一种超声波辅助复合离子液体预处理高效制备低聚木糖的方法

技术领域

本发明涉及低聚木糖的制备技术领域，尤其是涉及一种超声波辅助复合离子液体预处理高效制备低聚木糖的方法。

背景技术

低聚木糖亦称木寡糖，是一种具有诸多生物学活性的功能性低聚糖。低聚木糖具有良好的有益菌增殖，预防龋齿，保养肾脏以及促进人体钙吸收等生理学特性而被广泛应用于食品、医疗保健等领域。随着人们对低聚木糖的功能性认识的不断提高，应用范围将会更加广泛。

甘蔗渣通常被作为农业废弃物处理，农林废弃物处理不当容易导致污染问题。甘蔗渣富含半纤维素物质，而且其中的木聚糖是半纤维素最主要的成分，木聚糖的生物转化利用不仅可以缓解农林废弃物不当处理所导致的污染问题，而且还有着较高的工业应用价值，如生产低聚木糖、木糖醇、糠醛等高附加值产品。目前半纤维素木聚糖转化利用通常采用酶法，甘蔗渣虽然富含半纤维素，但是在工业化应用过程中难以被利用，因为甘蔗渣原料内部半纤维素和纤维素之间、木质素之间紧密的物理、化学连接降低了酶的可及性，使酶难以接触酶解位点而无法进行有效的水解。因此需要对生物质原料进行酶解前的预处理，以破坏阻碍酶解的内在分子结构，从而提高酶解效率。

对生物质原料进行酶解前的较为理想预处理需要具备以下特点：在预处理过程中可最大限度地保留碳水化合物，避免糖损失；降低酶用量，缩减生产成本；减少抑制物的生成，降低对酶解的负面影响等。但由于甘蔗渣纤维原料各组分间的结合强度高，现有技术中的预处理技术无法获得良好的效果，使得通过甘蔗渣制备低聚木糖的得率较低。

发明内容

针对现有技术不足，本发明提供了一种超声波辅助复合离子液体预处理高效制备低聚木糖的方法。

本发明解决上述技术问题采用的技术方案为：

一种超声波辅助复合离子液体预处理高效制备低聚木糖的方法，包括以下步骤：

(1)取生物质原料进行机械粉碎，得到粗粉原料；

(2)将步骤(1)得到的粗粉原料经超声波辅助复合离子液体预处理，经分离、清洗沉淀后得到预处理原料；

(3)将步骤(2)得到的预处理原料经木聚糖酶酶解处理，然后经灭酶、分离后得到上清液；

(4)将步骤(3)得到的上清液经脱色脱盐处理，经浓缩、喷干后得到低聚木糖产品。

作为优选，步骤(1)中所述的生物质原料为甘蔗渣。

作为优选，步骤(1)中所述的粉碎为经机械粗粉碎至40目。

作为优选，步骤(2)中所述的超声波条件为声波密度0.02～0.05W/cm

作为优选，所述的复合离子液体为1-乙基-3-甲基咪唑醋酸盐-盐酸溶液，其中盐酸质量份数1.5％～2.5％，所述的复合离子液体中优选还含有醋酸，所述醋酸质量份数为0.1-0.5％。

作为优选，所述的超声波复合离子液体预处理体系中优选还含有膨胀蛋白(Swollenin)，所述Swollenin质量份数为0.05-0.1％。

作为优选，所述的超声波辅助复合离子液体预处理体系中，粗粉原料与离子液体比例为1∶20；整个体系含水率：18％～22％。

作为优选，步骤(3)中所述的酶解的条件为：温度50～60℃，pH 4.5～5.5，时间3～6h，加酶量0.1％～0.5％，所述的加酶量为加酶的质量份数。

作为优选，步骤(4)所述的脱色脱盐处理为活性炭串联阴阳离子交换树脂柱脱色脱盐处理，处理过程控制pH 5～6，流速2～3BV。

进一步地，所述超声波辅助复合离子液体预处理高效制备低聚木糖的方法所得低聚木糖产品中XOS

植物纤维经超声波处理后，其细胞壁更易出现裂纹等现象，从而使细胞壁的形态结构发生较大变化；当用超声波辅助离子液体(1-乙基-3-甲基咪唑醋酸盐-盐酸溶液)处理纤维素样品时，空化作用产生的极端物理环境加快传质速度，扩大离子液体与纤维素的接触面积，从而加快纤维素在离子液体中的溶解速度，经离子液体处理后酶解效率提升较高，且半纤维素的稳定性较高。在溶解的过程中，纤维的氢键先被破坏，细胞壁发生溶胀，随着纤维素分子间的氢键被逐渐打开，离子液体处理后纤维素样品的结晶度明显下降，纤维素的部分结晶区遭到破坏，转变成无定形区，纤维素的结晶区减少而无定形区增加使得结晶度下降，纤维素无定形区的增加可增大酶的可及度，促进酶解反应。

本发明在采用甘蔗渣制备低聚木糖的工艺中利用了超声波辅助复合离子液体对甘蔗渣进行预处理，采用的离子液体可以快速地溶解反应样品而不需要活化；离子液体即可以作为溶剂，又可以作为反应介质，反应条件温和，生态环境友好，无副产物；同时鉴于甘蔗渣纤维原料各组分间的高结合强度会影响离子液体对甘蔗渣纤维原料各组分之间的溶解破坏作用，因此本发明采用了超声波辅助复合离子液体对甘蔗渣进行预处理，超声波空化作用产生的极端物理环境可以加快传质速度，扩大离子液体与纤维素的接触面积，进而高效降低纤维素结晶度提高亲水极性基团占比，使纤维素无定形区增加，进而有利于增大酶的可及度，促进酶解反应，提高纤维素的酶解效率。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步地说明。

实施例1：一种超声波辅助复合离子液体预处理高效制备低聚木糖的方法，包括以下步骤：

(1)取甘蔗渣进行机械粗粉碎至40目，得到粗粉原料；

(2)将步骤(1)得到的粗粉原料经超声波辅助复合离子液体预处理，经分离、清洗沉淀后得到预处理原料；

(3)将步骤(2)得到的预处理原料经木聚糖酶酶解处理，然后经灭酶、分离后得到上清液；

(4)将步骤(3)得到的上清液经脱色脱盐处理，经浓缩、喷干后得到低聚木糖产品。

进一步地，步骤(2)中所述的超声波条件为声波密度0.02W/cm

本实施例中所述超声波辅助复合离子液体预处理高效制备低聚木糖的方法所得低聚木糖产品中XOS

实施例2：一种超声波辅助复合离子液体预处理高效制备低聚木糖的方法，其步骤同实施例1。

与实施例1不同的是，在本实施例中，步骤(2)中所述的超声波条件为声波密度0.05W/cm

本实施例中所述超声波辅助复合离子液体预处理高效制备低聚木糖的方法所得低聚木糖产品中XOS

实施例3：一种超声波辅助复合离子液体预处理高效制备低聚木糖的方法，其步骤同实施例1。

与实施例1不同的是，在本实施例中，步骤(2)中所述的超声波条件为声波密度0.05W/cm

本实施例中所述超声波辅助复合离子液体预处理高效制备低聚木糖的方法所得低聚木糖产品中XOS

实施例4：一种超声波辅助复合离子液体预处理高效制备低聚木糖的方法，其步骤同实施例1。

与实施例1不同的是，在本实施例中，步骤(2)中所述的超声波条件为声波密度0.05W/cm

本实施例中所述超声波辅助复合离子液体预处理高效制备低聚木糖的方法所得低聚木糖产品中XOS

实施例5：一种超声波辅助复合离子液体预处理高效制备低聚木糖的方法，其步骤同实施例1。

与实施例1不同的是，在本实施例中，步骤(2)中所述的超声波条件为声波密度0.04W/cm

本实施例中所述超声波辅助复合离子液体预处理高效制备低聚木糖的方法所得低聚木糖产品中XOS

实施例6：一种超声波辅助复合离子液体预处理高效制备低聚木糖的方法，其步骤同实施例1。

与实施例1不同的是，在本实施例中，步骤(2)中所述的超声波条件为声波密度0.03W/cm

本实施例中所述超声波辅助复合离子液体预处理高效制备低聚木糖的方法所得低聚木糖产品中XOS

实施例7：一种超声波辅助复合离子液体预处理高效制备低聚木糖的方法，其步骤同实施例1。

与实施例1不同的是，在本实施例中，步骤(2)中所述的超声波条件为声波密度0.04W/cm

本实施例中所述超声波辅助复合离子液体预处理高效制备低聚木糖的方法所得低聚木糖产品中XOS

对比例1：一种超声波辅助复合离子液体预处理高效制备低聚木糖的方法，包括以下步骤：

(1)取甘蔗渣进行机械粗粉碎至40目，得到粗粉原料；

(2)将步骤(1)得到的粗粉原料经木聚糖酶酶解处理，然后经灭酶、分离后得到上清液；

(3)将步骤(2)得到的上清液经脱色脱盐处理，经浓缩、喷干后得到低聚木糖产品。

进一步地，步骤(2)中所述的酶解的条件为：温度50℃，pH 4.5，时间4h，加酶量0.3％，步骤(3)所述的脱色脱盐处理为活性炭串联阴阳离子交换树脂柱脱色脱盐处理，处理过程控制pH5～6，流速2～3BV。

本实施例中所述超声波辅助复合离子液体预处理高效制备低聚木糖的方法所得低聚木糖产品中XOS

对比例2：一种超声波辅助复合离子液体预处理高效制备低聚木糖的方法，包括以下步骤：

(1)取甘蔗渣进行机械粗粉碎至40目，得到粗粉原料；

(2)将步骤(1)得到的粗粉原料经离子液体预处理，经分离、清洗沉淀后得到预处理原料；

(3)将步骤(2)得到的预处理原料经木聚糖酶酶解处理，然后经灭酶、分离后得到上清液；

(4)将步骤(3)得到的上清液经脱色脱盐处理，经浓缩、喷干后得到低聚木糖产品。

在本实施例中，步骤(2)中所述的离子液体为1-乙基-3-甲基咪唑醋酸盐溶液；所述的离子液体预处理体系中，粗粉原料与离子液体比例为1∶20；整个体系含水率：18％；步骤(3)中所述的酶解的条件为：温度55℃，pH 5，时间6h，加酶量0.1％；步骤(4)所述的脱色脱盐处理为活性炭串联阴阳离子交换树脂柱脱色脱盐处理，处理过程控制pH 5～6，流速2～3BV。

本实施例中所述超声波辅助复合离子液体预处理高效制备低聚木糖的方法所得低聚木糖产品中XOS

对比例3：一种超声波辅助复合离子液体预处理高效制备低聚木糖的方法，包括以下步骤：

(1)取甘蔗渣进行机械粗粉碎至40目，得到粗粉原料；

(2)将步骤(1)得到的粗粉原料经复合离子液体预处理，经分离、清洗沉淀后得到预处理原料；

(3)将步骤(2)得到的预处理原料经木聚糖酶酶解处理，然后经灭酶、分离后得到上清液；

(4)将步骤(3)得到的上清液经脱色脱盐处理，经浓缩、喷干后得到低聚木糖产品。

在本实施例中，步骤(2)中所述的复合离子液体为1-乙基-3-甲基咪唑醋酸盐-盐酸溶液，其中盐酸质量份数2％；所述的复合离子液体预处理体系中，粗粉原料与离子液体比例为1∶20；整个体系含水率：18％；步骤(3)中所述的酶解的条件为：温度55℃，pH 5，时间6h，加酶量0.1％；步骤(4)所述的脱色脱盐处理为活性炭串联阴阳离子交换树脂柱脱色脱盐处理，处理过程控制pH5～6，流速2～3BV。

本实施例中所述超声波辅助复合离子液体预处理高效制备低聚木糖的方法所得低聚木糖产品中XOS

对比例4：一种超声波辅助复合离子液体预处理高效制备低聚木糖的方法，包括以下步骤：

(1)取甘蔗渣进行机械粗粉碎至40目，得到粗粉原料；

(2)将步骤(1)得到的粗粉原料经复合离子液体预处理，经分离、清洗沉淀后得到预处理原料；

(3)将步骤(2)得到的预处理原料经木聚糖酶酶解处理，然后经灭酶、分离后得到上清液；

(4)将步骤(3)得到的上清液经脱色脱盐处理，经浓缩、喷干后得到低聚木糖产品。

在本实施例中，步骤(2)中所述的复合离子液体为1-乙基-3-甲基咪唑醋酸盐-醋酸溶液，其中醋酸质量份数为0.3％；所述的复合离子液体预处理体系中，粗粉原料与离子液体比例为1∶20；整个体系含水率：22％；步骤(3)中所述的酶解的条件为：温度60℃，pH5.5，时间3h，加酶量0.5％；步骤(4)所述的脱色脱盐处理为活性炭串联阴阳离子交换树脂柱脱色脱盐处理，处理过程控制pH 5～6，流速2～3BV。

本实施例中所述超声波辅助复合离子液体预处理高效制备低聚木糖的方法所得低聚木糖产品中XOS

对比例5：一种超声波辅助复合离子液体预处理高效制备低聚木糖的方法，包括以下步骤：

(1)取甘蔗渣进行机械粗粉碎至40目，得到粗粉原料；

(2)将步骤(1)得到的粗粉原料经复合离子液体预处理，经分离、清洗沉淀后得到预处理原料；

(3)将步骤(2)得到的预处理原料经木聚糖酶酶解处理，然后经灭酶、分离后得到上清液；

(4)将步骤(3)得到的上清液经脱色脱盐处理，经浓缩、喷干后得到低聚木糖产品。

在本实施例中，步骤(2)中所述的复合离子液体为1-乙基-3-甲基咪唑醋酸盐-Swollenin溶液，其中Swollenin质量份数为0.08％；所述的复合离子液体预处理体系中，粗粉原料与离子液体比例为1∶20；整个体系含水率：22％；步骤(3)中所述的酶解的条件为：温度60℃，pH 5.5，时间3h，加酶量0.5％；步骤(4)所述的脱色脱盐处理为活性炭串联阴阳离子交换树脂柱脱色脱盐处理，处理过程控制pH 5～6，流速2～3BV。

本实施例中所述超声波辅助复合离子液体预处理高效制备低聚木糖的方法所得低聚木糖产品中XOS

对比例6：一种超声波辅助复合离子液体预处理高效制备低聚木糖的方法，包括以下步骤：

(1)取甘蔗渣进行机械粗粉碎至40目，得到粗粉原料；

(2)将步骤(1)得到的粗粉原料经超声波辅助盐酸液体预处理，经分离、清洗沉淀后得到预处理原料；

(3)将步骤(2)得到的预处理原料经木聚糖酶酶解处理，然后经灭酶、分离后得到上清液；

(4)将步骤(3)得到的上清液经脱色脱盐处理，经浓缩、喷干后得到低聚木糖产品。

与实施例1不同的是，在本实施例中，步骤(2)中所述的超声波条件为声波密度0.05W/cm

本实施例中所述超声波辅助复合离子液体预处理高效制备低聚木糖的方法所得低聚木糖产品中XOS

对比例7：一种超声波辅助复合离子液体预处理高效制备低聚木糖的方法，其步骤同实施例1。

与实施例1不同的是，在本实施例中，步骤(2)中所述的超声波条件为声波密度0.05W/cm

本实施例中所述超声波辅助复合离子液体预处理高效制备低聚木糖的方法所得低聚木糖产品中XOS

对比例8：一种超声波辅助复合离子液体预处理高效制备低聚木糖的方法，其步骤同实施例1。

与实施例1不同的是，在本实施例中，步骤(2)中所述的超声波条件为声波密度0.05W/cm

本实施例中所述超声波辅助复合离子液体预处理高效制备低聚木糖的方法所得低聚木糖产品中XOS

对比例9：一种超声波辅助复合离子液体预处理高效制备低聚木糖的方法，其步骤同实施例1。

与实施例1不同的是，在本实施例中，步骤(2)中所述的超声波条件为声波密度0.03W/cm

本实施例中所述超声波辅助复合离子液体预处理高效制备低聚木糖的方法所得低聚木糖产品中XOS

对比例10：一种超声波辅助复合离子液体预处理高效制备低聚木糖的方法，其步骤同实施例1。

与实施例1不同的是，在本实施例中，步骤(2)中所述的超声波条件为声波密度0.03W/cm

本实施例中所述超声波辅助复合离子液体预处理高效制备低聚木糖的方法所得低聚木糖产品中XOS

对比例11：一种超声波辅助复合离子液体预处理高效制备低聚木糖的方法，其步骤同实施例1。

与实施例1不同的是，在本实施例中，步骤(2)中所述的超声波条件为声波密度0.05W/cm

本实施例中所述超声波辅助复合离子液体预处理高效制备低聚木糖的方法所得低聚木糖产品中XOS

上述实施例及对比例中低聚木糖的测定法发采用高效液相色谱法测定，测定条件为：色谱柱：美国赛默飞世尔30705-254630；流动相：乙腈∶水＝70∶30；木糖～木七糖标样：购自sigma；柱温：30℃；流速：1mL/min；进样量：10μL；示差折光检测器，等度洗脱。

实施例1-7结果显示，本发明采用超声波辅助复合离子液体预处理制备低聚木糖的方法中，采用1-乙基-3-甲基咪唑醋酸盐-盐酸-醋酸-Swollenin溶液作为复合离子液体，在声波密度0.02～0.05W/cm

实施例2与对比例3对比发现，不经超声辅助，单独用离子液体-HCI溶液预处理，低聚木糖的含量下降13.9％，对比例3相比对比例2仅使用离子液体预处理低聚木糖含量提高了3.14％；同时，对比例7和对比例9对比发现，在超声复合离子液预处理条件下，不添加HCI溶液，低聚木糖的含量下降15.5％，这是由于氯离子的加入促进纤维素氢键的断裂，加速纤维素的溶解。而不经超声辅助，单独用离子液体-醋酸溶液进行前处理，实施例3和对比例4对比发现，低聚木糖的含量降低16.7％，但是，对比例4与对比例2、对比例8和对比例9对比发现，加入醋酸溶液，低聚木糖的含量分别升高1.83％、13.6％，这是由于在纤维素溶解的过程中，逐渐溶胀，导致体系粘度增加，而醋酸作为一种非质子溶剂，对纤维素的活性有催化作用，能减少体系的粘度，增加溶解度。同样，实施例4分别与对比例6、对比例7、对比例8对比发现，超声辅助-离子液体-盐酸溶液与超声辅助-离子液体-醋酸溶液分别对甘蔗纤维预处理，低聚木糖含量分别下降5.5％、8.2％；实施例6与对比例98对比，仅超声辅助-离子液体预处理，低聚木糖含量下降19.3％，这同样说明如上醋酸溶液、盐酸溶液协同促进纤维素溶解的效用。

1-乙基-3-甲基咪唑醋酸盐可以溶解天然高分子等许多聚合物，尤其对于纤维素具有较强的溶解能力，且溶解过程中基本不造成纤维素降解，与其他溶剂相比，具有使用安全、不污染环境、易回收循环等优势，实施例4和对比例6对比发现，仅超声辅助盐酸溶液对甘蔗纤维预处理，低聚木糖的含量下降49.4％，这是由于仅超声空化作用加上氯离子对纤维素氢键的作用力有限，离子液体中的离子通过与纤维素链上羟基氢原子形成强氢键而有效地破坏纤维素中氢键网络进而致使纤维素溶解。纤维素在离子液体中逐步被溶解的过程中，由于溶胀作用的发生，溶液的粘性增加，此时，往离子液体中加入醋酸，用作纤维素水解的催化剂，可加快纤维素的水解速度、提高纤维素的水解效率，具显著的催化纤维素的活性，严格的控制非质子溶剂的量，可以减少溶液的粘度，增加溶解度，也可以相应降低溶剂体系的价格。另外，往离子液体中加入氯离子的可增强攻击纤维素氢键的概率，导致溶解时间缩短。而对于溶解温度：随着溶解温度的升高，纤维素溶解能力增大，对同一浓度纤维素溶解需要的时间大大的减少，这可能是由于温度升高，可加快分子运动。

膨胀蛋白(Swollenin)约含有不超过500个氨基酸残基，能够造成植物细胞壁的扩张和松弛，促进纤维素的膨胀，实施例6与对比例9、对比例10对比发现，超声辅助离子液体前处理条件下，添加膨胀蛋白后低聚木糖的含量提高了5.7％；实施例2与对比例11对比发现，不添加膨胀蛋白，低聚木糖的含量下降4.9％，这是由于加入的膨胀蛋白加速了半纤维素的膨胀，从而提高纤维素与纤维素酶结合的可及性，提高酶解效率。离子液体中加入膨胀蛋白，Swollenin虽然没有纤维水解的活力，但是仍然能够参与木质纤维素的降解，在没有任何还原糖生产的情况下破坏维素的结构，能够造成植物细胞壁的扩张和松弛，促使木质纤维素中纤维素纤维的松弛膨胀，从而提高纤维素与纤维素酶结合的可及性，提高纤维素的酶解效率。

应当说明的是，以上所举实施例为本发明的较佳实施方式，仅用来方便说明本发明，并非对本发明作任何形式上的限制，任何本技术领域人员在不脱离本发明所提技术特征的范围内，利用本发明所揭示技术内容作出的局部改动或修饰的等效实施例，并且未脱离本发明的技术特征内容，均仍属于本发明技术特征的范围。