。(2)蒸煮法提取。木聚糖在高溫環境下脫乙酰形成乙酸，體系pH值降低，木聚糖β-1，4糖苷鍵斷裂、自水解，木聚糖分子量減小、溶解度增大，進而從其木質纖維成分中游離出來進入到提取液中［6］。高溫蒸煮會使木質素熔化，半纖維和纖維素分子斷裂、降解［7－8］、氫鍵斷裂而吸水，有助于酶接觸相應底物［9］，有利于酶解，且比較適合實驗室操作。目前有關甘蔗葉的研究較少，閆超等進行了超濾法提取分離甘蔗葉多糖的研究［10］，劉昔輝等用水浸提法提取甘蔗葉中多糖并測定多糖含量［11］，雷光鴻等進行了蒸氣爆破結合酸降解處理甘蔗葉提取木糖的研究，并得到了最適的爆破工藝［12］，徐美奕等提出了甘蔗葉制取葉綠素銅鈉鹽的適用工藝［13］。文中選用甘蔗葉為原料，采用高溫蒸煮法分離原料中纖維素、半纖維素、木質素，制取木聚糖，為進一步酶解木聚糖制備低聚木糖做準備。以期最大限度地利用豐富的甘蔗葉資源，變廢為寶、保護環境。

1 實驗材料和設備

1.1 材料與試劑

甘蔗葉，廣西南寧市廣西大學農學院實驗田;3，5-二硝基水楊酸、鹽酸、氫氧化鈉、濃硫酸、四水合酒石酸甲鈉、苯酚、葡萄糖，以上化學試劑皆為國產分析純。

1.2 儀器與設備

UV-4802型紫外可見分光光度計，上海尤尼柯有限公司;FZ102微型植物試樣粉碎機，江西南昌紅燕采制樣設備有限公司;AnkeGL-16G高速臺式離心機，上海安亭科學儀器廠;S570掃描電子顯微鏡，日立公司;YX-280D手提式壓力蒸汽滅菌鍋:江陰濱江醫療設備有限公司。

2 試驗方法

2.1 甘蔗葉的粉碎

將洗凈的甘蔗葉曬干，粉碎，過100目篩后備用。

2.2 高溫蒸煮預處理

2.2.1 高溫蒸煮預處理條件的選擇

對影響高溫蒸煮預處理效果的主要因素:預浸方式、液固比、蒸煮時間、蒸煮溫度設計實驗，研究不同的蒸煮條件對甘蔗葉木聚糖溶出規律的影響，并確定最適的蒸煮條件。

2.2.2 總糖(TS)、還原糖(RS)、平均聚合度(DP)、木聚糖質量濃度的測定

總糖測定采用苯酚-硫酸法［14］:還原糖測定采用DNS法［15］。平均聚合度(DP)=總糖質量濃度(mg/mL)/還原糖質量濃度(mg/mL)。木聚糖質量濃度用Budetzjty(1993)的公式計算:木聚糖質量濃度=總糖質量濃度 ×0.88，0.88 是校正系數［16］。

2.2.3 高溫蒸煮渣表面結構分析

用電子掃描顯微鏡分析蒸煮前后蒸煮渣的形態，研究影響高溫蒸煮效果的因素并探究高溫蒸煮的原理。掃描電鏡樣品制備的主要要求是盡可能使樣品的表面結構保存好，無變形和污染，樣品干燥且導電性能良好:用水砂紙打磨干燥后的蒸煮渣，37%磷酸脫礦10 s、用0.67 mol/L次氯酸鈉溶解膠原10 min，交替進行5次后徹底沖洗處理面，在蒸餾水中進行超聲清洗，干燥后用離子濺射器噴金，將處理后的樣品保存在干燥器中。測試時，將樣品置于電子顯微鏡中，觀察并拍攝具有代表性的樣品的形貌。樣品可以在樣品室中作三度空間的平移和旋轉，因此可以從各種角度對樣品進行觀察。在觀察形貌的同時，還可利用從樣品發出的其他信號作微區成分分析。掃描電鏡的圖象顯示在陰極射線管(顯像管)上，并由照相機拍照記錄。

3 結果與分析

3.1 不同預浸方式的蒸煮結果

甘蔗葉分別用 5%NH3·H2O、0.1%H2SO4、水在60℃下浸泡12 h，濾去浸泡液，之后用水反復沖洗，并以不處理作對照，按液固比10∶1于126℃密封蒸煮60 min。從圖1看出，水預浸的蒸煮結果最好，其溶出總糖、木聚糖質量濃度最高，平均聚合度較大。原因是水預浸后半纖維素潤脹充分，高溫條件下利于溶出，木聚糖在水解時主鏈斷裂程度不大、利于木聚糖的提取，故選擇水預浸處理方式。

圖1 不同預浸方式的蒸煮結果

3.2 不同液固比的蒸煮結果

甘蔗葉用水在60℃下浸泡12 h，液固比分別是5∶1、10∶1、15∶1、20∶1，在 126℃下蒸煮 60 min。從圖2看出，當5∶1＜液固比 ＜10∶1時，反應液中產生的木聚糖及其他副產物擴散逐漸加快，木聚糖溶出率增大，還原糖質量濃度增加。當10∶1＜液固比＜20∶1時，總糖質量濃度、木聚糖質量濃度稍有增加，之后降低，還原糖質量濃度快速降低后稍有增加，平均聚合度逐漸增加。液固比為10∶1時，原料與溶液充分接觸，總糖質量濃度、木聚糖質量濃度接近最大，還原糖質量濃度最高，說明此時木聚糖得以充分地脫乙酰形成乙酸，體系pH值降低，促進了長鏈木聚糖的水解，之后木聚糖從其木質纖維成分中游離出來。故液固比是10∶1較好。

圖2 不同液固比的蒸煮結果

3.3 不同蒸煮時間的蒸煮結果

甘蔗葉用水在60℃下浸泡12 h，液固比是10∶1，在126℃ 下進行不同時間的蒸煮(15、30、60、90 min)。從圖3看出，隨蒸煮時間的延長，其溶出總糖量、木聚糖質量濃度增加，平均聚合度變化不明顯，說明總糖的溶出與木聚糖的分解都增加。蒸煮時間低于60 min時，因時間太短溶出總糖量較少，而高于60 min時溶出還原糖增多，致使木聚糖提取率低。原因是甘蔗葉一直處于高壓的環境下，使多糖內弱的作用力消失，長鏈木聚糖在酸性高溫條件下，阿拉伯糖側鏈和主鏈均發生水解，但由于甘蔗葉纖維結構結合緊密，不容易被破壞，隨著時間的延長木聚糖得率的增長變緩，平均聚合度有小幅下降。故選用的蒸煮時間是60 min。

圖3 不同蒸煮時間的蒸煮結果

3.4 不同蒸煮溫度的蒸煮結果

甘蔗葉用水在60℃下浸泡12 h，液固比是10∶1，在不同溫度下(108、114、120、126℃)蒸煮 60 min。從圖4看出，隨著蒸煮溫度的升高，總糖質量濃度、木聚糖質量濃度、還原糖質量濃度均增高，平均聚合度變化不大。這主要是由于溫度越高，蒸汽滅菌鍋內的壓力越大，壓力的存在破壞了一部分氫鍵或一部分結晶區，高溫的環境使多糖內弱的作用力消失，有利于糖苷鍵的降解。在126℃下進行蒸煮，所得總糖質量濃度最高，平均聚合度最大，說明此條件下木聚糖斷裂程度不大，高溫利于木聚糖從其木質纖維成分中游離出來，故選126℃較合適。

圖4 不同蒸煮溫度的蒸煮結果

3.5 高溫蒸煮原理探討

高溫蒸煮是有效分離天然纖維素原料中相互交織、緊密相連的半纖維素、木質素及纖維素的物理手段之一。纖維素和半纖維素或木質素分子之間的結合主要依賴于氫鍵，半纖維素和木質素之間除氫鍵外，還存在化學鍵的結合［17］。在反應器內，物料被快速加熱到指定溫度，預浸液中的水進一步潤濕細胞壁，長鏈木聚糖在酸性(pH 3.2～3.6)高溫條件下，阿拉伯糖側鏈和主鏈都水解。終止蒸煮時，溫度、壓力驟降，木聚糖在糖苷鍵水解的作用下從其木質纖維成分中游離出來，半纖維得以分離［18］。

圖5為100目甘蔗葉在不同蒸煮條件下的掃描電鏡照片，從圖5中可以看出不同蒸煮條件對纖維原料降解的影響。

圖5 甘蔗葉在不同蒸煮條件下掃描電鏡圖

圖5-(a)，圖5-(b)中，未經高溫蒸煮處理的甘蔗葉，其結構組織完整性、空間排列均勻性比較好，組織間間隙較小;但原料在粉碎機的粉碎作用下，表面有少量剝落現象，裂紋少而不深。這是因為粉碎機旋轉速度高，在剪切力和摩擦力的作用下部分半纖維素脫落。圖5-(c)，圖5-(d)中，預浸的甘蔗葉在126℃密封蒸煮60 min后，表面裂紋較多、較深，結構組織排列均勻性較差，碎片脫落較多，表面完整性明顯降低;這表明，在酸性高溫條件下，纖維表面、結構組織變化較大，木聚糖在高溫環境下脫乙酰形成乙酸，體系pH值降低，長鏈木聚糖、阿拉伯糖側鏈和主鏈都發生水解，使得纖維表面破裂程度加深，進而很好的表明了高溫蒸煮對木聚糖溶出規律的影響，并驗證了高溫蒸煮的機理。

4 結論

研究不同的預處理條件(預浸方式、液固比、蒸煮時間、蒸煮溫度)對甘蔗葉木聚糖溶出規律的影響，確定最適的蒸煮條件:用水將甘蔗葉在60℃下浸泡12 h，液固比是10∶1，于126℃密封蒸煮60 min。通過甘蔗葉的掃描電鏡實驗分析，驗證了高溫蒸煮對木聚糖溶出規律的影響。

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