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

(鄭州拓洋實業有限公司，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

(鄭州拓洋實業有限公司，河南鄭州 450000)

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

水解;稀硫酸;木糖渣;還原糖

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

木糖渣是木糖生產中產生的廢渣，木糖的生產過程中伴有大量的木糖廢渣產生，它是一種優質的木質纖維素資源。木質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這種資源，在國際上受到了極大的關注。對它的利用世界上多個國家投入了大量的資金進行研究。近年來，圍繞生物質利用的研究多集中于玉米秸稈、水稻秸稈和松木屑等材料，而對制糖殘渣木質纖維素材料研究較少。木糖渣在制木糖過程中已經經過酸水解預處理，因此它更易利用。一般情況下，生產1t結晶木糖排放含水70% ～80%的廢渣13～26t，按我國企業的年生產能力1萬t計算，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，而且對周邊環境造成了嚴重污染。大風吹起廢渣，造成大氣污染;雨水沖刷廢渣流入農田，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，不但保護了環境，而且變廢為寶，能夠創造巨大經濟效益。

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、采用熱化學方式轉化為氣體或液體燃料、厭氧發酵制取沼氣、制取生物有機肥料、栽培食用菌、制作纖維板、草板等［1］。王關斌［2］等以木糖生產中產生的廢渣為原料，采用化學活化法制備活性炭，同時將所制備活性炭直接應用于木糖生產過程中水解液脫色，既降低了木糖生產成本，又保護了環境。張來新［3］等用玉米芯制木糖后的廢渣經加酸加熱水解制取乙酰丙酸，收率為16.4% ，產品純度可達90%。其殘渣經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，為人類提供綠色的資源和化工產品等。水解生物質資源的方法是一種成熟的技術，尤其是酸水解技術。本實驗中采取稀硫酸水解的技術對木糖渣水解條件進行研究。

1 材料與方法

1.1 材料及儀器

實驗所用木糖渣在105℃，烘箱中烘至恒重，粉碎至40目后備用。實驗主要儀器:UV－2102pcs紫外可見光分光光度計，優尼柯(上海)公司生產。

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

1.2 實驗方法

1.2.1 木糖渣各種成分的分析

采取重量法［4－6］測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釜中，加熱反應一定時間，反應結束后，取出反應液，再用離心機在5000r/min，處理10min，取出上清液測量其中的還原糖。

1.2.3 還原糖濃度測定

木糖渣中水解的還原糖用DNS法［7］測定。

2 結果與討論

2.1 木糖渣成分分析(見表1)

表1 木糖渣成分分析結果 %

2.2 葡萄糖溶液標準曲線

采用紫外可見光分光光度計測定不同濃度下的葡萄糖標準溶液的吸光度，以吸光度值為縱坐標，葡萄糖濃度為橫坐標，得到葡萄糖溶液的標準曲線為:

由實驗數據擬合出的直線方程(1)的復相關系數R2=0.99839。將測定的水解溶液的吸光度值代入標準曲線方程中，即可得到水解液中還原糖的產率。

2.3 各種因素對水解還原糖產率的影響

2.3.1 固液比對水解還原糖產率的影響

在溫度為120℃，酸濃度為8%，時間為120min的條件下，考察固液比(質量體積比)對水解液中還原糖產率的影響，實驗結果如圖1所示。從圖1中看出，在固液比為1∶15之前，還原糖產率是隨著固液比的增大而升高，固液比高于1∶15時，還原糖產率則隨著固液比的增大而降低。固液比較小時，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;但較高的固液比會降低還原糖的濃度，而且對后續的單糖利用也不利。因此，實驗中固液比為1∶15最合適。

圖1 固液比對還原糖產率的影響

2.3.2 酸濃度對水解還原糖產率的影響

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率與硫酸濃度的關系如下頁圖2所示。從圖2可知，隨著酸濃度的增加，水解還原糖產率不斷增加。這是因為在水解中是靠酸的H+水解和催化的雙重作用實現，酸濃度越高，H+離子濃度越大，H+離子與木糖渣接觸越充分，更有利于水解的進行。考慮到酸濃度越高，對實驗儀器的腐蝕越強，而且糖產率上升幅度不大，所以實驗中稀酸水解研究中適宜的酸濃度為8%。

圖2 酸濃度對水解還原糖產率的影響

2.3.3 溫度對水解還原糖產率的影響

在固液比為1∶15，酸濃度為8%，水解120min，溫度對水解還原糖產率的影響如圖3所示，隨著溫度的升高，反應速率加快，還原糖產率先是快速升高，120℃時到達最大值，之后隨著溫度的升高，還原糖產率反而下降，主要是因為在高溫下，生成的單糖會受熱降解，生成其它產物。因此，最適宜溫度為120℃。

圖3 溫度對水解還原糖的影響

2.3.4 時間對水解還原糖產率的影響

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，隨著反應時間的延長，還原糖的產率不斷地升高，在120min時還原糖的產率達到最大值，繼續延長時間，反應還原糖產率反而降低，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，隨著反應的繼續進行，部分的單糖又被進一步降解為糠醛等其它物質，導致還原糖產率的降低。因此，在實驗中，要選擇合適的反應時間。

圖4 水解時間對水解還原糖產率的影響

3 結論

通過研究實驗中固液比、反應酸濃度、溫度和時間，確定木糖渣水解的較優條件為固液比為1∶15，酸濃度為8%，水解溫度為120℃，水解時間為120min，水解還原糖產率最大可達到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:

［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］.農村能源，2000，(1):25－26.

［2］ 王關斌，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.木糖生產殘渣制取乙酰丙酸及活性炭［J］.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、半纖維素和木質素的定量分析研究［J］.新疆農業大學學報.2007，30(3):65－68.

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

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

［7］ 楊貴明，蔣愛華，薛秋生.用DNS光度法測定還原糖的條件研究［J］.安徽農業科學，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。