改造者：楊志成 劉鐵兵 陳 劼 劉星層 張丞彥 徐明雅

黃酒糟中低聚木糖的提取及活性炭脫色工藝

改造者：楊志成 劉鐵兵 陳 劼 劉星層 張丞彥 徐明雅

黃酒糟中含有豐富的營(yíng)養(yǎng)活性成分，其中含有較高的低聚木糖。低聚木糖是一種發(fā)展應(yīng)用較快的活性多糖，本文以新鮮黃酒糟為原料，采用2％的硫酸溶液配合水浴進(jìn)行浸提木糖，所采用的料液比為1：15，于90℃水浴中提取2h，趁熱3000 r/min離心15 min，將上清液過濾即得到黃酒糟木糖粗提液。再將木糖提取液與活性炭在水浴攪拌器中進(jìn)行脫色反應(yīng)，實(shí)驗(yàn)得出，在添加量為4 ％，pH為5，超聲時(shí)間為60min，反應(yīng)溫度為50℃時(shí)，脫色效果最好。

近年來功能性食品的研究和生產(chǎn)已經(jīng)成為國(guó)際上的熱點(diǎn)，活性低聚糖的生產(chǎn)已成為人們關(guān)注的新產(chǎn)業(yè)，因其生理功能獨(dú)特，已成為一種重要的助能性食品基礎(chǔ)原料。黃酒糟中含有豐富的功能性低聚木糖，利用黃酒糟來生產(chǎn)低聚木糖，為木糖的生產(chǎn)提供新的原料，提高生產(chǎn)附加值，減少?gòu)U棄物污染。通常使用酸法水解法來提取黃酒糟中的木糖，此法會(huì)使水解液的顏色隨著水解時(shí)間的進(jìn)行而逐漸加深，對(duì)黃酒糟中木糖提取液的感官性能和品質(zhì)有所降低，在生產(chǎn)中的應(yīng)用有一定的不足。脫色是基于物理吸附劑吸附為基礎(chǔ)的，活性炭具有極大比表面積及很強(qiáng)吸附和脫色能力的一種炭材料， 尤其是粉末活性炭脫色率高、速度快、成本低。

功能性低聚糖具有低熱、整腸、攝入后促進(jìn)腸道內(nèi)雙歧桿菌的增殖，提高人的機(jī)體免疫、促進(jìn)健康的獨(dú)特生理功能，是一種重要的活性多糖，功能性食品原料，已得到全社會(huì)的普遍關(guān)注。低聚木糖又稱木寡糖，是由2-10個(gè)D一木糖單元分子以β-1，4糖苷鍵結(jié)合而成的功能性聚合糖，以木二糖和木三糖為主，因人體胃腸道內(nèi)沒有水解低聚木糖的酶，不宜被消化，消化系統(tǒng)中殘存率高，較易接進(jìn)入消化系統(tǒng)內(nèi)并被雙歧桿菌利用，極大的促進(jìn)雙歧桿菌增殖，并可以產(chǎn)生多種有機(jī)酸，提高消化系統(tǒng)中的酸度，抑制有害微生物生長(zhǎng)，使消化系統(tǒng)中的益生菌大量增殖，實(shí)現(xiàn)保健功能。

實(shí)驗(yàn)部分

實(shí)驗(yàn)材料

新鮮黃酒糟（杭州市西湖酒廠提供）

實(shí)驗(yàn)試劑

表1 實(shí)驗(yàn)試劑表

實(shí)驗(yàn)儀器

表2 實(shí)驗(yàn)儀器和設(shè)備

實(shí)驗(yàn)方法

黃酒糟中低聚木糖的提取

將新鮮黃酒糟烘干后，過80目篩得到淡黃色粉末。以2％的硫酸溶液為提取溶劑，料液比為1：15，超聲提取時(shí)間0.5h，提取溫度為90℃，水浴時(shí)間為2h。待提取完成后，冷卻至室溫，再置于高速離心機(jī)中，以3000r/min的速度進(jìn)行離心15min，取上清液，即得到黃酒糟木糖的粗提液。

木糖提取液最大吸收波長(zhǎng)的測(cè)定

取上述實(shí)驗(yàn)所得的木糖粗提液2mL，加入2ml DNS試劑，在100℃水浴放置5min。取出試管迅速冷卻至室溫，用水稀釋并定容至25mL。以等量的蒸餾水和DNS試劑作參比液，在400～500nm波長(zhǎng)下進(jìn)行紫外-可見光分光光度計(jì)的掃描，確定黃酒糟木糖提取液色素的最大吸收波長(zhǎng)。

D一木糖標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制

DNS試劑的配制：準(zhǔn)確稱量3，5-二硝基水楊酸10.0 g，氫氧化鈉16.0 g，酒石酸鉀鈉300.0 g，苯酚6.5 mL，亞硫酸鈉5.0 g完全溶解與熱去離子水中，溶解后定容至1000mL，在4℃下細(xì)口的棕色瓶中保存，7天后使用。

1.00 mg/mL葡萄糖液的配制：在分析天平中準(zhǔn)確稱量葡萄糖0.5000 g，用蒸餾水溶解，并用容量瓶定容致500 mL。

配制木糖濃度分別為0、0.2、0.4、0.6、0.8、1.0、1.2、1.4、1.6、2.0 mg/mL溶液，各取3mL，再分別加入3mLDNS試劑于沸水中保持5 min，以便于顯色，經(jīng)冷卻，定容至25 mL，靜置30 min，于499 nm下測(cè)定吸光度值。

活性炭的活化

粉炭經(jīng)1％HCI洗滌后，再用熱去離子水洗，過濾干燥，使其冷卻到室溫后使用。

木糖提取液的脫色反應(yīng)

在100mL 的三角瓶中加入20mL從黃酒糟中的木糖提取液，接著加入一定量的活性炭，先在超聲波中反應(yīng)，再置于水浴攪拌器中反應(yīng)30min脫色。反應(yīng)結(jié)束后，通過多次過濾的方法除去活性炭，收集濾液，木糖濃度和色素的測(cè)定采用分光光度法。

通過檢測(cè)，木糖損失率的計(jì)算方法如下，

公式：M（％）=（C0-C）/C0×100

M代表木糖醇損失率；

C0為樣液脫色前木糖的質(zhì)量濃度，g/L；

C為樣液脫色后木糖的質(zhì)量濃度，g/L。

吸附色素率的計(jì)算公式：

N（％）=（A0-A）/A0×100

式中：N為色素吸附率；

A0為樣液脫色前的吸光度值；

A為樣液脫色后的吸光度值。

脫色后木糖含量的測(cè)定

活性炭添加量

移取20mL木糖提取液溶液，分別加入1％，2％，3％，4％，5％的量的活性炭，超聲波輔助反應(yīng)后，在水浴溫度為60℃的水浴鍋中放置1h，每30min測(cè)定各組過濾后的吸光值，計(jì)算色素吸附率，根據(jù)D-木糖標(biāo)準(zhǔn)曲線計(jì)算木糖損失率，進(jìn)行制圖比較，得出活性炭對(duì)木糖色素吸附率和木糖損失率隨活性炭添加量的變化情況。

pH

移取20mL木糖提取液溶液，加入一定量的活性炭，用0.1mol/L的氫氧化鈉溶液和0.1mol/L的鹽酸溶液進(jìn)行調(diào)節(jié)pH為3，4，5，6，7，8的六個(gè)水平，超聲波輔助反應(yīng)后，在水浴溫度為60℃的水浴鍋中放置30min，過濾后測(cè)定各個(gè)組的吸光值，計(jì)算色素吸附率，根據(jù)D-木糖標(biāo)準(zhǔn)曲線計(jì)算木糖損失率，進(jìn)行制圖比較，得出活性炭對(duì)木糖色素吸附率和木糖損失率隨pH的變化情況。

超聲時(shí)間

移取20mL木糖提取液溶液，加入一定量的活性炭，分別超聲波輔助反應(yīng)時(shí)間為20，40，60，80和100min的五個(gè)水平，在水浴溫度為60℃的水浴鍋中放置30min，過濾后測(cè)定各個(gè)組的吸光值，計(jì)算色素吸附率，根據(jù)D-木糖標(biāo)準(zhǔn)曲線計(jì)算木糖損失率，進(jìn)行制圖比較，得出活性炭對(duì)木糖色素吸附率和木糖損失率隨超聲波時(shí)間的變化情況。

溫度

移取20mL木糖提取液溶液，加入一定量的活性炭，超聲波輔助反應(yīng)后，再分別置于30、40、50、60、70、80、90、100（℃）的水浴溫放置30min，過濾后測(cè)定各個(gè)組的吸光值，計(jì)算色素吸附率，根據(jù)D-木糖標(biāo)準(zhǔn)曲線計(jì)算木糖損失率，進(jìn)行制圖比較，得出活性炭對(duì)木糖色素吸附率和木糖損失率隨溫度的變化情況。

結(jié)果與討論

最大吸收值波長(zhǎng)位置的確定

用紫外-可見分光光度計(jì)測(cè)定對(duì)黃酒糟的提取液在400-500nm波長(zhǎng)范圍進(jìn)行掃描，記錄掃描波長(zhǎng)所對(duì)應(yīng)的吸光度，從而確定黃酒糟中木糖提取液的吸收波長(zhǎng)最大吸收值的位置。由圖1得出，在440 nm波長(zhǎng)時(shí)，為1.424吸光度最大。因此，黃酒糟中木糖提取液的最大吸光度值位置是440 nm，所以我們選擇在此波長(zhǎng)下進(jìn)行測(cè)定脫色效果。

D-木糖標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制

用紫外-可見分光光度計(jì)在440 nm波長(zhǎng)處測(cè)定不同濃度的木糖溶液的吸光度； 以橫坐標(biāo)為木糖的濃度（mg /mL），縱坐標(biāo)為吸光值（A），繪制得出標(biāo)準(zhǔn)曲線，如圖2所示，其回歸方程為：y=1.240x-0.036，相關(guān)系數(shù)R=0.993，線性關(guān)系良好。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)木糖溶液的曲線方程，我們可以通過所測(cè)的木糖提取液的吸光度得出待測(cè)木糖溶液的濃度。

圖1 木糖提取液的吸光值

圖2 D-木糖溶液標(biāo)準(zhǔn)曲線

脫色反應(yīng)受活性炭添加量的影響

分別選用7種不同的活性炭用量，對(duì)黃酒糟中木糖提取液在50℃下繪制吸附等溫線，橫坐標(biāo)為活性炭的用量代表色素吸附平衡時(shí)活性炭的濃度，縱坐標(biāo)為色素吸附率代表色素吸附平衡時(shí)的等溫吸附量，如圖3所示，黃酒糟提取液的組成較為復(fù)雜，但活性炭與黃酒糟木糖提取液中色素的吸附曲線仍具有“Langmiur”等溫線特征，同林英等研究人員蔗渣木糖提取的研究結(jié)果具有一致性。

由圖3和圖4比較得知，在水浴時(shí)間為30min和1h的色素吸附率、木糖損失率差異較小，經(jīng)濟(jì)考慮，選擇水浴時(shí)間30min，隨著實(shí)驗(yàn)過程中活性炭使用量的增加，脫色率和糖損失率同步增加。當(dāng)活性炭用量小于4％時(shí)，脫色效果與活性炭的用量關(guān)系顯著，木糖損失率的變化較小，當(dāng)活性炭用量大于4％時(shí)，隨著活性炭用量的增加，活性炭吸附色素能力逐漸接近平衡，但木糖損失率卻急劇增大，當(dāng)活性炭用量達(dá)到7％時(shí)，木糖損失率甚至將近50％，在這種情況下部分活性炭主要吸附糖分子，我們需要考慮在提高木糖提取液色素吸附率的前提下，同時(shí)減少活性炭的使用量，使木糖提取液的脫色效果提高和損失減少。從結(jié)果分析選擇活性炭添加量為4％較適宜，有較好的脫色效果和糖保持率。

圖3 活性炭在40℃下30min，1h的色素吸附等溫線

圖4 活性炭在40℃下脫色30 min，1h時(shí)的木糖吸附損失率

圖5 pH值對(duì)木糖提取液脫色作用的影響

pH對(duì)脫色反應(yīng)的影響

理論上，不同的酸度對(duì)糖液的脫色效果影響很大，選擇不同pH值對(duì)黃酒糟木糖提取液的脫色效果進(jìn)行比較，從圖5看出，黃酒糟中提取的低聚木糖液的脫色率隨pH值的增大呈緩慢地先上升后下降趨勢(shì)，活性炭的脫色效果在3.0＜ 提取液初始pH值＜6.0 時(shí)，脫色效果穩(wěn)定較好。當(dāng)pH大于6時(shí)，雖然糖損失率呈下降趨勢(shì)，但色素吸附率也呈下降趨勢(shì)，當(dāng)脫色的酸度控制在pH值為5.0時(shí)，對(duì)色素的吸附率為84％；而木糖的損失率為9.8％；把幾個(gè)因素結(jié)合考慮，得出木糖提取液的初始pH 值控制為5.0 時(shí)，脫色效果為好。

超聲時(shí)間對(duì)脫色反應(yīng)的影響

在其他條件不變的情況下比較，選擇不同的超聲時(shí)間對(duì)吸附脫色反應(yīng)的影響。結(jié)果圖6可見，色素吸附率隨著時(shí)間的變化先顯著升高，當(dāng)活性炭超聲時(shí)間為60分鐘時(shí)，色素吸附率達(dá)到90％以上，隨著時(shí)間繼續(xù)增加，色素吸附率反而降低，說明一部分被吸附的色素又被重新解吸下來，達(dá)到新的吸附平衡，此時(shí)，影響了黃酒糟木糖提取液的脫色效果。木糖的損失率隨著時(shí)間上升，在20min到60min之間呈緩慢上升趨勢(shì)，因?yàn)榇蟛糠值幕钚蕴坑糜谖缴兀?dāng)時(shí)間在60min時(shí)，色素吸附出于飽和，則開始主要吸附木糖，所以此時(shí)木糖的損失率急劇上升，當(dāng)時(shí)間為100min時(shí)，木糖損失率達(dá)到將近95％。綜上所述，60min是比較合適的脫色時(shí)間，色素吸附率為91％，木糖損失率僅7.4％。

圖6 黃酒糟木糖提取液超聲脫色時(shí)間進(jìn)程曲線

圖7 溫度對(duì)黃酒糟木糖提取液吸附脫色作用的影響

溫度對(duì)脫色反應(yīng)的影響

調(diào)節(jié)黃酒糟木糖提取液初始pH為5，加入4％的活性炭，脫色反應(yīng)分別在8個(gè)不同溫度下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)， 每一個(gè)的反應(yīng)時(shí)間均為60 min，比較研究了對(duì)溫度對(duì)脫色效果的影響，活性炭對(duì)低聚木糖色素的吸附作用是可逆的，溫度過高會(huì)使吸附作用逆向反應(yīng).從圖7可知，當(dāng)溫度在≤60℃范圍時(shí)，脫色反應(yīng)隨著溫度的升高，脫色效果明顯提高。在一定的吸附體系，在較低的溫度條件下，吸附過程達(dá)到平衡的時(shí)間較長(zhǎng)，當(dāng)溫度不斷的升高時(shí)，分子的運(yùn)動(dòng)速度也不斷的加快，提取的木糖液粘度也會(huì)不斷下降，有利于對(duì)色素的吸附。當(dāng)溫度達(dá)到60℃時(shí)，色素的吸附率達(dá)到約90％。當(dāng)溫度≥60℃時(shí)，活性炭對(duì)色素的吸附率則隨之下降，因?yàn)椴糠直晃降纳仉S著溫度的升高從活性炭上解吸率也在提高，在實(shí)際的生產(chǎn)中，溫度高會(huì)增加能耗，增加成本，增加操作難度增大。

脫色條件的優(yōu)化

黃酒糟中木糖提取液的脫色主要因素有脫色體系中的溫度、活性炭用量和脫色的pH值及超聲時(shí)間等4個(gè)因素，采用正交表設(shè)計(jì)，將每個(gè)因素取3個(gè)水平，安排9個(gè)試驗(yàn)，每個(gè)試驗(yàn)做3次，將實(shí)驗(yàn)結(jié)果取平均值。

表3 因素水平表

在以上的單因素分析中，我們得出了最佳活性炭用量、起始pH、超聲時(shí)間及水浴溫度，但是在脫色反應(yīng)過程中還要考慮4個(gè)因素之間的相互作用和相互影響，所以最佳生產(chǎn)工藝條件的確定，考慮在色素吸附率最優(yōu)，木糖損失率最低，以有利于原材料的充分利用和降低生產(chǎn)成本，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)。通過平行實(shí)驗(yàn)得出，選擇一定的組合進(jìn)行正交實(shí)驗(yàn)，以確定確定最佳工藝。正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果見如表4。

表4 脫色條件的優(yōu)化正交試驗(yàn)數(shù)據(jù)及極差分析

從表4比較3個(gè)影響因素的極差，我們得出色素的吸附率和木糖回收率影響的順序?yàn)槠鹗紁H 值＞活性炭用量＞脫色溫度＞脫色時(shí)間，最佳工藝條件為A1B2C2D1。在最佳工藝條件下進(jìn)行了木糖脫色的效果試驗(yàn)，得出色素吸附率為88.43％，木糖回收率為93.12％。

結(jié)語(yǔ)

通過活性炭用量的不同選擇脫色的效果比較，繪制了它們的吸附等溫線。發(fā)現(xiàn)它們對(duì)木糖提取液中色素的吸附屬于典型的“Langmuir”等溫吸附這個(gè)結(jié)果同一致。通過單因素分析和正交實(shí)驗(yàn)，得出在活性炭用量為4％、起始pH為5、超聲時(shí)間為60 min、脫色溫度為50℃的條件下為最有脫色工藝，從黃酒糟中得到的木糖提取液，其脫色率為93.54％，木糖的回收率為92.0l％。這為以黃酒糟為原料生產(chǎn)木糖提供了脫色的一種有效方法，脫色后木糖的色澤和品質(zhì)滿足食品工業(yè)的生產(chǎn)要求。

致謝

感謝浙江科技學(xué)院交叉預(yù)研項(xiàng)目（2014JC07Y），浙江省公益技術(shù)應(yīng)用研究項(xiàng)目的支持（2014C33085）和項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)成員的密切合作及有關(guān)專家的指導(dǎo)。

楊志成1、2 劉鐵兵1* 陳 劼1劉星層1 張丞彥2 徐明雅2

1.浙江科技學(xué)院生物與化學(xué)工程學(xué)院；2.杭州市糧油中心檢驗(yàn)監(jiān)測(cè)站

*通訊作者：同第一作者具有等同的貢獻(xiàn)，應(yīng)當(dāng)視為共同第一作者。

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.16.037