?油茶殼低聚木糖水熱處理液脫色條件優(yōu)化?

摘要：為考察活性炭對(duì)油茶殼低聚木糖水熱處理液的脫色除雜效果，以油茶殼低聚木糖水熱液脫色率和糖保留率為考察指標(biāo)，探究了脫色時(shí)間、脫色溫度、活性炭添加量及水熱液pH值對(duì)活性炭脫色效果的影響。結(jié)果表明：活性炭對(duì)油茶殼水熱液的最優(yōu)脫色條件為脫色時(shí)間50 min、脫色溫度30℃、活性炭添加量50 mg/mL、水熱液pH值為4，該條件下油茶殼水熱液的脫色率為93.78%，總XOS保留率為61.13%，X2～X4保留率為63.37%。

關(guān)鍵詞：油茶殼；水熱處理；低聚木糖；活性炭；脫色

中圖分類號(hào)：TQ281 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-060X（2024）11-0076-05

Optimization of Hydrothermal Treatment Conditions for Decolorization of Xylo-oligosaccharide Hydrolysate from Camellia oleifera Shells

PAN Jin-tao1，2，SHEN Xiao-yan3，CHEN Liang1，WU Xiao-fen1，QI Hui1，LIU An1，

WEI Dong-ning1，DENG Ming1

（1. Hunan Institute of Nuclear Agricultural Science and Space Breeding， Hunan Academy of Agricultural Sciences， Changsha 410125， PRC; 2. School of Food Science and Technology， Hunan Agricultural University， Changsha 410128， PRC; 3. Longping Branch， College of Biology， Hunan University， Changsha 410125， PRC）

Abstract： This study aims to evaluate the decolorization effect of activated carbon on xylo-oligosaccharide hydrolysate from Camellia oleifera shells. With the decolorization rate and sugar retention rate as evaluation indicators， the effects of decolorization temperature， decolorization time， amount of activated carbon addition， and hydrolysate pH on the decolorization were examined. The results showed that the optimal decolorization conditions for the hydrolysate of C. oleifera shells with activated carbon were decolorization of the hydrolysate （initial pH 4） at 30 °C for 50 min with the addition of 50 mg/mL activated carbon， under which the decolorization rate was 93.78% and the total XOS and X2-X4 retention rates were 61.13% and 63.37%， respectively.

Key words： Camellia oleifera shell; hydrothermal treatment; xylo-oligosaccharides; activated carbon; decolorization

油茶（Camellia oleifera Abel）是世界四大主要油料作物之一[1]，我國(guó)油茶種植面積約為3.5×106 hm2，年產(chǎn)量可達(dá)700～800萬(wàn)t[2-3]。油茶殼占油茶果鮮重的50%～60%[4]，富含木聚糖、葡甘露聚糖和木葡聚糖等半纖維素[4]，總含量可達(dá)40%～55%[5]。從油茶殼中提取的有效成分已廣泛應(yīng)用于食品、農(nóng)業(yè)、化工、制藥和醫(yī)療保健等行業(yè)[6–9]。在生物煉制中，油茶殼主要用于生產(chǎn)低聚木糖、乙醇和香蘭素[10]。其中，低聚木糖具有巨大的市場(chǎng)前景和廣泛的商業(yè)應(yīng)用價(jià)值，利用油茶殼生產(chǎn)低聚木糖逐漸成為研究熱點(diǎn)[11–13]。

低聚木糖（Xylo-oligosaccharide，XOS）又稱木寡糖，是由2～7個(gè)木糖分子以β-1，4-糖苷鍵結(jié)合而成的功能性聚合糖[14]。低聚木糖難以被人體消化，熱值低，甜度約為蔗糖的50%[15-16]。低聚木糖可以調(diào)節(jié)人體腸道菌群，促進(jìn)有益菌的生長(zhǎng)，其益生元效應(yīng)取決于純度和組成成分，聚合度為2～4的低聚木糖（即X2～X4）對(duì)腸道微生物群更具選擇性[17]。雖然低聚木糖天然存在于水果、蔬菜、牛奶和蜂蜜中，但含量較低，難以滿足產(chǎn)業(yè)需求[18-19]，目前市售的低聚木糖主要由木質(zhì)纖維素水解產(chǎn)生[20-21]。

水熱處理是制備低聚木糖的主要方法，半纖維素中的乙?；稍谒疅徇M(jìn)程中轉(zhuǎn)化為甲酸、乙酸等有機(jī)酸，促進(jìn)多糖的解聚。水熱處理制備低聚木糖的同時(shí)伴隨著葡萄糖、木糖及寡糖的生成，且獲得的水熱液呈棕黃色[22]，需要進(jìn)一步脫色提純處理。吸附法是常見(jiàn)的物理脫色純化方法，而活性炭（Activated carbon，AC）是最常用的吸附劑[2]，其價(jià)格低廉、對(duì)環(huán)境無(wú)污染、吸附完成后可通過(guò)燃燒活化等方式進(jìn)行再生循環(huán)使用，是一種環(huán)境友好型的吸附材料。Zhu等[23]利用內(nèi)切酶輔助楊樹(shù)自水解生產(chǎn)低聚木糖，經(jīng)10%AC吸附和40%乙醇洗脫后，低聚木糖的純度達(dá)98.2%。Shao等[24]利用活性炭對(duì)百蕊草多糖進(jìn)行脫色，最佳條件下脫色率和多糖保留率分別可達(dá)79.48%、85.16%。?

輻照預(yù)處理可以破壞木質(zhì)纖維素結(jié)構(gòu)，促進(jìn)木聚糖的降解，在水熱處理過(guò)程中可以提高木聚糖的轉(zhuǎn)化效率[25-26]。因此，研究以輻照處理后的油茶殼為原料，通過(guò)水熱處理方法制備獲得低聚木糖水解液，采用活性炭對(duì)其進(jìn)行脫色提純處理，探討脫色時(shí)間、脫色溫度、活性炭添加量以及水熱液pH值對(duì)活性炭脫色效果的影響，得出活性炭對(duì)油茶殼水熱液脫色的最佳工藝，為油茶殼低聚木糖的脫色提純提供技術(shù)參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

油茶殼由湖南大三湘茶油股份有限公司提供。油茶殼自然曬干后平鋪在金屬托盤(pán)，厚度約1～2 cm，采用3 MeV電子束輻照處理，吸收劑量為200 kGy，輻照處理過(guò)后的油茶殼粉碎過(guò)40目篩，裝入自封袋備用。主要試劑有：Darco G60活性炭（100目）、葡萄糖、木糖、阿拉伯糖、木二糖（X2）、木三糖（X3）和木四糖（X4）等標(biāo)準(zhǔn)品（美國(guó)Sigma公司）；濃硫酸（國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司）；氫氧化鈉（天津市風(fēng)船化學(xué)試劑科技有限公司）；磷酸（太倉(cāng)滬試試劑有限公司）。

1.2 儀器與設(shè)備

FW 177高速粉碎機(jī)（天津市泰斯特儀器有限公司）；DZKW-S-4電熱恒溫水浴鍋（北京市永光明醫(yī)療儀器有限公司）；智能磁力攪拌器（鞏義市予華儀器有限責(zé)任公司）；YXQ-50SⅡ立式壓力蒸汽滅菌鍋（上海博訊醫(yī)療生物儀器股份有限公司）；Blue Star紫外分光光度計(jì)（北京萊伯泰科儀器股份有限公司）；UltiMate 3000高效液相色譜儀（美國(guó)賽默飛世爾科技有限公司）；Eco-S15純水系統(tǒng)（上海和泰儀器有限公司）；雷磁PHS-3 C型pH計(jì)（上海儀電科學(xué)儀器股份有限公司）。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 油茶殼水熱液制備 取一定質(zhì)量經(jīng)200 kGy輻照處理的油茶殼粉于100 mL立式不銹鋼水熱反應(yīng)器中，以1∶10的固液比加入超純水，180℃水熱反應(yīng)30 min。反應(yīng)結(jié)束后，冷卻至室溫，6 000 r/min離心10 min。收集濾液，于-80℃冰箱保存，其初始pH值為4。

1.3.2 活性炭預(yù)處理 稱取3 g活性炭置于50 mL錐形瓶，采用3倍體積的超純水煮沸2 h，然后沖洗直至活性炭沉降后的上清液pH值接近純水，離心收集活性炭，于105℃下干燥 8 h，置于真空干燥器中備用[27]。

1.3.3 活性炭脫色 取10 mL油茶殼低聚木糖水熱液置于50 mL錐形瓶中，分別調(diào)節(jié)pH值至3、4、5、6、7、8，按0、5、10、15、20、25、50、100、200 mg/mL添加量加入活性炭，在溫度30～60℃處理10～60 min，轉(zhuǎn)速130 r/min。脫色結(jié)束后8 000 r/min離心5 min，取上清液，采用紫外分光光度計(jì)和高效液相色譜（HPLC）檢測(cè)脫色后提取液的吸光度值、單糖和低聚木糖含量，并計(jì)算脫色率和單糖、低聚木糖保留率。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果篩選活性炭預(yù)處理方式，并用于后續(xù)試驗(yàn)。

1.3.4 脫色率計(jì)算 取上清液1 mL，加入去離子水稀釋10倍。以去離子水為空白，使用紫外分光光度計(jì)測(cè)定稀釋液在420 nm處的吸光度值（OD420）。根據(jù)公式（1）計(jì)算脫色率。

（1）

1.3.5 單糖保留率計(jì)算 采用HPLC測(cè)定葡萄糖、木糖、阿拉伯糖含量。色譜柱為Aminex HPX-87H（7.8 mm×300 mm），柱溫55℃，流動(dòng)相為0.005 mo1/L硫酸，流速0.6 mL/min，示差折光檢測(cè)器溫度45℃，進(jìn)樣體積10 μL。根據(jù)公式（2）計(jì)算單糖保留率。

（2）

1.3.6 總XOS與X2～X4保留率計(jì)算 總XOS含量由酸解法測(cè)得：取活性炭脫色后樣液5 mL，加入98%濃硫酸至硫酸濃度為4%，于121℃反應(yīng)60 min。

采用“1.3.5”中HPLC條件測(cè)定酸解前后的木糖含量，其差值即為總XOS含量。采用HPLC測(cè)定X2、X3、X4含量。色譜柱為Aminex HPX-42H（7.8 mm×300 mm），柱溫55℃，流動(dòng)相為超純水，流速0.6 mL/min，示差折光檢測(cè)器溫度45℃，進(jìn)樣體積10 μL。根據(jù)公式（3）、（4）分別計(jì)算總XOS與X2～X4保留率。

（3）

（4）

1.4 數(shù)據(jù)處理

所有試驗(yàn)均重復(fù)3次，結(jié)果取平均值，采用Excel 2019進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同脫色時(shí)間對(duì)脫色效果的影響

在活性炭添加量為15 mg/mL，溫度30℃條件下探究不同脫色時(shí)間對(duì)活性炭脫色效果的影響。由圖1（a）可知，隨著脫色時(shí)間的增加，脫色率先增加后降低，在50 min時(shí)脫色率達(dá)到最大值63.36%。由圖1（b）可知，葡萄糖、木糖和阿拉伯糖的保留率隨脫色時(shí)間增加呈降低趨勢(shì)，X2～X4保留率變化不顯著，總XOS保留率先增加后降低。為了保證脫色效果，選擇最佳脫色時(shí)間為50 min進(jìn)行后續(xù)試驗(yàn)，此時(shí)X2～X4和總XOS保留率分別為92.77%、88.08%。

2.2 不同脫色溫度對(duì)脫色效果的影響

在活性炭添加量為15 mg/mL、脫色時(shí)間50 min時(shí)，探究不同溫度對(duì)活性炭脫色效果的影響。由圖2（a）可知，隨著溫度的升高，活性炭對(duì)油茶殼低聚木糖水熱液的脫色率逐漸下降。由圖2（b）可知，葡萄糖、總XOS保留率隨脫色溫度的升高先降低再上升，50℃達(dá)到最小值；木糖和阿拉伯糖的保留率隨溫度的升高呈下降趨勢(shì)；X2～X4保留率隨溫度的升高變化較小，保留率在90.27%～92.64%范圍內(nèi)波動(dòng)。因此，最佳脫色溫度選擇30℃，此時(shí)色素未發(fā)生解吸，脫色效果較好，總XOS和X2～X4的保留率也相對(duì)較高。

2.3 不同活性炭添加量對(duì)脫色效果的影響

在脫色溫度30℃、脫色時(shí)間50 min條件下，探究活性炭添加量對(duì)活性炭脫色效果的影響。由圖3可知，在活性炭添加量為0～50 mg/mL時(shí)，脫色率隨著添加量的增加而快速上升，而單糖和低聚木糖保留率隨之緩慢下降。在添加量為50 mg/mL時(shí)，脫色率為93.01%，X2～X4和總XOS的保留率分別為69.25%和65.60%，葡萄糖的保留率低于木糖和阿拉伯糖，僅為62.17%。而當(dāng)活性炭添加量大于50 mg/mL時(shí)，隨著活性炭添加量的增加，脫色率變化趨于平緩，糖保留率快速降低。當(dāng)添加量為100 mg/mL時(shí)，總XOS和X2～X4保留率分別下降到17.59%、23.51%，單糖保留率降低趨勢(shì)小于低聚木糖，說(shuō)明此時(shí)活性炭主要吸附的是溶液中的XOS。因此，為了最大程度地去除溶液中的色素和保留XOS，最佳活性炭添加量選擇50 mg/mL。

2.4 不同油茶殼水熱液pH值對(duì)脫色效果的影響

在脫色溫度30℃、脫色時(shí)間50 min、活性炭添加量50 mg/mL條件下，探究水熱液pH值對(duì)活性炭脫色效果的影響。由圖4（a）可知，隨著pH值的增加，脫色率呈下降趨勢(shì)，說(shuō)明酸性條件下更利于脫色。pH值會(huì)影響活性炭對(duì)糖的吸附能力，由圖4（b）可知，在油茶殼水熱液pH值為3～5時(shí)，糖保留率隨著pH值的增加先上升后降低；pH值為5時(shí)，各成分的保留率最低。在初始pH值為4時(shí)，脫色率為93.78%，總XOS保留率為61.13%，X2～X4保留率為63.37%；雖然pH值為3時(shí)，脫色率為97.06%，但總XOS和X2～X4保留率均低于pH值為4時(shí)的水平。因此，選擇水熱液初始pH值為4作為最佳脫色pH值。

3 討論與結(jié)論

采用水熱處理制備的低聚木糖水解液中存在著多種色素和雜質(zhì)，這些雜質(zhì)會(huì)影響低聚木糖的色澤和品質(zhì)。目前低聚木糖水熱液脫色常用的方法有表面活性劑脫色、離子交換脫色、氧化脫色和吸附脫色等[28]。吸附法是常見(jiàn)的物理脫色純化方法，在食品行業(yè)中常用的吸附劑有硅藻土、沸石、硅膠、凹凸棒土和活性炭等，其中活性炭因其具有多孔結(jié)構(gòu)、比表面積大、化學(xué)穩(wěn)定性較好等特性，是最常用的吸附劑之一[29-30]?；钚蕴棵撋ㄟ^(guò)物理吸附達(dá)到脫除低聚木糖中色素的效果，該過(guò)程不會(huì)破壞脫色液中的有效成分結(jié)構(gòu)，因此常用于植物多糖的脫色[31]。脫色溫度、脫色時(shí)間、活性炭添加量以及水熱液pH值是影響脫色效果最主要的因素?；钚蕴刻砑恿刻瓦_(dá)不到脫色效果，添加過(guò)量會(huì)導(dǎo)致糖保留率降低；脫色時(shí)間過(guò)短不利于色素的吸附，脫色時(shí)間太長(zhǎng)會(huì)使色素發(fā)生解析[32-34]。夏諜等[31]比較了不同脫色方法對(duì)三七多糖的脫色效果，發(fā)現(xiàn)活性炭脫色效果優(yōu)于樹(shù)脂，脫色率可達(dá)78%。

研究采用活性炭對(duì)200 kGy輻照結(jié)合水熱處理油茶殼獲得的低聚木糖水解液進(jìn)行脫色處理，獲得最佳脫色工藝為：低聚木糖水解液初始pH值為4、脫色溫度30℃、脫色時(shí)間50 min、活性炭添加量為50 mg/mL，該條件下油茶殼水熱液的脫色率為93.78%，總XOS和X2～X4保留率分別為61.13%和63.37%。經(jīng)活性炭脫色后的水熱液中仍然存在部分單糖等雜質(zhì)，因此后續(xù)還要進(jìn)一步結(jié)合其他純化方法除雜，以獲得高純度低聚木糖產(chǎn)品。

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（責(zé)任編輯：王婷）