CN106167507B - 一种从木质纤维原料预水解液中分离木质素提纯低聚木糖的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种木质纤维原料预水解液分离木质素提纯低聚木糖的方法，木质纤维原料水热法预处理的预水解液除去不溶性颗粒物后，采用聚（苯乙烯‑二乙烯基苯）共聚物（PS‑DVB）微球吸附预水解液中的木质素得到提纯的粗低聚木糖溶液，吸附在PS‑DVB微球上的木质素用无水乙醇洗脱，含木质素的乙醇洗脱液经过旋转蒸发回收乙醇。解析出木质素的PS‑DVB微球和回收的乙醇可循环使用。本发明采用PS‑DVB微球吸附分离木质纤维原料水热法预水解液中的木质素，具有工艺简单、无毒副作用、木质素分离效率高的优点，而且PS‑DVB微球和乙醇可循环使用。

Description

一种从木质纤维原料预水解液中分离木质素提纯低聚木糖的 方法

技术领域

本发明属于功能糖制备技术领域，其中涉及一种从木质纤维原料预水解液中分离木质素提纯低聚木糖的方法。

技术背景

预处理是木质素纤维原料制备可发酵性糖的关键过程之一，木质纤维原料预处理方法包括物理法、化学法、物理-化学法和生物法。在原料预处理方法中，水热法预处理因具有不需要添加除水以外的其它任何化学试剂、对设备腐蚀性小、废水易处理等优点而被认为是有良好发展前景的绿色预处理方法。在水热法预处理过程中，半纤维素木聚糖上的乙酰基在高温条件下发生脱落，与水中的水合氢离子结合生成乙酸，从而使水热预处理体系呈弱酸性。随后，木质纤维原料中的木聚糖在弱酸性条件下发生降解和溶解，主要生成低聚木糖和少量木糖，此外，少量纤维素也发生降解和溶解作用生成少量纤维低聚糖和葡萄糖；部分木质素在弱酸性条件下发生碎片化，以小分子(分子量低于1000Da)的形式溶解在水热法预处理水解液(以下称“预水解液”)中。

低聚木糖是目前已知的对人体双歧杆菌增殖效果最好的功能性低聚糖，作为一种功能性添加剂可广泛应用于功能食品和保健品的生产。基于木质纤维原料生产可发酵性糖的水热法预处理，产生的预水解液中含有大量的低聚木糖，将这些预水解液中的低聚木糖分离提纯生产高纯度低聚木糖，可以大幅度降低木质纤维原料生产可发酵性糖的成本，经济效益显著。

可溶性木质素是水热法预水解液中含量较高的一种杂质成分，从预水解液中分离木质素的方法有絮凝法、有机溶剂抽提法、树脂法、超滤法和纳滤法等方法。预水解液中木质素分子量(低于1000Da)和聚合度为2-7的低聚木糖分子量(286-956Da)相近，因此基于分子量差异的超滤法和纳滤法不能将木质素和低聚木糖有效分离。离子交换树脂和基于尺寸排阻的树脂能用于低聚糖和单糖的分离，但对预水解液中的木质素和低聚木糖也不能实现有效分离。利用有机溶剂乙酸乙酯可从预水解液中抽提出木质素，但成本高，且乙酸乙酯具有毒性，不适合于食品级低聚木糖的生产。

聚(苯乙烯-二乙烯基苯)共聚物(PS-DVB)是一类疏水性的聚合物微球，在酸碱溶剂中化学稳定性好，粒径高度均一，表面无极性，不易产生非特异性吸附，可用于预水解液中木质素的分离。

发明内容

发明目的：针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种从木质素纤维原料预水解液中分离木质素提纯低聚木糖的方法，具有操作简单、吸附介质PS-DVB微球和溶剂乙醇可重复使用、木质素分离效率高、低聚木糖回收率高等优点。

技术方案：为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案如下：

一种从木质纤维原料预水解液中分离木质素提纯低聚木糖的方法，在木质纤维原料水热法预处理的预水解液除去不溶性颗粒物后，采用PS-DVB微球吸附分离预水解液中的木质素，得到提纯的粗低聚木糖溶液，吸附在PS-DVB微球上的木质素用无水乙醇洗脱，含木质素的乙醇洗脱液经过旋转蒸发回收乙醇；解析出木质素的PS-DVB微球和回收的乙醇循环使用。

所述的从木质纤维原料预水解液中分离木质素提纯低聚木糖的方法，采用过滤或离心分离方法除去预水解液中的不溶性颗粒物。

所述的采用PS-DVB微球吸附分离预水解液中的木质素，方法为：澄清的预水解液用蠕动泵通过装填有PS-DVB微球的分离柱吸附木质素，收集分离液，得到粗低聚木糖溶液。

所述的水热法预处理条件：固液比1:8～15、160-200℃下水热预处理40-60min。

柱分离法中，采用无水乙醇洗脱PS-DVB微球上的木质素，含木质素的乙醇洗脱液经过旋转蒸发回收乙醇，乙醇和PS-DVB微球循环使用。

所述的从木质纤维原料预水解液中分离木质素提纯低聚木糖的方法，具体步骤如下：

(1)木质纤维原料水热法预处理的预水解液采用过滤或离心分离方法除去其中的不溶性颗粒物；

(2)除去不溶性颗粒物后的预水解液，用蠕动泵通过以PS-DVB微球为填料的分离柱吸附木质素，收集分离液，得到粗低聚木糖溶液；

(3)将无水乙醇用蠕动泵通过步骤(2)中吸附木质素的PS-DVB微球分离柱，解析出吸附的木质素，收集洗脱液得到木质素乙醇溶液；

(4)步骤(3)得到的木质素乙醇溶液通过旋转蒸发回收乙醇，回收乙醇后的PS-DVB微球和乙醇循环使用。

有益效果：与现有技术相比，本发明采用PS-DVB微球吸附分离木质纤维原料水热法预水解液中的木质素，具有工艺简单、无毒副作用、木质素分离效率高的优点，而且PS-DVB微球和乙醇可循环使用。

具体实施方式

以下结合具体实施对本发明作进一步阐述。实施例是为说明而非限制本发明。本领域中任何普通技术人员能够理解这些实施例，不以任何方式限制本发明，可做适当的修改而不违背本发明的实质和偏离本发明的范围。

以下实施例中，预水解液、粗低聚木糖溶液和木质素乙醇溶液中木质素、低聚木糖和木糖测定方法：

木质素浓度采用紫外分光光度计测得吸收值并根据“朗伯-比尔定律”计算得出。溶液稀释一定倍数之后，在280nm下测得紫外吸收值，根据c＝A/εb得到木质素浓度。

木糖和葡萄糖浓度采用色谱法测定：采用高效液相色谱(Agilent 1200)法分析，外标法测定。采用Bio-Rad Aminex HPX-87H色谱柱(7.8mm×300mm)，进样量10μL；流动相0.005mol/L H₂SO₄，流速0.6mL/min，柱温55℃，示差折光检测器检测。

低聚木糖和纤维低聚糖浓度测定方法：取含低聚木糖和纤维低聚糖的溶液于水解瓶中，加入等体积8％H₂SO₄于121℃下反应1h，反应结束后用50％NaOH调节反应液pH值1-3，用蒸馏水定容至一定体积V₀，在Agilent 1200高效液相色谱仪上分别测定稀释液中木糖和葡萄糖浓度C₀和C₀₀。另取V mL含低聚木糖和纤维低聚糖的溶液，稀释一定倍数，色谱法测定其中原有的木糖和葡萄糖浓度C₁和C₁₁，则样品中低聚木糖和纤维低聚糖的浓度计算如下：

C_低聚木糖＝(V₀/V×C₀-C₁)×0.88

C_{纤维低聚糖}＝(V₀/V×C₀₀-C₁₁)×0.90

式中：V：含低聚木糖和纤维低聚糖的溶液样品体积，mL；V₀：样品水解、中和、定容后的稀释液的体积，mL；C₀：稀释液中木糖浓度，g/L；C₀₀：稀释液中葡萄糖浓度，g/L；C₁：含低聚木糖和纤维低聚糖的溶液中木糖浓度，g/L；C₁₁：含低聚木糖和纤维低聚糖的溶液中葡萄糖浓度，g/L；0.88：低聚木糖和木糖的转化系数；0.90：纤维低聚糖和葡萄糖的转化系数。

实施例1

木质纤维原料预水解液的制备方法，过程如下：

(1)80g绝干枫香树片或毛竹片(大小10×20mm)分别装入1L的Parr高温高压反应器中，按照固液比1:10加入蒸馏水。Parr反应器在15min内升温至180℃，保温40min。反应结束后用布袋过滤得到枫香树或毛竹预水解液。用布氏漏斗过滤除去预水解液中细小的不溶颗粒物，得到澄清的预水解液。

(2)取1mL枫香树或毛竹预水解液稀释到一定倍数，在紫外分光光度计280nm下测定其吸收值，根据c＝A/εb得到木质素浓度并计算得到预水解液中木质素浓度。

(3)取1mL预水解液至色谱瓶中，利用HPLC测定其中木糖和葡萄糖含量。

(4)取3mL预水解液至10mL试管中，加入3mL质量分数为8％的H₂SO₄，在121℃条件下水解1h。反应结束后，取1mL酸水解液至色谱瓶中，利用HPLC测定其中木糖和葡萄糖浓度。按公式计算预水解液中低聚木糖、纤维低聚糖浓度。

800mL枫香树和毛竹预水解液中木质素、低聚木糖、纤维低聚糖、木糖和葡萄糖含量如表1。

表1 800mL枫香树和毛竹预水解液中木质素和糖组分含量(g)

预水解液	木质素	低聚木糖	木糖	纤维低聚糖	葡萄糖
						枫香树	2.61	5.06	1.44	0.97	0.35
毛竹	2.84	5.69	1.45	0.52	0.17

实施例2

木质纤维原料预水解液中木质素的分离以及低聚木糖的提纯，过程如下：

(1)取25g左右PS-DVB微球颗粒(XAD16N)装入15×1cm的空玻璃分离柱。填满PS-DVB颗粒的分离柱用100mL无水乙醇活化1h后，用300mL去离子水清洗柱子，用蠕动泵控制无水乙醇和蒸馏水流速在1.5-2mL/min之间。

(2)取100mL预水解液用蠕动泵流过步骤(1)中的分离柱，收集分离液S1。分离结束后用100mL去离子水清洗分离柱以得到残留在分离柱上的糖，并收集清洗液S2。合并分离液S1和清洗液S2即为粗低聚木糖溶液，并记录总体积(189mL)。该步骤流速控制在1.5-2mL/min之间。

(3)取100mL无水乙醇用蠕动泵以1.5-2mL/min流速流过步骤(2)中已吸附木质素的分离柱，收集清洗液L1。另外取100mL无水乙醇用蠕动泵以4-5mL/min快速流过分离柱，收集清洗液L2。合并清洗液L1和L2即为木质素溶液，并记录总体积(185mL)。

(4)取10mL木质素溶液用于分析，剩余木质素溶液通过旋转蒸发回收乙醇。

实施例3

(1)取1mL粗低聚木糖溶液和木质素乙醇溶液，分别稀释到一定倍数后在紫外分光光度计280nm下测定其吸收值，根据c＝A/εb得到木质素浓度并计算得到两种溶液中木质素含量。

(2)取1mL粗低聚木糖溶液和木质素乙醇溶液至色谱瓶中，利用HPLC测定其中木糖和葡萄糖含量。

(3)取3mL粗低聚木糖溶液和木质素乙醇溶液分别至10mL试管中，加入3mL质量分数为8％的H₂SO₄，在121℃条件下水解1h。反应结束后，取1mL酸水解液至色谱瓶中，利用HPLC测定其中木糖和葡萄糖含量。利用步骤(2)和(3)的测定结果根据公式计算粗低聚木糖溶液和木质素乙醇溶液中低聚木糖和纤维低聚糖浓度。

根据(1)、(2)和(3)中得到的粗低聚木糖溶液和木质素乙醇溶液中木质素浓度和各糖组分浓度，计算出800mL枫香树和毛竹预水解液经过PS-DVB微球分离后木质素去除率和低聚木糖回收率，结果如表2所示。

表2 800mL枫香树和毛竹预水解液经PS-DVB微球吸附分离木质素和低聚木糖提纯结果。单位：g。

结果表明：800mL含5.06g低聚木糖和2.61g木质素的枫香树水热法预水解液，经PS-DVB微球分离柱吸附分离木质素后，获得的粗低聚木糖溶液中含低聚木糖4.72g、低聚木糖回收率93.28％，木质素乙醇溶液中木质素2.18g、木质素去除率83.52％。说明本发明可有效地从枫香树预水解液中将大部分木质素分离除去，且低聚木糖回收率高，从而提纯了枫香树预水解液中的低聚木糖。

同样，800mL含5.69g低聚木糖和2.84g木质素的毛竹水热法预水解液，经PS-DVB微球分离柱吸附分离木质素后，获得的粗低聚木糖溶液中含低聚木糖5.28g、低聚木糖回收率92.79％，木质素乙醇溶液中木质素2.54g、木质素去除率89.44％。说明本发明可有效地从毛竹预水解液中将大部分木质素分离除去，且低聚木糖回收率高，从而提纯了毛竹预水解液中的低聚木糖。

Claims (6)

1.一种从木质纤维原料预水解液中分离木质素提纯低聚木糖的方法，其特征在于：在木质纤维原料水热法预处理的预水解液除去不溶性颗粒物后，采用聚(苯乙烯-二乙烯基苯)共聚物微球吸附分离预水解液中的木质素，得到提纯的粗低聚木糖溶液；吸附在PS-DVB微球上的木质素用无水乙醇洗脱，含木质素的乙醇洗脱液经过旋转蒸发回收乙醇；解析出木质素的PS-DVB微球和回收的乙醇循环使用。

2.根据权利要求1所述的从木质纤维原料预水解液中分离木质素提纯低聚木糖的方法，其特征在于，采用过滤或离心分离方法除去预水解液中的不溶性颗粒物。

3.根据权利要求1所述的从木质纤维原料预水解液中分离木质素提纯低聚木糖的方法，其特征在于，预水解液除去不溶性颗粒物后获得澄清的预水解液，澄清的预水解液用蠕动泵通过装填有PS-DVB微球的分离柱吸附木质素，收集分离液，得到粗低聚木糖溶液。

4.根据权利要求1所述的从木质纤维原料预水解液中分离木质素提纯低聚木糖的方法，其特征在于，所述的水热法预处理条件：固液比1:8～15、160-200℃下水热预处理40-60min。

5.根据权利要求3所述的从木质纤维原料预水解液中分离木质素提纯低聚木糖的方法，其特征在于，柱分离法中，采用无水乙醇洗脱吸附在PS-DVB微球上的木质素，含木质素的乙醇洗脱液经过旋转蒸发回收乙醇，乙醇和PS-DVB微球循环使用。

6.根据权利要求1所述的从木质纤维原料预水解液中分离木质素提纯低聚木糖的方法，其特征在于，具体步骤如下：

(1)木质纤维原料水热法预处理的预水解液采用过滤或离心分离方法除去其中的不溶性颗粒物；

(2)除去不溶性颗粒物后的预水解液，用蠕动泵通过以PS-DVB微球为填料的分离柱吸附木质素，收集分离液，得到粗低聚木糖溶液；

(3)将无水乙醇用蠕动泵通过步骤(2)中吸附木质素的PS-DVB微球分离柱，解析出吸附的木质素，收集洗脱液得到木质素乙醇溶液；

(4)步骤(3)得到的木质素乙醇溶液通过旋转蒸发回收乙醇，回收乙醇后的PS-DVB微球和乙醇循环使用。