竹筍殼半纖維素水解液的制備

陳顯群　楊勝利

1溫州市食品研究所（浙江溫州　325000）2浙江工業大學藥學院（浙江杭州　310014）

竹筍殼半纖維素水解液的制備

陳顯群1楊勝利2

1溫州市食品研究所（浙江溫州325000）2浙江工業大學藥學院（浙江杭州310014）

對用來發酵生產木糖醇的竹筍殼半纖維素水解液的制備進行了研究。在水解單因素試驗基礎上確定因素的合適水平，通過正交試驗優化確定了水解條件：硫酸質量濃度0.01 g/mL、溫度120℃、時間1 h、液料比（mL/g）8∶1。在該條件下水解木糖得率為69.31%，使半纖維素利用率得以提高。

竹筍殼 水解液 優化

木糖醇是一種天然甜味劑，化學名為1,2,3,4,5－戊五醇，是一種五碳糖。外表和口感都與蔗糖相似，與其他多元糖醇相比，其甜度最高[1]。已被廣泛應用于食品、醫藥、印染、紡織、國防、皮革及化工等領域[2-3]。我國木糖醇生產采用傳統方法，主要以玉米芯為原料，利用酸水解預處理，經多次精制木糖，再采用氫化技術生產木糖醇。該方法存在產量低、污染嚴重、能耗高、生產成本高等缺點[4]。此外，使用的鎳催化劑會污染環境，嚴重制約企業發展和競爭力的提升。而利用微生物直接發酵半纖維素水解液生產木糖醇，工藝條件溫和、能耗低、環境污染小、產品質量安全可靠。竹筍殼及竹筍加工下腳料目前還未得到充分開發利用，大部分腐爛后被用作肥料，雖曾有廠家將竹筍殼制作成包裝材料、拖鞋、竹殼雕和快餐盒等，但都未形成規模。竹筍殼富含半纖維素，且成本低廉，是生產木糖乃至木糖醇很好的原料，然而目前國內外未見相關報道。

植物纖維原料水解液中含有很多發酵抑制物，如果直接用來發酵會影響木糖醇的生產。水解液的制備決定了其發酵性能，是利用植物纖維原料水解液制備木糖醇的關鍵步驟，因此對其進行研究具有重要意義。本文對竹筍殼原料進行預處理和水解條件的優化，為提高水解液的發酵性能作準備。

1　材料與方法

1.1試驗原材料與試劑

竹筍殼；D－木糖、L－鼠李糖，上海伯奧生物科技有限公司；無水硫酸鎂，上海申博化工有限公司；磷酸氫二鉀、濃硫酸，湖州湖試化學試劑有限公司；蛋白胨，南通東海龍生生物制品有限公司；酵母粉，廣西一品鮮生物科技有限公司；瓊脂，國藥集團化學試劑有限公司；氯化鈣，杭州永星五交化有限公司；乙酰丙酮，永華化學科技（江蘇）有限公司；硫酸銨，上海益海嘉里有限公司；氫氧化鈉，杭州蕭山化學試劑廠；乙酸銨，上海研生實業有限公司；乙酸，上海杰仁化工有限公司；高碘酸鉀，上海埃彼化學試劑有限公司。以上試劑均為分析純。

1.2水解方法

稱取10 g曬干粉碎的竹筍殼于250 mL的錐形瓶中，加入一定體積的硫酸，在實驗設計的條件下于水解鍋中進行水解。水解結束后，用去離子水洗滌并抽濾得到水解液，定容至250 mL，根據需要稀釋一定的倍數。

1.2.1水解單因素試驗

以木糖得率為目標函數，考察了硫酸質量濃度、溫度、時間和液料比（mL/g）對水解的影響。

1.2.2水解正交試驗

考察硫酸質量濃度、液料比和水解時間的協同作用及因素之間的交互作用，優化水解條件，針對竹筍殼的水解進行了L9(33)的正交試驗設計。

1.3分析測定方法

1.3.1木糖質量濃度測定

取待測品10 mL，2500 r/min離心10 min，將上清液適當稀釋。在25 mL試管中加入1 mL經過稀釋的上清液，再加入3 mL DNS試劑（灑石酸鉀鈉18.2 g溶于50 mL蒸餾水中，加熱后依次加入3,5－二硝基水楊酸0.63 g、氫氧化鈉2.1 g、苯酚0.5 g，攪拌至溶解，冷卻后用蒸餾水定容至100 mL，貯于棕色瓶中，室溫保存），混勻后在沸水浴中反應5 min，冷卻后定容至25 mL。在波長540 nm處測量吸光度值，根據標準曲線回歸方程計算樣品木糖質量濃度。1.3.2木糖醇含量測定

用紫外-可見分光光度計法來測定木糖醇的含量。

試劑的配置：（1）試劑a將0.32 g高碘酸鉀溶于100 mL 1%的鹽酸中；（2）試劑b配置L-鼠李糖溶液1.11 g/L；（3）Nash試劑（需現配現用）在100 mL150 g/L的乙酸銨中，分別加入0.2 mL乙酸及乙酰丙酮。

測定方法：取適量發酵液，4 500 r/min離心15 min，將上清液適當稀釋。取1 mL稀釋液置于小試管中，加入1 mL試劑a，混勻后在室溫下反應10 min，再分別加入2 mL試劑b和4 mL Nash試劑，混合均勻后在53℃水浴中保溫15 min，冷卻后于412 nm處測定吸光度值。

1.3.3木糖轉化率的計算

2　結果與分析

2.1原料中木聚糖質量分數的測定

植物纖維原料中主要含有半纖維素、纖維素。不同種類的植物纖維原料中這兩種主要成分的質量分數不同，即使是同一種植物原料，其中木聚糖的質量分數也與產地有很大的關系。經檢測，竹筍殼中木聚糖的質量分數為26.54%。

2.2木糖標準曲線的繪制（見圖1）

圖1　木糖標準曲線

2.3水解單因素試驗

2.3.1硫酸質量濃度對竹筍殼半纖維素水解的影響

硫酸的質量濃度分別設定為0.005，0.01，0.02，0.03，0.04，0.05 g/mL，以10∶l液料比于107℃下水解1.5 h，得到水解液，考察木糖得率隨硫酸質量濃度變化的情況，如圖2所示。

由圖2可以看出：隨著硫酸質量濃度的增大，竹筍殼水解液的木糖得率呈先逐漸增大后減小的趨勢，在硫酸質量濃度為0.02 g/mL時達到最大值，為65.2%，但是和硫酸質量濃度為0.01 g/mL時的收率（64.8%）差別不大。當硫酸質量濃度超過0.02 g/mL時，木糖得率逐漸減小。原因可能是硫酸質量濃度過低，水解反應速率慢，生成木糖的速率慢，木糖得率較低；硫酸質量濃度過高，水解反應速率快，生成木糖速率雖加快，然而木糖降解生成副產物的速率也加快，木糖得率也相應降低。綜合考慮，選擇硫酸的質量濃度為0.01 g/mL。

圖2　硫酸質量濃度對木糖得率的影響

2.3.2液料比對竹筍殼半纖維素水解的影響

采用質量濃度0.01 g/mL的硫酸，分別以5∶1，6∶1，7∶1，8∶1，9∶1和10∶1的液料比于107℃下水解1.5 h，得到水解液，考察木糖得率隨液料比變化的情況，如圖3所示。

圖3　液料比對木糖得率的影響

由圖3可以看出：隨著液料比的增大，竹筍殼水解液的木糖得率持續增大。原因是液料比越大，水解越徹底，木糖質量濃度越大，木糖得率也就越大。但由于酸的作用有限，到達一定程度后再增大用量，木糖得率明顯下降。而且液料比過大，酸的消耗量增加，同時木糖質量濃度過低會造成后續濃縮成本增加。綜合考慮成本和木糖得率，確定液料比為8∶1。

2.3.3溫度對竹筍殼半纖維素水解的影響

采用質量濃度0.01 g/mL的硫酸，以8∶l的液料比分別于100，105，110，115，120和130℃下水解1.5 h，得到水解液，考察木糖得率隨溫度變化的情況，如圖4所示。

圖4　溫度對木糖得率的影響

由圖4可以看出：隨著水解溫度的升高，竹筍殼水解液的木糖得率先增大后減小，在120℃時達到最大值，為66.3%。原因可能是水解溫度過低，水解反應速率慢，木糖的形成速率慢，木糖得率較低；溫度過高，水解反應速率快，木糖的形成速率雖快，但木糖降解生成副產物的速率也加快，木糖得率也會相應降低。因此，選取水解溫度為120℃。

2.3.4水解時間對竹筍殼半纖維素水解的影響

采用質量濃度1 g/mL的硫酸，以8∶1的液料比于120℃下分別水解40，60，80，100和120 min，得到水解液，考察木糖得率隨時間變化的情況，如圖5所示。

圖5　水解時間對木糖得率的影響

由圖5可以看出：隨著水解時間的延長，竹筍殼水解液的木糖得率先逐漸增大后逐漸減小，在60～80 min時達到最大值，為69.7%。原因可能是水解時間過短，水解反應進行不徹底，木糖質量濃度較低，木糖得率也低；水解時間過長，木糖降解生成副產物的量明顯增加，木糖得率也會降低。

2.4水解正交試驗

為了考察硫酸質量濃度、液料比和水解時間的協同作用及因素之間的交互作用，優化水解條件，對竹筍殼原料進行了L9(33)的正交試驗設計。因素水平安排如表1所示，結果和數據分析如表2和3所示。

表1　因素水平安排

表2　竹筍殼水解正交試驗結果

竹筍殼半纖維素水解正交試驗結果及各因素與水解液木糖得率關系的方差分析結果表明：竹筍殼原料的最佳水解工藝為A2B2C2，即硫酸質量濃度為0.01 g/mL，液料比為8∶l，水解時間為1 h。從表3的方差分析結果可知，各因素對木糖水解得率的影響大小順序為：C（水解時間）＞A（硫酸質量濃度）＞B（液料比）。經試驗驗證，在最佳工藝條件下水解竹筍殼，木糖得率為69.31%。

表3　方差分析

3　結論

利用1%稀硫酸溶液水解竹筍殼，得到不同還原糖和木糖含量的水解液。在水解單因素試驗基礎上確定因素的合適水平，通過正交試驗優化確定了水解條件：硫酸質量濃度0.01 g/mL、溫度120℃、時間1 h、液料比8∶1，提高了水解木糖得率，從而使半纖維素的利用率得以提高。

[1]張鳳清,張麗君,周長民.木糖醇的特性及應用[J].當代化工,2008,37(1)：92-95.

[2]M?kinen K K.Xylitol and oral health[J].Advances in Food Research,1979,25：137-157.

[3]Misra S,Gupta P,Raghuwanshi S,et al.Comparative study on different strategies involved for xylitol purification from culture media fermented byCandida tropicalis[J].Separation and Purification Technology,2011,78(3)：266-273.

[4]王關斌,趙光輝.木糖醇的生產與發展趨勢[J].浙江化工,2005,36(2)：25-26,42.

Study on the Preparation of Bamboo Shell Hemicellulose Hydrolysate

Chen Xianqun Yang Shengli

The preparation of bamboo shell hemicellulosic hydrolysate used for production of xylitol by fermentation was studied.On the basis of single factor experiment,the optimal hydrolysis conditions were established by orthogonal experimental design with sulfuric acid concentration of 1%,reaction time of 1 h,hydrolysis temperature of 120℃,liquid to solid ratio(mg/L)of 8∶1.Under above conditions,the yield of xylose was 69.31%,which could improve the utilization rate of hemicellulose.

Bamboo shell;Hydrolysate;Optimization

TS201.3

浙江省科技廳公益項目（2013C32079）

陳顯群 男 1965年生 碩士高級工程師現從事食品營養方面的研究

2015年4月