电子束辐照联合水热处理提升油茶壳中低聚木糖(XOS)释放效率及其机制研究

本研究针对油茶壳(Camellia oleifera shells, COS)资源化利用难题，创新性地采用3MeV电子束辐照(200 kGy)耦合水热处理(180℃/30 min)技术，实现低聚木糖(XOS)得率达70.35%，其中X2-4占比23.37%，副产物(乙酸/糠醛等)含量低于0.83 g/L。通过木聚糖酶优化进一步使X2-4浓度提升至11.78 g/L(占比84.93%)，为农业废弃物高值化利用及绿色生物炼制提供了新策略。

　　

在追求可持续发展的今天，农林废弃物的高效转化成为全球关注的焦点。油茶作为我国重要的木本油料作物，每年产生约300万吨油茶壳(COS)，这些富含木聚糖的"绿色包袱"长期被焚烧或填埋处理。更令人遗憾的是，低聚木糖(XOS)——这种具有调节肠道菌群、降血糖等生理功能的"黄金寡糖"，传统制备方法存在得率低、副产物多等技术瓶颈。如何将农业废弃物转化为高附加值产品，成为摆在科研人员面前的一道必答题。

湖南大学生物学院隆平分院的研究团队独辟蹊径，将核技术应用与生物转化相结合，开发出电子束辐照-水热耦合处理新工艺。相关研究成果发表在《Industrial Crops and Products》上，不仅实现了COS中XOS的高效释放，更探索出一条环境友好的生物炼制新路径。研究人员采用3MeV电子加速器进行辐照预处理，通过响应面法优化水热温度(140-190℃)、时间(5-60min)等参数，结合HPLC、SEM、XRD等多维表征技术，系统解析了辐照-水热协同作用机制。

关键实验方法

研究首先采用3MeV电子束(50-600 kGy)辐照预处理COS，随后进行不同条件的水热反应，通过HPLC定量分析XOS、单糖及副产物。利用NREL方法测定组分变化，结合FT-IR、XRD、SEM表征结构演变，最后采用木聚糖酶(5-50 U/mL)水解优化X_2-4含量。

研究结果解析

3.1 辐照预处理对COS组分的影响

电子束辐照引发木聚糖链断裂，600 kGy时木聚糖含量下降30.14%，水溶性组分提升至6.20%。伴随辐照剂量增加，乙酸含量激增11倍(0.55%)，为后续水热处理创造弱酸环境奠定基础。

3.2 辐照-水热协同制备XOS

在200 kGy辐照结合180℃/30min水热处理时，XOS得率达峰值70.35%，较未辐照样品提升16.13个百分点。此时木聚糖去除率81.48%，X_2-4/XOS比23.37%，副产物中仅检测到0.83 g/L乙酸和微量糠醛(<0.27 g/L)。

3.3 残渣特性分析

SEM显示辐照后COS表面出现明显裂纹，FT-IR证实1733 cm^-1处羰基峰增强。残余物中木质素占比升至52.89%，纤维素结晶度(CrI)从14.82%提升至24.29%，表明处理过程优先降解无定形区。

3.4 木聚糖酶水解优化

采用30 U/mL木聚糖酶50℃水解12小时，X_2-4浓度从2.65 g/L飙升至11.78 g/L，其中X₃增幅达16.8倍，最终产物中X_2-4占比84.93%，满足功能性食品添加剂要求。

3.5 物料平衡分析

每吨COS可产出138.7 kg XOS，经酶解后X_2-4达117.8 kg，同时获得245.1 kg木质素残渣可用于后续转化，实现原料全组分利用。

这项研究突破了传统酸碱法制备XOS的环境污染瓶颈，通过电子束引发的物理-化学协同效应，使COS中木聚糖转化效率提升至行业领先水平。特别值得注意的是，该工艺中电子束辐照仅消耗电能且无辐射残留，较⁶⁰Co-γ辐照更具环保优势。研究不仅为油茶加工副产物高值化利用提供技术支撑，更对发展循环农业、推动"双碳"目标实现具有重要实践意义。未来，该技术路线有望拓展至其他木质纤维素原料处理，为生物基材料开发打开新的想象空间。