木糖制備技術(shù)研究進(jìn)展

梁朝昱，黃耘，滕德榮，豐丙政，雷光鴻

（廣西糖業(yè)研發(fā)中心良圻基地，廣西南寧530317）

木糖制備技術(shù)研究進(jìn)展

梁朝昱，黃耘，滕德榮，豐丙政，雷光鴻

（廣西糖業(yè)研發(fā)中心良圻基地，廣西南寧530317）

農(nóng)作物廢棄物是世界上最豐富的可再生資源，利用農(nóng)作物廢棄物作為原料制備木糖，有著廣泛的應(yīng)用前景。本文綜述了木糖制備工藝的研究進(jìn)展，對(duì)國(guó)內(nèi)外的預(yù)處理方法、催化水解技術(shù)和分離提純技術(shù)進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹，并提出了展望。

木糖；制備技術(shù)

0 緒言

木糖是一種重要的單糖類(lèi)物質(zhì)，具有熱量低、甜度高、不被人體消化吸收的優(yōu)點(diǎn)［1］，同時(shí)，它還具有活化人體腸道內(nèi)有益菌的生長(zhǎng)和增殖［2］，改善人體內(nèi)的微生物環(huán)境，提高機(jī)體免疫能力，有益人體健康的特點(diǎn)；木糖與鈣同時(shí)攝入，可以促進(jìn)人體對(duì)鈣的吸收，還利于排便［3，4］。木糖是制備木糖醇的重要原料，在化工、食品、醫(yī)藥等重要行業(yè)中被廣泛應(yīng)用。近年來(lái)，木糖產(chǎn)品由于具有不被人體代謝，也不產(chǎn)生能量的特點(diǎn)［5］，能滿(mǎn)足群眾吃甜品的需求，受到糖尿病和愛(ài)美人士的青睞，需求量日益增大。我國(guó)的木糖生產(chǎn)工藝主要是通過(guò)硫酸催化水解玉米芯、甘蔗渣、樺木片、棉籽殼等富含多縮戊糖的物質(zhì)，經(jīng)過(guò)純化，結(jié)晶分離后得到木糖，從而使農(nóng)林廢棄物得到有效利用，實(shí)現(xiàn)廢物利用的目的，同時(shí)起到保護(hù)環(huán)境的作用。

1 植物纖維預(yù)處理方式的研究現(xiàn)狀

目前的木糖原料預(yù)處理方法主要包括物理法、化學(xué)法和生物法。

物理法包括：機(jī)械粉碎處理、微波處理和超聲波處理等，現(xiàn)在已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用。林增祥等［6］人通過(guò)球磨法對(duì)玉米秸稈進(jìn)行預(yù)處理，研究發(fā)現(xiàn)，玉米秸稈經(jīng)過(guò)球磨預(yù)處理后，其酶解的效率得到顯著提高。

化學(xué)處理法，即在纖維原料預(yù)處理時(shí)，往纖維原料中加入特定的化學(xué)試劑，以加快植物纖維的水解速率，整個(gè)過(guò)程中，化學(xué)試劑只起到催化降解的作用。化學(xué)處理法包括熱水預(yù)處理法、酸處理法、堿處理法、酶解法、離子液體法和有機(jī)溶劑法等。Merali等［7］用熱水對(duì)小麥秸稈進(jìn)行預(yù)處理，結(jié)果表明，經(jīng)過(guò)預(yù)處理的小麥秸稈殘?jiān)脑Y(jié)構(gòu)被破壞，半纖維素和纖維素分解為小分子的糖。生物處理法的研究比較晚，徐春燕等［8］用白腐菌對(duì)竹粉中的木質(zhì)纖維素進(jìn)行處理，結(jié)果發(fā)現(xiàn)竹子中3種主要成分的降解速率依次為半纖維素＞木質(zhì)素＞纖維素。

以上提到的這些預(yù)處理技術(shù)都較常見(jiàn)，通過(guò)整理發(fā)現(xiàn)，預(yù)處理后的植物纖維原料結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，原料的降解速度和降解的程度得到提高，目標(biāo)產(chǎn)物的得率升高，但是，依然存在一些問(wèn)題，例如酶解法水解能力低、成本高；超聲波法則是能耗高；酸處理法則是后續(xù)污染物難處理，水解率低。所以，能耗低，無(wú)污染，效率高的預(yù)處理方法就成為目前研究的重點(diǎn)。蒸汽爆破預(yù)處理技術(shù)是近年來(lái)發(fā)展較快，低成本、環(huán)保、節(jié)能的一項(xiàng)新技術(shù)［9］。在爆破過(guò)程中，可以不添加任何化學(xué)試劑而達(dá)到分離纖維原料三大組分的目的。目前，蒸汽爆破技術(shù)應(yīng)用的領(lǐng)域主要包括廢紙回收業(yè)、木質(zhì)纖維原料預(yù)處理、纖維板制造業(yè)、制漿造紙工業(yè)、生物活性物質(zhì)的提取和飼料制備等。劉東波等［10］利用蒸汽爆破技術(shù)來(lái)提高玉米秸稈飼料的動(dòng)物適口性，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：蒸汽爆破處理過(guò)的玉米秸稈制成動(dòng)物飼料后，其適口性良好，飼料產(chǎn)品安全無(wú)毒，可以作為牛羊等反芻動(dòng)物的飼料。周再魁［11］等研究發(fā)現(xiàn)，通過(guò)纖維素酶處理蒸汽爆破處理后的楊木，用koll-大腸埃希氏菌和釀酒酵母混合發(fā)酵生產(chǎn)乙醇，每100g木質(zhì)纖維，最高產(chǎn)乙醇量可達(dá)34.32g。除此之外，蒸汽爆破技術(shù)還廣泛應(yīng)用于其他行業(yè)中，如醫(yī)藥、食品、輕工以及化工等。隨著社會(huì)的不斷發(fā)展，科技水平的不斷提高，蒸汽爆破技術(shù)的應(yīng)用范圍將變得更加廣泛。

2 木糖分離制備過(guò)程研究現(xiàn)狀

木糖是由低聚木糖水解而得的，而低聚木糖和其它低聚糖如異麥芽酮糖、低聚果糖、乳果糖一樣，是一種功能性低聚糖，它的聚合度很低，通過(guò)酸、堿、酶等物質(zhì)作用，就可以將低聚木糖水解成木糖。低聚木糖是由木糖分子通過(guò)糖苷鍵縮聚而成，其產(chǎn)品的主要成分為木糖、木二糖、木三糖及少量木三糖以上的木聚糖，其降解的方法有：酸水解法、堿水解法、酶解法、蒸煮法等。

2.1 酸水解法

植物纖維原料中的纖維素和半纖維素相比，纖維素穩(wěn)定，不溶于水和稀堿，在稀酸中加熱到100℃仍不水解，當(dāng)溫度達(dá)到160℃或者更高的溫度時(shí)，纖維素才開(kāi)始水解。半纖維素易溶于稀堿，且在稀酸中加熱到100℃就開(kāi)始水解成為單糖［12］。利用半纖維素來(lái)制備木糖，傳統(tǒng)方式一般采取酸催化方式水解半纖維素。目前使用的酸一般是H2SO4、H3PO4、HCl等無(wú)機(jī)酸［13］。李士雨［14］用稀硫酸對(duì)棉籽殼進(jìn)行催化水解并對(duì)水解過(guò)程進(jìn)行優(yōu)化，得到的最佳工藝參數(shù)是，固液比1∶15，硫酸質(zhì)量濃度2%，反應(yīng)時(shí)間2 h，在此條件下木糖收率高達(dá)22.82%（按棉籽殼原料質(zhì)量計(jì)）。

2.2 堿水解法

堿催化水解方式在國(guó)內(nèi)半纖維素降解時(shí)應(yīng)用比較少，大多用于原料預(yù)處理，目前主要應(yīng)用于纖維素降解。在酸催化水解纖維素前，用堿性H2O2對(duì)纖維原料進(jìn)行預(yù)浸處理，在整個(gè)過(guò)程中，過(guò)氧化氫的作用是降解木質(zhì)素和大部分半纖維素以使纖維素暴露，使纖維素更容易水解。王海紅等［15］采用堿性H2O2法研究了半纖維素的分離和提取工藝，并對(duì)提取的半纖維素分別進(jìn)行化學(xué)水解和酶水解比較，得到最佳工藝條件為，2%過(guò)氧化氫，2%氫氧化鈉，加入時(shí)間4h。反應(yīng)溫度75℃。使用CF3COOH水解半纖維素所得木糖濃度為67%～73%，水解率為76%～84%，稀鹽酸水解所得木糖濃度高達(dá)88%，水解率上升至約90%。

2.3 酶水解法

酶解法具有專(zhuān)一性好，反應(yīng)條件溫和、副產(chǎn)物少等優(yōu)點(diǎn)，成為國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。木聚糖酶使半纖維素主鏈的β-1-4糖苷鍵斷裂，以降解半纖維素來(lái)制備木糖。由于甘蔗渣原料中纖維素、半纖維素和木質(zhì)素結(jié)合在一起，酶解困難，因此，常常結(jié)合物理、化學(xué)、生物等預(yù)處理手段來(lái)提高酶的敏感性。目前所知產(chǎn)木聚糖酶的菌株有細(xì)菌，真菌，黑曲霉等，研究的重點(diǎn)也主要集中在尋找新的產(chǎn)酶菌株和復(fù)合酶的應(yīng)用，還有酶解的影響因素如酶底物比、酶活性等。岳鹍等［16］用三種不同的酶分別作用于小麥麩皮，以各個(gè)酶的用量為考察因素，以木聚糖酶酶解的產(chǎn)物作為考察指標(biāo)，并通過(guò)最優(yōu)混料設(shè)計(jì)方法優(yōu)化小麥麩皮酶解制備低聚木糖工藝。由選用的最佳數(shù)學(xué)模型得出制備低聚木糖最佳工藝條件是：麩皮濃度60g/L，阿魏酸酯酶用量0.200%，木聚糖酶用量0.637%，漆酶用量0.163%，酶解pH 5.6，酶解溫度55℃，酶解時(shí)間6h，低聚木糖產(chǎn)率達(dá)到67.2%。

2.4 蒸煮法

蒸煮法作為一種簡(jiǎn)單的提取方法，主要是通過(guò)水合作用，使木聚糖自身含有的乙酰基在一定溫度和壓力下脫落成乙酸，乙酸電離出來(lái)的H+可以進(jìn)一步催化半纖維素和木聚糖水解，從而使得半纖維素的降解得以自發(fā)進(jìn)行下去，最終得到木聚糖或木糖產(chǎn)品。目前，發(fā)達(dá)國(guó)家中的丹麥、芬蘭、俄羅斯等，都是通過(guò)利用農(nóng)林業(yè)的廢棄原材料，先通過(guò)水蒸汽蒸煮處理樺木片得到粗糖液，工藝上再進(jìn)一步處理粗糖液，最后制得結(jié)晶木糖醇產(chǎn)品。這種處理方法由于木材耗用量大，木糖醇得率低，沒(méi)有被廣泛應(yīng)用。李慧靜等［17］用蒸煮法從玉米芯中提取木聚糖，結(jié)果表明：玉米芯用0.1%的H2SO4在60℃條件下12h，濾去浸泡液，然后加水至固液比為1∶15，水解溫度82.5℃，水解時(shí)間120min，溶出的總糖量為20.10%，且提取液的還原糖與總糖的比小于25.6%，木聚糖提取率可達(dá)31.21%。

3 分離提純

水解液的分離提純是生產(chǎn)木糖產(chǎn)品的重要步驟，目的是為了獲得高質(zhì)量的木糖產(chǎn)品。生產(chǎn)過(guò)程主要包括：中和脫酸或電滲析脫酸、活性炭脫色、離子交換脫鹽或者膜過(guò)濾除鹽等，通過(guò)這些處理可以達(dá)到凈化木糖水解液的目的。

脫酸工藝主要有中和脫酸和電滲析。中和脫酸是利用水解液中的過(guò)量氫離子，與中和試劑反應(yīng)生成水，從而達(dá)到中和的目的。目前，中和試劑主要有氧化鈣、氫氧化鈣和輕質(zhì)碳酸鈣。曹玉華等［18］采用生產(chǎn)出的中間品木糖水解液為原料，輕質(zhì)碳酸鈣為中和劑，得到水解液的最佳中和工藝條件是：溫度80℃，輕質(zhì)CaCO3按0.005g/mL～0.0055g/mL的濃度慢慢加入，水浴鍋中保溫1.0h～2.5h后，再過(guò)濾，得到純度高、易脫色木糖水解液。傳統(tǒng)的脫酸為石灰水中和法，存在能耗高、設(shè)備積垢多、離子樹(shù)脂交換損耗快、污染大等缺點(diǎn)。汪耀明等［19］采用自組裝的電滲析裝置對(duì)木糖水解液進(jìn)行脫酸處理，主要考察了操作電流對(duì)殘酸去除及木糖得率的影響。結(jié)果表明，當(dāng)操作電流為30mA·cm-2時(shí)，電滲析過(guò)程對(duì)殘酸的去除率大于99%，其木糖的得率為84.9%。但是，由于電滲析工藝還不成熟，仍處于試驗(yàn)階段，且成本高，這些因素限制了其實(shí)際應(yīng)用。

活性炭因其具有巨大的表面積，能夠吸附鉀、鈣、銅等金屬離子，還有膠體、色素、酚類(lèi)等雜質(zhì)，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)脫色過(guò)程中。目前，對(duì)于影響活性炭脫色的因素研究有很多報(bào)道，主要集中在脫色時(shí)間、脫色溫度、活性炭用量、改性活性炭、活性等因素對(duì)脫色的影響。周建斌等［20］通過(guò)KOH溶液對(duì)磷酸法活性炭進(jìn)行改性處理，并對(duì)木糖液進(jìn)行脫色研究。研究表明，以質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.25%KOH溶液對(duì)活性炭進(jìn)行4h～6h的處理．可以提高活性炭對(duì)木糖液的脫色率，與未改性活性炭試樣相比，其透光率由44%提高到50%。并且對(duì)木糖液中的酚類(lèi)化合物、氮類(lèi)物質(zhì)、鐵及糠醛的去除率由46.37%，43.50%、6.40%、11.83%提高到56.87%、53.00%、16.31%、13.17%。改性活性炭與未改性活性炭比，改性活性炭堿性官能團(tuán)數(shù)量增加，吸附能力有一定程度的提高。

離子交換樹(shù)脂可以去除水解液中無(wú)機(jī)鹽離子，水解液過(guò)離子交換樹(shù)脂的順序?yàn)殛?yáng)—陰—陽(yáng)。周強(qiáng)等［21］用離子交換法純化木糖母液，主要研究了操作溫度、進(jìn)料ψ（木糖母液）、洗脫速率、進(jìn)樣量等因素，通過(guò)單因素試驗(yàn)得到最佳分離條件為，ψ（木糖母液）=83%，操作溫度40.0℃，洗脫速率2mL/min，進(jìn)樣量15mL時(shí)，優(yōu)化純化得到母液中的阿拉伯糖，其純度為83.5%，回收率達(dá)到59.6%。

膜分為有機(jī)膜和無(wú)機(jī)膜，在脫鹽應(yīng)用中，主要應(yīng)用的是有機(jī)膜，有機(jī)膜的使用壽命短，耐酸堿性差、溶液濃度和溫度要求高，這些條件都限制了有機(jī)膜的應(yīng)用。李健等［22］通過(guò)雙膜法（CMF+RO）對(duì)天津開(kāi)發(fā)區(qū)污水進(jìn)行脫鹽處理，最終的出水水質(zhì)優(yōu)于世界衛(wèi)生組織和美國(guó)環(huán)保署的飲用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。

除了離子樹(shù)脂交換法和膜脫鹽，電滲析脫鹽和超濾也被應(yīng)用于鹽的脫除。朱秋華［23］用電滲析法對(duì)某工廠的循環(huán)用水進(jìn)行脫鹽處理，得出的最優(yōu)條件是，操作電壓25V，濃、淡室循環(huán)流量560 L/h～800L/h，極水室流量約為其的80%，系統(tǒng)回收率50%，運(yùn)行25分鐘，脫鹽率可達(dá)到90.0%，處理噸水的能耗為17.07kW·h，淡水可回用。薛艷芳［24］利用超濾技術(shù)對(duì)大豆乳清低聚糖進(jìn)行提取和純化，經(jīng)過(guò)單因素優(yōu)化和響應(yīng)面分析方法優(yōu)化得出，壓力＞pH＞稀酸倍數(shù)；最佳條件為，壓力55kPa，pH 7.3，稀釋倍數(shù)1倍，此時(shí)的蛋白質(zhì)截留率、總糖透過(guò)率分別為95.87%和82.14%，蛋白含量減少93.54%，色值降低了62.42%，透光率由68.4%增加到90.1%。

4 問(wèn)題和展望

甘蔗渣提取木糖還是一個(gè)正在開(kāi)發(fā)的領(lǐng)域，在甘蔗渣制備木糖工業(yè)化的過(guò)程中，如甘蔗渣預(yù)處理手段，提取工藝、分離提純工藝、木糖渣綜合利用等仍存在一些問(wèn)題，例如。

第一，蒸汽爆破處理過(guò)程中，維壓時(shí)間和壓力對(duì)原料形態(tài)以及對(duì)水解液中木糖濃度的影響，預(yù)處理前處理方式的選擇，蔗渣制備木糖的放大式實(shí)驗(yàn)還沒(méi)有開(kāi)展。

第二，酸水解纖維組分過(guò)程中，酸的使用量過(guò)多，對(duì)設(shè)備腐蝕嚴(yán)重，且在降解過(guò)程中，纖維組分的降解機(jī)理缺少系統(tǒng)的闡述。

第三，水解液中和脫酸過(guò)程中，會(huì)增加水解液中鈣離子含量，造成后續(xù)加熱蒸發(fā)管路的積垢的形成，導(dǎo)致傳熱效率低，設(shè)備輪洗頻繁，增加設(shè)備成本投入。

第四，木糖渣作為動(dòng)物飼料時(shí)，木質(zhì)素的含量影響著動(dòng)物的適口性，木糖水解渣作為飼料時(shí)，其發(fā)酵配方以及發(fā)酵條件沒(méi)有被深入研究。

第五，木糖得率較低，木糖母液含糖分高、能耗高。

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，各種新技術(shù)和新設(shè)備的出現(xiàn)，木糖制備技術(shù)勢(shì)必得到不斷革新。經(jīng)濟(jì)、高效、環(huán)保的預(yù)處理技術(shù)及分離純化技術(shù)，木糖生產(chǎn)工藝將有更新的發(fā)展和變化，木糖產(chǎn)品必將得到更廣泛的應(yīng)用。

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TS245.8

B

2095-820X（2016）06-04

2016-11-27

梁朝昱，男，1987年11月出生，籍貫廣西三江縣，碩士研究生，研究方向是制糖副產(chǎn)品綜合利用。