生物质燃料乙醇副产木寡糖的研究

Vol 32 No. 3华东理工大学学报(自然科学版)2006-03Journal of East China University of Science and Technology(Natural Science Edition)305文章编号:1006-3080(2006)03-0305-04生物质燃料乙醇副产木寡糖的研究席淑娟,周霞萍',史萍,颜涌捷,张素平1(1.华东理工大学资源与环境工程学院,上海200237;2.华东理工大学生物反应器工程国家重点实验室)橢要:木寡糖是一种新兴的、功能优于其他低聚糖的药物或食品基料。应用缓慢絮凝动力学方法,提取木质纤维素制取燃料乙醇残液中的木寡糖,并用毛细管电色谱法,聚丙烯酰胺凝胶电泳法检测木寡糖质量。结果表明:燃料乙醇剽产木寡糖相对分子质量为300~600,纯度可达90%。关键词:生物质;燃料乙醇;木寡糖;电色谱分析中图分类号:S38;TQ028文献标识码:AXylooligosaccharides as By-productsof Biomass to Fuel EthanolXI Shu-juan, ZHOU Xia-ping, SHI Ping, YAN Yong-jie, ZHANG Su-ping(1. School of Resource and Environmental Engineering, East China University oScience and Technology, Shanghai 200237, China2. State Key Laboratory of Bioreactor Engineering, East China University of Science and Technology)Abstract: The function of xylooligosaccharides is better than other dfoods of oligosaccharidesXylooligosaccharides were distilled from the wastwater in the process of biomass to fuel ethanold using themethod of slow-dynamics. Additionally, their purity and average molecular weights were measured usingcapillary electro-chromatography and polyacrylamide gel electrophoresis. The results show that their con-tent reaches about 90% and average molecular weights are 300-600Key words: biomass; fuel ethanol; xylooligosaccharides; electrochromatography analysis燃料乙醇是近年来最受关注的石油替代燃料之物,对扩大原料来源,降低燃料乙醇生产成本有重要2].燃料乙醇的原料为谷物(玉米)薯类甘蔗、的现实意义甜高粱等,亦可用农、林业废弃物等生物质作原料。木寡糖是一种新兴的、功能优于其他低聚糖的据统计,我国每年仅林木加工残余物折合成标煤就药物或食品基料。国外在上世纪80年代,有过示范有6000万吨,农作物秸秆有7.26亿吨,合标准煤5性生产;国内研究起步较晚洪枫等用玉米酶解(化亿吨,目前这些资源的利用率仅为40%~60%。由学水解)法单独制备了低木聚糖-;薛连海等用气于原料中半纤维素水解产生的戊糖不易被己糖酵母相色谱法研究了壳聚糖的检测;孟显丽陈国化菌发酵为乙醇,利用木质纤维素制取燃料乙醇并在王准等则用薄板层析、凝胶色谱法进行了低聚糖的残液中提取木寡糖成为安全的、有质量品位的副产分离分级6,但副产制备木寡糖的系统研究报道较少。因除糖醛酸、壳聚糖、氨基糖外,一般糖没有光收稿日期:200504-27吸收基团,也没有发色基团,本文采用电渗流毛细管作者悔介席姆(197),女河南焦作人硕士,主要从事生物质综电色谱(CEC)分析法,能分离带电溶质也可分离中基金项目:国家863高新技术(2001AA514021)合利用研究性溶质,比较高压液相色谱,柱效更高、检测量更小306华东理工大学学报(自然科学版第32卷1实验部分酸四乙酸二钠0.01mol/L,加水溶解使pH为8.3;上槽缓冲液含甘氨酸1.25mol/L,Tris0.2mol/L1.1原料及流程加水溶解使pH为8.3,5%浓缩胶,22%分离胶,电硬木与软木的木质纤维素组成(质量百分比)如泳后,用阿利辛兰染色硬木:纤维素45.50%,半纤维素36.50%,木2结果与讨论质素18.00%软木:纤维素42.00%半纤维素32.50%,木1木事糖絮凝沉降动力学的探讨质素25.50%。木质纤维素燃料乙醇蒸馏残液用溶剂法提取,如图1所示,木质纤维素经水解(酶解)、发酵、不会带进额外的无机盐,明显优于酸碱沉析的等电蒸出乙醇后残液木寡糖及其干物质含量在8.6%~点法,其溶剂用量与沉析量的关系如图2所示图中13.7%左右。横坐标是乙醇溶剂投加量(V1)与待分离析出液的用等电点法和溶剂沉析法回收残液木寡糖混合体积(V2)比。而沉降时间对吸光度的影响见图3物后,运用膜透析(电渗析)离子交换色谱等方法去在絮凝沉淀中,用相互作用的能量曲线能够反除腐植酸和蛋白质(含氮化合物)等杂质,并用缓慢映出颗粒能否絮凝,能区分絮凝的快慢,并可用两个絮凝动力学确定分离参数,而后用电色谱等方法作最小值表征。当颗粒之间的相互作用能量达到第分析测定,得出木寡糖纯度和相对分子质量范围。最小能量时生成的絮凝体坚实粗大,速度快,具有1.2主要仪与试剂不可逆性,称为快速絮凝动力学;当颗粒的能量达到毛细管电色谱仪: Beckman P/ ACE MDQ毛细第二最小能量值时,产生的絮凝体疏松、细小,反应管电泳仪(美国 Beckman公司),二极管阵列检测速度缓慢,称为缓慢絮凝动力学蒸馏残液中木寡糖器。石英毛细管50pm×60cm,有效长度50cm(河的提取,属缓慢絮凝的范畴缓慢絮凝速度与溶液性北永年光导纤维厂);垂直电泳仪:北京东方特力科质及浓度的关系,用一级动力学模式表示为:贸中心,DFC型号;紫外光谐仪 Varian Cary500。dc/dt =-kc(1)EL01054606木糖、阿利辛兰为生化试剂;硼-式(1)两边对t积分得:砂、氢氧化钠、三羟甲基氨基甲烷、乙二胺四乙酸钠、=-kt Inco甘氨酸、丙烯酰胺、甲叉丙烯酰胺、蔗糖、四甲基乙二式中:c和c分别表示沉降时间为0和t时的溶液胺、过硫酸铵和醋酸为分析纯试剂。浓度;k为衰减系数,可由lc与t的线性拟合求得1.3色谱条件用二级动力学模式表示为:毛细管电色谱条件:运行缓冲液为130mmol/de/dt=-ke2(3)L的硼砂水溶液(pH9.55),分离电压12kv;压力解微分方程:边界条件t=0,C=C0,得进样:3.45kPa,3s;195nm检测;分离柱的柱温251/c=kt+1/C;每次进样前按01mol/L的NaOH水的顺序清同理,由式(4)作1/c与t的线性拟合可以求得衰减洗毛细管各3min,然后再用运行缓冲液冲洗5系数k。二级动力学模式经过拟合后,可得min。垂直电泳条件:聚丙烯酰胺凝胶电泳法,电压c/co=1-t/(a+ bt(5)200V,电泳时间:3~5h。下槽缓冲液含硼酸0.1式中:a、b为拟合参数,与溶液的初始浓度、温度等mol/L,三羟甲基氨基甲烷(Tris)0.1mol/L,乙二有关。Lignocellulosetreatment Acid hydrolysis and fermeAcid hydrolyastewaterand fermentEthanolafter distilledXylooligosaccharide图1燃料乙醇副产木寡糖流程示意图第3期宿淑娟,等:生物质燃料乙醇副产木寡糖的研究泳的特性,在一定浓度和pH的硼酸溶液等条件下,木寡糖的羟基可以同硼酸在195nm处形成可紫外吸收的配合物,从而根据电淌度的不同而得到分离。045图4是燃料乙醇副产木寡糖的毛细管电色谱图,通0过积分可知在一定的分子量范围纯度可达90%0350.51.01.52,02.53.0(a)Standard图2溶剂投加量对沉淀量的影响(b) SampleFig. 2 Effect of ethanol adding on the depositiont/min图4木寡糖的毛细管电色谐图3沉降时间对吸光度(浓度)的影响spectrum for the xylooligosaccharidesig. 3 Effect of deposition -time on the absorbanceCHas,130 mmol/L:pH-9 552.3木寡糖用电泳和端基法测分子量的比较由式(5)可知,当t趋于无限大时,c/lo=1实验采用等浓度电泳(8cm×10cm×0.1cm)1/b因此参数b可用来反映颗粒静水絮凝沉降的快的凝胶用于样品的分析及纯度测定。图5为聚丙烯優,b的绝对值越小,固体颗粒相对浓度衰减越快酰胺凝胶电泳图。其中图5(a)左侧的壳聚糖标样的若1-1/b<0,表明沉降较长时间后,悬浮液已经澄清。对式(5)进行变换可得:1/(1-c/0)=a/t+b(6)将1/(1-c/c)与1/t进行线性拟合,呈双曲线模式本实验用3种拟合曲线探讨上述溶剂沉降木寡糖过程,其线性如表1所示。其中浓度用吸光度表1木寡糖不同絮凝模式的相关性比较Table 1 Correlation between different flocculation modes(a)f xylooligosaccharidesFirst level Secondary hyperbolic pattern0.95380.97330.9846从表1可以看出,1#、2#木寡糖均在双曲线模式的模型中相关性最大,属于一种特殊的二级絮凝动力学。22木寡糖用毛细管电色谱法的鉴别图5聚丙烯酰胺凝胶测木寡糖分子量毛细管电色谱(CEC)是新兴的以电渗流为驱动Fig 5 Estimation xyooligosaccharides fomula weightof gel chromatography力的分离分析新技术。电色谱分离分析中性溶质的Left: a-Chitosan standard, b-Cycloheptaamylose standard华东理工大学学报(自然科学版)第32卷相对分子质量在1200~1650,跑胶速度慢;右侧为可达90%。实验提取的木寡糖相对分子质量小,为300~600,(3)用聚丙烯酰胺电泳法和端基法测得燃料乙跑胶速度快醇副产木寡糖相对分子质量在300~600。从图5(b)中可以看出,木寡糖的相对分子质量较环糊精(糖单元为8)标样相比要小,相对分子质参考文献:量在300~450之间将上述木寡糖试样同时用端基法测定。端基法1] Yukawa Hideaki. Application of biotechnology in fuel ethano分子量的原理是用一种弱氧化性的试剂与还原糖反rom biomass [l. Eco Industry, 2002, 7(1>应根据颜色的变化来判断糖的还原性强弱。而糖的还原性是由其端基决定的,一个木寡糖只有一个还[2] Han Zhangcheng, Jing Weijian, Pu Xuedong, et al. Life cycleeconomic analysis of fuel ethanol derived from cassava in原性端基。比如木寡糖分子是由n个糖残基组成的,southwest China [J]. Renewable and Sustainable Energy则完全水解后就产生n个还原性端基,还原性端基Reviews,2003,7(4);353-366增加的倍数就是该低聚糖的平均聚合度n。分子量3 Sedlak Miroslav, Edenberg Howard J, Ho Nancy WY.DNA计算的通式为:检样质量(g)/可测端基(摩尔数)=microarray analysis of the expression of the genes encoding the检样的相对分子质量major enaymes in ethanol production during glucose and xylosco-fermentation by metabolically engineered Saccharomyces由此,如图5所示的木寡糖用端基法测定平均yeast []. Enzyme and Microbial Technology, 2003, 33(1)2分子量为310~600,这与电泳法的分析结果相符[4]洪祝,勇强.木低聚的分离提纯和定性分析[]食品与3结论发醉工业,199,25(2):35-38[5]薛连海,用气相色谱法测定大豆中的低聚糖合量[J分析化学,2003,31(3):382(1)木质纤维素燃料乙醇残液中提取的木寡糖[6]孟显丽陈国华薄层色谱法分析壳聚糖几]青岛海泮大学学在双曲线模型中相关性最大,属于一种特殊的二级报,2002,32(4):641-544,累凝动力学。[7]王淮.自溶酶减法提取酵母--3葡聚糖及其酶解产物研(2)采用毛细管电色谱分析得出,木寡糖纯度充[D]武汉:华中农业大学,2002期发表论文摘要预报多分散高分子固液界面吸附构型的 Monte carlo模拟刘梅堂,牟伯中华东理工大学化学系,上海200237)摘要;在格子模型基础上用 Monte Carlo方法模拟研究了多分敉高分子在固液界面的吸附行为,重点考察了平均分布和正态分布两种不同链长分布形式的高分子在固液界面吸附构型的分布规律。发现高分子不同的链长分布形式,对高分子吸附构型的性质影响较大。正态分布的高分子体系中高分子3种吸附构型( tails, loops和 trains)的浓度和数目比相同条件下平均分布的高分子体系内要低得多。特别是当高分子链节吸附能较低时,两者的差别非常大。平均分布的高分子体系高分子吸附构型对温度和高分子总鲢节浓度的交化更加敏感。 tails构型由于受到高分子链节热运动以及吸附层缩作用的影响,在高温或高吸附作用能下,其密度分布表现出和其他两种吸附构型完全不同的形式。温度,高分子链节吸附作用能以及高分子总链节浓度对3种吸附构型的影响和单分散体系趋势一致,但是存在着定量的差别。