周玉恒，覃香香，蔡愛華，陳海珊，沈育伊，張厚瑞

(廣西植物功能物質(zhì)研究與利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西植物研究所，廣西桂林，541006)

過氧化物漂白對(duì)蔗渣木聚糖提取的影響*

周玉恒，覃香香，蔡愛華，陳海珊，沈育伊，張厚瑞

(廣西植物功能物質(zhì)研究與利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西植物研究所，廣西桂林，541006)

比較了直接浸提和預(yù)處理后再浸提對(duì)蔗渣木聚糖提取率和產(chǎn)物的影響。蔗渣經(jīng)過堿性過氧化氫或過氧乙酸的漂白預(yù)處理，有利于促進(jìn)木聚糖的溶出和提高提取率，尤其是堿性過氧化氫的促進(jìn)作用更顯著，可以使木聚糖提取率達(dá)到21.5%(對(duì)干料)，精制后產(chǎn)物純度和白度分別達(dá)到85%和83%，但對(duì)于木聚糖純度的提高并不是很顯著。不同提取方式所得到的木聚糖在糖基組成和紅外光譜圖均有很高的相似度。

蔗渣，木聚糖，過氧化物，漂白，提取

木聚糖是自然界第二大天然多糖，是構(gòu)成植物細(xì)胞壁的主要成分之一，在禾本類植物和樺木、楊木等闊葉樹中含量更為豐富，占植物干重的20%～35%以上。木聚糖也稱為戊聚糖，其結(jié)構(gòu)單元以木糖為主，木糖通過糖苷鍵連接成聚糖的主鏈，在主鏈的不同位置上還連接有葡萄糖醛酸、阿拉伯糖、甘露糖、半乳糖等側(cè)鏈基團(tuán)。近年來，發(fā)現(xiàn)木聚糖具有不同的生理活性，例如從玉米芯提取的多支鏈木聚糖具有促進(jìn)有絲分裂、刺激免疫調(diào)節(jié)的作用[1］;從山毛櫸分離得到的木聚糖具有抗腫瘤的活性[2-3］;米糠來源的半纖維素可以起到降低血清膽固醇、改善腸道功能和抑制大腸癌發(fā)生的生理功能[4］;將木聚糖硫酸酯化可以合成抗病毒、抗凝血功能藥物[5-10］，進(jìn)行乙酰酯化可以提高疏水性，制造可降解塑料薄膜。

然而由于木聚糖結(jié)構(gòu)的不均一性，不同植物或者的植物不同部位所得到的木聚糖在主鏈長度、支鏈種類和分支程度上均存在差別，而且木聚糖在植物細(xì)胞壁中并不以游離態(tài)存在，和細(xì)胞壁其余的成分如纖維素和木質(zhì)素通過共價(jià)鍵連接，分離提取的方法也會(huì)影響雜質(zhì)的殘留程度和目標(biāo)物質(zhì)本身的結(jié)構(gòu)。要想得到高純度的木聚糖，木質(zhì)素是必須要去除的一個(gè)重要成分，它的存在不僅降低木聚糖純度，而且影響產(chǎn)品的色澤和商品價(jià)值。一些過氧化物對(duì)木質(zhì)素有特殊的作用，而且分解產(chǎn)物主要為水和CO2或O2等，在織物、紙漿漂白上的應(yīng)用已得到重視，本文研究了過氧乙酸和堿性過氧化氫漂白處理對(duì)蔗渣木聚糖提取的影響。

1 材料和方法

1.1 材料和試劑

甘蔗渣:取自廣西桂林市永福縣順興糖廠，5～10 cm長纖維狀，含水量40%;木糖標(biāo)準(zhǔn)品:本實(shí)驗(yàn)室自制，純度99.9%;葡萄糖標(biāo)準(zhǔn)品:本實(shí)驗(yàn)室自制，純度99.9%;阿拉伯糖標(biāo)準(zhǔn)品:本實(shí)驗(yàn)室自制，純度99.9%;其他試劑均為國產(chǎn)分析純?cè)噭?/p>

1.2 儀器設(shè)備

50L立式滅菌鍋(YXQ-LS-SII型)，上海博訊實(shí)業(yè)有限公司醫(yī)療設(shè)備廠;高效液相色譜儀，購自日本島津制作所，控制器 CBM-20A，在線脫氣器 DGU-20A5，泵LC-20AT，RID-10A示差檢測(cè)器，SPD-M20A二極管陣列檢測(cè)器，手動(dòng)進(jìn)樣器7255!;Thermo傅立葉紅外線光譜儀，壓片機(jī) HY-12型，為天津天光光學(xué)儀器有限公司出產(chǎn);白度測(cè)量儀(WSB-VI型)，杭州大吉光電儀器有限公司。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 蔗渣木聚糖提取

直接提取:取甘蔗渣10 g，加入100 mL提取液，提取液含150 mg/L NaOH，室溫浸提24 h。

過氧乙酸預(yù)處理—提取:取10 g甘蔗渣，加入100 mL預(yù)處理液，預(yù)處理液含4%的過氧乙酸，1%的焦磷酸鈉，60℃預(yù)處理24 h，預(yù)處理結(jié)束后自來水洗至中性，再加入提取液提取，提取液與料比為10∶1，提取液含150 g/L NaOH，室溫浸提24h。

堿性過氧化氫預(yù)處理—提取:取10 g甘蔗渣，加入100 mL預(yù)處理液，預(yù)處理液含2%的過氧化氫，1%的硅酸鈉，60℃預(yù)處理24 h，預(yù)處理結(jié)束后自來水洗至中性，再加入提取液提取，提取液與料比為10∶1，提取液含150 g/L NaOH，室溫浸提24 h。

1.3.2 木聚糖的精制

取50 mL提取液，稀釋5倍，樹脂脫鹽至pH 12，減壓濃縮至25 mL，加入10倍體積的體積分?jǐn)?shù)95%乙醇溶液沉淀，沉淀物真空干燥，得到蔗渣木聚糖粉末。

1.4 分析方法

1.4.1 提取液糖組分的測(cè)定(HPLC法)

取木聚糖提取液10 mL，用H2SO4中和至中性，再加入H2SO4，并用清水定容至25 mL，使H2SO4的終濃度18 g/L，121℃下水解90 min，水解結(jié)束后補(bǔ)足蒸發(fā)的水分，過濾除去溶液中的不溶物，取0.5 mL濾液，加入9.5 mL去離子水，混合后再加入樹脂脫鹽脫色，電導(dǎo)降至5 μs/cm以下，微孔濾膜過濾后高效液相色譜測(cè)定糖組分，以加入同等量樹脂的木糖標(biāo)準(zhǔn)液作為對(duì)照，計(jì)算水解液木糖濃度，換算回木聚糖的濃度，并計(jì)算提取得率。

1.4.2 精制木聚糖糖組分的測(cè)定(HPLC法)

取烘至絕干的木聚糖粉末0.5g，加入25 mL 18 g/L H2SO4，121℃下水解90 min，水解液結(jié)束后稀釋20倍，樹脂脫鹽后高效液相色譜測(cè)定木糖的濃度，計(jì)算粉末中木聚糖的純度。

1.4.3 水解液非糖組分測(cè)定(HPLC法)

取水解液2 mL，逐漸加入甲醇6 mL，待沉淀后取上清，高效液相色譜C18柱測(cè)定，二極管陣列檢測(cè)器檢測(cè)波長吸收峰。

1.4.4 木聚糖粉末紅外光譜的測(cè)定

木聚糖粉末70℃烘干24 h，取2 mg樣品，與200 mg的溴化鉀混合，在瑪瑙研缽中充分研磨，在壓片機(jī)上壓片，壓力為20 kg/cm2，將壓好的樣片在紅外光譜儀上測(cè)得譜圖。

1.4.5高效液相色譜(HPLC)測(cè)定條件

糖組分測(cè)定:Transgenomic Ca2+柱，柱溫85℃，流動(dòng)相超純水，進(jìn)樣量20 μL，流速0.5 mL/min，LCsolution色譜工作站。

非糖組分測(cè)定:Insertsil ODS-SP分離柱，柱溫30℃，流動(dòng)相為0.2%V(磷酸)∶V(甲醇為)=3∶1溶液，流速0.8 mL/min，LCsolution色譜工作站。

2 結(jié)果與討論

2.1 提取方式對(duì)木聚糖得率的影響

圖1表明，經(jīng)過預(yù)處理以后的蔗渣木聚糖提取得率比沒有經(jīng)過預(yù)處理的有明顯提高，其中堿性過氧化氫預(yù)處理的作用更加顯著，提取率達(dá)到了21.5%，接近了木聚糖在蔗渣中的自然含量25%。提取液糖基組成分析(圖2)也可以看出，堿性過氧化氫預(yù)處理使提取液水解物木糖和阿拉伯糖峰顯著增高，并且檢測(cè)出了前二者沒有的葡萄糖，阿拉伯糖分布于木聚糖的側(cè)鏈上，是大分子間連接的橋梁之一[11］，阿拉伯糖的顯著增多說明了分子鏈間斷裂點(diǎn)增多，促進(jìn)了木聚糖的分離和提取。葡萄糖主要來源于纖維素的分解，可見，堿性過氧化氫作用強(qiáng)度更大，纖維素已受到一定程度碎裂，融入了提取液中。

圖1 不同的提取方式對(duì)提取得率的影響

圖2 木聚糖提取液糖基組成HPLC比較圖

2.2 提取液非糖成分分析

提取液中的非糖物質(zhì)主要來源于木質(zhì)素或者木聚糖支鏈上一些非糖基團(tuán)的脫落，從檢測(cè)的色譜圖3中可以看出，在3種提取方式中，均有明顯的乙酸峰(190～210 nm)，文獻(xiàn)報(bào)道[12］乙?；ǔ７植荚诎肜w維素側(cè)鏈上，在堿液的作用下很容易脫落形成乙酸或者乙酸鹽。堿性過氧化氫預(yù)處理的提取液還檢測(cè)到前二者沒有的阿魏酸的存在(300 nm)，阿魏酸一般連接在側(cè)鏈的阿拉伯糖基上，通過阿魏酸再和木質(zhì)素連接，或者通過雙阿魏酸基團(tuán)和另外一條木聚糖鏈相連，從而將兩條木糖鏈緊密連接[11］，阿魏酸的存在再次證明了堿性過氧化氫使分子間聯(lián)系更易被打斷，從而有利于木聚糖鏈的釋放或者木聚糖的提純。

圖3 木聚糖提取液非糖組分HPLC檢測(cè)圖比較

2.3 精制后木聚糖純度和白度的變化

純度和白度是衡量木聚糖商品價(jià)值的2個(gè)重要指標(biāo)，從表1中可以看出，3種提取的方式得到的產(chǎn)品在色澤上相差很大，只有堿性過氧化氫預(yù)處理后可以得到雪白的粉末產(chǎn)品，在外觀上更符合人們的視覺要求。過氧化氫主要是通過形成具有氧化性的HOO-陰離子對(duì)木質(zhì)素分子中的共軛基團(tuán)進(jìn)行攻擊，OH-的存在可以加速HOO-陰離子的形成，使得在堿性條件下表現(xiàn)出明顯的漂白作用。文獻(xiàn)報(bào)道[13］過氧乙酸對(duì)木素的作用比單純的過氧化氫更專一，氧化作用更強(qiáng)，本實(shí)驗(yàn)并沒有表現(xiàn)相對(duì)應(yīng)的結(jié)果，可能與傳統(tǒng)過氧乙酸的制備方式有關(guān)，傳統(tǒng)A、B液混合的主要制備產(chǎn)物是乙酸、水和過氧化氫的混合物，在酸性條件下，過氧化氫活化度低，形成的HOO-陰離子少，漂白作用遭到削弱。另外，表1純度的結(jié)果表明，3種提取方式得到的產(chǎn)品在純度上的差異并沒有白度那樣的顯著，顯然直接用過氧化氫對(duì)原料進(jìn)行處理，更多的作用在于對(duì)有色基團(tuán)的消色作用，對(duì)木質(zhì)素的去除還是有一定限度的。

表1 提取方式對(duì)精制木聚糖純度和外觀的影響

2.4 精制后蔗渣木聚糖糖基的組成

從圖4可以看出，3種提取方式得到的精制產(chǎn)物在糖基組成上具有很高的相似度，糖基組成幾乎一致，木糖占據(jù)總糖的89%，沒有葡萄糖的存在，說明提取和精制過程使纖維素和半纖維素徹底分離，存在的主要雜質(zhì)為與木聚糖具有緊密結(jié)合結(jié)構(gòu)的木質(zhì)素類物。

圖4 精制木聚糖糖基組成HPLC圖比較圖

紅外光譜圖(圖 5)分析表明[14-15］，3 種粉末具有相似的結(jié)構(gòu)特征，其中3420.8 cm-1較寬吸收峰為鏈間(O—H)氫鍵的伸縮振動(dòng)峰，2917 cm-1吸收峰為飽和 C—H鍵伸縮振動(dòng)引起，1647.0 cm-1和1386.2 cm-1處是—COO—伸縮振動(dòng)，表明有糖醛酸的存在，1328 cm-1，1250 cm-1表明有木質(zhì)素的存在，1166 cm-1弱的吸收峰表明有阿拉伯糖側(cè)鏈，1043.9 cm-1是 C—O、C—C、或者糖苷鍵 C—O—C的伸縮振動(dòng)引起，897 cm-1處是木糖單元之間的β-糖苷鍵的吸收峰，3420.8、2917、1043.9 cm、897 cm-1是典型的半纖維素特征吸收光譜，在1740 cm-1或1710 cm-1處無吸收峰表明半纖維素的乙?；趬A提取后已全部脫落。

產(chǎn)物的發(fā)色基團(tuán)主要源于不飽和的羰基，大部分存在于木質(zhì)素分子中，這些發(fā)色基團(tuán)主要存在于1200～1500 cm-1之間，從紅外光譜圖可以看出，在此區(qū)域內(nèi)經(jīng)過預(yù)處理后的吸收強(qiáng)度上有所減弱。

圖5 精制木聚糖FT-IR-光譜比較圖

3 結(jié)論

蔗渣經(jīng)過漂白預(yù)處理，不僅可以提高木聚糖的提取得率，也可以提高產(chǎn)物的白度和純度，從而得到更高品質(zhì)的產(chǎn)品，堿性過氧化氫漂白作用優(yōu)于過氧乙酸預(yù)處理，但改善純度的作用并不顯著，存在于產(chǎn)物中的主要雜質(zhì)為木質(zhì)素類物質(zhì)。

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ABSTRACTThe effect of peroxide bleaching on xylan extraction，including the extracted amount from the solid residue，purity and whiteness was studied.The results suggested that the method with pretreatment using alkali peroxide or peracetic acid is more efficient than that of direct extraction.The best results were obtained with alkali-hydrogen peroxide pretreatment following by alkaline extraction.A final brightness of 83%，purity of 87%，and yields of 22%was obtained.Study also showed that alkali-hydrogen peroxide increased the broken points in polymers and facilitated xylan releasing.No significant difference in sugar composition was observed by FT-IR spectra detecting.Alkali hydrogen peroxide pretreatment did not show obvious increase in the purity of product.The basic component and IR spectra from different treatment were very similar.

Key wordssugarcane bagasse，xylan，peroxide，extraction

Effect of Peroxide Bleaching Pretreatments on Xylan Extraction of Sugarcane Bagasse

Zhou Yu-heng ，Qin Xiang-xiang，Cai Ai-hua，Chen Hai-shan，Shen Yu-yi，Zhang Hou-rui
(Guangxi Key Laboratory of Functional Phytochemicals Research and Utilization，Guangxi Institute of Botany，Chinese Academy of Sciences，Guilin 541006，China)

碩士，助理研究員。

*廣西青年基金(桂科青0991074)和廣西自然科學(xué)基金(2010GXNSFA013060)資助

2012-02-17，改回日期:2012-05-09