再生半纤维素酶解法制备低聚木糖的工艺优化

张幸旭,张林雅,杨雪松,王兴盛

(河北科技大学化学与制药工程学院,河北石家庄 050018)

随着当今生态环境状况日益严峻,石油、煤炭等不可再生资源总量的日趋减少,由农林可再生性植物资源转化获得新材料、高热值能源、化工原料及药物正成为一种重要的发展新趋势。在再生纤维素纤维生产中,产生大量含半纤维素的废液。传统方法将半纤维素直接处理成为污泥,利用率低且能耗高。半纤维素作为一种可生物降解的绿色植物资源,聚合度通常在80～200之间[1],其主要成份是多糖,通过改性加工可得到高附加值的功能性产品,具有极好的应用价值。对于再生纤维素纤维废液中半纤维素的合理利用,已有研究者及企业展开了相关研究及技术开发,初步取得了一些研究成果[2-3]。

半纤维素再生利用的关键是其提取及纯化。从农林生物质中提取半纤维素的基础研究中,常采用的方法有碱法、有机溶剂法、机械化学法和水热法[4-5]。分离后去除低分子量的木质素、盐和其他杂质,可利用柱色谱、膜分离、溶剂沉淀等方法纯化半纤维素[6-7]。在半纤维素的提取和纯化中,膜分离技术选择性强,分离纯度高,近年来得到了广泛研究应用。

功能性低聚糖性能优良,在世界性保健食品中独树一帜,它可改善胰岛素的敏感性[8-9]、促进肠道中双歧杆菌的生长[10-11]、降低血液中胆固醇和甘油三酯的含量[12-13]。低聚糖的制备方法有天然原料中提取、转移酶和水解酶进行糖基转移反应、天然高聚糖控制性水解法以及化学合成法[14-16]。与其他方法相比,天然高聚糖的控制性水解法是以酶直接作用于生物质原料,工艺过程简单。采用酶水解法将半纤维素降解得到低聚糖,是再生纤维素纤维废液再利用的一个研究方向。有关酶解制备低聚糖已有一些相关研究,例如詹小明[17]研究了玉米皮酶解制备纤维寡糖和低聚木糖,采用分批补料的方法,酶解时间16 h,温度50 ℃,中试结果表明其原料转化率为32.7%。赵阳阳[18]研究了以玉米芯超滤浓缩液为底物,酶解制备低聚木糖,酶解时间6 h,温度60 ℃,低聚木糖得率为11.2%。

本研究针对再生纤维素纤维废液的污染及合理利用问题,系统探讨了半纤维素的分离提取及低聚木糖制备的技术开发。利用酶水解法制备低聚木糖,测定低聚木糖作为饲料级低聚糖干粉的产品指标,分析其应用的可行性,以期变废为宝,促进再生纤维素纤维废液处理及植物资源再利用的开发研究。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

半纤维素(纯度90%) 唐山三友集团提供;木聚糖酶(酶活≥50000 U/g) 生物试剂,上海谱振生物科技有限公司;用水 为去离子水,自制。

XMYG10/630-UI型板框压滤机 河北景津压滤机厂;膜分离装置、纳滤膜 上海凯能公司;阴阳离子树脂交换器,容积1.5 m3自制;RDME-3型三效蒸发器,蒸发量2 t水/h,材质316 L 江苏瑞达环保科技有限公司;LPG型喷雾干燥器 材质304,自制;PerkinElmer Frontier型傅里叶变换红外光谱仪(FT-IR) 珀金埃尔默仪器(上海)有限公司;DIONEX ICS-3000型离子色谱仪 美国戴安公司;Agilent 1260型液相色谱仪 安捷伦科技有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 半纤维素的提取工艺 应用膜分离装置提取分离再生纤维素纤维废液中的半纤维素,工艺路线如图1所示。具体操作为:将含半纤维素35～50 g/L、烧碱170～220 g/L的再生纤维素纤维废液经过板框过滤器预处理;半纤维素滤液送入纳滤膜分离装置,浓缩3～4倍;在半纤维素浓缩液中加入50 ℃软水,稀释4倍;经过纳滤膜水透析,浓缩4倍,得到透过液和截留液。其中,透过液为高浓度碱液,截留液为高浓缩半纤维素和少量的碱液。

图1 半纤维素膜分离工艺路线Fig.1 Process on membrane separation of hemicelluloses

依据膜分离后所得截留液和透过液中半纤维素的含量,设置膜分离的技术参数如表1,优化浓缩倍数,达到最佳工艺。

表1 半纤维素膜分离技术参数Table 1 Technical parameters on membrane separation of hemicelluloses

1.2.2 低聚木糖的制备工艺 低聚木糖的制备采取酶水解法,工艺路线如图2所示。具体操作为:将膜分离后的半纤维素浓缩液,其中半纤维素含量为59.82 g/L,导入调节罐内加入盐酸,调节pH为4.5～6.0;经离子交换柱脱盐,得到糖液;调节温度为45～60 ℃,在糖液中加入0.3%的木聚糖酶,反应5～8 h;升温到80 ℃,灭酶;酶解液过滤后,采用0.5 MPa的蒸汽进行蒸发浓缩,得到质量浓度为25%的低聚木糖糖浆;经过0.5 MPa的蒸汽喷雾干燥,制得低聚木糖产品。

图2 半纤维素制备低聚木糖工艺路线Fig.2 Technological route of preparing xylooligosaccharide from hemicellulose

1.2.3 低聚木糖制备的正交试验 设定酶水解制备低聚木糖的主要技术参数,在单因素预实验基础上,以低聚木糖含量为检测指标,选定A(pH)、B(酶解温度, ℃)、C(酶解时间,h)3个因素,设立4个水平进行正交实验,探讨最佳酶解条件,正交试验因素水平设定如表2。

表2 酶水解正交试验因素水平表Table 2 Factors and levesTable for othogonal test of enzymatic hydrolysis

1.2.4 半纤维素含量和提取率的测定 半纤维素含量的测定:称取样品5 g,加入100 mL、0.3%的CaOH,60 ℃下提取4 h。离心分离后上清液加入6 mol/L NaOH溶液,低温浓缩至10 mL。加入4倍体积无水乙醇,反复提取三次,离心分离,沉淀物在60 ℃下干燥24 h,称重。平行取样品三份,测定后取平均值。

半纤维素提取率计算如下:

式中:x表示半纤维素提取率,%;m0表示膜分离前样品的质量,g;m1表示膜分离后干燥样品的质量,g。

1.2.5 半纤维素及低聚木糖结构表征 采用傅里叶红外光谱仪对半纤维素及低聚木糖样品进行结构表征,KBr压片扫描,光谱范围为500～4000 cm-1,分辨率为4 cm-1。

1.2.6 半纤维素组成的离子色谱测定 半纤维素水解:称取样品0.35 g,加入3 mL、75%的H2SO4于试样中。120 ℃高压水解1 h,冷却后加入氨水中和至中性。用砂芯漏斗过滤,得到半纤维素水解液,按色谱条件进样检测。

色谱柱:CarboPac PA100柱(2 mm×250 mm);保护柱:CarboPac PA100柱(2 mm×50 mm);淋洗液:0. 001 mol NaOH-0.05 mol NaAC;流速:0.65 mL/min;进样体积:10 μL;柱温:30 ℃。

1.2.7 低聚木糖含量和得率的测定 低聚木糖含量采用高效液相色谱仪检测。色谱柱:CarboPac PA100柱(4 mm×250 mm);保护柱:CarboPac PA100柱(4 mm×50 mm);淋洗液:0.001 mol NaOH-0.05 mol NaAc;流速:0.65 mL/min;进样体积:10 μL;柱温:80 ℃。

低聚木糖得率由每克低聚糖可得木二糖～木四糖的质量表示,计算如下:

式中:s表示低聚木糖得率,%;mi表示木二糖～木四糖的质量,g;m表示低聚糖样品的质量,g。

1.2.8 饲料级低聚木糖干粉性能测定及技术指标 依据饲料级低聚木糖国家标准的测定方法,检测试验所得低聚木糖干粉,检测方法和技术要求如表3。

表3 低聚木糖干粉性能指标Table 3 Performance indexes of xylooligosaccharide powder

1.3 数据处理

所有实验均至少测定三次,选取平均值。采用Microsoft Excel 2013、Origin Pro 8.0软件进行数据处理和图表制作。

2 结果与讨论

2.1 半纤维素的提取与表征

2.1.1 膜分离浓缩倍数确定 采用纳滤膜设备,依照设定的膜过滤面积、进出口压力、运行温度等技术参数,对纤维废液进行膜分离提取,测试不同浓缩倍数对半纤维素提取的影响,试验结果如图3。

图3 浓缩倍数对膜分离提取半纤维素的影响Fig.3 The effect of enrichment ratio on extraction of hemicellulose by membrane separation

膜分离过程中,当浓缩倍数高时,半纤维素的高浓度会导致膜通量减小,大量半纤维素附着在透析膜上,造成截留液中半纤维素含量低。随着浓缩倍数减小,膜通量增加,减小了半纤维素在透析膜上的附着,截留液中半纤维素的含量增大。对比图3中截留液中半纤维素的含量,选择浓缩倍数为3.5倍时,所得半纤维素的含量最高,其半纤维素含量为59.82 g/L。经实验测定,半纤维素的提取率可达到85%。

2.1.2 半纤维素的FT-IR表征 利用傅里叶红外光谱仪,测定半纤维素样品的化学结构,FT-IR扫描如图4。

图4 半纤维素的FT-IR图Fig.4 FT-IR spectra of hemicellulose

半纤维素中含大量羟基及亚甲基原子团,各原子团被激发后产生特征振动,其振动频率反映在红外吸收光谱上,用于鉴定所提取的半纤维素。图4中,3432、2923、612 cm-1处显示出了天然半纤维素的特征吸收峰,3432 cm-1为-OH的伸缩振动吸收峰,2923 cm-1为-CH2的伸缩振动吸收峰,612 cm-1为-OH的指纹区吸收峰。

2.1.3 半纤维素的组成分析 采用离子色谱仪测定半纤维素水解液中单糖及糖醛酸组分,组成及含量如表4。

表4 半纤维素组成及含量Table 4 Composition and content of hemicellulose

由表4可知,膜分离提取的半纤维素中,木糖含量最多,其含量最高,为79.2%,其次是甘露糖和葡萄糖,含量分别为10.9%和8.4%,样品中半乳糖和葡萄糖醛酸含量很少。分析表明,再生纤维素纤维废液提取的半纤维素较其它农林生物质,具有杂质少、低聚木糖含量大的特性,采用简便的酶水解法,直接以木聚糖相关的酶作用于半纤维素,有望制备得到质量较优的低聚糖产品。

2.2 低聚木糖的制备与表征

2.2.1 酶水解正交试验分析 通过3因素4水平正交试验,分析A(pH)、B(酶解温度, ℃)和C(酶解时间,h)的变化对s(低聚木糖得率,%)的影响,探讨半纤维素酶水解的最佳工艺条件,正交试验数据如表5。

表5 酶水解正交试验数据Table 5 The data of orthogonal test on enzymatic hydrolysis

适宜的酶水解条件有利于激发酶的活性,促进半纤维素水解。分析正交试验表5,各因素对低聚木糖得率的影响程度依次为A>B>C,pH对酶水解的影响最大。由k值可以确定各因素最佳水平组合为A2B3C3,即pH为5,酶解温度为55 ℃,酶解时间为7 h,其低聚木糖得率可达到36.2%。

2.2.2 低聚木糖的FT-IR表征 取酶水解后的低聚木糖粉末,利用傅里叶红外光谱仪,测定低聚木糖中组分的化学结构,FT-IR扫描如图5。

图5 低聚木糖的FT-IR图Fig.5 FT-IR spectra of xylooligosaccharide

低聚木糖中主要为木糖的化学基团,图5中3417.61 cm-1为-OH的伸缩振动吸收峰,2907.77 cm-1为-CH2的伸缩振动吸收峰,1618.93 cm-1为-CH2的弯曲振动吸收峰,1323.99 cm-1为-CH的弯曲振动吸收峰,1043.19 cm-1为-O-键的伸缩振动吸收峰,894.79、811.05 cm-1分别为-CH2、-CH的指纹区吸收峰,654.90 cm-1为-OH的指纹区吸收峰。

2.2.3 低聚木糖主要组分分析 利用液相色谱,分析低聚木糖中的主要组分,测定低聚木糖中主要组分的含量,结果如表6。

表6 低聚木糖主要组分含量Table 6 The content of main components in xylooligosaccharide

低聚糖组成不同,具有不同的功能,其生理活性应用于生物体,达到不同的改善功能。低聚木糖作为一种益生元,其活性组分以木二糖、木三糖和木四糖为优,可改善肠道微生态,调节人体生理机能,同时具有促进机体对钙、铁等矿物质吸收的功能,已被证实比低聚果糖等对机体更为有效。表6中的分析表明,半纤维素酶水解所得的低聚木糖中,主要成分为木四糖、木三糖、木二糖和木糖,占比达到90.7%,可极好满足低聚木糖应用中作为益生元的活性组分需求。

2.2.4 低聚木糖产品的性能指标分析 将半纤维素酶水解制备得到的低聚木糖样品,应用于饲料级低聚糖干粉,按相关国家标准测试产品,其性能指标如表7。

表7 低聚木糖的性能指标Table 7 The performance indicators of xylooligosaccharide

由表7可知,膜分离提取的半纤维素经酶水解后,制备的低聚木糖外观满足标准要求,低聚木糖含量达到36.2%,高于国家标准要求的35%。水分含量为4.92%,低于国家标准规定的≤8%。重金属砷含量为0.80 mg/kg,低于国家标准规定的≤1.0 mg/kg,且不含铅,远低于国家标准规定的≤5%。细菌数和霉菌数同样远低于国家标准规定的≤10000 CFU/g和≤500 CFU/g。利用再生纤维素纤维废液提取半纤维素,酶水解制备的低聚木糖,产品各项指标满足饲料级低聚糖干粉国家标准的技术要求,具有很好的应用价值。

3 结论

以膜分离处理再生纤维素纤维废液,设定过滤面积、进口压力、出口压力和运行温度,选择浓缩倍数为3.5倍时,所得截留液中半纤维素含量为59.82 g/L,半纤维素的提取率可达到85%。膜分离提取的半纤维素中,木糖含量可达79.2%。采用酶水解法制备低聚木糖,通过正交试验确定最佳工艺参数,pH为5,酶解温度为55 ℃,酶解时间为7 h,其低聚木糖得率可达到36.2%。半纤维素酶水解所得的低聚木糖中,主要成分为木四糖、木三糖、木二糖和木糖,占比达到90.7%。按饲料级低聚糖干粉的国家标准测试产品,其各项指标均可极好地满足国家标准的技术要求,具有很好的应用价值。