一种利用电子束辐照协同甲酸制备低聚木糖的方法与流程

1.本发明涉及生物化工领域，具体涉及一种利用电子束辐照协同甲酸制备低聚木糖的方法。


背景技术：

2.低聚木糖属于木聚糖的组分，是一种功能性低聚糖，因其独特的理化性质和生理功能被广泛地运用在农业、食品、医药及保健品等领域。通常，富含木聚糖的植物原料如麦秆、稻草秸秆和芦苇等可以通过不同方法来制备低聚木糖。目前，常见的制备低聚木糖的方法主要包括高温自水解法、蒸汽爆破法、酸碱法和酶水解法等。
3.传统的高温自水解法和蒸汽爆破法容易将木质纤维素中的聚合糖直接水解成单糖，生产效率不理想，而且需高温高压，能耗大，不利于操作。传统的酸碱法虽方法简便，效率高，但需要大量的酸碱中和，容易造成环境污染，对设备要求较高。酶水解法反应时间较长，效率较低，难在实际生产中进行大批量生产。
4.因此，开发一种绿色、高效制备低聚木糖的方法对生态环境和经济可持续发展都有着重要意义。


技术实现要素：

5.本发明的目的是克服现有技术的缺点，提供一种制备低聚木糖的方法，该方法采用电子束辐照预处理和甲酸水解相结合的手段，能够高效制备低聚木糖，且绿色环保。
6.为了实现以上目的，本发明提供如下技术方案。
7.一种制备低聚木糖的方法，包括：
8.对含有木聚糖的植物原料进行电子束辐照预处理，粉碎后得到样品；
9.将所述样品与甲酸溶液混合，反应完成后进行分离，得到第一溶液；
10.将所述第一溶液蒸发浓缩，从而去除甲酸并得到残留固体；
11.将所述残留固体与水混合形成悬浮液，经分离得到第二溶液；以及
12.将所述第二溶液通过离子交换树脂脱酸。
13.优选地，含有木聚糖的植物原料可为南荻、麦秆、稻草秸秆或芦苇等。本发明优选使用南荻作为植物原料。南荻是一种优质的纤维生物质资源，在洞庭湖生产面积达20000hm2，年产量超过100万吨。南荻的半纤维素含量在20％左右，以南荻为原料制备低聚木糖可为南荻深加工开辟一条新途径，也有利于实现南荻木质纤维素的生物炼制。
14.优选地，在电子束辐照之前，将含有木聚糖的植物原料自然晾干。自然晾干后植物原料的含水量优选为9％-13％。水分含量过高，增加辐照成本，水分含量更低，所需晾晒时间更长。
15.优选地，电子束辐照的强度为150-500kgy，优选300-500kgy，更优选400-500kgy。电子束辐照的强度的强度过小，对纤维素结晶破坏力不够，会增加后续甲酸浓度和用量，影响低聚木糖收率；辐照强度超过500kgy，会大幅度增加辐照成本，破坏力增强会使原料木聚
糖成分直接被分解成单糖或糠醛等有害物质，使低聚木糖收率急剧下降。
16.本发明采用电子束辐照预处理，有利于破坏植物原料中木质纤维素的高结晶结构，使其组分结构松散，更容易被破坏，从而有助于提高原料的反应度。本发明方法直接采用植物本体作为原料，无需将植物本体加工成木质纤维素，简化了低聚木糖的制备工艺流程，降低了生产成本。
17.优选地，将南荻原料粉碎后，过筛得到样品，筛目可为20-60目，优选30-50目。
18.本发明中，甲酸可以将木聚糖水解成可溶性低聚木糖。甲酸溶液可为甲酸水溶液。优选地，甲酸溶液的浓度为60％-95％，优选68％-88％。甲酸溶液的浓度过低，不利于低聚木糖的制备；其浓度过高，会导致生产成本增加，也会使木聚糖直接被分解成单糖。在本发明中，甲酸溶液的浓度是指溶液中甲酸的质量与溶剂的质量之比。
19.优选地，样品与甲酸溶液的质量体积比为1:10至1:20，优选1:10至1:12。甲酸溶液质量比过低，不利于搅拌和充分反应；甲酸溶液过高，增加经济成本。
20.样品与甲酸的反应可在水浴加热下进行。优选地，反应温度为60-100℃，优选70-90℃，更优选70-80℃；反应时间为1-5h，优选2-3h。该反应优选在搅拌下进行，搅拌速度可为250-300r/min，优选250-270r/min。
21.在一些实施方案中，甲酸溶液的浓度为68％-88％，反应温度为70-90℃，反应时间为2-3h。
22.反应完成后，可通过过滤、抽滤或离心等方式进行固液分离。在一些实施方案中，通过抽滤进行分离，所得第一溶液的主要成分为甲酸、低聚木糖和木质素，滤渣的主要成分为纤维素。
23.将所述第一溶液蒸发浓缩，直至无明显液体，此时绝大部分甲酸被去除。蒸发浓缩时的温度可为80-100℃。通过蒸发，超过97％的甲酸可被回收再利用，对生态环境和经济可持续发展有重要意义。
24.将所得残留固体与水混合后，可进行轻微超声震荡直至残留固体消失，形成悬浮液，其中低聚木糖等可溶性成分溶解在水中，而木质素不溶于水。之后，可通过过滤、抽滤、离心或其结合进行固液分离。在一些实施方案中，通过抽滤和离心的结合进行分离，所得第二溶液的主要成分为低聚木糖。抽滤和离心相结合能够更有效地将木质素与可溶性糖分离。
25.优选地，本发明的离子交换树脂为阴离子交换树脂，树脂用量可为30-50g/l。
26.优选地，在脱酸之后，可对收集到的洗脱液适当地进行浓缩。浓缩后，还可进行冻干，从而得到低聚木糖粉末，便于储存和运输。
27.与现有技术相比，本发明的有益效果：
28.本发明方法采用电子束辐照预处理和甲酸水解相结合的手段，能够高效制备低聚木糖，且绿色环保。其中，电子束辐照预处理能够破坏植物原料中木质纤维素的高结晶结构，使其组分结构松散，更容易被破坏，从而有助于提高植物原料的反应度。采用甲酸水解时，通过控制反应温度、反应时间和搅拌速度，可以将植物原料中的木聚糖最大程度地水解成低聚木糖，降低水解后其他低聚糖的含量，并且还可得到另外两种产品，即纤维素和木质素，这对实现植物原料(如南荻)的全组分高值化利用具有重要意义。
29.具体地，与传统酸碱法相比，本发明方法无需酸碱中和步骤，对设备要求不高，安
全系数更大，且绿色环保；与高温自水解法和蒸汽爆破法相比，本发明方法可以在很大程度上节约能耗，反应条件更加温和，操作简单；与酶解法相比，本发明方法的反应速率更快，收率更高，可用于批量生产。
具体实施方式
30.为了使本发明所述的内容更加便于理解，下面结合具体实施例对本发明所述的技术方案做进一步说明，但本发明不仅限于此。凡基于本发明上述内容所实现的技术均涵盖在本发明旨在保护的范围内。除非另有说明，实施例中使用的原料和试剂均为市售商品。本文未记载的试剂、仪器或操作步骤均是本领域普通技术人员可常规确定的内容。
31.实施例1
32.(1)对南荻原料进行电子束辐照预处理，辐照强度为500kgy，粉碎后，过40目筛，得到样品。
33.(2)准确称取100g克样品于玻璃反应釜中，按料液比1:10(m/v)加入浓度为78％的甲酸溶液。
34.(3)安装好搅拌叶和冷凝管，在80℃水浴条件下以260r/min的速度搅拌2h。
35.(4)待步骤(3)结束后进行抽滤，收集滤液，滤渣用78％甲酸溶液进行淋洗。
36.(5)将收集的甲酸滤液置于圆底烧瓶中，在80℃水浴条件下进行旋转蒸发，收集甲酸，直至圆底烧瓶中无明显液体。
37.(6)向步骤(5)的圆底烧瓶中加入少量蒸馏水，轻微超声振动，直至圆底烧瓶内壁上所有固体消失，得到悬浮液，所述悬浮液含有半纤维素可溶解性糖类(主要成分为低聚木糖)和不溶性木质素。
38.(7)对悬浮液进行抽滤和离心，从而将可溶解性糖类和木质素分离，收集上清液。
39.(8)对所得上清液进行阴离子交换树脂吸附，从而脱除剩余的甲酸及杂糖，树脂用量为30g/l，收集洗脱液进行浓缩和冻干。
40.经本实施例的方法，经计算100g南荻原料可得约11.5g低聚木糖。
41.实施例2
42.(1)对南荻原料进行电子束辐照预处理，辐照强度为500kgy，粉碎后，过40目筛，得到样品。
43.(2)准确称取100g克样品于玻璃反应釜中，按料液比1:10(m/v)加入浓度为88％的甲酸溶液。
44.(3)安装好搅拌叶和冷凝管，在70℃水浴条件下以260r/min的速度搅拌2h。
45.(4)待步骤(3)结束后进行抽滤，收集滤液，滤渣用88％甲酸溶液进行淋洗。
46.(5)将收集的甲酸滤液置于圆底烧瓶中，在80℃水浴条件下进行旋转蒸发，收集甲酸，直至圆底烧瓶中无明显液体。
47.(6)向步骤(5)的圆底烧瓶中加入少量蒸馏水，轻微超声振动，直至圆底烧瓶内壁上所有固体消失，得到悬浮液，所述悬浮液含有半纤维素可溶解性糖类(主要成分为低聚木糖)和不溶性木质素。
48.(7)对悬浮液进行抽滤和离心，从而将可溶解性糖类和木质素分离，收集上清液。
49.(8)对所得上清液进行阴离子交换树脂吸附，从而脱除剩余的甲酸及杂糖，树脂用
量为30g/l，收集洗脱液进行浓缩和冻干。
50.经本实施例的方法，经计算100g南荻原料可得约10.9g低聚木糖。
51.实施例3
52.(1)对南荻原料进行电子束辐照预处理，辐照强度为500kgy，粉碎后，过40目筛，得到样品。
53.(2)准确称取100g克样品于玻璃反应釜中，按料液比1:10(m/v)加入浓度为78％的甲酸溶液。
54.(3)安装好搅拌叶和冷凝管，在90℃水浴条件下以260r/min的速度搅拌3h。
55.(4)待步骤(3)结束后进行抽滤，收集滤液，滤渣用78％甲酸溶液进行淋洗。
56.(5)将收集的甲酸滤液置于圆底烧瓶中，在80℃水浴条件下进行旋转蒸发，收集甲酸，直至圆底烧瓶中无明显液体。
57.(6)向步骤(5)的圆底烧瓶中加入少量蒸馏水，轻微超声振动，直至圆底烧瓶内壁上所有固体消失，得到悬浮液，所述悬浮液含有半纤维素可溶解性糖类(主要成分为低聚木糖)和不溶性木质素。。
58.(7)对悬浮液进行抽滤和离心，从而将可溶解性糖类和木质素分离，收集上清液。
59.(8)对所得上清液进行阴离子交换树脂吸附，从而脱除剩余的甲酸及杂糖，树脂用量为30g/l，收集洗脱液进行浓缩和冻干。
60.经本实施例的方法，经计算100g南荻原料可得约9.5g低聚木糖。
61.实施例4
62.(1)对南荻原料进行电子束辐照预处理，辐照强度为500kgy，粉碎后，过40目筛，得到样品。
63.(2)准确称取100g克样品于玻璃反应釜中，按料液比1:10(m/v)加入浓度为68％的甲酸溶液。
64.(3)安装好搅拌叶和冷凝管，在80℃水浴条件下以260r/min的速度搅拌3h。
65.(4)待步骤(3)结束后进行抽滤，收集滤液，滤渣用68％甲酸溶液进行淋洗。
66.(5)将收集的甲酸滤液置于圆底烧瓶中，在80℃水浴条件下进行旋转蒸发，收集甲酸，直至圆底烧瓶中无明显液体。
67.(6)向步骤(5)的圆底烧瓶中加入少量蒸馏水，轻微超声振动，直至圆底烧瓶内壁上所有固体消失，得到悬浮液，所述悬浮液含有半纤维素可溶解性糖类(主要成分为低聚木糖)和不溶性木质素。
68.(7)对悬浮液进行抽滤和离心，从而将可溶解性糖类和木质素分离，收集上清液。
69.(8)对所得上清液进行阴离子交换树脂吸附，从而脱除剩余的甲酸及杂糖，树脂用量为30g/l，收集洗脱液进行浓缩和冻干。
70.经本实施例的方法，经计算100g南荻原料可得约11.2g低聚木糖。
71.对比例1
72.(1)对南荻原料进行电子束辐照预处理，辐照强度为100kgy，粉碎后，过40目筛，得到样品。
73.(2)准确称取100g克样品于玻璃反应釜中，按料液比1:10(m/v)加入浓度为78％的甲酸溶液。
74.(3)安装好搅拌叶和冷凝管，在80℃水浴条件下以260r/min的速度搅拌2h。
75.(4)待步骤(3)结束后进行抽滤，收集滤液，滤渣用78％甲酸溶液进行淋洗。
76.(5)将收集的甲酸滤液置于圆底烧瓶中，在80℃水浴条件下进行旋转蒸发，收集甲酸，直至圆底烧瓶中无明显液体。
77.(6)向步骤(5)的圆底烧瓶中加入少量蒸馏水，轻微超声振动，直至圆底烧瓶内壁上所有固体消失，得到悬浮液，所述悬浮液含有半纤维素可溶解性糖类(主要成分为低聚木糖)和不溶性木质素。
78.(7)对悬浮液进行抽滤和离心，从而将可溶解性糖类和木质素分离，收集上清液。
79.(8)对所得上清液进行阴离子交换树脂吸附，从而脱除剩余的甲酸及杂糖，树脂用量为30g/l，收集洗脱液进行浓缩和冻干。
80.经本实施例的方法，经计算100g南荻原料可得约4.5g低聚木糖。
81.对比例2
82.(1)对南荻原料进行电子束辐照预处理，辐照强度为500kgy，粉碎后，过40目筛，得到样品。
83.(2)准确称取100g克样品于玻璃反应釜中，按料液比1:10(m/v)加入浓度为28％的甲酸溶液。
84.(3)安装好搅拌叶和冷凝管，在80℃水浴条件下以260r/min的速度搅拌2h。
85.(4)待步骤(3)结束后进行抽滤，收集滤液，滤渣用28％甲酸溶液进行淋洗。
86.(5)将收集的甲酸滤液置于圆底烧瓶中，在80℃水浴条件下进行旋转蒸发，收集甲酸，直至圆底烧瓶中无明显液体。
87.旋蒸结束后，步骤(5)的圆底烧瓶中几乎没有固体残留，说明木质素基本未分离出来；向圆底烧瓶中加入少量蒸馏水进行高效液相色谱分析，发现可溶性糖含量非常低，无法达到提取的浓度要求，说明木聚糖成分在此条件下难以被28％甲酸溶液分离。
88.对比例3
89.(1)对南荻原料进行电子束辐照预处理，辐照强度为500kgy，粉碎后，过40目筛，得到样品。
90.(2)准确称取100g克样品于玻璃反应釜中，按料液比1:10(m/v)加入浓度为58％的甲酸溶液。
91.(3)安装好搅拌叶和冷凝管，在80℃水浴条件下以260r/min的速度搅拌2h。
92.(4)待步骤(3)结束后进行抽滤，收集滤液，滤渣用58％甲酸溶液进行淋洗。
93.(5)将收集的甲酸滤液置于圆底烧瓶中，在80℃水浴条件下进行旋转蒸发，收集甲酸，直至圆底烧瓶中无明显液体。
94.(6)向步骤(5)的圆底烧瓶中加入少量蒸馏水，轻微超声振动，直至圆底烧瓶内壁上所有固体消失，得到悬浮液，所述悬浮液含有半纤维素可溶解性糖类(主要成分为低聚木糖)和不溶性木质素。
95.(7)对悬浮液进行抽滤和离心，从而将可溶解性糖类和木质素分离，收集上清液。
96.(8)对所得上清液进行阴离子交换树脂吸附，从而脱除剩余的甲酸及杂糖，树脂用量为30g/l，收集洗脱液进行浓缩和冻干。
97.经本实施例的方法，经计算100g南荻原料可得约4.7g低聚木糖。
98.对比例4
99.(1)对南荻原料进行电子束辐照预处理，辐照强度为500kgy，粉碎后，过40目筛，得到样品。
100.(2)准确称取100g克样品于玻璃反应釜中，按料液比1:10(m/v)加入浓度为98％的甲酸溶液。
101.(3)安装好搅拌叶和冷凝管，在80℃水浴条件下以260r/min的速度搅拌2h。
102.(4)待步骤(3)结束后进行抽滤，收集滤液，滤渣用98％甲酸溶液进行淋洗。
103.(5)将收集的甲酸滤液置于圆底烧瓶中，在80℃水浴条件下进行旋转蒸发，收集甲酸，直至圆底烧瓶中无明显液体。
104.(6)向步骤(5)的圆底烧瓶中加入少量蒸馏水，轻微超声振动，直至圆底烧瓶内壁上所有固体消失，得到悬浮液，所述悬浮液含有半纤维素可溶解性糖类(主要成分为低聚木糖)和不溶性木质素。
105.(7)对悬浮液进行抽滤和离心，从而将可溶解性糖类和木质素分离，收集上清液。
106.(8)对所得上清液进行阴离子交换树脂吸附，从而脱除剩余的甲酸及杂糖，树脂用量为30g/l，收集洗脱液进行浓缩和冻干。
107.经本实施例的方法，经计算100g南荻原料可得约0g低聚木糖和13.3g木糖单糖。
108.通过比较实施例1和对比例1可以看出，对比例1中的电子束辐照的强度过小，对纤维素结晶破坏力不够，因而低聚木糖的收率较低。
109.通过比较实施例1和对比例2-4可以看出，实施例1中的南荻原料经过78％甲酸溶液分离，100g南荻原料可得约11.5g低聚木糖；而对比例2的南荻原料经28％甲酸溶液分离基本难以破坏南荻木质素的结晶结构，很难分离出可溶性糖类物质；对比例3中甲酸溶液中甲酸含量过低，难以高效提取低聚木糖；对比例4中，甲酸溶液中甲酸含量太高，将原料中的聚合糖基本上全部分解成为单糖，因而无法得到低聚木糖。由此可见，甲酸溶液的浓度对低聚木糖的收率有重要影响。
110.以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。