木糖渣稀酸水解制取還原糖條件的研究

鄭利宇，李園園，曹曉偉

(鄭州拓洋實(shí)業(yè)有限公司，河南鄭州 450000)

木糖渣稀酸水解制取還原糖條件的研究

鄭利宇，李園園，曹曉偉

(鄭州拓洋實(shí)業(yè)有限公司，河南鄭州 450000)

在高溫條件下通過對(duì)木糖渣稀硫酸水解的研究，探討了影響水解還原糖產(chǎn)率的因素如固液比、硫酸濃度、時(shí)間和溫度，得到了水解還原糖的較優(yōu)條件是固液比為1∶15(質(zhì)量體積比)，硫酸濃度為8%，反應(yīng)溫度為120℃，反應(yīng)時(shí)間為120min。在此條件下，得到還原糖產(chǎn)率為45.6%。證明通過稀酸水解處理木糖渣是一條重要和環(huán)境友好型的途徑。

水解;稀硫酸;木糖渣;還原糖

Key words:hydrolysis;dilute sulfuric acid;xylose cinder;reducing sugar

木糖渣是木糖生產(chǎn)中產(chǎn)生的廢渣，木糖的生產(chǎn)過程中伴有大量的木糖廢渣產(chǎn)生，它是一種優(yōu)質(zhì)的木質(zhì)纖維素資源。木質(zhì)纖維素是地球上積累的最具潛力的可再生能源。如何合理的利用開發(fā)這種資源，在國(guó)際上受到了極大的關(guān)注。對(duì)它的利用世界上多個(gè)國(guó)家投入了大量的資金進(jìn)行研究。近年來，圍繞生物質(zhì)利用的研究多集中于玉米秸稈、水稻秸稈和松木屑等材料，而對(duì)制糖殘?jiān)举|(zhì)纖維素材料研究較少。木糖渣在制木糖過程中已經(jīng)經(jīng)過酸水解預(yù)處理，因此它更易利用。一般情況下，生產(chǎn)1t結(jié)晶木糖排放含水70% ～80%的廢渣13～26t，按我國(guó)企業(yè)的年生產(chǎn)能力1萬t計(jì)算，每年有13萬～26萬t木糖廢渣排放。廢渣的露天堆放不僅占用了大量的耕地，而且對(duì)周邊環(huán)境造成了嚴(yán)重污染。大風(fēng)吹起廢渣，造成大氣污染;雨水沖刷廢渣流入農(nóng)田，造成土壤的污染;滲入地下，造成水體污染。因此合理的利用和處置這些木糖廢渣，不但保護(hù)了環(huán)境，而且變廢為寶，能夠創(chuàng)造巨大經(jīng)濟(jì)效益。

目前木糖廢渣的能源利用方式大致有以下幾種:直接燃燒、壓縮成型制炭、采用熱化學(xué)方式轉(zhuǎn)化為氣體或液體燃料、厭氧發(fā)酵制取沼氣、制取生物有機(jī)肥料、栽培食用菌、制作纖維板、草板等［1］。王關(guān)斌［2］等以木糖生產(chǎn)中產(chǎn)生的廢渣為原料，采用化學(xué)活化法制備活性炭，同時(shí)將所制備活性炭直接應(yīng)用于木糖生產(chǎn)過程中水解液脫色，既降低了木糖生產(chǎn)成本，又保護(hù)了環(huán)境。張來新［3］等用玉米芯制木糖后的廢渣經(jīng)加酸加熱水解制取乙酰丙酸，收率為16.4% ，產(chǎn)品純度可達(dá)90%。其殘?jiān)?jīng)硫酸炭化制得了木素活性炭，收率為83%。但是以上處理方式都沒有很好利用木糖渣的有效成分。

目前可以通過化學(xué)的方法將其中的纖維素等成分水解成各種可以直接利用的糖類物質(zhì)，為人類提供綠色的資源和化工產(chǎn)品等。水解生物質(zhì)資源的方法是一種成熟的技術(shù)，尤其是酸水解技術(shù)。本實(shí)驗(yàn)中采取稀硫酸水解的技術(shù)對(duì)木糖渣水解條件進(jìn)行研究。

1 材料與方法

1.1 材料及儀器

實(shí)驗(yàn)所用木糖渣在105℃，烘箱中烘至恒重，粉碎至40目后備用。實(shí)驗(yàn)主要儀器:UV－2102pcs紫外可見光分光光度計(jì)，優(yōu)尼柯(上海)公司生產(chǎn)。

7）以民間傳說或吉祥嘉言命名，如臥龍街。《濰縣志稿》載，劉以貴在修三官?gòu)R碑中謂宋太祖路過此橋時(shí)，曾臥息其上，登基后，封該橋?yàn)椤芭P龍橋”。后來新修東西大街臥龍街以此傳說得名。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 木糖渣各種成分的分析

采取重量法［4－6］測(cè)定木糖渣中各種成分的含量。

1.2.2 水解方法

稱取一定量粉碎后的木糖渣和一定濃度、一定量的稀硫酸加到高壓反應(yīng)釜中，加熱反應(yīng)一定時(shí)間，反應(yīng)結(jié)束后，取出反應(yīng)液，再用離心機(jī)在5000r/min，處理10min，取出上清液測(cè)量其中的還原糖。

1.2.3 還原糖濃度測(cè)定

木糖渣中水解的還原糖用DNS法［7］測(cè)定。

2 結(jié)果與討論

2.1 木糖渣成分分析(見表1)

表1 木糖渣成分分析結(jié)果 %

2.2 葡萄糖溶液標(biāo)準(zhǔn)曲線

采用紫外可見光分光光度計(jì)測(cè)定不同濃度下的葡萄糖標(biāo)準(zhǔn)溶液的吸光度，以吸光度值為縱坐標(biāo)，葡萄糖濃度為橫坐標(biāo)，得到葡萄糖溶液的標(biāo)準(zhǔn)曲線為:

由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合出的直線方程(1)的復(fù)相關(guān)系數(shù)R2=0.99839。將測(cè)定的水解溶液的吸光度值代入標(biāo)準(zhǔn)曲線方程中，即可得到水解液中還原糖的產(chǎn)率。

2.3 各種因素對(duì)水解還原糖產(chǎn)率的影響

2.3.1 固液比對(duì)水解還原糖產(chǎn)率的影響

在溫度為120℃，酸濃度為8%，時(shí)間為120min的條件下，考察固液比(質(zhì)量體積比)對(duì)水解液中還原糖產(chǎn)率的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。從圖1中看出，在固液比為1∶15之前，還原糖產(chǎn)率是隨著固液比的增大而升高，固液比高于1∶15時(shí)，還原糖產(chǎn)率則隨著固液比的增大而降低。固液比較小時(shí)，木糖渣和硫酸混合不均勻，硫酸不能完全浸入木糖渣中，不利于水解;但較高的固液比會(huì)降低還原糖的濃度，而且對(duì)后續(xù)的單糖利用也不利。因此，實(shí)驗(yàn)中固液比為1∶15最合適。

圖1 固液比對(duì)還原糖產(chǎn)率的影響

2.3.2 酸濃度對(duì)水解還原糖產(chǎn)率的影響

采用不同的酸濃度在固液比為1∶15、溫度為120℃、水解120min，所得的水解液中還原糖的產(chǎn)率與硫酸濃度的關(guān)系如下頁(yè)圖2所示。從圖2可知，隨著酸濃度的增加，水解還原糖產(chǎn)率不斷增加。這是因?yàn)樵谒庵惺强克岬腍+水解和催化的雙重作用實(shí)現(xiàn)，酸濃度越高，H+離子濃度越大，H+離子與木糖渣接觸越充分，更有利于水解的進(jìn)行?？紤]到酸濃度越高，對(duì)實(shí)驗(yàn)儀器的腐蝕越強(qiáng)，而且糖產(chǎn)率上升幅度不大，所以實(shí)驗(yàn)中稀酸水解研究中適宜的酸濃度為8%。

圖2 酸濃度對(duì)水解還原糖產(chǎn)率的影響

2.3.3 溫度對(duì)水解還原糖產(chǎn)率的影響

在固液比為1∶15，酸濃度為8%，水解120min，溫度對(duì)水解還原糖產(chǎn)率的影響如圖3所示，隨著溫度的升高，反應(yīng)速率加快，還原糖產(chǎn)率先是快速升高，120℃時(shí)到達(dá)最大值，之后隨著溫度的升高，還原糖產(chǎn)率反而下降，主要是因?yàn)樵诟邷叵?，生成的單糖?huì)受熱降解，生成其它產(chǎn)物。因此，最適宜溫度為120℃。

圖3 溫度對(duì)水解還原糖的影響

2.3.4 時(shí)間對(duì)水解還原糖產(chǎn)率的影響

從圖4可以看出，在固液比為1∶15，酸濃度為8%，水解溫度120℃的條件下，隨著反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)，還原糖的產(chǎn)率不斷地升高，在120min時(shí)還原糖的產(chǎn)率達(dá)到最大值，繼續(xù)延長(zhǎng)時(shí)間，反應(yīng)還原糖產(chǎn)率反而降低，主要是在高溫下纖維素和少量的半纖維素被水解生成單糖，隨著反應(yīng)的繼續(xù)進(jìn)行，部分的單糖又被進(jìn)一步降解為糠醛等其它物質(zhì)，導(dǎo)致還原糖產(chǎn)率的降低。因此，在實(shí)驗(yàn)中，要選擇合適的反應(yīng)時(shí)間。

圖4 水解時(shí)間對(duì)水解還原糖產(chǎn)率的影響

3 結(jié)論

通過研究實(shí)驗(yàn)中固液比、反應(yīng)酸濃度、溫度和時(shí)間，確定木糖渣水解的較優(yōu)條件為固液比為1∶15，酸濃度為8%，水解溫度為120℃，水解時(shí)間為120min，水解還原糖產(chǎn)率最大可達(dá)到45.6%，因此酸水解方法處理木糖渣是一條利用木糖渣的有效途徑。參考文獻(xiàn):

［1］ 張小電，屈光道，王改成，等.木糖、糠醛廢棄渣的能源利用方式［J］.農(nóng)村能源，2000，(1):25－26.

［2］ 王關(guān)斌，趙光輝，賀東海，等.木糖廢渣的綜合利用［J］.山東化工，2005，(3):38－39.

［3］ 張來新，楊 瓊.木糖生產(chǎn)殘?jiān)迫∫阴１峒盎钚蕴浚跩］.陜西化工，1999，28(3):10－11.

［4］ 李 華，孔新剛，王 俊.秸稈飼料中纖維素、半纖維素和木質(zhì)素的定量分析研究［J］.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào).2007，30(3):65－68.

［5］ 王玉萬，徐文玉.木質(zhì)纖維素固體基質(zhì)發(fā)酵物中半纖維素、纖維素、木素的定量分析程序［J］.微生物學(xué)通報(bào)，1987，(2):81－84.

［6］ 波欽斯克，X H著.荊家海，丁鐘榮譯.植物生物化學(xué)分析方法［M］.北京:科學(xué)出版社，1981:173－177.

［7］ 楊貴明，蔣愛華，薛秋生.用DNS光度法測(cè)定還原糖的條件研究［J］.安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2006，34(14):3258－3264.

Study on Reducing Sugar Production by Dilute Sulfuric Acid Hydrolysis of Xylose Cinder

ZHENG Li－yu，LI Yuan－yuan，CAO Xiao－wei
(Zhengzhou Tuoyang Industrial Co.Ltd ，Zhengzhou 45000 China)

TS244

A

1003－3467(2011)05－0040－03

2011－01－12

鄭利宇(1984－)，女，助理工程師，從事化工研究工作，E －mail:renjunliang03@163.com。