本发明涉及生物
技术领域：
，特别涉及一种水稻秸秆高效转化木糖醇的方法。
背景技术：
水稻秸秆是一种重要的农业资源，可用于畜禽饲料、造纸原料、建筑材料、生物质能源及有机肥材料等。我国水稻种植历史悠久、种植面积达3000万公顷，水稻秸秆资源丰富。资料表明，我国年水稻秸秆产量约2亿吨，水稻秸秆作为一种重要的生物资源，将越来越多地被利用。目前，水稻秸秆的利用主要还是机械还田，但功耗大，机具缠草，壅泥严重，作业效果差，严重影响水稻秸秆资源的利用，水稻秸秆还田还存在腐烂周期长，难以发挥有机质的利用效率，为了节约农时，不少地区采用就地焚烧的方法处理水稻秸秆，不仅浪费资源，还造成严重的环境污染，不利于生态的可持续发展，因此，研究充分利用水稻秸秆的处理技术非常迫切。木糖是十分重要的单糖类物质，具有一系列的优势，比如甜度高但热量低，可以改善人体内微生物的生存环境，促进人体肠道内有益菌的增殖和生长，提高人体的免疫力等。研究表明，木糖还可以促进人体对钙的吸收。由于木糖具有甜度高但热量低的特点，可以尽可能的满足人们对甜品的需求，特别是对于糖尿病等特殊从群来说，需求量很大，近年来其在食品和医药等领域有着广泛的应用。水稻秸秆中的本纤维素中，存在着大量的木糖结构单元，目前主要发现两种木聚糖，分别为阿拉伯木聚糖和阿拉伯葡萄糖醛酸木聚糖，前者主要存在于禾本科植物中。水稻秸秆中存在着丰富的d-木糖结构单元，采取一定的方法降解半纤维素可以获得这些d-木糖，目前所采用的方法主要有酸水解法，微波辅助酸水解法和酶解法。微波水解法是近年来倍受关注的一种快速降解法，具有效率高、能耗低、加热均匀、成本低、选择性好等优点。微波加热在食品加工、木材干燥和天然产物提取等方面有着广泛的应用。此外微波加热还可用于消解、合成等方面。在微波作用下，极性分子的取向随着外电场的变化而发生变化，从而引起分子的热运动和分子间的相互作用，产生了类似于摩擦的作用，从而将微波场能转化为介质的热能。与普通加热由外及里的加热方式不同，微波法消除了热传导，以从里向外的方式进行加热。当以微波法处理农林生物质原料时，原料中水分子吸收微波能，深层加热且使瞬时温度升高，致使原料结构发生断裂从而起到快速降解的作用，微波辅助酸水解法兼具酸解法与微波水解法的优点，不仅能大大缩短水解时间，还使得木糖得率高，水解副产物少。木糖醇是木糖代谢的中间产物，属于五碳糖醇。木糖醇具有一系列的优点特性，在食品、医药和化工等领域有着广泛的应用，近年来也越来越引起了人们的关注。木糖醇的甜度与蔗糖相仿，食用时会产生清凉的口感，其作为食品添加剂有很多的优势，比如其热稳定性好，不会使食品颜色加深，也不会破坏食品的营养成分，并且比传统的蔗糖甜味剂有更长的保质期。木糖醇还具有防龋齿、耳炎、脂肪肝，改善肝脏功能，抑制口腔细菌的滋生，使损伤的牙齿重新钙化以及刺激唾液分泌等功效。美国视木糖醇为公认安全物质，允许在饮料、食品和医药等中使用。半纤维素的高值化利用是日前半纤维素研究领域的重要课题。但是利用半纤维素中的木聚糖转化木糖醇还存在着许多的问题，比如:1、如何尽量提高半纤维素水解转化木糖的产率；2、水解液纯化工艺优化，提高纯化效率，降底木糖的损失率；3、如何提高木糖转化为木糖醇的转化率。技术实现要素：本发明所要解决的技术问题：针对目前利用水稻秸秆中半纤维素转化木糖醇的技术问题，本发明高效利用水稻秸秆转化为木糖醇，提高木糖醇产率、纯度，降低损失率。为解决上述技术问题，本发明提供以下的技术方案：一种水稻秸秆高效转化木糖醇的方法，包含以下操作步骤：(1)原料制备：将水稻秸秆切割成4～10cm的小段，将剪好的水稻秸秆放入汽爆机，在1.8mpa的压力条件下，保压10～15min后爆开，即得到所需的原料蒸爆水稻秸秆；(2)半纤维素的分离：用沸水浴对蒸爆水稻秸秆进行水煮，蒸爆水稻秸秆与水的质量比为1:15～1:30，水煮0.6～1.5h，然后5000rpm离心15min进行固液分离，同样的条件，再水煮0.6～1.5h，并5000rpm离心15min离心进行固液分离，将两次离心液混合，得到富集半纤维素的水煮液；(3)将步骤(2)中的剩余固体收集，每克固体加入硫酸2～8ml，在微波功率800～900w，95～105℃条件下进行酸水解18～24h，水解完成后5000rpm离心15min进行固液分离，收集上清；(4)将步骤(2)中的水煮液进行酸水解，每毫升水煮液加入硫酸2～4ml，在微波500～800w，80～100℃条件下水解8～12h；(5)将步骤(3)和(4)中的水解液合并后用0.2～0.4m氢氧化钠中和去酸，然后先用d351阴离子交换树脂，再用010阳离子交换树脂进行净化处理，采用过柱的方式将中和液按顺序加入树脂中，中和液与树脂的体积比为0.5:1～0.9:1，并分别用5倍柱体积的蒸馏水淋洗，收集流出液；(6)净化后的水解液进行超滤浓缩，采用色谱法分离木糖，最后将分离出的木糖溶液收集浓缩，放置于4℃冰箱24h，以冷却结晶的方式得到木糖产品；(7)称量木糖结晶溶于强碱性溶液中，等体积加入1.0～1.5m的nabh4强碱性溶液中，木糖与nabh4的摩尔比为1:0.2～1:1，室温放置15d，之后冰乙酸除去溶液中剩余nabh4，90℃下干燥，称量干燥样质量，测量样品中木糖醇含量，计算木糖转化木糖醇的效率，所述强碱性溶液为koh、naoh中的一种配制的浓度为0.0125～0.025m的水溶液。优选地，所述水稻秸秆在105℃，20min条件下杀青，100℃烘干1h；优选地，所述步骤(3)中的硫酸使用浓度为0.4～0.8m；所述步骤(4)中的硫酸终浓度为0.3～0.5m；优选地，所述d351阴离子交换树脂和010阳离子交换树脂的预处理方法如下：(a)采用95％乙醇浸泡活化树脂30min，用量为树脂体积的2～3倍；(b)活化后用饱和氯化钠溶液浸泡2h；(c)采用过柱子的方式对树脂进行酸碱处理，盐酸和氢氧化钠的浓度均1mol/l，用量均为10倍树脂体积，然后分别用蒸馏水淋洗至中性。优选地，所述色谱法分离木糖，采用100～200目的正向硅胶，湿法装柱，先将硅胶溶于10倍体积的正丁醇中，然后用玻璃棒引入层析柱中，以甲醇和乙酸乙醋的配比液来作为淋洗液进行木糖的分离。进一步优选地，所述甲醇和乙酸乙醋的配比液中甲醇和乙酸乙醋的体积比为1:2～1:6。本发明获得的有益效果：本发明通过蒸煮法和微波酸水解法的结合，高效利用水稻秸秆中半纤维素转化为木糖，优化水解液纯化工艺，再利用催化加氢法将木糖高效转化为木糖醇，继而提高木糖醇的产率、纯度、降低损失率。具体实施方式下面通过对实施例的描述，对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明，以帮助本领域的技术人员对本发明的发明构思、技术方案有更完整、准确和深入的理解。实施例1：按照以下步骤制备木糖醇：(1)原料制备：将10kg水稻秸秆在105℃，20min条件下杀青，100℃烘干1h，切割成7cm的小段，将剪好的水稻秸秆放入汽爆机，在1.8mpa的压力条件下，保压12min后爆开，即得到所需的原料蒸爆水稻秸秆；(2)半纤维素的分离：用沸水浴对蒸爆水稻秸秆进行水煮，蒸爆水稻秸秆与水的质量比为1:23，水煮1h，然后5000rpm离心15min进行固液分离，同样的条件，再水煮1h，并5000rpm离心15min离心进行固液分离，将两次离心液混合，得到富集半纤维素的水煮液；(3)将步骤(2)中的剩余固体收集，每克固体加入硫酸5ml，硫酸使用浓度为0.6m，在微波功率850w，100℃条件下进行酸水解21h，水解完成后5000rpm离心15min进行固液分离，收集上清；(4)将步骤(2)中的水煮液进行酸水解，每毫升水煮液加入硫酸3ml，硫酸终浓度为0.4m，在微波650w，90℃条件下水解10h；(5)将d351阴离子交换树脂和010阳离子交换树脂进行预处理，方法如下：(a)采用95％乙醇浸泡活化树脂30min，用量为树脂体积的2.5倍；(b)活化后用抽滤除去乙醇，用2倍树脂体积的饱和氯化钠溶液浸泡2h；(c)湿法装柱，采用过柱子的方式对树脂进行先酸后碱处理，盐酸和氢氧化钠的浓度均1mol/l，用量均为10倍树脂体积，然后分别用蒸馏水淋洗至中性，流速均为10ml/min。(6)室温下，将步骤(3)和(4)中的水解液合并后用0.3m氢氧化钠中和去酸，然后先用d351阴离子交换树脂，再用010阳离子交换树脂进行脱盐净化处理，采用过柱的方式将中和液按顺序流经树脂中，中和液与树脂的体积比为0.7:1，并分别用5倍柱体积的蒸馏水淋洗，流速6ml/min，收集流出液；(7)净化后的水解液进行超滤浓缩至原体积的1/30，采用色谱法分离木糖，采用150目的ymc正向硅胶，湿法装柱，先将硅胶溶于10倍体积的正丁醇中，然后用玻璃棒引入层析柱中，装柱后进行色谱分离，以甲醇和乙酸乙醋的1:3配比液来作为洗脱液进行木糖的分离，分离温度50℃，进料速率2ml/min，洗脱速度15ml/min。(8)最后将洗脱分离的木糖溶液收集，超滤浓缩三次，放置于4℃冰箱24h，以冷却结晶的方式得到木糖。(9)称量100g木糖结晶溶于强碱性溶液中，等体积加入1.25m的nabh4强碱性溶液中，木糖与nabh4的摩尔比为1:0.6，室温放置15d，加入冰乙酸至溶液ph7.0，90℃下干燥，称量干燥样质量，测量干燥样品中木糖醇含量，计算木糖转化木糖醇的效率，所述强碱性溶液为0.019m的naoh水溶液。实施例2：按照以下步骤制备木糖醇：(1)原料制备：将10kg水稻秸秆在105℃，20min条件下杀青，100℃烘干1h，切割成10cm的小段，将剪好的水稻秸秆放入汽爆机，在1.8mpa的压力条件下，保压15min后爆开，即得到所需的原料蒸爆水稻秸秆；(2)半纤维素的分离：用沸水浴对蒸爆水稻秸秆进行水煮，蒸爆水稻秸秆与水的质量比为1:30，水煮1.5h，然后5000rpm离心15min进行固液分离，同样的条件，再水煮1.5h，并5000rpm离心15min离心进行固液分离，将两次离心液混合，得到富集半纤维素的水煮液；(3)将步骤(2)中的剩余固体收集，每克固体加入硫酸8ml，硫酸使用浓度为0.8m，在微波功率900w，105℃条件下进行酸水解24h，水解完成后5000rpm离心15min进行固液分离，收集上清；(4)将步骤(2)中的水煮液进行酸水解，每毫升水煮液加入硫酸4ml，硫酸终浓度为0.5m，在微波800w，100℃条件下水解12h；(5)将d351阴离子交换树脂和010阳离子交换树脂进行预处理，方法如下：(a)采用95％乙醇浸泡活化树脂30min，用量为树脂体积的2.5倍；(b)活化后用抽滤除去乙醇，用2倍树脂体积的饱和氯化钠溶液浸泡2h；(c)湿法装柱，采用过柱子的方式对树脂进行先酸后碱处理，盐酸和氢氧化钠的浓度均2mol/l，用量均为10倍树脂体积，然后分别用蒸馏水淋洗至中性，流速均为20ml/min。(6)室温下，将步骤(3)和(4)中的水解液合并后用0.4m氢氧化钠中和去酸，然后先用d351阴离子交换树脂，再用010阳离子交换树脂进行脱盐净化处理，采用过柱的方式将中和液按顺序流经树脂中，中和液与树脂的体积比为0.9:1，并分别用5倍柱体积的蒸馏水淋洗，流速15ml/min，收集流出液；(7)净化后的水解液进行超滤浓缩至原体积的1/40，采用色谱法分离木糖，采用200目的ymc正向硅胶，湿法装柱，先将硅胶溶于10倍体积的正丁醇中，然后用玻璃棒引入层析柱中，装柱后进行色谱分离，以甲醇和乙酸乙醋的1:6配比液来作为洗脱液进行木糖的分离，分离温度65℃，进料速率5ml/min，洗脱速度30ml/min。(8)最后将洗脱分离的木糖溶液收集，超滤浓缩两次，放置于4℃冰箱24h，以冷却结晶的方式得到木糖产品。(9)称量100g木糖结晶溶于强碱性溶液中，等体积加入1.5m的nabh4强碱性溶液中，木糖与nabh4的摩尔比为1:1，室温放置25d，加入冰乙酸至溶液ph7.0，90℃下干燥，称量干燥样质量，测量干燥样品中木糖醇含量，计算木糖转化木糖醇的效率，所述强碱性溶液为0.025m的naoh水溶液。实施例3：按照以下步骤制备木糖：(1)原料制备：将10kg水稻秸秆在105℃，20min条件下杀青，100℃烘干1h，切割成4cm的小段，将剪好的水稻秸秆放入汽爆机，在1.8mpa的压力条件下，保压10min后爆开，即得到所需的原料蒸爆水稻秸秆；(2)半纤维素的分离：用沸水浴对蒸爆水稻秸秆进行水煮，蒸爆水稻秸秆与水的质量比为1:15，水煮0.6h，然后5000rpm离心15min进行固液分离，同样的条件，再水煮0.6h，并5000rpm离心15min离心进行固液分离，将两次离心液混合，得到富集半纤维素的水煮液；(3)将步骤(2)中的剩余固体收集，每克固体加入硫酸2ml，硫酸使用浓度为0.4m，在微波功率800w，95℃条件下进行酸水解18h，水解完成后5000rpm离心15min进行固液分离，收集上清；(4)将步骤(2)中的水煮液进行酸水解，每毫升水煮液加入硫酸2ml，硫酸终浓度为0.3m，在微波500w，80℃条件下水解8h；(5)将d351阴离子交换树脂和010阳离子交换树脂进行预处理，方法如下：(a)采用95％乙醇浸泡活化树脂30min，用量为树脂体积的2.5倍；(b)活化后用抽滤除去乙醇，用2倍树脂体积的饱和氯化钠溶液浸泡2h；(c)湿法装柱，采用过柱子的方式对树脂进行先酸后碱处理，盐酸和氢氧化钠的浓度均1mol/l，用量均为10倍树脂体积，然后分别用蒸馏水淋洗至中性，流速均为10ml/min。(6)室温下，将步骤(3)和(4)中的水解液合并后用0.2m氢氧化钠中和去酸，然后先用d351阴离子交换树脂，再用010阳离子交换树脂进行脱盐净化处理，采用过柱的方式将中和液按顺序流经树脂中，中和液与树脂的体积比为0.5:1，并分别用5倍柱体积的蒸馏水淋洗，流速5ml/min，收集流出液；(7)净化后的水解液进行超滤浓缩至原体积的1/20，采用色谱法分离木糖，采用100目的ymc正向硅胶，湿法装柱，先将硅胶溶于10倍体积的正丁醇中，然后用玻璃棒引入层析柱中，装柱后进行色谱分离，以甲醇和乙酸乙醋的1:2配比液来作为洗脱液进行木糖的分离，分离温度40℃，进料速率2ml/min，洗脱速度10ml/min。(8)最后将洗脱分离的木糖溶液收集，超滤浓缩一次，放置于4℃冰箱24h，以冷却结晶的方式得到木糖产品。(9)称量100g木糖结晶溶于强碱性溶液中，等体积加入1m的nabh4强碱性溶液中，木糖与nabh4的摩尔比为1:0.2，室温放置25d，加入冰乙酸至溶液ph7.0，90℃下干燥，称量干燥样质量，测量干燥样品中木糖醇含量，计算木糖转化木糖醇的效率，所述强碱性溶液为0.0125m的naoh水溶液。对比实施例1-3的木糖产率，方法如下：(1)水稻秸秆中半纤维素的定量检测：参照gb/t26677.9-2005。本测试方法是将未离心的蒸爆水稻秸秆水煮液与12％(m/m)的盐酸共混，以共热的方式将试样中的半纤维素转化为糠醛，然后用容量法定量地测定蒸馏出来的糠醛含量，最后再换算成半纤维素的含量。半纤维素得率＝未离心的水煮液中半纤维素总量/稻草秸秆的干重*100％(2)木糖的定量检测：高效液相色谱((hplc)检测，测试木糖含量所用的hplc是用agilent1100型高效液相色谱仪，所用的色谱柱为hpx-87c300mm×7.8mm，以超纯水为流动相，柱温75℃，流速控制在0.6～0.8ml/min。参考国标gb/t23532-2009，采用外标法来测定合并后的酸水解液中木糖的含量。木糖得率＝合并后的酸水解液中木糖总量/稻草秸秆的干重*100％定量结果如下：表1稻草秸秆转化木糖的产率实施例1实施例2实施例3半纤维素得率(wt％)9.058.117.32木糖得率(wt％)8.066.625.86产率(％)89.0681.6380.05注：产率为木糖得率/半纤维素得率*100％由表1可知实施例1-3的木糖转化得率均超过80％，转化效率较高。采用hplc测定分离产物固体部分和液体部分中木糖含量，结果如下：表2分离产物固体部分和液体部分中木糖含量实施例1实施例2实施例3固体中木糖含量(wt％)83.377.480.5液体中木糖含量(wt％)53.261.355.5计算纯化过程中的木糖损失率，计算公式如下：损失率＝[1-(最终产物中纯木糖的质量/合并后的酸水解液中木糖总量)]*100％损失率结果如下：表3纯化过程中木糖的损失率实施例1实施例2实施例3木糖损失率(％)4.45.75.0木糖醇的定量检测：高效液相色谱hplc检测，本章实验测试木糖醇含量所用的hplc是agilent1100型高效液相色谱仪，所用的色谱柱为hpx-87c300mmx7.8mm，以35％乙睛溶液为流动相，柱温75℃，流速控制在0.6-0.8ml/min。参考国标gb13509-2009，采用外标法来进行木糖醇含量的测定。先配制三种不同浓度的木糖醇标准溶液，分别称取约1.0g，1.5g和2.0g(精确至0.0001g)木糖醇标准品，然后将其移入容量瓶中，并用蒸馏水定容到100ml。再准确称取1至2g(精确至0.0001g)干燥样品，同样用蒸馏水定容到100ml。分别将木糖醇标准溶液进样5μl，记录标准溶液中木糖醇的峰面积a。标准溶液中木糖醇的校正因子f按公式计算，公式如下：f＝m/a(f为标准溶液中木糖醇的校正因子；m为标准溶液中木糖醇的质量(g)；a为标准溶液中木糖醇的峰面积)同样地，将样品制备液进样5μl，记录样品中木糖醇的峰面积a；木糖醇的含量x按公式计算，公式如下：(x为木糖醇含量(wt％)；f为标准溶液中木糖醇的校正因子；ai为样品中木糖醇的峰面积；mi为样品质量(g)。木糖转化为木糖醇的专化率计算公式为：木糖醇转化率＝木糖醇含量/木糖分离产物固体中木糖含量*100％结果如下：实施例1实施例2实施例3木糖醇含量(wt％)79.5971.4674.64木糖醇转化率(％)95.5592.3392.72综上所述，本发明可以将稻草秸秆中的半纤维素高效转化为木糖，优选方案中木糖产率可达89.06％，产物纯度可达83.3％，纯化过程中木糖损失率为4.4％，木糖醇转化率高达95.55，本发明具有高产率、高产物纯度、低损失率和高转化率的特点，且方法简单实用，适用于处理大量的水稻秸秆，为水稻秸秆的高效利用，增加水稻种植的经济效益提供了全新的思路，具有广阔的应用前景。以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内；本发明未涉及的技术均可通过现有技术加以实现。当前第1页12