專利名稱：半纖維素及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及農(nóng)林生物質(zhì)資源利用及預(yù)處理技術(shù)領(lǐng)域，具體地說(shuō)是涉及半纖維素及其制備方法。
背景技術(shù)：
以木材和農(nóng)林廢棄物資源以及專門的能源作物為代表的生物質(zhì)可用于制備生物能源、燃料、材料和其他高附加值的化學(xué)品。木質(zhì)纖維材料(Lignocellulosic material),是地球上最豐富的可再生生物質(zhì)，其主要成分是纖維素、半纖維素和木質(zhì)素。纖維素和半纖維素是糖類聚合物，可用于制備發(fā)酵糖、木糖醇等，而木質(zhì)素可用于生產(chǎn)酚類化學(xué)品或用于熱燃燒發(fā)電等其他目的。半纖維素與纖維素和木質(zhì)素等一起構(gòu)成了高等植物的細(xì)胞壁，并且和蛋白質(zhì)及酚類化合物存在化學(xué)鍵連接。半纖維素是由非葡萄糖組成的一類多糖的總稱，約占細(xì)胞壁總重的20-35%，其基本糖單元有D-木糖、D-葡萄糖、D-半乳糖、D-甘露糖、L-阿拉伯糖、D-葡萄糖醛酸、4-0-D-葡萄糖醛酸和D-半乳糖醛酸等。針葉木半纖維素主要為甘露聚糖和阿拉伯聚糖，以及少量的阿拉伯半乳聚糖、木葡聚糖，和其他葡聚糖；闊葉木中的半纖維素是木聚糖、聚半乳糖葡萄糖甘露糖，以及少量的半乳聚糖和葡聚糖；而禾本科植物的半纖維素是要為(I —4)連接的D-吡喃式木聚糖，最重要的半纖維素是O-乙?；?4-0-甲基-D-葡萄糖醛酸聚木糖和L-阿拉伯糖(4-0-甲基-D-葡萄糖醛酸)聚木糖。樺木半纖維素主要是部分乙?；?-0-甲基葡萄糖醛酸聚木糖，通常每10個(gè)木糖基連接一個(gè)糖醛酸基支鏈。由于多方面的功能特性，半纖維素被廣泛用作凝膠、薄膜、涂料、粘接劑、膠凝劑、穩(wěn)定劑和添加劑，并在制藥和其他工業(yè)得到應(yīng)用。半纖維素分離的傳統(tǒng)方法主要為堿性提取法和有機(jī)溶劑提取法。常見的堿抽提試劑有NaOH、Κ0Η、Ba (OH)2, Ga (OH) 2和堿性過氧化氫等。堿性提取法一般在較低溫度和常壓下進(jìn)行，堿溶液通過 溶脹纖維素、斷裂纖維素與半纖維素間的氫鍵并破壞半纖維素與木質(zhì)素化學(xué)鍵作用，如酯鍵和醚鍵，釋放半纖維素至溶液，再通過加酸中和，經(jīng)多倍體積乙醇沉淀獲取。堿性提取法半纖維素的優(yōu)點(diǎn)是方法簡(jiǎn)單、成本較低且分離效果好，但是分離得到的半纖維素一般由幾類半纖維素大分子組成，化學(xué)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，而且半纖維素的乙?；幻摮?。為了分離出結(jié)構(gòu)較完整的半纖維素，一般采用有機(jī)溶劑提取法，如二甲基亞砜(DMSO)和二氧六環(huán)溶液，能避免乙?；拿摮?。有機(jī)溶劑提取法的優(yōu)點(diǎn)是半纖維素結(jié)構(gòu)完整，缺點(diǎn)是所得到的半纖維素產(chǎn)率較低。木質(zhì)纖維素降解真菌可分為三類:白腐菌(White rot fungi )、褐腐菌(Brown rotfungi)和軟腐菌(Soft rot fungi)。白腐菌是一類能引起木質(zhì)纖維白色腐爛的絲狀真菌的集合，它可以直接入侵木材的細(xì)胞腔內(nèi)，釋放降解木質(zhì)素和其它生物質(zhì)組分(纖維素、半纖維素和果膠等)的酶，從而導(dǎo)致木材腐爛成白色海綿狀團(tuán)塊。雖然白腐菌能選擇性地脫除木質(zhì)素組分，但是對(duì)于其降解半纖維素組分的性能也是不能忽略的。早先的研究表明，在纖維素和木質(zhì)素降解之前，高度支化的半纖維素組分已經(jīng)被白腐菌所破壞。盡管在制漿造紙行業(yè)以及生物質(zhì)能源和材料的研究中，半纖維素的分離和提取研究取得了重大的進(jìn)展，但是關(guān)于木質(zhì)纖維素原料生物降解過程中半纖維素多糖結(jié)構(gòu)變化的報(bào)道相對(duì)甚少。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對(duì)生物預(yù)處理木質(zhì)纖維原料的熱點(diǎn)問題及前沿研究，提供一種白腐菌降解木質(zhì)纖維原料并分離半纖維素的方法。使用該方法處理木質(zhì)纖維原料，所獲得的半纖維素化學(xué)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，且保留了半纖維素的乙酰基，此外還可以有效提高半纖維素的產(chǎn)出率。為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的半纖維素制備方法采用了如下技術(shù)方案:( I)將木質(zhì)纖維原料粉碎成20 40目的木質(zhì)纖維原料顆粒；(2)將所述木質(zhì)纖維素原料顆粒在水中浸泡10 30min，浙干水分后在高溫蒸汽滅菌；(3)向含有2%麥芽糖的瓊脂培養(yǎng)基上接入白腐菌菌種，待菌絲鋪滿培養(yǎng)基表面后，加入滅菌后的木質(zhì)纖維素原料顆粒，28°C靜置培養(yǎng)4 16周；(4)將經(jīng)過步驟(3)處理的木質(zhì)纖維原料顆粒用去離子水浸提4h，同時(shí)不斷攪拌，然后過濾收集水相和殘余固體組分；(5)將收集的水相減壓濃縮，獲得濃縮液；(6)向所述減壓濃縮液加入98%乙醇混合，乙醇加入量為減壓濃縮液體積的2 4倍，混合液在4°C條件下靜置8 16h，然后通過離心分離得到半纖維素組分。進(jìn)一步，本發(fā)明的半纖維素制備方法中，步驟(3)中所述培養(yǎng)周期為8-10周。進(jìn)一步，本發(fā)明的半纖維素制備方法中，步驟(2)所述的白腐菌菌種為白腐菌靈芝(Ganoderma lucidum)、黃抱厚毛平革菌(Phanerochete chrysosporium)、變色栓菌(Thametes versicolor)、射脈菌(Phlebia radiata)或朱紅密孔菌(Pycnoporuscinnabarinus)的一種或多種。進(jìn)一步，本發(fā)明的半纖維素制備方法中，所述木質(zhì)纖維素原料為玉米秸桿、高粱秸桿、樺木或楊木。進(jìn)一步，本發(fā)明的半纖維素制備方法中，步驟(6)中向所述減壓濃縮液加入乙醇為減壓濃縮溶液體積3倍，并在4°C條件下靜置12h，然后通過離心分離得到半纖維素組分。本發(fā)明半纖維素制備方法的優(yōu)點(diǎn)在于:首先本發(fā)明方法獲得的半纖維素化學(xué)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、乙?；幢幻摮?，并能夠提高半纖維素產(chǎn)率。此外獲得的半纖維素產(chǎn)品中含有高達(dá)
21.7 42.1%的半乳糖，能夠?yàn)橹苽涓甙肴樘呛康牡途厶翘峁﹥?yōu)質(zhì)原料。由于本發(fā)明采用白腐菌進(jìn)行生物處理，因而本發(fā)明具有作用條件溫和、能耗低、專一性強(qiáng)、處理成本低及無(wú)環(huán)境污染的優(yōu)點(diǎn)。本發(fā)明還提供一種采用上述半纖維素制備方法制備的而成的半纖維素。其半乳糖含量為21.7 42.1%，葡萄糖含量為4.7 20.8%，葡萄糖醛酸含量為13.0 15.4%，半乳糖醛酸含量為6.0 8.2% ;經(jīng)凝膠滲透色譜測(cè)定的重均分子量為15990 27560g/mol，多分散系數(shù)為1.4 1.8。進(jìn)一步，所述半纖維素具有海綿狀多孔微球結(jié)構(gòu)。通過本發(fā)明方法 獲得的半纖維素可用于生物法制備低聚糖或者作為生物轉(zhuǎn)化生產(chǎn)木糖醇的原料。此外，還能用于制備水凝膠等生物質(zhì)材料。本發(fā)明為探索木質(zhì)纖維原料通過生物轉(zhuǎn)化法生產(chǎn)生物燃料和制備生物材料提供新思路，同時(shí)也為更好地保護(hù)木材資源免受微生物的降解提供借鑒意義。


圖1為對(duì)照例半纖維素(H。)與實(shí)施例1半纖維素和實(shí)施例4半纖維素(H1和H4)的掃描電鏡圖；圖2為對(duì)照例半纖維素(Htl)與實(shí)施例1、實(shí)施例2、實(shí)施例3和實(shí)施例4所得半纖維素(H。 H4)的紅外光譜圖；圖3為木質(zhì)纖維原料生物法降解機(jī)理示意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述，但不作為對(duì)本發(fā)明的限定。實(shí)施例1( I)將木質(zhì)纖維原料樺木粉碎成20 40目的樺木顆粒；(2)將樺木顆粒在水中浸泡lOmin，浙干水分后在121°C下高溫蒸汽滅菌20min。(3)向裝有2%麥芽瓊脂培養(yǎng)基的三角瓶(500ml)中接入白腐菌靈芝Ganodermalucidum BJFC005503的一個(gè)直徑為Icm的菌餅，待菌絲生長(zhǎng)鋪滿表面后，加入IOg的滅菌樺木顆粒，均勻鋪滿，28°C靜置培養(yǎng)4周后取出；(4)將經(jīng)過步驟(3)處理的樺木顆粒用250ml去離子水在攪拌作用下浸提4h，然后過濾收集水相和殘余固體組分；(5)將收集的水相減壓濃縮，獲得30ml減壓濃縮溶液；(6)向所述減壓濃縮溶液加入其體積2倍的乙醇，并在4°C條件下靜置8h，然后通過6000rpm離心分離得到半纖維素組分，標(biāo)記為氏。經(jīng)高效陰離子交換色譜測(cè)定該白腐菌處理4周后得到的水溶性半纖維素組分H1主要含有半乳糖(42.1%)和葡萄糖醛酸(13.0%);經(jīng)凝膠滲透色譜測(cè)定分析，其重均分子量為27560g/mol，多分散性系數(shù)為1.8 ;而掃描電鏡圖顯示為海綿狀多孔微球結(jié)構(gòu)(圖lb)。樺木經(jīng)白腐菌降解4周后殘余組分含量為:纖維素46.6%，半纖維素26.2%，Klason木質(zhì)素23.6%。上述方法獲得的半纖維素可用于生物法制備低聚糖，所制備的低聚糖中鼠李糖含量是對(duì)比例的8倍，阿拉伯糖為4.1倍，半乳糖為11.5倍。此外，通過本發(fā)明方法獲得的半纖維素具有海綿狀多孔微球結(jié)構(gòu)，是用于制備水凝膠等生物質(zhì)材料的優(yōu)良材料。實(shí)施例2( I)將木質(zhì)纖維原料樺木粉碎成20 40目的樺木顆粒；(2)將樺木顆粒在水中浸泡15min，浙干水分后在121°C下高溫蒸汽滅菌20min ；(3)向裝有2%麥芽瓊脂培養(yǎng)基的三角瓶(500ml)中接入白腐菌靈芝Ganodermalucidum BJFC005503的一個(gè)直徑為Icm的菌餅，待菌絲生長(zhǎng)鋪滿表面后，加入IOg的滅菌樺木顆粒，均勻鋪滿， 28°C靜置培養(yǎng)8周后取出；
(4)將經(jīng)過步驟(3)處理的樺木顆粒用250ml去離子水在攪拌作用下浸提4h，然后過濾收集水相和殘余固體組分；(5)將收集的水相減壓濃縮，獲得30ml減壓濃縮溶液；(6)向所述減壓濃縮溶液加入其體積3倍的乙醇，并在4°C條件下靜置10h，然后通過7000rpm離心分離得到半纖維素組分，標(biāo)記為H2。經(jīng)高效陰離子交換色譜測(cè)定該白腐菌處理8周后得到的水溶性半纖維素組分H2主要含有半乳糖(31.3%)和葡萄糖醛酸(14.9%);經(jīng)凝膠滲透色譜測(cè)定分析，其重均分子量為20610g/mol，多分散性系數(shù)為1.6。樺木經(jīng)白腐菌降解8周后殘余組分含量為:纖維素48.6%,半纖維素 25.5%, Klason 木質(zhì)素 22.4%。實(shí)施例3(1)將木質(zhì)纖維原料樺·木粉碎成20 40目的樺木顆粒；(2)將樺木顆粒在水中浸泡30min，浙干水分后在121°C下高溫蒸汽滅菌20min ；(3)向裝有2%麥芽瓊脂培養(yǎng)基的三角瓶(500ml)中接入白腐菌靈芝Ganodermalucidum BJFC005503的一個(gè)直徑為Icm的菌餅，待菌絲生長(zhǎng)鋪滿表面后，加入IOg的滅菌樺木顆粒，均勻鋪滿，28°C靜置培養(yǎng)12周后取出；(4)將經(jīng)過步驟(3)處理的樺木顆粒用250ml去離子水在攪拌作用下浸提4h，然后過濾收集水相和殘余固體組分；(5)將收集的水相減壓濃縮，獲得30ml減壓濃縮溶液；(6)向所述減壓濃縮溶液加入其體積4倍的乙醇，并在4°C條件下靜置12h，然后通過SOOOrpm離心分離得到半纖維素組分，標(biāo)記為H3。經(jīng)高效陰離子交換色譜測(cè)定該白腐菌處理12周后得到的水溶性半纖維素組分H3主要含有半乳糖(24.5%)和甘露糖(15.3%);經(jīng)凝膠滲透色譜測(cè)定分析，其重均分子量為17690g/mol，多分散性系數(shù)為1.5。樺木經(jīng)白腐菌降解12周后殘余組分含量為:纖維素53.1%，半纖維素 25.3%, Klason 木質(zhì)素 20.1%。實(shí)施例4(1)將木質(zhì)纖維原料樺木粉碎成20 40目的樺木顆粒；(2)將樺木顆粒在水中浸泡15min，浙干水分后在121°C下高溫蒸汽滅菌20min ；(3)向裝有2%麥芽瓊脂培養(yǎng)基的三角瓶(500ml)中接入白腐菌靈芝Ganodermalucidum BJFC005503的一個(gè)直徑為Icm的菌餅和黃抱厚毛平革菌Phanerochetechrysosporium的一個(gè)直徑為Icm的菌餅,待菌絲生長(zhǎng)鋪滿表面后,加入IOg的滅菌樺木顆粒，均勻鋪滿，28°C靜置培養(yǎng)16周后取出；(4)將經(jīng)過步驟(3)處理的樺木顆粒用250ml去離子水在攪拌作用下浸提4h，然后過濾收集水相和殘余固體組分；(5)將收集的水相減壓濃縮，獲得30ml減壓濃縮溶液；(6)向所述減壓濃縮溶液加入其體積3倍的乙醇，并在4°C條件下靜置16h，然后通過SOOOrpm離心分離得到半纖維素組分，標(biāo)記為H4。經(jīng)高效陰離子交換色譜測(cè)定該白腐菌處理16周后得到的水溶性半纖維素組分H4主要含有半乳糖(21.7%)和葡萄糖(20.8%);經(jīng)凝膠滲透色譜測(cè)定分析，其重均分子量為15990g/mol，多分散性系數(shù)為1.4。而掃描電鏡圖也顯示出海綿狀多孔微球結(jié)構(gòu)(圖lc)。樺木經(jīng)白腐菌降解16周后殘余組分含量為:纖維素53.1%，半纖維素24.8%，Klason木質(zhì)素18.7%。 實(shí)施例5 (I)將木質(zhì)纖維原料玉米秸桿粉碎成20 40目的玉米秸桿顆粒；(2)將玉米秸桿顆粒在水中浸泡15min，浙干水分后在121°C下高溫蒸汽滅菌20min ；(3)向裝有2%麥芽瓊脂培養(yǎng)基的三角瓶(500ml)中接入變色栓菌Thametesversicolor的一個(gè)直徑為Icm的菌餅,待菌絲生長(zhǎng)鋪滿表面后,加入IOg的滅菌玉米稻桿顆粒，均勻鋪滿，28°C靜置培養(yǎng)16周后取出；(4)將經(jīng)過步驟(3)處理的玉米秸桿顆粒用250ml去離子水在攪拌作用下浸提4h，然后過濾收集水相和殘余固體組分；(5)將收集的水相減壓濃縮，獲得30ml減壓濃縮溶液；(6)向所述減壓濃縮溶液加入其體積3倍的乙醇，并在4°C條件下靜置16h，然后通過8000rpm離心分離得到半纖維素組分。經(jīng)高效陰離子交換色譜測(cè)定該白腐菌處理16周后得到的水溶性半纖維素組分H5主要含有半乳糖(35.6%)、葡萄糖(8.5%)、葡萄糖醛酸13.0%、半乳糖醛酸7.2%。經(jīng)凝膠滲透色譜測(cè)定分析，其重均分子量為18560g/mol多分散系數(shù)為1.4。對(duì)照例

(I)將粉碎至20 40目的樺木原料50g先用甲苯/乙醇(2:l，v/v)在索式抽提器里抽提8小時(shí)，然后用亞氯酸鈉在75°C下處理2h (用乙酸調(diào)節(jié)pH3.6 3.8之間)。(2)殘余物質(zhì)(綜纖維素)與DMSO以固液比為1:25 (g/ml)且通氮?dú)獾臈l件下，在80 C抽提綜纖維素12h。(3)得到的濾液經(jīng)減壓濃縮體積至20ml，并加入3倍乙醇沉淀，4°C條件下靜置一晚上，再離心分離冷凍干燥，得到DMSO可溶性半纖維素，并標(biāo)記為H。。經(jīng)高效陰離子交換色譜測(cè)定該DMSO抽提得到的半纖維素組分H。主要含有木糖(58.8%)和葡萄糖(26.6%);經(jīng)凝膠滲透色譜測(cè)定分析，其重均分子量為33960g/mol，多分散性系數(shù)為1.3。而掃描電鏡圖顯示出平滑并有小的結(jié)塊形狀(圖la)。樺木殘余組分含量分別為:纖維素44.2%,半纖維素26.4%, Klason木質(zhì)素24.2%。表I實(shí)施例1-4和對(duì)照例中半纖維素組分的單糖及糖醛酸的種類及含量(mol%)
權(quán)利要求
1.一種半纖維素制備方法，其特征在于，包括以下步驟: (1)將木質(zhì)纖維原料粉碎成20 40目的木質(zhì)纖維原料顆粒； (2)將所述木質(zhì)纖維素原料顆粒在水中浸泡10 30min，浙干水分后高溫蒸汽滅菌； (3)向含有2%麥芽糖的瓊脂培養(yǎng)基上接入白腐菌菌種，待菌絲鋪滿培養(yǎng)基表面后，力口入滅菌后的木質(zhì)纖維素原料顆粒，28°C靜置培養(yǎng)4 16周； (4)將經(jīng)過步驟(3)處理的木質(zhì)纖維原料顆粒用去離子水浸提4h，同時(shí)不斷攪拌，然后過濾收集水相和殘余固體組分； (5)將收集的水相減壓濃縮，獲得濃縮液； (6)向所述減壓濃縮液加入乙醇混合，乙醇加入量為減壓濃縮液體積的2 4倍，混合液在4°C條件下靜置8 16h，然后通過離心分離得到半纖維素組分。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半纖維素制備方法，其特征在于，步驟(3)中所述培養(yǎng)周期為8-10 周。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半纖維素制備方法，其特征在于，步驟(2)所述的白腐菌菌種為白腐菌靈芝(Ganoderma lucidum)、黃抱厚毛平革菌(Phanerochete chrysosporium)、變色栓菌(Thametes versicolor)、射脈菌(Phlebia radiata)或朱紅密孔菌(Pycnoporuscinnabarinus)的一種或多種。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半纖維素制備方法，其特征在于，所述木質(zhì)纖維素原料為玉米秸桿、高粱秸桿、樺木或楊木。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半纖維素制備方法，其特征在于，步驟(6)中向所述減壓濃縮液加入減壓濃縮液體積的3倍乙醇混合，并在4°C條件下靜置12h，然后通過離心分離得到半纖維素組分。
6.一種半纖維素，其特征在于，采用權(quán)利要求1 5所述的半纖維素制備方法制備的而成。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的半纖維素，其特征在于，其半乳糖含量為21.7 42.1%，葡萄糖含量為4.7 20.8%，葡萄糖醛酸含量為13.0 15.4%，半乳糖醛酸含量為6.0 8.2% ；經(jīng)凝膠滲透色譜 測(cè)定的重均分子量為15990 27560g/mol，多分散系數(shù)為1.4 1.8。
8.根據(jù)權(quán)利要求6或7所述的半纖維素，其特征在于，所述半纖維素具有海綿狀多孔微球結(jié)構(gòu)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種半纖維素及其制備方法，其是先將木質(zhì)纖維素原料高溫滅菌處理，然后接入白腐菌并靜置培養(yǎng)不同時(shí)間周期，再對(duì)降解后的生物質(zhì)組分用水浸提得到水溶性半纖維素。通過本發(fā)明方法分離得到的半纖維素化學(xué)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，并且半纖維素產(chǎn)率較高。此外，本發(fā)明揭示了白腐菌降解過程中半纖維素的結(jié)構(gòu)變化，同時(shí)為探索木質(zhì)纖維原料通過生物轉(zhuǎn)化法生產(chǎn)生物燃料和制備生物材料提供新思路，也為更好地保護(hù)木材資源免受微生物的降解提供借鑒意義。
文檔編號(hào)C08B37/14GK103159865SQ201310042450
公開日2013年6月19日 申請(qǐng)日期2013年2月1日 優(yōu)先權(quán)日2013年2月1日
發(fā)明者肖領(lǐng)平, 白媛媛, 史正軍, 孫潤(rùn)倉(cāng), 王偉, 崔寶凱 申請(qǐng)人:北京林業(yè)大學(xué)