低聚木糖的功能及應(yīng)用研究進展

低聚木糖的功能及應(yīng)用研究進展

0低聚木糖的應(yīng)用低聚糖是近年來發(fā)展起來的一種高度抬起的功能低聚糖。根據(jù)一些研究，低聚糖可以提高人體有益菌雙殼菌的繁殖，并調(diào)節(jié)腸道循環(huán)等獨特的生理功能。低聚木糖是目前經(jīng)證實增殖雙歧桿菌功效最強、有效用量最少的功能性低聚糖，成年人每天服用0.7g即可見效。由于低聚木糖具有高效、安全、無毒、穩(wěn)定等優(yōu)點而倍受青睞，應(yīng)用前景廣闊。國外在低聚木糖的生產(chǎn)和研究方面日趨深入，目前世界上僅日本三得利公司實現(xiàn)了低聚木糖的工業(yè)化生產(chǎn)，產(chǎn)品(70%的糖漿)價格高達20萬元人民幣/t，而95%的固體粉末則價格高達63萬元人民幣/t。我國于1995年開始低聚木糖的研究工作，還處于起步階段。在低聚木糖生產(chǎn)中，產(chǎn)品的分離純化是一個重要的工序，其中脫色效果是影響產(chǎn)品質(zhì)量的一個關(guān)鍵因素。但產(chǎn)品的下游分離純化工作目前卻較少有人研究，以致目前的脫色方面普遍存在著脫色效率不高、低聚木糖損失較大等缺陷，嚴(yán)重制約了低聚木糖的工業(yè)化進程。1低聚木聚糖的化學(xué)結(jié)構(gòu)低聚木糖一般是以富含木聚糖(xylan)的植物(如玉米芯、蔗渣、棉籽殼、麥麩、樺木等)為原料，通過木聚糖酶的水解作用，然后分離精制而獲得。低聚木糖是2～7個木糖以β(1,4)糖苷鍵結(jié)合而成的低聚糖，是木糖的直鏈低聚糖，其中以木二糖和木三糖為主，其化學(xué)結(jié)構(gòu)見圖1。低聚木聚糖是一種膳食纖維，可使雙歧桿菌等有益菌群快速增殖，從而抑制有害菌生存；同時，因其不被口腔酶液分解，不能被齲齒的鏈球菌利用，因而具有防齲齒的功能。2低聚木糖的色素來源低聚木糖粗品的色素可能來自以下幾個方面：(1)玉米芯中存在的天然花色苷、含氮物質(zhì)和黃酮類色素；(2)低聚木糖生產(chǎn)過程中的成色反應(yīng)產(chǎn)生的色素，主要來自蒸煮過程；成色反應(yīng)包括：焦糖化反應(yīng)，生成焦糖色素；木糖等還原糖與玉米芯中氨基酸產(chǎn)生的美拉德反應(yīng)生成的類黑精色素；(3)木糖等還原糖的酸降解產(chǎn)物，產(chǎn)生于玉米芯的稀酸處理和蒸煮過程。2.1無砂混凝土面為6.78絮凝劑脫色具有工藝簡單、操作方便、處理效率高、費用低等優(yōu)點，廣泛用于水和廢水處理。目前常用的絮凝劑有3大類：一類是無機鹽類物質(zhì)，如鋁鹽，鐵鹽，及其聚合物；另一類是有機高分子類物質(zhì)，如聚丙烯酰氨及其衍生物；第三類是微生物絮凝劑，其選擇原則是用量少、絮凝效果好、對環(huán)境和人類無毒無害，且不會對體系造成污染等。絮凝體系的pH、金屬離子和溫度對脫色效果都有不同的影響。低聚木糖穩(wěn)定的pH范圍為3～8，經(jīng)測定在此范圍內(nèi)絮凝劑均有較好的脫色效果，其中以pH6.5脫色效果最好，達到73%。多價陽離子對脫色均有不同程度的促進作用，其中又以Al3+最好，色素脫除率達82%。溫度對脫色效果具有很大影響，隨溫度升高，水分子熱運動加快，使色素分子間碰撞機會增加，更有利于絮凝的形成。因此，溫度較高時，脫色效果也較好。通過對濃度為70%的低聚木糖漿進行脫色，比較不同絮凝劑的脫色效果可以發(fā)現(xiàn)，微生物絮凝劑的效果最好，當(dāng)其用量為20mg/L時，可脫除約67%的色素。優(yōu)化工藝條件后可脫除低聚木糖水解液中約86%的色素。利用絮凝劑與活性炭脫色相結(jié)合與單純活性炭脫色相比，活性炭用量降低了90%，低聚木糖損失減少了83.9%，產(chǎn)品中低聚木糖在總糖中的比例也有較大幅度的增加。2.2離子交換樹脂離子交換樹脂因具有離子交換和吸附雙重作用，能對物質(zhì)進行有效的分離和純化，因此在工業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用。在制糖生產(chǎn)過程中，離子交換樹脂在除去糖液中的各種雜質(zhì)，特別是吸附交換有色物質(zhì)和灰分方面顯示了其優(yōu)越的性能。低聚木糖生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的色素含有不飽和基團，-N=N-、-HC=CH-、-CH=N-等，這些色素在溶液中呈電離狀態(tài)，而且一般帶負(fù)電荷，因此可以采用陰離子交換樹脂將其吸附和交換除去。離子交換樹脂能有效的脫除鹽分，但對于有色物質(zhì)的保持能力是有限的。對陽離子交換樹脂、陰離子交換樹脂以及它們的混合物脫色的研究早有報道。通過色層分離法能同時去除有色物質(zhì)和鹽分。隨著吸附時間的增加，脫色率增加，但超過6h后脫色率的增加變得緩慢。一般來講，離子交換樹脂的吸附速度較活性炭慢。溫度對離子交換樹脂吸附性能的影響較大。當(dāng)溫度升高時，色素分子擴散速度加快，糖液的粘度下降，有利于色素的吸附。但陰離子交換樹脂上的氮原子很容易被氧化，特別是強堿陰離子交換樹脂，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經(jīng)被廣泛用來純化低聚木糖溶液?；钚蕴棵撋饕抢貌煌笮〉奶欠肿釉诨钚蕴可衔搅Φ牟町悾儆貌煌南疵摋l件從而達到脫色的目的。目前常用定向酶水解法降解植物半纖維素，再經(jīng)生化下游分離技術(shù)處理制得低聚木糖產(chǎn)品。該產(chǎn)品中含有少量的色素等雜質(zhì)，使產(chǎn)品成淡黃色液體或淺褐色固體，影響了低聚木糖的感官性能和品質(zhì)。有實驗研究了粉狀活性炭為吸附劑，對酶解低聚木糖的吸附規(guī)律。酶解低聚木糖液中的色素在活性炭上的吸附表現(xiàn)出典型的“Langmuir”型吸附等溫線特征，吸附等溫線如圖2所示。由“Langmuir”型吸附等溫線的特點可推測，酶解低聚木糖液中可被活性炭吸附的色素物質(zhì)可能是線性或平面分子，它們以長軸或平面平行于活性炭的表面而被單層吸附。當(dāng)活性炭的用量低于1.5g/L時，在溶液相中含量較少的木五糖和木四糖被優(yōu)先吸附，而木二糖和木糖幾乎不被吸附。隨著活性炭用量的增加，活性炭的吸附面積不斷增大，它對低聚木糖的吸附率也不斷上升，但對色素的吸附率明顯高于低聚木糖。在溶液中活性炭優(yōu)先吸附木五糖和木四糖。當(dāng)活性炭用量達到2.0g/L時，新增活性炭對木二糖和木糖表現(xiàn)出明顯的吸附作用，并且木二糖的吸附量高于木糖，與之相比，木三糖的吸附量隨活性炭用量的變化比較平緩，其變化趨勢介于它們之間。當(dāng)活性炭的用量增至2.5g/L，對初始還原糖濃度為16.0g/L的酶解低聚木糖液進行脫色，脫色率可達89.9%，對應(yīng)的低聚木糖吸附率為14.7%，繼續(xù)增加活性炭用量不能明顯提高對色素的吸附率，而低聚木糖的吸附率卻直線上升。這說明在低聚木糖液中含有少量不能被活性炭吸附的色素類物質(zhì)，活性炭對色素的吸附強于對低聚木糖的吸附。活性炭對于低聚木糖組分的吸附作用可能與這些組分分子的相對極性大小有關(guān)，或者與活性炭本身的孔隙分布有關(guān)，使活性炭更易于吸附色素、木五糖和木四糖等分子量較大的糖組分。2.4保險粉脫色工藝的確定二氧化硫是通過保險粉(連二亞硫酸鈉，Na2S2O4)在水中的分解來產(chǎn)生，并生成亞硫酸(H2SO3)，亞硫酸(二氧化硫)能與許多有機物的雙鍵發(fā)生加成反應(yīng)，發(fā)生了此反應(yīng)的有機物的吸收波長將降低，色澤變淺。亞硫酸和糖漿中兩類有色物質(zhì)反應(yīng)：一類是含有共軛雙鍵的色素，另一類是還原糖與氨基酸反應(yīng)生成的類黑精。影響保險粉對低聚木糖脫色效果的因素有：保險粉的加入量、pH、溫度和時間。糖漿的脫色率隨保險粉的加入量而增加，當(dāng)加入量達到0.6%(對固形物)時，脫色率達到28%，當(dāng)添加量達到0.9%以后，脫色率隨添加量的增加比較緩慢。pH對硫漂脫色效果影響較大，在pH較低時，亞硫酸的結(jié)合率較高，脫色效果比較好。隨著溫度的升高，脫色率先增加后降低，這是因為溫度的升高使SO2在水中的溶解度變小，從而減少了反應(yīng)體系中的SO2量。保險粉脫色的優(yōu)化條件為：保險粉用量0.6%、溫度70～80℃、時間為20min，在該條件下，脫色率為43%。但是，H2SO3與有機物的加成反應(yīng)通常是可逆的，它們的結(jié)合物能分解為原來的物質(zhì)，特別是在有氧或其它氧化劑存在時，反應(yīng)會更多的向分解方向進行，這樣被脫色的物質(zhì)會重新呈現(xiàn)顏色，使產(chǎn)品色澤不穩(wěn)定，經(jīng)過離子交換樹脂以后，產(chǎn)品的色澤就比較穩(wěn)定。因此，硫漂脫色后，有必要再進行離子交換樹脂脫色。2.5不同濃度的聚木糖溶液對caoh2的吸附率新生磷酸鈣主要用于脫去酶法制取的低聚木糖液中的色素，這些色素通常為淺黃色至淺褐色。新生磷酸鈣是在充分?jǐn)嚢柘录尤隒a(OH)2，混合均勻后再緩慢滴加H3PO4來產(chǎn)生。在利用新生磷酸鈣對酶解低聚木糖液進行脫色時，為了提高精制過程中低聚木糖的相對得率，減少Ca(OH)2對H3PO4的消耗量，在保證脫色率的前提下，應(yīng)該選擇在較高的糖濃度下進行。實驗表明，新生磷酸鈣對低聚木糖的吸附率隨氫氧化鈣用量呈直線上升的趨勢，在Ca(OH)2用量低于5.0g/L范圍內(nèi)，色素吸附率的增長明顯高于對低聚木糖的吸附增長率，當(dāng)Ca(OH)2的用量達到5.0g/L時，脫色率可達87.1%。繼續(xù)增加Ca(OH)2用量，難以大幅度提高脫色率，而低聚木糖的損失率卻大幅度上升。新生磷酸鈣對色素的等溫吸附屬于Langmuir型，這說明色素物質(zhì)比溶劑水更容易被磷酸鈣吸附，并且為單分子層吸附。3微生物絮凝脫色安全由以上幾種脫色技術(shù)：活性炭是最常用的吸附介質(zhì)，具有吸附力強、分離效果好、價廉易得等優(yōu)點，但同時低聚木糖的損失率也較大；二氧化硫脫色，不僅脫色后產(chǎn)品色澤不穩(wěn)定，而且脫色效率也較低；微生物絮凝脫色安全無毒，不會造成二次污染，而且可以脫去低聚木糖液中86%的色素，較為理想，如果再輔以活性炭脫色，則不僅可以大大降低低聚木糖的損失，而且可以提高低聚木糖的脫色效率；單純用陰離子交換樹脂脫色，脫色率最高也只能達到68.8%，且糖分損失較多，如果用陰離子和陽離子交換樹脂的組合，脫色效率最高可達95.3%，但這時糖的損失也非常大；新生磷酸鈣脫色率可達87.1%，低聚木糖的損失率為10%，也是一種較好的脫色技術(shù)。4日本同類產(chǎn)品的性能離子交換樹脂在制糖工業(yè)中越來越廣泛地應(yīng)用于糖的脫色精制，由于比傳統(tǒng)的活性炭效果更好并且更經(jīng)濟合算，陰離子樹脂作為脫色劑已被廣泛的采用。而采用微生物絮凝脫色不僅效率較高，對人體和環(huán)境無毒無害，也不會對體系產(chǎn)生污染，再輔以活