CN110669875B - 一种化学机械法从植物中提取木糖的综合利用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种化学机械法从植物中提取木糖的综合利用方法。该方法为：先将全杆农业废弃物经过机械挤压预处理，随后将挤压后的植物原料，加入碱溶液浸渍，充分搅拌使其浸渍均匀；然后通过机械磨浆处理，结束后转移至反应釜中，洗涤并固液分离，得到的黑液，待降至室温后，加入酸液调节pH，沉出碱液中溶解的木质素，固液分离后，木质素可以作为热源或者通过改性得到工业化应用原料，上清液用碱液调节pH，搅拌后加入乙醇溶液，得到高纯度木糖。本发明不仅可以高效提取生物质内的木糖，而且得到的纤维形态良好，可以进行造纸资源再利用，从而使木材、芦苇、麦草、甘蔗渣等农业废弃物得到最大化的综合利用。

Description

一种化学机械法从植物中提取木糖的综合利用方法

技术领域

本发明属于木材、芦苇、麦草、甘蔗渣等农业废弃物资源综合利用领域，具体涉及植物通过化学机械法相结合的方法高效提取植物纤维中的木糖。

背景技术

木糖作为一种天然、健康、营养的甜味剂，在广义上被认为是碳水化合物，也可以狭义地定义为多元醇。目前，由于其甜度相当于蔗糖，且热量低，消化缓慢且有限，可以广泛应用于食品、药品等多领域，尤其是对糖尿病人等的食品药品领域是必备品，因此越来越受到人们的关注，这为在很多领域取代蔗糖和葡萄糖作为添加剂提供了广阔的前景，天然木糖还可改性后制备多种化学品、药品添加剂，其应用领域和市场需求逐年扩大。

在自然界中，木糖广泛存在于各种水果和蔬菜中，但含量较少，因此，在工业上大多是生物合成。每年,像木材、芦苇、麦草、甘蔗渣等农业废弃物的这种非木材原料中含有大量的木糖，无疑成为生产低聚木糖的理想原料。并且木材、芦苇、麦草、甘蔗渣等农业废弃物年产量较大、原料成本低廉、来源丰富，但大多被丢弃或焚烧，不仅造成资源浪费还造成巨大的环境污染。因此，合理有效的开发可再生的植物纤维原料，不仅可以推动经济的健康发展、节约能源，而且对环境起到了有效的保护作用。

而目前大规模的工业工艺提取木糖仅通过单一的化学法来提取纤维细胞壁内的木糖，其结果是提取率低、化学品剂量大，导致生产成本高、效益低，在高值化利用方面并没有达到理想要求。受化学机械浆的启发，在化学处理原料的前提下先通过机械处理将纤维与纤维之间打开，暴露更多的半纤维素，有利于化学药品的浸渍与反应，不仅可以提高木糖的提取率，还可以降低化学品的用量，更值得提出的是，通过化学机械法提取木糖后，纤维仍具有很好的纤维性能，可以对其进行造纸利用，从而实现资源的综合高效利用，对实现商业化生产具有重要的经济意义。同时，也为生产市场前景较好和利润大的高附加值产品提供重要的技术支撑。

发明内容

本发明的主要目的是通过物理机械法与化学法相结合，破除植物细胞壁，达到细纤维化，促进碱液渗透至纤维内部，从而提高木聚糖的提取率。

本发明技术方案如下。

一种化学机械法从植物中提取木糖的综合利用方法，包括如下步骤：

一种化学机械法从植物中提取木糖的综合利用方法，其特征在于，包括以下步骤：

先将全杆农业废弃物经过机械挤压预处理，随后将挤压后的植物原料，加入碱溶液浸渍，使得固液比为1:2~1:12g/mL、碱浓为2%~12%，充分搅拌使其浸渍均匀。然后通过机械磨浆处理1~10min，结束后转移至反应釜中，在100℃~121℃、0.142~0.165Mpa条件下继续反应10~70min，反应结束后，洗涤并固液分离，纤维固体残渣以备后续作为纤维类原料综合利用。得到的黑液，待降至室温后，加入酸液调节pH至2~3，沉出碱液中溶解的木质素。固液分离后，木质素可以作为热源或者通过改性得到工业化应用原料，上清液则用碱液调节pH至5~6，充分搅拌后以1~4倍的量加入乙醇溶液，进行醇沉、离心分离、提纯，得到高纯度木糖。

上述方法中，所述的生物质原料为木材、玉米杆、芦苇、麦草、甘蔗渣等植物。

上述方法中，所述的机械挤压预处理为螺旋挤压等。

上述方法中，所述的碱溶液为氢氧化钠、氢氧化钾等溶液。

上述方法中，所述的机械磨浆后为多齿磨浆设备等。

上述方法中，所述的反应釜为恒温水浴、高压灭菌锅、蒸煮器等。

上述方法中，所述的酸液调pH为冰醋酸、盐酸、硫酸等。

与现有技术相比，本发明的优势在于：

由于植物原料三大组分之间彼此交缠，紧密相连，纤维之间通过胞间层的木质素相连结，单一的化学法不能充分浸渍到纤维内部，从而无法最大化提高木糖的提取率。本发明提出了挤压、磨浆与化学法相结合的两步机械化学法处理，首先使用挤压的手段促使细胞壁破壁、纤维解离，此基础上在碱液润涨的作用下再进行磨浆处理，达到细纤维化，将纤维与纤维之间打开，从而使更多的半纤维素暴露在外，更有利于药液的浸渍。并且通过化学机械法提取木糖后，纤维仍具有很好的纤维性能，可以对其进行造纸利用，如此的综合化利用更有利于今后的工业化发展。磨浆工艺简单易操作，实验过程中损失较少，由结果可知，两步机械与化学法相结合的方式在一定程度上促进了木糖的提取。

附图说明

图1为原料经过切割粉碎处理和螺旋挤压/磨浆结合处理的对比实验图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步地具体详细描述，但本发明的实施方式不限于此，对于未特别注明的工艺参数，可参照常规技术进行。

实施例1

先将全杆玉米秸秆经过螺旋挤压预处理，随后将30g的挤压后玉米秸秆，加入氢氧化钠溶液浸渍，使得固液比为1:6g/mL、氢氧化钠溶液质量百分比浓度为8%，充分搅拌使其浸渍均匀。然后通过Mark V1型PFI磨（仪器型号为HAMJERN MASKIN 621，产地挪威）磨浆处理8min，结束后转移至高压灭菌锅中，在121℃、0.165Mpa条件下继续反应60min，反应结束后，洗涤并固液分离，纤维固体残渣以备后续作为纤维类原料综合利用。得到的黑液，待降至室温后，加入冰醋酸调节pH至3，沉出碱液中溶解的木质素。固液分离后，木质素可以作为热源或者通过改性得到工业化应用原料，上清液则用氢氧化钠溶液调节pH至5，充分搅拌后以1倍的量加入95%的乙醇溶液，进行醇沉、离心分离、提纯，得到高纯度木糖。

实施例2

先将全杆玉米秸秆经过螺旋挤压预处理，随后将30g的挤压后玉米秸秆，加入氢氧化钠溶液浸渍，使得固液比为1:8g/mL、碱浓为10%，充分搅拌使其浸渍均匀。然后通过PFI磨浆处理6min，结束后转移至高压灭菌锅中，在121℃、0.165Mpa条件下继续反应45min，反应结束后，洗涤并固液分离，纤维固体残渣以备后续作为纤维类原料综合利用。得到的黑液，待降至室温后，加入冰醋酸调节pH至3，沉出碱液中溶解的木质素。固液分离后，木质素可以作为热源或者通过改性得到工业化应用原料，上清液则用氢氧化钠溶液调节pH至5，充分搅拌后以2倍的量加入95%的乙醇溶液，进行醇沉、离心分离、提纯，得到高纯度木糖。如图所示，结果显示，经过两步机械和化学法处理后，纤维得率、木素去除率和木糖提取率均有明显的提升，且纤维具备良好的可利用状态。

实施例3

先将全杆玉米秸秆经过螺旋挤压预处理，随后将30g的挤压后玉米秸秆，加入氢氧化钠溶液浸渍，使得固液比为1:10g/mL、碱浓为12%，充分搅拌使其浸渍均匀。然后通过PFI磨浆处理4min，结束后转移至高压灭菌锅中，在121℃、0.165Mpa条件下继续反应30min，反应结束后，洗涤并固液分离，纤维固体残渣以备后续作为纤维类原料综合利用。得到的黑液，待降至室温后，加入冰醋酸调节pH至3，沉出碱液中溶解的木质素。固液分离后，木质素可以作为热源或者通过改性得到工业化应用原料，上清液则用氢氧化钠溶液调节pH至5，充分搅拌后以3倍的量加入95%的乙醇溶液，进行醇沉、离心分离、提纯，得到高纯度木糖。

本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种化学机械法从植物中提取木糖的综合利用方法，其特征在于，包括以下步骤：

先将全杆农业废弃物经过机械挤压预处理，随后将挤压后的植物原料，加入碱溶液浸渍，使得固液比为1:2～1:12g/mL、碱溶质量百分比浓度为2％～12％，充分搅拌使其浸渍均匀；然后通过机械磨浆处理1～10min，结束后转移至反应釜中，在100℃～121℃、0.142～0.165Mpa条件下继续反应10～70min，反应结束后，洗涤并固液分离，纤维固体残渣以备后续作为纤维类原料综合利用，得到的黑液，待降至室温后，加入酸液调节pH至2～3，沉出碱液中溶解的木质素，固液分离后，木质素可以作为热源或者通过改性得到工业化应用原料，上清液则用碱液调节pH至5～6，充分搅拌后以1～4倍的量加入乙醇溶液，进行醇沉、离心分离、提纯，得到高纯度木糖；

所述的全杆农业废弃物为木材、玉米杆、芦苇、麦草或甘蔗渣；

所述机械挤压预处理为螺旋挤压；

所述碱溶液为氢氧化钠溶液或氢氧化钾溶液；

所述机械磨浆处理为多齿磨浆设备；

所述反应釜为恒温水浴、高压灭菌锅或蒸煮器；

所述酸液调pH为冰醋酸、盐酸或硫酸。

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