一种实现玉米芯残渣中糖类与木素组分清洁分离的方法
【技术领域】
[0001]本发明属于生物质资源与农作物废弃物利用的技术领域，尤其是一种实现玉米芯残渣中糖类与木素组分清洁分离的方法。
【背景技术】
[0002]煤、石油、天然气等矿物燃料是工业社会的核心能源，但不可再生且储量有限。随着人类社会经济的飞速发展，能源消耗速度加剧，同时，高强度地利用矿物燃料使多余的能量和碳素大量释放，打破了自然界的能量和碳平衡，引发臭氧层破坏、全球气候变暖、酸雨等灾难性后果，引起了全球的极大忧虑。
[0003]在此背景下，以生物质能源为代表的绿色、清洁、可再生能源成为世界关注的焦点。生物质能源是通过绿色植物的光合作用，将太阳能以化学能形式贮存在地球生物质中的一种能量形式，是一种取之不尽、用之不竭的可再生能源，是地球上仅次于煤炭、石油和天然气资源的第四大能源。
[0004]我国是农业大国，农作物秸杆剩余物的资源丰富，其中玉米的年产量达上亿吨，居世界上第二，占世界总产量的五分之一，玉米芯、秸杆等农作物剩余物资源丰富且廉价，但是，其有效利用率低。提高农作物秸杆等剩余物资源的综合利用范围和利用率，不仅可以有效利用农业废弃物资源，也能减轻对环境保护的压力，是利国利民、符合国家可持续发展战略和迫在眉睫的举动。如果通过适当的预处理工艺将玉米芯残渣中的糖类组分和木素分离，继而进一步利用糖类组分发酵生产乙醇、丙酮、糠醛、乳酸、谷氨酸等化工原料，同时将木素进一步纯化用于后续木素基产品的开发，将有利于生物质资源的高效和高值化利用，这对我国国民经济的发展、清洁生产以及环境保护都具有重要意义。
[0005]目前，尚没有一种能够实现玉米芯残渣中糖类与木素组分清洁分离的方法。
[0006]通过检索，尚未发现与本发明专利申请相关的专利公开文献。
【发明内容】
[0007]本发明的目的在于克服现有技术的不足之处，提供一种实现玉米芯残渣中糖类与木素组分清洁分离的方法，该方法能够实现玉米芯残渣这种农作物废弃物的有效利用，为后续的加工利用或生产具有高附加值产品提供原料基础。
[0008]本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:
[0009]—种实现玉米芯残渣中糖类与木素组分清洁分离的方法，步骤如下:
[0010]⑴首先，将选取的玉米芯残渣分别进行化学法预处理或机械法预处理:
[0011]①化学法预处理:将玉米芯残渣原料置于反应器中，加入0.1%~5.0% (相对于原料绝干质量)的NaOH，反应容器在60-90°C的温度下保温10_60min，并在反应过程中不断搅拌，以使玉米芯残渣原料与药液充分反应，反应结束后，过滤以将预处理液与固体残渣进行分离，将反应后的玉米芯固体残渣水洗至中性，并在风干平衡水分后储存以用于后续的生物酶处理；
[0012]②机械法预处理:将玉米芯残渣放入研磨机中并加入水进行研磨，保证研磨浓度维持在1% -30%的范围内，转速为300-2000rpm，研磨时间为10_60min，研磨后的玉米芯固体残渣经收集、平衡水分后用于后续的生物酶处理；
[0013]⑵生物酶处理:对预处理后的玉米芯固体残渣进行生物酶处理，在进行处理之前，对所用容器进行高温灭菌处理；
[0014]⑶在无菌条件下，向预处理后的玉米芯固体残渣中加入乙酸一乙酸钠缓冲溶液，玉米芯固体残渣的绝干质量与乙酸一乙酸钠缓冲溶液体积比例为1:5kg:L，充分搅拌后加入生物酶混合液，然后加入蒸馏水使玉米芯残渣的质量浓度为1% -10%，无菌条件下进行生物酶恒温培养酶解处理，随后即得酶水解后的残渣以及生物酶水解液；
[0015]其中，所述生物酶恒温培养酶解处理的条件为:反应温度40 - 55°C，反应时间
10- 80h，转速100 - 180rpm，所用生物酶用量为10 - 70FPU/g底物；
[0016]⑷生物酶处理之后，分离生物酶水解液与残渣，收集生物酶水解液，即得包含糖类的糖化液，储存备用；
[0017]残渣为酶解粗木素，将酶水解粗木素洗至pH值呈6 - 7后，风干、储存、平衡水分后备用;
[0018](5)取酶解粗木素，使其溶解在包含浓度为0.01mol/L HCl的弱酸性的二氧六环一水混合液中，其中二氧六环与水的体积比为85:15，酶解粗木素的质量浓度为5%，在90-100°C温度下对酶解粗木素进行抽提处理，抽提处理时要保证在氮气的保护下进行回流，从第一次回流时开始计时，抽提2-4h，得混合物；
[0019](6)抽提处理结束后，将混合物进行过滤，残渣用新鲜的二氧六环与水组成的混合液进行洗涤，洗涤数次直至滤液澄清，收集滤液用于后续处理；
[0020](7)将碳酸氢钠颗粒加入所收集的滤液进行中和直至滤液呈中性，然后利用旋转蒸发设备进行蒸发浓缩处理，温度在30 - 35°C，浓缩比为1:15-40，将所得的浓缩液逐滴加至大量的酸性去离子水中，在逐滴加入的过程中保持均匀搅拌以促进木素的溶出、沉淀；
[0021]⑶将溶出、沉淀出来的木素进行过滤处理以分离木素，过滤所得的固体经酸性去离子水充分洗涤，洗涤结束后将木素转移至容器中收集、冷冻干燥20_28h，干燥后的木素用正己烷洗涤以除去其它杂质成分，然后经过在30°C条件下持续进行真空干燥6-10h，最终获得纯化后的木素。
[0022]而且，所述步骤⑴中玉米芯残渣为玉米芯原料经酸法处理提取玉米芯中的木糖之后的剩余物。
[0023]而且，所述玉米芯残渣的主要组分及质量百分数如下:葡聚糖63.68%，木聚糖4.17%, Klason 木素 17.03%，乙醇抽出物 10.64%，灰分 2.93%。
[0024]而且，所述步骤⑵中高温灭菌处理的条件为121°C灭菌60min。
[0025]而且，所述步骤⑶中乙酸一乙酸钠缓冲溶液的pH为4.5 - 5.0，其配制方法为:称取乙酸钠，加蒸馏水溶解，再加入冰乙酸，加蒸馏水稀释至乙酸钠浓度为0.5mol/L，冰乙酸的体积浓度为2.5%，并调节pH值至4.5 - 5.0。
[0026]而且，所述步骤⑶中生物酶为复合纤维素酶。
[0027]而且，所述步骤⑷中利用过滤器实现生物酶水解液与残渣的分离。
[0028]而且，所述步骤(6)中二氧六环与水的体积比为85:15。
[0029]而且，所述步骤(7)中搅拌速度为50-200rpm ;或者，所述步骤(7)中蒸发浓缩处理的浓缩比为1:20。
[0030]而且，所述步骤⑶中酸性去离子水的pH = 2.0。
[0031]本发明取得的优点和有益效果是:
[0032]1、本发明方法充分实现了玉米芯残渣这种农作物废弃物的有效利用，不仅可以有效利用农业废弃物资源，也减轻了对环境保护的压力，是利国利民、符合国家可持续发展战略和迫在眉睫的方法，对我国国民经济的发展、清洁生产以及环境保护都具有重要意义。
[0033]2、本发明方法借助化学法处理、机械法处理和生物酶处理实现其主要化学组分(糖类组分和木素)的清洁分离，玉米芯残渣经生物酶处理后，底物的葡萄糖转化率可达到97%，该方法最终分离纯化后的木素得率可高达27%，为后续的加工利用或生产具有高附加值产品提供原料基础，该方法清洁，操作简单、方便，成本合理。
【附图说明】
[0034]图1是本发明实现玉米芯残渣中碳水化合物与木素清洁有效分离的工艺流程图。
【具体实施方式】
[0035]下面结合实施例，对本发明进一步说明；下述实施例是说明性的，不是限定性的，不能以下述实施例来限定本发明的保护范围。
[0036]本发明中所使用的原料，如无特殊说明，均为常规的市售产品；本发明中所使用的方法，如无特殊说明，均为本领域的常规方法。
[0037]本发明中所使用的乙酸一乙酸钠缓冲溶液的pH为4.5 - 5.0，其配制方法为:称取乙酸钠(CH3COONa.3H20)，加蒸馏水溶解，再加入冰乙酸，加蒸馏水稀释至乙酸钠浓度为0.5mol/L，冰乙酸的体积浓度为2.5%，并调节pH值至4.5 - 5.0。
[0038]实施例1
[0039]—种实现玉米芯残渣中糖类与木素组分清洁分离的方法，步骤如下:
[0040](I)首先，将筛选后的玉米芯残渣加入0.5%碱浓(相对于绝干玉米芯残渣质量)的溶液(NaOH溶液)中，并在80°C下，反应30min，并在反应过程中不断搅拌，以使玉米芯残渣原料与药液充分反应，反应结束后，将固液进行抽滤分离，收集黑液，收集完黑液之后继续将残渣洗至中性，然后放入室内风干并平衡水分，收集并用于后续的生物酶水解；
[0041 ] (2)对经碱处理后的玉米芯固体残渣进行酶水解。在进行酶水解之前，所用仪器均经过高温灭菌处理(121°C，60min)；
[0042](3)在酶水解反应器中加入预处理后的玉米芯固体残渣，加入乙酸一乙酸钠(pH ^ 4.8)缓冲液，玉米芯残渣的绝干质量(kg)与乙酸一乙酸钠缓冲液体积(L)的比例为1: 5，并不断搅拌使玉米芯残渣充分地分散，再加入44FPU/g底物的纤维素酶，然后加入蒸馏水使玉米芯残渣的最终浓度为10%，密封后置于50°C恒温培养振荡器中反应76h，转速为 180rpm ；
[0043](4)酶水解之后对水解残渣与水解液进行过滤分离，收集酶水解液，水解液即为糖化液，含有葡萄糖、木糖以及阿拉伯糖等糖类，储存备用；
[0044]水解残渣就是酶水解粗木素，将酶水解粗木素洗至中性，风干备用；
[0045](5)取适量酶解粗木素，使其溶解到包含浓度为0.01mol/L HCl的弱酸性的二氧六环一水混合液中，二氧六环与水的比例为85:15，酶解粗木素的质量浓度为5%，在95°C下进行抽提，由于二氧六环沸点为86°C，因此，此反应要在氮气的保护下进行回流，从第一次回流时开始计时，抽提2h，得混合物；
[0046](6)反应结束后，将混合液进行过滤，固体用新鲜的二氧六环一水混合液(二氧六环:水的体积比为85:15)进行洗涤，洗至滤液澄清即可。滤液用碳酸氢钠中和至中性，在30°C的温度下用旋转蒸发器进行旋转蒸发浓缩，浓缩比为1:20 ;
[0047](7)浓缩结束后，将浓缩液加至大量的酸性去离子水中(pH = 2.0)，并不断搅拌，使木素溶出，将溶出、沉淀出来的木素进行过滤处理以分离木素，过滤所得的固体经酸性去离子水充分洗涤，洗涤结束后将木素转移至容器中收集、冷冻干燥28h，干燥后的酶解木素用正己烷洗涤以除去其它杂质成分，然后在30°C条件下持续进行真空干燥6h，最终获得纯化后的木素。
[0048]检测结果:
[0049]在上述工艺条件下:水解1h后，酶水解液中葡萄糖的浓度为25500mg/L，底物的葡萄糖转化率为37% ;水解76h后，水解液中葡萄糖的浓度为45100mg/L，底物的葡萄糖转化率为66