CN105541929B - 一种微波辅助有机酸制备低聚木糖的方法 - Google Patents

一种微波辅助有机酸制备低聚木糖的方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于生物质化学品制备技术领域，公开了一种微波辅助有机酸制备低聚木糖的方法。所述方法为：脱蜡玉米芯磨碎筛分后用NaOH溶液进行抽提，过滤，滤液用HCl溶液调pH，减压浓缩，加入乙醇沉淀，过滤，洗涤，冷冻干燥，得到半纤维素组分；然后将半纤维素、有机酸及水进行超声处理，置于微波反应器中，在微波功率为400～600W，温度为120～140℃条件下反应10～30min，反应结束冷却，抽滤分离，收集水解液，得到产物低聚木糖。本发明的方法无无机酸和有机溶剂的加入，并采用微波为热源，具有副产物少、低聚木糖产率高和绿色环保的优点。

Description

一种微波辅助有机酸制备低聚木糖的方法
技术领域
本发明属于生物质化学品制备技术领域，具体涉及一种微波辅助有机酸制备低聚木糖的方法。
背景技术
能源紧缺是如今世界各国都面临的一大难题，由于人类对石化资源的过度利用，能源及环境问题显得越来越严峻。农林生物质具有环境友好、可生物降解、再生周期短等优点。因此，应对能源危机的一个有效途径就是利用农林生物质逐渐替代石油等不可再生能源。
低聚木糖，基本糖单元是木糖基，聚合度为2～7，低聚木糖的酸稳定性和热稳定性都较好，粘度低，操作使用很方便。低聚木糖作为一种功能性食品，因其显著的双歧杆菌增值效果以及有效用量低而备受关注。用于生产低聚木糖的原料有玉米芯、甘蔗渣、棉籽壳、燕麦、桦木等富含木聚糖的木质纤维素生物质。
低聚木糖的主要生产方法有酶法、化学法、化学-酶联合法。化学法中的酸水解法是直接用酸使半纤维素原料降解，常用的酸为硫酸、盐酸、三氟乙酸等无机酸，用无机酸解法会产生大量副产物，同时使设备腐蚀严重。有机酸如草酸具有选择性高、腐蚀性低、后处理简单等优点。利用有机酸催化剂代替传统无机酸催化剂可以大大克服反应条件苛刻，环境污染，设备腐蚀等缺点，具有技术上和经济上的可行性。
发明内容
为了解决以上现有技术的缺点和不足之处，本发明的目的在于一种微波辅助有机酸制备低聚木糖的方法。
本发明目的通过以下技术方案实现：
一种微波辅助有机酸制备低聚木糖的方法，包括以下制备步骤：
(1)碱抽提：脱蜡玉米芯磨碎筛分后用NaOH溶液进行抽提，过滤，滤液用HCl溶液调pH，减压浓缩，加入乙醇沉淀，过滤，洗涤，冷冻干燥，得到半纤维素组分；
(2)水解反应：在反应器中加入步骤(1)得到的半纤维素、有机酸及水进行超声处理，然后置于微波反应器中，在微波功率为400～600W，温度为120～140℃条件下反应10～30min，反应结束冷却，抽滤分离，收集水解液，得到产物低聚木糖。
优选地，所述磨碎筛分后的脱蜡玉米芯的目数为40～60目。
优选地，所述NaOH溶液的质量浓度为4.5～5.5％；脱蜡玉米芯和NaOH溶液的固液比为1:(15～25)。
优选地，所述抽提的温度为55～65℃，时间为3～5h。
优选地，所述用HCl溶液调pH是指用质量浓度为5.5％～6.5％的HCl溶液调pH值为5～6。
优选地，所述减压浓缩的温度为60～70℃；浓缩的比例为1/10～1/8。
优选地，所述乙醇沉淀是指用质量浓度为94％～96％的乙醇进行沉淀。
优选地，所述超声处理的条件为：超声功率30～40KHz，超声处理时间为20～40min。
优选地，步骤(2)中所述半纤维素与水的质量比为1:(90～110)。
优选地，步骤(2)中所述的有机酸为草酸、柠檬酸或马来酸。
优选地，所述有机酸的浓度为0.3～0.5M，有机酸的加入量与半纤维素的体积质量比为1ml/g。
本发明的制备方法具有如下优点及有益效果：
(1)发明所述方法没有涉及无机酸的加入，避免了设备腐蚀，两段过程不加入有机溶剂，工艺更为环保；
(2)本发明反应过程中的有机酸具有类似于酶催化的特点，使半纤维素变得易于水解，且副产物少，安全、无毒，具有环境友好性；
(3)本发明采用微波为热源，具有反应速度快、反应条件温和的优点，达到节能减排的目的，降低低聚木糖生产成本。
附图说明
图1为本发明实施例1～3的一种微波辅助有机酸制备低聚木糖的方法的工艺流程图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
本实施例的一种微波辅助有机酸制备低聚木糖的方法，其工艺流程图如图1所示。具体制备步骤如下：
(1)碱处理：从玉米芯中制备半纤维素
将玉米芯用丙酮-乙醇溶液处理得到脱蜡的玉米芯，然后将脱蜡的玉米芯磨碎筛分(40目)风干后与4.5％NaOH溶液在55℃下抽提3h，固液比为1:15。之后再用5.5M HCl溶液调节pH至5，然后在旋转蒸发仪60℃下进行减压浓缩至原体积1/10，随后用200ml的94％乙醇溶液沉淀，然后静置，离心分离，洗涤多次，洗涤的目的是把沉淀里的盐分冲洗洗涤出去，然后放在通风橱里让乙醇挥发完全，随后加入少许水，放入冰箱冷冻室冷冻，然后放在冷冻干燥机中进行干燥，最后将干燥完全的半纤维素样品用研钵磨成粉末。
(2)水解反应：微波辅助有机酸法催化半纤维素制备低聚木糖
取0.1g步骤(1)中得到的半纤维素，加水9ml以及0.1ml 0.3M的草酸溶液，在功率为30KHz的超声洗涤器里超声处理20min，然后转移到高压反应釜中，在120℃温度下微波反应10min，微波功率为400W，反应过后冷却至室温，过滤分离得到富含低聚木糖的水解液。
采用高效液相色谱仪(HPLC)测定低聚木糖得率：
低聚木糖得率＝高效液相色谱测出的浓度÷1000；其中低聚木糖得率单位为g/100g(是指100g绝干玉米芯经过催化后得到的糠醛的质量)，高效液相色谱测出的浓度单位为ppm即mg/L。
经计算得出，本实施例中所述方法最终得到的低聚木糖产率为27.48g/100g。
实施例2
本实施例的一种微波辅助有机酸制备低聚木糖的方法，其工艺流程图如图1所示。具体制备步骤如下：
(1)碱处理：从玉米芯中制备半纤维素
将玉米芯用丙酮-乙醇溶液处理得到脱蜡的玉米芯，然后将脱蜡的玉米芯磨碎筛分(50目)风干后与5％NaOH溶液在60℃下抽提4h，固液比为1:20。之后再用6M HCl溶液调节pH至5.5，然后在旋转蒸发仪65℃进行减压浓缩至原体积1/9，随后用300ml的95％乙醇溶液沉淀，然后静置，离心分离，洗涤多次，洗涤的目的是把沉淀里的盐分冲洗洗涤出去，然后放在通风橱里让乙醇挥发完全，随后加入少许水，放入冰箱冷冻室冷冻，然后放在冷冻干燥机中进行干燥，最后将干燥完全的半纤维素样品用研钵磨成粉末。
(2)水解反应：微波辅助有机酸法催化半纤维素制备低聚木糖
取0.2g步骤(1)中得到的半纤维素，加水20ml以及0.2ml 0.4M的马来酸溶液，在功率为35KHz的超声洗涤器里超声处理30min，然后转移到高压反应釜中，在130℃温度下微波反应20min，微波功率为500W，反应过后冷却至室温，过滤分离得到富含低聚木糖的水解液。
采用高效液相色谱仪(HPLC)测定低聚木糖得率：
低聚木糖得率＝高效液相色谱测出的浓度÷1000；其中低聚木糖得率单位为g/100g(是指100g绝干玉米芯经过催化后得到的糠醛的质量)，高效液相色谱测出的浓度单位为ppm即mg/L。
经计算得出，本实施例中所述方法最终得到的低聚木糖产率为14.17g/100g。
实施例3
本实施例的一种微波辅助有机酸制备低聚木糖的方法，其工艺流程图如图1所示。具体制备步骤如下：
(1)碱处理：从玉米芯中制备半纤维素
将玉米芯用丙酮-乙醇溶液处理得到脱蜡的玉米芯，然后将脱蜡的玉米芯磨碎筛分(60目)风干后与5.5％NaOH溶液在65℃下抽提5h，固液比为1:25。之后再用6.5M HCl溶液调节pH至6，然后在旋转蒸发仪70℃下进行减压浓缩至原体积1/8，随后用400ml的96％乙醇溶液沉淀，然后静置，离心分离，洗涤多次，洗涤的目的是把沉淀里的盐分冲洗洗涤出去，然后放在通风橱里让乙醇挥发完全，随后加入少许水，放入冰箱冷冻室冷冻，然后放在冷冻干燥机中进行干燥，最后将干燥完全的半纤维素样品用研钵磨成粉末。
(2)水解反应：微波辅助有机酸法催化半纤维素制备低聚木糖
取0.3g步骤(1)中得到的半纤维素，加水33ml以及0.3ml 0.5M的柠檬酸溶液，在功率为40KHz的超声洗涤器里超声处理40min，然后转移到高压反应釜中，在140℃温度下微波反应30min，微波功率为600W，反应过后冷却至室温，过滤分离得到富含低聚木糖的水解液。
采用高效液相色谱仪(HPLC)测定低聚木糖得率：
低聚木糖得率＝高效液相色谱测出的浓度÷1000；其中低聚木糖得率单位为g/100g(是指100g绝干玉米芯经过催化后得到的糠醛的质量)，高效液相色谱测出的浓度单位为ppm即mg/L。
经计算得出，本实施例中所述方法最终得到的低聚木糖产率为15.60g/100g。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其它的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种微波辅助有机酸制备低聚木糖的方法，其特征在于包括以下制备步骤：
(1)碱抽提：脱蜡玉米芯磨碎筛分后用NaOH溶液进行抽提，过滤，滤液用HCl溶液调pH，减压浓缩，加入乙醇沉淀，过滤，洗涤，冷冻干燥，得到半纤维素组分；
(2)水解反应：在反应器中加入步骤(1)得到的半纤维素、有机酸及水进行超声处理，然后置于微波反应器中，在微波功率为400～600W，温度为120～140℃条件下反应10～30min，反应结束冷却，抽滤分离，收集水解液，得到产物低聚木糖；
步骤(2)中所述的有机酸为柠檬酸或马来酸；有机酸的浓度为0.3～0.5M；有机酸的加入量与半纤维素的体积质量比为1ml/g。
2.根据权利要求1所述的一种微波辅助有机酸制备低聚木糖的方法，其特征在于：所述磨碎筛分后的脱蜡玉米芯的目数为40～60目。
3.根据权利要求1所述的一种微波辅助有机酸制备低聚木糖的方法，其特征在于：所述NaOH溶液的质量浓度为4.5～5.5％；脱蜡玉米芯和NaOH溶液的固液比为1:(15～25)。
4.根据权利要求1所述的一种微波辅助有机酸制备低聚木糖的方法，其特征在于：所述抽提的温度为55～65℃，时间为3～5h。
5.根据权利要求1所述的一种微波辅助有机酸制备低聚木糖的方法，其特征在于：所述用HCl溶液调pH是指用质量浓度为5.5％～6.5％的HCl溶液调pH值为5～6。
6.根据权利要求1所述的一种微波辅助有机酸制备低聚木糖的方法，其特征在于：所述减压浓缩的温度为60～70℃，浓缩的比例为1/10～1/8；所述乙醇沉淀是指用质量浓度为94％～96％的乙醇进行沉淀。
7.根据权利要求1所述的一种微波辅助有机酸制备低聚木糖的方法，其特征在于所述超声处理的条件为：超声功率30～40KHz，超声处理时间为20～40min。
8.根据权利要求1所述的一种微波辅助有机酸制备低聚木糖的方法，其特征在于：步骤(2)中所述半纤维素与水的质量比为1:(90～110)。
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