一种高产率低聚木糖的生产方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种高产率低聚木糖的生产方法，属于化工、食品技术领域。
【背景技术】
[0002]半纤维素是植物纤维原料中的一类碳水化合物，它是地球上最丰富、最廉价的可再生资源之一，仅次于纤维素。目前，将半纤维素降解为低聚木糖的水解方法主要分为酶法水解、酸法水解、自水解、化学酶解四种，其中酶法水解凭借着其温和的反应条件及低污染性，成为了制备低聚木糖的主流方法。然而，目前单一酶法或酸法水解生产低聚木糖的产率普遍不高，主要原因有:酶失活、酶量不足等;底物中部分木聚糖与木质素连接紧密无法进行酶解等;反应过程中酶与糖结合位点不足、反应动能不足等。而针对酶法和酸法水解，酶法有着较温和的条件却动力及强度不足，酸法有着较强的反应强度却无断键专一性。因而，若能找到一种将酶解、酸解有机结合且达到较高低聚木糖产率的方法，将对工业产量有着实质的意义。中国农业大学公开了 “低聚木糖的制备方法”(申请号01131171.1)，以各类玉米芯为原料，经过碱金属氢氧化物预处理后在弱酸性催化剂作用下进行直接热解，随后使用酶法进行低聚木糖的制备，最后精制得到了高纯度低聚木糖产品，但该发明产率较低，相对经济效益较低。
【发明内容】
[0003]本发明提供了一种高产率低聚木糖的生产方法，采用酶法和酸法相结合的方法使得低聚木糖得率显著提升，同时所用酸性不强，不会破坏酶解环境，从而可直接再次进行酶解处理，以持续提高产率。
[0004]为实现上述目的，本发明采用以下技术方案:
[0005]原料准备:玉米秸杆风干后使用高速碾磨机进行粉碎，至粒径2mm以下；原料处理:将上述玉米秸杆粉放入耐热容器中，使用沸水浸泡l-3h，固液分离取滤渣，再次使用75-95%乙醇浸泡l_3h，以除去玉米秸杆原料中水溶性及脂溶性杂质，将处理后混合物固液分离后取滤渣，在40-80°C下干燥至固形物含量大于90%;木聚糖制备:将上述处理后玉米秸杆，使用8-15% (w/v)NaOH溶液，以1:5-10(w/v)为固液比，于90-160°C下处理0.5-2h，固液分离后取滤液即为木聚糖提取液;使用浓HC1调节pH至5-7后，浓缩，加入乙醇使体系的乙醇浓度为50-75%(v/v)，静置l-3h后固液分离后取滤渣，40-80°C干燥，即得固体木聚糖;酶水解:将上述木聚糖固体以1.5-2.5% (w/v)底物浓度溶解于去离子水中，按底物重量加入1 %(w/w)的商业木聚糖酶制剂，酶解温度45-50°C，搅拌条件下酶解4-24h;酸处理:上述酶解液后不经固液分离直接作为酸处理底物，使用0.7-1%(￥八)醋酸于150-1601下反应60-120min； 二次酶水解:与首次酶解条件保持一致，反应时间为l_4h;纯化:将产物pH调节至4.0，使用4% (w/v)活性炭吸附，然后依次采用1倍体积的15%、30%、60%乙醇进行洗脱，并减压浓缩，得到低聚木糖液，冻干后即得低聚木糖产品。
[0006]本发明与现有技术相比，具有如下优点:
[0007]1.本发明方法可显著提高低聚木糖产率，且产物的平均分子量更低、更偏向于低聚；
[0008]2.对木聚糖原料结构的打断更为彻底，即催化水解上限更高，从而对工艺的提升给予了更大的空间；
[0009]3.本发明在预处理阶段及酸解阶段均会对产品色值有降低的作用，对后续精制较为有利；
[0010]4.所用酸性不强，不会破坏酶解环境，可直接再次进行酶解处理，以持续提高产率；
[0011 ] 5.利用农业废弃物玉米秸杆作为生产原料，且不细致要求具体秸杆部位，可将农废秸杆直接粉碎风干后进行下一步处理，具有良好的经济效益和生态意义。
【具体实施方式】
[0012]本发明所使用酶为内切木聚糖酶;低聚木糖(木二糖?木六糖)含量通过高效液相色谱(HPLC)测得;低聚木糖产率是以原料木聚糖中半纤维素含量为基准计算所得。
[0013]下面通过实施例对本发明做进一步说明，但不对其内容进行限定。
[0014]实施例1
[0015]木聚糖制备:玉米秸杆风干后使用高速碾磨机进行粉碎后将玉米秸杆粉放入反应釜中，使用沸水浸泡2h，去除废水后再次使用95%乙醇浸泡2h，从而除去玉米秸杆原料中水溶性及脂溶性杂质，将处理后混合物固液分离，将固体干燥至固形物含量为95 %。上述处理后玉米稻杆，使用10% (w/v)NaOH，以1:10(w/v)为固液比，于121°C下处理2h，固液分离后得木聚糖提取液;使用浓HC1调节pH至5后，浓缩，加入乙醇使体系乙醇浓度为60 % (v/v)，静置2h后固液分离并将滤渣，得木聚糖。酶水解:将上述木聚糖固体以2%(w/v)底物浓度溶解于去离子水中，以底物重量加入l%(w/w)加入商业木聚糖酶制剂，在反应釜中搅拌酶解24h，控温50°C。酸水解:在上述酶解完成后向反应釜中加入1 % (v/v)醋酸，反应60min，控温160°C。二次酶解:待上述酸解完成且温度回降后，再次以首次酶解条件进行酶解反应，反应lh。纯化:将产物pH调节至4.0，使用4 % (w/v)活性炭吸附，然后依次采用1倍体积的15 %、30 %、60 %乙醇进行洗脱，并减压浓缩，得到低聚木糖液，冻干后即得低聚木糖产品。
[0016]并于各步水解完成后取样、离心、过膜并使用高效液相色谱分析水解液中的寡糖和单糖浓度。
[0017]经测定，酶解过程低聚木糖产率为42.6%，酸解过程低聚木糖产率为6.7%，二次酶解过程低聚木糖产率为13.4%，低聚木糖总产率达到62.7 %，另外单糖总产率达到26.3%，即总糖产率为89,1%ο
[0018]实施例2
[0019]本例中木聚糖制备、酶解、二次酶解、纯化步骤及相关参数与实施例1相同，后续步骤中酸解使用1 % (v/v)醋酸于150°C下反应120min。
[0020]经测定，该条件下酸解过程低聚木糖产率为8.5%,二次酶解过程低聚木糖产率为
11.1%，低聚木糖总产率达到62.2%，另外单糖总产率达到28.6%，即总糖产率为90.8%。
[0021]实施例3
[0022]本例中木聚糖制备、酶解、酸解、纯化步骤及相关参数与实施例1相同，后续步骤中二次酶解反应时间为4h。
[0023]经测定，该条件下二次酶解过程低聚木糖产率为15.7%，低聚木糖总产率达到65.0%，另外单糖总产率达到26.1%,即总糖产率为91.1 %。
【主权项】
1.一种高产率低聚木糖的生产方法，其特征在于包括以下工艺步骤:原料准备:玉米秸杆风干后使用高速碾磨机进行粉碎，至粒径2mm以下；原料处理:将上述玉米秸杆粉放入耐热容器中，使用沸水浸泡1 _3h，固液分离取滤渣，再次使用75-95 %乙醇浸泡1 _3h，以除去玉米秸杆原料中水溶性及脂溶性杂质，将处理后混合物固液分离后取滤渣，在40-80°C下干燥至固形物含量大于90%;木聚糖制备:将上述处理后玉米秸杆，使用8-15% (w/v)NaOH溶液，以l:5-10(w/v)为固液比，于90-160°C下处理0.5-2h，固液分离后取滤液即为木聚糖提取液;使用浓HC1调节pH至5-7后，浓缩，加入乙醇使体系的乙醇浓度为50-75% (v/v)，静置1-.3h后固液分离后取滤渣，40-80°C干燥，即得固体木聚糖;酶水解:将上述木聚糖固体以1.5-.2.5 % (w/v)底物浓度溶解于去离子水中，按底物重量加入1 % (w/w)的商业木聚糖酶制剂，酶解温度45-50°C，搅拌条件下酶解4-24h;酸处理:上述酶解液后不经固液分离直接作为酸处理底物，使用0.7-1 % (v/v)醋酸于150-160°C下反应60-120min; 二次酶水解:与首次酶解条件保持一致，反应时间为l_4h;纯化:将产物pH调节至4.0，使用4% (w/v)活性炭吸附，然后依次采用1倍体积的15%、30%、60%乙醇进行洗脱，并减压浓缩，得到低聚木糖液，冻干后即得低聚木糖产品。
【专利摘要】本发明公开了一种高产率低聚木糖的生产方法，属于化工、食品领域。该方法以玉米秸秆为原料，首先风干、粉碎，水及乙醇浸泡处理，以除去玉米秸秆中水溶性与脂溶性杂质；其次通过碱提、醇沉方法得到木聚糖；最后使用酶解、酸解相结合的方法对木聚糖进行解聚处理，达到了较高的低聚木糖产率，再经离心及活性炭脱色处理后冻干，得到低聚木糖产品。本发明优点：(1)酶法和酸法相结合可显著提高低聚木糖产率，且产物的平均分子量较低；(2)对木聚糖原料结构的打断更为彻底，催化水解上限更高；(3)利用农业废弃物玉米秸秆作为生产原料，且不细致要求具体秸秆部位，具有良好的经济效益和生态意义。
【IPC分类】C12P19/14, C12P19/04, C12P19/12
【公开号】CN105483184
【申请号】CN201610009343
【发明人】徐建, 李宏强, 沈芮
【申请人】中国科学院过程工程研究所
【公开日】2016年4月13日
【申请日】2016年1月7日