CN102899426B

CN102899426B - 一种溶解浆木片预水解液制备木糖的方法

Info

Publication number: CN102899426B
Application number: CN201210417195.0A
Authority: CN
Inventors: 方顺成; 郑毅; 陈德水; 廖承军; 郑晓阳; 毛晨建
Original assignee: Zhejiang Huakang Pharmaceutical Co Ltd
Current assignee: Jiaozuo Huakang sugar alcohol Technology Co. Ltd.; Zhejiang Huakang Pharmaceutical Co Ltd
Priority date: 2012-10-25
Filing date: 2012-10-25
Publication date: 2014-05-07
Anticipated expiration: 2032-10-25
Also published as: CN102899426A

Abstract

本发明公开了一种溶解浆木片预水解液制备木糖的方法，包括：将木片预水解液浓缩；向浓缩液中加入酸进行酸水解；将水解物料利用活性炭脱色、阳-阴-阳-阴离子交换树脂进行离子交换除盐；向得到的除盐物料中添加氮源、无机盐和酵母种子液，进行发酵；得到的发酵液用活性炭脱色、阳-阴-阳-阴离子交换树脂进行脱盐，浓缩；将得到的浓缩液进行SMB色谱分离，分离得到的物料用活性炭脱色，浓缩，进行冷却降温结晶，得到木糖产物。本发明采用制备纸浆过程中产生的副产品木片预水解液作为原料，采用传统方法与发酵和SMB色谱分离相结合，降低了木糖制备成本，提高了木糖的纯度，可满足各种场合需要，且制备方法工艺简单，制备参数易于控制。

Description

一种溶解浆木片预水解液制备木糖的方法

技术领域

本发明设于木糖制备技术领域，具体是涉及一种溶解浆木片预水解液制备木糖的方法。

背景技术

木糖(xylose)属于五碳糖，以缩聚状态广泛存在于自然界植物的半纤维素中，即以大分子的木聚糖的形式含在植物体内。木糖与日常食用的葡萄糖及果糖等不同，其不能为人体提供热量，能最大限度地满足爱吃甜品又担心发胖者的需求；且能活化人体肠道内的双岐杆菌并促其生长，双歧杆菌是益菌，该菌越多越有益人体健康，食用木糖能改善人体的微生物环境，提高机体的免疫能力；使用时不被口腔内微生物所利用，具备膳食纤维的部分生理功能，可降低血清胆固醇的预防肠癌等。另外，木糖与食物的配伍性很好，食物中添加少量木糖，便能体现出很好的保健效果。木糖与钙同时摄入，可以提高人体对钙的吸收率和保留率，还能防止便秘。主要用于制取木糖醇，在食品加工、制药工业都有广泛应用。

目前木糖生产方法主要为化学法即采用玉米芯、甘蔗渣等富含聚戊糖(含30-40％的多缩戊糖)的原料，经酸水解成含木糖的糖液，然后经中和、脱色、离子交换、结晶等复杂的净化过程从水解液中分离纯化出木糖。玉米芯和甘蔗渣等原料的季节性很明显，必须在收获的季节收购，需要大量的储存空间，而且利用玉米芯和甘蔗渣等原料生产木糖利用价值低、生产成本高。

阔叶木是资源丰富的可再生资源，制浆造纸每年都要消耗大量的木材资源。制备纸浆过程中，需要将木片水煮进行预水解除去木片中的半纤维素。预水解得到的固相物质中主要含有纤维素，用于进一步制备纸浆；而预水解得到的液相则进入碱回收系统被烧掉，液相中含有占到阔叶木质量20％-25％的半纤维素，造成了大量的浪费。

为综合回收木片预水解液中的半纤维素，申请号为CN201210059336.6的专利文献公开了一种木糖醇的生产方法，具体涉及一种桉木溶解浆木片预抽提水解液生产木糖醇的方法，包括下述的步骤：桉木片预水解，对预水解的水解液进行酸水解，再对水解液脱色、离子交换纯化、浓缩、结晶处理得木糖，再对木糖经过溶解、加氢、脱色纯化、结晶处理得木糖醇，所述的桉木片预水解是在水解塔中进行，预水解之后，将水解液由水解塔中抽提出来，再对水解液进行酸水解。由于上述方法是连续进料，不断水解，从而减少了现有技术中间歇水解工艺需装锅、加酸液、水解、抽提、卸料等复杂的工序，生产效率低的问题，节省了时间，提高了效率。但是上述得到的木糖的纯度较低，很难满足很多特殊场合的需要。

发明内容

本发明提供了一种溶解浆木片预水解液制备木糖的方法，该方法制备得到的木糖的纯度较高，且该方法制备工艺简单，条件容易控制，适于工业化生产。

一种溶解浆木片预水解液制备木糖的方法，包括：

(1)将木片预水解液浓缩至折光为10-30％；

(2)向步骤(1)得到的浓缩液中加入酸，酸的加入量为浓缩液总重量的0.1-1.5％，在120-160℃温度下水解反应0.5-3小时；

(3)将得到的水解物料利用活性炭脱色，活性炭的加入量为水解物料中干物料重量的0.5-3％，在温度50-80℃下保温20-60min，过滤后的物料通过阳-阴-阳-阴两级连续的离子交换树脂，进行离子交换除盐；

(4)向步骤(3)得到的除盐物料中添加氮源和无机盐，所述的氮源与除盐物料的质量体积比为1.0-3.0kg∶100L，所述无机盐与除盐物料的质量体积比为0.15-1.0kg∶100L，然后按总料液体积的5-10％加入酵母种子液，进行发酵，发酵温度为20-28℃，发酵时间为32-48小时；

(5)发酵结束后，去除发酵液中的菌体及大分子物质，得到的发酵液依次用活性炭脱色、阳-阴-阳-阴两级连续的离子交换树脂进行脱盐，最后浓缩至折光为50-60％浓缩液；

(6)将步骤(5)得到的浓缩液进行SMB(模拟移动床，SimulatedMoving Bed)色谱分离，其中洗脱剂为水，分离剂为色谱分离树脂，分离温度为50-70℃，使物料中木糖的重量百分比含量达到60-85％；

(7)将色谱分离得到的物料用活性炭在温度50-80℃进行脱色，并进一步浓缩，得到折光为75-85％的浓缩物料，然后将浓缩物料进行冷却降温结晶，降温速度0.5-2℃/h，降至40-35℃离心分离，得到木糖产物。

步骤(1)中，所述的木片预水解液的折光为1-10％，其中，按照重量百分比计，木糖的含量为10-25％，L-阿拉伯糖的含量为4-12％，葡萄糖的含量为8-25％，半乳糖的含量为3-10％，以及其它水和未知糖分，该未知成分对本发明没有实质性影响，故在此不再考虑。木片预水解液可由现有方法制备得到，例如，可通过将木片在水中高温蒸煮，进行预水解，然后将预水解后的物料进行过滤，得到的滤液即为木片预水解液。该步骤中，浓缩过程中所需的热量可由木片高温蒸煮过程中产生的废蒸汽提供，进一步降低能耗。浓缩过程可在五效降膜蒸发器中进行。

步骤(2)中，所采用的酸为常见的硫酸、盐酸、硝酸、磷酸等，硫酸、盐酸、硝酸、磷酸一般选择市售产品，其中酸的加入量以硫酸、盐酸、硝酸、磷酸中溶质的量计算。经过步骤(2)酸水解，可将体系中木糖的重量百分比含量从10-25％提高到40-55％。

步骤(3)和步骤(5)中，所述的阳-阴-阳-阴两级连续的离子交换树脂中，阳离子交换树脂为钠型强酸性苯乙烯系阳离子交换树脂，阴离子交换树脂为OH型弱碱性苯乙烯系阴离子交换树脂。

步骤(4)中，所述氮源选自酵母膏、酵母粉、玉米浆、硫酸铵、尿素中的一种；优选的氮源为酵母膏或酵母粉。所需无机盐选自无水硫酸镁、七水硫酸镁、磷酸氢二钠、磷酸氢二钾、磷酸二氢钠中的至少一种；优选的无机盐为无水硫酸镁或/和磷酸二氢钾。所选的酵母为普通的啤酒酵母，可选择性的利用葡萄糖和半乳糖作为碳源，而不能利用木糖。所述酵母种子液为薛瓦酵母，酵母种子液的培养方式为逐级培养，平均每级扩大10-20倍。该步骤中，利用发酵方式，主要是除去大部分的葡萄糖和半乳糖。该步骤中，发酵过程中需要不断搅拌发酵物料，并同时通无菌空气。

步骤6)中，进行SMB色谱分离的主要目的是出去物料中的L-阿拉伯糖。SMB色谱分离过程中，使用的色谱分离树脂为001×8强酸性(Ca²⁺)色谱分离树脂。

与现有技术相比，本发明的有益效果体现在：

本发明采用制备纸浆过程中产生的副产品木片预水解液作为原料，采用传统方法与发酵和SMB色谱分离相结合，在降低木糖制备成本的同时，提高了木糖的纯度，可满足各种场合需要，且制备方法工艺简单，制备参数易于控制。

附图说明

图1为本发明的工艺流程图。

图2为实施例1中桉木预水解液的HPLC图谱。

图3为实施例1中桉木溶解浆再水解液的HPLC图谱。

图4为实施例1中生物发酵物料的HPLC图谱。

图5为实施例1中SMB色谱分离后的HPLC图谱。

图6为实施例1中木糖晶体的HPLC图谱。

图7为实施例2中桉木预水解液的HPLC图谱。

图8为实施例2中桉木预水解液再水解后物料的HPLC图谱。

图9为实施例2中生物发酵物料的HPLC图谱。

图10为实施例2中SMB色谱分离后的HPLC图谱。

图11为实施例2中木糖晶体的HPLC图谱。

具体实施方式

下面结合实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

实施例1

如图1所示：将折光5％、木糖的重量百分比含量为22.7％(HPLC检测结果如图2，另外其中L-阿拉伯糖的含量为10％，葡萄糖的含量为23％，半乳糖的含量8％，其余为水和未知成分)的桉木预水解液(即溶解浆水解液)，采用五效降膜蒸发器，利用预水解废汽将其预浓缩至折光为15％的浓缩液，然后加入98％的硫酸，配制成含酸量为0.5％的水解液。将配好的水解液打入水解锅升温到135℃，保温60min进行水解反应，出料，向水解后物料中按干糖重量的0.5％加入粉末活性炭，温度70℃保温30min进行脱色处理，然后用高效密闭过滤机过滤，滤液经阳-阴-阳-阴连续两级离子交换树酯进行离子交换，得到除杂后的溶解浆再水解液，溶解浆再水解液中木糖的重量百分比含量为42.36％(HPLC检测结果见图3)。然后将溶解浆再水解液蒸发浓缩到物料折光20％的浓缩液，添加氮源和无机盐，其中：氮源的加入量与折光20％的浓缩液质量体积比为2.0kg∶100L，无机盐的加入量与折光20％的浓缩液质量体积比0.5kg∶100L，然后按总料液体积的6％加入酵母种子液，进行生物发酵。发酵温度为25-28℃，发酵时间为40小时，发酵搅拌转速在200转/分钟，发酵过程通无菌空气。发酵结束后，去除发酵液中的菌体及大分子物质，得到的发酵物料中木糖的重量百分比含量达59.4％(HPLC检测结果如图4)，将发酵物料进行活性炭脱色，过滤，与阳-阴-阳-阴离子交换树脂离子交换脱盐，然后将脱盐物料蒸发浓缩到折光55％，打入SMB色谱分离装置，以纯水为洗脱剂，以色谱分离树脂为分离剂，对物料中的组分进行分离，分离温度为55℃，得木糖的重量百分比含量为76.9％物料(HPLC检测结果如图5)。

将木糖的重量百分比含量为76.9％的物料按干物质量百分比为0.5％加入活性炭脱色，升温至75℃，保温30min进行过滤，然后将物料浓缩到折光82％，导入结晶缸进行冷却降温结晶，使木糖晶体析出，降温速度60℃前2℃/h，60℃后为1℃/h，降至38℃离心分离、烘干得到木糖晶体，木糖的重量百分比含量98.25％(HPLC检测结果如图6所示)。

上述步骤中，用的阳离子交换树脂为钠型强酸性苯乙烯系阳离子交换树脂，阴离子交换树脂为OH型强碱性苯乙烯系阴离子交换树脂，色谱分离树脂为001×8强酸性(Ca²⁺)色谱分离树脂，均可采用市购产品。氮源为酵母膏，无机盐为无水硫酸镁，酵母种子液为薛瓦酵母，酵母种子液的培养方式为逐级培养，平均每级扩大10-20倍。其他试剂和原料均可采用市售产品。

实施例2

与实施例1步骤相同，将折光5％，木糖的重量百分比含量为24.8％(HPLC检测结果如图7，另外其中L-阿拉伯糖的含量为13％，葡萄糖的含量为20％，半乳糖的含量10％，其余为水和未知成分)的桉木预水解液，采用五效降膜蒸发器，利用废汽将其浓缩至折光为15％，然后加入98％的硫酸，配制成含酸量为0.5％的水解液。将配好的水解液打入水解锅升温到145℃，保温90min，出料按干糖1％加入粉末活性炭，温度80℃保温40min，然后用高效密闭过滤机过滤，经阳-阴-阳-阴连续两级离子交换得到除杂后的溶解浆再水解液，木糖的重量百分比含量为44.46％(HPLC检测结果如图8所示)。然后蒸发浓缩物料到折光20％，添加氮源与物料质量体积百分比2.0kg∶100L无机盐的质量体积百分比为0.5kg∶100L，然后按体积的6％加入酵母种子液，进行发酵。发酵温度为20-28℃，发酵时间为48小时，发酵搅拌转速在300转/分钟，发酵过程通无菌空气。发酵结束后，物料中木糖的重量百分比含量达67.49％(HPLC检测结果如图9所示)，将发酵液进行活性炭脱色过滤与阳-阴-阳-阴离子交换树脂脱盐，然后蒸发浓缩至折光50％，打入SMB色谱分离装置，以纯水为洗脱剂，以色谱分离树脂为分离剂，对物料中的组分进行分离，分离温度为60℃，得木糖的含量为78.97％物料(HPLC检测结果如图10所示)。

将木糖的重量百分比含量78.97％的物料按干物质量百分比为1％加入活性炭脱色，升温至80℃，保温40min进行过滤，然后浆物料浓缩到折光80％，导入结晶缸进行冷却降温结晶，使木糖晶体析出，降温速度1.5℃/h，降至38℃离心分离、烘干得到木糖晶体，木糖的重量百分比含量98.55％(HPLC检测结果如图11所示)。本实施方式涉及的离子交换树脂、色谱分离树脂与实施例1相同，氮源为酵母粉，无机盐为磷酸二氢钾。

实施例3

将折光10％、木糖的重量百分比含量为24.7％的桉木预水解液(其中L-阿拉伯糖的含量为11％，葡萄糖的含量为25％，半乳糖的含量3％，其余为水和未知成分)，采用五效降膜蒸发器，利用预水解废汽将其浓缩至折光为25％的浓缩液，然后加入浓磷酸，配制成含酸量为1.5％的水解液。将配好的水解液打入水解锅升温到140℃，保温60min，出料，向水解后物料中按干糖1％加入粉末活性炭，温度70℃保温30min进行脱色处理，然后用高效密闭过滤机过滤，滤液经阳-阴-阳-阴连续两级离子交换树酯进行离子交换，得到除杂后的溶解浆再水解液，溶解浆再水解液中木糖的重量百分比含量为45.16％。然后将溶解浆再水解液蒸发浓缩到物料折光30％的浓缩液，添加氮源和无机盐，其中：氮源的加入量与折光30％的浓缩液质量体积比为2.5kg∶100L，无机盐的加入量与折光30％的浓缩液质量体积比0.75kg∶100L，然后按总料液体积的5％加入酵母种子液，进行发酵。发酵温度为25-28℃，发酵时间为40小时，发酵搅拌转速在200转/分钟，发酵过程通无菌空气。发酵结束后，去除发酵液中的菌体及大分子物质，得到的发酵物料中木糖的重量百分比含量达60.5％，将发酵物料进行活性炭脱色，过滤，与阳-阴-阳-阴离子交换树脂离子交换脱盐，然后将脱盐物料蒸发浓缩到折光55％，打入SMB色谱分离装置，以纯水为洗脱剂，以色谱分离树脂为分离剂，对物料中的组分进行分离，分离温度为55℃，得木糖的重量百分比含量为78.1％物料。

将木糖的重量百分比含量为78.1％的物料按干物质量百分比为0.5％加入活性炭脱色，升温至75℃，保温30min进行过滤，然后将物料浓缩到折光82％，导入结晶缸进行冷却降温结晶，使木糖晶体析出，降温速度60℃前2℃/h，60℃后为1℃/h，降至38℃离心分离、烘干得到木糖晶体，木糖的重量百分比含量99.10％。

上述实施例中，用的阳离子交换树脂为钠型强酸性苯乙烯系阳离子交换树脂，阴离子交换树脂为OH型强碱性苯乙烯系阴离子交换树脂，色谱分离树脂为001×8强酸性(Ca²⁺)色谱分离树脂，均可采用市购产品。氮源为酵母膏，无机盐为无水硫酸镁，酵母种子液为啤酒酵母，酵母种子液的培养方式为逐级培养，平均每级扩大10-20倍。其他试剂和原料均可采用市售产品。

Claims

1.一种溶解浆木片预水解液制备木糖的方法，包括：

（1）将木片预水解液浓缩至折光为10-30%；

所述木片预水解液主要组分的重量百分比为：

其余为水和未知成分；

（2）向步骤（1）得到的浓缩液中加入酸，酸的加入量为浓缩液总重量的0.1-1.5%，在120-160℃温度下水解反应0.5-3小时；所述酸为硫酸、盐酸、硝酸或磷酸；

（3）将得到的水解物料利用活性炭脱色，活性炭的加入量为水解物料中干物料重量的0.5-3%，在温度50-80℃下保温20-60min，过滤后的物料通过阳-阴-阳-阴两级连续的离子交换树脂，进行离子交换除盐；

（4）向步骤（3）得到的除盐物料中添加氮源和无机盐，所述的氮源与除盐物料的质量体积比为1.0-3.0kg：100L，所述无机盐与除盐物料的质量体积比为0.15-1.0kg：100L，然后按总料液体积的5-10%加入酵母种子液，进行发酵，发酵温度为20-28℃，发酵时间为32-48小时；

所述氮源为酵母膏或酵母粉；所述无机盐为无水硫酸镁或磷酸二氢钾；所述酵母种子液为薛瓦酵母；

（5）发酵结束后，去除发酵液中的菌体及大分子物质，得到的发酵液依次用活性炭脱色、阳-阴-阳-阴两级连续的离子交换树脂进行脱盐，最后浓缩至折光为50-60%浓缩液；

（6）将步骤（5）得到的浓缩液进行SMB色谱分离，其中洗脱剂为水，分离剂为色谱分离树脂，分离温度为50-70℃，使物料中木糖的重量百分比含量达到60-85%；所述色谱分离树脂为001×8强酸性色谱分离树脂；

（7）将色谱分离得到的物料用活性炭在温度50-80℃进行脱色，并进一步浓缩，得到折光为75-85%的浓缩物料，然后将浓缩物料进行冷却降温结晶，所述冷却降温结晶的降温速度为：降温至60℃前为2℃/h，降温至60℃后为1℃/h；降至40-35℃离心分离得到木糖产物；

步骤（3）和步骤（5）中，所述的阳-阴-阳-阴两级连续的离子交换树脂中，阳离子交换树脂为钠型强酸性苯乙烯系阳离子交换树脂，阴离子交换树脂为OH型弱碱性苯乙烯系阴离子交换树脂。