白酒丟糟酸水解制備木糖及其結(jié)構(gòu)變化*

劉高梅，任海偉

1(山西輕工職業(yè)技術(shù)學(xué)院輕工化工工程系，山西太原，030013)2(蘭州理工大學(xué)生命科學(xué)與工程學(xué)院，甘肅 蘭州，730050)

中國(guó)是白酒生產(chǎn)和消費(fèi)大國(guó)，2012年全國(guó)白酒產(chǎn)量約1.5×107t，生產(chǎn)過(guò)程中發(fā)酵蒸餾取酒后作為廢物丟棄的酒糟(簡(jiǎn)稱(chēng)丟糟)量約3×107t。丟糟除直接用作家畜飼料外，還能用于生產(chǎn)有機(jī)肥、蛋白飼料、食用菌、燃料棒、活性炭、食醋等，但上述途徑仍無(wú)法完全轉(zhuǎn)化龐大的丟糟產(chǎn)量。若直接廢棄則容易造成資源浪費(fèi)和環(huán)境污染，因此拓展新的丟糟利用途徑迫在眉睫。

丟糟含有豐富的纖維素和半纖維成分，是一種極具開(kāi)發(fā)潛力的木質(zhì)纖維素類(lèi)生物質(zhì)。通過(guò)生物或化學(xué)方法降解后既可為微生物繁殖提供碳源，同時(shí)降解得到的木糖和葡萄糖等單糖也是木糖醇發(fā)酵的前體物質(zhì)。目前，已有學(xué)者利用麥秸、稻秸、玉米芯、棉籽殼、甘蔗渣等生物質(zhì)開(kāi)展了微生物發(fā)酵生產(chǎn)木糖醇的研究［1-7］。本課題組也利用熱帶假絲酵母(Candida tropicalis 1779)發(fā)酵丟糟水解液生產(chǎn)木糖醇，木糖利用率可達(dá)45.62%［8］?？梢?jiàn)，發(fā)酵木糖醇的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一是生物質(zhì)中木糖的提取。常用的木糖提取方法有酸水解法、熱水抽提法(包括蒸汽爆碎法)、酶水解法(包括物理或化學(xué)-酶處理法)、微波降解法，其中酸水解是最有效的利用方法［9-11］。生物質(zhì)中的半纖維素經(jīng)酸催化作用后被降解為以木糖為主的單糖和糠醛、5-羥甲基糠醛等發(fā)酵抑制物。因此，如何獲得最大限度的木糖收率至關(guān)重要。單一種類(lèi)酸水解法提取木糖效果有限［12］。鑒此，本文擬利用已經(jīng)篩選出的無(wú)機(jī)酸組合(由HCl和H3PO4組成)從丟糟中提取木糖，以木糖收率為評(píng)價(jià)指標(biāo)優(yōu)化工藝參數(shù);并結(jié)合SEM和XRD技術(shù)，分析木糖提取前后丟糟的結(jié)構(gòu)變化。

1 材料與方法

1.1 材料與設(shè)備

丟糟，甘肅金徽酒股份有限公司提供，自然晾干后粉碎，過(guò) 50目篩備用?；瘜W(xué)成分為:纖維素33.58%，木質(zhì)素 22.23%，半纖維素 8.4%，淀粉11.59% ，脂肪3.56%，蛋白質(zhì)14.45%，灰分 6.23%。

地衣酚，上海藍(lán)季科技發(fā)展有限公司;D-木糖，天津市光復(fù)精細(xì)化工研究所;其余試劑為分析純。

UV-9200紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)，北京瑞利分析儀器公司;JSM5600LV掃描電子顯微鏡，日本JEOL公司;D/MAX-2004粉末X射線衍射儀，日本理學(xué)公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 分析方法

淀粉測(cè)定參照GB5009.9-2008酶解法，蛋白質(zhì)測(cè)定參照GB5009.5-2010凱氏定氮法，纖維素、木質(zhì)素和半纖維素測(cè)定參考文獻(xiàn)［13-14］，木糖測(cè)定采用地衣酚法［15］。

1.2.2 酸水解法提取木糖

稱(chēng)取10g丟糟加入配制好的混合酸中，室溫浸泡10 h后移至滅菌鍋中于121℃高壓蒸汽預(yù)處理15 min，然后轉(zhuǎn)入木糖提取工藝。混合酸由 HCl與H3PO4以相同質(zhì)量濃度配制［8］。分別研究酸解溫度(60、70、80、90、100、110、120 ℃)、固液比［1∶2、1∶4、1∶6、1∶8、1∶10、1∶12、1∶14(g∶mL)］、混合酸濃度(1.0%、2.0%、2.5%、3.0%、3.5%、4.0%、4.5%)和酸解時(shí)間(0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0 h)4 個(gè)因素在不同水平條件下對(duì)木糖提取效果的影響。反應(yīng)結(jié)束后快速冷卻至室溫，3 000 r/min離心10 min回收提取殘?jiān)?，測(cè)定提取液中的木糖濃度，并計(jì)算木糖收率:

1.2.3 木糖提取前后的丟糟結(jié)構(gòu)變化

采用SEM和XRD技術(shù)分析丟糟在木糖提取前后的結(jié)構(gòu)變化。

2 結(jié)果與分析

2.1 木糖提取單因素試驗(yàn)

2.1.1 酸解溫度對(duì)木糖提取效果的影響

由圖1可知，隨著酸解溫度的升高，木糖收率呈現(xiàn)先提高后降低的趨勢(shì)，90～100℃木糖收率增加顯著，說(shuō)明該溫度范圍內(nèi)的半纖維素水解強(qiáng)度較高。高于100℃時(shí)，木糖收率急劇下降，說(shuō)明高溫條件不利于木糖的積累。因?yàn)?，半纖維素水解轉(zhuǎn)化為木糖的同時(shí)，木糖也在向糠醛和5-羥甲基糠醛等副產(chǎn)物轉(zhuǎn)化。溫度太低反應(yīng)速率較慢，木糖積累緩慢;溫度過(guò)高則導(dǎo)致部分木糖分解速率加快，使木糖收率降低［16］。因此，初步確定木糖的提取溫度為100℃。

圖1 溫度對(duì)木糖提取效果的影響Fig.1 Effect of temperature on the yield of xylose

2.1.2 固液比對(duì)木糖提取效果的影響

由圖2可知，在固液比為1∶2～1∶10，隨著固液比的減小，固體相對(duì)含量降低，木糖收率逐漸提高。當(dāng)固液比介于1∶10～1∶14時(shí)，木糖收率增速放緩并趨于恒定。較高的固液比意味著固形物含量較高，體系流動(dòng)性較差，阻礙了H+向木質(zhì)纖維結(jié)構(gòu)內(nèi)部滲透，致使H+與半纖維素接觸有限，不利于半纖維素降解，導(dǎo)致木糖收率偏低。隨著固液比的降低，混合酸用量增加，體系流動(dòng)性加強(qiáng)，而且同等濃度酸液中的H+數(shù)量增加，使得H+與底物的接觸面積增大，增加了半纖維素的反應(yīng)幾率，強(qiáng)化了木糖提取效果。表現(xiàn)在當(dāng)固液比為1∶6～1∶10時(shí)，木糖收率迅速上升。另一方面，酸液擴(kuò)散進(jìn)入丟糟內(nèi)部屬于非均相擴(kuò)散過(guò)程，經(jīng)高溫高壓蒸汽預(yù)處理后的丟糟木質(zhì)纖維結(jié)構(gòu)產(chǎn)生大量“空間”，使酸液更容易擴(kuò)散進(jìn)入丟糟內(nèi)部，強(qiáng)化內(nèi)部擴(kuò)散［17-18］。另外，較低固液比意味著體系中的木糖被稀釋?zhuān)趸四咎堑姆纸飧狈磻?yīng)。因此，從反應(yīng)體系流動(dòng)性和酸液擴(kuò)散等角度綜合考慮，初步選擇固液比為1∶10。

圖2 固液比對(duì)木糖提取效果的影響Fig.2 Effect of solid-liquid ratio on the yield of xylose

2.1.3 混合酸濃度對(duì)木糖提取效果的影響

如圖3所示，隨著混合酸濃度的升高，木糖收率迅速提高，當(dāng)混合酸濃度達(dá)到2.0%時(shí)，木糖收率最高為43.9%。若酸濃度繼續(xù)增加，木糖收率顯著下降。因?yàn)?，酸水解法提取木糖主要是靠H+水解和催化的雙重作用來(lái)實(shí)現(xiàn)，酸濃度較低則電離產(chǎn)生的H+濃度也低，造成H+與丟糟接觸的機(jī)率和面積減少，木糖收率低;隨著酸濃度的增加，體系中H+濃度升高，與丟糟接觸面積和幾率增加，使木糖從木聚糖長(zhǎng)結(jié)構(gòu)鏈上釋放。然而，當(dāng)酸濃度大于2.0%時(shí)，一方面，丟糟木質(zhì)纖維結(jié)構(gòu)的孔隙數(shù)量恒定，混合酸滲透速率受限，使得體系中H+濃度相對(duì)飽和，對(duì)木糖提取作用不大;另一方面，高濃度酸環(huán)境會(huì)加速木糖分解，促進(jìn)糠醛抑制物的生成［19］。因此，混合酸濃度為2.0%更有利于木糖的提取。

2.1.4 酸解時(shí)間對(duì)木糖提取效果的影響

由圖4可知，隨著酸解時(shí)間的推移，木糖收率逐漸增加。20～70 min范圍內(nèi)木糖收率增速較快，增幅為23.62%，70～120 min范圍內(nèi)增速放緩，增幅降為3.11%，120 min后的木糖收率反而降低。因?yàn)椋瑏G糟的木質(zhì)纖維包被結(jié)構(gòu)導(dǎo)致初始階段H+很難滲透到丟糟內(nèi)部，提取速率較低;隨著酸解作用的進(jìn)行，木質(zhì)纖維結(jié)構(gòu)漸趨瓦解，木質(zhì)素對(duì)半纖維素的束縛減少，半纖維素中易水解的部分被快速降解，對(duì)應(yīng)于20～70 min范圍內(nèi)的木糖收率升高較快。隨著時(shí)間的延長(zhǎng)(70～120 min)，半纖維素的易水解部分反應(yīng)殆盡，難水解部分開(kāi)始被降解，木糖收率增速開(kāi)始放緩。當(dāng)反應(yīng)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)(＞120 min)，高溫作用使得木糖分解速率加快，轉(zhuǎn)化為糠醛等發(fā)酵抑制物，導(dǎo)致木糖收率顯著下降。綜合考慮，選擇提取時(shí)間為120 min。

圖3 混合酸濃度對(duì)木糖提取液效果的影響Fig.3 Effect of mixed acid concentration on the yield of xylose

圖4 酸解時(shí)間對(duì)木糖提取效果的影響Fig.4 Effect of acid hydrolysis time on the yield of xylose

2.2 正交試驗(yàn)優(yōu)化

在單因素試驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)L9(34)的正交試驗(yàn)(見(jiàn)表1)，優(yōu)化木糖提取工藝。正交試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

表1 正交試驗(yàn)因素水平表Table 1 Factors and levels of the orthogonal tests

表2 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果Table 2 Results and design test of the orthogonal tests

從表2中極差分析可知，影響木糖收率的因素大小順序?yàn)?B＞A＞D＞C，即固液比＞酸解溫度＞酸解時(shí)間＞混合酸濃度，對(duì)應(yīng)的最佳木糖提取條件為A3B3C1D3。為驗(yàn)證分析結(jié)果，將表2中的直觀優(yōu)組合A3B3C2D1與正交最優(yōu)組合A3B3C1D3做平行試驗(yàn)3次。結(jié)果表明，正交最優(yōu)組合A3B3C1D3條件下的木糖收率為 61.24%，高于表 2中的直觀優(yōu)組合A3B3C2D1。結(jié)合表3方差分析，確定丟糟酸解法提取木糖的最優(yōu)工藝條件為酸解溫度110℃、固液比1∶12、混合酸濃度1.5%、酸解時(shí)間145 min，該條件下的木糖收率最高。

表3 方差分析Table 3 Variance analysis

2.3 木糖提取前后的丟糟結(jié)構(gòu)變化

2.3.1 掃描電鏡(SEM)分析

由圖5可知，丟糟原料的木質(zhì)纖維結(jié)構(gòu)緊密，纖維素聚集態(tài)結(jié)構(gòu)清晰，纖維素沿鏈長(zhǎng)方向聚集成微細(xì)纖維狀態(tài)。纖維素結(jié)晶區(qū)和無(wú)定形區(qū)交錯(cuò)結(jié)合，排列整齊且緊密的部分為結(jié)晶區(qū)，不整齊且較松散的部分為無(wú)定形區(qū)(圖5-a)。經(jīng)酸水解法提取木糖后，結(jié)構(gòu)變化明顯，原先規(guī)則的長(zhǎng)條狀晶束變成絮狀絨毛形，光滑表面出現(xiàn)明顯裂痕或不規(guī)則孔洞，孔隙度增加，比表面積增大，結(jié)晶區(qū)和非結(jié)晶區(qū)界限模糊(圖5-b)。因?yàn)?，原有的木質(zhì)纖維結(jié)構(gòu)受到酸催化作用而變得疏松，半纖維素逐漸被溶出降解，纖維素暴露及其鏈被打碎，聚合度下降，同時(shí)木質(zhì)素軟化部分溶解，形成液滴態(tài)木質(zhì)素衍生物，附著于殘?jiān)砻妗?/p>

圖5 木糖提取前后的丟糟SEM對(duì)比圖Fig.5 SEM images of DG before and after the extraction of xylose

2.3.2 X-衍射(XRD)分析

如圖6-a 所示，丟糟位于2θ 衍射角13.22°、20.74°和26.6°有3 個(gè)衍射峰，其中13.22°左右的弱峰代表纖維素?zé)o定形區(qū)，20.74°代表結(jié)晶區(qū)強(qiáng)度的002面衍射峰。經(jīng)酸水解法提取木糖后，纖維素?zé)o定形區(qū)消失，2θ=22°左右處出現(xiàn)較寬的衍射峰，但峰尖不再尖銳(圖6-b)。利用Segal經(jīng)驗(yàn)公式求得木糖提取前后的丟糟及其殘?jiān)慕Y(jié)晶度分別為12.5%和18.7%。由此可見(jiàn)，在木糖提取過(guò)程中，易降解的半纖維素首先被水解，促使木質(zhì)纖維結(jié)構(gòu)將纖維素暴露，半纖維素降解為木糖的同時(shí)，纖維素?zé)o定形區(qū)也隨之降解消失，結(jié)晶區(qū)暴露在外，導(dǎo)致其吸收強(qiáng)度增大，結(jié)晶度提高。

圖6 木糖提取前后的丟糟X射線衍射圖譜Fig.6 XRD patterns of DG before and after the extraction of xylose

3 結(jié)論

采用混合酸水解法從白酒丟糟中提取木糖的最優(yōu)工藝條件為酸解溫度110℃、固液比1∶12、混合酸濃度1.5%、酸解時(shí)間145 min，該條件下的木糖收率最高為61.24%。分析丟糟提取木糖前后的結(jié)構(gòu)變化可以發(fā)現(xiàn)，酸水解后的丟糟木質(zhì)纖維結(jié)構(gòu)變化明顯，形貌結(jié)構(gòu)遭到破壞，孔隙率和比表面積增加。XRD圖譜說(shuō)明丟糟中的半纖維素和纖維素?zé)o定形區(qū)被降解，纖維素結(jié)晶區(qū)暴露使得結(jié)晶度相對(duì)增加。因此，采用酸水解法從丟糟中提取木糖的工藝可行，為丟糟生物質(zhì)資源的綜合利用提供了一條新途徑。

［1］ Larissa Canilha，Jo?o B Almeida e Silva，Maria G A Felipe.Batch xylitol production from wheat straw hemicellulosic hydrolysate using Candida guilliermondii in a stirred tank reactor［J］.Biotechnology Letters，2003，25(21):1 811-1 814.

［2］ Faábio Coelho Sampaio，Janaína Teles de Faria，Jane Seélia R Coimbra，et al.Xylose reductase activity in Debaryomyces hansenii UFV-170 cultivated in semi-synthetic medium and cotton husk hemicellulose hydrolyzate［J］.Bioprocess and Biosystems Engineering，2009，32(6):747-754.

［3］ Kim Sangyong，DeokKun Oh，JungHoe Kim.Evaluation of xylitol production from corn cob hemicellulose hydrolysate by Candida parapsilosis［J］.Biotechnology Letters，1999，21(10):891-895.

［4］ Rodrigues R C L B，F(xiàn)elipe M G A，Roberto I C，et al.Batch xylitol production by Candida guilliermondii FTI 20037 from sugarcane bagasse hemicellulosic hydrolyzate at controlled pH values［J］.Bioprocess and Biosystems Engineering，2003，26(2):103-107.

［5］ Zea D V L Mayerhoff，Inês C Roberto，Sílvio S Silva.Xylitol production from rice straw hemicellulose hydrolysate using different yeast strains［J］.Biotechnology Letters，1997，19(5):407-409.

［6］ Wei Jinchao，Yuan Qipeng，Wang Tianxin，et al.Purification and crystallization of xylitol from fermentation broth of corncob hydrolysates［J］. Front Chem Eng China，2010，4(1):57-64.

［7］ Cheng Keke，Zhang Jian＇an，Erik Chavez，et al.Integrated production of xylitol and ethanol using corn cob［J］.Appl Microbiol Biotechnol，2010，87(2):411-417.

［8］ 任海偉，張飛，張軼，等.白酒糟水解液搖瓶發(fā)酵生產(chǎn)木糖醇的工藝優(yōu)化［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2012，28(10):287-292.

［9］ 余筱潔，周存山，張有做，等.山核桃殼酸解制備木糖工藝與動(dòng)力學(xué)［J］.農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2011，42(6):138-142.

［10］ 張軍偉，傅大放，彭奇均，等.響應(yīng)面法優(yōu)化酸水解稻稈制木糖的工藝參數(shù)［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2009，25(11):253-257.

［11］ 王瓊，亓偉，余強(qiáng)，等.超低濃度馬來(lái)酸水解玉米芯纖維素［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2012，28(7):221-227.

［12］ 陳紅英，王錚，潘帥路，等.ACA微囊化酵母細(xì)胞利用酒糟水解液發(fā)酵木糖醇的初步研究［J］.食品與發(fā)酵工業(yè)，2006，32(3):40-43.

［13］ 李春光，周偉鐸，田魏，等.甘蔗渣纖維素提取及木質(zhì)素與半纖維素脫除工藝探討［J］.中國(guó)農(nóng)學(xué)通報(bào)，2011，27(04):316～320.

［14］ 孔德城，鄭璞，董晉軍，等.堿預(yù)處理秸稈同步糖化發(fā)酵生產(chǎn)丁二酸［J］.食品與發(fā)酵工業(yè)，2011，37(10):1-5.

［15］ 秦偉軍，陳葉福，趙換英，等.玉米芯堿液預(yù)處理?xiàng)l件優(yōu)化［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2010，26(4):248-253.

［16］ 張素平，亓偉，具文華，等.木質(zhì)纖維素生物質(zhì)稀酸水解研究(I)——連續(xù)水解反應(yīng)器的研究與開(kāi)發(fā)［J］.太陽(yáng)能學(xué)報(bào)，2008，29(5):532-535.

［17］ 張素平，亓偉，任錚偉，等.生物質(zhì)稀酸水解過(guò)程中硫酸在粒子中的擴(kuò)散模型的建立［J］.太陽(yáng)能學(xué)報(bào)，2010，31(8):942-946.

［18］ 亓偉，張素平，任錚偉，等.酸濃度對(duì)水解液中葡萄糖分解反應(yīng)的影響研究［J］.太陽(yáng)能學(xué)報(bào)，2008，29(11):1 395-1 398.

［19］ 趙銀中，萬(wàn)金泉.二次纖維稀酸水解糖化的研究［J］.環(huán)境工程學(xué)報(bào)，2012，6(1):302-306.

［20］ Kunal Das，Dipa Ray，Bandyopadhyay N R，et al.Study of the properties of microcrystalline cellulose particles from different renewable resources by XRD， FTIR，Nanoindentation，TGA and SEM［J］.J Polym Environ，2010，18:355-363.