蔗渣制备低聚木糖溶液的脱色脱盐
工艺及其组分分析

盛金凤1,2,李 丽1,2,孙 健1,2,3,*,李昌宝1,2,赵谋明3,何雪梅1,2,郑凤锦1,2,李杰民1,2,刘国明1,2,廖 芬1,2

(1.广西农业科学院农产品加工研究所,广西 南宁 530007;2.广西作物遗传改良生物技术重点开放实验室,
广西 南宁 530007;3.华南理工大学轻工与食品学院,广东 广州 510640)

 

摘 要:利用活性炭结合阴阳离子交换树脂吸附技术研究甘蔗渣制备低聚木糖溶液的脱色脱盐工艺,并采用高效液相色谱分析精制后的低聚木糖溶液组分。结果表明:活性炭对低聚木糖溶液最佳脱色工艺为活性炭添加量质量分数1%、反应温度60 ℃、吸附时间1 h,在该条件下溶液脱色率为80.25%、还原糖保留率为98.70%。通过对7 种不同型号的树脂进行筛选,确定选用001×7和D301树脂串联、V(001×7)V(D301)=21、流速254 mL/h时,离子交换树脂对低聚木糖脱盐效果最佳。经过活性炭和离子交换树脂共同脱色脱盐,低聚木糖溶液的最终脱色率为92.4%、脱盐率为79.2%,溶液接近中性(pH 7.4)。高效液相色谱法分析确定低聚木糖水解得到的单糖主要为木糖,还含有少量的甘露糖和葡萄糖,其中木糖占所有单糖的88.9%;低聚木糖溶液主要为木二糖和木三糖,还含有少量的木糖和木五糖。

关键词:低聚木糖;活性炭;离子交换树脂;脱色脱盐;组分

 

Decolorization, Demineralization and Monosaccharide Composition of Xylooligosaccharides from Sugarcane Bagasse

 

SHENG Jin-feng1,2, LI Li1,2, SUN Jian1,2,3,*, LI Chang-bao1,2, ZHAO Mou-ming3, HE Xue-mei1,2, ZEHNG Feng-jin1,2,

LI Jie-min1,2, LIU Guo-ming1,2, LIAO Fen1,2

(1. Institute of Agro-Food Science & Technology, Guangxi Academy of Agricultural Sciences, Nanning 530007, China;

2. Guangxi Crop Genetic Improvement and Biotechnology Key Lab, Nanning 530007, China;

3. College of Light Industry and Food, South China University of Technology, Guangzhou 510640, China)

 

Abstract: Decolorization and demineralization of xylooligosaccharides (XOs) from sugarcane bagasse were investigated by activated charcoal combined with ion exchange resin adsorption. The monosaccharide composition of XOs was analyzed by high performance liquid chromatography (HPLC). Results showed that the optimum decolorization conditions for XOs were addition of 1% activated charcoal followed by adsorption at 60 ℃ for 1 h, resulting in a decolorization rate of 80.25% and a retention rate of reducing sugar of 98.7%. Through a comparative analysis of seven different types of resins, sequential chromatography on 001×7 and D301 with a volume ratio of 2:1 at a flow rate of 254 mL/h was chosen for the best demineralization of XOs. The decolorized and demineralized XOs exhibited a decolorization rate of 92.4% and a demineralization rate of 79.2%, and were nearly neutral (pH 7.4). HPLC analysis showed that the major monosaccharide from acid hydrolysates of purified XOs, accounting for 88.9% of the total monosaccharides, and small amounts of mannose and glucose were detected as well. The XOs obtained in this study mainly contained xylobiose and xylotriose, together with a small amount of xylose and xylopentaose.

Key words: xylooligosacchardies; activated charcoal; ion exchange resin; decolorization and demineralization; monosaccharide composition

中图分类号:TS201.1 文献标志码:A 文章编号:1002-6630(2014)14-0040-06

doi:10.7506/spkx1002-6630-201414008

低聚木糖(xylo-oligosaccharides,XOs)是目前发现的最好的食品用功能性低聚糖[1],由2~7 个木糖以β-1,4糖苷键连接而成,目前在饮料、保健食品、焙烤食品、甜点等食品中得到广泛应用。低聚木糖具有促使双歧杆菌增殖、抑制病原菌、增强机体免疫力、抵抗肿瘤和分解致癌物等功能[2-3]。工业上生产低聚木糖主要以木质纤维素类物质为原料,如玉米芯、甘蔗渣、秸秆等农产品副产物[4]。

广西是全国最大的甘蔗种植基地,甘蔗渣含有24%~29%的半纤维素,主要为1-阿拉伯糖-(4-O-甲基-D-葡萄糖醛)-木糖,以及纤维素、木质素等[5-6]。以甘蔗渣为原料制备低聚木糖溶液时,溶液中还混有一部分色素以及盐分等杂质[7]。其中色素主要来源于纤维素原料本身含有的色素、焦糖化反应、还原糖与纤维质中的氨基酸产生的美拉德反应以及还原糖的酸降解反应产生的产物[8]。在木聚糖碱法提取的过程中,常会有大量的钠离子混入提取液中,而钠离子的存在对木聚糖发酵有抑制作用,同时混入钠离子还会降低终产品低聚木糖的质量。对低聚糖溶液进行脱色脱盐是低聚糖精制的关键所在。丁胜华等[9]研究了4 种活性炭和7 种大孔离子交换树脂对低聚木糖静态吸附脱色效果,结果表明糖用HC-303型活性炭和阴离子交换树脂D750对低聚木糖溶液具有较好的脱色效果;郑辉杰等[10]采用阳-阴-阴串联式离子交换柱对海藻糖提取液脱盐脱色,结果发现,离子交换柱处理量为4 倍柱体积,脱色率98%,海藻糖的收率为94%;膜过滤技术在糖的纯化中得到越来越多的重视,韩永萍等[11]研究3 种纳滤膜结构对低聚壳聚糖制备液的纯化效果,得出NTR-7450纳滤膜更具有工业应用价值;章茹[12]、赵鹤飞等[13]对超滤和纳滤技术对秸秆制备的低聚木糖溶液的纯化开展过研究,得到最佳的纯化工艺;袁其朋等[14]研究了絮凝脱色在低聚木糖精制中的应用;黄海等[15-16]研究比较了活性炭和离子交换树脂对低聚木糖液的脱色效果,结果表明,活性炭脱色效果较好,但糖损失较大;杨瑞金等[17]进一步对低聚木糖中的色素进行研究,为低聚木糖的精制提供了理论依据。目前以甘蔗渣为原料制备低聚木糖研究中,尚未有人开展以活性炭结合阴阳离子交换进行脱盐脱色的研究,因此开展以活性炭结合离子交换树脂对低聚木糖溶液进行脱色脱盐研究,并采用高效液相色谱(high performance liquid chromatography,HPLC)对精制的低聚木糖溶液组分进行分析,以期为有效开发利用蔗渣低聚木糖提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

低聚木糖溶液:自制的甘蔗渣低聚木糖溶液(超声波碱法提取,酶法制备),电导率15.48 mS/cm,颜色黄褐色;活性炭粉末(分析纯) 重庆川东化工(集团)有限公司;D113、001×7、D301、201×4、717、D311、D201树脂 上海汇珠树脂厂;甘露糖、鼠李糖、半乳糖醛酸、葡萄糖、半乳糖、木糖、阿拉伯糖标准品 美国Sigma公司;酒石酸钾钠、苯酚、3,5-二硝基水杨酸、无水硫酸钠、三氟乙酸、乙腈、乙酸铵均为分析纯。

1.2 仪器与设备

PHS-25型实验室pH计 上海今迈仪器仪表有限公司;TU-1810紫外-可见分光光度计 北京普析通用仪器有限公司;JA2003电子天平 上海舜宇恒平科学仪器有限公司;BT-100D定时数显恒流泵 上海沪西分析仪器有限公司;2695高效液相色谱仪 美国Waters公司;磁力搅拌水浴锅 金坛市万华实验仪器厂;DDSJ-308A雷磁电导率仪 上海仪电科学仪器股份有限公司。

1.3 方法

1.3.1 活性炭对低聚木糖脱色效果实验

考察活性炭添加量、反应温度和反应时间对低聚木糖脱色效果,反应结束后以8 000 r/min离心15 min,后经45 μm膜过滤,测定过滤液还原糖和色值,计算还原糖保留率和脱色率。活性炭前处理方式:活性炭粉末采用质量分数1% HCl溶液浸洗,热去离子水洗至中性,滤干,120 ℃干燥,冷却至室温备用。

1.3.2 离子交换树脂对低聚木糖溶液脱盐脱色效果实验

1.3.2.1 树脂静态吸附实验

7 种树脂各取20 g,添加70 mL低聚木糖酶解液,静态吸附2 h,每隔一段时间振摇一次,过滤后测滤液脱色率、脱盐率。树脂处理方法:阳离子树脂用清水浸泡20~24 h后用质量分数3% NaOH溶液浸泡4 h,清水洗至中性,然后用质量分数3% HCl溶液浸泡4 h,清水反复洗至中性,50 ℃烘干备用;阴离子树脂用清水浸泡20~24 h后用质量分数3% HCl溶液浸泡4 h,清水洗至中性,然后用质量分数3% NaOH溶液浸泡4 h,清水反复洗至中性,50 ℃烘干备用。

1.3.2.2 动态吸附实验确定串联树脂柱最佳脱盐条件

取活性炭脱色后的低聚木糖溶液,采用恒流泵将溶液泵入层析柱中(玻璃层析柱26 mm×300 mm),等流出液糖度大于0后,每25 mL收集一管,测定每管的电导率,以脱盐率建立动态穿透曲线,通过对比不同条件下每管的脱盐率,确定最佳的脱盐条件。阴阳离子树脂处理方法同1.3.2.1节,树脂无需干燥。

1.3.3 样品组分分析

1.3.3.1 进样前处理

低聚木糖水解处理方法:取2 mL样品,加3 mL三氟乙酸(2 mol/L)于安瓿瓶内水解,水解液中和,稀释至10 mL。取0.4 mL加吡唑啉酮(1-phenyl-3-methyl-5-pyrazalone,PMP)衍生后,过0.45 μm膜,进样量20 μL;标准糖溶液由甘露糖、木糖、鼠李糖、半乳糖醛酸、葡萄糖、半乳糖、阿拉伯糖组成;低聚木糖溶液经稀释后过0.45 μm膜直接进样20 μL

1.3.3.2 色谱条件

测定标准品和水解液色谱条件:2489UV示差折光检测器,检测波长为250 nm;色谱柱为C18柱(4.6 mm×250 mm,5 µm);流动相为V(乙腈)V(乙酸铵溶液)=2080。

测定低聚糖色谱条件:2414示差折光检测器;色谱柱为NH3柱(4.6 mm×250 mm,5 µm);流动相为V(乙腈)V(水)=7525。

1.3.4 分析方法

还原糖:DNS法;总糖:苯酚-硫酸法;脱盐率参见公式(1)。

606816.jpg (1)

式中:K0为低聚木糖经树脂处理前的电导率/
(mS/cm);K1为每管流出液的电导率/(mS/cm)。

采用国际糖色值法GB 317—2006《白砂糖》,测定低聚木糖粗糖浆在420 nm波长处的吸光度变化;脱色率参见公式(2)。

606831.jpg (2)

式中:A0为脱色前待测糖液的吸光度;A1为脱色后每管待测糖液的吸光度。

2 结果与分析

2.1 活性炭对低聚木糖溶液的脱色效果

活性炭是制糖工业中常用的脱色剂之一,活性炭颗粒表面含有大量的孔隙,能够吸附糖液中分子质量大小和活性碳孔隙孔径相当的色素,其对具有芳香环的色素分子有较强的吸附作用,但同时也会造成溶液中糖分的损失[18]。本研究选用质量分数0.5%、1%、3%、5%的活性炭添加到低聚木糖溶液中,50 ℃反应1 h后测定色值和还原糖含量变化,如图1所示,还原糖保留率随着活性炭的添加量增加呈逐渐下降的趋势,还原糖保留率在93.26%以上;而脱色率随着活性炭添加量增加而逐渐增大,当活性炭添加量大于质量分数1%时,脱色率增加比较缓慢。活性炭对色素和低聚木糖的吸附能力差异非常显著,对色素的吸附率高于对低聚木糖的吸附率。活性炭添加量大于质量分数1%时,虽然低聚木糖溶液的脱色率得到提高,但提高幅度较低,同时活性炭添加越多,脱色结束后过滤难度越大,因此选用质量分数1%活性炭作为最佳活性炭添加量。

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图 1 活性炭添加量对低聚木糖溶液脱色和还原糖的影响

Fig.1 Effect of activated charcoal dosage on decolorization and reducing sugar retention

选用质量分数1%的活性炭添加到低聚木糖溶液中,分别在50、60、70、80 ℃反应1 h,如图2所示,脱色率在50~80 ℃时呈先增加后下降的趋势,而还原糖的保留率呈逐渐下降的趋势,考虑到60~70 ℃脱色率增加幅度较低,因此以60 ℃作为活性炭脱色温度。

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图 2 温度对低聚木糖溶液脱色和还原糖的影响

Fig.2 Effect of temperature on decolorization and reducing sugar retention by activated charcoal

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图 3 活性炭不同吸附时间下对低聚木糖脱色和还原糖的影响

Fig.3 Effect of adsorption time on decolorization and reducing sugar retention by activated charcoal

选用质量分数1%的活性炭添加到低聚木糖溶液中,在60 ℃反应0.5、1、1.5、2 h后测定色值和还原糖含量变化,如图3所示,活性炭对低聚木糖溶液脱色率在0.5~2.0 h时呈先增加后下降的趋势,反应1、1.5 h脱色率分别为80.25%、80.83%,脱色率变化较小;而还原糖的保留率呈逐渐下降趋势,同时温度越高能耗越大,因此活性炭吸附脱色低聚木糖溶液1 h比较适宜。

研究表明,溶液中相对分子质量为5 000和1 000以内的色素物质可被活性炭吸附,同时溶液中的某些杂质也可吸附在活性炭上,从而达到分离提纯的目的[19]。综合以上结果,活性炭对以甘蔗渣为原料制备的低聚木糖溶液的最佳脱色工艺为添加质量分数1%活性炭60 ℃条件下吸附1 h,低聚木糖溶液脱色率为80.25%,还原糖保留率为98.70%。

2.2 离子交换树脂对低聚木糖溶液的脱盐脱色效果

糖的粗液中都含有一定量的阴阳离子,离子的存在不仅影响其后处理,而且降低了糖的纯度,使其难以达到食品级标准,因此脱盐也是低聚木糖精制的关键工艺。离子交换树脂是一类带有功能基的网状结构的高分子化合物,离子交换树脂由于分离技术设备简单、操作方便、生产连续化程度高,得到的产品纯度较高,因而在天然提取物的分离纯化中得到广泛应用。本研究将7 种不同离子交换树脂(阳离子树脂:D113、001×7,阴离子树脂:D301、201×4、717、D311、D201)对低聚木糖溶液脱色效果进行比较,如图4所示,阳离子树脂D113和001×7对低聚木糖脱色效果较差,阴离子树脂D301、201×4和D201对溶液脱色效果较好,脱色率分别为68.83%、71.70%、70.54%。除D311外,阴离子树脂对低聚木糖脱色效果明显优于阳离子树脂的脱色效果,这是由于低聚木糖生产过程中色素含有的—N=N—、
—HC=CH—等基团在溶液中大部分成电离状态,且一般带负电荷,阴离子树脂对其有较强的吸附和交换能力[20]。

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图 4 不同树脂对低聚木糖溶液静态吸附脱色的影响

Fig.4 Effect of different macroporous ion exchange resins on
XO decolorization

不同的离子交换树脂对溶液中离子的吸着能力不同,如图5所示,在7 种离子交换树脂对低聚木糖溶液静态吸附脱盐实验中,001×7、D301和D201对溶液脱盐率分别为57.11%、62.16%、56.54%,脱盐效果优于其他4 种树脂。由于离子树脂对离子的选择性吸附,单独使用阴离子树脂或阳离子树脂会导致溶液酸碱度偏大,所以一般离子交换柱是由阳离子交换树脂和阴离子交换树脂串联起来组成[8];同时由于活性炭已经脱出溶液中绝大多数色素,因此选用001×7和D301阴阳离子串联,研究待吸附液流速、pH值以及阴阳离子交换树脂比例对低聚木糖溶液脱盐效果的影响。

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图 5 不同树脂对低聚木糖溶液静态吸附脱盐的影响

Fig.5 Effects of different ion exchange resins on XO demineralization

将001×7强酸性阳离子交换树脂和D301大孔弱碱性阴离子交换树脂分别按照21(80 mL+40 mL)、11(40 mL+40 mL)和12(40 mL+80 mL)的顺序装柱,按照阳离子树脂柱-阴离子树脂柱的顺序串联,取低聚木糖溶液调节pH 5,恒流泵以254 mL/h流速泵入树脂柱中,每25 mL收集一管,测定每管的电导率,以脱盐率为指标建立动态穿透曲线。如图6所示,阳离子树脂与阴离子树脂体积比越高,对低聚木糖溶液处理量越大,V(001×7)V(D301)=21时,离子交换柱对低聚木糖溶液处理量为1 250 mL,脱盐率为78%~80%,为10.4 倍树脂体积;而V(001×7)V(D301)=11时,对低聚木糖溶液的处理量450 mL后,脱盐率迅速下降,离子交换柱处理量为5.6 倍树脂体积;当V(001×7)V(D301)=12时,对低聚木糖溶液的处理量为550 mL,处理量仅为4.6 倍树脂体积。这表明阳离子树脂001×7对低聚木糖溶液中离子交换能力大于D301阴离子树脂,因此选用V(001×7)V(D301)=21作为处理低聚木糖溶液的最佳树脂比例。

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图 6 不同树脂体积比对低聚木糖脱盐效果的影响

Fig.6 Effect of different volume ratio between cation resin and
anion resin on XO demineralization

V(001×7)V(D301)=21(80 mL+40 mL)的顺序装柱,取低聚木糖溶液分别调节至pH 5、6、7,恒流泵以254 mL/h流速泵入树脂柱中,每25 mL收集一管,测定每管的电导率。结果发现,不同pH值条件下,离子交换树脂柱对低聚木糖溶液脱盐率及处理量差异较小(图7),表明低聚木糖溶液的pH值对树脂脱盐效果影响较小。

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图 7 不同pH值低聚木糖溶液的离子交换树脂脱盐效果

Fig.7 Effect of pH on XO demineralization by ion exchange resins

V(001×7)V(D301)=21(80 mL+40 mL)的装柱条件下,取低聚木糖溶液调节至pH 5,恒流泵分别以254、339、429 mL/h流速泵入树脂柱中,每25 mL收集一管,测定每管的电导率。结果发现低聚木糖溶液流速越低,离子交换树脂柱对低聚木糖溶液处理量越大(图8)。

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图 8 低聚木糖溶液不同流速对离子交换树脂脱盐效果的影响

Fig.8 Effect of sample loading flow rate on XO demineralization by ion exchange resins

综合以上,阴阳离子串联树脂对低聚木糖脱盐结果表明,溶液的pH值对离子交换树脂脱盐效果影响较小,当V(001×7)V(D301)=21、低聚木糖溶液流速254 mL/h时脱盐效果最佳,对低聚木糖脱盐处理量为10.4 倍的柱体积、对低聚木糖溶液脱盐率为79.2%、对低聚木糖溶液脱色率为61.4%。通过计算,经活性炭和离子交换树脂共同脱盐脱色,低聚木糖溶液的最终脱色率达92.4%,脱盐率为79.2%,溶液pH值为7.4,溶液酸碱度接近中性。

2.3 低聚木糖溶液组分分析

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图 9 标准单糖溶液色谱图

Fig.9 Chromatogram of mixed monosaccharide standard solution

7 种标准品混合液经HPLC分析得到标准单糖溶液色谱图(图9)。依据出峰值时间依次为甘露糖(11.4 min)、鼠李糖(15.1 min)、半乳糖醛酸(19.9 min)、葡萄糖(22.8 min)、半乳糖(25.6 min)、木糖(27.3 min)、阿拉伯糖(28.1 min)。

对经过活性炭和离子交换树脂脱盐脱色的低聚木糖溶液水解后,利用HPLC进行组分定性定量分析(图10),确定低聚木糖水解得到的单糖为甘露糖
0.05 mg/mL、葡萄糖0.17 mg/mL、木糖1.76 mg/mL,其中木糖为主要的单糖,比例占所有单糖的88.9%。

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图 10 低聚木糖水解溶液色谱图

Fig.10 Chromatogram of acid hydrolysates of sugarcane bagasse XOs

从低聚木糖溶液色谱图(图11)可见,在4.439 min时出现木糖峰,占2.11%;在5.911 min和6.085 min时出现2 个峰,分别为木二糖和木三糖,含量分别为38.64%和38.38%;在8.021 min时出现的峰推测为木五糖,含量占20.86%;从出峰时间和出峰面积以及低聚木糖水解液后单糖含量推断得知,低聚木糖溶液主要为木二糖和木三糖,还含有少量的木糖和木五糖。

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图 11 低聚木糖溶液色谱图

Fig.11 Chromatogram of sugarcane bagasse XOs

3 结 论

采用活性炭结合离子交换树脂对蔗渣制备的低聚木糖溶液进行脱色脱盐研究,低聚木糖溶液中添加质量分数1%活性炭60 ℃条件下吸附1 h,溶液脱色率为80.25%,还原糖保留率为98.70%;当001×7和D301离子交换树脂串联、V(001×7)V(D301)=21、流速254 mL/h时,离子交换树脂对低聚木糖脱盐效果最佳,低聚木糖上柱量为10.4 倍的柱体积,对低聚木糖溶液脱盐率79.2%,经过活性炭和离子交换树脂共同脱盐脱色,低聚木糖溶液的最终脱色率达92.4%,脱盐率为79.2%,溶液的pH值为7.4,溶液酸碱度接近中性。HPLC分析确定低聚木糖水解得到的单糖主要为木糖,木糖占所有单糖的88.9%,其他为甘露糖和葡萄糖;低聚木糖溶液主要为木二糖和木三糖组成,还含有少量的木糖和木五糖。在低聚木糖的脱色脱盐和组分分析研究基础上,可进一步开展特定聚合度低聚木糖的分离纯化与生产制备研究。

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收稿日期:2014-01-24

基金项目:2011年留学人员科技活动项目择优资助经费项目(桂人社办发[2012]250号);广西重点实验室建设项目(12-071-09);

广西农业科学院面上项目(2013YM03)

作者简介:盛金凤(1987—),女,研究实习员,硕士,研究方向为食品科学。E-mail:shengjinfeng919@126.com

*通信作者:孙健(1978—),男,研究员,博士,研究方向为农产品贮藏加工。E-mail:jiansun@gxaas.net