一种微波辅助水热处理玉米芯制备低聚木糖的方法.pdf

本发明公开了一种微波辅助水热处理玉米芯制备低聚木糖的方法。所述低聚木糖是由2～6个木糖分子以β-1,4糖苷键结合而成的功能性聚合糖。所述微波辅助水热处理的方法是以水为反应溶剂，利用微波辅助技术高效快速地破坏玉米芯细胞壁复杂三维网络结构，使半纤维素溶出并发生水解反应生成低聚木糖。所述微波辅助水热处理玉米芯制备低聚木糖的具体步骤为：将玉米芯粉碎成小颗粒，有机溶剂抽提，过滤，用纯水洗涤，烘干，再球磨；在反应釜中加入球磨后的样品和水，超声后于微波中反应；反应结束，冷却，抽滤，滤液蒸馏浓缩，冷冻干燥，得到低聚木糖。本发明所述的微波辅助水热处理玉米芯制备低聚木糖的方法具有快速、高效、环境友好等优点。

1.  一种微波辅助水热处理玉米芯制备低聚木糖的方法，其特征在于，所述低聚木糖是由2～6个木糖分子以β-1,4糖苷键结合而成的功能性聚合糖，所述微波辅助水热处理的方法是以水为反应溶剂，利用微波辅助破坏玉米芯细胞壁复杂的三维网络结构，使半纤维素溶出并发生水解反应生成低聚木糖。

2.  根据权利要求1所述的微波辅助水热处理玉米芯制备低聚木糖的方法，其特征在于包括如下步骤：
(1)前处理：将玉米芯粉碎成颗粒，用有机溶剂抽提，过滤，用蒸馏水洗涤后烘干，再球磨，得到球磨后的样品；
(2)微波辅助水热反应：将步骤(1)球磨后的样品和超纯水置于反应釜中，超声后于微波下反应；
(3)后处理：反应结束后，冷却，抽滤，滤液蒸馏浓缩，冷冻干燥，得到低聚木糖。

3.  根据权利要求2所述的微波辅助水热处理玉米芯制备低聚木糖的方法，其特征在于，步骤(1)所述颗粒的大小为40～80目。

4.  根据权利要求2所述的微波辅助水热处理玉米芯制备低聚木糖的方法，其特征在于，步骤(1)所述有机溶剂为乙醇-丙酮混合液，乙醇与丙酮的体积比为1：(1.8～2.2)，所述抽提时间为6～8小时。

5.  根据权利要求2所述的微波辅助水热处理玉米芯制备低聚木糖的方法，其特征在于，步骤(1)所述烘干的温度为45～65℃，所述烘干的时间为8～12小时。

6.  根据权利要求2所述的微波辅助水热处理玉米芯制备低聚木糖的方法，其特征在于，步骤(1)所述球磨的时间为10～14小时，所述球磨的转速为300～500转每分钟。

7.  根据权利要求2所述的微波辅助水热处理玉米芯制备低聚木糖的方法，其特征在于，步骤(2)所述球磨后的样品和超纯水的质量比为1：(5～20)。

8.  根据权利要求2所述的微波辅助水热处理玉米芯制备低聚木糖的方法， 其特征在于，步骤(2)所述超声的时间为20～40分钟，所述超声的功率为80～100KHz。

9.  根据权利要求2所述的微波辅助水热处理玉米芯制备低聚木糖的方法，其特征在于，步骤(2)所述微波的辐射功率为550～650W，所述微波的反应温度为120～180℃，所述反应的时间为0～120分钟。

10.  根据权利要求2所述的微波辅助水热处理玉米芯制备低聚木糖的方法，其特征在于，所述低聚木糖的产率为每克玉米芯可生成6.41mg～83.84mg低聚木糖。

一种微波辅助水热处理玉米芯制备低聚木糖的方法
技术领域
本发明属于低聚木糖制备领域，具体涉及一种微波辅助水热处理玉米芯制备低聚木糖的方法。
背景技术
近年来，由于人类对石化资源的过度消耗，在造成环境污染的同时还引发一系列的政治、经济问题。因此，寻求可替代石化资源以满足人类日益增长的能源需求的原料变得越来越紧迫。生物质因其来源广泛、价格低廉、环境友好等优点，被视为理想的可再生原料之一。由生物质制备高附加值化学品和能源已成为科学工作者不断追求的目标，并被视为解决当前能源危机的有效途径。
生物质主要由纤维素、半纤维素和木质素组成。由生物质制备的高附加值化学品的种类很多，低聚木糖是其中之一。低聚木糖主要由富含半纤维素的生物质制得，如棉壳、甘蔗渣、玉米芯等，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。低聚木糖由于其独特的物理化学性质及其优越的保健性能，被广泛应用于医药保健、食品和饲料领域。目前低聚木糖的制备方法主要是采用木聚糖酶将植物纤维中的木聚糖糖化分解，使其生成低聚木糖。该法存在着酶成本高、工艺复杂和条件苛刻等缺点，不利于降低低聚木糖的生产成本和广泛应用。
近年来，水热预处理生物质的研究受到科学工作者的广泛关注。生物质水热预处理是指以水为反应试剂，在高温、高压下使水发生离子化并呈酸性，破坏生物质复杂的三维网络结构，从而加速生物质中三大组分的分离，提高原料的利用率和产物的选择性。该法以水为反应溶剂，原料不需干燥可直接使用，具有清洁无毒、适用范围广、成本低等优点。水热预处理过程中首先被溶出的是半纤维素，固体残渣主要成分为纤维素。通过调控反应温度和时间，可使生 物质中大部分半纤维素和部分木质素溶出，从而提高三大组分的利用率。水热预处理常用的反应设备为反应釜，加热方式为油浴、沙浴等，存在着加热时间长、受热不均匀等缺点。
发明内容
针对现有的以生物质为原料制备低聚木糖研究技术中的缺点与不足，本发明提出一种高效快速的微波辅助水热处理玉米芯制备低聚木糖的方法，该方法具有快速、受热均匀等优点，逐渐取代传统加热法应用于科学研究领域，为低聚木糖的工业生产提供了重要的理论依据和技术指导。
本发明的目的具体通过下述技术方案实现：
(1)前处理：将玉米芯粉碎成颗粒，用有机溶剂抽提，过滤，用蒸馏水洗涤后烘干，再球磨，得到球磨后的样品；
(2)微波辅助水热反应：将步骤(1)球磨后的样品和超纯水置于反应釜中，超声后于微波下反应；
(3)后处理：反应结束后，冷却，抽滤，滤液蒸馏浓缩，冷冻干燥，得到低聚木糖。
在上述的微波辅助水热处理玉米芯制备低聚木糖的方法中：
优选的，步骤(1)所述颗粒大小为40～80目；
优选的，步骤(1)所述有机溶剂为乙醇-丙酮混合液的体积比为1：(1.8～2.2)，所述抽提时间为6～8小时；
优选的，步骤(1)所述烘干的温度为45～65℃，所述烘干的时间为8～12小时；
优选的，步骤(1)所述球磨的时间为10～14小时，所述球磨的转速为300～500转每分钟；
优选的，步骤(2)所述样品和超纯水的质量比为1：(5～20)；
优选的，步骤(2)所述超声的时间为20～40分钟，所述超声的功率为80～100 KHz；
优选的，步骤(2)所述微波的辐射功率为550～650W，所述微波的反应温度为120～180℃，所述反应的时间为0～120分钟；
优选的，所述低聚木糖的产率为每克玉米芯可生成6.41mg～83.84mg低聚木糖。
本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：
(1)本发明使用微波为加热设备，在所限定工艺参数的协同作用下，具有快速高效(产率高)、受热均匀等优点，能有效地促进半纤维素的溶出和水解。
(2)本发明使用水为反应溶剂，具有绿色环保、操作易控、环境友好等优点，为低聚糖的工业生产提供了一个绿色环保生产工艺。
(3)本发明以农业废弃物为原料生产功能性低聚木糖，在生产工艺上避免与粮食作物形成恶性竞争，具有产率高、产品纯度高等优点，为我国低聚糖大规模工业化生产提供技术指导。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
一种微波辅助水热处理玉米芯制备低聚木糖的方法，具体步骤如下：
(1)前处理：将玉米芯粉碎成40～80目的颗粒，用乙醇-丙酮混合液(体积比为1:1.8)抽提6小时，过滤，蒸馏水洗涤后在45℃下烘干8小时，然后进行球磨，球磨时间为10小时，转速为300转每分钟；
(2)微波辅助水热反应：将步骤(1)球磨后的样品和超纯水(质量比为1:5)置于反应釜中，在80KHz下超声40分钟后于微波下反应，微波辐射功率为550W，反应温度为140℃,反应时间为120分钟；
(3)后处理：反应结束，冷却，抽滤，滤液蒸馏浓缩，冷冻干燥，得到 低聚木糖。
由于只有聚合度2～6的低聚木糖的标准样品，本发明所述的低聚木糖的聚合物为2～6。利用高效液相色谱，根据下列公式计算低聚木糖的产率(单位：mg/g)：
二聚糖得率＝HPLC测的二聚糖质量/玉米芯质量；
三聚糖得率＝HPLC测的三聚糖质量/玉米芯质量；
四聚糖得率＝HPLC测的四聚糖质量/玉米芯质量；
五聚糖得率＝HPLC测的五聚糖质量/玉米芯质量；
六聚糖得率＝HPLC测的六聚糖质量/玉米芯质量；
总低聚木糖得率＝HPLC测的各种聚糖的质量总和/玉米芯质量。
经过计算，实施例1的二聚糖得率为8.87mg/g，三聚糖得率为9.35mg/g，四聚糖得率为7.02mg/g，五聚糖得率为4.60mg/g，六聚糖得率为3.02mg/g，总低聚糖得率为32.86mg/g。
本发明具有绿色环保、方法简单易控、适用范围广、条件温和等优点，易于实现工业化。
实施例2
一种微波辅助水热处理玉米芯制备低聚木糖的方法，具体步骤如下：
(1)前处理：将玉米芯粉碎成40～80目的颗粒，用乙醇-丙酮混合液(体积比为1:2)抽提7小时，过滤，蒸馏水洗涤后在55℃下烘干10小时，然后进行球磨，球磨时间为12小时，转速为400转每分钟；
(2)微波辅助水热反应：将步骤(1)球磨后的样品和超纯水(质量比为1:10)置于反应釜中，在90KHz下超声30分钟后于微波下反应，微波辐射功率为600W，反应温度为160℃,反应时间为60分钟；
(3)后处理：反应结束，冷却，抽滤，滤液蒸馏浓缩，冷冻干燥，得到 低聚木糖。
经过计算，实施例1的二聚糖得率为14.69mg/g，三聚糖得率为22.29mg/g，四聚糖得率为15.56mg/g，五聚糖得率为7.78mg/g，六聚糖得率为3.16mg/g，总低聚糖得率为63.48mg/g。
实施例3
一种微波辅助水热处理玉米芯制备低聚木糖的方法，具体步骤如下：
(1)前处理：将玉米芯粉碎成40～80目的颗粒，用乙醇-丙酮混合液(体积比为1:2.2)抽提8小时，过滤，蒸馏水洗涤后在65℃下烘干12小时，然后进行球磨，球磨时间为14小时，转速为500转每分钟；
(2)微波辅助水热反应：将步骤(1)球磨后的玉米芯和水(质量比为1:20)置于反应釜中，在100KHz下超声20分钟后于微波下反应，微波辐射功率为650W，反应温度为180℃,反应时间为15分钟；
(3)后处理：反应结束，冷却，抽滤，滤液蒸馏浓缩，冷冻干燥，得到低聚木糖。
经过计算，实施例1的二聚糖得率为20.89mg/g，三聚糖得率为19.04mg/g，四聚糖得率为16.78mg/g，五聚糖得率为7.25mg/g，六聚糖得率为3.10mg/g，总低聚糖得率为83.84mg/g。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。