CN112301074B - 利用林木生物质制备低聚木糖和纤维低聚糖的方法 - Google Patents

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Abstract

利用林木生物质制备低聚木糖和纤维低聚糖的方法，在粉碎过筛的林木生物质物料中加入水，搅拌均匀，微波处理；将物料进行固液分离，再向分离后的固相沉淀物中添加分离出的同等体积的水后，继续在同样条件下进行微波处理，循环重复，直至液相中木糖含量不再减少；收集每次固液分离所得到的木聚糖溶液，采用木聚糖酶对其进行酶解，制备低聚木糖；采用β‑葡聚糖酶对分离得到的固体进行酶解，制备纤维低聚糖。该方法绿色环保，高效简便。低聚木糖得率大于80%，纤维低聚糖得率大于60%。

Description

利用林木生物质制备低聚木糖和纤维低聚糖的方法
技术领域
本发明属于生物质炼制领域，具体涉及一种利用林木生物质制备低聚木糖和纤维低聚糖的方法。
背景技术
生物质是指利用大气、水、土地等通过光合作用而产生的各种有机体，包括有机物（如植物、动物及其排泄物）、垃圾及有机废水等几大类，其中林木生物质作为一种重要的生物质资源受到了广泛关注。随着我国经济由高速增长向高质量发展的转变，林木生物质的利用也面临着由能源制备向绿色产业发展的新的现实需求，将林木生物质资源转化为生物基化学品及材料是也是当今社会的研究热点和发展趋势。在组成农林生物质细胞壁的三大组分——纤维素、半纤维素和木质素中，半纤维素因分离纯化困难及结构复杂，迄今为止利用最少。低聚木糖是由 2~7个木糖以 β-1,4-糖苷键连接而形成的直键或分支键低聚合度糖的总称。作为半纤维素的降解产物，低聚木糖是一种新型的益生元和功能性低聚糖。无论是生理功能还是理化性质方面均优于其它非消化性低聚糖，对双歧杆菌增殖能力显著，且肠道菌对其利用率较差，它也是有效用量最少的功能性低聚糖。同时它还具有良好的理化特性，如优良的热稳定性、酸稳定性和贮藏稳定性，甜度适中，感官特性适于与食品配伍，因此，低聚木糖成为半纤维素高值化利用研究中的热点。纤维低聚糖通常指由2~l0个葡萄糖以β-l,4糖苷键相连而成的低聚糖，是功能性低聚糖家族中的重要成员。作为纤维素的降解产物，纤维低聚糖在临床上能预防便秘、降低冠心病和癌症的发病率，治疗糖尿病和肥胖症，可以降低血清中胆固醇和甘油三酯含量，促进矿物质如钙、镁、铁等的吸收，具有提高机体免疫力，改善人体健康状态的功能；基于纤维低聚糖结构刚性、分子量低及稳定性好等特性，可以应用于制药和化妆品工业；此外，纤维低聚糖还被广泛应用于研究纤维素酶水解机制和动力学以及研究微生物利用纤维素的情况，包括纤维素酶合成、细胞生长和生物能学的机理。然而由于单一聚合度纤维低聚糖之间只相差一个葡萄糖单元，所以分离难度大，成本高。目前虽然纤维低聚糖在国外已经被研究了半个世纪左右，但至今还未实现工业化生产。微波水热法即利用微波作为加热工具，能够克服水热容器加热不均匀的缺点，缩短反应时间，提高工作效率，有加热速度快，加热均匀，无温度梯度，无滞后效应等优点。微波处理物料可产生两种效应：物理效应和热效应。物理效应是微波辐射产生一种持续变化的磁场，导致生物质内的极性键产生相应于磁场的振动，进而提供内部热量给生物质。极性键的这种分布和振动可加速物理、生物和化学过程。热效应是在水溶液中对物料进行热处理，产生乙酸，导致物料在酸性环境中自发水解。本发明利用微波水热处理林木生物质原料，协同酶法制备低聚木糖和纤维低聚糖，制备工艺绿色环保，高效简便。
在木质纤维组织结构中，半纤维素以氢键和共价键的形式与木质素和纤维素分子结合，难以从纤维中分离，资源化利用受到限制。加之半纤维素的热值（13.6 MJ/kg）较低，约为木质素热值的1/2，其燃烧回收热能的价值不高，所以经济化利用半纤维素资源，将其转化成附加值较高的产品成为近年来的研究热点。高温液态水法又称高压热水（Hotcompressed water）法或自动水解 （autohydrolysis），是指完全以液态水来水解生物质中的半纤维素，近年来该法作为酶水解预处理的新方法及低聚木糖的制备方法而得到关注。高温高压下，水会解离出H+和OH-催化半纤维素的水解，此法不用化学试剂，成本低廉，产物中发酵抑制物含量低、木糖等糖类回收率高。微波加热是物质在电磁场中由介质损耗引起的体积加热，在高频变换的微波能量场作用下，分子运动由原来杂乱无章的状态变成有序的高频振动，从而使分子动能转变成热能，其能量通过空间或媒介以电磁波的形式传递，可实现分子水平上的搅拌，达到均匀加热，因此微波加热又称为无温度梯度的“体加热”。采用微波水热能够克服水热容器加热不均匀的缺点，缩短反应时间，提高工作效率，有加热速度快，加热均匀，无温度梯度，无滞后效应等优点。
发明内容
解决的技术问题：本发明旨在提供一种利用林木生物质制备低聚木糖和纤维低聚糖的方法。
技术方案：利用林木生物质制备低聚木糖和纤维低聚糖的方法，步骤为：在粉碎过筛的林木生物质物料中加入固液比为1:15~1:20的水，固液比单位g/mL，搅拌均匀，微波处理温度为180~200℃，功率为800~1000 W，压力为3.0 MPa，每次处理时间为20~30 min；将物料进行固液分离，再向分离后的固相沉淀物中添加分离出的同等体积的水后，继续在同样条件下进行微波处理，循环重复，直至液相中木糖含量不再减少；收集每次固液分离所得到的木聚糖溶液，采用木聚糖酶对其进行酶解，制备低聚木糖；采用β-葡聚糖酶对分离得到的固体进行酶解，制备纤维低聚糖。
上述微波水热技术处理林木生物质的方法为：在粉碎过0.425mm筛的林木生物质物料中加入固液比为1:15~1:20的水，固液比单位g/mL，搅拌均匀，微波处理温度为180~200℃，功率为800~1000 W，压力为3.0 MPa， 每次处理时间为20~30 min。
优选的，将收集的木聚糖溶液调节pH值至5.0~5.5，木聚糖酶的加酶量为50~60 U/mL，置于45℃水浴摇床中，150 r/min振荡水解12 h。
优选的，将分离得到的固体加水搅拌均匀，调节pH值至6.0~6.5，加入β-葡聚糖酶50~60 U/mL，置于45℃水浴摇床中，150 r/min振荡水解24 h。
上述林木生物质原料为杨木屑，竹加工废弃物和构树枝桠的林木加工废弃物。
上述木聚糖酶是细菌来源、真菌来源或毕赤酵母表达的木聚糖酶中的至少一种；β-葡聚糖酶是细菌、曲霉或青霉来源β-葡聚糖酶中的至少一种。
有益效果：（1）本发明采用微波水热技术处理林木生物原料，经过重复处理，可以将半纤维素高效地降解为木聚糖游离在液相中，有利于木聚糖的进一步酶解；同时提高了原料中纤维素对纤维素酶的可及度，从而提高纤维低聚糖的得率。（2）该方法绿色环保，高效简便。低聚木糖得率大于80%，纤维低聚糖得率大于60%。
附图说明
图1为技术路线图；
图2为不同功率微波处理毛竹样品的红外谱图。
具体实施方式
以下实施例进一步说明本发明的内容，但不应理解为对本发明的限制。在不背离本发明精神和实质的情况下，对本发明方法、步骤或条件所作的修改和替换，均属于本发明的范围。
若未特别指明，实施例中所用的技术手段为本领域技术人员所熟知的常规手段。
实施例1
微波水热处理杨木屑制备低聚木糖和纤维低聚糖的方法：取杨木屑原料粉碎，过0.425mm筛，烘干备用；在杨木屑粉末中加入固液比为1:20（g/mL）的水，搅拌均匀，微波处理温度为185℃，功率为800 W，压力为3.0 MPa，处理时间为25 min。微波水热处理后将物料进行固液分离，所得固体再加入原体积的水再次进行微波处理，如此循环重复，直至液相中木糖含量不再减少，将几次微波处理所分离得到的液体和固体分别保存备用；将分离得到的液体置于250 mL水解瓶中，装液量为50 mL，调节pH值至5.5，加酶量为60 U/mL，置于45℃水浴摇床中，150 r/min振荡水解12 h。酶解结束后采用离子色谱测定低聚木糖的含量，低聚木糖得率指酶解产物中低聚木糖与底物中半纤维素含量的比值。经测定，产物主要为木二糖（11.83 g/L）和木三糖（4.59 g/L），低聚木糖得率为82.30%；将分离得到的固体置于150mL水解瓶中，加水50 mL，搅拌均匀，调节pH值至6.0，加入β-葡聚糖酶60 U/mL，置于45℃水浴摇床中，150 r/min振荡水解24 h。酶解结束后采用离子色谱测定纤维低聚糖的含量，纤维低聚糖得率指产物中纤维低聚糖与底物中纤维素含量的比值。经测定，产物主要为纤维二糖（7.20 g/L）和纤维三糖低聚糖（3.18 g/L），纤维低聚糖的得率为61.52%。
实施例2
微波水热处理毛竹制备低聚木糖和纤维低聚糖的方法：取毛竹原料粉碎，过0.425mm筛，烘干备用；在毛竹粉末中加入固液比为1:20（g/mL）的水，搅拌均匀，微波处理温度为200℃，功率为1000 W，压力为3.0 MPa，处理时间为30 min。微波水热处理后将物料进行固液分离，所得固体再加入原体积的水再次进行微波处理，如此循环重复，直至液相中木糖含量不再减少，将几次微波处理所分离得到的液体和固体分别保存备用；将分离得到的液体置于250 mL水解瓶中，装液量为50 mL，调节pH值至5.5，加酶量为50 U/mL，置于45℃水浴摇床中，150 r/min振荡水解12 h。酶解结束后采用离子色谱测定低聚木糖的含量，低聚木糖得率指酶解产物中低聚木糖与底物中半纤维素含量的比值。经测定，产物主要为木二糖（10.33 g/L）和木三糖（4.07g/L），低聚木糖得率为80.59%；将分离得到的固体置于150mL水解瓶中，加水50mL，搅拌均匀，调节pH值至6.0，加入β-葡聚糖酶55/mL，置于45℃水浴摇床中，150 r/min振荡水解24 h。酶解结束后采用离子色谱测定纤维低聚糖的含量，纤维低聚糖得率指产物中纤维低聚糖与底物中纤维素含量的比值。经测定，产物主要为纤维二糖（6.36 g/L）和纤维三糖（2.72g/L），纤维低聚糖的得率为60.16%。
表1 微波水热预处理杨木和毛竹制备低聚木糖及纤维低聚糖
样品 杨木 毛竹
木聚糖得率（%） 82.30 80.59
木二糖（g/L） 11.83 10.33
木三糖（g/L） 4.59 4.07
纤维低聚糖得率（%） 61.52 60.16
纤维二糖（g/L） 7.20 6.36
纤维三糖（g/L） 3.18 2.72

Claims (1)

1.利用林木生物质制备低聚木糖和纤维低聚糖的方法，其特征在于步骤为：在粉碎过0.425mm筛的杨木屑或毛竹中加入固液比为1:15~1:20的水，固液比单位g/mL，搅拌均匀，微波处理温度为180~200℃，功率为800~1000 W，压力为3.0 MPa，每次处理时间为20~30 min；将物料进行固液分离，再向分离后的固相沉淀物中添加分离出的同等体积的水后，继续在同样条件下进行微波处理，循环重复，直至液相中木糖含量不再减少；收集每次固液分离所得到的木聚糖溶液，调节木聚糖溶液pH值至5.0~5.5，木聚糖酶的加酶量为50~60 U/mL，置于45℃水浴摇床中，150 r/min振荡水解12 h，制备低聚木糖；将分离得到的固体加水搅拌均匀，调节pH值至6.0~6.5，加入β-葡聚糖酶50~60 U/mL，置于45℃水浴摇床中，150 r/min振荡水解24 h制备纤维低聚糖。
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