農(nóng)業(yè)廢棄物中戊聚糖的提取、純化及其功效特征的研究

李曼，康鑫，趙斌

（1. 中華全國供銷合作總社天津再生資源研究所，天津300191；2. 天津港保稅區(qū)城市環(huán)境管理局，天津300308）

1 農(nóng)業(yè)廢棄物中戊聚糖研究意義

我國每年有近百億噸農(nóng)業(yè)廢棄物產(chǎn)生，且尚未進(jìn)行有效的資源化利用，多采用淺層粗放形式進(jìn)行處理，利用效率和產(chǎn)品附加值較低，相當(dāng)部分資源被浪費(fèi)且污染環(huán)境。因此，提取、利用農(nóng)業(yè)廢棄物中活性成分，并加以產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用得到廣泛關(guān)注。

戊聚糖是一種非均一性多糖，并廣泛存在于小麥麩皮、玉米秸稈、黑麥麩皮等農(nóng)作物廢棄物中[1-3]，且含量可觀。在小麥的加工過程中，麩皮產(chǎn)量可占到加工總量的五分之一左右，而研究發(fā)現(xiàn)，小麥麩皮中戊聚糖含量可達(dá)到近20%[1]。

戊聚糖在保健領(lǐng)域廣受關(guān)注和歡迎，應(yīng)用前景樂觀。在預(yù)防腸胃疾病方面功能突出，可以促進(jìn)胃腸道蠕動(dòng)，被稱為“胃腸清道夫”；并且戊聚糖具有調(diào)節(jié)胃腸道菌群的功能，能夠改善胃腸道菌群紊亂，達(dá)到促進(jìn)體內(nèi)有益菌增殖和菌落平衡的作用；還有助于抑制膽固醇的吸收，降低高血壓、高血脂、高血糖等疾病風(fēng)險(xiǎn)的效用[4]。

因此，探討農(nóng)業(yè)廢棄物中活性成分——戊聚糖的提取、純化技術(shù)，進(jìn)一步提升農(nóng)業(yè)廢棄物中活性成分的高值資源化利用水平，對(duì)農(nóng)業(yè)廢棄物的資源化處置提質(zhì)增效以及完善農(nóng)業(yè)循環(huán)產(chǎn)業(yè)鏈具有重要意義。

2 農(nóng)業(yè)廢棄物中戊聚糖含量

戊聚糖在農(nóng)業(yè)廢棄物中廣泛存在，目前研究主要集中于小麥和黑麥麩皮中的戊聚糖。小麥中戊聚糖分布主要集中于麩皮當(dāng)中，陳鳳蓮等[1]以我國黑龍江地區(qū)的小麥麩皮為測(cè)試樣品進(jìn)行分析，測(cè)得其中所含戊聚糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到19.42%。小麥籽粒中戊聚糖含量則相對(duì)較少。

戊聚糖在玉米皮中也廣泛存在。玉米皮中含有大量纖維素、半纖維素、木質(zhì)素等膳食纖維，組分占比可達(dá)到50%左右[5]，其中半纖維素的主要成分就是戊聚糖。

黑小麥麩皮中戊聚糖含量也較為豐富，其中多為水不溶性戊聚糖形式存在。

3 農(nóng)業(yè)廢棄物中戊聚糖提取技術(shù)

3.1 原料預(yù)處理

因原料內(nèi)內(nèi)源性碳水化合物酶對(duì)多糖的降解作用，造成多糖分子量降低，影響其生理功能，所以對(duì)原料進(jìn)行預(yù)處理，以降低內(nèi)源酶的影響是十分必要。

實(shí)驗(yàn)室常以80%乙醇對(duì)烘干粉碎過篩后的農(nóng)業(yè)廢棄物原料進(jìn)行熱處理，以實(shí)現(xiàn)滅酶效果和對(duì)單糖等小分子物質(zhì)的去除，進(jìn)而提高戊聚糖粗品的純度。

3.2 水提、堿提法及其影響因素

戊聚糖常用提取方法有：水提法、堿提法、酶提法、汽爆法、酸法等。其中，采用水提、堿提法提取農(nóng)業(yè)廢棄物中戊聚糖粗品，因操作簡(jiǎn)便、污染較小，為目前戊聚糖制備較為普遍通用的方法。

戊聚糖因其溶解度不同，可分為水溶性戊聚糖和水不溶性戊聚糖。其中水溶性戊聚糖組分可采用水提法進(jìn)行提取。孫元琳等[6]采用高壓輔助水提，將預(yù)處理后的黑小麥麩在40 ℃水恒溫?cái)嚢?0 min 后，以3 000 r/min 轉(zhuǎn)速離心20 min，以除去淀粉。離心后所得沉淀于0.12 MPa 高壓輔助，在121 ℃熱水中浸提2 次，離心合并上清液，得戊聚糖水提組分溶液。

何歡等[7]采用一般水提工藝流程，將預(yù)處理后小麥麩皮加水浸泡，離心后進(jìn)行酶處理，后離心、濃縮、醇沉、干燥，得水溶性戊聚糖粗品，設(shè)計(jì)單因素試驗(yàn)，考察水溶性戊聚糖提取率影響因素。

研究結(jié)果顯示，水溶性戊聚糖組分的提取與反應(yīng)溫度、酶濃度、反應(yīng)時(shí)間、pH 值均具有相關(guān)關(guān)系。何歡等[7]研究發(fā)現(xiàn)，戊聚糖提取率與反應(yīng)溫度呈正相關(guān)性；酶濃度增加時(shí)，戊聚糖提取率相應(yīng)增加，當(dāng)溶液中酶濃度達(dá)到0.5%后，戊聚糖提取率無明顯增幅變化；最佳酶反應(yīng)時(shí)間為1～3 h，此后，反應(yīng)時(shí)間延長(zhǎng)，反應(yīng)速度下降，提取率變化不大；pH 值為4 時(shí)，水溶性戊聚糖的提取效果佳。何歡等摸索水溶性戊聚糖的最佳提取條件，選取62 ℃為反應(yīng)溫度，酶濃度為0.55%，反應(yīng)進(jìn)行1.5 h，調(diào)節(jié)pH 值為4.2。此條件下，實(shí)現(xiàn)水溶性戊聚糖提取率為15.3%。

采用堿性溶液對(duì)水提后沉淀中不溶性戊聚糖組分在室溫下進(jìn)行提取。常用堿性溶液為NaOH 溶液。王文俠等[8]采用堿性H2O2對(duì)玉米皮中戊聚糖進(jìn)行提取，以解決一般堿提方法造成的產(chǎn)品色澤差問題，取得良好效果。

堿溶性戊聚糖組分的提取過程中，固液比、反應(yīng)溫度、反應(yīng)時(shí)間、堿液濃度、pH 值均對(duì)戊聚糖提取率產(chǎn)生影響。堿溶性戊聚糖提取率隨堿液體積的增加而增大，當(dāng)固液比達(dá)到一定比例后，堿溶性戊聚糖提取率隨堿液體積增加而呈現(xiàn)降低趨勢(shì)；戊聚糖提取率隨溫度升高呈遞增趨勢(shì)，但溫度過高時(shí)，戊聚糖的結(jié)構(gòu)將被破壞，導(dǎo)致生物活性喪失；戊聚糖提取率隨著反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)而增大，反應(yīng)時(shí)間達(dá)到一定時(shí)間后增幅減緩，繼續(xù)延長(zhǎng)反應(yīng)時(shí)間，戊聚糖提取率發(fā)生下降現(xiàn)象；當(dāng)堿液濃度過低時(shí)，戊聚糖不能完全溶出，堿液濃度的增加有利于堿溶性戊聚糖的提取，但堿液濃度過高容易導(dǎo)致戊聚糖結(jié)構(gòu)的破壞和引起戊聚糖活性的喪失。何歡等[7]選取小麥麩皮堿提的實(shí)驗(yàn)選擇最佳條件：料液比1∶20、溫度為55 ℃、作用時(shí)間為1.5 h、堿濃度為20%。在此條件下，測(cè)得堿溶性戊聚糖組分的提取率可達(dá)到17.4%。王佩等[9]選用玉米秸稈中提取戊聚糖，確定最佳實(shí)驗(yàn)方案為：10%NaOH 溶液，固液比為1∶30，反應(yīng)溫度為70 ℃，反應(yīng)時(shí)間6 h，pH 值為7。

水溶性戊聚糖和水不溶性戊聚糖粗品中，除戊聚糖外，還有大量蛋白質(zhì)一起提取出來。陳鳳蓮等[10]對(duì)小麥麩皮的酶處理最佳酶解效果進(jìn)行研究，結(jié)果顯示，利用α-淀粉酶酶解小麥麩皮中淀粉，具有良好的酶解效果，可以將麩皮中的淀粉含量降至0.5%以下。采用堿性蛋白質(zhì)酶對(duì)小麥麩皮中的蛋白質(zhì)進(jìn)行酶解，水洗分離后，測(cè)得小麥麩皮中蛋白質(zhì)殘留量?jī)H為0.62%。去除淀粉及蛋白質(zhì)后，小麥麩皮中戊聚糖含量可提升為34.51%。

3.3 其他方法

戊聚糖常規(guī)提取方法還有酸水解法、蒸汽爆破法、蒸煮法等。酸法和蒸煮法副反應(yīng)較多，且強(qiáng)酸的腐蝕性不利于產(chǎn)品安全性；蒸汽爆破法成本較高，條件要求苛刻。丁長(zhǎng)河等[11]采用高溫酸水解法提取麩皮中戊聚糖，顯示高溫可明顯提高戊聚糖提取率。摸索高溫酸水解法提取戊聚糖的最優(yōu)工藝條件為：料液比1∶20（g/mL），0.006 mol/L 乙酸于180 ℃下反應(yīng)25 min。此條件下，可溶性戊聚糖的濃度值可達(dá)到15.19 g/L，戊聚糖產(chǎn)率可達(dá)到18.96%。趙夢(mèng)麗等[12]研究發(fā)現(xiàn)，汽爆處理可顯著提高小麥麩皮可溶性物質(zhì)的含量，采用汽爆預(yù)處理后，可溶戊聚糖含量可提高16.6 倍。

4 農(nóng)業(yè)廢棄物中戊聚糖純化技術(shù)

常見戊聚糖粗品純化方法主要有乙醇沉淀法、柱層析法和鹽析法等。

4.1 乙醇沉淀法

通過設(shè)置不同梯度乙醇溶液，通過溶液濃度的逐步提升，達(dá)到不同分子量戊聚糖組分的分離。鄭學(xué)玲等[13]采用兩級(jí)濃度乙醇溶液對(duì)小麥麩皮中戊聚糖粗品進(jìn)行純化，在樣品溶液中加入體積分?jǐn)?shù)為95%的乙醇溶液，使溶液中乙醇的最終體積分?jǐn)?shù)為65%，后于4 ℃靜置過夜后離心，所得沉淀部分加水溶解，對(duì)所得水溶液進(jìn)行濃縮，去除殘余的乙醇成分，得到戊聚糖提取物C1。離心后上清液部分再次加入體積分?jǐn)?shù)為95%的乙醇溶液，配置體積分?jǐn)?shù)為80%的乙醇溶液，后于4 ℃靜置過夜后離心，收集沉淀部分加水溶解，濃縮，得到戊聚糖提取物C2。

4.2 柱層析法

將戊聚糖粗品經(jīng)TCA 去除蛋白質(zhì)后，采用柱層析法，對(duì)戊聚糖進(jìn)行純化。將層析柱采用堿洗、酸洗、再堿洗進(jìn)行預(yù)處理，用去離子水進(jìn)行平衡后，將樣品裝填于層析柱中，以水或不同離子強(qiáng)度的鹽溶液（多采用不同濃度NaCl 溶液）進(jìn)行洗脫，實(shí)現(xiàn)對(duì)水溶性和水不溶性戊聚糖各組分的純化分級(jí)[13]。本方法可用于小分子雜質(zhì)的去除，或接乙醇沉淀法，作為其提取物的進(jìn)一步分級(jí)純化。

4.3 鹽析法

利用戊聚糖在不同鹽溶液中溶解度不同的性質(zhì)，對(duì)戊聚糖粗品進(jìn)行純化。其中，采用（NH4）2SO4溶液作為溶液試劑最為廣泛。不同濃度的（NH4）2SO4溶液對(duì)戊聚糖粗品中的葡聚糖可進(jìn)行選擇性沉淀。孫元琳等[14]將飽和的（NH4）2SO4溶液加入戊聚糖粗品水溶液中，使溶液中（NH4）2SO4最終質(zhì)量分?jǐn)?shù)為35%，對(duì)戊聚糖粗品進(jìn)行純化處理。

5 戊聚糖的功效特征

5.1 戊聚糖具有潤腸通便作用

戊聚糖是谷物膳食纖維的主要成分，人體難以消化，具有潤腸通便的作用。黃覺非等[15]對(duì)小麥提取物中不同劑量戊聚糖的潤腸通便作用進(jìn)行比較探討。采用不同等級(jí)劑量小鼠進(jìn)行試驗(yàn)，并與空白對(duì)照組和模型對(duì)照組進(jìn)行對(duì)比研究。結(jié)果顯示，與模型對(duì)照組對(duì)比，不同劑量小麥戊聚糖提取物均可提高腸道蠕動(dòng)功能，且差異明顯；與模型對(duì)照組對(duì)比顯示，中高等劑量小麥戊聚糖提取物具有良好的促進(jìn)排便功能，可顯著提高排便量；其中，中等劑量性價(jià)比最高，可作為人體服用的參考劑量。不同提取技術(shù)所得戊聚糖組分的潤腸通便效果存在差異。鄭學(xué)玲等[16]研究發(fā)現(xiàn)，小麥麩皮中堿溶性戊聚糖組分具有較好的潤腸通便效果，水提法所得戊聚糖組分及剩余殘?jiān)男Ч^差。這說明具有潤腸通便效果的組分為小麥麩皮中戊聚糖，且相應(yīng)效果與其溶解性具有相關(guān)性，水不溶性組分的效果更佳，水溶性戊聚糖的潤腸通便效果較差。戊聚糖對(duì)腸道中菌落也有調(diào)節(jié)作用。孫元琳等[17]研究表明，戊聚糖在結(jié)腸部位被特定的具有戊聚糖水解酶的細(xì)菌所降解，能夠增殖腸道中的雙歧桿菌和乳桿菌等有益菌。

5.2 戊聚糖具有減脂降糖作用

戊聚糖因其具有減脂、降糖的效果，得到關(guān)注。目前作用機(jī)理尚未得到明確。學(xué)者推測(cè)，一方面可能因?yàn)槲炀厶窃黾游该拥恼承?，另一方面可能與戊聚糖增加消化道中微生物菌落，細(xì)菌與寄主爭(zhēng)奪營養(yǎng)物質(zhì)有關(guān)。董玉枝等[18]以實(shí)驗(yàn)性肥胖大鼠為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，研究戊聚糖的減肥降脂作用。研究結(jié)果顯示，戊聚糖粗品降低肥胖效果明顯，可使肥胖大鼠體重達(dá)到正常水平。沈麗娟等[19]對(duì)小麥戊聚糖對(duì)糖尿病小鼠的腸道菌群及血糖影響進(jìn)行研究。結(jié)果顯示，誘導(dǎo)2 型糖尿病后，小鼠空腹血糖升高，雙歧桿菌、乳酸桿菌數(shù)量下降，腸道菌群產(chǎn)生紊亂，且二者呈負(fù)相關(guān)。經(jīng)小麥戊聚糖灌胃處理后，血糖值降低，雙歧桿菌及乳酸桿菌的數(shù)量有所恢復(fù)。說明戊聚糖制劑能起到有效調(diào)節(jié)作用，降低血糖水平。

6 研究展望

隨著農(nóng)業(yè)廢棄物的大規(guī)模非資源化處置，由此引發(fā)的環(huán)境污染問題受到了日益關(guān)注。在當(dāng)前的農(nóng)業(yè)廢棄物處置過程中，活性成分——戊聚糖尚且得不到有效的應(yīng)用，正逐漸引起重視。伴隨著戊聚糖功效特征的廣泛認(rèn)識(shí)，迫切需要對(duì)農(nóng)業(yè)廢棄物中戊聚糖的提取和純化技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)及工業(yè)化研究，對(duì)農(nóng)業(yè)廢棄物中戊聚糖含量的種類及區(qū)域性特點(diǎn)進(jìn)行深入探討，開展農(nóng)業(yè)廢棄物中戊聚糖提取、純化技術(shù)及功效特征產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的相關(guān)研究。