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自动水解木质纤维素生产低聚木糖 摘要：含木聚糖原材料（桉木，玉米棒子，稻壳和大麦壳）的组成成分已经确定。并且这些成分用文献报道的动力学模式在最佳条件下与水反应（自动水解反应）可生成低聚木糖（SXO）。水解产物（由低聚木糖、其他糖低聚物、单糖类、低聚物的乙酰基和糖醛酸取代物、乙酸、糠醛、福林 - 丹尼斯酚类和其他化合物）已被确定。这些水解产物用于生成食品添加剂是否合适处于争论之中。引言把低聚木糖用于功能性食品添加剂是基于它有益于身体健康，包括对宽范围内的p和温度稳定、双歧杆菌选择性代谢、挥发性脂肪酸代谢量增加、选择性降低胃溃疡病变(Dohnalek,Ostrom, & Hilty, 1998; Jaskari, Kontula et al., 1998;Okazaki, Fujikawa, & Matsumoto, 1990; Okazaki,Koda, Izumi, Fujikawa, & Matsumoto, 1991)。低聚木糖取代物（SXO）可以从以木糖取代物为主要半纤维素的木质纤维素中得到。低聚木糖是由含有各种各样附加基团（包括阿拉伯糖、乙酰基团和糖醛酸）的木糖的聚合物。取代基的类型和数量取决于木质纤维素原料。正因为如此， 了解一个给定原料的成分对评估SXO的生产潜力是至关重要的。 目前已经提出几种用合适的原料生产SXO的方法，其中包括直接酶法提取，半纤维素分离物酶解水解后化学分馏，用无机酸的稀溶液将木聚糖水解降解成木糖(Va zquez,Alonso, Dominguez, & Parajo, 2001)。本文采用水解处理。自行水解在温和的操作条件进行，这样允许木聚糖骨架的选择性解聚，以保证SXO为主要产物。同时，反应介质中还有其它副产物（包括提取和副反应产生的单糖，糖的分解产物和木质素降解产物）这项工作解决了四种含木聚糖的木质纤维素原材料的分析特性，以及它们的水解过程及水解产物的分析特性。这些信息在指定原材料和反应技术是否适合生产食品级的低聚木糖上提供的宝贵的评估价值。原料和方法原材料和分析表征含有木聚糖的木质纤维素材料样品（桉木，玉米棒子，大麦壳和稻壳），风干，必要时碾磨，使均匀分布以避免试样中成分的差异，储存。对试样水分含量进行测定（105干燥恒重）和定量酸水解后用标准方法来测量自己的内容半纤维素多糖、取代基团、纤维素、糖醛酸和灰烬 (Garrote,Dominguez, & Parajo, 1999)和蛋白质 (Kjeldahlmethod, protein=6.25.N)的含量。原料水解和水解产物各种原料的样品悬浮在水中，并且在优化的操作条件下在不锈钢反应器中(ParrInstruments Company, Moline, IL, USA)进行处理（见下）。处理后的固体残渣过滤回收，水洗风干，水分测定以确定溶解量。对水解介质中的酒类样品进行分析来了解糖醛酸、单糖（葡萄糖，木糖和阿拉伯糖）、糖低聚物、糠醛、羟甲基糠醛和乙酸，这些都有报道(Garrote, Dominguez, & Parajo , 1999)。此外，对福林 - 丹尼斯酚类也进行了测定。其方法是福林 - 丹尼斯试剂与样品反应后测定760nm处的吸光度。根据数据，从标准校正曲线上可以计算得到绿原酸的福林 - 丹尼斯当量浓度。结果与讨论原料的化学组成详细了解原料组成对计算SXO的理论产量是必要的，成分含量对其他方面也很重要：例如，足量的酸性半纤维素取代基（如乙酰基和/或糖醛基团）控制着基质反应。高比例的酸性取代基团能增加水解媒介中水合氢离子的浓度。这有利于半纤维素多糖在相对温和的操作条件下的水解降解。木质纤维素原料由结构化和非结构化成分组成。结构化成分包括纤维素（本文中作为总葡萄糖聚合物测定），半纤维素（根据木聚糖、阿拉伯糖、乙酰基团和糖醛取代基进行测定）和克拉森木质素（根据定量酸水解的不溶残渣计算）。 在本文的实验条件下纤维素在热溶液中应该不会改性,即使总葡聚糖中含有小部分的易水解的葡萄糖聚合物，这些葡萄糖聚合物会产生葡萄糖或葡萄糖低聚物（见下文）。根据表1显示的成分含量数据，桉木这一典型的制浆原料是被分析原料中葡聚糖含量最高的（46.6，W），而玉米芯和稻壳含量相近（34.4和36.7）基于这些结果，实现这些原材料的综合利用是非常有可能的，相反，大麦壳的葡聚糖含量（21.4）对实现它们的综合利用是不利的。各种半纤维素成分的种类和比例显示的变化范围（见表1）。在第一种方法中，玉米芯和大麦壳的桉木和稻壳分别为16.6% 和15.6%，比较高的木聚糖含量分别为31.3%和26.8%。树胶醛糖木聚糖骨干（在这项工作中简称“araban”）单位很容易受到热液退化，并可产生不受欢迎的反应副产品糠醛。Araban占大麦壳的重量为5.74，在桉木的情况下为0.54。考虑其他原料的中间值确定，桉木中乙酰基（3.54）和糖醛酸（5.13）的含量最高，如果自动水解反应在比较温和的条件下下进行，由于存在离子，离子源，和由此产生的低聚糖可能有多种增强结构。从这点来看，玉米（3.08乙酰基和3.36的糖醛酸）比较有利，而稻壳和大麦壳（乙酰基和糖醛比例低）则比较糟糕。Klason木质素的相当一部分的原料（玉米的18.8上升到22.9桉木），这个数值在这项研究中的重要性不大。为了收集数据为原料的总结性分析，其他原料组件（蛋白质和灰分）已经确定（见表1）。而蛋白质不发挥显著作用，在自动水解中，灰分可能会被中和，在这过程中有一个缺点，因为中和会增加介质的pH值，如果在较高的温度下将会引起所需的水解效果。正如所料，灰分是大米和大麦壳的重要的组成部分情况下，就必须考虑这些材料的采样是直接在气力输送过程中从谷物中分离。表1中，报告的数据“其他”表示包括非分析提取物或酸溶木质素等研究中的差额计算报告的数据。表1：由自动水解产生的血清黄嘌呤氧化酶自动水解使用水和木质纤维原料作为试剂，造成水解的半纤维素解聚和离开，留下纤维素和木质素这两种未降解聚合物。 自动水解反应产品的适用和食品配料生产是由多种因素造成的，包括取代基的类型，数量和分布，血清黄嘌呤氧化酶生物活动的产生。这些因素取决于原始的使用材料和自动水解的条件（KABEL，Carvalheiro，2002）。 在这项工作中需要考虑到原料的半纤维素部分水解（Garrote, Dominguez, & Parajo , 2002; Garrote & Parajo , 2002; Vila, Garrote, Dominguez, & Parajo , 2002）。图1总结了反应途径的原则：木聚糖是由快速反应和慢反应共同分解成超高分子量低聚木糖。当水解所得，超高分子量低聚木糖在随后的反应中被转换成低分子量低聚物：木糖，糠醛。对于一些原料，糠醛可直接生产低分子量低聚木糖，是可降解产物。假设一阶动力学的Arrhenius模型对温度的依赖性，需要一个给定的水到基板的比例来计算浓度分布的参数重量。快速反应的木聚糖的反应机制所涉及的几个动力学系数和指前因子相对应的活化能量（见图1）。表2中提供此信息是为了明确在这项研究中采用的各种原材料。在非等温处理过程中，可以用动力学方程解决在一个给定的暖气配置时间（或温度）不同浓度的依赖（见Garrote & Parajo , 2002）。图2a显示自动水解治疗，图确定的温度分布。 2b显示低聚木糖的产量（不取代）在这项研究中采用的各种原材料预测。表2：图1。自动水解低聚木糖退化的途径。低聚木糖产量的最大化实在自动水解操作条件下进行的。通过物料平衡计算在溶解固体的数值。用有限的半纤维素含量和溶解固体的比例最低（24.0）含量高的纤维素和木质素（另一类是所考虑的条件下）。相比之下，37.1的玉米和大麦壳和42.4，48.3的稻壳在被溶解下含量最高。图3a 自动水解产品，包括单糖，多糖，乙酰基产生的乙酸，糠醛从戊糖脱水，血清黄嘌呤氧化酶和其他反应产物。“其他反应产物”的部分，包括食品级血清黄嘌呤氧化酶在水热反应产生的非理想的副产品（杂质）。蓝桉木和玉米的杂质（分别为重量的4.1和6.5）的比例最低，表明血清黄嘌呤氧化酶会比大麦外皮（12.9杂质）和稻壳的情况下更容易（24.1杂质）进一步净化。为了得到这个值，福林 - 丹尼斯使用活性化合物的分光光度法测定关于一个标准的绿原酸的酚含量的进一步信息。绿原酸的化合物在自动水解后的产物占大麦壳重量2.16，1.7的玉米芯，稻壳的1.6和1.3的桉木。由于从生物质水解酒的乙酸乙酯提取物的抗氧化和抗菌活动已报道 (Cruz, Dominguez, Dominguez, & Parajo , 2001)，自动水解酒类溶剂萃取化合物的数量被确定为他们的原材料。乙酸乙酯水溶性化合物的含量最高，被确定的有稻壳（0.98），而玉米芯和大麦壳提出了类似的信息（分别为0.90和0.86），比例最低的是桉木（0.75）。血清黄嘌呤氧化酶自动水解产量为经济评价的重要参数。自动水解获得最高血清黄嘌呤氧化酶产量的是大麦外皮（27.1）和玉米芯（24.8），18.0和15.4稻壳和桉木。图2所示的模型预测。自动水解相比于碱性技术的优势之一在于它能够保存的部分功能组别（例如乙酰基，其中部分是在酸性介质中水解，但在高pH值完全皂化）。正因为如此，在多个变量的聚合度和丰富的替代模式的反应产物的自动水解结果。水热法生产血清黄嘌呤氧化酶的复杂性和结构变异在文学作品中的已得到强调，并详细研究他们的分析表征(Kabel et al., 2002; Kabel, Schols, & Voragen, 2002)和发酵性(Kabel, Kortenoeven et al., 2002)。木糖单位占血清黄嘌呤氧化酶从蓝桉，玉米芯和大麦壳的重量为75.5-77.5，在稻壳的情况下（66.7）比例较低（其中比例最高的是葡萄糖）。考虑到可能的生物效应，糖醛和乙酰取代的存在使得桉木血清黄嘌呤氧化酶专门为吸引潜在的食品配料。 图3。 （a）自动水解疗法中获得的产品的产量;（b）血清黄嘌呤氧化酶组成。图2。 （a）在自动水解实验的温度分布。（b）浓度分布计算为低聚木糖为原料的自动水解处理。结论选择含有化学成分测定的自动水解血清黄嘌呤氧化酶木聚糖为原料（蓝桉木，玉米芯，稻壳和大麦壳）已经在生产中使用。他们中血清黄嘌呤氧化酶的浓度被确定为大麦外皮（27.1）和玉米芯（24.8），稻壳的18.0和桉木的15.4。然而，在自动水解过程中桉木也是一个有趣的原料，由于共同利用一个纤维素和半纤维素衍生产品，在自动水解和血清黄嘌呤氧化酶复杂的替代模式作用下，产生的非预期的副产品的可能性相对较低。其他分数自动水解介质例如，提取木质素衍生化合物，也可以应用于与食品相关的其他领域。参考文献Cruz, J. M., Dominguez, J. M., Dominguez, H., & Parajo, J.C.(2001).Antioxidant and antimicrobial eects of extracts from hydro-lysates of lignocellulosic materials. Journal of Agricultural andFood Chemistry, 49, 24592464.Dohnalek, M.I.H., Ostrom, K.M.& Hilty, M.D.(1998).Use ofindigestible oligosaccharides to prevent gastrointestinal infec-tions and reduce duration of diarrhea in humans.US Patent5827526.Garrote, O., Dominguez, H., & Parajo, J.C.(2002).Autohydrolysisof corncob: study of non-isothermal operation for xylooligo-saccharide production. Journal of Food Engineering, 52, 211218.Garrote, G., Dominguez, H., & Parajo, J.C.(1999).Mild auto-hydrolysis: an environmentally friendly technology for xylooli-gosaccharide production from wood. Journal of ChemicalTechnology and Biotechnology, 74, 11011109.Garrote, G., & Parajo, J.C.(2002).Non-isothermal autohydrolysis ofEucalyptus wood. 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