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，實現了母液二次提糖的目標。

關鍵詞：桉木；半纖維素；木糖母液；發酵

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

國內某大型漿紙企業通過預水解硫酸鹽法連續蒸煮技術生產溶解漿，生產過程中采用熱水預水解去除大部分半纖維素，通過連續蒸煮去除大部分木質素，較好地實現植物纖維原料三大組分的分離[1]。在此生產過程中，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]，可用于生產木糖和木糖醇。隨著桉木預水解液提取木糖技術的不斷優化，木糖及其副產品——木糖母液的產量也逐步提高。與以玉米芯為原料生產木糖的工藝相比，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，以節約生物質資源。

本研究以某公司使用桉木溶解漿預水解液生產木糖后產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，設計適當的工藝路線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 經濟性分析

某公司木糖項目的設計產能為10 000 t/a，副產物木糖母液的產量為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量；同時，二次提糖的木糖母液產量約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量約20%，并具有較好的經濟增值潛力。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）。

大量生產實踐經驗和實驗結果證實，優選的可工業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，產生的木糖母液中木糖含量為53.24%，含量偏低，達不到工業化結晶的工藝要求。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，是本研究的核心內容。為實現這一目標，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） 轉化為木糖。

然而，方案①中已工業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，但尚未工業化應用；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、甘露糖轉化成木糖的技術，目前仍未見實現工業化的報道。本研究團隊前期培育了一種具有自主知識產權的TY001酵母菌株[5]，與一般以發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種方案及現有工業化生產技術，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（發酵），將葡萄糖、甘露糖及半乳糖轉變成二氧化碳、乙醇和水，通過真空蒸發去除乙醇和二氧化碳，得到發酵液，過濾后加入濃硫酸進行水解，將低聚糖轉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。基于此，分別稱取葡萄糖、甘露糖及半乳糖各18.0 g，制成450 mL質量分數12%的混合糖液，等量分裝在3個三角燒瓶中，調節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， 使其活性菌數達7.0～8.0×107 個/mL， 在30 ℃下恒溫發酵。定時選擇正常發酵的混合糖液樣品，利用HPLC鉛型糖分析柱監測其中糖組分變化。

2. 3 木糖母液的發酵提純

將木糖母液用純水稀釋為450 mL質量分數12%的木糖母液糖液，等量分裝在3個三角燒瓶中，調節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，使其活性菌數達7.0～8.0×107 個/mL，在30 ℃下恒溫發酵24 h，得到發酵液，利用HPLC鉛型糖分析柱監測其中糖組分變化。

2. 4 發酵液的進一步水解

將發酵液常壓蒸發10 min，得到蒸發液，調節質量分數為18%，加入質量分數1.0%的濃硫酸（相對于蒸發液質量），125 ℃下保溫水解120 min，經中和、脫鹽、脫色處理，得到水解液，利用HPLC鉛型糖分析柱監測其中糖組分變化。

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 ℃下的恒溫發酵，定時選擇正常發酵的混合糖液樣品，利用HPLC鉛型糖分析柱監測其中糖組分變化，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。

從圖5可以看出，發酵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減少的現象。

從圖6可以看出，發酵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種糖均可發酵，發酵順序為葡萄糖、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。發酵主要產物為乙醇、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，并轉化為二氧化碳或乙醇，在后續過濾、真空蒸發濃縮過程中除去，從而提高木糖在總糖中的含量。

木糖母液糖液發酵24 h后發酵液的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，木糖醇的特征峰（溶出時間34.7 min） 積分面積有所增加。木糖母液糖液發酵前后的組分對比見表1。

將發酵液常壓蒸發10 min， 得到蒸發液， 其HPLC譜圖如圖8所示。從圖8可以看出，蒸發液中木糖含量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。

分析水解的相關數據可知，溶出時間13.9 min處的特征峰歸屬于水解中間體，其本質為低聚雜糖，并非單一物質，因此在HPLC 譜圖中分布區域較寬，因主成分不同，溶出時間也會有一定差異。基于此，本研究將TY001酵母菌種發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酵母菌株特異性發酵甘露糖、半乳糖菌種的生化規律，其發酵順序為葡萄糖、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。主要發酵產物為乙醇、甘油和木糖醇。

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（責任編輯：楊苗秀）