一种两步乳酸催化水解制备低聚木糖的方法

技术领域

本发明涉及生物质转化技术领域，具体涉及一种两步乳酸催化水解制备低聚木糖的方法。

背景技术

我国的玉米年产量位居世界第二，而玉米芯是在玉米粮食加工利用过程中产生的废弃物。玉米芯半纤维素含量高达32％左右，主要以木聚糖为主，它是制备低聚木糖的最佳原料之一。目前，制取低聚木糖工艺大致可分为两种：“碱抽提-水解两步制备法”和“一步制备法”。这两大类工艺生产低聚糖的原理是相同的：先将半纤维素与木质素、纤维素分离，再使半纤维素水解为低聚木糖。其区别是两步制备法是需要将分离和水解分为两个过程来进行生产，而一步制备法则只需要一个过程就能够完成。例如，Aachary等通过碱抽提玉米芯获取了40.8％的木聚糖，再经过24h的木聚糖酶水解后获得了33.1％的低聚木糖(Valueaddition to corncob:Production and characterization of xylooligosaccharidesfrom alkali pretreated lignin-saccharide complex usingAspergillus oryzae MTCC5154[J].Bioresource Technology,2009,99(2):991-995.)。Akpinar等用碱法从烟草秸秆中提取木聚糖，然后分别采用木聚糖酶水解(24h)和硫酸水解(0.25mol/L、100℃、30min)分别获得11.0％和13.0％的低聚木糖(Comparisonofacid and enzymatic hydrolysis oftobacco stalk xylan for preparation of xylooligosaccharides.LWT-Food ScienceandTechnology,2010,43(1):119-125)。与“碱抽提-酶水解法”和“碱抽提-无机酸催化水解法”的两步制备法相比，有机酸催化水解一步制备法制备的低聚木糖具有工艺简单、得率高、副产物少的特点。如乙酸、葡萄糖酸和木糖酸等有机酸已被开发用于将木质纤维材料直接酸解制备低聚木糖。据Zhang等报道在150℃下用醋酸催化玉米芯30min，获得了45.91％的低聚木糖(Co-production of functional xylooligosaccharides and fermentablesugars from corncob with effective acetic acid prehydrolysis,BioresourceTechnology,2017,234:343-349)；Guo等用5％(v/v)木糖酸在145℃下催化玉米芯75min，获得51.24％的低聚木糖(Comparison of selective acidolysis of xylan and enzymatichydrolysability of cellulose in various lignocellulosic materials by a novelxylonic acid catalysis method.Bioresource Technology,2020,304:122943)；Han等在150℃下用0.625mol/L葡萄糖酸催化玉米芯45min，获得55.9％的低聚木糖(An integratedbiorefinery process for adding values to corncob in co-production ofxylooligosaccharides and glucose starting from pretreatmentwith gluconicacid.Bioresource Technology,2020,307:123200)。

碱抽提-水解两步制备法采用碱处理提取木聚糖的工艺复杂且产生大量废液，污染较多，再进行酸处理或酶水解，所得低聚木糖的得率较低；直接酸处理制备低聚木糖虽然得率有所提高，但仍需反复优化反应参数且低聚木糖得率依然不够理想。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种两步乳酸催化水解制备低聚木糖的方法。本发明的制备方法低聚木糖得率高，操作简单，成熟可靠，无污染，且适于规模化生产。

本发明提供了一种两步乳酸催化水解制备低聚木糖的方法，包括以下步骤：

将原料与乳酸水溶液混合，进行第一催化反应后固液分离，得到第一反应液和滤渣；

将滤渣与乳酸水溶液混合，进行第二催化反应，得到第二反应液；

将所述第一反应液和第二反应液合并，得到低聚木糖。

优选的，所述原料包括玉米芯、玉米秸秆、小麦秸秆和杨木屑中的一种或几种。

优选的，所述原料的粒径小于等于0.25mm。

优选的，所述乳酸水溶液中，乳酸的体积百分含量小于等于6％。

优选的，所述原料的质量与乳酸水溶液的体积比为1g:(4～20)mL；所述滤渣的质量与乳酸水溶液的体积比为1g:(4～20)mL。

优选的，所述第一催化反应和第二催化反应的温度分别为145～175℃。

优选的，所述第一催化反应和第二催化反应的时间分别为30～70min。

优选的，所述第一催化反应后固液分离前，还包括将反应产物冷却30～80min。

本发明提供了一种两步乳酸催化水解制备低聚木糖的方法。本发明将玉米芯中的木聚糖在受控条件下催化转化为低聚木糖，避免了碱抽提木聚糖时产生的大量废液，同时解决了环境污染和资源浪费的问题，具有显著的经济效益和社会效益。本发明所述的制备方法低聚木糖得率高，操作简单，成熟可靠，无污染，且适于规模化生产。试验结果表明，玉米芯经两步乳酸催化水解后，低聚木糖得率可达到71.4％，显著提高了低聚木糖得率，且得率高于乙酸两步催化水解。

附图说明

图1为本发明两步乳酸催化水解制备低聚木糖方法的流程图。

具体实施方式

本发明提供了一种两步乳酸催化水解制备低聚木糖的方法，包括以下步骤：

将原料与乳酸水溶液混合，进行第一催化反应后固液分离，得到第一反应液和滤渣；

将滤渣与乳酸水溶液混合，进行第二催化反应，得到第二反应液；

将所述第一反应液和第二反应液合并，得到低聚木糖。

本发明的制备方法低聚木糖得率高，操作简单，成熟可靠，无污染，且适于规模化生产。

如无特殊说明，本发明对上述方法涉及的各原料的来源没有特殊要求，采用本领域技术人员所熟知的即可。

本发明将原料与乳酸水溶液混合，进行第一催化反应后固液分离，得到第一反应液和滤渣。在本发明中，所述原料优选包括玉米芯、玉米秸秆、小麦秸秆和杨木屑中的一种或几种，更优选为玉米芯。在本发明中，所述原料为农林业加工产业中的废弃物，含有纤维素和木质素等，可水解为低聚木糖，用作制备低聚木糖的原料避免了资源的浪费，提高了原料的附加价值。在本发明中，所述原料的粒径优选为小于等于0.25mm，更优选为小于等于0.15mm，较小特定粒径的原料可以使催化反应更完全，提高低聚木糖的得率。

在本发明中，所述乳酸水溶液中，乳酸的体积百分含量优选小于等于6％，更优选小于等于4％。本发明对所述乳酸水溶液的配制方法没有特殊限定，采用本领域技术人员常规使用的配制特定浓度的方法即可。在本发明中，所述体积百分含量的乳酸能够催化玉米芯中木聚糖水解，获得较高低聚木糖得率。

在本发明中，所述原料的质量与乳酸水溶液的体积比优选为1g:(4～20)mL，进一步优选为1g:(5～15)mL，更优选为1g:(8～12)mL。在本发明中，用所述原料质量与乳酸水溶液体积比进行反应能够提高原料的水解效率。

在本发明中，所述第一催化反应的温度优选为145～175℃，进一步优选为150～170℃，更优选为155～165℃。在本发明中，所述第一催化反应的时间优选为30～70min，进一步优选为40～60min，更优选为45～55min。在本发明中，在所述温度和时间下的催化反应能够提高反应速率和木聚糖得率。在本发明中，所述第一催化反应优选在反应釜中进行。

本发明在所述第一催化反应后固液分离前优选将反应产物冷却30～80min，更优选冷却40～60min。本发明对冷却的方式和冷却后温度没有特殊要求，如将反应釜在冰水中冷却至常温，在本发明中，所述常温优选为25℃。在本发明中，通过冷却有利于第一反应液与滤渣的分离。

本发明对固液分离的方式没有特殊要求，能够将第一反应液与滤渣分离即可。在本发明的实施例中，采用真空抽滤的方式进行固液分离。在本发明中，通过固液分离，能够将含有低聚木糖的第一反应液分离，方便滤渣进行进一步的水解。

固液分离得到滤渣后，本发明将滤渣与乳酸水溶液混合，进行第二催化反应，得到第二反应液。在本发明中，在第二催化反应后优选进行固液分离。在本发明中，上述制备第二反应液的各步骤的目的、效果和优选方案与制备第一反应液的相同，前文已清楚说明，在此不再赘述。在本发明中，在优选方案范围内，所述第二催化反应的条件可以和第一催化反应保持一致，也可以不一致。

本发明优选将所述第一反应液和第二反应液合并，得到低聚木糖溶液。

下面结合具体实施例对本发明所述的两步乳酸催化水解制备低聚木糖的方法做进一步详细的介绍，本发明的技术方案包括但不限于以下实施例。

实施例1

按照图1所示的流程图制备低聚木糖，具体为：

第一催化反应：称取粉碎粒径为0.25mm的绝干重为1克的玉米芯，在反应釜中按照料液比1:10加入称重好的玉米芯和体积浓度为1％的乳酸溶液，在160℃温度下，催化反应40min后，将反应产物在冰水中冷却至25℃，利用真空抽滤进行固液分离，得到含有低聚木糖的第一反应液和滤渣，收集第一反应液。

第二催化反应：称取绝干重为1克的玉米芯滤渣，按照第一催化的条件再次进行催化反应，得到第二反应液。

采用高效液相离子色谱检测第一反应液和第二反应液中低聚木糖的质量，色谱条件：美国Dionex ICS-3000离子色谱系统，配置CarboPacM PA200(3mm×250mm)色谱柱及保住柱(3×50mm)，ED电化学检测器，柱温30℃，进样体积10μL；以500mmol/L醋酸钠溶液(A)和100mmol/L氢氧化钠溶液(B)为淋洗液进行二元梯度淋洗，流速为0.3mL/min(洗脱程序：0min，100％A；30min，75％A，25％B；38～45min，100％A)。电化学检测器检测模式为金工作电极和pH-Ag/AgCl复合型参比电极，采用积分脉冲安培检测法和色谱峰面积积分法测定糖组分的含量谱系统。

反应液中低聚木糖得率的检测方法：将第一反应液和第二反应液离心，对上清液采用离子色谱检测低聚木糖，根据下述公式分别计算两次反应液中低聚木糖得率：

第一反应液中低聚木糖得率(％)＝第一反应液低聚木糖的质量(g)/玉米芯中木聚糖的质量(g)×100％

第二反应液中低聚木糖得率(％)＝第二反应液中低聚木糖的质量(g)/玉米芯中木聚糖的质量(g)×100％

最终低聚木糖的得率(％)＝第一反应液中低聚木糖得率(％)+第二反应液中低聚木糖得率(％)

公式中玉米芯中木聚糖的质量依据美国国家可再生能源实验室方法(Determination of Structural Carbohydrates and Lignin in Biomass.Golden:Laboratory Analytical Procedure of National Renewable Energy Laboratory(NREL),2012)测定。

第一反应液中木二糖、木三糖、木四糖、木五糖和木六糖的得率分别为9.1％、10.0％、12.3％、8.5％和10.2％，所测低聚木糖得率为50.1％；第二反应液中的低聚木糖得率分别是7.3％、4.1％、6.0％、2.5％和1.4％，所测低聚木糖得率为21.3％。最后，合并两步催化反应反应液后，所得低聚木糖最终得率为71.4％。

实施例2

两步乳酸催化水解的条件与实施例1相同，区别之处在于乳酸溶液的体积浓度为2％。第一反应液中木二糖、木三糖、木四糖、木五糖和木六糖的得率分别为18.5％、13.5％、13.4％、8.5％和6.0％，所测低聚木糖得率为59.9％；第二反应液中木二糖、木三糖、木四糖、木五糖和木六糖的得率分别为2.8％、2.3％、1.4％、1.2％和0.7％，所测低聚木糖得率为8.4％。最后，合并两步催化反应反应液后，所得低聚木糖最终得率为68.3％。

实施例3

两步乳酸催化水解的条件与实施例2相同，区别之处在于催化反应时间为30min。第一反应液中木二糖、木三糖、木四糖、木五糖和木六糖的得率分别为5.4％、5.1％、7.7％、5.4％和5.8％，所测低聚木糖得率为29.4％；第二反应液中木二糖、木三糖、木四糖、木五糖和木六糖的得率分别为9.4％、6.6％、7.0％、3.6％和3.1％，所测低聚木糖得率为29.7％。最后，合并两步催化反应反应液后，所得低聚木糖最终得率为59.1％。

实施例4

两步乳酸催化水解的条件与实施例1相同，区别之处在于乳酸溶液的体积浓度为5％。第一反应液中木二糖、木三糖、木四糖、木五糖和木六糖的得率分别为17.7％、8.9％、7.6％、2.8％和1.6％，所测低聚木糖得率为38.6％；第二反应液中木二糖、木三糖、木四糖、木五糖和木六糖的得率分别为8.1％、6.5％、5.9％、4.4％和3.1％，所测低聚木糖得率为28.0％。最后，合并两步催化反应反应液后，所得低聚木糖最终得率为66.7％。

对比例1

两步乳酸催化水解的条件与实施例2相同，区别之处在于催化反应时间为20min。反应液中木二糖、木三糖、木四糖、木五糖和木六糖的得率分别为0.6％、1.0％、0.9％、0.6％和0.9％，所测低聚木糖得率为4.0％；第二反应液中木二糖、木三糖、木四糖、木五糖和木六糖的得率分别为1.5％、1.5％、2.6％、1.9％和2.2％，所测低聚木糖得率为9.7％。最后，合并两步催化反应反应液后，所得低聚木糖最终得率为13.7％。

对比例2

两步催化水解的条件与实施例2相同，区别之处在选用酸溶液为2％乙酸溶液，第一反应液中木二糖、木三糖、木四糖、木五糖和木六糖的得率分别为6.8％、5.5％、3.4％、2.5％和0.8％，所测低聚木糖得率为19.0％；第二反应液中木二糖、木三糖、木四糖、木五糖和木六糖的得率分别为9.5％、7.1％、5.5％、3.6％和2.8％，所测低聚木糖得率为28.5％。最后，合并两步催化反应反应液后，所得低聚木糖最终得率为47.5％。

对比例3

两步催化水解的条件与实施例2相同，区别之处在选用酸溶液为5％乙酸溶液，第一反应液中木二糖、木三糖、木四糖、木五糖和木六糖的得率分别为9.1％、6.5％、4.3％、3.8％和1.0％，所测低聚木糖得率为24.7％；第二反应液中木二糖、木三糖、木四糖、木五糖和木六糖的得率分别为10.2％、7.5％、6.1％、4.5％和3.8％，所测低聚木糖得率为32.1％。最后，合并两步催化反应反应液后，所得低聚木糖最终得率为56.8％。

由实施例2和对比例1可以看出，催化水解时间低于30min时，低聚木糖的得率大幅下降。从实施例2和对比例2～3可以看出，乳酸两步催化效果优于乙酸。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。