CN101531722B

CN101531722B - 一种改进的碱法抽提制备植物木聚糖方法

Info

Publication number: CN101531722B
Application number: CN2009100308079A
Authority: CN
Inventors: 余世袁; 朱汉静; 徐勇; 勇强; 朱汉生
Original assignee: JIANGSU KANGWEI BIO CO Ltd
Current assignee: JIANGSU KANGWEI BIO CO Ltd
Priority date: 2009-04-16
Filing date: 2009-04-16
Publication date: 2011-05-25
Anticipated expiration: 2029-04-16
Also published as: CN101531722A

Abstract

一种改进的碱法抽提制备植物木聚糖方法，将植物纤维原料碱抽提，超滤分离后得到液体或粉状木聚糖产品，其特征是将碱抽提液补充氢氧化钠后多次回用，然后在起始pH12.0和木聚糖浓度4.0～4.5％(w/w)的条件下，采用分子截留量为5000～20000道尔顿的中空纤维或卷式膜组件超滤分离，浓缩至原体积50～60％后补加软水至原体积后继续反复超滤分离。本方法大大降低了木聚糖制备的碱、酸和水耗。

Description

一种改进的碱法抽提制备植物木聚糖方法

一、技术领域

本发明属于化学工程和生物工程领域中植物多糖的生产和应用技术领域，特别涉及一种低化学品消耗、低水耗的碱法抽提制备植物木聚糖的方法。

二、背景技术

木聚糖作为植物纤维的主要组分之一在自然界的含量十分丰富，约占植物原料的15％～30％。木聚糖的化学结构是一种具有分枝结构的不均一性多聚糖，主链为50～400个吡喃型木聚糖残基通过β-D-(1，4)连接而成的糖苷链，侧链基团主要为阿拉伯糖基、乙酰基和葡萄糖醛酸基。

木聚糖作为一种可再生的植物多糖，可用于膳食纤维、功能性低聚糖、填充剂、增稠剂、粘接剂、乳化剂和成膜剂等食品、医药、日化产品生产的主料或辅料，降解生成的木糖和呋喃等产物又是重要的平台化合物，可作为化学工业的基础原料。

在天然植物纤维原料中，木聚糖与纤维素和木质素相互连接粘合形成紧密的交联结构，不溶于水和有机溶剂，但易溶于碱性溶液，因此可采用热碱溶液提取木聚糖，再经酸中和、分离提纯和精制后可制备得到木聚糖。

现有的木聚糖碱抽提工艺一般都采用6～12％(w/w)氢氧化钠或氢氧化钾溶液，在液比为5～10(w/v)和50～100℃的蒸煮条件下抽提植物纤维原料，然后采用无机酸中和抽提液至pH值中性得中和液，单位质量木聚糖的碱和酸的耗量均达到2～4左右，中和液的木聚糖含量仅为1％～2％(w/w)，还含有大量的碱溶性木质素、碱抽提物和无机盐等杂质，需要采用超滤分离等方法以去除。现有的超滤技术均采用中性pH值操作，在中性条件下，80％以上的木聚糖不溶于水形成悬浮液，提高浓度会导致其粘度迅速上升，对超滤膜的透水率影响严重，容易形成管道堵塞并造成膜组件的损坏，因此只能采用低浓度木聚糖液进行超滤分离，操作费时长，单位质量木聚糖的水耗量高达200～300，环保压力较大。为了提高碱抽提的效率，国内外先后开发出添加次氯酸或过氧化氢、微波或超声波等辅助抽提技术，如CN 1431231A《一种从木质纤维材料中提取木聚糖的方法》采用过氧化氢-氢氧化钠室温浸渍、微波加热抽提和乙醇沉淀的方法从蔗渣中抽提木聚糖；CN 1283649C《净化木聚糖的制备方法》则采用稀碱常温浸渍原料2天，再经2轮蒸煮、压榨分离得到的碱抽提液，然后酸中和及75％乙醇沉淀得到木聚糖。这些方法对传统的碱抽提工艺进行了有益的探索，但在工业化生产中仍然还存在着诸如工艺步骤较多、设备复杂、生产耗时较长、化学品消耗增多和水耗上升等矛盾。因此，进一步改进和优化木聚糖碱抽提的工艺和技术，简化工艺步骤和设备，直接减少和降低化学品、水、电的消耗具有重要的理论意义和实用价值。

三、发明内容

本发明的目的是针对植物木聚糖的理化性质，基于木聚糖的碱抽提和超滤分离技术原理，提供一种工艺简单、低化学品消耗和低水耗的制备植物木聚糖方法。

本发明的技术解决方案如下：

一种改进的碱法抽提制备植物木聚糖方法，将植物纤维原料进行碱抽提，超滤分离后得到液体或粉状木聚糖产品，其特征是：

a.将植物纤维原料进行碱抽提，得到的抽提液补充氢氧化钠后作为下一轮原料的碱抽提液，共回用1～4轮；

b.在起始pH12.0和木聚糖浓度4.0～4.5％(w/w)的条件下，采用分子截留量为5000～20000道尔顿的中空纤维或卷式膜组件超滤分离碱抽提液，浓缩至原体积50～60％后补加软水至原体积后继续超滤分离，重复操作6～8轮。

如上所述，其特征是每轮碱抽提时均控制抽提液的氢氧化钠浓度为5.0～7.0％(w/w)，固液比1∶5～10(w/v)，温度为80～90℃，反应3h。

如上所述，其特征是碱抽提液的最佳回用轮数为2轮。

具体制取过程及工艺参数参见实施例。

四、附图说明

图1为碱抽提液回用轮次的效果图，反应条件是：氢氧化钠浓度为5.0～7.0％(w/w)，固液比为1∶5～10(w/v)，80～90℃反应3h后离心或过滤分离得碱抽提液。图中的横坐标为回用轮数，左侧的纵坐标分别为木聚糖浓度(g/L)和抽提得率(％)，右侧的纵坐标为单位碱耗(g NaOH/g木聚糖)，图中1为抽提液中木聚糖浓度与回用轮数的变化曲线，2为回用轮数与碱耗的变化曲线，3为抽提得率与回用轮数的变化曲线。

五、具体实施方式

将植物纤维原料，如玉米芯等破碎至3～5cm，控制含水率为6～8％。将原料加入碱抽提罐，按照固液比1∶5～10(w/v)加入5.0～7.0％(w/w)氢氧化钠溶液，在80～90℃和机械搅拌的条件下反应3h。反应结束后加入适量软水至总固液比为1∶10～12，并控制料液温度为60～65℃，在机械搅拌的条件下采用离心分离或板框过滤，收集滤液得到碱抽提液A，木聚糖的浓度为2.0％(w/w)左右，碱浓度为4.0～6.0％(w/w)。采用固液比1∶3～5(w/v)的软水洗涤离心渣或滤渣1～2轮，收集离心液或滤液作为稀碱液用于下一轮原料的碱抽提。原料中木聚糖的碱抽提得率为85％以上。

重新补充氢氧化钠至碱抽提液A的碱浓度至5.0～7.0％，碱抽提新原料并分离、洗涤，重复两轮后得碱抽液B，木聚糖的浓度为5.2～5.6％(w/w)，碱浓度为4.0～6.0％(w/w)。原料中木聚糖的碱抽提得率达到80％以上，单位质量木聚糖的碱耗为1.3～1.5(g NaOH/g木聚糖)。

在机械搅拌条件下，加入适量的浓硫酸和软水调节碱抽提液B至pH12.0和木聚糖浓度为4.0～4.5％(w/w)得原料液C。采用分子截留量为5000～20000道尔顿的中空纤维超滤膜或卷式超滤膜组件(超滤膜的材质为聚砜膜，生产厂家为美国Amersham Bioscience Membrane Separation Group，型号UFP-5/10/30-E-3MA)超滤分离原料液C，浓缩至原体积的50～60％后再补加软水至原体积。不再调控原料液C的pH值，重复超滤操作6～8轮，直至脱除95％钠和其它杂质，可得到8.0～10.0％(w/w)的木聚糖浓液，木聚糖的回收率为85～90％，木聚糖的纯度达到75.0％以上。与中性pH条件超滤分离工艺相比，单位质量木聚糖的水耗为100～120，减少100％；可以将木聚糖溶液的浓度提高至一倍以上；超滤膜透水率提高200％以上，超滤工序的操作时间和电耗可节约30％以上；超滤膜组件无堵塞现象，可延长膜组件的使用寿命2倍以上。

可采用75％(w/w)乙醇沉淀法或超滤法进一步纯化液体木聚糖，再经喷雾干燥即可最终制备得到粉状木聚糖产品，纯度达90.0％以上，色泽为灰白色，无异味，原料中木聚糖产品的得率超过65％。

由附图1可知，在碱浓为5.0～8.0％(w/w)氢氧化钠和固液比为1∶5～10(w/v)的条件下，采用80～90℃和机械搅拌抽提植物纤维原料3h，回用碱抽提液1～2轮的效果显著，并且以2轮为最佳，具体体现在：一是对原料中木聚糖的抽提得率影响较小，均保持在80％以上，超过2轮后得率迅速下降；二是能够有效降低单位质量木聚糖的碱耗，可从传统方法(不回用碱抽提液)的2.5减少至1.3，超过2轮反而会造成碱耗回升；三是可以同比例提高碱抽提液中的木聚糖浓度，回用2轮后的木聚糖浓液可达到5.6％(w/w)，超过2轮后则增速减缓。

下表为采用传统方法与本改进方法制备植物木聚糖的产品品质和部分技术经济指标对比数据，反应条件是：在起始pH12.0和木聚糖浓度4.0～4.5％(w/w)的条件下，采用分子截留量为5000～20000道尔顿的中空纤维或卷式膜组件超滤分离碱抽提液，浓缩至原体积50～60％后补加软水至原体积，重复操作7～8轮。

由表中数据可知，在起始pH12.0和木聚糖浓度4.0～4.5％(w/w)的条件下，采用分子截留量为5000～20000道尔顿的中空纤维或卷式膜组件超滤分离碱抽提液，可显著提高社会效益和经济效益，具体体现在：在碱性条件下超滤浓缩碱抽提液至原体积50～60％后补加软水可以提高超滤膜透水率2.4倍，操作轮次由原来的12轮可缩减至6～8轮，超滤膜组件使用寿命由原来的1年延长至3年，单位质量木聚糖的酸耗和水耗分别由原来的1.5～3.0和200～250减少到0.2～0.3和100～120，降幅超过800％和100％。同时，采用新方法木聚糖的回收率仍然可以保持在85％以上，还可以将木聚糖纯度由原来的70％提高至75％，而木聚糖浓度可以从3.8％提高至8.0％。

所述木聚糖的测定采用酸水解法。在120℃条件下以4％H₂SO₄(w/w)水解1％(w/w)木聚糖液1h后生成木糖，木糖的测定采用高效液相色谱(HPLC)分析，色谱仪的系统和操作条件为：糖柱Bio-Rad Aminex HPX-87H，柱温55℃，流动相为0.5mmo1/L H₂SO₄，流速0.6mL/min，检测器为折光示差检测器(RID)。

木聚糖含量的计算公式如下：

有益效果：由于采用了碱抽提液回用和碱性条件下超滤等新方法，原料中木聚糖产品的得率可达到65％以上，液体木聚糖产品的浓度达到8.0％(w/w)，纯度超过75％，单位质量木聚糖的碱耗、酸耗和水耗分别是1.3～1.5、0.2～0.3和100～120，较传统工艺水平分别降低200％、800％和100％以上，超滤工序的操作时间和电耗可节约30％，延长超滤膜组件的使用寿命2倍以上。本方法有效降低了木聚糖产品的生产成本，可以显著提高植物纤维木聚糖工业化生产的社会效益和经济效益。

Claims

1.一种改进的碱法抽提制备植物木聚糖方法，将植物纤维原料进行碱抽提，超滤分离后得到液体或粉状木聚糖产品，其特征是：

2.如权利要求1所述的改进的碱法抽提制备植物木聚糖方法，其特征是碱抽提液的最佳回用轮数为2轮。