CN107868806A - 一种由木质纤维素制备低聚木糖的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种由木质纤维素制备低聚木糖的方法，所述方法包括对木质纤维素原料进行超微粉碎、水热预处理、酶解反应和灭酶步骤，获得的低聚木糖提取液中木二糖含量高，木二糖提取率优于碱处理方案，无污染，酶解反应效率高，为玉米芯等木质纤维素的工业化应用提供了一种新的技术方案。

Description

一种由木质纤维素制备低聚木糖的方法
技术领域
本发明属于食品技术领域，具体涉及一种由木质纤维素制备低聚木糖的方法。
背景技术
木质纤维素是丰富而廉价的可再生资源，富含木质纤维素的生物质主要包括农业类生物质（如玉米秆、小麦秆、稻秆和甘蔗渣等）和林业类生物质（杨树、按树和松树等），其主要组分包括纤维素、半纤维素和木质素。据统计，地球上只有3.5%的生物质被人类利用，大部分生物质资源尚未被人类开发利用，任其在生长环境中自生自灭，如果地球上的生物质资源能得到有效利用，人类将拥有一个取之不尽、用之不竭的资源宝库。随着石油资源短缺及人们对能源、环境问题重视度的提高，利用木质纤维素类生物质作为生物能源并生成生物基产品（生物燃料、生物基化学品和生物基材料）受到世界各国越来越广泛的重视，成为新的发展领域和科学研究热点。研究开发木质纤维素类物质的转化技术，将木质纤维素原料高效地转化为单糖，进一步发酵成酒精，对开发新能源，保护环境具有非常重要的现实意义，是实现社会可持续发展的重要途径。
低聚木糖又称木寡糖，是由2-7个木糖分子以β-1,4糖苷键结合而成的功能性聚合糖。与通常人们所用的大豆低聚糖、低聚果糖、低聚异麦芽糖等相比具有独特的优势，其很难为人体消化酶所分解，糖尿病人、肥胖病人和低血糖病人均可放心食用，并且酸、热稳定性好，可以选择性地促进肠道双歧杆菌的增殖活性，其双歧因子功能是其它聚合糖类的10-20倍。木质纤维素是制备低聚木糖的一个重要来源。
木质纤维素通过生物化学技术转化为生物燃料和高附加值的化学品（例如低聚木糖）的过程一般包括预处理、水解和发酵等步骤，其中，原料预处理是生物质高效转化的关键环节。传统的预处理方法包括在酸或碱条件下进行部分水解除去木质素，也有报道采用离子液体来提高纤维素的溶解能力，然而，这些方法均倾向于将木质纤维素大量分解为单糖，同时酸或碱的使用，对环境也有一定的污染。水热预处理方法是在高温条件下（160～240℃）水自电离产生氧离子形成水合离子，使得对酸不稳定的糖苷键断裂，从而使半纤维素解聚并且从生物质基质中溶解出来，并使部分纤维素水解，以消除对纤维素酶的空间阻碍，从而提高酶解反应效率，有利于木聚糖酶将木质纤维素可控地水解为低聚木糖，尤其是木二糖。并且在众多的预处理方法中，由于不需要添加任何酸性或碱性化学试剂、减轻了对设备的腐蚀作用等优点，作为一种新兴的绿色环保处理技术成为近年来研究的热点。
发明内容
为了进一步提高由木质纤维素制备低聚木糖的效率，发明人对生物质原料的预处理条件进行深入研究，发现采用超微粉碎技术与水热预处理技术相结合，相较于碱处理技术而言，能够很好地提高木二糖的提取率，进而提高低聚木糖的获取效率，从而完成本发明。
因此，在一个方面，本发明提供一种由木质纤维素制备低聚木糖的方法，所述方法包括以下步骤：
（1）木质纤维素原料超微粉碎
将木质纤维素原料干燥后，首先进行粗粉碎，然后进行超微粉碎，获得粒度范围为0.1μm-5μm的木质纤维素原料粉；
（2）水热预处理
将步骤（1）的木质纤维素原料粉与水以1:5～1:15的质量（g）体积（mL）比置于反应釜中，在150℃～190℃下水热预处理20 min～60 min，冷却后过滤，得到提取液；
（3）酶解反应
向所述提取液中，按照质量（g）体积（mL）比0.5%～1.5%的添加量加入木聚糖酶，摇匀后，置于50℃～55℃下水解20min～30min，得到水解液；
（4）灭酶
将所述水解液置于85℃～90℃下保温15min～20min，冷却后离心，收集上清液，获得低聚木糖提取液。
在具体实施方式中，所述木质纤维素原料可以为玉米芯、玉米秸秆、棉花秆等，优选玉米芯。步骤（1）中，优选将粗粉碎的木质纤维素原料置于超微粉碎机中超微粉碎15min以上。
在优选的实施方式中，所述方法仅由上述步骤（1）-（4）组成。
在另一个方面，本发明还提供了由上述方法获得的低聚木糖提取液，优选地，其中木二糖含量高达64mg/g以上。
本发明的优点在于：首先采用超微粉碎技术将干燥后的木质纤维素原料（玉米芯）粉碎，使其组织结构比较细密，表面积增加，然后用水热预处理方法对木质纤维素进行预处理，使木质纤维素中的半纤维素解聚并从生物质基质中溶解出来，并使部分纤维素水解，从而提高后续的酶解反应效率。最后用木聚糖酶可控地降解制备低聚木糖，本方案无需添加酸或碱等化学试剂，避免了对设备的腐蚀，即能获得更优的木二糖提取率，无污染，酶解反应效率高，为玉米芯等木质纤维素的工业化应用提供一种新的技术方案。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行进一步说明。
实施例1
一种由木质纤维素制备低聚木糖的方法，所述方法包括：
（1）玉米芯超微粉碎
将玉米芯干燥后，首先在万能粉碎机中进行粗粉碎，然后在超微粉碎机中超微粉碎15min以上，获得粒度范围为0.1μm-5μm的玉米芯粉；
（2）水热预处理
将100g步骤（1）获得的玉米芯粉与600mL水置于反应釜中，在190℃下水热预处理60min，冷却后过滤，得到提取液；
（3）酶解反应
向100mL提取液中，加入1g木聚糖酶，摇匀后，置于50℃下水解30min，得到水解液；
（4）灭酶
将所述水解液置于90℃下保温20min，冷却后离心，收集上清液，获得低聚木糖提取液。
实施例2
一种由木质纤维素制备低聚木糖的方法，所述方法包括：
（1）玉米芯超微粉碎
将玉米芯干燥后，首先在万能粉碎机中进行粗粉碎，然后在超微粉碎机中超微粉碎15min以上，获得粒度范围为0.1μm-5μm的玉米芯粉；
（2）水热预处理
将100g步骤（1）获得的玉米芯粉与1500mL水置于反应釜中，在150℃下水热预处理50min，冷却后过滤，得到提取液；
（3）酶解反应
向100mL提取液中，加入0.5g木聚糖酶，摇匀后，置于55℃下水解20min，得到水解液；
（4）灭酶
将所述水解液置于90℃下保温20min，冷却后离心，收集上清液，获得低聚木糖提取液。
实施例3
一种由木质纤维素制备低聚木糖的方法，所述方法包括：
（1）玉米芯超微粉碎
将玉米芯干燥后，首先在万能粉碎机中进行粗粉碎，然后在超微粉碎机中超微粉碎15min以上，获得粒度范围为0.1μm-5μm的玉米芯粉；
（2）水热预处理
将100g步骤（1）获得的玉米芯粉与500mL水置于反应釜中，在190℃下水热预处理20min，冷却后过滤，得到提取液；
（3）酶解反应
向100mL提取液中，加入1.5g木聚糖酶，摇匀后，置于50℃下水解30min，得到水解液；
（4）灭酶
将所述水解液置于85℃下保温15min，冷却后离心，收集上清液，获得低聚木糖提取液。
对比例1
除了步骤（1）中将干燥的玉米芯在万能粉碎机中进行粉碎，获得粒度范围为5mm-10mm的玉米芯粉以外，其它步骤同实施例1。
对比例2
除了步骤（1）中将干燥的玉米芯在万能粉碎机中进行粉碎，获得粒度范围为100μm-250μm的玉米芯粉以外，其它步骤同实施例1。
对比例3
一种由木质纤维素制备低聚木糖的方法，所述方法包括：
（1）玉米芯粉碎
将玉米芯干燥后，首先在万能粉碎机中进行粉碎，获得粒度范围为5mm-10mm的玉米芯粉；
（2）碱处理
将100g步骤（1）获得的玉米芯粉与1mol/L氢氧化钠水溶液按照1:25料液比混合，在110℃下处理40 min，冷却后过滤，加入稀盐酸调节pH至中性，得到提取液；
（3）酶解反应
向100mL提取液中，加入1g木聚糖酶，摇匀后，置于50℃下水解30min，得到水解液；
（4）灭酶
将所述水解液置于90℃下保温20min，冷却后离心，收集上清液，获得低聚木糖提取液。采用高效液相色谱法对上述获得的低聚木糖提取液中的组分（木二糖、木三糖、木四糖）含量进行测定，色谱条件为：色谱柱Hi-Plex Na（300×7.7 mm，10 μm）；水作为流动相；流速0.2 mL·min-1；柱温78 ℃；示差检测器温度为35 ℃。结果如下表1所示：
表1
木二糖 木三糖 木四糖 木二糖提取率
实施例1 64.437 6.853 1.835 6.44%
实施例2 62.834 2.975 0.679 6.28%
实施例3 61.265 4.837 1.271 6.13%
对比例1 4.136 0.038 0.012 0.41%
对比例2 0.2470 0.0607 0.0148 0.025%
对比例3 57.89 - 42.82 5.78%
注：木二糖、木三糖和木四糖的含量单位为mg/g（以每克玉米芯原料计），木二糖提取率的计算公式为：木二糖提取率=木二糖的含量/玉米芯的质量；“-”表示未检测到。
由以上表1的结果可以看出，本发明实施例1-3采用超微粉碎与水热处理相结合的技术，很好地提高了木二糖的提取率。从对比例1和对比例2的结果比较着可以看出，水热预处理前对原料玉米芯进行的粉碎处理对后续酶解反应步骤产生巨大影响，粉碎粒度越细，低聚木糖提取效率越高，然而，采用超微粉碎技术将原料玉米芯的粒度降至0.1μm-5μm范围内时，酶解反应后的木二糖提取率提升至少15倍-257倍，大大优化了生产效率。同时，相较于采用碱处理的技术方案（对比例3），不仅木二糖的提取率略有提高，同时可避免碱性试剂对生产设备的腐蚀，更适于工业大规模生产，环保性能佳。
以上仅描述了本发明的较佳实施方式，但本发明并不限于上述实施例。本领域技术人员可以理解的是，能够实现本发明技术效果的任何相同或相似手段，均应落入本发明的保护范围内。

Claims (6)

1. 一种由木质纤维素制备低聚木糖的方法，所述方法包括以下步骤：
（1）木质纤维素原料超微粉碎
将木质纤维素原料干燥后，首先进行粗粉碎，然后进行超微粉碎，获得粒度范围为0.1μm-5μm的木质纤维素原料粉；
（2）水热预处理
将步骤（1）的木质纤维素原料粉与水以1:5～1:15的质量体积比置于反应釜中，在150℃～190℃下水热预处理20 min～60 min，冷却后过滤，得到提取液；
（3）酶解反应
向所述提取液中，按照质量体积比0.5%～1.5%的添加量加入木聚糖酶，摇匀后，置于50℃～55℃下水解20min～30min，得到水解液；
（4）灭酶
将所述水解液置于85℃～90℃下保温15min～20min，冷却后离心，收集上清液，获得低聚木糖提取液。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述木质纤维素原料为玉米芯、玉米秸秆、棉花秆。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述木质纤维素原料为玉米芯。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤（1）中，将粗粉碎的木质纤维素原料置于超微粉碎机中超微粉碎15min以上。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法仅由上述步骤（1）-（4）组成。
6.由权利要求1-5中任一项所述的方法获得的低聚木糖提取液。
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