阅读说明：本技术 一种汽爆植物纤维原料制备低聚木糖的方法 (Method for preparing xylo-oligosaccharide from steam-exploded plant fiber raw material ) 是由 张民 苏昊 隋文杰 周晓丹 刘锐 吴涛 王帅 于 2019-10-22 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种汽爆植物纤维原料制备低聚木糖的方法,步骤为：将植物纤维原料进行破碎除杂后,加入水/酸/碱进行预浸处理,处理后物料进行汽爆处理,再进行水浸提,固液分离后,对水提液进行纯化精制,向固体渣加入内切木聚糖酶进行酶解反应得到酶解液,对酶解液进行纯化精制,将纯化后水提液和酶解液进行真空浓缩或喷雾干燥,制得高浓度低聚木糖糖浆或糖粉。本方法利用汽爆水热反应脱除部分半纤维素组分,联合水提处理获得含低聚木糖降解液,联合酶解处理进一步转化剩余半纤维素为低聚木糖,继而最大程度地完全利用半纤维素组分,有效提高低聚木糖溶出率,降低酶用量,生产过程处理量大,流程简单,易于实现工业化清洁生产。(The invention relates to a method for preparing xylo-oligosaccharide from steam-exploded plant fiber raw materials, which comprises the following steps: crushing plant fiber raw materials, removing impurities, adding water/acid/alkali for pre-dipping, performing steam explosion treatment on the treated materials, performing water extraction, performing solid-liquid separation, purifying and refining a water extract, adding endo-xylanase into solid residues for enzymolysis reaction to obtain an enzymolysis solution, purifying and refining the enzymolysis solution, and performing vacuum concentration or spray drying on the purified water extract and the enzymolysis solution to obtain high-concentration xylo-oligosaccharide syrup or powdered sugar. The method utilizes steam explosion hydrothermal reaction to remove partial hemicellulose components, combines water extraction treatment to obtain degradation liquid containing xylo-oligosaccharide, combines enzymolysis treatment to further convert residual hemicellulose into xylo-oligosaccharide, then fully utilizes the hemicellulose components to the maximum extent, effectively improves the dissolution rate of the xylo-oligosaccharide, reduces the enzyme consumption, has large treatment capacity in the production process, has simple flow and is easy to realize industrial clean production.)

一种汽爆植物纤维原料制备低聚木糖的方法

技术领域

本发明属于低聚木糖生产技术领域，尤其是一种汽爆植物纤维原料制备低聚木糖的方法。

背景技术

低聚木糖又称木寡糖，是由2-7个木糖分子以β-1,4糖苷键结合而成的功能性聚合糖，部分还含有***糖醛酸、葡萄糖醛酸侧链，其主要是木二糖和木三糖。低聚木糖固体为乳白色至淡黄色粉末，与通常人们所用的大豆低聚糖、低聚果糖、低聚异麦芽糖等相比具有独特的优势，它可以选择性地促进肠道双歧杆菌的增殖活性。低聚木糖因有良好的功能特性、加工特性及贮藏稳定性，而广泛应用于食品、饲料和医药等多个领域。

近年来，低聚木糖主要是从玉米芯、秸秆等植物纤维原料中分离半纤维素水解制备获得，主要采用以下两种工艺。①稀酸水解法，采用硫酸等的稀酸部分水解木聚糖制备低聚木糖，但该方法产物不易控，往往生成大量木糖，并伴随有害物质生成，精制工艺相对繁琐；且该方法对设备要求高，产生酸废水需要环保处理。②酶水解法，即利用微生物产生内切木聚糖酶分解木聚糖，然后经分离提纯制得低聚木糖；产生木聚糖酶的微生物有细菌、链霉菌、曲霉菌、青霉、木霉和毛壳霉等；利用内切木聚糖酶可以定向水解木聚糖得到以木二糖和木三糖为主要成分的低聚木糖混合物，故副产物较少，有利于后续工艺中低聚木糖的分离纯化；但是该方法工业化用酶纯度和活力低，导致生产成本较高。

由于植物纤维原料中抗降解屏障的存在，酶法处理前往往需要对原料进行预处理，以打破结构束缚，提高酶的可及性及其酶解效率。蒸汽***技术，以下简称汽爆技术，被认为是最经济高效的植物纤维原料预处理技术之一。它是将固体物料用饱和蒸汽或高压气体处理一定时间后，瞬间降至常压的过程。在汽爆过程类酸性水解作用及热降解作用下，半纤维素发生部分自水解作用生成低聚糖和单糖，半纤维素链上水解下来的乙酰基生成乙酸又加剧了半纤维素糖苷键的水解，因此，在一定范围内处理强度越大，则半纤维素的水解程度越大。再将汽爆后物料通过简单地常温水洗或热水浸提即可获得降解的半纤维素转化了的低聚木糖提取液。而在汽爆过程类机械断裂作用下，植物纤维原料发生一定程度的撕裂，从细胞壁、细胞到组织水平破坏其多孔结构，提高后续酶解转化的可及性和酶解效率。因此，将浸提后汽爆固体物料经过内切木聚糖酶定向酶解可获得剩余半纤维素转化而来的低聚木糖酶解液。基于植物纤维原料汽爆-提取和酶解联合处理，可以最大程度地完全利用半纤维素组分，并通过对提取液和酶解液的一系列纯化和精制处理，最终获得高得率的低聚木糖产品。

通过检索，发现如下一篇与本发明专利申请相关的专利公开文献。

一种采用蒸汽***—定向酶解制取低聚木糖的方法(CN102080116A)，该方法包括：植物纤维原料机械破碎、蒸汽***、内切木聚糖酶定向水解、酶解体系压滤、微滤、超滤分离提纯、阴离子交换树脂精制、大孔酚醛吸附树脂精制和减压蒸发浓缩。本发明的制取低聚木糖的方法，将蒸汽***与定向酶解进行有机地结合以替代现有的酸、碱抽提法或单一的蒸汽***法，不仅有效地降解和溶出了原料中的木聚糖，而且克服了其他工艺对酸、碱化学品的消耗或者杂质众多，尤其是有害物含量过高、后续分离精制成本昂贵的不足，可实现生产过程中无废水的排放，大大简化了木聚糖的抽提工艺，节约了操作工时，显著地提高了低聚木糖生产的环境亲和性和经济效率。

通过对比，本发明是将植物纤维原料经过汽爆处理后，充分利用汽爆过程中对半纤维素的脱除作用，采用联合水浸提的方式，先提取富含低聚木糖的半纤维素降解产物，再对提取物进行纯化精制；针对浸提后剩余固体渣含有的少部分半纤维素组分，进一步联合酶水解的方式，转化这部分半纤维素为低聚木糖。通过汽爆联合水提和酶解处理，能够促进半纤维素的组分的完全转化，从而显著提高低聚木糖得率。因此，本发明利用汽爆处理对植物纤维原料半纤维素组分的类酸性与热降解作用，对汽爆后物料创新性地采用一步水提的方式，即能充分提取半纤维素降解而来的低聚木糖，并且大大降低剩余半纤维素组分酶解处理的用酶量，且工艺简便可行，与上述专利公开文献存在本质区别。

发明内容

本发明目的在于克服现有技术的不足之处，提供一种高耐性汽爆植物纤维原料制备低聚木糖的方法，该以实现植物纤维原料中半纤维素组分的充分利用和低成本、高效地生产低聚木糖。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种汽爆植物纤维原料制备低聚木糖的方法，步骤为：

将植物纤维原料进行破碎除杂后，加入水/酸/碱进行预浸处理，处理后物料置于汽爆装置中进行汽爆处理，收集得到汽爆处理后物料进行水浸提，固液分离后，对水提液采用离子交换树脂、大孔树脂和纳滤膜进行纯化精制，向固体渣加入内切木聚糖酶进行酶解反应得到酶解液，对酶解液采用微滤膜、超滤膜和纳滤膜处理进行纯化精制，将纯化后水提液和酶解液进行真空浓缩或喷雾干燥，制得高浓度低聚木糖糖浆或糖粉。

而且，所述预浸处理所用酸为盐酸或硫酸或磷酸或乙酸，所用碱为NaOH或KOH或NH₃或H₂O₂；所述汽爆处理时的汽爆条件为：维持温度达到180～224℃或维持压力达到1.0～2.5MPa，维持时间5～30min。

而且，所述水浸提时的浸提条件为浸提温度20～95℃，提取次数1～3次，固液比1:5～20(w/w)。

而且，所述水提液采用离子交换树脂除去水提液中小分子有机酸类；采用大孔树脂脱除水提液中糖类降解产物；采用纳滤膜除去小分子单糖类物质；将水提液进行减压真空浓缩或喷雾干燥，制得高浓度低聚木糖糖浆或糖粉。

而且，所述小分子有机酸类为甲酸、乙酸；所述糖类降解产物为糠醛、5-羟甲基糠醛；所述小分子单糖类物质为葡萄糖、木糖和***糖。

而且，所述酶解反应的酶解条件为：加入水调节至固形物浓度5～10％(w/w)，按照0.5～2.0％(w/w)用酶量加入内切木聚糖酶，调节pH至4.8～5.2，酶解温度45～55℃，酶解时间3～12h。

而且，所述酶解液采用微滤膜除杂、脱色；采用超滤膜对净化后酶解液进行超滤，获得富含低聚木糖的超滤液，和富含大分子蛋白及多糖的超滤大分子截留液；采用纳滤膜除去小分子单糖和盐。

而且，具体步骤如下：

⑴前处理：

将原料进行除尘和机械破碎处理后，加入水、稀酸或稀碱溶液进行预浸处理；

所用酸为盐酸或硫酸或磷酸或乙酸；所用碱为NaOH或KOH或NH₃或H₂O₂；

⑵汽爆处理：

将原料置于汽爆装置中，通入饱和水蒸气加热物料至维持温度达到180～224℃或维持压力达到1.0～2.5MPa，维持5～30min后，将物料瞬时爆出，于缓冲罐中收集；

⑶浸提处理：

将汽爆物料在20～95℃范围内用水浸提，提取次数1～3次，固液比1:5～20(w/w)，将浸提后物料进行固液分离，得到水提液和固体渣；

⑷提取液纯化精制：

净化：采用离子交换树脂除去水提液中小分子有机酸类，采用大孔树脂脱除水提液中糖类降解产物；

纳滤：除去小分子单糖类物质；

浓缩或干燥：将水提液进行减压真空浓缩或喷雾干燥，制得高浓度低聚木糖糖浆或糖粉；

⑸酶解处理：

向固体渣中加入水调节至固形物浓度5～10％(w/w)，按照0.5～2.0％(w/w)用酶量加入内切木聚糖酶，调节pH至4.8～5.2，酶解温度45～55℃，进行酶解反应，酶解时间3～12h，酶解后经过离心或过滤除去酶解残渣，得到酶解液；

⑹酶解液纯化精制：

净化：利用微滤膜除杂、脱色；

超滤：采用超滤膜对净化后酶解液进行超滤，获得富含低聚木糖的超滤液，和富含大分子蛋白及多糖的超滤大分子截留液；

纳滤：采用纳滤膜除去小分子单糖和盐；

浓缩或干燥：将酶解液进行减压真空浓缩或喷雾干燥，制得高浓度低聚木糖糖浆或糖粉。

本发明取得的优点和积极效果为：

1、本发明方法通过对植物纤维原料汽爆处理，实现半纤维素组分部分热降解和物理结构破碎，联合水提和酶解处理，该过程能最大限度达到半纤维素的完全转化，有效提高低聚木糖溶出率，进一步通过对汽爆后水提液和酶解液的纯化精制处理制得低聚合度的低聚木糖产品，以实现植物纤维原料中半纤维素组分的充分利用和低成本、高效地生产低聚木糖。

2、本发明方法通过对植物纤维原料汽爆处理能够破解其抗降解屏障，改善后续酶解可及性，降低用酶量，提高产品纯度，继而降低生产成本。

3、本发明方法处理量大，流程简单，处理过程无污染物排放，且产品质量和收率提高，易于实现工业化清洁生产，具有良好的社会效益和经济效益。

4、本方法利用汽爆水热反应脱除部分半纤维素组分，联合水提处理获得含低聚木糖降解液，联合酶解处理进一步转化剩余半纤维素为低聚木糖，继而最大程度地完全利用半纤维素组分，有效提高低聚木糖溶出率，降低酶用量，生产过程处理量大，流程简单，易于实现工业化清洁生产。

具体实施方式

下面详细叙述本发明的实施例，需要说明的是，本实施例是叙述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。

本发明中所使用的原料，如无特殊说明，均为常规的市售产品；本发明中所使用的方法，如无特殊说明，均为本领域的常规方法。

一种汽爆植物纤维原料制备低聚木糖的方法，步骤为：

将植物纤维原料进行破碎除杂后，加入水/酸/碱进行预浸处理，处理后物料置于汽爆装置中进行汽爆处理，收集得到汽爆处理后物料进行水浸提，固液分离后，对水提液采用离子交换树脂、大孔树脂和纳滤膜进行纯化精制，向固体渣加入内切木聚糖酶进行酶解反应得到酶解液，对酶解液采用微滤膜、超滤膜和纳滤膜处理进行纯化精制，将纯化后水提液和酶解液进行真空浓缩或喷雾干燥，制得高浓度低聚木糖糖浆或糖粉。

较优地，所述预浸处理所用酸为盐酸或硫酸或磷酸或乙酸，所用碱为NaOH或KOH或NH₃或H₂O₂；所述汽爆处理时的汽爆条件为：维持温度达到180～224℃或维持压力达到1.0～2.5MPa，维持时间5～30min。

较优地，所述水浸提时的浸提条件为浸提温度20～95℃，提取次数1～3次，固液比1:5～20(w/w)。

较优地，所述水提液采用离子交换树脂除去水提液中小分子有机酸类；采用大孔树脂脱除水提液中糖类降解产物；采用纳滤膜除去小分子单糖类物质；将水提液进行减压真空浓缩或喷雾干燥，制得高浓度低聚木糖糖浆或糖粉。

较优地，所述小分子有机酸类为甲酸、乙酸；所述糖类降解产物为糠醛、5-羟甲基糠醛；所述小分子单糖类物质为葡萄糖、木糖和***糖。

较优地，所述酶解反应的酶解条件为：加入水调节至固形物浓度5～10％(w/w)，按照0.5～2.0％(w/w)用酶量加入内切木聚糖酶，调节pH至4.8～5.2，酶解温度45～55℃，酶解时间3～12h。

较优地，所述酶解液采用微滤膜除杂、脱色；采用超滤膜对净化后酶解液进行超滤，获得富含低聚木糖的超滤液，和富含大分子蛋白及多糖的超滤大分子截留液；采用纳滤膜除去小分子单糖和盐。

较优地，具体步骤如下：

⑴前处理：

将原料进行除尘和机械破碎处理后，加入水、稀酸或稀碱溶液进行预浸处理；

所用酸为盐酸或硫酸或磷酸或乙酸；所用碱为NaOH或KOH或NH₃或H₂O₂；

⑵汽爆处理：

将原料置于汽爆装置中，通入饱和水蒸气加热物料至维持温度达到180～224℃或维持压力达到1.0～2.5MPa，维持5～30min后，将物料瞬时爆出，于缓冲罐中收集；

⑶浸提处理：

将汽爆物料在20～95℃范围内用水浸提，提取次数1～3次，固液比1:5～20(w/w)，将浸提后物料进行固液分离，得到水提液和固体渣；

⑷提取液纯化精制：

净化：采用离子交换树脂除去水提液中小分子有机酸类，采用大孔树脂脱除水提液中糖类降解产物；

纳滤：除去小分子单糖类物质；

浓缩或干燥：将水提液进行减压真空浓缩或喷雾干燥，制得高浓度低聚木糖糖浆或糖粉；

⑸酶解处理：

向固体渣中加入水调节至固形物浓度5～10％(w/w)，按照0.5～2.0％(w/w)用酶量加入内切木聚糖酶，调节pH至4.8～5.2，酶解温度45～55℃，进行酶解反应，酶解时间3～12h，酶解后经过离心或过滤除去酶解残渣，得到酶解液；

⑹酶解液纯化精制：

净化：利用微滤膜除杂、脱色；

超滤：采用超滤膜对净化后酶解液进行超滤，获得富含低聚木糖的超滤液，和富含大分子蛋白及多糖的超滤大分子截留液；

纳滤：采用纳滤膜除去小分子单糖和盐；

浓缩或干燥：将酶解液进行减压真空浓缩或喷雾干燥，制得高浓度低聚木糖糖浆或糖粉。

更为具体地，一种汽爆植物纤维原料制备低聚木糖的方法，步骤为：

将玉米秸秆进行除尘和机械破碎处理后，按照固液比1:0.5～1.5(w/w)加入水进行预浸处理。将预浸后物料置于汽爆装置中，通入饱和水蒸气加热物料至维持温度达到170～207℃(维持压力达到0.8～1.8MPa)，维持5～30min后，将物料瞬时爆出，于缓冲罐中收集。将汽爆物料在常温下用水浸提，提取次数1～3次，固液比1:5～20(w/w)，将浸提后物料进行固液分离，得到水提液和固体渣。

根据美国National Renewable Energy Laboratory(NREL)制定的LaboratoryAnalytical Procedure(LAP)——Determination of Structural Carbohydrates andLignin in Biomass方法，测定获得汽爆玉米秸秆水提液中低聚木糖含量和固体渣中半纤维素含量如表1和表2。

表1汽爆处理前后玉米秸秆水提液中低聚木糖含量(％)比较

表2汽爆处理玉米秸秆固体渣中半纤维素含量(％)比较

表1中汽爆处理前后玉米秸秆水提液中低聚木糖含量数据表明，汽爆过程水热作用促进半纤维素降解转化为水提液中的低聚木糖成分，且随汽爆维持温度和时间增加，低聚木糖含量增加，但是过高的温度和时间会导致低聚木糖的降解。

表2中汽爆处理后玉米秸秆固体渣中半纤维素含量数据表明，汽爆具有显著的半纤维素脱除作用，并随着汽爆维持温度和时间的增加，半纤维素降解越明显，且温度对其影响要大于时间。

对于水提液，分别采用离子交换树脂、大孔树脂和纳滤除去小分子单糖类物质及其降解产物。将纯化后水提液进行减压真空浓缩或喷雾干燥，制得高浓度低聚木糖糖浆或糖粉。

向固体渣中加入水调节至固形物浓度5～10％(w/w)，按照0.5～2.0％用酶量加入内切木聚糖酶，调节pH4.8～5.2，酶解温度45～55℃，进行酶解反应，酶解时间3～12h，酶解后经过滤除去酶解残渣，得到酶解液。

测定不同汽爆条件下酶解液中低聚木糖含量和汽爆温度180℃、***压力为2.0MPa下不同酶种类和用量对低聚木糖得率和平均聚合度影响如表3和表4所示。测定条件如下：用流动相分别配制0.2mg/mL，0.4mg/mL，0.6mg/mL，0.8mg/mL以及1.0mg/mL的木糖、木二糖、木三糖、木四糖、木五糖对照品标准溶液，过0.45μm微滤膜备用；色谱条件为ShodexKS-802色谱柱(8.0×300mm，聚乙烯二乙烯基苯填充)，流动相为超纯水，流速0.8ml/min，柱温60℃，进样体积20μL，示差折光检测器。

表3不同汽爆条件下玉米秸秆酶解液中低聚木糖含量(维持时间5min)

汽爆温度	170℃	180℃	188℃	198℃	207℃
						低聚木糖含量	4.76	5.47	5.35	8.42	8.35

表4汽爆温度180℃、***压力为2.0MPa和维持时间20min下不同酶种类和用量对玉米秸秆低聚木糖得率和平均聚合度的影响

表3不同汽爆条件下酶解液中低聚木糖含量数据表明，随汽爆温度增加，汽爆处理对玉米秸秆的水热化学作用和物理撕裂作用增强，对玉米秸秆抗降解屏障的破除促进了酶解转化行为，从而提高酶解液中低聚木糖产物。

表4比较了不同内切木聚糖酶和酶用量对汽爆玉米秸秆转化低聚木糖含量和聚合度的影响，对本发明中木聚糖酶种类和用量选取提供实验数据支撑。该数据表明，随用酶量增加，酶解液中低聚木糖含量增加，且低聚木糖聚合度主要在2～3之间，即产品主要为木二糖和木三糖。

对于酶解液，利用微滤膜进行除杂和脱色，通过超滤和纳滤除去大分子蛋白和小分子单糖。将纯化后酶解液进行减压真空浓缩或喷雾干燥，制得纯度大于90％、以木二糖和木三糖为主要成分的低聚木糖糖浆或糖粉。

尽管为说明目的公开了本发明的实施例，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附权利要求的精神和范围内，各种替换、变化和修改都是可能的，因此，本发明的范围不局限于实施例所公开的内容。