CN1431231A - 一种从木质纤维材料中提取木聚糖的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种从木质纤维材料中提取木聚糖的方法，是将现有的碱法提取物料中的木聚糖，然后用过氧化氢漂白木聚糖的方法联合使用，直接以含有过氧化氢的碱液处理物料，使木聚糖提取与漂白的过程同时完成，并在此过程中增加使用微波催化，加速提取与漂白的过程。按本方法提取木聚糖，不仅可以大幅度降低用碱量，减轻治理环境污染的负担，而且产物木聚糖的提取率显著提高。按本方法提取获得的木聚糖溶液，经过有机溶剂沉淀，或超滤分离，干燥后都能得到色泽很浅的木聚糖产品，这种木聚糖产品可以作为制备低聚木糖，或制备各类木聚糖衍生物的原料，也可以直接作为食品、化工、轻工行业的原料。

Description

一种从木质纤维材料中提取木聚糖的方法

(一)技术领域：

本发明属于化工领域，涉及一种从木质纤维材料中提取木聚糖(或称半纤维素)的方法。

(二)背景技术：

木质纤维材料是极为丰富的可再生资源，利用这类资源作为工业原料，一直都受到人们关注。木聚糖是指植物细胞壁中纤维素之外的天然多糖，是一种由β-(1-4)-D-比喃木糖构成主链，具有分枝结构的低分子量多糖(也有文献称为半纤维素)。近年，人们对木聚糖及其衍生物的性质有了更深入的认识，发现了许多以往并未注意到的新特性，显示出它在食品、化工、医药等工业领域有广泛的应用前景。开发利用木质纤维材料中的木聚糖，被认为是合理地利用木质纤维材料的有效途径。

天然木聚糖不溶于水，但人工提取出来的木聚糖则大多数具有水溶性，不被人体消化酶水解，因而是很好的水溶性膳食纤维，可以作为各种无糖食品填充剂，高纤维食品的添加剂。

利用提取出来的木聚糖，经酶法水解后，可制备出能有效促进机体肠道内双歧杆菌生长繁殖的物质--低聚木糖。

木聚糖具热不溶性，不吸潮，有良好的成膜性能，可作为食品，医药工业的防潮剂和喷雾干燥助剂。

许多木聚糖溶液具有较大的粘度，具有良好的增稠作用和乳化能力。作为一种安全无毒的粘合剂，增稠剂，乳化剂，可广泛应用于食品医药，纺织印染，造纸印刷，日用化妆，洗涤用品等方面。

木聚糖是五碳糖的聚合物，其衍生物具有淀粉、纤维素这一类六碳糖聚合物的衍生物不可替代的优势。如乙酰化，硬酯酰化，油酰化的木聚糖具有强的疏水性，可溶于大多数常见的有机溶剂，如丙酮，氯仿等，可制成用途广泛的各种可降解薄膜。引入芳香基醚化的木聚糖，不仅具有热塑性，溶于有机溶剂，而且能够耐高温。

木质纤维材料中的木聚糖很容易用碱液从植物组织中提取出来，氢氧化钠(NaOH)或氢氧化钾(KOH)溶液是最常用的木聚糖提取溶剂。但是，由于木聚糖与木素之间存在着较牢固的化学健，使得木素与木聚糖之间难以截然分开，单纯用碱液(氢氧化钾或氢氧化钠)从植物组织中溶解提取出的木聚糖，实际上是一种木素-木聚糖复合物。由于木素本身存在生色基团，使得木素--木聚糖复合物的色泽总是很深，因而不符合大多数工业领域的使用要求。另外，一般使用氢氧化钾或氢氧化钠的浓度高达8-10％(w/w)，碱液用量一般是物料重量的8-10倍，所造成的环境污染问题也很难解决。因此单纯用氢氧化钾或氢氧化钠提取木聚糖的方法，其产品品质与生产工艺在工业化生产上都是不可行的。

石灰液(氢氧化钙，CaOH)也能溶解出植物组织中的木聚糖，所获得的产品不仅色泽浅，而且纯度较高，所产生的废水也比较容易处理。但是，单独使用石灰提取，木聚糖的收率很低，因而没有工业应用价值。

也有人首先用氢氧化钠或氢氧化钾提取物料，然后用乙醇沉淀出提取液中的木聚糖，离心收集沉淀物，然后用石灰乳液加热溶解，再用乙醇重新沉淀出木聚糖。这一工艺能除去部分有色的杂物，因而所得到的木聚糖产品外观色泽较浅，纯度也有提高。但这种工艺显然十分繁琐，生产成本较高。

采用类似纸浆漂白的工艺，即首先用次氯酸处理物料，氧化破坏木素，然后再用碱液提取出木聚糖。这种工艺虽然可制得色泽较浅的木聚糖产品，但生产过程产生大量含氯废水，所带来一系列的环保问题也很难解决。

过氧化氢是一个强氧化剂，也能将木素氧化成低分子水溶性氧化物而使木聚糖脱去木素，残留的过氧化氢最终分解为水和氧气，不会给反应溶液带来杂质离子，便于产物的纯化。但是，单纯用过氧化氢漂白木质纤维材料需要大量的过氧化氢，而过氧化氢成本很高，所以，用过氧化氢漂白物料然后再提取木聚糖的工艺，木聚糖产品不具备价格上的竞争优势。

首先用碱提取出来的木聚糖，然后再用过氧化氢漂白，这也是获得无色木聚糖的一种方法。但是，这种漂白工艺会造成木聚糖分子链严重断裂，影响它的应用价值。

物理处理与化学提取相结合可以改进木聚糖的提取性能。例如，用碱提取的同时采用超声波处理，可以较短的提取时间和较低的提取温度获得较高的木聚糖收率。碱液处理与挤压蒸煮相结合，也能显著提高木聚糖的收率，降低碱液用量。但是，这些方法并不能达到生产无色或浅色木聚糖的目的。

用上述任何一种提取方法提取木聚糖，所存在的不足之处是显而易见的：或者是产品色泽上难于满足不同领域的使用要求；或者是工艺复杂，成本过高，产品难于有强大的市场竞争力；或者是容易造成木聚糖的部分降解，降低了产品品质；或者是废水难于处理，不符合环保要求；或者是生产过程引入了有毒物质且难于在产品中除去，不符合食品卫生要求。

基于上述原因，建立一套能有效脱去木素，获得无色木聚糖的方法，并且生成成本较低，生产过程的废水易于处理，符合环保的要求，对于有效开发利用木质纤维材料中的木聚糖资源，是十分必要的。

(三)发明内容：

本发明主要为了解决以现有技术从木质纤维材料中提取木聚糖，产品色泽过深，碱耗量过大，环境污染难于治理，或者生产成本过高，生产过程引入有毒物质，不符合食品卫生要求等问题，提供一种十分简单方便的木聚糖提取工艺，不仅木聚糖提取收率高，而且有效脱除了与木聚糖结合的木素，因而产品色泽很浅，能满足大多数领域的使用要求；提取生产过程能够大幅度降低单位重量原料的耗碱量，使生产过程的废水易于处理，不仅符合环保要求，而且也有效降低了生产成本，。此外，由于本发明的生产过程不引入有毒物质，使产品木聚糖能符合作为食品工业原料的需要。

在具体实施本发明时，采用现有的碱法提取木聚糖，但在碱液中同时加入过氧化氢，实施时将碱-过氧化氢溶液与木质纤维材料直接混合；碱液一般采用氢氧化钠或氢氧化钾溶液，或为氢氧化钠和氢氧化钾混合物的溶液，其中氢氧化钠和氢氧化钾的比例可任意选用，但碱液的浓度一般在0.5～5％，温度较高时碱液的浓度可以较低，而温度较低时碱液的浓度可以较高，若以高温加热使温度升到很高时，碱液的浓度甚至可以低于0.5％，但这种加热方式会耗费而外的能量，增加生产成本；同理当温度降很低时，碱液的浓度也可以很高，甚至高于5％，这同样会增加生产成本。对于摄氏20～30的常温，碱液的浓最好在1～2％，以兼顾木聚糖的收率，和生产成本。在碱性条件下过氧化氢氧化性增强，有效氧化破坏与木聚糖相结合的木素，达到漂白木聚糖的目的；由于脱去木素的木聚糖更加容易从木质纤维材料中溶解出来，这样，碱-过氧化氢联合处理就可以有效降低单位原料的耗碱量，使环保问题易于解决。其中碱-过氧化氢溶液中过氧化氢的浓度一般为0.5～4％，但最好为1～2％，因为浓度太低，无法完全脱去木素，若浓度太高，则可能造成木聚糖分子链严重断裂，影响产品的品质值，且增加了生产成本。

若仅以碱-过氧化氢处理物料，提取时间一般在10～20小时，提取时间过长，但如果在以碱-过氧化氢处理物料的过程中结合微波处理，能更有效加速碱提取与过氧化氢的漂白过程，极其有效的节约提取时间，提高生产效率，使其能够实现大规模工业化生产。微波处理的功率可根据溶液量的大小调整，且根据功率的不同可调整微波处理的时间。

木质纤维材料经碱-过氧化氢、微波处理后，滤出溶液，进行浓缩回收，其回收方法可以是中和之后经蒸发浓缩或超滤浓缩，最后用有机溶剂沉淀出浓缩液中的木聚糖，所用的有机溶剂最好是乙醇。

超滤是一种按溶质分子量进行筛分的膜分离过程。木聚糖由于分子量较大，超滤时被截留中超滤膜的内侧，而分子量较小的盐类及其它分子量较小的杂质，则随水一起透出膜外，从而使木聚糖溶液得到浓缩并脱去盐份。

木聚糖提取液呈强碱性，用酸液将其中和到超滤膜可耐受的pH范围内(一般小于pH9)，经澄清之后即可进行超滤脱盐、浓缩。在超滤后期，最好往截留液中反复加水超滤，促使木聚糖溶液脱盐充分。

由于超滤浓缩过程同时除去了木聚糖溶液中的盐份，所以超滤后的木聚糖溶液也可以不经乙醇沉淀，而直接脱水干燥制成木聚糖产品。

木素是一种有强烈紫外吸收的化合物，通过紫外光谱比较，本发明制备的木聚糖溶液，其紫外吸收强度远低于传统的单一碱法提取的木聚糖，由此说明，本发明制备的木聚糖能较充分地脱去木素。

(四)附图说明：

附图为本发明制备的蔗渣木聚糖溶液(B)与传统碱法提取蔗渣木聚糖溶液(A)的光谱比较(0.02％水溶液)；

(五)具体实施方式：

实施例1

干燥蔗渣100g，加入2％氢氧化钠，1％过氧化氢溶液400毫升，在三角瓶内拌匀，28℃放置10小时，然后在750W微波炉中加热4分钟，压榨出溶液200毫升，残渣用水洗一次。合并两次浸提溶液，用盐酸中和至pH8，离心除去沉淀物，上清液在70℃条件下真空浓缩至100毫升，用盐酸中和至pH4.5，加入95％乙醇300毫升，离心收集沉淀物，干燥后得灰白色蔗渣木聚糖35克。即产品对物料蔗渣的收率为35％。

实施例2

作为实施例1的对照，本实施例的氢氧化钠溶液中不加过氧化氢，而物料比例，如蔗渣用量，氢氧化钠用量等，均同实施例1。如果经微波处理，提取液经浓缩，乙醇沉淀，干燥后得深褐色木聚糖产品15克。如果不经微波处理，只得到深褐色木聚糖产品4克。即，在同等用碱量的条件下，单一采用碱法提取工艺得到的木聚糖产品收率，只有本发明的1/9；仅采用碱-微波的提取工艺，收率也不到本发明的50％，而且它们都远不及本发明的产品色泽浅。

实施例3

原料改用玉米芯，其它处理条件同实施例1。得灰白色玉米芯木聚糖产品45克。即，采用玉米芯为原料，产品的收率要高于蔗渣。

实施例4

蔗渣3Kg，加入2％氢氧化钾，1％过氧化氢溶液12Kg，28℃放置10小时。然后用微波炉处理8分钟。压榨出微波处理过的物料的溶液。残渣再用清水洗一次。合并两次浸提溶液40Kg，用盐酸中和至pH8，离心除去沉淀物，澄清液用截留分子量1000的滤膜，进行超滤脱盐、浓缩。超滤后期，往截留液中反复加水超滤，促使木聚糖溶液脱盐充分。最后得到脱盐充分超滤截留液8Kg，改用真空浓缩至4Kg，加入12Kg 95％乙醇，离心收集沉淀物，干燥后得灰白色蔗渣木聚糖900g。产品对原料的收率为30％。

上述实施例仅用于说明本发明，而不限定本发明的保护范围。

Claims (10)

1、一种从木质纤维材料中提取木聚糖的方法，其特征在于采用如下工艺：

1>用碱-过氧化氢混合溶液浸提木质纤维材料；

2>将浸提液中和，浓缩；

3>将木聚糖从溶液中分离；

4>干燥。

2、根据权利要求1所述的从木质纤维中提取木聚糖的方法，其特征在于：所述碱溶液是氢氧化钠或氢氧化钾溶液，或是它们任意比例的混合物的溶液。

3、根据权利要求1所述的从木质纤维中提取木聚糖的方法，其特征在于：所述混合溶液中碱的浓度为0.5～5％。

4、根据权利要求2所述的从木质纤维中提取木聚糖的方法，其特征在于：所述混合溶液中碱的浓度为0.5～5％。

5、根据权利要求3所述的从木质纤维中提取木聚糖的方法，其特征在于：所述混合溶液中碱的浓度为1～2％。

6、根据权利要求4所述的从木质纤维中提取木聚糖的方法，其特征在于：所述混合溶液中碱的浓度为1～2％。

7、根据权利要求1～6中任何一项所述的从木质纤维中提取木聚糖的方法，其特征在于：所述混合溶液中过氧化氢的浓度为0.5～4％。

8、根据权利要求7所述的从木质纤维中提取木聚糖的方法，其特征在于：所述混合溶液中过氧化氢的浓度为1～2％。

9、根据权利要求1～6中任何一项所述的从木质纤维中提取木聚糖的方法，其特征在于：用微波对碱-过氧化氢溶液预处理物料再进行处理。

10、根据权利要求8根据权利要求7所述的从木质纤维中提取木聚糖的方法，其特征在于：用微波对碱-过氧化氢溶液预处理物料再进行处理。