王飞  胡国华

    我国是一个农业大国，具有十分丰富的农业资源, 其中作物秸秆年产量达6亿t左右。然而目前秸秆的应用主要集中在传统用途，如作为食草动物的饲料、柴禾、造纸的原料和肥田等，无更有效的开发利用。而农村传统的做法是将秸秆大量焚烧，产生大量温室气体，破坏了生态平衡，造成土壤衰竭，促成农业上的恶性循环，也污染了环境，是火灾的隐患，并且秸秆燃烧利用率极低 (在10％以下) ，浪费很大。如何高效合理利用这些宝贵的秸秆资源，xxx类资源、环境和发展之间的关系，走可持续发展的道路，是我国农业、工业和生物科学领域里的重大课题，也是我国农业生产中有待解决的重要问题。本文根据我们研究所的研究情况综述了从秸秆中制备分离低聚木糖、半纤维素、木糖醇等的研究进展。

1、秸秆的成分组成特点

    。不同种类作物秸秆的营养价值有很大的差异性。稻草秸秆的粗蛋白、中性洗涤纤维、木质素和干物质消化率分别为5．1％，61. 9％，4.6％和55.4％；而麦秸则分别为：4.1％，73.0％，8.4％和47.3％；玉米秸分别为9.8％，70.4％，4.9％和49.1％。由于大部分的秸秆的主要成分是纤维素、半纤维素、木质素，其中半纤维素容易被降解成单糖，以木糖为主，还含有少量的阿拉伯糖、甘露糖和半乳糖, 可以将其分解，从而分离出多种物质。对于大多数的秸秆，根据其化学组成和营养成分的不同特点，除挖掘其作为燃料和有机肥的潜力外，利用其纤维素的含量高的特点，将其加工成膳食纤维类食品，与现代社会的营养概念相符合，从中生产半纤维素、木糖醇、酒精等工业食品原料也是较好的选择，从而可以为食品工业提供更多的选择空间。目前秸秆预处理的方法主要有酸碱法、蒸汽爆破法与湿氧化法，也有采用微波和碱处理结合的预处理方法。

2.从秸秆中制备食品配料

2.1 从秸秆中分离制备半纤维素

   秸秆属于木质纤维素类物质。木质纤维素是指自然界生长的、未经任何处理的植物的叶、秆、茎等材料，它的主要成分包括纤维素、半纤维素、木质素3种物质，其中半纤维素和纤维素约占干重的2／3。半纤维素是戊糖、己糖和糖酸所组成的不均一聚糖，为非结晶异质多糖，半纤维素分子量相对较低，往往带有支链。由于半纤维素结构及组成的混杂性，且聚合度较低，因而降解比纤维素容易得多，采用热或酸解即可使半纤维素降解为单糖或寡糖，在半纤维素的水解产物中D-木糖约占90％。

   孙润仓等用0.1M的溶液在45℃的条件下处理大麦秸秆，分别用3.0% H₂O₂ 及10% KOH–1% Na₂B₄O₇·10H₂O 处理后对比得到的半纤维素产率，在得到的半纤维素中，单糖组成木糖，葡萄糖，和阿拉伯糖的含量分别占44.2%、15.7%和15.2%。肖斌等用玉米茎、黑麦秸秆和稻草做了对比实验，将三种材料放在1M NaOH 30℃的条件下水解18小时，分别制备出的半纤维素的得率为72.1%、72.6%和84.6%。赵律等对稀硫酸催化水解稻草秸秆半纤维素进行了研究。考察了固液比、稀硫酸质量分数、反应温度、反应时间对半纤维素水解的影响。采用正交实验法，以总还原糖含量为考察指标，对实验结果进行直观和方差分析，探讨稀硫酸催化水解半纤维素的{zy}反应条件。结果表明，稀硫酸催化水解稻草秸秆半纤维素以固液比（质量体积比）1：10、稀硫酸质量分数25％、反应温度95℃、反应3h为{zy}条件，在此条件下，10g稻草秸秆粉末水解得到总还原糖2.704g，总还原糖收率达94.9％。金显春等研究了降解稻草秸秆的菌株的分离筛选方法，提出了一种新的筛选方案，即筛选能直接降解稻草秸秆的菌株。以稻草粉琼脂平板进行初筛，以NaOH处理过的稻草粉为发酵培养基进行复筛，得到对稻草降解较为xx的一株菌株。研究表明，该菌株对纤维素、半纤维素及稻草的降解率分别达72％，93％及84％。江滔等通过对玉米秸秆的研究分析认为，在试验条件下玉米秸秆的水解主要以半纤维素为主,随着温度、稀酸浓度和水解时间的增加,纤维素的水解逐渐增强。当水解温度超过100℃后,水解得糖率迅速增加,超过110℃纤维素开始水解;玉米秸秆的水解在前40min就基本完成,过长的水解时间对水解效率的提高意义不大;水解的酸浓度应控制在1.5%左右;玉米秸秆在低固含物的条件下,水解效率相对较高。根据实验分析,{zj0}水解条件为：温度125℃、时间80min、稀酸浓度1.5%、固形物含量7.5%,在该条件下水解还原糖得率为32.71%。

2.2 从秸秆中分离制备低聚木糖

   低聚木糖是由2-7个木糖分子以β-1,4糖苷键结合而成的功能性聚合糖,与通常人们所用的大豆低聚糖、低聚果糖、低聚异麦芽糖等相比具有独特的优势，它可以选择性地促进肠道双歧杆菌的增殖活性。低聚木糖是聚合糖类中增殖双歧杆菌功能最强的品种之一，它的功效性是其他聚合糖类的近20倍，人体胃肠道内没有水解低聚木糖的酶，所以其可直接进入大肠内优先为双歧杆菌所利用，促进双歧杆菌增殖同时产生多种有机酸。降低肠道pH值，抑制有害菌生长，使益生菌在肠道大量增殖。

   对于秸秆水解分离低聚木糖，Debora等分别用玉米芯、橄榄仁、稻壳、小麦秸秆、大麦秸秆进行了水解实验，将原料在179°C的条件下水解23min，在玉米芯和杏仁壳中得到了含低聚木糖较高含量的制备品。Debora 等还针对杏仁壳中水解得到的低聚木糖采用了超滤的方法进行纯化，测得的该低聚木糖的摩尔质量分布较广，约从0.1K Da到70K Da的葡萄糖当量不等。Patrícia等用微生物发酵的方法从玉米芯中的水解液中得到低聚木糖，采用双歧杆菌和如乳酸菌菌株在3.75天的时间得到了{zd0}产量。Ines Maalej-Achouri等则从土壤样品中分离出黄蓝状嗜热菌株，完成单一菌株纯化，该方法固定了98.8%和99.2%木聚糖酶的活性回收率，利用该菌从小麦秸秆的半纤维素水解液中得低聚木糖，实验固化的β-木糖苷酶和木聚糖酶具有协同作用，能提高低聚木糖的得率。蒋琦霞等研究了木聚糖酶水解爆破秸秆制备低聚木糖的工艺，结果显示当爆破秸秆与水质量比为1：7.5、pH6.0、黑曲霉木聚糖酶添加量为198U／g（干基）、温度53℃、酶解12h时，可获得较好的酶解效果，酶解液总糖含量达到49.80mg／mL，还原糖含量达到17.03mg／mL、木聚糖水解率达到63.77％（对原料木聚糖）、木聚糖平均聚合度降至3.10；酶解产物中低聚糖主要为木二糖和木三糖，低聚木糖含量达到50.80％（对固形物）。李相前等研究了用稻草秸秆粉经氯化钠预处理后加氢氧化钠高温蒸煮提取木聚糖，加酶水解生产低聚木糖的工艺路线。稻草粉在质量分数为2.5 %的NaCl 溶液中浸泡12 h 后,滤去浸泡液,然后采用固液比1：10、120 ℃、120 min 的蒸煮条件进行蒸煮，结果表明,木聚糖的提取得率达29.05 %(按稻草粉中木聚糖计) ,用底物质量分数为3 %的木聚糖,加入木聚糖酶液,水解温度80 ℃,反应时间5 h ,{zh1}测得还原糖总质量浓度可达3.54 g/ L。

   低聚木糖已经成为世界各国大力发展的高效功能性食品之一，日本的低聚木糖的年产量为650吨，是世界市场份额的一半，而生产量增长最快的是美国。在低聚木糖的市场需求和生产速度高速做增长的同时，更廉价的原料来源和更科学的纯化技术则是发展的方向和重点，秸秆就是优先开发的原料来源。

2.3 从秸秆中分离制备木糖醇

   木糖醇是轻工、化工等多种工业产品的重要原料，在食品行业中更是用途广泛，可用于制作饮料、糖果、罐头等诸多食品。由于半纤维素是由多种五碳糖组成的非结晶异构多聚体，一般占植物纤维总量的25％～40％，在秸秆中富含半纤维素，用秸秆生产木糖醇有很好的经济利用价值。将秸秆中的半纤维素转化成木糖，进一步发酵生产木糖醇，对于秸秆的利用、环境保护和可持续发展都具有重要意义。

   目前利用秸秆生产木糖醇主要是用含半纤维素较高的玉米芯开发生产较多，用玉米芯发酵产生木糖醇的实验研究报道也不少，主要是实验驯化新的更合适的菌种来提高木糖醇的产率，廖文昌等用聚丙烯薄膜固定的假丝酵母subtropicalis WF79 发酵用酸水解的稻草水解液，在实验的52.5天中，{zg}产量0.73g/g（木糖醇/木糖），在40天后，该菌的发酵活动能力下降，产率降将为0.57g/g。Danilo De Faveri就氧的含量对发酵产生木糖醇的影响进行了研究，实验得到产生{zd0}木糖醇时的含氧量要求。王旭等用假丝酵母（Candida tropicalis）菌株经驯化后对玉米芯的水解液进行发酵，进过驯化后提高了水解液中抑制物的耐受力，将实验条件优化为接种量10％（v／v），种子龄24h，温度为30％，起始pH值为5.5，并且在发酵过程中补加适量氮源，木糖醇得率达61％。该方法大大降低了预处理的成本，有良好的应用前景。

2.4从秸秆中分离制备其他食品配料

   秸秆水解得到半纤维素，从而可以得到木糖、木糖醇等其他物质，如果用这些水解产物作为反应物则可以得到工业和食品中广泛使用的乙醇。美国BCI公司开发出基因遗传工程菌KO11，建立了发酵生物质生产乙醇的新工艺。该工艺以制糖厂产生的蔗渣、秸秆及谷壳为发酵原料，反应分两步进行，先用酶及酸性溶液将原料分解成糖类或半纤维素，然后用基因遗传工程菌KO11，使多种糖类转化为乙醇。秸秆水解后也可得单糖，特别是植物性生物质资源水解产生葡萄糖或木糖，己有多年的工业应用。近年来国内外学者的研究表明，从纤维素水解生成葡萄糖并进一步脱水和脱甲酸后得到的另一个化合物一乙酞丙酸(，LA)，用途十分广泛，将有可能成为一种新的平台化合物。刘凯等以稻草为原料,高压酸水解法制备乙酰丙酸,采用气相色谱法测定水解液中乙酰丙酸的含量,研究了反应温度、反应时间、固液比和硫酸质量分数对乙酰丙酸得率的影响,通过单因素试验确定了{zj0}水解条件。结果表明, 在高压1.6 MPa条件下, 反应温度170℃, 反应时间60 min, 固液比1∶10, 硫酸的质量分数为5%时, 所制得乙酰丙酸得率为24.35%, 此条件下水解残渣中纤维素和多戊糖均已xx反应。

3.从秸秆中开发食品配料前景

   我国从秸秆中开发食品配料还处在起步阶段，目前开发技术基本上是一些较单一的、低效的初级技术，而不是综合的，高效的成套加工技术。造成这种现象的重要原因是高效综合利用研究相对滞后，秸秆综合开发利用的产业还远没有形成，桔秆利用的经济效益低下所致。在分析我国农作物秸秆利用现状的基础上，结合国内外{zx1}研究动态与发展趋势，特别是针对我国应用秸秆开发应用于功能性食品技术含量不高、产品市场占有率低等现状，开展从秸秆中开发食品配料的应用基础以及应用科学研究，即可有效缓解秸秆燃烧带来的环境问题，走可持续发展农业道路都有非常重要的理论意义，同时对农业产业化向纵深发展具有重大的现实意义。

                                                  转自《中国食品添加剂》2010.3.FIC，有删节和修改.