超声波-微波辅助落叶松纤维素预水解制备低聚糖的方法
【技术领域】
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[0001]本发明涉及将生物质纤维素水解低聚糖资源化利用领域，涉及一种对落叶松纤维素超声波-微波辅助预水解制备低聚糖的新方法。
【背景技术】
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[0002]落叶松，学名:Larix gmelinii (Rupr.) Kuzen.，为松科落叶松属的落叶乔木，是中国东北、内蒙古林区的主要森林组成树种，是东北地区主要三大针叶用材林树种之一。中国产10种1变种，分布于东北大、小兴安岭、老爷岭、长白山、辽宁西北部、河北北部、山西、陕西秦岭、甘肃南部、四川北部、西部及西南部、云南西北部、西藏南部及东部、新疆阿尔泰山及天山东部。常组成大面积单纯林，或与其他针阔叶树种混生。均系优良的用材树种，能耐严寒的气候环境，喜光性强，多为浅根性，生长较快，为上述各产区森林中的主要树种，也是各产区今后森林更新或荒山造林的重要树种。
[0003]落叶松的木材重而坚实，抗压及抗弯曲的强度大，而且耐腐朽，木材工艺价值高，是电杆、枕木、桥梁、矿柱、车辆、建筑等优良用材。由于天然纤维素原料结构复杂，高度结晶纤维素，使其难被生物降解。因此，对大多数天然纤维素原料来说，没有经过适当预处理，直接酶解，一般酶解率都非常低。
[0004]超声波是一种频率高于20000赫兹的声波，它的方向性好，穿透能力强，易于获得较集中的声能，当超声波在介质中传播时，由于超声波与介质的相互作用，使介质发生物理的和化学的变化，从而产生一系列力学的、热学的、电磁学的和化学的超声效应。当超声波在介质的传播过程中，存在一个正负压强的交变周期，在正压相位时，超声波对介质分子挤压，改变介质原来的密度，使其增大；在负压相位时，使介质分子稀疏，进一步离散，介质的密度减小，当用足够大振幅的超声波作用于液体介质时，介质分子间的平均距离会超过使液体介质保持不变的临界分子距离，液体介质就会发生断裂，形成微泡。这些小空洞迅速胀大和闭合，会使液体微粒之间发生猛烈的撞击作用，从而产生几千到上万个大气压的压强。微粒间这种剧烈的相互作用，会使液体的温度骤然升高，起到了很好的搅拌作用，从而加速溶质的溶解，加速化学反应。
[0005]微波是指频率为300MHz?300GHz的电磁波，是无线电波中一个有限频带的简称，即波长在1毫米?1米之间的电磁波，是分米波、厘米波、毫米波的统称。微波频率比一般的无线电波频率高，通常也称为“超高频电磁波”。微波作为一种电磁波也具有波粒二象性。微波的基本性质通常呈现为穿透、反射、吸收三个特性。对于玻璃、塑料和瓷器，微波几乎是穿越而不被吸收。对于水和食物等就会吸收微波而使自身发热。而对金属类东西，则会反射微波。
[0006]微波能提高萃取率，它的原理是在微波场中，吸收微波能力的差异使得基体物质的某些区域或萃取体系中的某些组分被选择性加热，从而使得被萃取物质从基体或体系中分离，进入到介电常数较小、微波吸收能力相对差的萃取剂中；微波萃取具有设备简单、适用范围广、萃取效率高、重现性好、节省时间、节省试剂、污染小等特点。除主要用于环境样品预处理外，还用于生化、食品、工业分析和天然产物提取等领域。
[0007]因此，利用工业纤维素类开发简便、高效、环保的预水解制备低聚糖的方法具有重要的经济效益和社会效益。
【发明内容】
[0008]本发明提供一种超声波-微波辅助落叶松纤维素预水解制备低聚糖的方法，包括步骤:
[0009](a)调配硫酸:室温将浓硫酸缓慢加入水中，最终配成72 %的硫酸溶液，冷却到室温备用;
[0010](b)疏解落叶松纤维素:将干的落叶松纤维素原料通过锤片粉碎机进行疏解，得到疏解落叶松纤维素；
[0011](c)超声波-微波辅助预水解:疏解后落叶松纤维素与硫酸溶解混合，在室温条件下，超声波和微波联合辅助落叶松纤维素硫酸预水解反应，制备低聚糖溶液。
[0012]在另一优选例中，步骤(a)中所述的硫酸溶液是在室温条件下，将浓硫酸缓慢加入水中，最终调配成72 %的硫酸溶液。
[0013]在另一优选例中，步骤(b)中所述的疏解落叶松纤维素，改变落叶松纤维中纤维素聚集状态，从而获得便于72%的硫酸溶液渗透和水解纤维素。
[0014]在另一优选例中，步骤(c)中采用超声波-微波技术，室温先采用超声波辅助落叶松纤维素硫酸预水解，之后再采用微波辅助进一步水解落叶松纤维素，进而制备低聚糖溶液。
【具体实施方式】
[0015]本发明人通过大量实验，广泛深入的研究，拓展原料，改进工艺，从而提供了适合工业化利用的超声波-微波辅助落叶松纤维素硫酸预水解制备低聚糖的方法。本发明方法包括对硫酸进行调配，再将落叶松纤维素疏解后，采用超声波-微波辅助落叶松纤维素预水解，制备低聚糖。经过疏解的落叶松纤维素采用超声波辅助纤维素水解1-1.5h，微波辅助纤维素水解1-1.5h，即可将55-65%的纤维素转化为低聚糖。本发明为生产低聚糖提供新的可行方法，其经济效益和社会效益不言而喻。
[0016]具体而言，本发明人针对落叶松纤维素底物特点，采用超声波-微波辅助落叶松纤维素硫酸预水解的方法，提供一种物理方法辅助预处理落叶松纤维素水解制备低聚糖的方法。
[0017]本发明的主要优点在于:
[0018]1.本发明以落叶松纤维素作为原料，为生产低聚糖提供新的可行方法，具有较高的经济效益和社会效益。
[0019]I1.本发明方法操作简便，处理时间短，转化率高，整体效率高，成本较低。
[0020]下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
[0021]方法和原料
[0022]实施例1
[0023]1、原料:15kg落叶松纤维。
[0024]2、调配硫酸:室温将浓硫酸缓慢加入水中，最终配成72%的硫酸溶液，冷却到室温备用。
[0025]3、疏解落叶松纤维素:将干的落叶松纤维原料通过锤片粉碎机进行疏解15min，得到疏解落叶松纤维。
[0026]4、超声波辅助预水解:疏解后落叶松纤维素与72%硫酸，按照1:5质量比混合，超声波200W功率下，超声波辅助落叶松纤维素硫酸预水解lOmin。
[0027]5、微波辅助预水解:疏解后落叶松纤维素与72%硫酸，按照1:5质量比混合，微波400W功率下，微波辅助落叶松纤维素硫酸预水解5min，制备低聚糖溶液。
[0028]经过上述工艺处理后，落叶松纤维素硫酸预水解制备低聚糖的转化率为61 %。
[0029]实施例2
[0030]1、原料:30kg落叶松纤维。
[0031]2、调配硫酸:室温将浓硫酸缓慢加入水中，最终配成72%的硫酸溶液，冷却到室温备用。
[0032]3、疏解落叶松纤维素:将干的落叶松纤维原料通过锤片粉碎机进行疏解15min，得到疏解落叶松纤维。
[0033]4、超声波辅助预水解:疏解后落叶松纤维素与72%硫酸，按照1:5质量比混合，超声波200W功率下，超声波辅助落叶松纤维素硫酸预水解lOmin。
[0034]5、微波辅助预水解:疏解后落叶松纤维素与72%硫酸，按照1:5质量比混合，微波400W功率下，微波辅助落叶松纤维素硫酸预水解lOmin，制备低聚糖溶液。
[0035]经过上述工艺处理后，落叶松纤维素硫酸预水解制备低聚糖的转化率为63%。
【主权项】
1.一种超声波-微波辅助落叶松纤维素预水解制备低聚糖的方法，其特征在于，包括: (a)调配硫酸:室温将浓硫酸缓慢加入水中，最终配成72%的硫酸溶液，冷却到室温备用； (b)疏解落叶松纤维素:将干的落叶松纤维原料通过锤片粉碎机进行疏解，得到疏解落叶松纤维素； (c)超声波-微波辅助预水解:疏解后落叶松纤维素与硫酸溶解混合，在室温条件下，超声波和微波联合辅助落叶松纤维素硫酸预水解反应，制备低聚糖溶液。2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(a)中所述的硫酸溶液是在室温条件下，将浓硫酸缓慢加入水中，最终调配成72 %的硫酸溶液。3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(b)中所述的疏解落叶松纤维素，改变落叶松纤维中纤维素聚集状态，从而获得便于72%的硫酸溶液渗透和水解纤维素。4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(c)中采用超声波-微波技术，室温辅助落叶松纤维素硫酸预水解，进而制备低聚糖溶液。
【专利摘要】本发明提供了超声波-微波辅助落叶松纤维素预水解制备低聚糖的方法。具体地，本发明提供一种桉树纤维素制备低聚糖的方法，它包括步骤：调配硫酸，疏解桉树纤维素、超声波辅助预水解，从而生产低聚糖。采用本发明技术生产的低聚糖，具有处理时间短、转化率高等特点。
【IPC分类】C13K13/00
【公开号】CN105368991
【申请号】CN201510731920
【发明人】路祺, 祖元刚, 赵修华, 孟庆焕, 祖柏实
【申请人】东北林业大学, 祖元刚
【公开日】2016年3月2日
【申请日】2015年11月2日