[发明专利]半纤维素及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及农林生物质资源利用及预处理技术领域，具体地说是涉及半纤维素及其制备方法。

背景技术

以木材和农林废弃物资源以及专门的能源作物为代表的生物质可用于制备生物能源、燃料、材料和其他高附加值的化学品。木质纤维材料（Lignocellulosic material），是地球上最丰富的可再生生物质，其主要成分是纤维素、半纤维素和木质素。纤维素和半纤维素是糖类聚合物，可用于制备发酵糖、木糖醇等，而木质素可用于生产酚类化学品或用于热燃烧发电等其他目的。

半纤维素与纤维素和木质素等一起构成了高等植物的细胞壁，并且和蛋白质及酚类化合物存在化学键连接。半纤维素是由非葡萄糖组成的一类多糖的总称，约占细胞壁总重的20-35%，其基本糖单元有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-O-D-葡萄糖醛酸和D-半乳糖醛酸等。针叶木半纤维素主要为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；阔叶木中的半纤维素是木聚糖、聚半乳糖葡萄糖甘露糖，以及少量的半乳聚糖和葡聚糖；而禾本科植物的半纤维素是要为β-（1→4）连接的D-吡喃式木聚糖，最重要的半纤维素是O-乙酰基-4-O-甲基-D-葡萄糖醛酸聚木糖和L-阿拉伯糖（4-O-甲基-D-葡萄糖醛酸）聚木糖。桦木半纤维素主要是部分乙酰化的4-O-甲基葡萄糖醛酸聚木糖，通常每10个木糖基连接一个糖醛酸基支链。由于多方面的功能特性，半纤维素被广泛用作凝胶、薄膜、涂料、粘接剂、胶凝剂、稳定剂和添加剂，并在制药和其他工业得到应用。

半纤维素分离的传统方法主要为碱性提取法和有机溶剂提取法。常见的碱抽提试剂有NaOH、KOH、Ba(OH)₂、Ga(OH)₂和碱性过氧化氢等。碱性提取法一般在较低温度和常压下进行，碱溶液通过溶胀纤维素、断裂纤维素与半纤维素间的氢键并破坏半纤维素与木质素化学键作用，如酯键和醚键，释放半纤维素至溶液，再通过加酸中和，经多倍体积乙醇沉淀获取。碱性提取法半纤维素的优点是方法简单、成本较低且分离效果好，但是分离得到的半纤维素一般由几类半纤维素大分子组成，化学结构复杂，而且半纤维素的乙酰基被脱除。为了分离出结构较完整的半纤维素，一般采用有机溶剂提取法，如二甲基亚砜（DMSO）和二氧六环溶液，能避免乙酰基的脱除。有机溶剂提取法的优点是半纤维素结构完整，缺点是所得到的半纤维素产率较低。

木质纤维素降解真菌可分为三类：白腐菌（White rot fungi）、褐腐菌（Brown rot fungi）和软腐菌（Soft rot fungi）。白腐菌是一类能引起木质纤维白色腐烂的丝状真菌的集合，它可以直接入侵木材的细胞腔内，释放降解木质素和其它生物质组分（纤维素、半纤维素和果胶等）的酶，从而导致木材腐烂成白色海绵状团块。虽然白腐菌能选择性地脱除木质素组分，但是对于其降解半纤维素组分的性能也是不能忽略的。早先的研究表明，在纤维素和木质素降解之前，高度支化的半纤维素组分已经被白腐菌所破坏。尽管在制浆造纸行业以及生物质能源和材料的研究中，半纤维素的分离和提取研究取得了重大的进展，但是关于木质纤维素原料生物降解过程中半纤维素多糖结构变化的报道相对甚少。

发明内容

本发明的目的在于针对生物预处理木质纤维原料的热点问题及前沿研究，提供一种白腐菌降解木质纤维原料并分离半纤维素的方法。使用该方法处理木质纤维原料，所获得的半纤维素化学结构简单，且保留了半纤维素的乙酰基，此外还可以有效提高半纤维素的产出率。

为了解决上述技术问题，本发明的半纤维素制备方法采用了如下技术方案：

（1）将木质纤维原料粉碎成20～40目的木质纤维原料颗粒；

（2）将所述木质纤维素原料颗粒在水中浸泡10～30min，沥干水分后在高温蒸汽灭菌；

（3）向含有2%麦芽糖的琼脂培养基上接入白腐菌菌种，待菌丝铺满培养基表面后，加入灭菌后的木质纤维素原料颗粒，28℃静置培养4～16周；

（4）将经过步骤（3）处理的木质纤维原料颗粒用去离子水浸提4h，同时不断搅拌，然后过滤收集水相和残余固体组分；

（5）将收集的水相减压浓缩，获得浓缩液；

（6）向所述减压浓缩液加入98%乙醇混合，乙醇加入量为减压浓缩液体积的2～4倍，混合液在4℃条件下静置8～16h，然后通过离心分离得到半纤维素组分。

进一步，本发明的半纤维素制备方法中，步骤（3）中所述培养周期为8-10周。