宋娜，李竹生

鄭州職業(yè)技術(shù)學(xué)院（鄭州 450121）

作為一種性能非常優(yōu)良的雙歧因子低聚木糖，廣泛應(yīng)用在食品醫(yī)藥等領(lǐng)域。酶法制備的低聚木糖產(chǎn)品含有少量糖醛酸、木糖、色素、木質(zhì)素和無(wú)機(jī)鹽等有色物質(zhì)，這些物質(zhì)影響低聚木糖產(chǎn)品的感官及品質(zhì)[1]。具有安全無(wú)毒、高吸附性等特點(diǎn)的活性炭，常被廣泛應(yīng)用于水的凈化、糖液脫色等諸多方面，國(guó)內(nèi)外很多制造精糖企業(yè)采用添加活性炭進(jìn)行糖液的處理。磷酸鈣是制糖工業(yè)中最常用的化學(xué)澄清劑之一[2]，新生磷酸鈣對(duì)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(yàn)運(yùn)用活性炭-新生磷酸鈣對(duì)木聚糖酶解液進(jìn)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(chǎn)地河南鄭州，木聚糖含量30.51%、水分7.93%、木質(zhì)素含量8.92%、灰分2.91%）。

無(wú)水乙醇（分析純，鄭州化學(xué)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(yáng)市化學(xué)試劑廠）；活性炭（HAC型粉狀，上海）；硫酸（分析純，武漢化學(xué)試劑廠）；磷酸（分析純，洛陽(yáng)市化學(xué)試劑廠）。

1.2 儀器與設(shè)備

紫外可見分光光度計(jì)（Alpha-1900S型，上海譜天儀器有限公司）；高壓反應(yīng)釜（XSF-2.0型，威海行雨化機(jī)設(shè)備有限公司）；漩渦混合器（南通理漫化工有限公司）；數(shù)顯恒溫水浴鍋（HH-2，常州金勝儀器制造有限公司）；定時(shí)恒溫磁力攪拌器（90-2型，上海滬西分析儀器廠）；pH計(jì)（PHS-2C，上海精密科學(xué)儀器有限公司）；高速臺(tái)式離心機(jī)（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(yù)處理

1%鹽酸浸泡活性炭→過(guò)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(guò)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(diào)節(jié)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(guò)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(cè)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(duì)于低聚木糖糖溶液脫色的效果。

1.3.4 還原糖的測(cè)定

采用3, 5-二硝基水楊酸（DNS）法[4]測(cè)定還原糖含量。

1.3.5 脫色率測(cè)定

采用Alpha-1900S型分光光度計(jì)，在波長(zhǎng)420 nm上測(cè)定糖液的吸光度（A），脫色率由式（1）進(jìn)行計(jì)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(cè)定

還原糖損失率由式（2）進(jìn)行計(jì)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(zhì)量濃度，g/L；C為脫色后離心清液中糖組分質(zhì)量濃度，g/L。

2 結(jié)果與分析

2.1 活性炭添加量對(duì)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(biāo)，研究活性炭添加量對(duì)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(yīng)增加。由圖1可以看出，活性炭添加量較少時(shí)，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(duì)糖吸附速率也增加，但活性炭對(duì)色素分子的吸附速率較對(duì)糖分子的吸附速率明顯要高。多孔性活性炭的結(jié)構(gòu)對(duì)色素的吸附到一定程度會(huì)飽和。隨著活性炭添加量繼續(xù)增加，色素吸收飽和后，活性炭會(huì)吸附低聚木糖糖液，從而產(chǎn)生不必要的損失。

在活性炭添加量2.00 g/L時(shí)，還原糖損失率為13.85%，低聚木糖的脫色率可達(dá)83.13%。若繼續(xù)加大活性炭劑量，活性炭對(duì)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(shí)，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(yàn)添加劑量為2.00 g/L。

圖1 活性炭添加量對(duì)脫色效果的影響

2.2 Ca(OH)2添加量對(duì)低聚木糖脫色效果的影響

運(yùn)用新生磷酸鈣進(jìn)行低聚木聚糖酶解液的脫色，結(jié)果見圖2。隨著Ca(OH)2添加量增加，Ca(OH)2對(duì)低聚木糖的吸附速率呈線性增加趨勢(shì)。Ca(OH)2添加量小于5.00 g/L時(shí)，色素的吸附速率明顯高于低聚木糖。Ca(OH)2添加量達(dá)到5.00 g/L時(shí)，低聚木糖的脫色率可達(dá)77.26%。此時(shí)，如果繼續(xù)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(shí)，低聚木糖的損失率將持續(xù)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(jìn)行脫色處理低聚木糖糖液，氫氧化鈣添加量5.00 g/L時(shí)，還原糖損失率僅9.49%，而木聚糖酶解液脫色率可達(dá)77.25%。

圖2 Ca(OH)2添加量對(duì)脫色效果的影響

2.3 活性炭-新生磷酸鈣質(zhì)量比對(duì)低聚木糖糖液脫色效果的影響

稱取一定比例預(yù)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(zhì)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(zhì)量組成 g/L

活性炭與氫氧化鈣的混合物不同質(zhì)量組成對(duì)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(zhì)量的組成對(duì)低聚木糖糖液脫色效果的影響不盡相同。第3組即當(dāng)活性炭添加量2.00 g/L，氫氧化鈣添加量3.00 g/L時(shí)，脫色率可達(dá)88.13%，比只加2.00 g/L活性炭時(shí)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(yōu)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(shí)較合適，換算成新磷酸鈣生成量3.80 g/L。

2.4 脫色時(shí)間對(duì)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(shí)，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(shí)間的影響。

由圖4可以得出，隨脫色時(shí)間增加，低聚木聚糖酶解液脫色率會(huì)慢慢升高，通過(guò)對(duì)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(huì)看出，脫色時(shí)間30 min時(shí)，脫色率達(dá)到89.99%，還原糖損失率為10.32%。此時(shí)，活性炭-新磷酸鈣體系對(duì)色素的吸附基本達(dá)到飽和，脫色率不再有明顯提高，繼續(xù)吸附，色素也可能會(huì)解吸，影響脫色效果的同時(shí)延長(zhǎng)生產(chǎn)周期，這在實(shí)際生產(chǎn)中不可取。因此，脫色30 min是比較理想的吸附時(shí)間。

圖3 活性炭和氫氧化鈣混合物不同的質(zhì)量組成對(duì)于低聚木糖糖液脫色效果的影響

圖4 脫色時(shí)間對(duì)低聚木糖液脫色效果的影響

2.5 脫色溫度對(duì)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(huì)促進(jìn)糖液中各種分子的擴(kuò)散、減小體系黏度，進(jìn)而速吸附作用增大[6]。

溫度升高到50 ℃時(shí)，低聚木聚糖酶解液脫色的效果最佳，此時(shí)脫色率達(dá)到88.48%，而還原糖的損失率為13.99%。溫度繼續(xù)升高到60 ℃時(shí)，木聚糖酶解液脫色率反而會(huì)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(yùn)動(dòng)，這可能會(huì)使已吸附活性炭上的色素重新解吸，導(dǎo)致木聚糖酶解液脫色率沒有明顯上升。與此同時(shí)，溫度升高會(huì)增加能耗，對(duì)后續(xù)操作會(huì)帶來(lái)一定困難。因此活性炭50 ℃下脫色是一個(gè)較為合適的試驗(yàn)溫度。

2.6 初始pH對(duì)低聚木糖糖液脫色效果的影響

不同酸堿度體系對(duì)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(tài)隨體系pH改變會(huì)有一定影響，不同pH、體系呈現(xiàn)不同顏色，由于大部分色素分子對(duì)pH較為敏感的緣故，色素分子的結(jié)構(gòu)隨體系pH改變也可能會(huì)發(fā)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(shí)間30 min條件下，分析研究低聚木聚糖提取液初始pH對(duì)脫色效果的影響。

不同pH對(duì)低聚木糖溶液的脫色效果進(jìn)行比較研究，從圖6可知，溶液呈弱酸時(shí)（pH 3～6）脫色率在87.31%～90.34%，繼續(xù)添加酸，脫色率會(huì)略有増加。小于pH 5的偏酸性環(huán)境時(shí)，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(duì)低聚木糖液脫色效果的影響

圖6 初始pH對(duì)低聚脫色效果的影響

2.7 響應(yīng)面分析及工藝優(yōu)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(chǔ)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(shí)間、脫色溫度和初始酸堿度3個(gè)因素，以脫色率作為低聚木糖脫色分析的指標(biāo)，設(shè)計(jì)響應(yīng)面試驗(yàn)。脫色時(shí)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(yīng)面因素水平表及編碼如表

2.7.2 響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)和結(jié)果

試驗(yàn)程序和試驗(yàn)結(jié)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(duì)表3中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析和回歸擬合，得到影響木糖低聚糖脫色率3個(gè)因素——脫色時(shí)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(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)和結(jié)果

利用Design-Expert 10分析軟件對(duì)模型以及系數(shù)進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，結(jié)果如表4所示。

通過(guò)對(duì)表4中的方差表進(jìn)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(xiàng)之間存在顯著的交互作用，A、C一次項(xiàng)偏回歸系數(shù)均顯著。失擬性檢驗(yàn)F1=0.299 9，回歸方程差異性質(zhì)不太顯著。調(diào)整決定系數(shù)R2adj=0.977 7且回歸模型的總決定系數(shù)R2=0.989 9，說(shuō)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(shí)間、脫色溫度、初始pH幾個(gè)因素的交互作用對(duì)木聚糖酶解液脫色率的影響由弱到強(qiáng)順序依次為AC、AB、BC。

模型響應(yīng)面優(yōu)化結(jié)果表明，脫色溫度49.39 ℃，脫色時(shí)間30.98 min，初始pH 4.58?？紤]到實(shí)際條件，將幾個(gè)因素進(jìn)行微調(diào)為：脫色溫度49 ℃，脫色時(shí)間31 min，初始pH 4.6。此時(shí)活性炭-新磷酸鈣對(duì)低聚木糖脫色率的理論值為91.37%。進(jìn)行驗(yàn)證性3次重復(fù)試驗(yàn)，實(shí)際脫色率達(dá)到90.88%，由此可見，實(shí)測(cè)值和理論值差距很小，因此，可以運(yùn)用響應(yīng)面對(duì)活性炭脫色參數(shù)條件進(jìn)行優(yōu)化，此時(shí)還原糖的損失率是5.16%。

圖7 脫色溫度和脫色時(shí)間交互作用的曲線圖

圖8 脫色時(shí)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(yīng)面

3 結(jié)論

采用活性炭-新磷酸鈣體系對(duì)高溫蒸煮玉米芯酶解溶液提取出的低聚木糖粗糖液進(jìn)行脫色，分析不同因素對(duì)木聚糖酶解液脫色效果的影響，單因素試驗(yàn)后運(yùn)用Design-Expert 10分析軟件的響應(yīng)面Box-Behnken模型優(yōu)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(yàn)條件下對(duì)低聚木糖液進(jìn)行脫色31 min，脫色率可達(dá)90.88%，還原糖損失率為5.16%。