稻殼水解生產(chǎn)D-木糖工藝研究

錢朋智，張梅娟

（1.齊齊哈爾大學(xué)食品與生物工程學(xué)院，黑龍江齊齊哈爾 161006；2.齊齊哈爾大學(xué)生命科學(xué)與農(nóng)林學(xué)院，黑龍江齊齊哈爾 161006）

0 引言

稻（水稻）（Oryza sativa L.）屬禾本科（Gramineae），糧食作物；稈節(jié)明顯，節(jié)間常中空，葉兩列互生，葉脈平行，有葉鞘和葉舌；種子為單子葉，有大量粉質(zhì)胚乳[1]。稻殼是稻米加工過程中數(shù)量最大的副產(chǎn)品，占稻谷質(zhì)量的14%～27%，按平均20%計算，稻殼的產(chǎn)量也是一個龐大的數(shù)目[2]。

D-木糖是一種戊糖，英文名稱D-xylose，相對分子質(zhì)量為150.13，分子式為C5H10O5。D-木糖是多縮聚戊糖的一個組分，迄今為止在自然界還尚未發(fā)現(xiàn)游離狀態(tài)的D-木糖。日本在20世紀(jì)60年代已批準(zhǔn)木糖作為無熱量甜味劑，1973年《日本食品添加物便覽》對木糖界定為無熱量甜味劑、葷菜肴制品添加劑、油脂抗氧劑、醬色原料、各種香味原料、整腸劑、低吸濕性原料、醫(yī)藥用及工業(yè)原料。美國FEMA將木糖列為公認(rèn)的安全食品添加劑。

稻殼中的戊縮糖含量為16%～22%，主要是聚阿拉伯糖葡萄糖醛酸木糖，因此利用豐富的稻殼資源生產(chǎn)高附加值產(chǎn)品木糖，其經(jīng)濟(jì)效益和社會效益都是很可觀的[3]。

試驗以稻殼為研究對象，經(jīng)預(yù)處理及稀硫酸水解，再通過后續(xù)分離純化工序，制備出高純度的木糖產(chǎn)品，為以后工業(yè)上稻殼大規(guī)模生產(chǎn)木糖提供可靠的理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗原料

稻殼，市售。

1.2 主要試劑

濃硫酸、濃鹽酸、氫氧化鈉、無水乙醇、硫酸銅、酒石酸鉀鈉、無水葡萄糖，均為分析純；活性干酵母，安琪酵母股份有限公司提供；氯化鋅脫色活性炭，輝縣市元銖吸附材料廠提供；D-木糖，山東福田藥業(yè)有限公司提供；D001型苯乙烯大孔型強(qiáng)陽離子交換樹脂、D301-FD型苯乙烯大孔型弱陰離子交換樹脂、DOC2001型苯乙烯大孔型強(qiáng)陰離子交換樹脂，江蘇蘇青水處理有限公司提供。

1.3 主要設(shè)備

FW100型粉碎機(jī)，上海市楚定分析儀器有限公司產(chǎn)品；SC69-02C型快速水分測定儀，上海洪紀(jì)設(shè)備有限公司產(chǎn)品；YXQ-LS-50SII型立式壓力蒸汽滅菌器，上海博迅實業(yè)有限公司產(chǎn)品；SS-450N型三足式離心機(jī)，汕頭市離心機(jī)廠產(chǎn)品；RE-5002 50L型旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器、YS-10L型雙層玻璃立式結(jié)晶槽，廣州乙勝實驗儀器有限公司產(chǎn)品；有機(jī)玻璃離子交換柱（1 500 mm×90 mm，2 500 mm×200 mm），江蘇金三陽水處理科技江蘇有限公司產(chǎn)品；SGD-Ⅳ型全自動還原糖測定儀，山東科學(xué)院生物研究所產(chǎn)品；CDUPTL-I-40L型超純水器，成都越純科技有限公司產(chǎn)品；N2000色譜數(shù)據(jù)工作站（Cromatography Data System），賽智科技（杭州） 有限公司產(chǎn)品；Shodex RI-201H型示差折光檢測器，上海國凡實業(yè)有限公司產(chǎn)品；Model 501 Solvent Delivery System輸液泵系統(tǒng)，杭州賽析科技有限公司產(chǎn)品；DT-230A型管柱加熱器，天津市東康科技有限公司產(chǎn)品；AJO-4493型鈣型保護(hù)柱（4 mm×3 mm）、RezexRCM-Monosaccharide Ca2+色譜柱（300 mm×7.8 mm），廣州菲羅門儀器有限公司產(chǎn)品。

1.4 試驗工藝路線

稻殼粉碎→熱水預(yù)處理→稀硫酸水解→第1次脫色→第1次蒸發(fā)濃縮→發(fā)酵→第2次脫色→第1次離子交換→第1次蒸發(fā)濃縮→第3次脫色→第2次離子交換→0.45 μm微濾→第3次濃縮→結(jié)晶→離心→干燥→產(chǎn)品→高效液相色譜檢測。

1.5 分析方法

（1）稻殼中水分含量的測定。按照快速水分測定儀說明方法進(jìn)行測定。

（2）糖液透光度的測定。按照722N型可見分光光度計說明方法進(jìn)行測定。

（3）糖液pH值的測定。按照PHS-3C型酸度計說明方法進(jìn)行測定。

（4）糖液電導(dǎo)率的測定。按照DDS-11A型電導(dǎo)率儀說明方法進(jìn)行測定。

（5）糖液折光濃度的測定。按照手持糖量計說明方法進(jìn)行測定。

（6）木糖產(chǎn)品水分含量的測定。按照快速水分測定儀說明方法進(jìn)行測定。

（7）木糖產(chǎn)品純度測定。采用高效液相色譜面積歸一法進(jìn)行測定。

（8）木糖產(chǎn)品收率的測定。

2 結(jié)果與討論

2.1 稻殼粉碎

粉碎處理可提高反應(yīng)性能和水解糖化率。經(jīng)粉碎物料各成分的量沒有變化，但粉碎的物料沒有膨脹性、體積小，可以提高基質(zhì)濃度，水解可得到較高濃度的糖液[4]。

通過稻殼粉碎的不同粒徑進(jìn)行單因素試驗法選取最優(yōu)的粉碎條件，結(jié)果為在不考慮其他預(yù)處理條件手段的情況下，粉碎至100目對稻殼半纖維素的水解較為有利。

2.2 熱水預(yù)處理

熱水預(yù)處理能夠除去稻殼內(nèi)在的果膠、脂肪、含氮物、灰分、色素、蠟質(zhì)及其他雜質(zhì)，使用水或水蒸氣處理纖維素物料的優(yōu)點是不必添加酸或堿等化學(xué)藥品。有研究人員設(shè)計和構(gòu)建了一個熱水預(yù)處理生物量的試驗裝置，使用蒸汽和水對生物量進(jìn)行約2 min的處理后閃蒸，處理過程是在低壓下進(jìn)行。

通過選取不同的預(yù)處理溫度、預(yù)處理時間、料液比進(jìn)行正交試驗法選取最優(yōu)的熱預(yù)處理條件，結(jié)果為預(yù)處理溫度118℃，按料液比1∶10添加純水，保溫保壓1 h，預(yù)處理后稻殼中的灰分降低至0.44%，效果最佳。

2.3 稀硫酸水解

稻殼中多縮戊糖不溶于水，也沒有甜味，在酸的水溶液中加熱，能把多縮戊糖溶解，并進(jìn)行水解生成單糖-戊糖，戊糖主要有木糖和阿拉伯糖。有人使用一種CSBR反應(yīng)器對物料進(jìn)行稀酸處理，可從所處理的物料中含有的半纖維素和纖維素中得到97%的木糖和87%的葡萄糖。

通過選取硫酸的不同濃度、控制水解的不同時間、料液比、水解溫度進(jìn)行正交試驗，選取最優(yōu)化的水解條件。結(jié)果顯示，在水解溫度123℃，料液比1∶8，添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.2%的硫酸溶液的條件下，高壓滅菌器保溫保壓時間為2 h的效果最佳。

水解前，稱取經(jīng)過熱水預(yù)處理的絕干稻殼28 kg（快速水分測定儀測定甘蔗葉的水分為13.5%），添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.2%的硫酸溶液147.4 L；水解后，水解液152.83 kg，水解液折光度4.85%。

2.4 第1次脫色

采用活性炭間歇脫色，通過物理吸附作用去除糖液中的色素、膠體等雜質(zhì)，達(dá)到初步凈化的目的[5]。

通過選取活性炭的添加量、控制脫色的不同時間、脫色溫度進(jìn)行正交試驗法，以脫色率為考核指標(biāo)，選取最優(yōu)化的脫色條件。結(jié)果表明，在活性炭添加量為水解混合液質(zhì)量的2%，脫色溫度80℃，攪拌轉(zhuǎn)速150 r/min，脫色時間30 min條件下，趁熱抽濾，效果最佳。

脫色前，水解液152.83 kg，水解液折光度4.85%，活性炭質(zhì)量3.06 kg；脫色后，脫色液質(zhì)量140.2 kg，折光度4.75%，脫色液透光度95%。

2.5 第1次蒸發(fā)濃縮

通過一次蒸發(fā)，糖液體積大為減少，降低了后序工序的精制負(fù)擔(dān)，同時糖液中的一部分易揮發(fā)有機(jī)物（部分有機(jī)酸及醛類）也被蒸發(fā)除去，另外還可以除去水解液中的灰分。

工藝參數(shù)：真空度設(shè)定值為-0.1 MPa，溫度80℃，旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀轉(zhuǎn)速20 r/min。

濃縮前，料液質(zhì)量140.2 kg，折光度4.75%，脫色液透光度95%；濃縮后，料液質(zhì)量67.33 kg，折光度10%，透光度63%。

2.6 發(fā)酵

采用活性干酵母粉，活性干酵母粉添加量為0.2%（W活性干酵母粉/W步驟1.5（5） 濃縮液），料液無需經(jīng)過滅菌，控制料液溫度25℃，鼓風(fēng)充氧，開放式發(fā)酵，設(shè)定攪拌器轉(zhuǎn)速100 r/min，活性干酵母耐酸、耐高糖，可以去除第1次濃縮液中的葡萄糖，并不代謝木糖和L-阿拉伯糖，菌體可迅速而大量繁殖，而霉菌、細(xì)菌由于高糖下發(fā)生滲透作用難以生長。定時用SGD-Ⅳ型全自動還原糖測定儀檢測葡萄糖含量，當(dāng)葡萄糖含量0.3%～1.0%時結(jié)束發(fā)酵，發(fā)酵液用布氏漏斗真空抽濾回收酵母，過濾液備用。

發(fā)酵前，料液質(zhì)量67.33 kg，折光度10%，透光度63%，添加的活性干酵母134.66 g；發(fā)酵后，用SGD-Ⅳ型全自動還原糖測定儀檢測發(fā)酵液中的葡萄糖含量為0.19%，抽濾液質(zhì)量66.58 kg，折光度9.57%，透光度54%。

2.7 第2次脫色

在活性炭添加量為抽濾液質(zhì)量的2%，脫色溫度80℃，攪拌轉(zhuǎn)速150 r/min，脫色時間30 min，趁熱抽濾。

脫色前，質(zhì)量66.58 kg，折光度9.57%，透光度54%；脫色后，料液質(zhì)量62.11 kg，折光度9.95%，透光度63.6%。

2.8 第1次離子交換

離子交換樹脂中的陰陽離子分別和糖液中的雜質(zhì)陰陽離子進(jìn)行交換。離子交換樹脂還能吸附一些有機(jī)雜質(zhì)，特別是小分子的有機(jī)有色物質(zhì)，很難被活性炭吸附，但很容易被離子交換樹脂吸附。

料液依次通過第1強(qiáng)陽離子交換樹脂柱、第1弱陰離子交換樹脂柱、第2強(qiáng)陽離子交換樹脂柱進(jìn)行凈化提純，控制進(jìn)料流量為1 BV/h左右。

離交前，料液質(zhì)量62.11 kg，折光度9.95%，透光度63.6%，電導(dǎo)率95 700 μs/cm，pH值1；離交后，料液質(zhì)量99.5 kg，折光度3.5%，透光度95%，電導(dǎo)率963 μs/cm，pH值2.71。

2.9 第2次蒸發(fā)濃縮

工藝參數(shù)：真空度設(shè)定值為-0.1 MPa，溫度80℃，旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀轉(zhuǎn)速20 r/min。

濃縮前，料液質(zhì)量99.5 kg，折光度3.5%，透光度95%，電導(dǎo)率963 μs/cm，pH值2.71；濃縮后，料液質(zhì)量19.59 kg，折光度20.5%，透光度90%，pH值1.92，電導(dǎo)率2 630 μs/cm。

2.10 第3次脫色

在活性炭添加量為抽濾液質(zhì)量的2%，脫色溫度80℃，攪拌轉(zhuǎn)速150 r/min，脫色時間30 min，趁熱抽濾。

脫色前，料液質(zhì)量19.59 kg，折光度20.5%，透光度90%，pH值1.92，電導(dǎo)率2 630 μs/cm；脫色后，料液質(zhì)量18.07 kg，折光度20.4%，透光度95%，pH值2.3，電導(dǎo)率2 090μs/cm。

2.11 第2次離子交換

第2次離子交換順序：料液依次通過第2弱陰離子交換樹脂柱、第3強(qiáng)陽離子交換樹脂柱、第3強(qiáng)陰離子交換樹脂柱進(jìn)行凈化提純，控制進(jìn)料流量為1 BV/h左右。

離交前，料液質(zhì)量18.07 kg，折光度20.4%，透光度95%，pH值2.3，電導(dǎo)率2 090 μs/cm；離交后，料液質(zhì)量25.95 kg，折光度12.0%，透光度99%，電導(dǎo)率20.5 μs/cm，pH值6.7。

2.12 0.45 μm 微濾

微濾膜過濾可除去料液中的懸浮物、細(xì)菌、部分病毒及大尺度的膠體。

微濾前，料液質(zhì)量25.95 kg，折光度12.0%，透光度99%，電導(dǎo)率20.5 μs/cm，pH值6.7；微濾后，料液質(zhì)量25.94 kg，折光度12.0%，透光度100%，電導(dǎo)率19.3 μs/cm，pH值6.5。

2.13 第3次濃縮

工藝參數(shù)：真空度設(shè)定值-0.1 MPa，溫度80℃，旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀轉(zhuǎn)速20 r/min。

第3次濃縮工序是木糖生產(chǎn)中非常重要的一個工序，它是水解液經(jīng)過前期的脫色、一次離子交換、一次濃縮、二次濃縮等多個工序的凈化處理后，再進(jìn)行二次離子交換凈化和微濾，已完成了木糖生產(chǎn)中的多個凈化工序，除結(jié)晶外再沒有其他提純手段了。

濃縮前，料液質(zhì)量25.94 kg，折光度12.0%，透光度100%，電導(dǎo)率19.3 μs/cm，pH值6.5；濃縮后，糖漿質(zhì)量4.2 kg，折光度81.0%，透光度100%。

2.14 結(jié)晶、離心、干燥

結(jié)晶是利用木糖在水中的溶解度隨溫度下降而減小的特性，先在高溫下濃縮糖液使水中溶解的糖量達(dá)到極限，然后通過降溫，便溶解度下降，超出水溶解能力的木糖析出形成木糖結(jié)晶；離心分離是利用離心機(jī)高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)鼓（篩籃）產(chǎn)生的離心力，使糖膏中的木糖晶體與母液分離的過程；干燥是通過木糖結(jié)晶與熱風(fēng)接觸，離心分離后殘留在木糖結(jié)晶表面的水分和乙醇受熱蒸發(fā)后被熱風(fēng)帶走去除。

工藝參數(shù)：結(jié)晶槽轉(zhuǎn)速為25 r/min，降溫運行，降溫幅度為1℃/h；晶種添加量為糖漿質(zhì)量的0.5%，添加晶種后，養(yǎng)晶6 h；降溫，幅度1℃/h；當(dāng)降至35℃時，從結(jié)晶器底部放料，結(jié)晶結(jié)束；放置好濾布，將糖膏移入離心機(jī)內(nèi)，開啟離心機(jī)進(jìn)行分離，間隔10 min添加少量無水乙醇淋洗；離心至木糖晶體潔白、無母液時放料；烘干箱溫度設(shè)定45℃，烘干至水分為0.5%以下即可。

烘干后的木糖晶體稱質(zhì)量為2.0 kg，水分含量0.16%，木糖產(chǎn)品得率為7.14%，即14 t絕干稻殼可生產(chǎn)1 t木糖。烘干后的木糖產(chǎn)品外觀潔白、晶體均勻一致、流動性好。

2.15 高效液相色譜檢測木糖產(chǎn)品純度

采用高效液相色譜面積歸一法測定木糖產(chǎn)品純度，方法簡便、結(jié)果準(zhǔn)確。相比之下，滴定法、比色法等方法專屬性差，準(zhǔn)確度低。

工藝參數(shù)：以超純水為流動相，采用Phynomenex公司的Rezex系列Ca2+型糖醇柱（帶保護(hù)柱）作分離柱，選用示差折光檢測器，控制分離溫度為75℃，分離流速為0.6 mL/min，對木糖產(chǎn)品進(jìn)行測定。

檢測結(jié)果，木糖出峰時間為12.040 min，與標(biāo)準(zhǔn)品出峰時間基本一致，木糖產(chǎn)品純度99.93%，產(chǎn)品符合GB/T 23532—2009的要求。

3 結(jié)論

以甘蔗葉為研究對象，采用稀硫酸水解稻殼中的木聚糖，水解條件為硫酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.2%，料液比1∶8，水解時間120 min，水解溫度123℃，經(jīng)過脫色、發(fā)酵、離子交換、濃縮、結(jié)晶等多步分離純化工序，制備出外觀潔白、晶體均勻一致、流動性好的木糖晶體，產(chǎn)品得率為7.14%，即14 t絕干蔗葉可生產(chǎn)1 t木糖。經(jīng)高效液相色譜檢測，木糖產(chǎn)品的純度為99.93%，符合GB/T 23532—2009的要求。

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[2] Larbi K K，Roy R，Barati M，et al.Use of rice husk for emission neutral energy generation and synthesis of solargrade silicon feedstock[J].Biomass Conversion and Biorefinery，2012 （12）：34-39.

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[5] 尤新，李明杰.木糖與木糖醇的生產(chǎn)技術(shù)及應(yīng)用 [M].北京：中國輕工業(yè)出版社，2006：32-40.◇