CN112725393B - 一种玉米秸秆髓芯制备低聚木糖及其方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及低聚木糖领域，具体涉及一种利用玉米秸秆髓芯制备低聚木糖的方法，旨在实现玉米秸秆的高值化利用。本发明采用的原料为玉米秸秆髓芯，利用固体杂多酸与酶解法相结合制备低聚木糖；利用固体杂多酸的酸性和氧化性，加强木质纤维素原料的解聚作用，进而与酶水解法相结合，大大提高了酶水解效率、定向水解的能力，从而显著提高低聚木糖的产率。本发明的方法不仅制备工艺简单，反应条件温和，对环境友好，而且得到的低聚木糖纯度高、得率高，在后续酶解法时酶的用量少，节约成本。

Description

一种玉米秸秆髓芯制备低聚木糖及其方法
技术领域
本发明属于低聚木糖生产加工技术领域，具体地说，涉及一种玉米秸秆髓芯制备低聚木糖及其方法。
背景技术
农林生物质材料如玉米秸秆、小麦秸秆、玉米芯、蔗渣、稻草、竹子等，它们在很多方面有着潜在的利用价值。一些国家利用这些生物质副产品制造高附加值的产品，取得了很大的成就。我国是一个农业大国，玉米是我国粮食作物之一，具有丰富的资源。玉米秸秆秆皮部分在集成材以及刨花板领域广泛应用，但是所产生的髓芯未能实现充分利用。用玉米秸秆髓芯为原料开发一些新用途，如制备功能性低聚木糖，这样不仅充分利用了玉米秸秆，也增加农民的收益，极具前景。低聚木糖由2至7个木糖分子由β-1，4糖苷键相连接而成，以木二糖至木五糖为主要成分的一种功能性聚糖，聚合度(DP)小于等于20。低聚木糖因独特的性质和功能在食品和制药领域有广泛应用，是糖尿病、肥胖病等富贵病病人的良好食疗添加剂，主要用于生产木糖醇、肉食加工、肉类香料以及制备食品抗氧剂等方面，存在巨大的社会和经济效益。
在低聚木糖的研究与应用方面，我国起步较晚，在技术与设备方面还存在一些欠缺。简单来说，低聚木糖的制备原理是：取富含木聚糖的原料，水解其糖苷键，得到低聚合度糖类，即低聚木糖。传统制备低聚木糖的方法，酸水解法、酶水解法和热水抽提法等对设备要求高、工艺繁琐，甚至产生一些副产物，从而降低了低聚木糖的产率。
发明内容
针对传统低聚木糖生产加工方法工艺繁琐、产率低的问题，本发明提供一种玉米秸秆髓芯制备低聚木糖，该低聚木糖的质量浓度为21.5～23.6g/mL，本发明还公开了上述低聚木糖的制备方法，该方法通过粉碎、杂多酸预处理、酶水解、灭酶以及纯化等步骤，有效地提高了低聚木糖的产率，解决了传统技术中低聚木糖生产工艺繁琐的问题。
为解决上述问题，本发明采用如下的技术方案。
一种玉米秸秆髓芯制备低聚木糖，所述的低聚木糖的质量浓度包括酶解液中木二糖、木三糖、木四糖、木五糖浓度，其质量浓度为21.5～23.6g/mL。
本发明还提供了上述低聚木糖的制备方法，包括以下步骤：
(1)粉碎：挑选干燥、无发霉的玉米秸秆进行疏解去皮，取得玉米秸秆髓芯，将髓芯剪成小段用粉碎机粉过筛碎，用去离子水洗涤除去灰分及杂质，烘干后备用；
(2)杂多酸预处理：取粉碎后的玉米秸秆髓芯粉末5g，根据固液质量比为1:15加入去离子水，再添加0.01～0.1g固体杂多酸混合均匀，在55～95℃条件下反应1～4h，反应结束后降至室温，添加3倍体积的95％乙醇静置一夜后进行减压抽滤，收集滤液；
(3)酶水解：酶水解过程在55℃恒温摇床中进行，将步骤(2)中收集的滤液添加300～600IU/g木聚糖酶进行酶解，酶解时间为4h～12h，得到酶解液；
(4)灭酶：将步骤(3)中的酶解液在100℃下保温10min，使酶失活，然后用高速离心机离心，4000rpm离心15min，去除酶解残渣，收集上清液；
(5)纯化：将步骤(4)中的上清液经脱色树脂和活性炭双重脱色，脱色后用高效液相色谱检测酶解液中糖含量，即得到低聚木糖溶液，脱色后的酶解液冷冻干燥得到低聚木糖固体。
优选地，步骤(1)中所用原料经粉碎、过筛、洗涤后在45℃烘箱中干燥至恒重备用。
优选地，步骤(2)中固体杂多酸为磷钨酸，添加量为0.08g，反应温度为75℃，反应时间为3h。
优选地，所述木聚糖酶的添加量为500IU/g，酶解时间为6h。
优选地，步骤(5)中脱色树脂包括阳离子交换树脂和阴离子交换树脂，阳离子交换树脂型号为732型阳离子交换树脂，阴离子交换树脂型号为D301-FD型阴离子交换树脂；阳离子交换树脂与阴离子交换树脂串联，操作温度为50℃，阴离子交换树脂与阳离子交换树脂的质量比例为1：2，时间为60min；所述的活性炭的质量分数为1％，温度为50℃，吸附时间为50min。
优选地，步骤(5)中所得酶解液中低聚木糖含量采用高效液相色谱法检测，选用高效阴离子色谱，色谱柱为CarbonPac PA200，流动相为100mmol/L NaOH和500mmol/LNaAc，流速为0.3mL/min，柱温30℃。
优选地，上述低聚木糖的制备方法，包括以下步骤：
(1)粉碎：挑选干燥、无发霉的玉米秸秆进行疏解去皮，取得玉米秸秆髓芯，将髓芯剪成小段用粉碎机粉过筛碎，用去离子水洗涤除去灰分及杂质，烘干后备用；
(2)杂多酸预处理：取粉碎后的玉米秸秆髓芯粉末5g，根据固液质量比为1:15加入去离子水，再添加0.08g固体杂多酸混合均匀，在75℃条件下反应34h，反应结束后降至室温，添加3倍体积的95％乙醇静置一夜后进行减压抽滤，收集滤液；
(3)酶水解：酶水解过程在55℃恒温摇床中进行，将步骤(2)中收集的滤液添加500IU/g木聚糖酶进行酶解，酶解时间为4h～12h，得到酶解液；
(4)灭酶：将步骤(3)中的酶解液在100℃下保温10min，使酶失活，然后用高速离心机离心，4000rpm离心15min，去除酶解残渣，收集上清液；
(5)纯化：将步骤(4)中的上清液经脱色树脂和活性炭双重脱色，脱色后用高效液相色谱检测酶解液中糖含量，即得到低聚木糖溶液，脱色后的酶解液冷冻干燥得到低聚木糖固体。
有益效果
相比于现有技术，本发明的有益效果为：
1.在本发明中，原料利用目前尚未充分利用的玉米秸秆髓芯，这种原料来源广泛，是一种富含木聚糖的原料，适宜用来生产低聚木糖。
2.在本发明中，利用固体杂多酸-磷钨酸做催化剂，利用杂多酸的酸性和氧化性，加强木质纤维素原料的解聚作用，进一步与酶水解法相结合，大大提高了酶水解效率、定向水解的能力，从而显著提高低聚木糖的产率。杂多酸不需要中和，易于分离，本实验操作过程简单，对环境友好，便于工业化生产。
3.在本发明中，杂多酸与酶法相结合制备出的低聚木糖聚合度低于20，具有自由基清除能力。
具体实施方式
下面结合具体发明对本发明进一步进行描述。
实施例1
挑选干燥、无发霉的玉米秸秆进行疏解去皮，取得玉米秸秆髓芯，将髓芯粉碎、洗涤后在45℃烘箱中干燥至恒重备用。取烘干好的玉米秸秆髓芯粉末5g，加入去离子水75mL，加入固体杂多酸-磷钨酸质量为0.01g～0.1g混合均匀进行预处理，反应温度为75℃，反应时间为3h，反应结束后降至室温。采用3倍体积的95％乙醇，静置一夜，减压抽滤，收集滤液；对收集滤液进行酶水解，添加500IU/g木聚糖酶，酶解时间为6h，得到酶解液；对上述酶解液进行灭酶处理，酶解液在100℃下保温10min，使酶失活，然后用高速离心机离心，4000rpm离心15min，去除酶解残渣，收集上清液；对上述上清液进行纯化处理，经脱色树脂和活性炭双重脱色后的低聚木糖溶液用高效液相色谱检测酶解液中糖含量，固体杂多酸-磷钨酸添加量为0.08g时，低聚木糖质量浓度为22.8g/mL，其中，低聚木糖的质量浓度包括酶解液中木二糖、木三糖、木四糖、木五糖浓度，将上述低聚木聚糖溶液经冷冻干燥得到低聚木糖固体。
所述的脱色树脂包括阳离子交换树脂和阴离子交换树脂，阳离子交换树脂型号为732型阳离子交换树脂，阴离子交换树脂型号为D301-FD型阴离子交换树脂；阳离子交换树脂与阴离子交换树脂串联，操作温度为50℃，阴离子交换树脂与阳离子交换树脂的质量比例为1：2，时间为60min；所述的活性炭的质量分数为1％，温度为50℃，吸附时间为50min。
所得酶解液中低聚木糖含量采用高效液相色谱法检测，选用高效阴离子色谱，色谱柱为CarbonPac PA200，流动相为100mmol/L NaOH和500mmol/LNaAc，流速为0.3mL/min，柱温30℃。
实施例2
挑选干燥、无发霉的玉米秸秆进行疏解去皮，取得玉米秸秆髓芯，将髓芯粉碎、洗涤后在45℃烘箱中干燥至恒重备用。取烘干好的玉米秸秆髓芯粉末5g，加入去离子水75mL，加入固体杂多酸-磷钨酸质量为0.08g混合均匀进行预处理，反应温度为55℃～95℃，反应时间为3h，反应结束后降至室温。采用3倍体积的95％乙醇，静置一夜，减压抽滤，收集滤液；对收集滤液进行酶水解，添加500IU/g木聚糖酶，酶解时间为6h，得到酶解液；对上述酶解液进行灭酶处理，酶解液在100℃下保温10min，使酶失活，然后用高速离心机离心，4000rpm离心15min，去除酶解残渣，收集上清液；对上述上清液进行纯化处理，经脱色树脂和活性炭双重脱色后的低聚木糖溶液用高效液相色谱检测酶解液中糖含量，反应温度为75℃时，低聚木糖质量浓度为22.8g/mL，其中，低聚木糖的质量浓度包括酶解液中木二糖、木三糖、木四糖、木五糖浓度，将上述低聚木聚糖溶液经冷冻干燥得到低聚木糖固体。
所述的脱色树脂包括阳离子交换树脂和阴离子交换树脂，阳离子交换树脂型号为732型阳离子交换树脂，阴离子交换树脂型号为D301-FD型阴离子交换树脂；阳离子交换树脂与阴离子交换树脂串联，操作温度为50℃，阴离子交换树脂与阳离子交换树脂的质量比例为1：2，时间为60min；所述的活性炭的质量分数为1％，温度为50℃，吸附时间为50min。
所得酶解液中低聚木糖含量采用高效液相色谱法检测，选用高效阴离子色谱，色谱柱为CarbonPac PA200，流动相为100mmol/L NaOH和500mmol/LNaAc，流速为0.3mL/min，柱温30℃。
实施例3
挑选干燥、无发霉的玉米秸秆进行疏解去皮，取得玉米秸秆髓芯，将髓芯粉碎、洗涤后在45℃烘箱中干燥至恒重备用。取烘干好的玉米秸秆髓芯粉末5g，加入去离子水75mL，加入固体杂多酸-磷钨酸质量为0.08g混合均匀进行预处理，反应温度为75℃，反应时间为1～4h，反应结束后降至室温。采用3倍体积的95％乙醇，静置一夜，减压抽滤，收集滤液；对收集滤液进行酶水解，添加500IU/g木聚糖酶，酶解时间为6h，得到酶解液；对上述酶解液进行灭酶处理，酶解液在100℃下保温10min，使酶失活，然后用高速离心机离心，4000rpm离心15min，去除酶解残渣，收集上清液；对上述上清液进行纯化处理，经脱色树脂和活性炭双重脱色后的低聚木糖溶液用高效液相色谱检测酶解液中糖含量，反应时间为3h时，低聚木糖质量浓度为22.8g/mL，其中，低聚木糖的质量浓度包括酶解液中木二糖、木三糖、木四糖、木五糖浓度，将上述低聚木聚糖溶液经冷冻干燥得到低聚木糖固体。
所述的脱色树脂包括阳离子交换树脂和阴离子交换树脂，阳离子交换树脂型号为732型阳离子交换树脂，阴离子交换树脂型号为D301-FD型阴离子交换树脂；阳离子交换树脂与阴离子交换树脂串联，操作温度为50℃，阴离子交换树脂与阳离子交换树脂的质量比例为1：2，时间为60min；所述的活性炭的质量分数为1％，温度为50℃，吸附时间为50min。
所得酶解液中低聚木糖含量采用高效液相色谱法检测，选用高效阴离子色谱，色谱柱为CarbonPac PA200，流动相为100mmol/L NaOH和500mmol/LNaAc，流速为0.3mL/min，柱温30℃。
实施例4
挑选干燥、无发霉的玉米秸秆进行疏解去皮，取得玉米秸秆髓芯，将髓芯粉碎、洗涤后在45℃烘箱中干燥至恒重备用。取烘干好的玉米秸秆髓芯粉末5g，加入去离子水75mL，加入固体杂多酸-磷钨酸质量为0.08g混合均匀进行预处理，反应温度为75℃，反应时间为3h，反应结束后降至室温。采用3倍体积的95％乙醇，静置一夜，减压抽滤，收集滤液；对收集滤液进行酶水解，添加300～600IU/g木聚糖酶，酶解时间为6h，得到酶解液；对上述酶解液进行灭酶处理，酶解液在100℃下保温10min，使酶失活，然后用高速离心机离心，4000rpm离心15min，去除酶解残渣，收集上清液；对上述上清液进行纯化处理，经脱色树脂和活性炭双重脱色后的低聚木糖溶液用高效液相色谱检测酶解液中糖含量，酶的添加量为500IU/g时，低聚木糖质量浓度为22.8g/mL，其中，低聚木糖的质量浓度包括酶解液中木二糖、木三糖、木四糖、木五糖浓度，将上述低聚木聚糖溶液经冷冻干燥得到低聚木糖固体。
所述的脱色树脂包括阳离子交换树脂和阴离子交换树脂，阳离子交换树脂型号为732型阳离子交换树脂，阴离子交换树脂型号为D301-FD型阴离子交换树脂；阳离子交换树脂与阴离子交换树脂串联，操作温度为50℃，阴离子交换树脂与阳离子交换树脂的质量比例为1：2，时间为60min；所述的活性炭的质量分数为1％，温度为50℃，吸附时间为50min。
所得酶解液中低聚木糖含量采用高效液相色谱法检测，选用高效阴离子色谱，色谱柱为CarbonPac PA200，流动相为100mmol/L NaOH和500mmol/LNaAc，流速为0.3mL/min，柱温30℃。
实施例5
挑选干燥、无发霉的玉米秸秆进行疏解去皮，取得玉米秸秆髓芯，将髓芯粉碎、洗涤后在45℃烘箱中干燥至恒重备用。取烘干好的玉米秸秆髓芯粉末5g，加入去离子水75mL，加入固体杂多酸-磷钨酸质量为0.08g混合均匀进行预处理，反应温度为75℃，反应时间为3h，反应结束后降至室温。采用3倍体积的95％乙醇，静置一夜，减压抽滤，收集滤液；对收集滤液进行酶水解，添加500IU/g木聚糖酶，酶解时间为4～12h，得到酶解液；对上述酶解液进行灭酶处理，酶解液在100℃下保温10min，使酶失活，然后用高速离心机离心，4000rpm离心15min，去除酶解残渣，收集上清液；对上述上清液进行纯化处理，经脱色树脂和活性炭双重脱色后的低聚木糖溶液用高效液相色谱检测酶解液中糖含量，酶解时间为6h时，低聚木糖质量浓度为22.8g/mL，其中，低聚木糖的质量浓度包括酶解液中木二糖、木三糖、木四糖、木五糖浓度，将上述低聚木聚糖溶液经冷冻干燥得到低聚木糖固体。
所述的脱色树脂包括阳离子交换树脂和阴离子交换树脂，阳离子交换树脂型号为732型阳离子交换树脂，阴离子交换树脂型号为D301-FD型阴离子交换树脂；阳离子交换树脂与阴离子交换树脂串联，操作温度为50℃，阴离子交换树脂与阳离子交换树脂的质量比例为1：2，时间为60min；所述的活性炭的质量分数为1％，温度为50℃，吸附时间为50min。
所得酶解液中低聚木糖含量采用高效液相色谱法检测，选用高效阴离子色谱，色谱柱为CarbonPac PA200，流动相为100mmol/L NaOH和500mmol/LNaAc，流速为0.3mL/min，柱温30℃。
以上内容是结合具体实施方式对本发明作进一步详细说明，不能认定本发明具体实施只局限于这些说明，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明所提交的权利要求书确定的保护范围。

Claims (1)

1.一种利用玉米秸秆髓芯制备低聚木糖的方法，其特征在于：为以下步骤：
(1)粉碎：挑选干燥、无发霉的玉米秸秆进行疏解去皮，取得玉米秸秆髓芯，将髓芯剪成小段用粉碎机粉过筛碎，用去离子水洗涤除去灰分及杂质，在45℃烘箱中干燥至恒重备用；
(2)杂多酸预处理：取粉碎后的玉米秸秆髓芯粉末5g，根据固液质量比为1:15加入去离子水，再添加0.08g固体杂多酸混合均匀，在75℃条件下反应3h，反应结束后降至室温，添加3倍体积的95％乙醇静置一夜后进行减压抽滤，收集滤液；
(3)酶水解：酶水解过程在55℃恒温摇床中进行，将步骤(2)中收集的滤液添加500IU/g木聚糖酶进行酶解，酶解时间为6h，得到酶解液；
(4)灭酶：将步骤(3)中的酶解液在100℃下保温10min，使酶失活，然后用高速离心机离心，4000rpm离心15min，去除酶解残渣，收集上清液；
(5)纯化：将步骤(4)中的上清液经脱色树脂和活性炭双重脱色，脱色后用高效液相色谱检测酶解液中糖含量，即得到低聚木糖溶液，脱色后的酶解液冷冻干燥得到低聚木糖固体；
步骤(5)中脱色树脂包括阳离子交换树脂和阴离子交换树脂，阳离子交换树脂型号为732型阳离子交换树脂，阴离子交换树脂型号为D301-FD型阴离子交换树脂；阳离子交换树脂与阴离子交换树脂串联，操作温度为50℃，阴离子交换树脂与阳离子交换树脂的质量比例为1：2，时间为60min；所述的活性炭的质量分数为1％，温度为50℃，吸附时间为50min；
步骤(5)中所得酶解液中低聚木糖含量采用高效液相色谱法检测，选用高效阴离子色谱，色谱柱为CarbonPac PA200，流动相为100mmol/LNaOH和500mmol/LNaAc，流速为0.3mL/min，柱温30℃。
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US20110201084A1 (en) * 2008-07-25 2011-08-18 The Regents Of The University Of California Enzymatic hydrolysis of cellulosic biomass through enhanced removal of oligomers
CN111334542A (zh) * 2020-04-02 2020-06-26 北华大学 一种玉米秸秆髓芯制备低聚木糖的方法

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