CN103159865B

CN103159865B - 半纤维素及其制备方法

Info

Publication number: CN103159865B
Application number: CN201310042450.2A
Authority: CN
Inventors: 肖领平; 白媛媛; 史正军; 孙润仓; 王伟; 崔宝凯
Original assignee: Beijing Forestry University
Current assignee: Beijing Forestry University
Priority date: 2013-02-01
Filing date: 2013-02-01
Publication date: 2015-06-24
Anticipated expiration: 2033-02-01
Also published as: CN103159865A

Abstract

本发明公开了一种半纤维素及其制备方法，其是先将木质纤维素原料高温灭菌处理，然后接入白腐菌并静置培养不同时间周期，再对降解后的生物质组分用水浸提得到水溶性半纤维素。通过本发明方法分离得到的半纤维素化学结构简单，并且半纤维素产率较高。此外，本发明揭示了白腐菌降解过程中半纤维素的结构变化，同时为探索木质纤维原料通过生物转化法生产生物燃料和制备生物材料提供新思路，也为更好地保护木材资源免受微生物的降解提供借鉴意义。

Description

半纤维素及其制备方法

技术领域

本发明涉及农林生物质资源利用及预处理技术领域，具体地说是涉及半纤维素及其制备方法。

背景技术

以木材和农林废弃物资源以及专门的能源作物为代表的生物质可用于制备生物能源、燃料、材料和其他高附加值的化学品。木质纤维材料（Lignocellulosic material），是地球上最丰富的可再生生物质，其主要成分是纤维素、半纤维素和木质素。纤维素和半纤维素是糖类聚合物，可用于制备发酵糖、木糖醇等，而木质素可用于生产酚类化学品或用于热燃烧发电等其他目的。

半纤维素与纤维素和木质素等一起构成了高等植物的细胞壁，并且和蛋白质及酚类化合物存在化学键连接。半纤维素是由非葡萄糖组成的一类多糖的总称，约占细胞壁总重的20-35%，其基本糖单元有D-木糖、D-葡萄糖、D-半乳糖、D-甘露糖、L-阿拉伯糖、D-葡萄糖醛酸、4-O-D-葡萄糖醛酸和D-半乳糖醛酸等。针叶木半纤维素主要为甘露聚糖和阿拉伯聚糖，以及少量的阿拉伯半乳聚糖、木葡聚糖，和其他葡聚糖；阔叶木中的半纤维素是木聚糖、聚半乳糖葡萄糖甘露糖，以及少量的半乳聚糖和葡聚糖；而禾本科植物的半纤维素是要为β-（1→4）连接的D-吡喃式木聚糖，最重要的半纤维素是O-乙酰基-4-O-甲基-D-葡萄糖醛酸聚木糖和L-阿拉伯糖（4-O-甲基-D-葡萄糖醛酸）聚木糖。桦木半纤维素主要是部分乙酰化的4-O-甲基葡萄糖醛酸聚木糖，通常每10个木糖基连接一个糖醛酸基支链。由于多方面的功能特性，半纤维素被广泛用作凝胶、薄膜、涂料、粘接剂、胶凝剂、稳定剂和添加剂，并在制药和其他工业得到应用。

半纤维素分离的传统方法主要为碱性提取法和有机溶剂提取法。常见的碱抽提试剂有NaOH、KOH、Ba(OH)₂、Ga(OH)₂和碱性过氧化氢等。碱性提取法一般在较低温度和常压下进行，碱溶液通过溶胀纤维素、断裂纤维素与半纤维素间的氢键并破坏半纤维素与木质素化学键作用，如酯键和醚键，释放半纤维素至溶液，再通过加酸中和，经多倍体积乙醇沉淀获取。碱性提取法半纤维素的优点是方法简单、成本较低且分离效果好，但是分离得到的半纤维素一般由几类半纤维素大分子组成，化学结构复杂，而且半纤维素的乙酰基被脱除。为了分离出结构较完整的半纤维素，一般采用有机溶剂提取法，如二甲基亚砜（DMSO）和二氧六环溶液，能避免乙酰基的脱除。有机溶剂提取法的优点是半纤维素结构完整，缺点是所得到的半纤维素产率较低。

木质纤维素降解真菌可分为三类：白腐菌（White rot fungi）、褐腐菌（Brown rot fungi）和软腐菌（Soft rot fungi）。白腐菌是一类能引起木质纤维白色腐烂的丝状真菌的集合，它可以直接入侵木材的细胞腔内，释放降解木质素和其它生物质组分（纤维素、半纤维素和果胶等）的酶，从而导致木材腐烂成白色海绵状团块。虽然白腐菌能选择性地脱除木质素组分，但是对于其降解半纤维素组分的性能也是不能忽略的。早先的研究表明，在纤维素和木质素降解之前，高度支化的半纤维素组分已经被白腐菌所破坏。尽管在制浆造纸行业以及生物质能源和材料的研究中，半纤维素的分离和提取研究取得了重大的进展，但是关于木质纤维素原料生物降解过程中半纤维素多糖结构变化的报道相对甚少。

发明内容

本发明的目的在于针对生物预处理木质纤维原料的热点问题及前沿研究，提供一种白腐菌降解木质纤维原料并分离半纤维素的方法。使用该方法处理木质纤维原料，所获得的半纤维素化学结构简单，且保留了半纤维素的乙酰基，此外还可以有效提高半纤维素的产出率。

为了解决上述技术问题，本发明的半纤维素制备方法采用了如下技术方案：

（1）将木质纤维原料粉碎成20～40目的木质纤维原料颗粒；

（2）将所述木质纤维素原料颗粒在水中浸泡10～30min，沥干水分后在高温蒸汽灭菌；

（3）向含有2%麦芽糖的琼脂培养基上接入白腐菌菌种，待菌丝铺满培养基表面后，加入灭菌后的木质纤维素原料颗粒，28℃静置培养4～16周；

（4）将经过步骤（3）处理的木质纤维原料颗粒用去离子水浸提4h，同时不断搅拌，然后过滤收集水相和残余固体组分；

（5）将收集的水相减压浓缩，获得浓缩液；

（6）向所述减压浓缩液加入98%乙醇混合，乙醇加入量为减压浓缩液体积的2～4倍，混合液在4℃条件下静置8～16h，然后通过离心分离得到半纤维素组分。

进一步，本发明的半纤维素制备方法中，步骤（3）中所述培养周期为8-10周。

进一步，本发明的半纤维素制备方法中，步骤（2）所述的白腐菌菌种为白腐菌灵芝（Ganoderma lucidum）、黄孢厚毛平革菌（Phanerochete chrysosporium）、变色栓菌（Thametes versicolor）、射脉菌（Phlebia radiata）或朱红密孔菌（Pycnoporus cinnabarinus）的一种或多种。

进一步，本发明的半纤维素制备方法中，所述木质纤维素原料为玉米秸秆、高粱秸秆、桦木或杨木。

进一步，本发明的半纤维素制备方法中，步骤（6）中向所述减压浓缩液加入乙醇为减压浓缩溶液体积3倍，并在4℃条件下静置12h，然后通过离心分离得到半纤维素组分。

本发明半纤维素制备方法的优点在于：首先本发明方法获得的半纤维素化学结构简单、乙酰基未被脱除，并能够提高半纤维素产率。此外获得的半纤维素产品中含有高达21.7～42.1%的半乳糖，能够为制备高半乳糖含量的低聚糖提供优质原料。由于本发明采用白腐菌进行生物处理，因而本发明具有作用条件温和、能耗低、专一性强、处理成本低及无环境污染的优点。

本发明还提供一种采用上述半纤维素制备方法制备的而成的半纤维素。其半乳糖含量为21.7～42.1%，葡萄糖含量为4.7～20.8%，葡萄糖醛酸含量为13.0～15.4%，半乳糖醛酸含量为6.0～8.2%；经凝胶渗透色谱测定的重均分子量为15990～27560g/mol，多分散系数为1.4～1.8。

进一步，所述半纤维素具有海绵状多孔微球结构。

通过本发明方法获得的半纤维素可用于生物法制备低聚糖或者作为生物转化生产木糖醇的原料。此外，还能用于制备水凝胶等生物质材料。

本发明为探索木质纤维原料通过生物转化法生产生物燃料和制备生物材料提供新思路，同时也为更好地保护木材资源免受微生物的降解提供借鉴意义。

附图说明

图1为对照例半纤维素（H₀）与实施例1半纤维素和实施例4半纤维素（H₁和H₄）的扫描电镜图；

图2为对照例半纤维素（H₀）与实施例1、实施例2、实施例3和实施例4所得半纤维素（H₀～H₄）的红外光谱图；

图3为木质纤维原料生物法降解机理示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细描述，但不作为对本发明的限定。

实施例1

（1）将木质纤维原料桦木粉碎成20～40目的桦木颗粒；

（2）将桦木颗粒在水中浸泡10min，沥干水分后在121℃下高温蒸汽灭菌20min。

（3）向装有2%麦芽琼脂培养基的三角瓶（500ml）中接入白腐菌灵芝Ganoderma lucidum BJFC005503的一个直径为1cm的菌饼，待菌丝生长铺满表面后，加入10g的灭菌桦木颗粒，均匀铺满，28℃静置培养4周后取出；

（4）将经过步骤（3）处理的桦木颗粒用250ml去离子水在搅拌作用下浸提4h，然后过滤收集水相和残余固体组分；

（5）将收集的水相减压浓缩，获得30ml减压浓缩溶液；

（6）向所述减压浓缩溶液加入其体积2倍的乙醇，并在4℃条件下静置8h，然后通过6000rpm离心分离得到半纤维素组分，标记为H₁。

经高效阴离子交换色谱测定该白腐菌处理4周后得到的水溶性半纤维素组分H₁主要含有半乳糖（42.1%）和葡萄糖醛酸（13.0%）；经凝胶渗透色谱测定分析，其重均分子量为27560g/mol，多分散性系数为1.8；而扫描电镜图显示为海绵状多孔微球结构（图1b）。桦木经白腐菌降解4周后残余组分含量为：纤维素46.6%，半纤维素26.2%，Klason木质素23.6%。

上述方法获得的半纤维素可用于生物法制备低聚糖，所制备的低聚糖中鼠李糖含量是对比例的8倍，阿拉伯糖为4.1倍，半乳糖为11.5倍。此外，通过本发明方法获得的半纤维素具有海绵状多孔微球结构，是用于制备水凝胶等生物质材料的优良材料。

实施例2

（1）将木质纤维原料桦木粉碎成20～40目的桦木颗粒；

（2）将桦木颗粒在水中浸泡15min，沥干水分后在121℃下高温蒸汽灭菌20min；

（3）向装有2%麦芽琼脂培养基的三角瓶（500ml）中接入白腐菌灵芝Ganoderma lucidum BJFC005503的一个直径为1cm的菌饼，待菌丝生长铺满表面后，加入10g的灭菌桦木颗粒，均匀铺满，28℃静置培养8周后取出；

（5）将收集的水相减压浓缩，获得30ml减压浓缩溶液；

（6）向所述减压浓缩溶液加入其体积3倍的乙醇，并在4℃条件下静置10h，然后通过7000rpm离心分离得到半纤维素组分，标记为H₂。

经高效阴离子交换色谱测定该白腐菌处理8周后得到的水溶性半纤维素组分H2主要含有半乳糖（31.3%）和葡萄糖醛酸（14.9%）；经凝胶渗透色谱测定分析，其重均分子量为20610g/mol，多分散性系数为1.6。桦木经白腐菌降解8周后残余组分含量为：纤维素48.6%，半纤维素25.5%，Klason木质素22.4%。

实施例3

（1）将木质纤维原料桦木粉碎成20～40目的桦木颗粒；

（2）将桦木颗粒在水中浸泡30min，沥干水分后在121℃下高温蒸汽灭菌20min；

（3）向装有2%麦芽琼脂培养基的三角瓶（500ml）中接入白腐菌灵芝Ganoderma lucidum BJFC005503的一个直径为1cm的菌饼，待菌丝生长铺满表面后，加入10g的灭菌桦木颗粒，均匀铺满，28℃静置培养12周后取出；

（5）将收集的水相减压浓缩，获得30ml减压浓缩溶液；

（6）向所述减压浓缩溶液加入其体积4倍的乙醇，并在4℃条件下静置12h，然后通过8000rpm离心分离得到半纤维素组分，标记为H₃。

经高效阴离子交换色谱测定该白腐菌处理12周后得到的水溶性半纤维素组分H₃主要含有半乳糖（24.5%）和甘露糖（15.3%）；经凝胶渗透色谱测定分析，其重均分子量为17690g/mol，多分散性系数为1.5。桦木经白腐菌降解12周后残余组分含量为：纤维素53.1%，半纤维素25.3%，Klason木质素20.1%。

实施例4

（1）将木质纤维原料桦木粉碎成20～40目的桦木颗粒；

（3）向装有2%麦芽琼脂培养基的三角瓶（500ml）中接入白腐菌灵芝Ganoderma lucidum BJFC005503的一个直径为1cm的菌饼和黄孢厚毛平革菌Phanerochete chrysosporium的一个直径为1cm的菌饼，待菌丝生长铺满表面后，加入10g的灭菌桦木颗粒，均匀铺满，28℃静置培养16周后取出；

（5）将收集的水相减压浓缩，获得30ml减压浓缩溶液；

（6）向所述减压浓缩溶液加入其体积3倍的乙醇，并在4℃条件下静置16h，然后通过8000rpm离心分离得到半纤维素组分，标记为H4。

经高效阴离子交换色谱测定该白腐菌处理16周后得到的水溶性半纤维素组分H4主要含有半乳糖（21.7%）和葡萄糖（20.8%）；经凝胶渗透色谱测定分析，其重均分子量为15990g/mol，多分散性系数为1.4。而扫描电镜图也显示出海绵状多孔微球结构（图1c）。桦木经白腐菌降解16周后残余组分含量为：纤维素53.1%，半纤维素24.8%，Klason木质素18.7%。

实施例5

（1）将木质纤维原料玉米秸秆粉碎成20～40目的玉米秸秆颗粒；

（2）将玉米秸秆颗粒在水中浸泡15min，沥干水分后在121℃下高温蒸汽灭菌20min；

（3）向装有2%麦芽琼脂培养基的三角瓶（500ml）中接入变色栓菌Thametes versicolor的一个直径为1cm的菌饼，待菌丝生长铺满表面后，加入10g的灭菌玉米秸秆颗粒，均匀铺满，28℃静置培养16周后取出；

（4）将经过步骤（3）处理的玉米秸秆颗粒用250ml去离子水在搅拌作用下浸提4h，然后过滤收集水相和残余固体组分；

（5）将收集的水相减压浓缩，获得30ml减压浓缩溶液；

（6）向所述减压浓缩溶液加入其体积3倍的乙醇，并在4℃条件下静置16h，然后通过8000rpm离心分离得到半纤维素组分。

经高效阴离子交换色谱测定该白腐菌处理16周后得到的水溶性半纤维素组分H₅主要含有半乳糖（35.6%）、葡萄糖（8.5%）、葡萄糖醛酸13.0%、半乳糖醛酸7.2%。经凝胶渗透色谱测定分析，其重均分子量为18560g/mol多分散系数为1.4。

对照例

（1）将粉碎至20～40目的桦木原料50g先用甲苯/乙醇（2:1,v/v）在索式抽提器里抽提8小时，然后用亚氯酸钠在75℃下处理2h（用乙酸调节pH3.6～3.8之间）。

（2）残余物质（综纤维素）与DMSO以固液比为1：25（g/ml）且通氮气的条件下，在80℃抽提综纤维素12h。

（3）得到的滤液经减压浓缩体积至20ml，并加入3倍乙醇沉淀，4℃条件下静置一晚上，再离心分离冷冻干燥，得到DMSO可溶性半纤维素，并标记为H₀。

经高效阴离子交换色谱测定该DMSO抽提得到的半纤维素组分H₀主要含有木糖（58.8%）和葡萄糖（26.6%）；经凝胶渗透色谱测定分析，其重均分子量为33960g/mol，多分散性系数为1.3。而扫描电镜图显示出平滑并有小的结块形状（图1a）。桦木残余组分含量分别为：纤维素44.2%，半纤维素26.4%，Klason木质素24.2%。

表1实施例1-4和对照例中半纤维素组分的单糖及糖醛酸的种类及含量(mol%)

表2实施例2-4和对照例中半纤维素组分重均分子量（M_w）、数均分子量（M_n）及多分散性指数（M_w/M_n）

由表1的糖分析可以看出，对照例的DMSO溶半纤维素主要含有木糖和葡萄糖，且分子量较大为33960g/mol（表2）；从图2红外光谱图显示出木糖（1045cm^–1）、乙酰基（1740cm^–1）、β葡萄糖苷键（899cm^–1）的特征峰；结合核磁共振波谱分析，可以确定桦木DMSO溶半纤维素主要结构组分为以(1→4)-β-D吡喃木糖基为主链，4-O-甲基-α-D-葡萄糖醛酸和乙酰基分别连接在木糖残基的C–2和C–2/C–3位上，并且还含有(1→4)-β-D-葡甘露聚糖的侧链结构。

结合表1的糖分析、表2的分子量测定、图1的扫描电镜图和图2的红外光谱图分析可以看出，经过白腐菌降解后得到的水溶性多糖为酸性半纤维素，含有较多的半乳聚糖和葡萄糖醛酸及半乳糖醛酸，且表面结构变得疏松，半纤维素结构简单。这一发现进而为半纤维素在白腐菌处理过程中表现出侧链先发生断裂从而生成分子量较小的半纤维素片段的降解机理过程提供了有力证据。

进而我们提出如图3所示的白腐菌降解木质纤维原料的机理：白腐菌能打断连接木质纤维各组分的共价键，解聚木质素，降低纤维素的结晶度并使得半纤维素部分降解，从而改变生物质组分的物理化学结构和性能。

本发明揭示了白腐菌降解过程中半纤维素结构变化，同时为探索木质纤维原料通过生物转化法生产生物燃料和制备生物材料提供新思路，也为更好地保护木材资源免受微生物的降解提供借鉴意义。

以上实施例仅为本发明的示例性实施例，不用于限制本发明，本发明的保护范围由权利要求书限定。本领域技术人员可以在本发明的实质和保护范围内，对本发明做出各种修改或等同替换，这种修改或等同替换也应视为落在本发明的保护范围内。

Claims

1.一种半纤维素制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)将木质纤维原料粉碎成20～40目的木质纤维原料颗粒；

(2)将所述木质纤维原料颗粒在水中浸泡10～30min，沥干水分后高温蒸汽灭菌；

(3)向含有2％麦芽糖的琼脂培养基上接入白腐菌菌种，待菌丝铺满培养基表面后，加入灭菌后的木质纤维原料颗粒，28℃静置培养4～16周；

(4)将经过步骤(3)处理的木质纤维原料颗粒用去离子水浸提4h，同时不断搅拌，然后过滤收集水相和残余固体组分；

(5)将收集的水相减压浓缩，获得浓缩液；

(6)向所述减压浓缩液加入乙醇混合，乙醇加入量为减压浓缩液体积的2～4倍，混合液在4℃条件下静置8～16h，然后通过离心分离得到半纤维素组分。

2.根据权利要求1所述的半纤维素制备方法，其特征在于，步骤(3)中所述培养周期为8-10周。

3.根据权利要求1所述的半纤维素制备方法，其特征在于，步骤(2)所述的白腐菌菌种为白腐菌灵芝(Ganoderma lucidum)、黄孢厚毛平革菌(Phanerochete chrysosporium)、变色栓菌(Thametes versicolor)、射脉菌(Phlebia radiata)或朱红密孔菌(Pycnoporus cinnabarinus)的一种或多种。

4.根据权利要求1所述的半纤维素制备方法，其特征在于，所述木质纤维原料为玉米秸秆、高粱秸秆、桦木或杨木。

5.根据权利要求1所述的半纤维素制备方法，其特征在于，步骤(6)中向所述减压浓缩液加入减压浓缩液体积的3倍乙醇混合，并在4℃条件下静置12h，然后通过离心分离得到半纤维素组分。

6.一种半纤维素，其特征在于，采用权利要求1～5所述的半纤维素制备方法制备而成。

7.根据权利要求6所述的半纤维素，其特征在于，其半乳糖含量为21.7～42.1％，葡萄糖含量为4.7～20.8％，葡萄糖醛酸含量为13.0～15.4％，半乳糖醛酸含量为6.0～8.2％；经凝胶渗透色谱测定的重均分子量为15990～27560g/mol，多分散系数为1.4～1.8。

8.根据权利要求6或7所述的半纤维素，其特征在于，所述半纤维素具有海绵状多孔微球结构。