CN106086114A - 秸秆多酚‑单糖联产工艺 - Google Patents

秸秆多酚‑单糖联产工艺 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种秸秆多酚‑单糖联产工艺，所述提取步骤包括：（1）粉碎秸秆粒径小于1mm；（2）利用酸或碱调节pH，固液萃取步骤（1）的秸秆中多酚，萃取温度为30‑150℃；（3）离心分离步骤（2）中的固体残渣后，利用乙酸乙酯等有机溶剂液液萃取中秸秆多酚；（4）旋蒸步骤（3）中的有机溶剂后，冷冻干燥制得秸秆多酚；（5）利用纤维素酶糖化步骤（3）中固体残渣，生产葡萄糖及木糖。本发明秸秆多酚‑单糖联产工艺能够在其转化过程中提取出多酚这种高附加值产品，降低了生物质乙醇的生产成本，使秸秆的生物转化成本必然大幅度下降；本实施例方法简单，易于工业化，对农作物废弃物的综合利用具有重大意义。

Description

秸秆多酚-单糖联产工艺
技术领域
本发明涉及一种生物质材料收集再利用的方法，特别是涉及一种农作物废弃物的综合利用方法，应用于固体废弃物资源化技术领域。
背景技术
生物质广义上指通过光合作用而产生的各种有机体，狭义上指植物、微生物以及其加工生产后的产品及废弃物。地球上最广泛存在的生物质为木质纤维素，具有代表性的木质纤维素为树木、秸秆和木材废弃物。有效地转化木质纤维素为能源、材料和化学品,不仅可以减少人类对石油的依赖，还可以减少二氧化碳排放。如果能把丰富的农林废渣等生物质资源应用于生物燃料、生物材料的生产中，不仅不会造成粮食的紧缺，还可以达到振兴农业经济，消减贫困的目的。我国年产农作物秸秆约7亿吨。
近年我国雾霾天气明显增加，污染程度加剧，已经严重影响了人民的日常生活，也给我国带来了国际、国内的负面社会影响。雾霾的形成有多种原因，秸秆的焚烧就是其中之一。焚烧秸秆时，大气中二氧化硫、二氧化氮、可吸入颗粒物等3项污染指数达到高峰值，其中二氧化硫的浓度比平时要高出1倍，二氧化氮、可吸入颗粒物的浓度比平时高出3倍。另外，燃烧秸秆还会导致大气能见度低，严重影响交通。目前，严禁农作物秸秆露天焚烧被列为重污染应急措施之一。可见，缓解雾霾、改善大气环境的当务之急是探寻良好的秸秆等农业废弃物处理方法。
把农业废弃物秸秆转化为生物燃料，不仅可以减少人类对石油基能源的依赖，还可以改善大气环境。然而，由于秸秆结构复杂，其生物转化需要多重预处理工艺及多种酶的协同作用，导致秸秆的生物转化成本居高不下。以秸秆为原料生产固体燃料、建材、生物炭等项目由于产品单一，成本高，一直难以推广。
发明内容
为了解决现有技术问题，本发明的目的在于克服已有技术存在的不足，提供一种秸秆多酚-单糖联产工艺，在秸秆生物炼制过程中，生产高附加值的主要包括多酚类物质的酚酸类物质，降低秸秆生物炼制成本。
为达到上述发明创造目的，本发明采用下述发明构思：
在水稻秸秆预处理及糖化在预处理和糖化过程中，特别是在物理粉碎过程中，伴随着纤维素和半纤维素的水解，会有大量的缩合单宁及阿魏酸、香豆酸等酚酸类物质从生物质中释放出来。这些高附加值的多酚类物质的释放与预处理方法、糖化条件有很强的相关性。将秸秆糖化和秸秆多酚释放结合起来，通过生产高附加值的多酚类物质，秸秆的生物转化成本必然大幅度下降。秸秆的生物炼制，如秸秆的生物乙醇转化，其主要问题是转化成本高，本发明能够在其转化过程中主要提取出多酚这种高附加值产品，可以降低乙醇的生产成本。
根据上述发明构思，本发明采用下述技术方案：
一种秸秆多酚-单糖联产工艺，包括如下步骤：
a. 秸秆的预处理：以秸秆为原料，将秸秆粉碎为粒径小于2mm的秸秆碎料，备用；上述秸秆优选采用水稻、大麦、小麦、玉米中的任意一种农作物或任意几种农作物的秸秆；
b. 利用酸或碱调节溶剂溶剂的pH，利用固液萃取方法，从所述步骤a的秸秆碎料提取多酚物质，得到渣-液混合体系；上述酸优选采用无机酸，所述碱采用无机碱；在调节溶剂的pH时，上述酸优选采用硫酸和盐酸中的任意一种酸或两种的混合酸，上述碱优选采用氢氧化钾和氢氧化钠中的任意一种碱或两种的混合碱；对秸秆碎料进行固液萃取时，控制固液萃取的温度优选最低为60℃；在进行固液萃取时，优选调节溶剂的pH大于7.0；
c. 采用离心分离的方法，从在所述步骤b中得到的渣液混合体系中分离出固体秸秆残渣和萃取后的溶液，对于萃取后的溶液，利用有机溶剂进行液液萃取的方法，从萃取后的溶液中萃取秸秆多酚，得到多酚和有机溶剂的混合液；对萃取后的溶液进行液液萃取时，控制液液萃取的温度优选为30～150℃；对萃取后的溶液进行液液萃取时，有机溶剂优选采用疏水性、挥发性强的有机溶剂；
d. 采用旋蒸法，使在所述步骤c中得到的多酚和有机溶剂的混合液中的有机溶剂被蒸发分离，然后将剩余物冷冻干燥后即制得主要含有多酚的产物；
e. 利用纤维素酶，糖化在所述步骤c中得到的固体秸秆残渣，生产葡萄糖及木糖，得到单糖。优作为优选的技术方案，优选采用酸性的缓冲液，向缓冲液中加入在所述步骤c中得到的固体秸秆残渣、四环素、纤维素酶，在不低于45℃的条件下进行糖化制备单糖。
作为本发明优选的技术方案，从在所述步骤d中得到主要含有秸秆多酚的产物中分离得到多酚、阿魏酸和香豆酸。
本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：
1. 本发明能够在其转化过程中提取出多酚这种高附加值产品，降低了生物质乙醇的生产成本，使秸秆的生物转化成本必然大幅度下降；
2. 本发明方法简单，易于工业化，对农作物废弃物的综合利用具有重大意义。
附图说明
图1为本发明优选实施例用秸秆液液萃取制备多酚和有机溶剂的混合液的多酚色谱图。
具体实施方式
本发明的优选实施例详述如下：
实施例一：
在本实施例中，参见图1，一种秸秆多酚-单糖联产工艺，包括如下步骤：
a. 秸秆的预处理：以秸秆为原料，将秸秆粉碎为粒径小于2mm的秸秆碎料，备用；
b. 利用碱调节溶剂溶剂的pH，利用固液萃取方法，添加10g的在所述步骤a中制备的秸秆碎料至100ml的质量浓度为2%的NaOH水溶液中，采用100rpm，在60℃震荡2小时，从秸秆碎料提取多酚物质，得到渣-液混合体系；
c. 采用离心分离的方法，从在所述步骤b中得到的渣液混合体系中分离出固体秸秆残渣和萃取后的溶液，对于萃取后的溶液，利用乙酸乙酯有机溶剂进行液液萃取的方法，在150℃下，从萃取后的溶液中萃取秸秆多酚，得到多酚和有机溶剂的混合液；
d. 采用旋蒸法，使在所述步骤c中得到的多酚和有机溶剂的混合液中的有机溶剂被蒸发分离，然后将剩余物冷冻干燥后即制得主要含有多酚的产物；从主要含有秸秆多酚的产物中分离得到多酚、阿魏酸和香豆酸；
e. 利用纤维素酶，糖化在所述步骤c中得到的固体秸秆残渣，生产葡萄糖及木糖，得到单糖。
实验测试分析：
对本实施例制备的主要含有多酚的产物和单糖进行实验测试分析。
秸秆糖化液的多酚色谱测试分析：
将在所述步骤d中制备的主要含有多酚的产物溶于60%甲醇，采用液相色谱仪测定多酚含量。
控制参数如下：
色谱柱：Agilgent XDB- C18；流动相：乙酸:甲醇:水=0.5:25:75(V/V)；色谱柱温：30℃；进样量：1 0μL ；检测器：紫外检测器；检测波长：280.0nm，流动相为5 mM H2SO4，流速为0.6ml/min。
实验结果：如图1和表1所示，秸秆中含有多种酚酸类物质。其中，阿魏酸及香豆酸是其主要成分，占秸秆组分的0.4%及0.7%。所以，通过碱处理我们可以从100Kg的水稻秸秆中得1.1Kg的香豆酸和阿魏酸。而在阿拉丁试剂网上，香豆酸（c108514-500g 98%）的价格为￥2780.00/ 500 g，阿魏酸（F103701-1kg 99%）的价格为￥2030.00/ kg。因此，本实施例在利用秸秆为原料转化乙醇的过程中高效地回收这些酚酸类物质，不仅可以提高发酵效率，也可以极大地降低乙醇生产成本。
表1 水稻秸秆中的酚酸类物质含量（% w/w)
没食子酸 儿茶素 表儿茶素酯 邻苯二甲酸 香草酸 丁香酸 香草醛 香豆酸 阿魏酸 多酚
0.017 0.001 0.029 0.074 0.029 0.065 0.022 0.701 0.426 2.86
酸碱预处理释放的多酚的DPPH活性实验测试分析：
实验方法：0.1mL样品混合于1mLDPPH甲醇溶液（0.2mM），室温放置30分钟后，利用分光光度计在517nm处定量分析DPPH活性。DPPH活性应用以下公式计算：
DPPH活性（%）=[（Ac-As）/Ac]×100
实验结果：DPPH法于1958年被提出，广泛用于定量测定生物试样和食品的抗氧化能力。此法是根据DPPH自由基有单电子，在517nm处有一强吸收，其醇溶液呈紫色的特性。当有自由基清除剂存在时，由于与其单电子配对而使其吸收逐渐消失，其褪色程度与其接受的电子数量成定量关系，因而可用进行快速的定量分析。本实验选取了2% H2SO4/NaOH, 130℃，30 min预处理条件下释放多酚测量DPPH活性。表2显示了酸碱预处理释放的多酚的DPPH活性。不论利用酸或碱萃取的多酚都有DPPH活性。但是，利用碱萃取的多酚DPPH活性更高。这可能是由于在酸性条件下过多的酚酸类物质被降解造成的。由此，本实施例采用碱处理能作为一种比较有效的秸秆多酚提取方法。同时，秸秆多酚的DPPH活性也为秸秆的多酚资源化提供了理论依据。
表2 酸碱预处理释放的多酚的DPPH活性
酸预处理 碱预处理
总多酚(g/100g rice straw) 0.958 2.324
p-香豆酸(g/100g rice straw) 0.061 0.493
阿魏酸(g/100g rice straw) 0.059 0.26
DPPH活性（IC50) 稀释3.8倍 稀释9.64倍
秸秆多酚-单糖联产的可行性分析：
实验方法：本实施例选取了质量浓度为2%的NaOH水溶液, 在130℃下，30 min条件下预处理的秸秆作为实验原料。称取干重1g的燥预处理后的秸秆，按固液比1:10溶于醋酸缓冲液中，加入2 μL 50 mg/mL四环素，分别加入纤维素酶（20 FPU/g）。样品置于恒温摇床中，45℃ 200 rpm进行反应。
实验结果：如表3所示，在糖化过程中，100个的秸秆中产生了28.5g的葡萄糖。这与未进行预处理的秸秆产生的葡萄糖量基本相同（数据未显示）。但是，由于纤维素的水解，有更多量的多酚被释放出来，以阿魏酸和香豆酸为例，糖化后其收率分别为0.39%及0.72%，比糖化前的收率有较大提高。
表3秸秆多酚-单糖联产的可行性参数表
总多酚(g/100g rice straw) 2.87
p-香豆酸(g/100g rice straw) 0.72
阿魏酸(g/100g rice straw) 0.39
葡萄糖(g/100g rice straw) 28．5
总之，本实施例秸秆多酚-单糖联产工艺能够在其转化过程中提取出多酚这种高附加值产品，降低了生物质乙醇的生产成本，使秸秆的生物转化成本必然大幅度下降；本实施例方法简单，易于工业化，对农作物废弃物的综合利用具有重大意义。
实施例二：
本实施例与实施例一基本相同，特别之处在于：
在本实施例中，一种秸秆多酚-单糖联产工艺，包括如下步骤：
a. 本步骤与实施例一相同；
b. 本步骤与实施例一相同；
c. 采用离心分离的方法，从在所述步骤b中得到的渣液混合体系中分离出固体秸秆残渣和萃取后的溶液，对于萃取后的溶液，利用乙酸乙酯有机溶剂进行液液萃取的方法，在30℃下，从萃取后的溶液中萃取秸秆多酚，得到多酚和有机溶剂的混合液；
d. 本步骤与实施例一相同；
e. 本步骤与实施例一相同。
本实施例同样实现了实施例一制备秸秆多酚和单糖的发明目的，本实施例秸秆多酚-单糖联产工艺能够在其转化过程中提取出多酚这种高附加值产品，降低了生物质乙醇的生产成本，使秸秆的生物转化成本必然大幅度下降；本实施例方法简单，易于工业化，对农作物废弃物的综合利用具有重大意义。
上面结合附图对本发明实施例进行了说明，但本发明不限于上述实施例，还可以根据本发明的发明创造的目的做出多种变化，凡依据本发明技术方案的精神实质和原理下做的改变、修饰、替代、组合或简化，均应为等效的置换方式，只要符合本发明的发明目的，只要不背离本发明秸秆多酚-单糖联产工艺的技术原理和发明构思，都属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种秸秆多酚-单糖联产工艺，其特征在于，包括如下步骤：
a. 秸秆的预处理：以秸秆为原料，将秸秆粉碎为粒径小于2mm的秸秆碎料，备用；
b. 利用酸或碱调节溶剂溶剂的pH，利用固液萃取方法，从所述步骤a的秸秆碎料提取多酚物质，得到渣-液混合体系；
c. 采用离心分离的方法，从在所述步骤b中得到的渣液混合体系中分离出固体秸秆残渣和萃取后的溶液，对于萃取后的溶液，利用有机溶剂进行液液萃取的方法，从萃取后的溶液中萃取秸秆多酚，得到多酚和有机溶剂的混合液；
d. 采用旋蒸法，使在所述步骤c中得到的多酚和有机溶剂的混合液中的有机溶剂被蒸发分离，然后将剩余物冷冻干燥后即制得主要含有多酚的产物；
e. 利用纤维素酶，糖化在所述步骤c中得到的固体秸秆残渣，生产葡萄糖及木糖，得到单糖。
2.根据权利要求1所述秸秆多酚-单糖联产工艺，其特征在于：在所述步骤b中，调节溶剂的pH时，所述酸采用无机酸，所述碱采用无机碱。
3.根据权利要求2所述秸秆多酚-单糖联产工艺，其特征在于：在所述步骤b中，调节溶剂的pH时，所述酸采用硫酸和盐酸中的任意一种酸或两种的混合酸，所述碱采用氢氧化钾和氢氧化钠中的任意一种碱或两种的混合碱。
4.根据权利要求1～3中任意一项所述秸秆多酚-单糖联产工艺，其特征在于：从在所述步骤d中得到主要含有秸秆多酚的产物中分离得到多酚、阿魏酸和香豆酸。
5.根据权利要求1～3中任意一项所述秸秆多酚-单糖联产工艺，其特征在于：在所述步骤b中，对秸秆碎料进行固液萃取时，控制固液萃取的温度最低为60℃。
6.根据权利要求1～3中任意一项所述秸秆多酚-单糖联产工艺，其特征在于：在所述步骤b中，在进行固液萃取时，优选调节溶剂的pH大于7.0。
7.根据权利要求1～3中任意一项所述秸秆多酚-单糖联产工艺，其特征在于：在所述步骤a中，所述秸秆为水稻、大麦、小麦、玉米中的任意一种农作物或任意几种农作物的秸秆。
8.根据权利要求1～3中任意一项所述秸秆多酚-单糖联产工艺，其特征在于：在所述步骤c中，对萃取后的溶液进行液液萃取时，控制液液萃取的温度为30～150℃。
9.根据权利要求1～3中任意一项所述秸秆多酚-单糖联产工艺，其特征在于：在所述步骤c中，对萃取后的溶液进行液液萃取时，采用的有机溶剂为疏水性、挥发性强的有机溶剂。
10.根据权利要求1～3中任意一项所述秸秆多酚-单糖联产工艺，其特征在于：在所述步骤e中，采用酸性的缓冲液，向缓冲液中加入在所述步骤c中得到的固体秸秆残渣、四环素、纤维素酶，在不低于45℃的条件下进行糖化制备单糖。
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