活性炭-新磷酸鈣對玉米芯低聚木糖脫色工藝優化

宋娜，李竹生

鄭州職業技術學院（鄭州 450121）

作為一種性能非常優良的雙歧因子低聚木糖，廣泛應用在食品醫藥等領域。酶法制備的低聚木糖產品含有少量糖醛酸、木糖、色素、木質素和無機鹽等有色物質，這些物質影響低聚木糖產品的感官及品質[1]。具有安全無毒、高吸附性等特點的活性炭，常被廣泛應用于水的凈化、糖液脫色等諸多方面，國內外很多制造精糖企業采用添加活性炭進行糖液的處理。磷酸鈣是制糖工業中最常用的化學澄清劑之一[2]，新生磷酸鈣對酶解低聚木糖糖液中所含色素的吸附率較低聚木糖的吸附率要高[1]。試驗運用活性炭-新生磷酸鈣對木聚糖酶解液進行脫色工藝的研究。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

2 mm以下顆粒大小玉米芯（產地河南鄭州，木聚糖含量30.51%、水分7.93%、木質素含量8.92%、灰分2.91%）。

無水乙醇（分析純，鄭州化學試劑廠）；木聚糖酶（Pentopan Mono BG，北京世博嘉興生物科技有限公司）；氫氧化鈣（分析純，洛陽市化學試劑廠）；活性炭（HAC型粉狀，上海）；硫酸（分析純，武漢化學試劑廠）；磷酸（分析純，洛陽市化學試劑廠）。

1.2 儀器與設備

紫外可見分光光度計（Alpha-1900S型，上海譜天儀器有限公司）；高壓反應釜（XSF-2.0型，威海行雨化機設備有限公司）；漩渦混合器（南通理漫化工有限公司）；數顯恒溫水浴鍋（HH-2，常州金勝儀器制造有限公司）；定時恒溫磁力攪拌器（90-2型，上海滬西分析儀器廠）；pH計（PHS-2C，上海精密科學儀器有限公司）；高速臺式離心機（TGL-16C，常州金勝儀器制造有限公司）。

1.3 方法

1.3.1 低聚木糖粗糖液的制備

高溫蒸煮-酶解法[3]。

1.3.2 活性炭預處理

1%鹽酸浸泡活性炭→過濾→去離子水洗滌至中性→冷卻干燥

1.3.3 活性炭-新生磷酸鈣脫色

將20 mL低聚木糖的粗糖液加入到100 mL具塞三角瓶中，加入一定量的處理過的粉狀氫氧化鈣及活性炭，振蕩具塞三角瓶，混勻之后。緩慢滴加30%H3PO3，調節溶液pH。在一定溫度的恒溫振蕩水浴鍋中將三角瓶以170 r/min頻率振蕩。靜置并且沉降30 min后，傾析過濾得到上層清液，在4 000 r/min條件下離心上層清液30 min得到離心清液[1]。測定還原糖損失率、脫色率研究考察活性炭-新生磷酸鈣體系對于低聚木糖糖溶液脫色的效果。

1.3.4 還原糖的測定

采用3, 5-二硝基水楊酸（DNS）法[4]測定還原糖含量。

1.3.5 脫色率測定

采用Alpha-1900S型分光光度計，在波長420 nm上測定糖液的吸光度（A），脫色率由式（1）進行計算[5]。

式中：Dr為脫色率；A為脫色后所得離心清液的吸光度；A0為低聚木糖液的吸光度。

1.3.6 還原糖損失率的測定

還原糖損失率由式（2）進行計算[1]。

式中：Ds為還原糖損失率；C0為低聚木糖液中還原糖的初始質量濃度，g/L；C為脫色后離心清液中糖組分質量濃度，g/L。

2 結果與分析

2.1 活性炭添加量對脫色效果的影響

選擇低聚木糖脫色率、還原糖的損失率作為考察的指標，研究活性炭添加量對低聚木糖脫色效果的影響。

隨著活性炭添加量增加，吸附比表面積逐漸越大，低聚木糖液脫色率相應增加。由圖1可以看出，活性炭添加量較少時，低聚木糖脫色率隨著活性炭添加量增加而迅速增加，活性炭對糖吸附速率也增加，但活性炭對色素分子的吸附速率較對糖分子的吸附速率明顯要高。多孔性活性炭的結構對色素的吸附到一定程度會飽和。隨著活性炭添加量繼續增加，色素吸收飽和后，活性炭會吸附低聚木糖糖液，從而產生不必要的損失。

在活性炭添加量2.00 g/L時，還原糖損失率為13.85%，低聚木糖的脫色率可達83.13%。若繼續加大活性炭劑量，活性炭對糖的吸附率依然較大，而低聚木糖脫色率增加幅度變得比較平緩。此時，活性炭主要吸附的不是色素而變成糖分子。由此可見，活性炭合適的試驗添加劑量為2.00 g/L。

圖1 活性炭添加量對脫色效果的影響

2.2 Ca(OH)2添加量對低聚木糖脫色效果的影響

運用新生磷酸鈣進行低聚木聚糖酶解液的脫色，結果見圖2。隨著Ca(OH)2添加量增加，Ca(OH)2對低聚木糖的吸附速率呈線性增加趨勢。Ca(OH)2添加量小于5.00 g/L時，色素的吸附速率明顯高于低聚木糖。Ca(OH)2添加量達到5.00 g/L時，低聚木糖的脫色率可達77.26%。此時，如果繼續增加Ca(OH)2添加量，很難大幅提高木聚糖酶解液脫色率，與此同時，低聚木糖的損失率將持續上升。所以，鑒于降低低聚木糖損失率考慮，在用新生磷酸鈣進行脫色處理低聚木糖糖液，氫氧化鈣添加量5.00 g/L時，還原糖損失率僅9.49%，而木聚糖酶解液脫色率可達77.25%。

圖2 Ca(OH)2添加量對脫色效果的影響

2.3 活性炭-新生磷酸鈣質量比對低聚木糖糖液脫色效果的影響

稱取一定比例預處理活性炭和氫氧化鈣粉末混合均勻，活性炭與氫氧化鈣粉末質量比例如表1所示，考察活性炭-新生磷酸鈣體系脫色低聚木糖糖液的效果。

表1 活性炭和氫氧化鈣混合物質量組成 g/L

活性炭與氫氧化鈣的混合物不同質量組成對于低聚木糖糖液脫色效果的影響如圖3所示。

由圖3可以得出，活性炭與氫氧化鈣混合物不同質量的組成對低聚木糖糖液脫色效果的影響不盡相同。第3組即當活性炭添加量2.00 g/L，氫氧化鈣添加量3.00 g/L時，脫色率可達88.13%，比只加2.00 g/L活性炭時脫色率有所提高。還原糖損失率僅7.84%，較其他幾組添加比例更優越。因此，選擇活性炭添加量2.00 g/L、氫氧化鈣添加量3.00 g/L時較合適，換算成新磷酸鈣生成量3.80 g/L。

2.4 脫色時間對低聚木糖脫色效果的影響

在脫色溫度60 ℃、振蕩頻率170 r/min活性炭添加劑量2.00 g/L時，Ca(OH)2添加劑量3.00 g/L的條件下，分析低聚木聚糖提取液脫色效果隨脫色時間的影響。

由圖4可以得出，隨脫色時間增加，低聚木聚糖酶解液脫色率會慢慢升高，通過對脫色前后溶液的還原糖損失率及低聚木糖脫色率比較就會看出，脫色時間30 min時，脫色率達到89.99%，還原糖損失率為10.32%。此時，活性炭-新磷酸鈣體系對色素的吸附基本達到飽和，脫色率不再有明顯提高，繼續吸附，色素也可能會解吸，影響脫色效果的同時延長生產周期，這在實際生產中不可取。因此，脫色30 min是比較理想的吸附時間。

圖3 活性炭和氫氧化鈣混合物不同的質量組成對于低聚木糖糖液脫色效果的影響

圖4 脫色時間對低聚木糖液脫色效果的影響

2.5 脫色溫度對低聚木糖糖液脫色效果的影響

圖5 表明，隨著溫度升高，低聚木糖酶解物的脫色率逐漸加大，糖的損失率同步加大。溫度升高可能會促進糖液中各種分子的擴散、減小體系黏度，進而速吸附作用增大[6]。

溫度升高到50 ℃時，低聚木聚糖酶解液脫色的效果最佳，此時脫色率達到88.48%，而還原糖的損失率為13.99%。溫度繼續升高到60 ℃時，木聚糖酶解液脫色率反而會下降，然而還原糖的損失率卻依然增加。溫度的升高加速分子的熱運動，這可能會使已吸附活性炭上的色素重新解吸，導致木聚糖酶解液脫色率沒有明顯上升。與此同時，溫度升高會增加能耗，對后續操作會帶來一定困難。因此活性炭50 ℃下脫色是一個較為合適的試驗溫度。

2.6 初始pH對低聚木糖糖液脫色效果的影響

不同酸堿度體系對活性炭脫色和新生磷酸鈣脫色低聚糖溶液的影響顯著。色素溶解度及分子狀態隨體系pH改變會有一定影響，不同pH、體系呈現不同顏色，由于大部分色素分子對pH較為敏感的緣故，色素分子的結構隨體系pH改變也可能會發生變化。在活性炭添加量2.00 g/L、氫氧化鈣添加量3.00 g/L、振蕩頻率170 r/min脫色溫度50 ℃、脫色時間30 min條件下，分析研究低聚木聚糖提取液初始pH對脫色效果的影響。

不同pH對低聚木糖溶液的脫色效果進行比較研究，從圖6可知，溶液呈弱酸時（pH 3～6）脫色率在87.31%～90.34%，繼續添加酸，脫色率會略有増加。小于pH 5的偏酸性環境時，還原糖損失率較低，且色素的吸附量較大，因此，偏酸性體系條件下脫色效果較好。

圖5 脫色溫度對低聚木糖液脫色效果的影響

圖6 初始pH對低聚脫色效果的影響

2.7 響應面分析及工藝優化

2.7.1 活性炭-新磷酸鈣體系脫色因素水平選擇

在單因素分析基礎上，活性炭添加劑量2.00 g/L，Ca(OH)2添加劑量3.00 g/L前提下，以低聚木糖的脫色時間、脫色溫度和初始酸堿度3個因素，以脫色率作為低聚木糖脫色分析的指標，設計響應面試驗。脫色時間、脫色溫度、初始pH的3因素水平表和編碼見表2。

表2 響應面因素水平表及編碼如表

2.7.2 響應面試驗設計和結果

試驗程序和試驗結果見表3所示。

2.7.3 回歸模型的建立和方差的分析

利用Design-Expert 10分析軟件，對表3中的試驗數據進行回歸分析和回歸擬合，得到影響木糖低聚糖脫色率3個因素——脫色時間（A）、脫色溫度（B）和初始pH（C）的二次回歸方程：Y=80.49+2.59A+0.632 6B-3.64C-1.39AB-0.112 5AC+2.69BC-13.79A2-5.09B2-4.55C2。

表3 響應面試驗設計和結果

利用Design-Expert 10分析軟件對模型以及系數進行顯著性檢驗，結果如表4所示。

通過對表4中的方差表進行分析，可以得出F值為69.55，p＜0.000 1，表明回歸模型是非常顯著的。BC交互項之間存在顯著的交互作用，A、C一次項偏回歸系數均顯著。失擬性檢驗F1=0.299 9，回歸方程差異性質不太顯著。調整決定系數R2adj=0.977 7且回歸模型的總決定系數R2=0.989 9，說明回歸模型擬合良好、適用。

表4 回歸模型與方差分析

由圖7～圖9可以看出，影響低聚木糖脫色時間、脫色溫度、初始pH幾個因素的交互作用對木聚糖酶解液脫色率的影響由弱到強順序依次為AC、AB、BC。

模型響應面優化結果表明，脫色溫度49.39 ℃，脫色時間30.98 min，初始pH 4.58。考慮到實際條件，將幾個因素進行微調為：脫色溫度49 ℃，脫色時間31 min，初始pH 4.6。此時活性炭-新磷酸鈣對低聚木糖脫色率的理論值為91.37%。進行驗證性3次重復試驗，實際脫色率達到90.88%，由此可見，實測值和理論值差距很小，因此，可以運用響應面對活性炭脫色參數條件進行優化，此時還原糖的損失率是5.16%。

圖7 脫色溫度和脫色時間交互作用的曲線圖

圖8 脫色時間與初始pH交互作用的曲線圖

圖9 初始pH和脫色溫度交互作用的響應面

3 結論

采用活性炭-新磷酸鈣體系對高溫蒸煮玉米芯酶解溶液提取出的低聚木糖粗糖液進行脫色，分析不同因素對木聚糖酶解液脫色效果的影響，單因素試驗后運用Design-Expert 10分析軟件的響應面Box-Behnken模型優化，得出最佳工藝條件：活性炭添加劑量2.00 g/L，Ca(OH)2添加劑量3.00 g/L，脫色溫度49 ℃，初始pH 4.6。在此試驗條件下對低聚木糖液進行脫色31 min，脫色率可達90.88%，還原糖損失率為5.16%。