桉木預水解液木糖母液二次提糖研究

摘要： 本研究分析了桉木預水解液木糖母液二次提糖的經(jīng)濟性，探討了提高母液中木糖含量的方案，并設計了可行的二次提糖工藝路線，探索了專利菌種的生化規(guī)律。在此基礎上，通過對半乳糖、甘露糖具有特異性同化作用的酵母，消耗母液中主要雜糖葡萄糖和甘露糖，提高母液中木糖含量。通過酸水解將母液中大量半纖維素中間體水解成木糖、甘露糖、半乳糖等單糖，母液木糖含量提升至79. 03%；整個過程木糖含量提高25. 79個百分點，實現(xiàn)了母液二次提糖的目標。

關鍵詞：桉木；半纖維素；木糖母液；發(fā)酵

中圖分類號：TS79 文獻標識碼：A DOI：10. 11980/j. issn. 0254-508X. 2025. 01. 007

國內(nèi)某大型漿紙企業(yè)通過預水解硫酸鹽法連續(xù)蒸煮技術生產(chǎn)溶解漿，生產(chǎn)過程中采用熱水預水解去除大部分半纖維素，通過連續(xù)蒸煮去除大部分木質(zhì)素，較好地實現(xiàn)植物纖維原料三大組分的分離[1]。在此生產(chǎn)過程中，從水解工序的預水解塔抽提出的預水解液含有大量半纖維素[2-3]，可用于生產(chǎn)木糖和木糖醇。隨著桉木預水解液提取木糖技術的不斷優(yōu)化，木糖及其副產(chǎn)品——木糖母液的產(chǎn)量也逐步提高。與以玉米芯為原料生產(chǎn)木糖的工藝相比，桉木預水解液提取木糖的工藝中，結晶前糖膏中的木糖含量可從75%提升至80%～85%，結晶后木糖母液中的木糖含量也可從42%提升至50%～55%[4]?；诖?，桉木預水解液木糖母液可進行二次提糖，以節(jié)約生物質(zhì)資源。

本研究以某公司使用桉木溶解漿預水解液生產(chǎn)木糖后產(chǎn)生的木糖母液為研究對象，采用高效液相色譜儀（HPLC，U3000，賽默飛） 鉛型糖分析柱，對木糖母液的組成及變化進行分析，設計適當?shù)墓に嚶肪€以提高木糖母液中木糖含量，證明木糖母液二次提取木糖的可行性。

1 經(jīng)濟性分析

某公司木糖項目的設計產(chǎn)能為10 000 t/a，副產(chǎn)物木糖母液的產(chǎn)量為10 000 t/a，固含量約55%，木糖的平均含量約52.50%，由此可得絕干木糖的質(zhì)量約2 887 t/a。當木糖的提取率為70%時，則通過二次提取可獲得木糖2 021 t/a，相當于小型木糖廠的年產(chǎn)量；同時，二次提糖的木糖母液產(chǎn)量約2 000 t/a。綜上所述，若木糖市售價為16 000 元/t、木糖母液市售價為1 000 元/t，則木糖母液二次提糖技術的增值潛力如式（1）所示。

（2 021 t/a×16 000 元/t）-（10 000 t/a×1 000 元/t）+（2 000 t/a×1 000元/t）=2 433.6萬元/a （1）

木糖母液的二次提糖可以提高木糖產(chǎn)量約20%，并具有較好的經(jīng)濟增值潛力。因此，探索木糖母液的二次提糖工藝具有重要的經(jīng)濟價值和研究意義。

2 工藝方案設計

2. 1 木糖母液成分分析及工藝方案設計

本研究中各類糖含量測定采用GB 1886.305—2020中的峰面積歸一法，使用HPLC鉛型糖分析柱對糖液進行分析。圖1 為木糖母液的液相色譜圖。從圖1 可知， 木糖母液中各組分及占比為： 低聚糖7.40%（溶出時間13.1 min），葡萄糖16.00%（溶出時間14.3 min），木糖53.24% （溶出時間15.3 min），半乳糖鼠李糖4.27% （溶出時間16.4 min，由于鼠李糖不參與后續(xù)研究的酵母同化反應，故下文該峰僅以半乳糖表示），甘露糖17.41%（溶出時間18.2 min），木糖醇1.68%（溶出時間34.7 min）。

大量生產(chǎn)實踐經(jīng)驗和實驗結果證實，優(yōu)選的可工業(yè)化結晶的木糖母液中木糖含量應≥74.0%，因此本研究以結晶前木糖含量74.0%為目標。從圖1可以看出，桉木預水解液制備木糖工藝中，產(chǎn)生的木糖母液中木糖含量為53.24%，含量偏低，達不到工業(yè)化結晶的工藝要求。低聚糖、葡萄糖、甘露糖的占比共計40.81%，降低此占比，提高木糖含量，是本研究的核心內(nèi)容。為實現(xiàn)這一目標，可采取如下3種方案：①將低聚糖、葡萄糖、甘露糖3個組分與木糖分離；②通過生化反應，消耗低聚糖、葡萄糖、甘露糖3個組分的碳基；③通過異構化及其他反應，將低聚糖、葡萄糖、甘露糖3個組分（全部或部分） 轉(zhuǎn)化為木糖。

然而，方案①中已工業(yè)化用于分離糖類的色譜用樹脂，包括鈣型樹脂、鉀型樹脂、鈉型樹脂、氫型樹脂、胺型樹脂等，均不能完成低聚糖、葡萄糖、甘露糖3個組分與木糖的相對分離，只有鉛型樹脂可以實現(xiàn)，但尚未工業(yè)化應用；且此方案用于食品原料分離也會面對較大困難，因為鉛型樹脂中所含的鉛離子有毒性，脫落或溶解會污染食品原料，脫毒成本也較高。方案③中涉及的葡萄糖、甘露糖轉(zhuǎn)化成木糖的技術，目前仍未見實現(xiàn)工業(yè)化的報道。本研究團隊前期培育了一種具有自主知識產(chǎn)權的TY001酵母菌株[5]，與一般以發(fā)酵葡萄糖為主的酵母菌株不同，該酵母菌株對半乳糖、甘露糖具有特異性的同化作用，可用于方案②中涉及消耗低聚糖、葡萄糖、甘露糖3個組分碳基的技術。

結合3種方案及現(xiàn)有工業(yè)化生產(chǎn)技術，本研究中的木糖母液提純工藝路線選定為：利用TY001酵母菌株有氧呼吸（發(fā)酵），將葡萄糖、甘露糖及半乳糖轉(zhuǎn)變成二氧化碳、乙醇和水，通過真空蒸發(fā)去除乙醇和二氧化碳，得到發(fā)酵液，過濾后加入濃硫酸進行水解，將低聚糖轉(zhuǎn)化為以木糖為主的單糖，從而提高水解液中的木糖含量。

2. 2 TY001酵母菌株的生化性能

TY001酵母菌株不能同化木糖、鼠李糖、阿拉伯糖，對低聚糖有輕微同化作用，對葡萄糖、半乳糖及甘露糖可以起到較好的同化作用。葡萄糖、半乳糖、甘露糖（均為國產(chǎn)色譜純級試劑，本研究中用作標準品） 的HPLC譜圖如圖2所示，溶出時間分別為14.3、16.4、18.2 min?；诖?，分別稱取葡萄糖、甘露糖及半乳糖各18.0 g，制成450 mL質(zhì)量分數(shù)12%的混合糖液，等量分裝在3個三角燒瓶中，調(diào)節(jié)混合糖液無機鹽濃度和pH值，將TY001酵母菌株分別接種于3瓶混合糖液中， 使其活性菌數(shù)達7.0～8.0×107 個/mL， 在30 ℃下恒溫發(fā)酵。定時選擇正常發(fā)酵的混合糖液樣品，利用HPLC鉛型糖分析柱監(jiān)測其中糖組分變化。

2. 3 木糖母液的發(fā)酵提純

將木糖母液用純水稀釋為450 mL質(zhì)量分數(shù)12%的木糖母液糖液，等量分裝在3個三角燒瓶中，調(diào)節(jié)木糖母液糖液無機鹽濃度和pH值，將TY001活性酵母菌種分別接種于3瓶木糖母液糖液中，使其活性菌數(shù)達7.0～8.0×107 個/mL，在30 ℃下恒溫發(fā)酵24 h，得到發(fā)酵液，利用HPLC鉛型糖分析柱監(jiān)測其中糖組分變化。

2. 4 發(fā)酵液的進一步水解

將發(fā)酵液常壓蒸發(fā)10 min，得到蒸發(fā)液，調(diào)節(jié)質(zhì)量分數(shù)為18%，加入質(zhì)量分數(shù)1.0%的濃硫酸（相對于蒸發(fā)液質(zhì)量），125 ℃下保溫水解120 min，經(jīng)中和、脫鹽、脫色處理，得到水解液，利用HPLC鉛型糖分析柱監(jiān)測其中糖組分變化。

3 結果與討論

3. 1 TY001酵母菌株的生化性能

利用TY001酵母菌株對葡萄糖、甘露糖及半乳糖的混合糖液進行30 ℃下的恒溫發(fā)酵，定時選擇正常發(fā)酵的混合糖液樣品，利用HPLC鉛型糖分析柱監(jiān)測其中糖組分變化，結果如圖3～圖6所示。

從圖3可以看出，發(fā)酵4 h后，混合糖液樣品中的葡萄糖組分含量急速下降，甘露糖組分含量也有一定程度的降低，而半乳糖組分含量沒有明顯變化；同時，歸屬于甘露糖的特征峰（溶出時間18.2 min） 右側(cè)開始略有凸起，認為是乙醇特征峰，溶出時間20.9 min處新形成的特征峰為甘油特征峰。

從圖4可以看出，發(fā)酵8 h后，混合糖液中的葡萄糖組分基本耗盡，甘露糖組分殘余較少，溶出時間18.7 min處的乙醇特征峰和20.9 min的甘油特征峰積分面積逐漸增加，溶出時間34.7 min處的木糖醇特征峰痕量出現(xiàn)。

從圖5可以看出，發(fā)酵12 h后，混合糖液中的葡萄糖、甘露糖組分均已耗盡，同時，消耗了50%以上半乳糖組分，甘油和乙醇生成量增加，木糖醇的特征峰積分面積出現(xiàn)減少的現(xiàn)象。

從圖6可以看出，發(fā)酵16 h后，混合糖液中的葡萄糖、甘露糖、半乳糖組分均已耗盡，木糖醇的特征峰消失。

綜上所述，TY001酵母菌種對3種糖均可發(fā)酵，發(fā)酵順序為葡萄糖、甘露糖、半乳糖，且葡萄糖和甘露糖生化性能差別較小，二者和半乳糖的生化性能差別較大。發(fā)酵主要產(chǎn)物為乙醇、甘油和木糖醇，木糖醇先生成后被消耗。

3. 2 木糖母液的發(fā)酵提純

基于TY001酵母菌種對葡萄糖、半乳糖、甘露糖的生化性能，本研究采用TY001酵母菌種通過生化方法消耗木糖母液中除木糖外的其他糖組分，將葡萄糖、甘露糖、半乳糖和多糖作為合成微生物菌體所需的碳源，并轉(zhuǎn)化為二氧化碳或乙醇，在后續(xù)過濾、真空蒸發(fā)濃縮過程中除去，從而提高木糖在總糖中的含量。

木糖母液糖液發(fā)酵24 h后發(fā)酵液的HPLC譜圖如圖7所示。從圖7可以看出，葡萄糖和甘露糖的特征峰（溶出時間分別為14.3、18.2 min） 完全消失，半乳糖的特征峰溶出時間16.4 min未發(fā)生明顯變化，乙醇和甘油的特征峰（溶出時間分別為18.7、20.9 min）出現(xiàn)，木糖醇的特征峰（溶出時間34.7 min） 積分面積有所增加。木糖母液糖液發(fā)酵前后的組分對比見表1。

將發(fā)酵液常壓蒸發(fā)10 min， 得到蒸發(fā)液， 其HPLC譜圖如圖8所示。從圖8可以看出，蒸發(fā)液中木糖含量64.14%，對比木糖母液的53.24% 增加了10.90個百分點，但離74.0%的目標仍有一定差距。

分析水解的相關數(shù)據(jù)可知，溶出時間13.9 min處的特征峰歸屬于水解中間體，其本質(zhì)為低聚雜糖，并非單一物質(zhì)，因此在HPLC 譜圖中分布區(qū)域較寬，因主成分不同，溶出時間也會有一定差異?；诖?，本研究將TY001酵母菌種發(fā)酵提純后的木糖母液糖液中18.29% 的低聚糖進一步水解，以得到以木糖為主的單糖，考察水解液中糖組分和木糖含量的變化情況，結果見圖9，水解液中的糖組分見表1。

由圖9 和表1 可以看出，低聚糖絕大部分被水解，重新形成了木糖及小部分葡萄糖和甘露糖等單糖，木糖含量得到了較大提高，達79.03%，滿足了木糖含量gt;74.0%的目標。

本研究選用了先生化后水解的工藝，僅需1次離子交換，設備投資少，投資和運行成本低，廢水排放量少，但甘露糖、葡萄糖殘余較多，木糖含量提高不足。而先水解后生化的工藝優(yōu)點是雜糖生化更徹底，木糖含量及提取率更高，缺點是需要2次離子交換，設備投資大，酸堿再生劑消耗多，廢水排放量大。2種工藝的綜合效益還需要工業(yè)化后進行更深入的研究。

4 結論

4. 1 本研究首先利用TY001酵母菌株，消耗木糖母液中的主要雜糖葡萄糖、甘露糖，將發(fā)酵液中的木糖含量從木糖母液的53. 24% 提高至64. 14%；再通過濃硫酸水解，將發(fā)酵液中大量的低聚糖中間體水解為木糖、甘露糖、半乳糖等單糖，得到的水解液中的木糖含量提升至79. 03%，提高了25. 79個百分點，達到木糖含量gt;74. 0%的要求，實現(xiàn)了木糖母液二次提糖的目標。

4. 2 通過研究TY001酵母菌株特異性發(fā)酵甘露糖、半乳糖菌種的生化規(guī)律，其發(fā)酵順序為葡萄糖、甘露糖、半乳糖，且葡萄糖和甘露糖生化性能差別較小，二者和半乳糖的生化性能差別較大。主要發(fā)酵產(chǎn)物為乙醇、甘油和木糖醇。

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（責任編輯：楊苗秀）