木糖制備技術研究進展

梁朝昱，黃耘，滕德榮，豐丙政，雷光鴻

（廣西糖業研發中心良圻基地，廣西南寧530317）

木糖制備技術研究進展

梁朝昱，黃耘，滕德榮，豐丙政，雷光鴻

（廣西糖業研發中心良圻基地，廣西南寧530317）

農作物廢棄物是世界上最豐富的可再生資源，利用農作物廢棄物作為原料制備木糖，有著廣泛的應用前景。本文綜述了木糖制備工藝的研究進展，對國內外的預處理方法、催化水解技術和分離提純技術進行簡要介紹，并提出了展望。

木糖；制備技術

0 緒言

木糖是一種重要的單糖類物質，具有熱量低、甜度高、不被人體消化吸收的優點［1］，同時，它還具有活化人體腸道內有益菌的生長和增殖［2］，改善人體內的微生物環境，提高機體免疫能力，有益人體健康的特點；木糖與鈣同時攝入，可以促進人體對鈣的吸收，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、醫藥等重要行業中被廣泛應用。近年來，木糖產品由于具有不被人體代謝，也不產生能量的特點［5］，能滿足群眾吃甜品的需求，受到糖尿病和愛美人士的青睞，需求量日益增大。我國的木糖生產工藝主要是通過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，經過純化，結晶分離后得到木糖，從而使農林廢棄物得到有效利用，實現廢物利用的目的，同時起到保護環境的作用。

1 植物纖維預處理方式的研究現狀

目前的木糖原料預處理方法主要包括物理法、化學法和生物法。

物理法包括：機械粉碎處理、微波處理和超聲波處理等，現在已經被廣泛的應用。林增祥等［6］人通過球磨法對玉米秸稈進行預處理，研究發現，玉米秸稈經過球磨預處理后，其酶解的效率得到顯著提高。

化學處理法，即在纖維原料預處理時，往纖維原料中加入特定的化學試劑，以加快植物纖維的水解速率，整個過程中，化學試劑只起到催化降解的作用?；瘜W處理法包括熱水預處理法、酸處理法、堿處理法、酶解法、離子液體法和有機溶劑法等。Merali等［7］用熱水對小麥秸稈進行預處理，結果表明，經過預處理的小麥秸稈殘渣的原結構被破壞，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］用白腐菌對竹粉中的木質纖維素進行處理，結果發現竹子中3種主要成分的降解速率依次為半纖維素＞木質素＞纖維素。

以上提到的這些預處理技術都較常見，通過整理發現，預處理后的植物纖維原料結構發生改變，原料的降解速度和降解的程度得到提高，目標產物的得率升高，但是，依然存在一些問題，例如酶解法水解能力低、成本高；超聲波法則是能耗高；酸處理法則是后續污染物難處理，水解率低。所以，能耗低，無污染，效率高的預處理方法就成為目前研究的重點。蒸汽爆破預處理技術是近年來發展較快，低成本、環保、節能的一項新技術［9］。在爆破過程中，可以不添加任何化學試劑而達到分離纖維原料三大組分的目的。目前，蒸汽爆破技術應用的領域主要包括廢紙回收業、木質纖維原料預處理、纖維板制造業、制漿造紙工業、生物活性物質的提取和飼料制備等。劉東波等［10］利用蒸汽爆破技術來提高玉米秸稈飼料的動物適口性，實驗結果表明：蒸汽爆破處理過的玉米秸稈制成動物飼料后，其適口性良好，飼料產品安全無毒，可以作為牛羊等反芻動物的飼料。周再魁［11］等研究發現，通過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酵生產乙醇，每100g木質纖維，最高產乙醇量可達34.32g。除此之外，蒸汽爆破技術還廣泛應用于其他行業中，如醫藥、食品、輕工以及化工等。隨著社會的不斷發展，科技水平的不斷提高，蒸汽爆破技術的應用范圍將變得更加廣泛。

2 木糖分離制備過程研究現狀

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，通過酸、堿、酶等物質作用，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糖苷鍵縮聚而成，其產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，纖維素穩定，不溶于水和稀堿，在稀酸中加熱到100℃仍不水解，當溫度達到160℃或者更高的溫度時，纖維素才開始水解。半纖維素易溶于稀堿，且在稀酸中加熱到100℃就開始水解成為單糖［12］。利用半纖維素來制備木糖，傳統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等無機酸［13］。李士雨［14］用稀硫酸對棉籽殼進行催化水解并對水解過程進行優化，得到的最佳工藝參數是，固液比1∶15，硫酸質量濃度2%，反應時間2 h，在此條件下木糖收率高達22.82%（按棉籽殼原料質量計）。

2.2 堿水解法

堿催化水解方式在國內半纖維素降解時應用比較少，大多用于原料預處理，目前主要應用于纖維素降解。在酸催化水解纖維素前，用堿性H2O2對纖維原料進行預浸處理，在整個過程中，過氧化氫的作用是降解木質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，并對提取的半纖維素分別進行化學水解和酶水解比較，得到最佳工藝條件為，2%過氧化氫，2%氫氧化鈉，加入時間4h。反應溫度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88%，水解率上升至約90%。

2.3 酶水解法

酶解法具有專一性好，反應條件溫和、副產物少等優點，成為國內外研究的熱點。木聚糖酶使半纖維素主鏈的β-1-4糖苷鍵斷裂，以降解半纖維素來制備木糖。由于甘蔗渣原料中纖維素、半纖維素和木質素結合在一起，酶解困難，因此，常常結合物理、化學、生物等預處理手段來提高酶的敏感性。目前所知產木聚糖酶的菌株有細菌，真菌，黑曲霉等，研究的重點也主要集中在尋找新的產酶菌株和復合酶的應用，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，以各個酶的用量為考察因素，以木聚糖酶酶解的產物作為考察指標，并通過最優混料設計方法優化小麥麩皮酶解制備低聚木糖工藝。由選用的最佳數學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℃，酶解時間6h，低聚木糖產率達到67.2%。

2.4 蒸煮法

蒸煮法作為一種簡單的提取方法，主要是通過水合作用，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，乙酸電離出來的H+可以進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進行下去，最終得到木聚糖或木糖產品。目前，發達國家中的丹麥、芬蘭、俄羅斯等，都是通過利用農林業的廢棄原材料，先通過水蒸汽蒸煮處理樺木片得到粗糖液，工藝上再進一步處理粗糖液，最后制得結晶木糖醇產品。這種處理方法由于木材耗用量大，木糖醇得率低，沒有被廣泛應用。李慧靜等［17］用蒸煮法從玉米芯中提取木聚糖，結果表明：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31.21%。

3 分離提純

水解液的分離提純是生產木糖產品的重要步驟，目的是為了獲得高質量的木糖產品。生產過程主要包括：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濾除鹽等，通過這些處理可以達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量氫離子，與中和試劑反應生成水，從而達到中和的目的。目前，中和試劑主要有氧化鈣、氫氧化鈣和輕質碳酸鈣。曹玉華等［18］采用生產出的中間品木糖水解液為原料，輕質碳酸鈣為中和劑，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，再過濾，得到純度高、易脫色木糖水解液。傳統的脫酸為石灰水中和法，存在能耗高、設備積垢多、離子樹脂交換損耗快、污染大等缺點。汪耀明等［19］采用自組裝的電滲析裝置對木糖水解液進行脫酸處理，主要考察了操作電流對殘酸去除及木糖得率的影響。結果表明，當操作電流為30mA·cm-2時，電滲析過程對殘酸的去除率大于99%，其木糖的得率為84.9%。但是，由于電滲析工藝還不成熟，仍處于試驗階段，且成本高，這些因素限制了其實際應用。

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、酚類等雜質，被廣泛應用于工業生產脫色過程中。目前，對于影響活性炭脫色的因素研究有很多報道，主要集中在脫色時間、脫色溫度、活性炭用量、改性活性炭、活性等因素對脫色的影響。周建斌等［20］通過KOH溶液對磷酸法活性炭進行改性處理，并對木糖液進行脫色研究。研究表明，以質量分數0.25%KOH溶液對活性炭進行4h～6h的處理．可以提高活性炭對木糖液的脫色率，與未改性活性炭試樣相比，其透光率由44%提高到50%。并且對木糖液中的酚類化合物、氮類物質、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數量增加，吸附能力有一定程度的提高。

離子交換樹脂可以去除水解液中無機鹽離子，水解液過離子交換樹脂的順序為陽—陰—陽。周強等［21］用離子交換法純化木糖母液，主要研究了操作溫度、進料ψ（木糖母液）、洗脫速率、進樣量等因素，通過單因素試驗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，進樣量15mL時，優化純化得到母液中的阿拉伯糖，其純度為83.5%，回收率達到59.6%。

膜分為有機膜和無機膜，在脫鹽應用中，主要應用的是有機膜，有機膜的使用壽命短，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膜的應用。李健等［22］通過雙膜法（CMF+RO）對天津開發區污水進行脫鹽處理，最終的出水水質優于世界衛生組織和美國環保署的飲用水水質標準。

除了離子樹脂交換法和膜脫鹽，電滲析脫鹽和超濾也被應用于鹽的脫除。朱秋華［23］用電滲析法對某工廠的循環用水進行脫鹽處理，得出的最優條件是，操作電壓25V，濃、淡室循環流量560 L/h～800L/h，極水室流量約為其的80%，系統回收率50%，運行25分鐘，脫鹽率可達到90.0%，處理噸水的能耗為17.07kW·h，淡水可回用。薛艷芳［24］利用超濾技術對大豆乳清低聚糖進行提取和純化，經過單因素優化和響應面分析方法優化得出，壓力＞pH＞稀酸倍數；最佳條件為，壓力55kPa，pH 7.3，稀釋倍數1倍，此時的蛋白質截留率、總糖透過率分別為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 問題和展望

甘蔗渣提取木糖還是一個正在開發的領域，在甘蔗渣制備木糖工業化的過程中，如甘蔗渣預處理手段，提取工藝、分離提純工藝、木糖渣綜合利用等仍存在一些問題，例如。

第一，蒸汽爆破處理過程中，維壓時間和壓力對原料形態以及對水解液中木糖濃度的影響，預處理前處理方式的選擇，蔗渣制備木糖的放大式實驗還沒有開展。

第二，酸水解纖維組分過程中，酸的使用量過多，對設備腐蝕嚴重，且在降解過程中，纖維組分的降解機理缺少系統的闡述。

第三，水解液中和脫酸過程中，會增加水解液中鈣離子含量，造成后續加熱蒸發管路的積垢的形成，導致傳熱效率低，設備輪洗頻繁，增加設備成本投入。

第四，木糖渣作為動物飼料時，木質素的含量影響著動物的適口性，木糖水解渣作為飼料時，其發酵配方以及發酵條件沒有被深入研究。

第五，木糖得率較低，木糖母液含糖分高、能耗高。

隨著科學技術的不斷發展，各種新技術和新設備的出現，木糖制備技術勢必得到不斷革新。經濟、高效、環保的預處理技術及分離純化技術，木糖生產工藝將有更新的發展和變化，木糖產品必將得到更廣泛的應用。

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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品綜合利用。