刘高梅，任海伟

1(山西轻工职业技术学院轻工化工工程系，山西太原，030013)2(兰州理工大学生命科学与工程学院，甘肃 兰州，730050)

中国是白酒生产和消费大国，2012年全国白酒产量约1.5×107t，生产过程中发酵蒸馏取酒后作为废物丢弃的酒糟(简称丢糟)量约3×107t。丢糟除直接用作家畜饲料外，还能用于生产有机肥、蛋白饲料、食用菌、燃料棒、活性炭、食醋等，但上述途径仍无法完全转化庞大的丢糟产量。若直接废弃则容易造成资源浪费和环境污染，因此拓展新的丢糟利用途径迫在眉睫。

丢糟含有丰富的纤维素和半纤维成分，是一种极具开发潜力的木质纤维素类生物质。通过生物或化学方法降解后既可为微生物繁殖提供碳源，同时降解得到的木糖和葡萄糖等单糖也是木糖醇发酵的前体物质。目前，已有学者利用麦秸、稻秸、玉米芯、棉籽壳、甘蔗渣等生物质开展了微生物发酵生产木糖醇的研究［1-7］。本课题组也利用热带假丝酵母(Candida tropicalis 1779)发酵丢糟水解液生产木糖醇，木糖利用率可达45.62%［8］。可见，发酵木糖醇的关键环节之一是生物质中木糖的提取。常用的木糖提取方法有酸水解法、热水抽提法(包括蒸汽爆碎法)、酶水解法(包括物理或化学-酶处理法)、微波降解法，其中酸水解是最有效的利用方法［9-11］。生物质中的半纤维素经酸催化作用后被降解为以木糖为主的单糖和糠醛、5-羟甲基糠醛等发酵抑制物。因此，如何获得最大限度的木糖收率至关重要。单一种类酸水解法提取木糖效果有限［12］。鉴此，本文拟利用已经筛选出的无机酸组合(由HCl和H3PO4组成)从丢糟中提取木糖，以木糖收率为评价指标优化工艺参数;并结合SEM和XRD技术，分析木糖提取前后丢糟的结构变化。

1 材料与方法

1.1 材料与设备

丢糟，甘肃金徽酒股份有限公司提供，自然晾干后粉碎，过 50目筛备用。化学成分为:纤维素33.58%，木质素 22.23%，半纤维素 8.4%，淀粉11.59% ，脂肪3.56%，蛋白质14.45%，灰分 6.23%。

地衣酚，上海蓝季科技发展有限公司;D-木糖，天津市光复精细化工研究所;其余试剂为分析纯。

UV-9200紫外可见分光光度计，北京瑞利分析仪器公司;JSM5600LV扫描电子显微镜，日本JEOL公司;D/MAX-2004粉末X射线衍射仪，日本理学公司。

1.2 实验方法

1.2.1 分析方法

淀粉测定参照GB5009.9-2008酶解法，蛋白质测定参照GB5009.5-2010凯氏定氮法，纤维素、木质素和半纤维素测定参考文献［13-14］，木糖测定采用地衣酚法［15］。

1.2.2 酸水解法提取木糖

称取10g丢糟加入配制好的混合酸中，室温浸泡10 h后移至灭菌锅中于121℃高压蒸汽预处理15 min，然后转入木糖提取工艺。混合酸由 HCl与H3PO4以相同质量浓度配制［8］。分别研究酸解温度(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)］、混合酸浓度(1.0%、2.0%、2.5%、3.0%、3.5%、4.0%、4.5%)和酸解时间(0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0 h)4 个因素在不同水平条件下对木糖提取效果的影响。反应结束后快速冷却至室温，3 000 r/min离心10 min回收提取残渣，测定提取液中的木糖浓度，并计算木糖收率:

1.2.3 木糖提取前后的丢糟结构变化

采用SEM和XRD技术分析丢糟在木糖提取前后的结构变化。

2 结果与分析

2.1 木糖提取单因素试验

2.1.1 酸解温度对木糖提取效果的影响

由图1可知，随着酸解温度的升高，木糖收率呈现先提高后降低的趋势，90～100℃木糖收率增加显著，说明该温度范围内的半纤维素水解强度较高。高于100℃时，木糖收率急剧下降，说明高温条件不利于木糖的积累。因为，半纤维素水解转化为木糖的同时，木糖也在向糠醛和5-羟甲基糠醛等副产物转化。温度太低反应速率较慢，木糖积累缓慢;温度过高则导致部分木糖分解速率加快，使木糖收率降低［16］。因此，初步确定木糖的提取温度为100℃。

图1 温度对木糖提取效果的影响Fig.1 Effect of temperature on the yield of xylose

2.1.2 固液比对木糖提取效果的影响

由图2可知，在固液比为1∶2～1∶10，随着固液比的减小，固体相对含量降低，木糖收率逐渐提高。当固液比介于1∶10～1∶14时，木糖收率增速放缓并趋于恒定。较高的固液比意味着固形物含量较高，体系流动性较差，阻碍了H+向木质纤维结构内部渗透，致使H+与半纤维素接触有限，不利于半纤维素降解，导致木糖收率偏低。随着固液比的降低，混合酸用量增加，体系流动性加强，而且同等浓度酸液中的H+数量增加，使得H+与底物的接触面积增大，增加了半纤维素的反应几率，强化了木糖提取效果。表现在当固液比为1∶6～1∶10时，木糖收率迅速上升。另一方面，酸液扩散进入丢糟内部属于非均相扩散过程，经高温高压蒸汽预处理后的丢糟木质纤维结构产生大量“空间”，使酸液更容易扩散进入丢糟内部，强化内部扩散［17-18］。另外，较低固液比意味着体系中的木糖被稀释，弱化了木糖的分解副反应。因此，从反应体系流动性和酸液扩散等角度综合考虑，初步选择固液比为1∶10。

图2 固液比对木糖提取效果的影响Fig.2 Effect of solid-liquid ratio on the yield of xylose

2.1.3 混合酸浓度对木糖提取效果的影响

如图3所示，随着混合酸浓度的升高，木糖收率迅速提高，当混合酸浓度达到2.0%时，木糖收率最高为43.9%。若酸浓度继续增加，木糖收率显著下降。因为，酸水解法提取木糖主要是靠H+水解和催化的双重作用来实现，酸浓度较低则电离产生的H+浓度也低，造成H+与丢糟接触的机率和面积减少，木糖收率低;随着酸浓度的增加，体系中H+浓度升高，与丢糟接触面积和几率增加，使木糖从木聚糖长结构链上释放。然而，当酸浓度大于2.0%时，一方面，丢糟木质纤维结构的孔隙数量恒定，混合酸渗透速率受限，使得体系中H+浓度相对饱和，对木糖提取作用不大;另一方面，高浓度酸环境会加速木糖分解，促进糠醛抑制物的生成［19］。因此，混合酸浓度为2.0%更有利于木糖的提取。

2.1.4 酸解时间对木糖提取效果的影响

由图4可知，随着酸解时间的推移，木糖收率逐渐增加。20～70 min范围内木糖收率增速较快，增幅为23.62%，70～120 min范围内增速放缓，增幅降为3.11%，120 min后的木糖收率反而降低。因为，丢糟的木质纤维包被结构导致初始阶段H+很难渗透到丢糟内部，提取速率较低;随着酸解作用的进行，木质纤维结构渐趋瓦解，木质素对半纤维素的束缚减少，半纤维素中易水解的部分被快速降解，对应于20～70 min范围内的木糖收率升高较快。随着时间的延长(70～120 min)，半纤维素的易水解部分反应殆尽，难水解部分开始被降解，木糖收率增速开始放缓。当反应时间过长(＞120 min)，高温作用使得木糖分解速率加快，转化为糠醛等发酵抑制物，导致木糖收率显著下降。综合考虑，选择提取时间为120 min。

图3 混合酸浓度对木糖提取液效果的影响Fig.3 Effect of mixed acid concentration on the yield of xylose

图4 酸解时间对木糖提取效果的影响Fig.4 Effect of acid hydrolysis time on the yield of xylose

2.2 正交试验优化

在单因素试验结果的基础上设计L9(34)的正交试验(见表1)，优化木糖提取工艺。正交试验结果见表2。

表1 正交试验因素水平表Table 1 Factors and levels of the orthogonal tests

表2 正交试验设计及结果Table 2 Results and design test of the orthogonal tests

从表2中极差分析可知，影响木糖收率的因素大小顺序为:B＞A＞D＞C，即固液比＞酸解温度＞酸解时间＞混合酸浓度，对应的最佳木糖提取条件为A3B3C1D3。为验证分析结果，将表2中的直观优组合A3B3C2D1与正交最优组合A3B3C1D3做平行试验3次。结果表明，正交最优组合A3B3C1D3条件下的木糖收率为 61.24%，高于表 2中的直观优组合A3B3C2D1。结合表3方差分析，确定丢糟酸解法提取木糖的最优工艺条件为酸解温度110℃、固液比1∶12、混合酸浓度1.5%、酸解时间145 min，该条件下的木糖收率最高。

表3 方差分析Table 3 Variance analysis

2.3 木糖提取前后的丢糟结构变化

2.3.1 扫描电镜(SEM)分析

由图5可知，丢糟原料的木质纤维结构紧密，纤维素聚集态结构清晰，纤维素沿链长方向聚集成微细纤维状态。纤维素结晶区和无定形区交错结合，排列整齐且紧密的部分为结晶区，不整齐且较松散的部分为无定形区(图5-a)。经酸水解法提取木糖后，结构变化明显，原先规则的长条状晶束变成絮状绒毛形，光滑表面出现明显裂痕或不规则孔洞，孔隙度增加，比表面积增大，结晶区和非结晶区界限模糊(图5-b)。因为，原有的木质纤维结构受到酸催化作用而变得疏松，半纤维素逐渐被溶出降解，纤维素暴露及其链被打碎，聚合度下降，同时木质素软化部分溶解，形成液滴态木质素衍生物，附着于残渣表面。

图5 木糖提取前后的丢糟SEM对比图Fig.5 SEM images of DG before and after the extraction of xylose

2.3.2 X-衍射(XRD)分析

如图6-a 所示，丢糟位于2θ 衍射角13.22°、20.74°和26.6°有3 个衍射峰，其中13.22°左右的弱峰代表纤维素无定形区，20.74°代表结晶区强度的002面衍射峰。经酸水解法提取木糖后，纤维素无定形区消失，2θ=22°左右处出现较宽的衍射峰，但峰尖不再尖锐(图6-b)。利用Segal经验公式求得木糖提取前后的丢糟及其残渣的结晶度分别为12.5%和18.7%。由此可见，在木糖提取过程中，易降解的半纤维素首先被水解，促使木质纤维结构将纤维素暴露，半纤维素降解为木糖的同时，纤维素无定形区也随之降解消失，结晶区暴露在外，导致其吸收强度增大，结晶度提高。

图6 木糖提取前后的丢糟X射线衍射图谱Fig.6 XRD patterns of DG before and after the extraction of xylose

3 结论

采用混合酸水解法从白酒丢糟中提取木糖的最优工艺条件为酸解温度110℃、固液比1∶12、混合酸浓度1.5%、酸解时间145 min，该条件下的木糖收率最高为61.24%。分析丢糟提取木糖前后的结构变化可以发现，酸水解后的丢糟木质纤维结构变化明显，形貌结构遭到破坏，孔隙率和比表面积增加。XRD图谱说明丢糟中的半纤维素和纤维素无定形区被降解，纤维素结晶区暴露使得结晶度相对增加。因此，采用酸水解法从丢糟中提取木糖的工艺可行，为丢糟生物质资源的综合利用提供了一条新途径。

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