張宏喜 趙秀峰 魏 玲 張貴彬 徐 洪 孟憲鋒

(1,2,3,6.昌吉學院化學與應用化學系 新疆 昌吉 831100; 4.昌吉學院繼續(xù)教育學院 新疆 昌吉 831100;5.昌吉學院學生處 新疆 昌吉 831100)

棉桿中半纖維素稀酸水解的研究

張宏喜1趙秀峰2魏 玲3張貴彬4徐 洪5孟憲鋒6

(1,2,3,6.昌吉學院化學與應用化學系 新疆 昌吉 831100; 4.昌吉學院繼續(xù)教育學院 新疆 昌吉 831100;5.昌吉學院學生處 新疆 昌吉 831100)

通過稀硫酸水解棉桿中的半纖維素,制備出純度達到食品級的結(jié)晶D-木糖,為棉桿的轉(zhuǎn)化利用找到一種途徑。通過單因素多水平實驗和正交實驗,考察了影響半纖維素水解的因素。通過中和、脫色、離子交換和結(jié)晶等過程,得到純度為 98.5%的木糖晶體。

棉桿;半纖維素;水解;D-木糖

1 前言

棉桿為棉花產(chǎn)業(yè)的主要副產(chǎn)物之一,其產(chǎn)量是棉花產(chǎn)量的 3-5倍[1]。近年來,世界棉花產(chǎn)量一直保持在近 2500萬噸/年,而我國以約 760萬噸/年的產(chǎn)量占據(jù)世界首位。估算世界和中國的棉桿產(chǎn)量至少分別約為 7500萬噸和 2280萬噸。[2,3]

由于棉桿中的蛋白質(zhì)等營養(yǎng)物質(zhì)的含量低,而木質(zhì)素、纖維素等成分含量較高,不能當年成肥,容易成為細菌和微生物的病灶而引起棉花減產(chǎn)。因此絕大部分的棉桿被棄置于棉田,或者焚燒處理,加劇了環(huán)境污染。目前,棉桿的處理已經(jīng)成為了棉花產(chǎn)業(yè)發(fā)展的瓶頸之一。

半纖維素(又稱木聚糖)是自然界中產(chǎn)量僅次于纖維素的多糖[4]。半纖維素是一種或幾種糖基構(gòu)成主鏈,其它糖基作為支鏈形成的天然高分子。構(gòu)成木聚糖的主要單體是戊糖的 D-木糖 (D-xylose)和L-阿拉伯糖(L-arabinose);已糖的D-甘露糖(D-mannose)、D-葡萄糖 (D-glucose)和D-半乳糖(D-galactose)等。

根據(jù)Ozlem[5]等人的報道,棉桿中的半纖維素含量接近 20%,棉桿半纖維素中主要包含 84%的木糖,7%的葡萄糖和 9%的糖醛酸[6-8]。

木糖的甜度是砂糖的 40%和蔗糖的 50%,不被消化酶水解,代謝不依賴胰島素,無齲齒性并具有抗齲齒性,可促進人體對鈣的吸收。因此,木糖廣泛用于糖尿病、肥胖病和高血脂癥患者的食物,也是兒童、孕婦、老年食品理想的甜味添加劑。

本文以棉桿為原料,利用其中的半纖維素在稀酸溶液中易于降解形成單糖的特點,考察了硫酸濃度、水解時間、水解溫度和固液比例對于木糖濃度的影響,通過正交試驗確定了關(guān)鍵影響因素,得到了棉桿制備木糖的最佳水解條件。通過分離純化過程,得到了食品級的木糖。本文研究表明棉桿可作為生產(chǎn)木糖的一種原料,為棉桿的利用和轉(zhuǎn)化找到一條途徑,有望減輕環(huán)境污染,提高農(nóng)業(yè)廢棄物的綜合利用程度。

2 實驗儀器、藥品和方法

棉桿取自新疆博樂 143團棉田,收集洗凈后晾干,粉碎至 5-30mm的小段,在 105℃下烘干過夜后密封保存待用。

硫酸、氧化鈣、乙醇、DNS等藥品均為北京化工廠生產(chǎn)的分析純試劑。

棉桿中半纖維素、木質(zhì)素和纖維素含量測定方法同 GB/T 2677.9-94,GB/T 747-2003和 GB/T 2677.10-95;水解液中還原糖含量測定采用DNS顯色法[9],儀器為可見分光光度計 723-PC,上海菁華科學儀器廠生產(chǎn);木糖產(chǎn)品以傅立葉變換紅外光譜(FTI R)表征,型號為島津公司 FTI R-8400。

3 實驗結(jié)果與討論

根據(jù) GB/T 2677.9-94,GB/T 747-2003和 GB/T 2677.10-95的方法,測定棉桿中半纖維素、木質(zhì)素和纖維素的含量分別為 18.65%,25.42%和 46.18%。

影響棉桿中半纖維素水解的因素有水解溫度、硫酸濃度、水解時間和固液比例等。通過考察,分別得到溫度、時間、酸濃度和固液比例對于還原糖產(chǎn)率的影響。本文根據(jù)單因素多水平實驗的較優(yōu)結(jié)果進行了正交實驗設(shè)計以確定最佳水解條件。即分別選擇溫度的較優(yōu)水平為 120℃、130℃、140℃;硫酸濃度的較優(yōu)水平為 3%、4%、5%;時間的較優(yōu)水平為 2、2.5、3小時;固液比例的較優(yōu)水平為 1﹕ 6、1﹕ 8、1﹕ 10,進行四因素三水平正交實驗。以還原糖得率為指標,對正交實驗進行分析,得到最佳的實驗條件。

(L3

4)正交設(shè)計的表頭如表1 所示:

表1 (L34)正交設(shè)計的表頭

正交實驗結(jié)果及分析如表2 所示:

表2 正交實驗結(jié)果及分析

續(xù)上表

對于表中的數(shù)據(jù),通過直接觀察可以看出,正交實驗的結(jié)果大部分效果較好,其中最好的一組實驗是實驗 9,還原糖的產(chǎn)率達到了 19.79%。具體的條件是 140℃下水解 2.5小時,硫酸濃度為 5%,固液比例為1﹕6。

通過極差分析,可知各因素對半纖維素水解為木糖的影響大小依次為:水解溫度 >硫酸濃度 >水解時間≈固液比例。因此水解溫度對棉桿半纖維素水解生成還原糖的影響最大,其次為水解液的酸濃度,而水解時間和固液比例的影響相對較小。

將最佳條件下得到的糖溶液收集,用 Ca(OH)2溶液中和至 pH=3.0,在 75℃下保溫一小時,使CaSO4沉淀更完全,然后過濾除去。繼續(xù)在 75℃條件下往水解液中加入適量活性炭,攪拌脫色 40分鐘,濾去活性炭后,糖液通過陽離子樹脂(D001-CC)以除去金屬離子,再通過陰離子樹脂(D296)除去醋酸等有機酸。所得水解液經(jīng)過減壓蒸餾除去大部分水,得到淡黃色糖漿,將其攪拌溶解于 40℃的無水乙醇中,再以活性炭脫色,逐步降溫,則得到白色的木糖晶體。過濾分離后,以無水乙醇洗滌三次,得到純度為 98.5%的木糖。晶體經(jīng)干燥后稱重,計算結(jié)晶過程的產(chǎn)率為 58.72%。因此,木糖的產(chǎn)率為原料質(zhì)量的 58.72%×19.79%=11.62%,即 1000g棉桿可得到 116.2g木糖。

產(chǎn)品木糖以 FTIR表征,如圖 1所示:

圖 1 木糖產(chǎn)品的紅外譜圖

如圖所示,產(chǎn)品的紅外譜圖與木糖的標準譜圖吻合,基本沒有雜質(zhì)峰的出現(xiàn),說明樣品純度較好。

4 結(jié)論

棉桿中半纖維素可以用來制備木糖。通過單因素多水平實驗和正交實驗,考察了水解溫度、硫酸濃度、水解時間和固液比例對半纖維素水解為單糖的影響。結(jié)果表明,各因素對半纖維素水解為木糖的影響大小依次為:水解溫度 >硫酸濃度 >水解時間≈固液比例;水解的最佳條件為:140℃下水解 2.5小時,硫酸濃度為 5%,固液比例為 1﹕ 6。還原糖的產(chǎn)率達到了最高值 19.79%。

通過中和、脫色、離子交換等過程,將棉桿水解液中的無機酸、色素、金屬離子和有機酸等雜質(zhì)除去,再通過結(jié)晶過程,將木糖以晶體形式與其它單糖分開,得到純度為 98.5%的木糖晶體。分離過程中木糖的產(chǎn)率為 58.72%。木糖的最終產(chǎn)率為 58.72%×19.79%=11.62%,即 1000g棉桿可得到 116.2g木糖。

[1]Narendra Reddy,Yiqi Yang.Properties and potential applications of natural cellulose fibers from the bark of cotton stalks[J].Bio Technol,2009,100:3563– 3569.

[2]J.Wellmann.全球棉花市場趨勢[J].國際紡織導報,2008,(5):4-6.

[3]魏華.中國棉花加工技術(shù)及展望[J].棉花加工,2008,(4):24-25.

[4]Emel I.Goksu,Mehlika Karamanlioglu,Ufuk Bakir,Levent Yilmaz,and Ulku Yilmazer.Production and characterization of films from cotton stalk xylan[J]J.Agric.Food.Chem,2007,55:10685– 10691.

[5]Ozlem Akpinar,Ozilem Ak,Aysegul Kavas,Ufuk Bakir,Levent Yilmaz.Enzymatic Production of Xylooligosaccharides from Cotton Stalks[J]J.Agric.Food.Chem.,2007,55:5544-5551.

[6]Ozlem Akpinar,Kader Erdogan,Ozlem Ak,Ufuk Bakir,Levent Yilmaz.Production of xylooligosaccharides from cotton and tobacco stalk[J]J.Biotechnol.,2007,131:23– 31.

[7]Ozlem Akpinar,Kader Erdogan,Seyda Bostanci. Enzymatic production of xylooligosaccharide from selected agricultural wastes[J]Food.Bioprod.Process.,2009,87:145– 151.

[8]Ozlem Akpinar,Kader Erdogan,Seyda Bostanci. Production of xylooligosaccharides by controlled acid hydrolysis of lignocellulosic materials[J]Carbohyd.Res.,2009,344:660– 666.

[9]王文嶺,黃雪松.D N S法測定木糖含量時最佳測定波長的選擇 [J].食品科學,2006,27(4):196-198.

O629.9

A

1671-6469(2010)03-0099-04

2010-04-13

昌吉學院研究課題(08YJYB011)

張宏喜 (1977-),男,昌吉學院化學與應用化學系,講師,研究方向:生物質(zhì)轉(zhuǎn)化及利用。

(責任編輯:代琴)