CN115232844A - 一种从木质纤维原料制备低聚木糖的方法 - Google Patents

一种从木质纤维原料制备低聚木糖的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种从木质纤维原料制备低聚木糖的方法，属于农林生物质综合利用技术领域。本发明的方法包括原料酸法预处理、酶水解、喷雾干燥三个步骤：本发明通过预先在高温下添加有机酸来破坏细胞壁多糖的交联结构以促进木聚糖水解，随后按比例添加缓冲液调节体系pH并同步添加阿魏酸酯酶和木聚糖酶对酸预处理的剩余固体渣进行酶水解反应，获得含有低聚木糖的酶水解液，最后通过喷雾干燥法收集低聚木糖产品。本发明联合选择有机酸和生物酶作为木聚糖辅助性水解试剂可实现低聚木糖的酸‑酶集成生产技术，可减少木聚糖的过度降解且生产工艺简单快速，产物纯度和产量也均得到提升。

Description

一种从木质纤维原料制备低聚木糖的方法
技术领域
本发明属于农林生物质综合利用技术领域，涉及到低聚木糖制备技术，具体涉及一种从木质纤维原料制备低聚木糖的方法。
背景技术
低聚木糖具有不被人体消化、热量低、抗氧化、可选择性高效增殖双歧杆菌等特性，是一种具有超强益生元作用的功能性低聚糖。近年来在日益增长的医疗保健食品需求和绿色发展观念下，低聚木糖的市场需求逐渐受到社会关注，生物质基低聚木糖的发展前景十分广阔。此前，低聚木糖的主要制备方法依托于一步法酸水解或碱溶木聚糖的酶水解，一步法酸水解易产生大量的木聚糖降解副产物，导致低聚木糖产品纯度较低；而碱溶木聚糖的酶水解工艺复杂，周期长。因此，为提高低聚木糖产品的纯度和产量，优化生产工艺是生物基低聚木糖制备技术的重要课题。
发明内容
针对现有技术中存在的不足，本发明所要解决的技术问题是提供一种从木质纤维原料制备低聚木糖的方法，即利用酸-酶联合技术生产生物基低聚木糖，具有低聚木糖产量高且副产物含量低等技术优势。
为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案如下：
一种从木质纤维原料制备低聚木糖的方法，步骤包括：
(1)将研磨过筛的木质纤维原料粉末与有机酸按一定固液比混合，在高温反应釜中进行高温酸法预处理或在膨化机中对混合物进行酸性高温膨化预处理，得到酸法预处理物料；
(2)酸法预处理物料中加入缓冲液调节pH，随后加入阿魏酸酯酶和木聚糖酶进行酶水解反应，获得含有低聚木糖的酶水解液；
(3)对酶水解液进行喷雾干燥，收集低聚木糖产品。
优选地，步骤(1)中所述有机酸为谷氨酸、天冬氨酸、葡萄糖酸、乙酸和/或马来酸中的一种或几种。
优选地，步骤(1)所述在膨化机中对混合物进行酸性高温膨化预处理的具体条件为：搅拌速率为50-100rpm，温度为150-180℃，时间为10-30s。
优选地，步骤(1)中所述在高温反应釜中进行高温酸法预处理的具体步骤为：在机械搅拌式不锈钢高压反应釜中，加入木质纤维原料和有机酸溶液，密封后开启搅拌，并加热至设定温度保温一段时间，反应结束后待反应釜冷却至室温，将反应后的固液混合物装入卸料离心机中，通过挤压、过滤进行固液分离，获得固形物。
优选地，所述在高温反应釜设备中进行加热搅拌的具体条件为：搅拌速率为30-100rpm，温度为140-170℃，时间为0.15-2.0h。
优选地，步骤(1)中所述添加有机酸的浓度为0.05-5％(质量分数)。
优选地，步骤(2)所述阿魏酸酯酶的添加量，相对于1份木质纤维，其为0.01-0.5份。
优选地，步骤(2)所述木聚糖酶的添加量，相对于1份木质纤维，其为0.0005-0.001份。
优选地，所述木聚糖酶具体为内切型木聚糖酶。
相比于现有技术，本发明的有益效果为：
1)本发明通过添加谷氨酸、天冬氨酸、葡萄糖酸、乙酸和/或马来酸中的一种或几种有机酸，辅助促进木质纤维素原料的水解，与无机酸相比，具有木聚糖降解强度适中、工业废水产生少等优势；
2)本发明通过添加阿魏酸酯酶辅助木聚糖酶解，有助于促进细胞壁多糖之间交联结构的断裂；
3)本发明生产工艺简便高效，低聚木糖产量高，适用于多种农林木质纤维原料基低聚木糖制备。
附图说明
图1为实施例6中的工艺生产流程图；
图2为实施例6中的高效阴离子交换色谱分析谱图，图中，X2：木二糖；X3：木三糖；X4：木四糖；X5：木五糖；X6：木六糖。
具体实施方式
下面结合具体对比例和实施例对本发明进一步进行描述。
以下对比例和实施例均采用高效阴离子交换色谱分析产品中的糖组分，色谱条件：美国赛默飞ICS3000型离子色谱，配置CarboPacTM PA200(3mm×250mm)色谱柱，PAD脉冲安培检测器，柱温30℃，进样体积10μL；以100mmol/L氢氧化钠与500mmol/L的醋酸钠为流动相进行二元梯度洗脱，流速0.3mL/min。
实施例1
在1L机械搅拌式不锈钢高压反应釜中，加入100g小麦秸秆和500mL蒸馏水，加盖密封后以100rpm的转速开启搅拌，加热至150℃开始计时保温30min，反应结束后将高温反应釜冷却至室温，收集水热处理物料，通过卸料离心机实现固液分离获得小麦秸秆的水热预处理液。经高效阴离子交换色谱分析确定预处理液的主要成分为木二糖至木六糖；基于小麦秸秆中总木聚糖含量，低聚木糖的总产量仅为12％，其中木二糖、木三糖、木四糖、木五糖和木六糖的得率分别为2.5％、1.9％、3.8％、2.8％和1.4％。
实施例2
在1L机械搅拌式不锈钢高压反应釜中，加入100g玉米芯和1％(w/w)的稀硫酸溶液500mL，加盖密封后以100rpm的转速开启搅拌，加热至150℃开始计时保温30min，反应结束后将高温反应釜冷却至室温，收集稀硫酸预处理物料，通过卸料离心机实现固液分离获得玉米芯的稀硫酸预处理液。经高效阴离子交换色谱分析确定预处理液的主要成分为木二糖至木六糖；基于玉米芯中总木聚糖含量，低聚木糖的总产量为43％，其中木二糖、木三糖、木四糖、木五糖和木六糖的得率分别为14.0％、9.2％、10.1％、5.4％和4.3％，而糠醛产率为0.5％。
实施例3
在1L机械搅拌式不锈钢高压反应釜中，加入100g甘蔗渣和5％(w/w)的葡萄糖酸溶液400mL，加盖密封后以100rpm的转速开启搅拌，加热至150℃开始计时保温60min，反应结束后将高温反应釜冷却至室温，收集葡萄糖酸预处理物料，通过卸料离心机实现固液分离获得甘蔗渣的葡萄糖酸预处理液。经高效阴离子交换色谱分析确定预处理液的主要成分为木二糖至木六糖；基于甘蔗渣中总木聚糖含量，低聚木糖的总产量达到50％，其中木二糖、木三糖、木四糖、木五糖和木六糖的得率分别为18.3％、11.3％、10.2％、5.4％和4.7％，而糠醛产率为0.4％。
实施例4
将100g玉米芯粉末与500mL蒸馏水搅拌混匀，送入膨化腔进行膨化处理，所述膨化温度为170℃，蒸气压为0.8Mpa，停留时间为10s；反应结束后通过卸料离心机进行固液分离获得膨化物料，添加缓冲液调节膨化物料的pH至4.8，加入1g木聚糖酶液，并添加蒸馏水控制酶水解体系为4L，在50℃下以150rpm的转速酶水解12h；反应结束后收集酶水解液，通过高效阴离子交换色谱检测可知，酶水解液的主要成分为木二糖至木六糖，基于玉米芯中总木聚糖含量，低聚木糖的总产量达到47％，其中木二糖、木三糖、木四糖、木五糖和木六糖的得率分别为16.3％、10.1％、9.6％、5.8％和4.7％，糠醛产率为0.3％。
实施例5
将100g玉米芯粉末与500mL 0.5％(w/w)的谷氨酸溶液搅拌混匀，送入膨化腔进行酸性膨化处理，所述膨化温度为160℃，蒸气压为0.62Mpa，停留时间为30s；反应结束后通过卸料离心机进行固液分离获得膨化物料，添加缓冲液调节膨化物料的pH至4.8，随后加入1g木聚糖酶液，并添加蒸馏水控制酶水解体系为4L，在50℃下以150rpm的转速酶水解12h；反应结束后收集酶水解液，通过高效阴离子交换色谱检测可知，酶水解液的主要成分为木二糖至木六糖，基于玉米芯中总木聚糖含量，低聚木糖的总产量达到50％，其中木二糖、木三糖、木四糖、木五糖和木六糖的得率分别为17.3％、11.8％、10.3％、5.8％和5.2％。
实施例6
在1L机械搅拌式不锈钢高压反应釜中加入100g玉米芯粉末和0.5％(w/w)的谷氨酸溶液500mL，加盖密封后以100rpm的转速开启搅拌，加热至160℃开始计时保温50min，反应结束后将高温反应釜冷却至室温，收集谷氨酸预处理物料，通过卸料离心机实现固液分离获得谷氨酸预处理剩余固形物；添加缓冲液调节固形物的pH至4.8，同步加入10g阿魏酸酯酶液和1g木聚糖酶液，添加蒸馏水控制酶水解体系为4L，在50℃下以150rpm的转速酶水解12h后收集酶水解液，完整的工艺生产流程如图1所示。经高效阴离子交换色谱分析确定酶水解液的主要成分为木二糖至木六糖，分析图谱如图2所示。基于玉米芯中总木聚糖含量，低聚木糖的总产量达到54％，其中木二糖、木三糖、木四糖、木五糖和木六糖的得率分别为20.1％、12.0％、10.8％、5.9％和5.0％，而糠醛产率低于0.1％。最后对酶水解液进行喷雾干燥获得低聚木糖粉末。
实施例7
将100g玉米芯粉末与500mL 0.5％(w/w)的谷氨酸溶液搅拌混匀，送入膨化腔进行酸性膨化处理，所述膨化温度为160℃，蒸气压为0.62Mpa，停留时间为30s；反应结束后通过卸料离心机进行固液分离获得膨化物料，添加缓冲液调节膨化物料的pH至4.8，同步加入10g阿魏酸酯酶液和1g木聚糖酶液，并添加蒸馏水控制酶水解体系为4L，在50℃下以150rpm的转速酶水解12h；反应结束后收集酶水解液，通过高效阴离子交换色谱检测可知，酶水解液的主要成分为木二糖至木六糖，基于玉米芯中总木聚糖含量，低聚木糖的总产量达到52％，其中木二糖、木三糖、木四糖、木五糖和木六糖的得率分别为17.9％、11.1％、10.9％、6.4％和5.4％，副产物糠醛得率仅为0.1％。随后通过喷雾干燥可从酶水解液中获得低聚木糖粉末。
实施例8
在1L机械搅拌式不锈钢高压反应釜中加入100g甘蔗渣和1％(w/w)的葡萄糖酸溶液400mL，加盖密封后以100rpm的转速开启搅拌，加热至150℃开始计时保温60min，反应结束后将高温反应釜冷却至室温，收集葡萄糖酸预处理物料，通过卸料离心机实现固液分离获得葡萄糖酸预处理剩余固形物；添加缓冲液将固形物的pH调至4.8，同时加入10g阿魏酸酯酶液和1g木聚糖酶液，添加蒸馏水使酶水解体系为4L，在50℃下以150rpm的转速酶水解12h；酶水解结束后收集酶水解液，经高效阴离子交换色谱检测确定其主要成分为木二糖至木六糖，基于甘蔗渣的总木聚糖含量，低聚木糖的总产量达到57％，其中木二糖、木三糖、木四糖、木五糖和木六糖的得率分别为21.1％、10.8％、10.9％、7.3％和6.7％，副产物糠醛的得率低于0.2％。
实施例9
将100g甘蔗渣和400mL 1％(w/w)的葡萄糖酸溶液搅拌均匀，送入膨化腔进行酸性膨化处理，所述膨化温度为170℃，蒸气压为0.8Mpa，停留时间为15s；反应结束后通过卸料离心机进行固液分离获得膨化物料，添加缓冲液调节膨化物料的pH至4.8，同步加入10g阿魏酸酯酶液和1g木聚糖酶液，并添加蒸馏水控制酶水解体系为4L，在50℃下以150rpm的转速酶水解12h；反应结束后收集酶水解液，通过高效阴离子交换色谱分析聚糖组分可知酶水解液的主要成分为木二糖至木六糖，基于甘蔗渣的总木聚糖含量，低聚木糖的总产量达到56％，其中木二糖、木三糖、木四糖、木五糖和木六糖的得率分别为18.9％、12.0％、11.9％、7.3％和5.9％，副产物糠醛得率低于0.2％。随后通过喷雾干燥可获得低聚木糖粉末。
实施例10
在1L机械搅拌式不锈钢高压反应釜中加入100g玉米芯粉末和1％(w/w)的乙酸溶液500mL，加盖密封后以100rpm的转速开启搅拌，加热至150℃开始计时保温50min，反应结束后将高温反应釜冷却至室温，收集乙酸预处理物料，通过卸料离心机实现固液分离获得乙酸预处理剩余固形物；添加缓冲液将固形物的pH调至4.8，同时加入10g阿魏酸酯酶液和1g木聚糖酶液，添加蒸馏水使酶水解体系为4L，在50℃下以150rpm的转速酶水解12h；酶水解结束后收集酶水解液，经高效阴离子交换色谱检测确定其主要成分为木二糖至木六糖，基于玉米芯的总木聚糖含量，低聚木糖的总产量达到55％，其中木二糖、木三糖、木四糖、木五糖和木六糖的得率分别为19.7％、15.5％、9.9％、6.2％和3.4％，副产物糠醛的得率低于0.1％。
实施例11
将100g玉米芯粉末和500mL 1％(w/w)的乙酸溶液搅拌均匀，送入膨化腔进行膨化处理，所述膨化温度为150℃，蒸气压为0.58Mpa，停留时间为20s；反应结束后通过卸料离心机进行固液分离获得膨化物料，添加缓冲液调节膨化物料的pH至4.8，同步加入10g阿魏酸酯酶液和1g木聚糖酶液，并添加蒸馏水控制酶水解体系为4L，在50℃下以150rpm的转速酶水解12h；反应结束后收集酶水解液，通过高效阴离子交换色谱分析聚糖组分可知酶水解液的主要成分为木二糖至木六糖，基于玉米芯的总木聚糖含量，低聚木糖的总产量达到56％，其中木二糖、木三糖、木四糖、木五糖和木六糖的得率分别为19.6％、14.6％、11.2％、6.2％和3.9％，副产物糠醛得率低于0.1％。随后通过喷雾干燥可获得低聚木糖粉末。
应该说明的是，本发明适用于包括玉米芯和甘蔗渣等常见的农林生物质在内的一种或多种原料的低聚木糖制备，值得注意的是酸法预处理中有机酸的添加量、保温时间、反应温度以及膨化压力需严格控制。

Claims (9)

1.一种从木质纤维原料制备低聚木糖的方法，步骤包括：
(1)将研磨过筛的木质纤维原料粉末与有机酸按一定固液比混合，在高温反应釜中进行高温酸法预处理或在膨化机中对混合物进行酸性高温膨化预处理，得到酸法预处理物料；
(2)酸法预处理物料中加入缓冲液调节pH，随后加入阿魏酸酯酶和木聚糖酶进行酶水解反应，获得含有低聚木糖的酶水解液；
(3)对酶水解液进行喷雾干燥，收集低聚木糖产品。
2.如权利要求1所述的从木质纤维原料制备低聚木糖的方法，其特征在于，步骤(1)中所述有机酸为谷氨酸、天冬氨酸、葡萄糖酸、乙酸和/或马来酸中的一种或几种。
3.如权利要求1所述的从木质纤维原料制备低聚木糖的方法，其特征在于，步骤(1)中所述在膨化机中对混合物进行酸性高温膨化预处理的具体条件为：搅拌速率为50-100rpm，温度为150-180℃，时间为10-30s。
4.如权利要求1所述的从木质纤维原料制备低聚木糖的方法，其特征在于，步骤(1)中所述在高温反应釜中进行高温酸法预处理的具体步骤为：在机械搅拌式不锈钢高压反应釜中，加入木质纤维原料和有机酸溶液，密封后开启搅拌，并加热至设定温度保温一段时间，反应结束后待反应釜冷却至室温，将反应后的固液混合物装入卸料离心机中，通过挤压、过滤进行固液分离，获得固形物。
5.如权利要求4所述的从木质纤维原料制备低聚木糖的方法，其特征在于，所述在高温反应釜设备中进行加热搅拌的具体条件为：搅拌速率为30-100rpm，温度为140-170℃，时间为0.15-2.0h。
6.如权利要求1所述的从木质纤维原料制备低聚木糖的方法，其特征在于，步骤(1)中所述添加有机酸的浓度为0.05-5％。
7.如权利要求1所述的从木质纤维原料制备低聚木糖的方法，其特征在于，步骤(2)所述阿魏酸酯酶的添加量，相对于1份木质纤维，其为0.01-0.5份。
8.如权利要求1所述的从木质纤维原料制备低聚木糖的方法，其特征在于，步骤(2)所述木聚糖酶的添加量，相对于1份木质纤维，其为0.0005-0.001份。
9.如权利要求8所述的从木质纤维原料制备低聚木糖的方法，其特征在于，所述木聚糖酶具体为内切型木聚糖酶。
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