低聚木糖的功能及应用研究进展

低聚木糖的功能及应用研究进展

0低聚木糖的应用低聚糖是近年来发展起来的一种高度抬起的功能低聚糖。根据一些研究，低聚糖可以提高人体有益菌双壳菌的繁殖，并调节肠道循环等独特的生理功能。低聚木糖是目前经证实增殖双歧杆菌功效最强、有效用量最少的功能性低聚糖，成年人每天服用0.7g即可见效。由于低聚木糖具有高效、安全、无毒、稳定等优点而倍受青睐，应用前景广阔。国外在低聚木糖的生产和研究方面日趋深入，目前世界上仅日本三得利公司实现了低聚木糖的工业化生产，产品(70%的糖浆)价格高达20万元人民币/t，而95%的固体粉末则价格高达63万元人民币/t。我国于1995年开始低聚木糖的研究工作，还处于起步阶段。在低聚木糖生产中，产品的分离纯化是一个重要的工序，其中脱色效果是影响产品质量的一个关键因素。但产品的下游分离纯化工作目前却较少有人研究，以致目前的脱色方面普遍存在着脱色效率不高、低聚木糖损失较大等缺陷，严重制约了低聚木糖的工业化进程。1低聚木聚糖的化学结构低聚木糖一般是以富含木聚糖(xylan)的植物(如玉米芯、蔗渣、棉籽壳、麦麸、桦木等)为原料，通过木聚糖酶的水解作用，然后分离精制而获得。低聚木糖是2～7个木糖以β(1,4)糖苷键结合而成的低聚糖，是木糖的直链低聚糖，其中以木二糖和木三糖为主，其化学结构见图1。低聚木聚糖是一种膳食纤维，可使双歧杆菌等有益菌群快速增殖，从而抑制有害菌生存；同时，因其不被口腔酶液分解，不能被龋齿的链球菌利用，因而具有防龋齿的功能。2低聚木糖的色素来源低聚木糖粗品的色素可能来自以下几个方面：(1)玉米芯中存在的天然花色苷、含氮物质和黄酮类色素；(2)低聚木糖生产过程中的成色反应产生的色素，主要来自蒸煮过程；成色反应包括：焦糖化反应，生成焦糖色素；木糖等还原糖与玉米芯中氨基酸产生的美拉德反应生成的类黑精色素；(3)木糖等还原糖的酸降解产物，产生于玉米芯的稀酸处理和蒸煮过程。2.1无砂混凝土面为6.78絮凝剂脱色具有工艺简单、操作方便、处理效率高、费用低等优点，广泛用于水和废水处理。目前常用的絮凝剂有3大类：一类是无机盐类物质，如铝盐，铁盐，及其聚合物；另一类是有机高分子类物质，如聚丙烯酰氨及其衍生物；第三类是微生物絮凝剂，其选择原则是用量少、絮凝效果好、对环境和人类无毒无害，且不会对体系造成污染等。絮凝体系的pH、金属离子和温度对脱色效果都有不同的影响。低聚木糖稳定的pH范围为3～8，经测定在此范围内絮凝剂均有较好的脱色效果，其中以pH6.5脱色效果最好，达到73%。多价阳离子对脱色均有不同程度的促进作用，其中又以Al3+最好，色素脱除率达82%。温度对脱色效果具有很大影响，随温度升高，水分子热运动加快，使色素分子间碰撞机会增加，更有利于絮凝的形成。因此，温度较高时，脱色效果也较好。通过对浓度为70%的低聚木糖浆进行脱色，比较不同絮凝剂的脱色效果可以发现，微生物絮凝剂的效果最好，当其用量为20mg/L时，可脱除约67%的色素。优化工艺条件后可脱除低聚木糖水解液中约86%的色素。利用絮凝剂与活性炭脱色相结合与单纯活性炭脱色相比，活性炭用量降低了90%，低聚木糖损失减少了83.9%，产品中低聚木糖在总糖中的比例也有较大幅度的增加。2.2离子交换树脂离子交换树脂因具有离子交换和吸附双重作用，能对物质进行有效的分离和纯化，因此在工业生产中得到了广泛的应用。在制糖生产过程中，离子交换树脂在除去糖液中的各种杂质，特别是吸附交换有色物质和灰分方面显示了其优越的性能。低聚木糖生产过程中产生的色素含有不饱和基团，-N=N-、-HC=CH-、-CH=N-等，这些色素在溶液中呈电离状态，而且一般带负电荷，因此可以采用阴离子交换树脂将其吸附和交换除去。离子交换树脂能有效的脱除盐分，但对于有色物质的保持能力是有限的。对阳离子交换树脂、阴离子交换树脂以及它们的混合物脱色的研究早有报道。通过色层分离法能同时去除有色物质和盐分。随着吸附时间的增加，脱色率增加，但超过6h后脱色率的增加变得缓慢。一般来讲，离子交换树脂的吸附速度较活性炭慢。温度对离子交换树脂吸附性能的影响较大。当温度升高时，色素分子扩散速度加快，糖液的粘度下降，有利于色素的吸附。但阴离子交换树脂上的氮原子很容易被氧化，特别是强碱阴离子交换树脂，其耐氧化性能很差，不宜在60℃以上使用。2.3活性炭吸附法吸附已经被广泛用来纯化低聚木糖溶液。活性炭脱色主要是利用不同大小的糖分子在活性炭上吸附力的差异，再用不同的洗脱条件从而达到脱色的目的。目前常用定向酶水解法降解植物半纤维素，再经生化下游分离技术处理制得低聚木糖产品。该产品中含有少量的色素等杂质，使产品成淡黄色液体或浅褐色固体，影响了低聚木糖的感官性能和品质。有实验研究了粉状活性炭为吸附剂，对酶解低聚木糖的吸附规律。酶解低聚木糖液中的色素在活性炭上的吸附表现出典型的“Langmuir”型吸附等温线特征，吸附等温线如图2所示。由“Langmuir”型吸附等温线的特点可推测，酶解低聚木糖液中可被活性炭吸附的色素物质可能是线性或平面分子，它们以长轴或平面平行于活性炭的表面而被单层吸附。当活性炭的用量低于1.5g/L时，在溶液相中含量较少的木五糖和木四糖被优先吸附，而木二糖和木糖几乎不被吸附。随着活性炭用量的增加，活性炭的吸附面积不断增大，它对低聚木糖的吸附率也不断上升，但对色素的吸附率明显高于低聚木糖。在溶液中活性炭优先吸附木五糖和木四糖。当活性炭用量达到2.0g/L时，新增活性炭对木二糖和木糖表现出明显的吸附作用，并且木二糖的吸附量高于木糖，与之相比，木三糖的吸附量随活性炭用量的变化比较平缓，其变化趋势介于它们之间。当活性炭的用量增至2.5g/L，对初始还原糖浓度为16.0g/L的酶解低聚木糖液进行脱色，脱色率可达89.9%，对应的低聚木糖吸附率为14.7%，继续增加活性炭用量不能明显提高对色素的吸附率，而低聚木糖的吸附率却直线上升。这说明在低聚木糖液中含有少量不能被活性炭吸附的色素类物质，活性炭对色素的吸附强于对低聚木糖的吸附。活性炭对于低聚木糖组分的吸附作用可能与这些组分分子的相对极性大小有关，或者与活性炭本身的孔隙分布有关，使活性炭更易于吸附色素、木五糖和木四糖等分子量较大的糖组分。2.4保险粉脱色工艺的确定二氧化硫是通过保险粉(连二亚硫酸钠，Na2S2O4)在水中的分解来产生，并生成亚硫酸(H2SO3)，亚硫酸(二氧化硫)能与许多有机物的双键发生加成反应，发生了此反应的有机物的吸收波长将降低，色泽变浅。亚硫酸和糖浆中两类有色物质反应：一类是含有共轭双键的色素，另一类是还原糖与氨基酸反应生成的类黑精。影响保险粉对低聚木糖脱色效果的因素有：保险粉的加入量、pH、温度和时间。糖浆的脱色率随保险粉的加入量而增加，当加入量达到0.6%(对固形物)时，脱色率达到28%，当添加量达到0.9%以后，脱色率随添加量的增加比较缓慢。pH对硫漂脱色效果影响较大，在pH较低时，亚硫酸的结合率较高，脱色效果比较好。随着温度的升高，脱色率先增加后降低，这是因为温度的升高使SO2在水中的溶解度变小，从而减少了反应体系中的SO2量。保险粉脱色的优化条件为：保险粉用量0.6%、温度70～80℃、时间为20min，在该条件下，脱色率为43%。但是，H2SO3与有机物的加成反应通常是可逆的，它们的结合物能分解为原来的物质，特别是在有氧或其它氧化剂存在时，反应会更多的向分解方向进行，这样被脱色的物质会重新呈现颜色，使产品色泽不稳定，经过离子交换树脂以后，产品的色泽就比较稳定。因此，硫漂脱色后，有必要再进行离子交换树脂脱色。2.5不同浓度的聚木糖溶液对caoh2的吸附率新生磷酸钙主要用于脱去酶法制取的低聚木糖液中的色素，这些色素通常为浅黄色至浅褐色。新生磷酸钙是在充分搅拌下加入Ca(OH)2，混合均匀后再缓慢滴加H3PO4来产生。在利用新生磷酸钙对酶解低聚木糖液进行脱色时，为了提高精制过程中低聚木糖的相对得率，减少Ca(OH)2对H3PO4的消耗量，在保证脱色率的前提下，应该选择在较高的糖浓度下进行。实验表明，新生磷酸钙对低聚木糖的吸附率随氢氧化钙用量呈直线上升的趋势，在Ca(OH)2用量低于5.0g/L范围内，色素吸附率的增长明显高于对低聚木糖的吸附增长率，当Ca(OH)2的用量达到5.0g/L时，脱色率可达87.1%。继续增加Ca(OH)2用量，难以大幅度提高脱色率，而低聚木糖的损失率却大幅度上升。新生磷酸钙对色素的等温吸附属于Langmuir型，这说明色素物质比溶剂水更容易被磷酸钙吸附，并且为单分子层吸附。3微生物絮凝脱色安全由以上几种脱色技术：活性炭是最常用的吸附介质，具有吸附力强、分离效果好、价廉易得等优点，但同时低聚木糖的损失率也较大；二氧化硫脱色，不仅脱色后产品色泽不稳定，而且脱色效率也较低；微生物絮凝脱色安全无毒，不会造成二次污染，而且可以脱去低聚木糖液中86%的色素，较为理想，如果再辅以活性炭脱色，则不仅可以大大降低低聚木糖的损失，而且可以提高低聚木糖的脱色效率；单纯用阴离子交换树脂脱色，脱色率最高也只能达到68.8%，且糖分损失较多，如果用阴离子和阳离子交换树脂的组合，脱色效率最高可达95.3%，但这时糖的损失也非常大；新生磷酸钙脱色率可达87.1%，低聚木糖的损失率为10%，也是一种较好的脱色技术。4日本同类产品的性能离子交换树脂在制糖工业中越来越广泛地应用于糖的脱色精制，由于比传统的活性炭效果更好并且更经济合算，阴离子树脂作为脱色剂已被广泛的采用。而采用微生物絮凝脱色不仅效率较高，对人体和环境无毒无害，也不会对体系产生污染，再辅以活