一种选择性降解玉米芯半纤维素提高木糖得率的方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于农业生物质综合生物炼制技术领域，具体涉及一种选择性降解玉米芯 半纤维素提高木糖得率的方法。
【背景技术】
[0002] 玉米是世界上分布最广泛的农作物之一，就种植面积而言，仅次于小麦和水稻位 列第三。我国是一个农业大国，玉米的产量和种植面积仅次于美国而居于世界第二。2013年 我国的玉米产量已经达到21848.9万t，玉米芯的产量约为3714.313万t。玉米芯主要含有纤 维素40-45%，半纤维素30-35%，木质素10-20%，灰分及少量含氮化合物。其中木聚糖型的 半纤维素含量约30%，是生产木糖潜力极高的木质纤维素原料。
[0003]在木质纤维素中，半纤维素作为粘合剂缠绕在纤维素和木质素之间，木质素具有 网状结构，加固着纤维素和半纤维素，并粘连着植物细胞。其中，纤维素和半纤维素两大组 分的理化性质对比见表1;木质素是一类由聚合的芳香醇构成的高分子聚合物，共有三种基 本结构(非缩合型结构），即愈创木基结构、紫丁香基结构和对羟苯基结构，在酸性环境中难 以水解。木质素、半纤维素和木质素三大组分的理化差异，为木质纤维素的结构拆分和功能 化利用提供了可能性。 表1纤维素与半纤维素的理化差异
[0004] 预处理能够破坏玉米芯的物理化学结构和组分障碍，实现生物质原料组分分离和 定向转化。预处理可将玉米芯中的半纤维素降解，然后通过热水浸提将其产物木糖等回收， 从而进行高附加值的木糖产品生产。因此，寻找一种经济可行的选择性高效降解半纤维素 的预处理方式成为关注焦点。目前工业上主要利用稀酸预处理玉米芯生产木糖，美国可再 生能源实验室也支持稀硫酸预处理。但其存在诸多问题如:环境污染、设备腐蚀等。
[0005] 多项研究表明蒸汽爆破技术是一种能够实现木质纤维素原料的组分分离，并高效 降解半纤维素的预处理方法。蒸汽爆破表现出了高效率、低能耗、环境友好等优点，近年来 受到了各国学者的关注，但仍存在半纤维素水解不彻底，木糖得率低等缺点。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的是提供一种综合利用玉米芯等生物质资源的选择性降解玉米芯半 纤维素提高木糖得率的方法。
[0007] 为实现上述目的，本发明采用的技术方案是，一种选择性降解玉米芯半纤维素提 高木糖得率的方法，包括以下步骤： ① 将玉米芯粉碎； ② 步骤①粉碎后的玉米芯中加入0.02~0.2wt%H2S〇4,在115~125°C下酸处理20~ 30min;然后将酸处理后的玉米芯水洗后烘干； ③ 玉米芯浸润：将步骤②烘干后的玉米芯加入到无机盐溶液中，搅拌均匀，放置6~ 12h； ④ 将步骤③浸润后的玉米芯进行蒸汽爆破处理； ⑤ 将步骤④蒸汽爆破处理后的玉米芯在50~60°C水中浸取，过滤得到浸取液和不溶性 固体。
[0008] 所述步骤①中的玉米芯粉碎到粒度为2cm以下。
[0009] 步骤②中所用步骤①粉碎后的玉米芯与0.02~0.2wt % H2S〇4的固液比为1: 3~1: 10 (kg/L);酸处理后的玉米芯水洗时，所用水与酸处理后的玉米芯的固液比为5~10:1 (kg/ L)〇
[0010] 步骤③所加入的无机盐溶液的质量为步骤②烘干后的玉米芯质量的0.2~0.6倍； 步骤③中所述无机盐溶液的浓度为〇. 05~0.3mol/L。
[0011] 所述步骤④中蒸汽爆破处理工艺条件为蒸汽压力〇 . 8~2. OMPa、保压时间120~ 600s〇
[0012] 所述步骤⑤中步骤④蒸汽爆破处理后的玉米芯在50~60°C水中浸取分两次进行， 具体过程如下：按固液比1:5~1:10(kg/L)向步骤④蒸汽爆破处理后的玉米芯中加入水，然 后在25~60 °C下浸取1~6h，过滤得到浸取液和固体;将固体按固液比1: 5~1:10 (kg/L)加 入水，然后在25~60°C下浸取1~6h，过滤得到浸取液和不溶性固体;将两次的浸取液合并。
[0013] 所述无机盐溶液中的无机盐为恥(：1、順4(：1』62(3〇4)3心(：1 3』6(脳)3和]\%(：12中的 任一种。
[0014] 本发明产生的有益效果是，本发明基于瞬时弹射式蒸汽爆破预处理技术，通过少 量无机盐的浸润，实现了对木质纤维素生物质中半纤维素的选择性降解，极大提高了木糖 的收率。本方法可应用于农业废弃物如甘蔗渣、麦草、稻草、玉米秸杆、玉米芯等各种农业废 弃物。
【具体实施方式】
[0015] 下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，但本发明的保护范围不限于此。
[0016] 以下实施例中玉米芯取自河南省林州市，75°C下烘干后使用。瞬时弹射式蒸汽爆 破机，购自河南鹤壁正道生物能源有限公司。
[0017] 实施例i 一种选择性降解玉米芯半纤维素提高木糖得率的方法，包括以下步骤： ① 将玉米芯粉碎至粒度2cm以下； ② 步骤①粉碎后的玉米芯按固液比为1: 5 (kg/L)加入0. lwt %H2S〇4，在121°C下酸处理 30min;然后将酸处理后的玉米芯水洗(固液比lkg: 8L)后烘干； ③ 玉米芯浸润:将步骤②烘干后的玉米芯加入到O.lmol/LNaCl溶液(NaCl溶液的质量 为步骤②烘干后的玉米芯质量的0.6倍)中，搅拌均匀，放置12h; ④ 将步骤③浸润后的玉米芯在瞬时弹射式蒸汽爆破机中进行蒸汽爆破处理，蒸汽爆破 处理工艺条件为蒸汽压力1 ? 4MPa、保压时间300s; ⑤ 按固液比1:10 (kg/L)向步骤④蒸汽爆破处理后的玉米芯中加入水，然后在60 °C下浸 取lh，过滤得到浸取液和固体;将固体按固液比1:10 (kg/L)加入水，然后在60 °C下浸取lh， 过滤得到浸取液和不溶性固体;将两次的浸取液合并。
[0018] 实施例2 一种选择性降解玉米芯半纤维素提高木糖得率的方法，包括以下步骤： ① 将玉米芯粉碎至粒度2cm以下； ② 步骤①粉碎后的玉米芯按固液比为1: 3 (kg/L)加入0.02wt % H2S〇4，在115 °C下酸处 理20min;然后将酸处理后的玉米芯水洗(固液比lkg: 5L)后烘干； ③ 玉米芯浸润:将步骤②烘干后的玉米芯加入到0.3mo 1/LNH4C1溶液(NH4C1溶液的质 量为步骤②烘干后的玉米芯质量的0.2倍）中，搅拌均匀，放置6h; ④ 将步骤③浸润后的玉米芯在瞬时弹射式蒸汽爆破机中进行蒸汽爆破处理，蒸汽爆破 处理工艺条件为蒸汽压力0.8MPa、保压时间600s; ⑤ 按固液比1:5(kg/L)向步骤④蒸汽爆破处理后的玉米芯中加入水，然后在25°C下浸 取6h，过滤得到浸取液和固体;将固体按固液比1: 5 (kg/L)加入水，然后在25 °C下浸取16h， 过滤得到浸取液和不溶性固体;将两次的浸取液合并。
[0019] 实施例3 一种选择性降解玉米芯半纤维素提高木糖得率的方法，包括以下步骤： ① 将玉米芯粉碎至粒度2cm以下； ② 步骤①粉碎后的玉米芯按固液比为1:1 〇 (kg/L)加入0.2wt %H2S〇4，在125 °C下酸处 理25min;然后将酸处理后的玉米芯水洗(固液比lkg: 10L)后烘干； ③ 玉米芯浸润:将步骤②烘干后的玉米芯加入到0.1mol/LMgCl2溶液(MgCl2溶液的质 量为步骤②烘干后的玉米芯质量的0.4倍）中，搅拌均匀，放置8h; ④ 将步骤③浸润后的玉米芯在瞬时弹射式蒸汽爆破机中进行蒸汽爆破处理，蒸汽爆破 处理工艺条件为蒸汽压力2.0MPa、保压时间120s; ⑤ 按固液比1:8(kg/L)向步骤④蒸汽爆破处理后的玉米芯中加入水，然后在45°C下浸 取3h，过滤得到浸取液和固体;将固体按固液比l:8(kg/L)加入水，然后在45°C下浸取3h，过 滤得到浸取液和不溶性固体;将两次的浸取液合并。
[0020] 实施例4 一种选择性降解玉米芯半纤维素提高木糖得率的方法，包括以下步骤： ① 将玉米芯粉碎至粒度2cm以下； ② 步骤①粉碎后的玉米芯按固液比为1:6 (kg/L)加入0.05wt % H2S〇4，在105 °C下酸处 理30min;然后将酸处理后的玉米芯水洗(固液比lkg: 6L)后烘干； ③ 玉米芯浸润:将步骤②烘干后的玉米芯加入到0. lmol/L FeCl3溶液(所用FeCl3溶液 的质量为步骤②烘干后的玉米芯质量的0.3倍)中，搅拌均匀，放置10h; ④ 将步骤③浸润后的玉米芯在瞬时弹射式蒸汽爆破机中进行蒸汽爆破处理，蒸汽爆破 处理工艺条件为蒸汽压力1 ? OMPa、保压时间240s; ⑤按固液比1: 5(kg/L)向步骤④蒸汽爆破处理后的玉米芯中加入水，然后在60°C下浸 取2h，过滤得到浸取液和固体;将固体按固液比1:1