白酒丟糟酸水解制備木糖及其結構變化*

劉高梅，任海偉

1(山西輕工職業技術學院輕工化工工程系，山西太原，030013)2(蘭州理工大學生命科學與工程學院，甘肅 蘭州，730050)

中國是白酒生產和消費大國，2012年全國白酒產量約1.5×107t，生產過程中發酵蒸餾取酒后作為廢物丟棄的酒糟(簡稱丟糟)量約3×107t。丟糟除直接用作家畜飼料外，還能用于生產有機肥、蛋白飼料、食用菌、燃料棒、活性炭、食醋等，但上述途徑仍無法完全轉化龐大的丟糟產量。若直接廢棄則容易造成資源浪費和環境污染，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，是一種極具開發潛力的木質纖維素類生物質。通過生物或化學方法降解后既可為微生物繁殖提供碳源，同時降解得到的木糖和葡萄糖等單糖也是木糖醇發酵的前體物質。目前，已有學者利用麥秸、稻秸、玉米芯、棉籽殼、甘蔗渣等生物質開展了微生物發酵生產木糖醇的研究［1-7］。本課題組也利用熱帶假絲酵母(Candida tropicalis 1779)發酵丟糟水解液生產木糖醇，木糖利用率可達45.62%［8］。可見，發酵木糖醇的關鍵環節之一是生物質中木糖的提取。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-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］。生物質中的半纖維素經酸催化作用后被降解為以木糖為主的單糖和糠醛、5-羥甲基糠醛等發酵抑制物。因此，如何獲得最大限度的木糖收率至關重要。單一種類酸水解法提取木糖效果有限［12］。鑒此，本文擬利用已經篩選出的無機酸組合(由HCl和H3PO4組成)從丟糟中提取木糖，以木糖收率為評價指標優化工藝參數;并結合SEM和XRD技術，分析木糖提取前后丟糟的結構變化。

1 材料與方法

1.1 材料與設備

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

地衣酚，上海藍季科技發展有限公司;D-木糖，天津市光復精細化工研究所;其余試劑為分析純。

UV-9200紫外可見分光光度計，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，日本理學公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 分析方法

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

1.2.2 酸水解法提取木糖

稱取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℃高壓蒸汽預處理15 min，然后轉入木糖提取工藝。混合酸由 HCl與H3PO4以相同質量濃度配制［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%)和酸解時間(0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0 h)4 個因素在不同水平條件下對木糖提取效果的影響。反應結束后快速冷卻至室溫，3 000 r/min離心10 min回收提取殘渣，測定提取液中的木糖濃度，并計算木糖收率:

1.2.3 木糖提取前后的丟糟結構變化

采用SEM和XRD技術分析丟糟在木糖提取前后的結構變化。

2 結果與分析

2.1 木糖提取單因素試驗

2.1.1 酸解溫度對木糖提取效果的影響

由圖1可知，隨著酸解溫度的升高，木糖收率呈現先提高后降低的趨勢，90～100℃木糖收率增加顯著，說明該溫度范圍內的半纖維素水解強度較高。高于100℃時，木糖收率急劇下降，說明高溫條件不利于木糖的積累。因為，半纖維素水解轉化為木糖的同時，木糖也在向糠醛和5-羥甲基糠醛等副產物轉化。溫度太低反應速率較慢，木糖積累緩慢;溫度過高則導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，固體相對含量降低，木糖收率逐漸提高。當固液比介于1∶10～1∶14時，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，體系流動性較差，阻礙了H+向木質纖維結構內部滲透，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，體系流動性加強，而且同等濃度酸液中的H+數量增加，使得H+與底物的接觸面積增大，增加了半纖維素的反應幾率，強化了木糖提取效果。表現在當固液比為1∶6～1∶10時，木糖收率迅速上升。另一方面，酸液擴散進入丟糟內部屬于非均相擴散過程，經高溫高壓蒸汽預處理后的丟糟木質纖維結構產生大量“空間”，使酸液更容易擴散進入丟糟內部，強化內部擴散［17-18］。另外，較低固液比意味著體系中的木糖被稀釋，弱化了木糖的分解副反應。因此，從反應體系流動性和酸液擴散等角度綜合考慮，初步選擇固液比為1∶10。

圖2 固液比對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，當混合酸濃度達到2.0%時，木糖收率最高為43.9%。若酸濃度繼續增加，木糖收率顯著下降。因為，酸水解法提取木糖主要是靠H+水解和催化的雙重作用來實現，酸濃度較低則電離產生的H+濃度也低，造成H+與丟糟接觸的機率和面積減少，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，使木糖從木聚糖長結構鏈上釋放。然而，當酸濃度大于2.0%時，一方面，丟糟木質纖維結構的孔隙數量恒定，混合酸滲透速率受限，使得體系中H+濃度相對飽和，對木糖提取作用不大;另一方面，高濃度酸環境會加速木糖分解，促進糠醛抑制物的生成［19］。因此，混合酸濃度為2.0%更有利于木糖的提取。

2.1.4 酸解時間對木糖提取效果的影響

由圖4可知，隨著酸解時間的推移，木糖收率逐漸增加。20～70 min范圍內木糖收率增速較快，增幅為23.62%，70～120 min范圍內增速放緩，增幅降為3.11%，120 min后的木糖收率反而降低。因為，丟糟的木質纖維包被結構導致初始階段H+很難滲透到丟糟內部，提取速率較低;隨著酸解作用的進行，木質纖維結構漸趨瓦解，木質素對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，對應于20～70 min范圍內的木糖收率升高較快。隨著時間的延長(70～120 min)，半纖維素的易水解部分反應殆盡，難水解部分開始被降解，木糖收率增速開始放緩。當反應時間過長(＞120 min)，高溫作用使得木糖分解速率加快，轉化為糠醛等發酵抑制物，導致木糖收率顯著下降。綜合考慮，選擇提取時間為120 min。

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

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

2.2 正交試驗優化

在單因素試驗結果的基礎上設計L9(34)的正交試驗(見表1)，優化木糖提取工藝。正交試驗結果見表2。

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

表2 正交試驗設計及結果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為:B＞A＞D＞C，即固液比＞酸解溫度＞酸解時間＞混合酸濃度，對應的最佳木糖提取條件為A3B3C1D3。為驗證分析結果，將表2中的直觀優組合A3B3C2D1與正交最優組合A3B3C1D3做平行試驗3次。結果表明，正交最優組合A3B3C1D3條件下的木糖收率為 61.24%，高于表 2中的直觀優組合A3B3C2D1。結合表3方差分析，確定丟糟酸解法提取木糖的最優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構變化

2.3.1 掃描電鏡(SEM)分析

由圖5可知，丟糟原料的木質纖維結構緊密，纖維素聚集態結構清晰，纖維素沿鏈長方向聚集成微細纖維狀態。纖維素結晶區和無定形區交錯結合，排列整齊且緊密的部分為結晶區，不整齊且較松散的部分為無定形區(圖5-a)。經酸水解法提取木糖后，結構變化明顯，原先規則的長條狀晶束變成絮狀絨毛形，光滑表面出現明顯裂痕或不規則孔洞，孔隙度增加，比表面積增大，結晶區和非結晶區界限模糊(圖5-b)。因為，原有的木質纖維結構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，同時木質素軟化部分溶解，形成液滴態木質素衍生物，附著于殘渣表面。

圖5 木糖提取前后的丟糟SEM對比圖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 個衍射峰，其中13.22°左右的弱峰代表纖維素無定形區，20.74°代表結晶區強度的002面衍射峰。經酸水解法提取木糖后，纖維素無定形區消失，2θ=22°左右處出現較寬的衍射峰，但峰尖不再尖銳(圖6-b)。利用Segal經驗公式求得木糖提取前后的丟糟及其殘渣的結晶度分別為12.5%和18.7%。由此可見，在木糖提取過程中，易降解的半纖維素首先被水解，促使木質纖維結構將纖維素暴露，半纖維素降解為木糖的同時，纖維素無定形區也隨之降解消失，結晶區暴露在外，導致其吸收強度增大，結晶度提高。

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 結論

采用混合酸水解法從白酒丟糟中提取木糖的最優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構變化可以發現，酸水解后的丟糟木質纖維結構變化明顯，形貌結構遭到破壞，孔隙率和比表面積增加。XRD圖譜說明丟糟中的半纖維素和纖維素無定形區被降解，纖維素結晶區暴露使得結晶度相對增加。因此，采用酸水解法從丟糟中提取木糖的工藝可行，為丟糟生物質資源的綜合利用提供了一條新途徑。

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