基于甘蔗葉中的木糖催化加氫制備木糖醇的研究

錢朋智，張梅娟

（1.齊齊哈爾大學食品與生物工程學院，黑龍江齊齊哈爾 161006；2.齊齊哈爾大學生命科學與農林學院，黑龍江齊齊哈爾 161006）

我國甘蔗葉年產量高達400×104t，資源十分豐富，但除少部分作為動物飼料外，大部分作為農作物廢棄物被蔗農就地焚燒，造成資源的極大浪費，并嚴重環境污染[1-2]。相關資料顯示，667 m2產5 t原料蔗，約有500 kg蔗葉（干基），蔗葉的木聚糖約占干基的20%，且蔗葉采收集中、價格低廉、原料清潔，在我國南方是理想的生產D-木糖的原料。

甘蔗葉中的木聚糖經水解，結晶出木糖，木糖再經催化加氫獲得木糖醇，這種用甘蔗葉中的木糖制取的木糖醇，其化學結構和自然界中的完全相同。國際上歐洲、美國、日本等幾十個國家，均把木糖醇批準為公認安全的食品添加劑。

試驗以甘蔗葉為原料，先制備出木糖，木糖產品在最佳的工藝參數，經化糖、脫色、鎳合金催化劑加氫、離子交換、濃縮、結晶等工序制備出木糖醇產品。

1 材料與方法

1.1 試驗原料與試劑

甘蔗葉，采自蔗田。

活性炭，輝縣市元銖吸附材料廠提供；離子交換樹脂，江蘇蘇青水處理有限公司提供；Raney Ni合金催化劑RTH-311，大連通用化工有限公司提供。

1.2 主要設備

RE-5002 50L型旋轉蒸發器，廣州乙勝實驗儀器有限公司產品；有機玻璃離子交換柱，江蘇金三陽水處理科技有限公司產品；SGD-Ⅳ型全自動還原糖測定儀，山東科學院生物研究所產品；YS-10L型雙層玻璃立式結晶槽，廣州乙勝實驗儀器有限公司產品；CD-UPTL-I-40L型超純水器，成都越純科技有限公司產品；SUP-DB型實驗室用高壓靜音氫氣壓縮機，濟南思明特科技有限公司產品；GSH-3型實驗室反應釜，威海匯鑫化工機械有限公司產品；高效液相色譜系統，賽智科技（杭州）有限公司產品；AJO-4493 4×3 mm型鈣型保護柱，廣州菲羅門儀器有限公司產品；Rezex RCM-Monosaccharide Ca2+色譜柱300 mm×7.8 mm，廣州菲羅門儀器有限公司產品。

1.3 工藝路線

甘蔗葉粉碎→熱水預處理→稀硫酸水解→水洗回收糖→第1次脫色→第1次濃縮→第2次脫色→第1次離子交換→第2次濃縮→第2次離子交換→第3次濃縮→結晶→分離→木糖產品→化糖→脫色→微濾→氫化→回收催化劑→脫色→離子交換→濃縮→結晶→分離→烘干→木糖醇→高效液相色譜檢測純度。

1.4 分析方法

總可溶性固形物含量（折光儀法） 采用手持式折光儀法[3]；電導率值測定采用按照電導儀說明方法進行測定；透光度測定采用分光光度計法[4]；殘糖含量的測定，按照SGD-Ⅳ型全自動還原糖測定儀的說明方法進行測定；轉化率的計算方法采用轉化率=（折光-殘糖）×100%/折光；純度的測定采用高效液相色譜法。

產品得率計算方法：

式中：m1——烘干后的木糖醇晶體質量；

m0——木糖的質量。

2 結果與討論

2.1 甘蔗葉木糖提取工藝

正交試驗優化得出最佳水解參數為硫酸質量分數1.2%，料液比1∶8，水解時間150 min，水解溫度123℃，經過脫色、離子交換、濃縮、結晶等多步分離純化工序，制備出外觀潔白、晶體均勻一致、流動性好的木糖晶體。

24 kg絕干甘蔗葉能生產2.43 kg木糖產品，產品得率為10.13%。高效液相色譜檢測木糖產品的純度為99.87%，符合GB/T 23532—2009的要求。

2.2 化糖

工藝過程及參數為恒溫水浴溫度65℃，以轉速100 r/min攪拌，玻璃燒杯中倒入質量為2.44 kg的木糖晶體，往燒杯中添加純水，用手持糖量計測溶液的折光濃度，當折光度為35%時停止加水。

2.3 脫色

正交試驗優化得出最佳脫色參數為活性炭添加量為料液質量的1%，溫度80℃，轉速200 r/min，保溫30 min，布氏漏斗抽真空過濾。

手持折光儀測得濾液折光度為34.91%，分光光度計測定透光度94.78%。

2.4 微濾

工藝過程：將0.22 μm微濾膜放置在玻璃砂芯過濾器中，漏斗裝置中倒入脫色液，采用無油隔膜真空泵進行抽濾。

手持折光儀測得濾液折光度為34.87%，分光光度計測定透光度100%。

2.5 氫化

（1） 工藝過程及參數。將微濾液倒入3 L加氫反應釜中，用濃度2 mol/L的NaOH溶液調pH值至7.5～8.0，備用；按W（催化劑） ∶W（濾液） =1∶9稱取催化劑，反應釜裝液量不超過釜面的2/3，蓋上釜蓋，設定溫度124℃，攪拌轉速1 200 r/min，開始升溫。先用氮氣置換空氣，通入氮氣，升壓至0.5 MPa，放壓到0.1 MPa，如此反復3次，再用氫氣置換氮氣，方法同氮氣，重復3次，仔細檢查（肥皂水法）反應釜有無漏氣現象。

（2）氫化過程。氫氣壓縮機向反應釜通入氫氣，觀察反應釜壓力表數字，當壓力升至6～7 MPa，溫度升至80～110℃，關閉氫氣閥，壓力表數字下降比較明顯，說明釜內物料吸氫比較明顯；釜內壓力升至11 MPa，關閉氫氣閥門，反應釜壓力表數字維持在11 MPa不下降，溫度穩定在124℃左右，說明物料不再吸氫，氫化反應完畢。用水經反應釜夾層冷卻盤管進行內冷卻，當釜內溫度下降到90℃以下時，打開反應釜排空閥，使釜內壓力緩慢降至為0.1 MPa，利用反應釜內部壓力，從釜底出料口排出木糖醇料液。氫化過程用時75 min。

（3）注意事項。①反應釜加熱升溫時，升溫速度不應大于80℃/h，加熱功率應從低壓緩慢加起。工作時磁力攪拌器與釜蓋間的水套應通冷卻水，保證水溫小于35℃，以免磁鋼退磁；②當釜內溫度超過100℃，磁力攪拌器與釜蓋間的水套應通冷卻水，保證水溫小于35℃，以免磁鋼退磁。

2.6 回收催化劑

將盛有木糖醇液的玻璃燒杯靜止放置，使催化劑自然沉降，取上清液備用，上清液外觀顏色接近無色，測得木糖醇液的透光度為88.93%，pH值6.19，氫化反應的轉化率99.87%。用純水將催化劑清洗至折光度為1%，收集水洗液與上清液混合。

2.7 脫色

經正交試驗確定最佳脫色參數：0.5%木糖醇醇液質量活性炭，溫度75℃，轉速150 r/min，保溫35 min，布氏漏斗過濾。測脫色液透光度93.26%。

2.8 離子交換

離子交換順序：脫色液進依次進入樹脂柱的順序為強陽離子交換樹脂柱（型號為D001）-弱陰離子交換樹脂柱（型號為D301-FD）。測離子交換后木糖醇溶液折光度21.59%，透光度100%，電導4.13 μs/cm，pH值6.49。

2.9 蒸發濃縮

工藝參數為溫度80℃，轉速25 r/min；測得醇漿質量2.88 kg，折光度83%，高效液相色譜分析醇漿中木糖醇純度為99.98%。

2.10 結晶、離心、烘干

工藝參數為降溫幅度1℃/h，轉速15 r/min，0.5%醇漿質量的晶種，降溫總時間40 h。結晶結束，將醇膏移入離心機內，開啟離心機進行分離，間隔10 min添加少量無水乙醇淋洗；離心至木糖醇晶體潔白、無母液時放料。設置電熱鼓風干燥箱溫度45℃，干燥時間25 min。

烘干后的木糖醇外觀為結晶性顆粒，大小均勻一致、流動性好、結構松散；測得木糖醇晶體質量為1.69 kg，水分0.45%，高效液相色譜分析木糖醇產品純度99.96%。相對于木糖產品來說，木糖醇得率為69.4%。即1.44 t木糖通過化學催化加氫可制備出1 t木糖醇。

3 結論

以硫酸為酸化劑水解甘蔗葉，硫酸質量分數1.2%，料液比1∶8，水解時間150 min，水解溫度123℃，經過脫色、離子交換、濃縮、結晶等多步分離純化工序，制備出外觀潔白、晶體均勻一致、流動性好的木糖晶體。24 kg絕干甘蔗葉生產2.43 kg木糖產品，產品得率為10.13%。高效液相色譜檢測木糖產品的純度為99.87%，符合GB/T 23532—2009的要求。

利用大連生產的Raney Ni合金催化劑RTH-311對木糖產品進行氫化，氫化液經過脫色、離子交換、濃縮、結晶、離心、烘干等工序制備出大小均勻一致、流動性好、結構松散的木糖醇晶體，測得木糖醇晶體質量為1.69 kg，高效液相色譜分析木糖醇產品純度99.96%。對木糖產品來說，木糖醇得率為69.4%。即1.44 t木糖通過化學催化加氫可制備出1 t木糖醇。

參考文獻：

[1]鄧家剛，侯小濤，李愛媛，等．甘蔗葉的藥效學初步研究 [J]．廣西中醫藥大學學報，2008，11（3）：77-79.

[2]吳建中，歐仕益，汪勇，等．甘蔗葉中黃酮類物質的提取及其抗氧化性研究 [J].現代食品科技，2009，25（2）：165-167.

[3]任鴻鈞．木糖醇生產技術問答 [M].北京：化學工業出版社，2008：229-230.

[4]任鴻鈞．木糖醇生產技術問答 [M].北京：化學工業出版社，2008：234.◇