農業廢棄物中戊聚糖的提取、純化及其功效特征的研究

李曼，康鑫，趙斌

（1. 中華全國供銷合作總社天津再生資源研究所，天津300191；2. 天津港保稅區城市環境管理局，天津300308）

1 農業廢棄物中戊聚糖研究意義

我國每年有近百億噸農業廢棄物產生，且尚未進行有效的資源化利用，多采用淺層粗放形式進行處理，利用效率和產品附加值較低，相當部分資源被浪費且污染環境。因此，提取、利用農業廢棄物中活性成分，并加以產業化應用得到廣泛關注。

戊聚糖是一種非均一性多糖，并廣泛存在于小麥麩皮、玉米秸稈、黑麥麩皮等農作物廢棄物中[1-3]，且含量可觀。在小麥的加工過程中，麩皮產量可占到加工總量的五分之一左右，而研究發現，小麥麩皮中戊聚糖含量可達到近20%[1]。

戊聚糖在保健領域廣受關注和歡迎，應用前景樂觀。在預防腸胃疾病方面功能突出，可以促進胃腸道蠕動，被稱為“胃腸清道夫”；并且戊聚糖具有調節胃腸道菌群的功能，能夠改善胃腸道菌群紊亂，達到促進體內有益菌增殖和菌落平衡的作用；還有助于抑制膽固醇的吸收，降低高血壓、高血脂、高血糖等疾病風險的效用[4]。

因此，探討農業廢棄物中活性成分——戊聚糖的提取、純化技術，進一步提升農業廢棄物中活性成分的高值資源化利用水平，對農業廢棄物的資源化處置提質增效以及完善農業循環產業鏈具有重要意義。

2 農業廢棄物中戊聚糖含量

戊聚糖在農業廢棄物中廣泛存在，目前研究主要集中于小麥和黑麥麩皮中的戊聚糖。小麥中戊聚糖分布主要集中于麩皮當中，陳鳳蓮等[1]以我國黑龍江地區的小麥麩皮為測試樣品進行分析，測得其中所含戊聚糖質量分數達到19.42%。小麥籽粒中戊聚糖含量則相對較少。

戊聚糖在玉米皮中也廣泛存在。玉米皮中含有大量纖維素、半纖維素、木質素等膳食纖維，組分占比可達到50%左右[5]，其中半纖維素的主要成分就是戊聚糖。

黑小麥麩皮中戊聚糖含量也較為豐富，其中多為水不溶性戊聚糖形式存在。

3 農業廢棄物中戊聚糖提取技術

3.1 原料預處理

因原料內內源性碳水化合物酶對多糖的降解作用，造成多糖分子量降低，影響其生理功能，所以對原料進行預處理，以降低內源酶的影響是十分必要。

實驗室常以80%乙醇對烘干粉碎過篩后的農業廢棄物原料進行熱處理，以實現滅酶效果和對單糖等小分子物質的去除，進而提高戊聚糖粗品的純度。

3.2 水提、堿提法及其影響因素

戊聚糖常用提取方法有：水提法、堿提法、酶提法、汽爆法、酸法等。其中，采用水提、堿提法提取農業廢棄物中戊聚糖粗品，因操作簡便、污染較小，為目前戊聚糖制備較為普遍通用的方法。

戊聚糖因其溶解度不同，可分為水溶性戊聚糖和水不溶性戊聚糖。其中水溶性戊聚糖組分可采用水提法進行提取。孫元琳等[6]采用高壓輔助水提，將預處理后的黑小麥麩在40 ℃水恒溫攪拌40 min 后，以3 000 r/min 轉速離心20 min，以除去淀粉。離心后所得沉淀于0.12 MPa 高壓輔助，在121 ℃熱水中浸提2 次，離心合并上清液，得戊聚糖水提組分溶液。

何歡等[7]采用一般水提工藝流程，將預處理后小麥麩皮加水浸泡，離心后進行酶處理，后離心、濃縮、醇沉、干燥，得水溶性戊聚糖粗品，設計單因素試驗，考察水溶性戊聚糖提取率影響因素。

研究結果顯示，水溶性戊聚糖組分的提取與反應溫度、酶濃度、反應時間、pH 值均具有相關關系。何歡等[7]研究發現，戊聚糖提取率與反應溫度呈正相關性；酶濃度增加時，戊聚糖提取率相應增加，當溶液中酶濃度達到0.5%后，戊聚糖提取率無明顯增幅變化；最佳酶反應時間為1～3 h，此后，反應時間延長，反應速度下降，提取率變化不大；pH 值為4 時，水溶性戊聚糖的提取效果佳。何歡等摸索水溶性戊聚糖的最佳提取條件，選取62 ℃為反應溫度，酶濃度為0.55%，反應進行1.5 h，調節pH 值為4.2。此條件下，實現水溶性戊聚糖提取率為15.3%。

采用堿性溶液對水提后沉淀中不溶性戊聚糖組分在室溫下進行提取。常用堿性溶液為NaOH 溶液。王文俠等[8]采用堿性H2O2對玉米皮中戊聚糖進行提取，以解決一般堿提方法造成的產品色澤差問題，取得良好效果。

堿溶性戊聚糖組分的提取過程中，固液比、反應溫度、反應時間、堿液濃度、pH 值均對戊聚糖提取率產生影響。堿溶性戊聚糖提取率隨堿液體積的增加而增大，當固液比達到一定比例后，堿溶性戊聚糖提取率隨堿液體積增加而呈現降低趨勢；戊聚糖提取率隨溫度升高呈遞增趨勢，但溫度過高時，戊聚糖的結構將被破壞，導致生物活性喪失；戊聚糖提取率隨著反應時間的延長而增大，反應時間達到一定時間后增幅減緩，繼續延長反應時間，戊聚糖提取率發生下降現象；當堿液濃度過低時，戊聚糖不能完全溶出，堿液濃度的增加有利于堿溶性戊聚糖的提取，但堿液濃度過高容易導致戊聚糖結構的破壞和引起戊聚糖活性的喪失。何歡等[7]選取小麥麩皮堿提的實驗選擇最佳條件：料液比1∶20、溫度為55 ℃、作用時間為1.5 h、堿濃度為20%。在此條件下，測得堿溶性戊聚糖組分的提取率可達到17.4%。王佩等[9]選用玉米秸稈中提取戊聚糖，確定最佳實驗方案為：10%NaOH 溶液，固液比為1∶30，反應溫度為70 ℃，反應時間6 h，pH 值為7。

水溶性戊聚糖和水不溶性戊聚糖粗品中，除戊聚糖外，還有大量蛋白質一起提取出來。陳鳳蓮等[10]對小麥麩皮的酶處理最佳酶解效果進行研究，結果顯示，利用α-淀粉酶酶解小麥麩皮中淀粉，具有良好的酶解效果，可以將麩皮中的淀粉含量降至0.5%以下。采用堿性蛋白質酶對小麥麩皮中的蛋白質進行酶解，水洗分離后，測得小麥麩皮中蛋白質殘留量僅為0.62%。去除淀粉及蛋白質后，小麥麩皮中戊聚糖含量可提升為34.51%。

3.3 其他方法

戊聚糖常規提取方法還有酸水解法、蒸汽爆破法、蒸煮法等。酸法和蒸煮法副反應較多，且強酸的腐蝕性不利于產品安全性；蒸汽爆破法成本較高，條件要求苛刻。丁長河等[11]采用高溫酸水解法提取麩皮中戊聚糖，顯示高溫可明顯提高戊聚糖提取率。摸索高溫酸水解法提取戊聚糖的最優工藝條件為：料液比1∶20（g/mL），0.006 mol/L 乙酸于180 ℃下反應25 min。此條件下，可溶性戊聚糖的濃度值可達到15.19 g/L，戊聚糖產率可達到18.96%。趙夢麗等[12]研究發現，汽爆處理可顯著提高小麥麩皮可溶性物質的含量，采用汽爆預處理后，可溶戊聚糖含量可提高16.6 倍。

4 農業廢棄物中戊聚糖純化技術

常見戊聚糖粗品純化方法主要有乙醇沉淀法、柱層析法和鹽析法等。

4.1 乙醇沉淀法

通過設置不同梯度乙醇溶液，通過溶液濃度的逐步提升，達到不同分子量戊聚糖組分的分離。鄭學玲等[13]采用兩級濃度乙醇溶液對小麥麩皮中戊聚糖粗品進行純化，在樣品溶液中加入體積分數為95%的乙醇溶液，使溶液中乙醇的最終體積分數為65%，后于4 ℃靜置過夜后離心，所得沉淀部分加水溶解，對所得水溶液進行濃縮，去除殘余的乙醇成分，得到戊聚糖提取物C1。離心后上清液部分再次加入體積分數為95%的乙醇溶液，配置體積分數為80%的乙醇溶液，后于4 ℃靜置過夜后離心，收集沉淀部分加水溶解，濃縮，得到戊聚糖提取物C2。

4.2 柱層析法

將戊聚糖粗品經TCA 去除蛋白質后，采用柱層析法，對戊聚糖進行純化。將層析柱采用堿洗、酸洗、再堿洗進行預處理，用去離子水進行平衡后，將樣品裝填于層析柱中，以水或不同離子強度的鹽溶液（多采用不同濃度NaCl 溶液）進行洗脫，實現對水溶性和水不溶性戊聚糖各組分的純化分級[13]。本方法可用于小分子雜質的去除，或接乙醇沉淀法，作為其提取物的進一步分級純化。

4.3 鹽析法

利用戊聚糖在不同鹽溶液中溶解度不同的性質，對戊聚糖粗品進行純化。其中，采用（NH4）2SO4溶液作為溶液試劑最為廣泛。不同濃度的（NH4）2SO4溶液對戊聚糖粗品中的葡聚糖可進行選擇性沉淀。孫元琳等[14]將飽和的（NH4）2SO4溶液加入戊聚糖粗品水溶液中，使溶液中（NH4）2SO4最終質量分數為35%，對戊聚糖粗品進行純化處理。

5 戊聚糖的功效特征

5.1 戊聚糖具有潤腸通便作用

戊聚糖是谷物膳食纖維的主要成分，人體難以消化，具有潤腸通便的作用。黃覺非等[15]對小麥提取物中不同劑量戊聚糖的潤腸通便作用進行比較探討。采用不同等級劑量小鼠進行試驗，并與空白對照組和模型對照組進行對比研究。結果顯示，與模型對照組對比，不同劑量小麥戊聚糖提取物均可提高腸道蠕動功能，且差異明顯；與模型對照組對比顯示，中高等劑量小麥戊聚糖提取物具有良好的促進排便功能，可顯著提高排便量；其中，中等劑量性價比最高，可作為人體服用的參考劑量。不同提取技術所得戊聚糖組分的潤腸通便效果存在差異。鄭學玲等[16]研究發現，小麥麩皮中堿溶性戊聚糖組分具有較好的潤腸通便效果，水提法所得戊聚糖組分及剩余殘渣的效果較差。這說明具有潤腸通便效果的組分為小麥麩皮中戊聚糖，且相應效果與其溶解性具有相關性，水不溶性組分的效果更佳，水溶性戊聚糖的潤腸通便效果較差。戊聚糖對腸道中菌落也有調節作用。孫元琳等[17]研究表明，戊聚糖在結腸部位被特定的具有戊聚糖水解酶的細菌所降解，能夠增殖腸道中的雙歧桿菌和乳桿菌等有益菌。

5.2 戊聚糖具有減脂降糖作用

戊聚糖因其具有減脂、降糖的效果，得到關注。目前作用機理尚未得到明確。學者推測，一方面可能因為戊聚糖增加胃糜的粘性，另一方面可能與戊聚糖增加消化道中微生物菌落，細菌與寄主爭奪營養物質有關。董玉枝等[18]以實驗性肥胖大鼠為實驗對象，研究戊聚糖的減肥降脂作用。研究結果顯示，戊聚糖粗品降低肥胖效果明顯，可使肥胖大鼠體重達到正常水平。沈麗娟等[19]對小麥戊聚糖對糖尿病小鼠的腸道菌群及血糖影響進行研究。結果顯示，誘導2 型糖尿病后，小鼠空腹血糖升高，雙歧桿菌、乳酸桿菌數量下降，腸道菌群產生紊亂，且二者呈負相關。經小麥戊聚糖灌胃處理后，血糖值降低，雙歧桿菌及乳酸桿菌的數量有所恢復。說明戊聚糖制劑能起到有效調節作用，降低血糖水平。

6 研究展望

隨著農業廢棄物的大規模非資源化處置，由此引發的環境污染問題受到了日益關注。在當前的農業廢棄物處置過程中，活性成分——戊聚糖尚且得不到有效的應用，正逐漸引起重視。伴隨著戊聚糖功效特征的廣泛認識，迫切需要對農業廢棄物中戊聚糖的提取和純化技術進行系統及工業化研究，對農業廢棄物中戊聚糖含量的種類及區域性特點進行深入探討，開展農業廢棄物中戊聚糖提取、純化技術及功效特征產業化應用的相關研究。