CN114410707B - 一种纯化阔叶木制浆预水解液中糖分的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于生物技术领域，涉及一种纯化阔叶木制浆预水解液中糖分的方法，具体步骤为：利用锰过氧化物酶处理阔叶木制浆预水解液，进而采用活性炭等吸附材料处理预水解液，分离得到纯化后的预水解液。本发明的方法有效降低了预水解液中糖分的损失，提高了水解液中木质素的去除率，实现了预水解中糖分的纯化，有利于糖分进一步的高效分离与高值化利用。
Description
技术领域
本发明属于生物技术领域，具体涉及一种纯化阔叶木制浆预水解液中糖分的方法。
背景技术
公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
预水解是生物质分级利用过程中的重要预处理手段，在溶解浆生产过程中，利用水热法预处理制浆原料将半纤维素和木质素溶出到水解液中，从而提升后续制浆效率。水解液中的主要成分为半纤维素、木质素、少量的葡萄糖，以及乙酸、糠醛、5-羟甲基糠醛等降解副产物。对水解液中的组分进行分离并转化为相应产品，可以提升水解液的附加值，实现生物质资源的高值化利用。阔叶木制浆预水解液中半纤维素的主要组分为木聚糖和木糖，可以用于制备低聚木糖、木糖醇等具有高附加值的产品，在此过程中需用到木聚糖酶和酵母菌等，然而木质素等杂质对酶和微生物的活性具有较强的抑制作用，降低糖分的利用效率。为提高水解液中半纤维素的利用效率，需去除水解液中的木质素。
目前，常用的木质素分离方法有物理法、化学法和生物法等。由于单一手段对木质素的脱除效果有限，一般采用多种手段相结合的方式实现对木质素与糖分的分离。物理法主要使用活性炭、沸石、大孔树脂等吸附去除木质素，是常用的纯化手段；化学法主要采用阳离子絮凝剂，如聚丙烯酰胺、氢氧化钙、氧化钙等药品与水解液中木质素形成絮凝进而去除。然而采用物理法、化学法去除木质素过程中，糖分损失较为严重。生物法主要采用生物酶(如漆酶、辣根过氧化物酶等)处理水解液，聚合其中的木质素，使其易于通过物理、化学法等方式去除，因其具有条件温和、糖损失小、使用化学药剂少、环保绿色等优点成为研究热点。
专利CN201510278306.8公开了木质素降解液及制备方法以及用其降解木质素的方法，解决现有采用漆酶等单一木质素酶难以实现木质素高效生物降解的问题。所述木质素降解液由漆酶和锰过氧化物酶，与单一木质素酶降解反应体系相比，木质素高分子的降解率可达到30～50％，显著提高降解转化效率，可用于木质纤维素生物炼制、生物制浆或环境处理等领域。但对于锰过氧化物酶对木质素的聚合作用及应用未见报道。
发明内容
针对现有制浆预水解液纯化技术中木质素去除率低、糖分损失率高的问题，本发明提供一种纯化阔叶木制浆预水解液中糖分的方法。
本发明所涉及制浆预水解液是指对制浆纤维原料采取水热法预处理得到的预水解液。所述的制浆纤维原料可以为速生杨木、速生桉木、相思木等阔叶木原料。
为实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案：
本发明的第一个方面，提供了一种纯化阔叶木制浆预水解液中糖分的方法，包括：
采用锰过氧化物酶处理预水解液，得到酶预处理的水解液；
采用吸附材料对所述酶预处理的水解液进行处理，固液分离，即得。
本发明利用生物酶作为处理手段，开发了一种高效、绿色环保、操作简单的处理方法，对于水解液中糖分的高值化利用具有重要意义。
本发明的第二个方面，提供了上述的方法制备的木糖和木聚糖纯化液。
本发明的第三个方面，提供了上述的木糖和木聚糖纯化液在制备医疗保健类药物或者食品添加剂中的应用。
本发明的有益效果在于：
(1)本发明以制浆预水解液为原料，在对水解液中糖分高值化利用过程中，通过利用锰过氧化物酶提升其分子量，使其易于被脱除。经酶处理后，利用活性炭等吸附材料吸附去除木质素，糖分损失较小，同时活性炭同木质素可以通过燃烧、热解等方式回收热量。与传统多段纯化法相比，本发明方法简单，采用高效的生物酶处理作为提升纯化效率的手段，副产物较少，添加化学药剂较少，是一种环境好友型的方法，因此具有良好的实际应用价值和工业化前景。
(2)本发明中锰过氧化物酶对水解液的处理效果源自于对木质素的聚合作用(通过酚羟基的自由基生成与偶合反应实现)，改变木质素的性质使其易于被脱除。因此，只要水解液中含有富含酚羟基的木质素，即可根据本发明所述条件，对其产生较好的聚合作用，并非针对特定阔叶木制浆预水解液。
(3)锰过氧化物酶对木质素的聚合作用及应用未见报道，本发明基于其对木质素的聚合作用，提出一种促进木质素分离，提高糖分纯化效率的方法，且其效果优于已被报道的漆酶与辣根过氧化物酶。
(4)本申请的操作方法简单、成本低、具有普适性，易于规模化生产。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
如前所述，在制浆纤维原料的预水解过程当中，所得预水解液主要成分为半纤维素、木质素以及其他降解产物。木质素的存在对水解液中糖分的高值化利用产生了严重的阻碍，由此造成资源的浪费和企业经济效益的损失。因此，对水解液中糖分进行高值化利用之前，需要对木质素进行高效分离，同时还应保证糖分具有高得率。本发明提高了预水解液的糖分纯化过程中木质素的脱除效率，同时保证糖分具有较高得率，为糖分的高效分离提供借鉴与技术支持。
一种纯化阔叶木制浆预水解液中糖分的方法，具体步骤为：
(1)利用锰过氧化物酶处理预水解液；
(2)采用活性炭等吸附材料处理经酶预处理的水解液；
(3)过滤分离活性炭等吸附材料得到纯化预水解液；
本发明的方法，先利用锰过氧化物酶处理预水解液，然后采用活性炭等吸附材料吸附去除水解液中的木质素等杂质得到纯化水解液。
本发明通过先利用锰过氧化物酶处理后采用吸附材料吸附的方法，通过酶处理改变水解液中木质素的性质，聚合木质素小分子提高其分子量，使得木质素易于脱除，利用活性炭等吸附材料吸附酶处理后的水解液，提高木质素的去除效率，总木糖损失较低，是一条实现组分分离并高值利用的可行途径。
在一些实施例中，利用锰过氧化物酶处理预水解液，优选温度为20～50℃；比如可以为20℃、30℃。在一些实施例中，过氧化氢的用量为1～30mM·L-1；比如可以为4.40、6.88mM·L-1。在一些实施例中，酶用量为50～800U·L-1，比如可以为375、487.5U·L-1。在一些实施例中，Mn2+用量为0.01～1mM·L-1，比如可以为0.25、0.5mM·L-1。在一些实施例中，反应时间为0.5～15h，比如可以为4、5h。在一些实施例中，pH为3.6～6.0，比如可以为4.5。
在一些实施例中，活性炭添加量为水解液质量的0.2～0.6wt％。在一些实施例中，活性炭进行吸附是在室温下反应，反应时间为5-15min，磁力搅拌器转速为250-350rpm。
在一些实施例中，所述植物原料为速生杨木、速生桉木、相思木等阔叶木制浆纤维原料。
上述利用锰过氧化物酶处理阔叶木制浆预水解液纯化糖分的方法制备得到的富含木糖和木聚糖的预水解液。
下面结合具体的实施例，对本发明做进一步的详细说明，应该指出，所述具体实施例是对本发明的解释而不是限定。
实施例1：
一种纯化阔叶木制浆预水解液中糖分的方法，其步骤如下：
(1)利用锰过氧化物酶对速生杨木预水解液进行处理(采用水热法处理杨木片制备预水解液，杨木片与水的质量比为1:6，预处理温度为170℃，预处理时间为60min，反应结束后固液分离，液体为预水解液，固体为水解后的木片，用于后续制浆)。反应温度为30℃，pH为4.5，酶添加量为375U·L-1，过氧化氢用量为6.88mM·L-1,Mn2+(MnSO4)用量为0.25mM·L-1，摇床转速为150rpm，反应6h后，沸水浴5min将酶灭活，终止反应。
(2)向经过锰过氧化物酶处理后的水解液中加入0.2wt％的活性炭，300rpm搅拌10min，反应完成后过滤分离得纯化后的水解液。
(3)测定本实施例的木质素去除率及总木糖得率，列于表1。
(4)对照例1不经过酶处理，只利用0.2wt％的活性炭处理水解液，测定木质素去除率及总木糖得率，列于表1。
实施例2：
一种纯化阔叶木制浆预水解液中糖分的方法，其步骤如下：
(1)利用锰过氧化物酶处理相思木预水解液(采用水热法处理相思木片制备预水解液，相思木片与水的质量比为1:6，预处理温度为170℃，预处理时间为60min，反应结束后固液分离，液体为预水解液，固体为水解后的木片，用于后续制浆)。反应温度为30℃，pH为4.5，酶添加量为487.5U·L-1，过氧化氢用量为4.4mM·L-1,Mn2+(MnSO4)用量为0.25mM·L-1，摇床转速为150rpm，反应5h后，沸水浴5min将酶灭活，终止反应。
(2)向经过锰过氧化物酶处理后的水解液中加入0.4wt％的活性炭，300rpm搅拌10min，反应完成后过滤分离得纯化后的水解液。
(3)测定本实施例的木质素去除率及总木糖得率，列于表1。
(4)对照例2不经过酶处理，只利用0.4wt％的活性炭处理水解液，测定木质素去除率及总木糖得率，列于表1。
表1
| 木质素去除率/％ | 总木糖回收率/％ | |
| 对照例1 | 38.50 | 98.58 |
| 实施例1 | 65.71 | 98.60 |
| 对照例2 | 47.42 | 97.81 |
| 实施例2 | 71.92 | 97.36 |
| 对照例3 | 55.60 | 98.10 |
对比例3
一种纯化阔叶木制浆预水解液中糖分的方法，其步骤如下：
(1)利用漆酶在优选条件下对速生杨木预水解液进行处理(采用水热法处理杨木片制备预水解液，杨木片与水的质量比为1:6，预处理温度为170℃，预处理时间为60min，反应结束后固液分离，液体为预水解液，固体为水解后的木片，用于后续制浆)。反应温度为35℃，pH为4.5，酶添加量为2000U·L-1，摇床转速为150rpm，反应4h后，沸水浴5min将酶灭活，终止反应。
(2)向经过漆酶处理后的水解液中加入0.2wt％的活性炭，300rpm搅拌10min，反应完成后过滤分离得纯化后的水解液。
(3)测定对比例的木质素去除率及总木糖得率，列于表1。
通过以上实例说明，水解液在经过锰过氧化物酶处理后，可以利用活性炭吸附去除更多的木质素。在反应温度为30℃，pH为4.5，酶添加量为375U·L-1水解液，过氧化氢用量为6.88mM·L-1，Mn2+用量为0.25mM·L-1，反应时间为6h条件下，利用0.2wt％的活性炭吸附可以去除速生杨水解液中65.71％的木质素，比对照例1(38.50％)提高了70.66％，而不额外造成总木糖的损失。在反应温度为30℃，pH为4.5，酶添加量为375U·L-1水解液，过氧化氢用量为4.4mM·L-1，Mn2+用量为0.25mM·L-1，反应时间为5h条件下，利用0.4wt％的活性炭吸附可以去除相思木水解液中73.15％的木质素，比对照例2(47.42％)提高了54.26％，而对总木糖的回收率影响较小。
在纯化水解液中糖分过程中，在各自的优选工艺条件下，锰过氧化物酶的作用效果要优于漆酶。
综上，锰过氧化物酶可以改性水解液中的木质素，使其易于被活性炭吸附等手段脱除，并对糖的回收率没有影响，显著提高木质素的分离效率，减少化学药剂的投入量，降低成本，同时酶是一种绿色环保的药剂，可以减轻环境负荷，有利于保护环境。
最后应该说明的是，以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (2)
1.一种纯化阔叶木制浆预水解液中糖分的方法，其特征在于，所述方法步骤如下：
（1）利用锰过氧化物酶对速生杨木预水解液进行处理，反应温度为30℃，pH为4.5，酶添加量为375 U·L-1，过氧化氢用量为6.88 mM·L-1, Mn2+用量为0.25 mM·L-1，摇床转速为150 rpm，反应6 h后，沸水浴5 min将酶灭活，终止反应；
（2）向经过锰过氧化物酶处理后的水解液中加入0.2 wt%的活性炭，300 rpm搅拌10min，反应完成后过滤分离得纯化后的水解液。
2.一种纯化阔叶木制浆预水解液中糖分的方法，其特征在于，所述方法步骤如下：
（1）利用锰过氧化物酶处理相思木预水解液，反应温度为30℃，pH为4.5，酶添加量为487.5 U·L-1，过氧化氢用量为4.4 mM·L-1, Mn2+用量为0.25 mM·L-1，摇床转速为150rpm，反应5 h后，沸水浴5 min将酶灭活，终止反应；
（2）向经过锰过氧化物酶处理后的水解液中加入0.4 wt%的活性炭，300 rpm搅拌10min，反应完成后过滤分离得纯化后的水解液。
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