全 文 ：广 西 植 物 Guihaia　Jul．２０１４,３４(４):５０５－５０９　　　　　　　　　　 http://journal．gxzw．gxib．cn　
DOI:１０．３９６９/j．issn．１０００Ｇ３１４２．２０１４．０４．０１５
陈海珊,李涛涛,周玉恒,等．蔗渣制备低聚木糖的有机酸预处理条件研究[J]．广西植物,２０１４,３４(４):５０５－５０９
ChenHS,LiTT,ZhouYH,etal．Studyonpretreatmentconditionsoforganicacidtogetxylooligosaccharidewithbagasse[J]．Guihaia,２０１４,３４(４):
５０５－５０９
蔗渣制备低聚木糖的有机酸预处理条件研究
陈海珊１,李涛涛２,周玉恒１,蔡爱华１,覃香香１
(１．广西植物功能物质研究与利用重点实验室,广西植物研究所,广西 桂林５４１００６;２．百色民族高级中学,广西 百色５３３０００)
摘　要:采用有机酸法水解制备蔗渣低聚木糖,通过单因素实验、正交试验研究了甲酸Ｇ乙酸比例、温度、水解
时间、固液比等因素的影响,以水解率、总糖收率和聚糖收率为考察指标,得到有机酸法水解蔗渣制备低聚木
糖的最优预处理条件为甲酸∶乙酸＝９∶１、水解温度１００℃、水解时间６０min、固液比１∶７,在此条件下蔗渣
水解率为４７．７８％,总糖收率２０．５７％,聚糖收率１１．８８％.HPLC检测结果显示:水解物中木二糖含量为
１７．６９％,木三糖为１１．２３％,更高聚合度聚糖所占比例为２９．４２％,木糖为３６．７８％.半纤维素有机酸水解物可
进一步通过木聚糖酶水解、分离制备低聚木糖.研究结果可为蔗渣制备低聚木糖新工艺提供科学依据.
关键词:蔗渣;有机酸;低聚木糖
中图分类号:Q９４６　　文献标识码:A　　文章编号:１０００Ｇ３１４２(２０１４)０４Ｇ０５０５Ｇ０５
Studyonpretreatmentconditionsoforganicacid
togetxylooligosaccharidewithbagasse
CHENHaiＧShan１,LITaoＧTao２,ZHOUYüＧHeng１,
CAIAiＧHua１,QINXiangＧXiang１
(１．GuangxiKeyLaboratoryofFunctionalPhytochemicalsResearchandUtilization,GuangxiInstituteofBotany,Guilin
５４１００６,China;２．NationalBaiseSeniorHighSchool,TheGuangxiAutonomousRegion,Baise５３３０００,China)
Abstract:XylooligosaccharideofbagassewerehydrolyzedwithorganicacidbysinglefactorandorthogonalexperiＧ
ments,throughtheresearchoftheefectingfactorssuchastheratio,temperature,hydrolysistimeandsolidＧtoＧliquid
ratioofformicacidandaceticacid．Withthehydrolysisrate,totalsugarandpolysaccharideyieldasindex,theoptional
pretreatmenttechnologicalconditionswiththehydrolysisoforganicacidtogetxylooligosaccharidewereobtainedas
folows:formicacid∶aceticacid＝９∶１,hydrolyzingtemperature１００℃,hydrolyzingtime６０minandsolidＧtoＧliquid
ratio１:７,andunderthiscondition,bagassehydrolysisratewas４７．７８％,totalsugaryield２０．５７％,andpolysaccharide
yield１１．８８％．TheresultsofHPLCtestshowedthatxylobiosecontentwas１７．６９％,Xylotriose１１．２３％,polysacchaＧ
ridewithhigherpolymerizationdegree２９．４２％andxylose３６．７８％inthehydrolyzate,andthehydrolyzateofHemiＧ
celuloseorganicacidcouldbefurtherlyhydrolyzedwithxylanaseandbeseparatedtoobtainxylooligosaccharide．The
resultofthisstudywouldprovidethescientificbasisfornewtechnologytogetxylooligosaccharidewithbagasse．
Keywords:bagasse;organicacid;xylooligosaccharide
　　蔗渣是甘蔗制糖产业中的大宗副产物,资源集
中,产量大,其木质纤维素主要由３０％~４０％纤维
素,２０％~２５％半纤维素,１５％~２５％木素构成.目
前,蔗渣大部分代替燃煤作为锅炉燃料,以提供生产
收稿日期:２０１４Ｇ０４Ｇ０９　　修回日期:２０１４Ｇ０６Ｇ１６
基金项目:广西自然科学基金(２０１０GXNSFA０１３０６０,２０１３GXNSFBA０１９０５３);广西科学研究与技术开发计划重点项目(桂科重１４１２２００３Ｇ５);广
西植物研究所基本业务费(桂植业１０００１,桂植业１３００７);广西植物功能物质研究与利用重点实验室主任基金(ZRJJ２０１２Ｇ２,ZRJJ２０１３Ｇ２).
作者简介:陈海珊(１９７０Ｇ),男,广西桂林人,副研究员,从事生物质化学的研究工作,(EＧmail)chhs＠gxib．cn.
用能量,但这一资源的初级利用方式所获得的经济
价值并不高.蔗渣用于制浆造纸可为企业带来较好
的经济效益,但生产上主要采用碱法制浆工艺,这一
工艺只利用了蔗渣的纤维素部分,半纤维素与木质
素则进入黑液而无法利用,带来沉重的环境治理压
力,限制了产业发展.有机酸法制浆克服了传统碱
法制浆的污染问题,利用甲酸、乙酸选择性脱除木质
素和半纤维素,有效地分离制浆过程的半纤维素降
解物和木质素等副产品,对纤维素的损伤小于烧碱
制浆,可获得较高的纸浆得率(Jahan,２００６;RuggieＧ
ro,etal．,１９９８;Ede,etal．,１９８８;Poppius,etal．,
１９８６).该制浆工艺简单,溶剂可以回收重复利用,
几乎没有黑液生成.蔗渣甲酸法制浆过程中,在木
质素溶出的同时,半纤维素戊糖单元之间的苷键断
裂形成单糖或寡糖而溶出,不同的甲酸蒸煮条件下
其降解速率有很大差别(涂启梁等,２００８).
低聚木糖又称木寡糖,是由２~７个木糖通过βＧ
(１,４)糖苷键连接而成,通过水解玉米芯、蔗渣等富含
半纤维素的原料得到.低聚木糖除了具有低热量、稳
定、安全、无毒等理化特性外,还有许多优良的生理活
性,不易被人体消化酶系统所分解,可高选择性地促
进肠道内双歧杆菌增殖,(Jayapaletal．,２０１３;SamanＧ
taetal．,２０１３;Broekaertetal．,２０１１;).此外,低聚
木糖具有降血酯、降血糖、抗氧化等功能(Gobinathet
al．,２０１０;Wangetal．,２０１１),是一种功能性寡聚糖,
在食品、医药、饲料等领域有重要应用.制浆是目前
人类社会最大规模的纤维素、半纤维素、木质素分离
工业,如能以有机酸制浆工艺为基础,通过控制水解
条件,获得丰富的低聚木糖原料,以满足未来社会对
低聚木糖的大规模需求.本文首次提出了与有机酸
制浆相结合的低聚木糖制备工艺,研究了高收率聚糖
的有机酸水解条件,研究结果可为蔗渣制备低聚木糖
新工艺提供科学依据.
１　材料与方法
１．１材料
１．１．１原料　甘蔗渣:购于广西来宾市糖厂的除髓蔗
渣,取样烘干至恒重备用.
１．１．２试剂　甲酸、乙酸均为国产分析纯.DＧ木糖、
LＧ阿拉伯糖购自美国SIGMA公司;木二糖、木三糖
标准品购于日本和光纯药工业株式会社.
１．１．３ 仪器与设备　CBMＧ２０A 高效液相色谱仪
(HPLC),RIDＧ１０A 示差折光检测器(日本岛津公
司);HHＧS数显恒温水浴锅(金坛市正基仪器有限
公司);WYTＧJ手持糖度计(折射仪)(成都兴晨光学
仪器有限公司);TLＧ５．０W台式离心机(上海市离心
机械研究所);RＧ２００旋转蒸发仪(瑞士Buchi公司)
１．２方法
１．２．１不同条件对蔗渣有机酸水解的影响　蔗渣有
机酸水解条件:(１)有机酸比例:甲酸∶乙酸＝９∶１;
８∶２;７∶３;６∶４;(２)水解温度为１００℃;９０℃;８０
℃;７０℃;(３)水解时间为３０、６０、９０、１２０min;(４)固
液比为１∶６;１∶７;１∶８;１∶９.
准确称取１０．０００g蔗渣于１５０mL三角瓶中,
按前述有机酸水解条件分别加入不同比例的有机
酸,静置,待蔗渣充分浸润后加热水解,在设定时间
内水解完成后固液分离,水解残渣用提取溶剂洗涤
３次,真空抽滤,滤液合并于２５０mL容量瓶中,定
容.抽滤残渣烘干后称重,取一定量的水解液于旋
转蒸发仪中回收有机酸溶剂至干,用少量热水分次
溶解固体残留物中的可溶部分后移入容量瓶中定容
待测.
１．２．２分析方法　高效液相色谱法(HPLC)测定:检
测方法采用文献(石国良等,２０１０)方法,分别取标准
品于６０℃烘干至质量恒定,于容量瓶中用超纯水配
制成质量浓度为１０g/L的标准液.吸取１０mL已
定容有机酸水解上清液,纯水稀释至糖浓度５~１０
g/L,取１０mL稀释液加入酸性阳离子交换树脂,强
碱性阴离子交换树脂,２０mg活性炭脱盐脱色净化,
净化液离心澄清,经０．２２μm水性微孔滤膜过滤得
检测样品.检测条件为:高效液相色谱仪,示差折光
检测器.色谱柱:BCＧ１００碳水化合物Ca２＋柱.柱
温８５℃,流动相为超纯水.流速为０．５mL/min.
水解液样品测试图谱对照标准品图谱,利用面
积比法计算样品中糖含量.
水解率＝(蔗渣量－水解残渣量)/蔗渣量×１００％
聚糖收率＝木寡糖与木聚糖量/蔗渣量×１００％
总糖收率＝总糖量/蔗渣量×１００％
２　结果与分析
２．１不同甲酸、乙酸比例条件对蔗渣有机酸水解的
影响
在不同甲酸、乙酸比例条件下,固液比１∶７,
１００℃水解６０min后,水解率、聚糖收率和总糖收
６０５ 广　西　植　物　　　 　　　　　　　　　　　　　　３４卷
率变化趋势如图１所示,从图１可以看出,随着甲酸
比例的增加,水解率、聚糖收率和总糖收率均有所提
高;当甲酸、乙酸比例达到７∶３以后,水解率和总糖
收率的增加幅度减小,增加的甲酸使半纤维素和木
质素水解溶出更为彻底,水解率和总糖收率缓慢增
加,当甲酸、乙酸比例在达到９∶１时达到最高;聚糖
收率的变化趋势不明显则是因为过多的甲酸作用于
低聚糖导致部分低聚木糖被水解的缘故.为获得高
质量的纸浆,应该尽可能使半纤维素、纤维素和木质
素三大组分分离,所以在不影响聚糖收率的前提下
选择甲酸:乙酸比例在９∶１进行水解.据文献报
道,甲酸是一种脱木素剂,在常压脱木素时速率很
慢,需添加过氧化氢或提高蒸煮温度(Young,et
al．,１９９８),乙酸可降低脱木素的温度和压力(RugＧ
giero,etal．,１９９８).选择适宜的甲酸、乙酸比例,在
一定温度、蒸煮时间条件下可选择性分离黑小麦的
纤维素、半纤维素和木素,获得的纸浆化学性能和机
械性能良好(Quoc,etal．,２００１).文献报道的根据
不同原料使用适当的甲酸、乙酸比例可以获得较好
的水解效果与本实验结果类似.
图１　甲酸、乙酸比例对蔗渣水解效果的影响
Fig．１　Efectoftheratioofformicacidand
aceticacidonthehydrolysisofbagasse
２．２不同温度条件对蔗渣有机酸水解的影响
蔗渣在不同温度条件下,固液比１∶７,甲酸:乙
酸比例为９∶１,水解６０min后,水解率、聚糖收率
和总糖收率变化趋势如图２所示,在７０~９０℃温度
范围内水解率和总糖收率随着温度的升高而急剧增
加;当温度达到９０℃之后,水解率和总糖得率增加
的幅度变缓;聚糖收率则在８０℃之后就增长变慢,
９０℃时达到最高值,之后聚糖收率开始下降.这说
明温度越高,木质素、半纤维素等越容易溶出,因而
图２　提取温度对蔗渣水解效果的影响
Fig．２　Efectoftheextractingtemperature
onthehydrolysisofbagasse
在相同的水解时间内,温度越高水解率和总糖收率
就越高;而温度达到８０℃后,随着温度的升高,部分
聚糖开始水解成单糖,９０℃之后,半纤维素基本水
解,聚糖水解增加.虽然增加温度可得到较高的水
解率,半纤维素水解为木聚糖后会进一步水解为木
糖单糖,要获得市场价值１０倍于木糖的低聚木糖,
需控制水解条件,尽可能使半纤维素水解停留在聚
糖阶段.因此本研究最适温度选择为９０℃.
２．３不同提取时间对蔗渣有机酸水解的影响
蔗渣在固液比１∶７,甲酸∶乙酸为９∶１,于９０
℃水解不同时间后的结果见图３,从图３中可看出,
水解率和总糖收率都随时间的延长而增加,６０min
以后增加幅度变缓;这说明水解３０min后,蔗渣中
大部分木素、半纤维素已溶出,聚糖收率则随时间增
加而持续下降,因此综合考虑木素和半纤维素能充
分溶出,又尽可能避免聚糖被水解为单糖,甲酸—乙
酸水解蔗渣制备低聚木糖时水解时间以６０min为
宜.在研究蔗渣甲酸法蒸煮过程中碳水化合物的降
解规律中发现,在１００℃,９０％甲酸蒸煮条件下,４０
min内半纤维素基本上被水解;前８０min内蒸煮液
中少量的己糖主要由半纤维素水解产生(TU,et
al．,２００８).
２．４不同固液比对蔗渣有机酸水解的影响
在不同固液比条件下,甲、乙酸的比例９∶１,温
度９０℃,水解６０min后,水解率、聚糖收率和总糖
收率变化趋势如图４所示,从图中可见,在不同固液
比条件下,无论是水解率、总糖收率,还是聚糖得率
增长变化都不显著,但聚糖收率存在下降趋势,说明
提取液过多时,聚糖会部分分解,造成低聚糖的损
７０５４期　　　　　　　　　陈海珊等:蔗渣制备低聚木糖的有机酸预处理条件研究
图３　提取时间对蔗渣水解效果的影响
Fig．３　Efectoftheextractingtime
onthehydrolysisofbagasse
图４　固液比对蔗渣水解效果的影响
Fig．４　EfectofthesolidＧliquidratio
onthehydrolysisofbagasse
失,而且固液比越高,稀释作用越明显,增加后续酸
的回收成本.因此,在不影响水解率、总糖收率和聚
糖收率,又不产生较低浓度水解液的条件下,甲酸—
乙酸水解蔗渣制备低聚木糖时水解固液比选择１∶
８较为适合.
２．５蔗渣有机酸水解正交试验
在单因素的实验基础上,以水解温度、时间、固
液比、甲、乙酸比例为变量因素,设计L９(３４)正交试
验,优化蔗渣有机酸水解制备低聚木糖工艺,因素水
平见表１.
本研究的主要目的是在分离木质纤维资源三大
成分的同时获得更多的木聚糖,因此设置三个影响
蔗渣水解因素,分别为水解率、总糖收率和聚糖得率
(表２).从三个指标单独分析出的优化条件可能不
一致,所以在确定各因素的优化水平组合时需要通
过两步进行:
表１　正交因素水平表
Table１　Orthogonalfactorleveltable
水平
Level
因素Factor
A温度
Temperature
(℃)
B时间
Time
(min)
C固液比
SolidＧ
liquidratio
D酸比例
(甲酸∶乙酸)
Acidratio
１ ８０ ３０ １∶９ ８∶２
２ ９０ ６０ １∶８ ９∶１
３ １００ ９０ １∶７ ７∶３
　　第一,根据表２中各指标不同水平平均值确定
各因素的优化水平组合,水解率(％):A３B３C３D３;总
糖收率(％):A３B３C３D２;聚糖收率(％):A２B２C１D２.
第二,根据各因素影响的主次,综合考虑,确定
最佳工艺条件.根据极差大小列出各指标下的因素
主次顺序:水解率(％):A＞B＞C＞D;总糖收率
(％):A＞B＞C＞D;聚糖收率(％):A＞B＞D＞C.
对于因素A(温度),其对水解率、总糖收率和聚糖收
率的影响都排在第一位,所以取A３;对于因素B(水
解时间),其对水解率、总糖收率和聚糖收率都排在
第二位,所以可选择B３或B２,但取B２时,水解率比
取B３时降低了３．９％,总糖收率降低了４．２％,而聚
糖收率提高了１２．４％,由于我们的目的是获取更多
木聚糖,所以取B２;对于因素C(固液比),其对水解
率和总糖收率的影响排在第三位,而对聚糖收率的
影响排在第四位,属于次要因素,所以选择C３;对于
因素D(酸比例),其对水解率和总糖收率的影响排
在第四位,但是对聚糖收率的影响却排在第三位,所
以选择D２.通过上述两步分析考虑,得出最优组合
应当为A３B２C３D２,即水解温度１００℃,水解时间６０
min,固液比１∶７,酸比例(甲酸∶乙酸)９∶１,在此
优化条件下,验证实验得到蔗渣水解的水解率为
４７．７８％,总糖收率２０．５７％,聚糖收率１１．８８％,证明
正交试验所得优化工艺是稳定的,具有可重复性,聚
糖收率也达到最高值.
３．２．２甘蔗渣有机酸水解液产物组成　甘蔗渣经有
机酸水解后,HPLC图谱结果显示(图５),产物主要
为木糖、木二糖、木三糖以及聚合度大于三的低聚
糖,还含有少量的阿拉伯糖,其中木糖占３６．７８％,木
二糖占１７．６９％,木三糖占１１．２３％,而更高聚合度聚
糖的比例则为２９．４２％.由此可知,在前述水解条件
下,甘蔗渣有机酸水解物除木糖(３６．７８％)外,以聚
糖形式存在的成分占５８．３４％.要获得商品低聚木
糖,还需以木聚糖酶将聚合度较高的聚糖水解成以
木二糖、木三糖为主要成分的低聚木糖.有机酸水
８０５ 广　西　植　物　　　 　　　　　　　　　　　　　　３４卷
表２　L９(３４)正交实验结果
Table２　ResultsoftheL９(３４)orthogonaltest
实验号
温度 (A)
Temperature
(℃)
时间 (B)
Time
(min)
固液比 (C)
SolidＧliquid
ratio
酸比例 (D)
Acidratio
甲酸∶乙酸
水解率
Hydrolysis
Rate(％)
总糖收率
Totalsugar
yield(％)
聚糖收率
Polysaccharide
Yield(％)
１ １(８０) １(３０) １(１:９) １(８:２) ３１．５４ １０．２５ １０．７９
２ １ ２(６０) ２(１:８) ２(９:１) ４０．２１ １９．８７ １１．０５
３ １ ３(９０) ３(１:７) ３(７:３) ４４．７７ ２０．９９ ８．６７
４ ２(９０) １ ２ ３ ４５．３５ ２１．１３ １０．９５
５ ２ ２ ３ １ ４６．６８ ２２．４７ １１．２８
６ ２ ３ １ ２ ４７．３４ ２３．０９ １０．８８
７ ３(１００) １ ３ ２ ４８．８４ ２５．３３ １０．３２
８ ３ ２ １ ３ ４９．１７ ２５．５６ ９．７８
９ ３ ３ ２ １ ４９．６９ ２６．４８ ９．０１
水解率
Hydrolysis
rate(％)
K１ １１６．５２ １２５．７３ １２８．０５ １２７．９１
K２ １３９．３７ １３６．０６ １３５．２５ １３６．３９
K３ １４７．７ １４１．８ １４０．２９ １３９．２９
k１ ３８．８４ ４１．９１ ４２．６８ ４２．６４
k２ ４６．４６ ４５．３５ ４５．０８ ４５．４６
k３ ４９．２３ ４７．２７ ４６．７６ ４６．４３
极差(R) １０．３９ ５．３６ ４．０８ ３．７９
总糖收率
Totalsugar
yield(％)
K１ ５１．１１ ５６．７１ ５８．９ ５９．２
K２ ６６．６９ ６７．９ ６７．４８ ６８．５２
K３ ７７．３７ ７０．５６ ６８．７９ ６７．６８
k１ １７．０４ １８．９ １９．６３ １９．７３
k２ ２２．２３ ２２．６３ ２２．４９ ２２．８４
k３ ２５．７９ ２３．５２ ２２．９３ ２２．５６
极差(R) ８．７５ ４．６２ ３．３ ３．１１
聚糖收率
Polysaccharide
yield(％)
K１ ３０．４９ ３２．０６ ３１．４５ ３０．０８
K２ ３３．１１ ３２．１１ ３１．０１ ３２．２５
K３ ２９．１１ ２８．５６ ３０．２７ ２９．４
k１ １０．１６ １０．６９ １０．４８ １０．０３
k２ １１．０４ １０．７ １０．３４ １０．７５
k３ ９．７ ９．５２ １０．０９ ９．８
极差(R) １．３４ １．１８ ０．３９ ０．９５
图５　蔗渣有机酸水解产物组成 HPLC分析结果
Fig．５　HPLCanalysisresultsoforganicacid
hydrolyzateproductofbagasse
解得到的木糖,可通过微生物转化为木糖醇,得到另
一高附加值产品.
３　结论
(１)通过单因素实验,以水解率、总糖收率和聚
糖收率为指标,初步确定蔗渣有机酸水解制备低聚
木糖的条件为酸比例(甲酸∶乙酸)为９∶１;温度９０
℃;水解时间为６０min;固液比为１∶８.(２)正交试
验得出蔗渣有机酸水解制备低聚木糖的最佳条件为
酸比例(甲酸∶乙酸)９∶１,水解温度１００℃,水解时
间６０min,固液比１∶７,在此条件下蔗渣的水解率
为４７．７８％,总糖收率２０．５７％,聚糖收率１１．８８％.
(３)蔗渣有机酸水解液中木糖含量为３６．７８％,木二
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