生物質(zhì)燃料乙醇副產(chǎn)木寡糖的研究

Vol 32 No. 3華東理工大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)2006-03Journal of East China University of Science and Technology(Natural Science Edition)305文章編號:1006-3080(2006)03-0305-04生物質(zhì)燃料乙醇副產(chǎn)木寡糖的研究席淑娟,周霞萍',史萍,顏涌捷,張素平1(1.華東理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院,上海200237;2.華東理工大學(xué)生物反應器工程國家重點(diǎn)實(shí)驗室)橢要:木寡糖是一種新興的、功能優(yōu)于其他低聚糖的藥物或食品基料。應用緩慢絮凝動(dòng)力學(xué)方法,提取木質(zhì)纖維素制取燃料乙醇殘液中的木寡糖,并用毛細管電色譜法,聚丙烯酰胺凝膠電泳法檢測木寡糖質(zhì)量。結果表明:燃料乙醇剽產(chǎn)木寡糖相對分子質(zhì)量為300~600,純度可達90%。關(guān)鍵詞:生物質(zhì);燃料乙醇;木寡糖;電色譜分析中圖分類(lèi)號:S38;TQ028文獻標識碼: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燃料乙醇是近年來(lái)最受關(guān)注的石油替代燃料之物,對擴大原料來(lái)源,降低燃料乙醇生產(chǎn)成本有重要2].燃料乙醇的原料為谷物(玉米)薯類(lèi)甘蔗、的現實(shí)意義甜高粱等,亦可用農、林業(yè)廢棄物等生物質(zhì)作原料。木寡糖是一種新興的、功能優(yōu)于其他低聚糖的據統計,我國每年僅林木加工殘余物折合成標煤就藥物或食品基料。國外在上世紀80年代,有過(guò)示范有6000萬(wàn)噸,農作物秸稈有7.26億噸,合標準煤5性生產(chǎn);國內研究起步較晚洪楓等用玉米酶解(化億噸,目前這些資源的利用率僅為40%~60%。由學(xué)水解)法單獨制備了低木聚糖-;薛連海等用氣于原料中半纖維素水解產(chǎn)生的戊糖不易被己糖酵母相色譜法研究了殼聚糖的檢測;孟顯麗陳國化菌發(fā)酵為乙醇,利用木質(zhì)纖維素制取燃料乙醇并在王準等則用薄板層析、凝膠色譜法進(jìn)行了低聚糖的殘液中提取木寡糖成為安全的、有質(zhì)量品位的副產(chǎn)分離分級6,但副產(chǎn)制備木寡糖的系統研究報道較少。因除糖醛酸、殼聚糖、氨基糖外,一般糖沒(méi)有光收稿日期:200504-27吸收基團,也沒(méi)有發(fā)色基團,本文采用電滲流毛細管作者悔介席姆(197),女河南焦作人碩士,主要從事生物質(zhì)綜電色譜(CEC)分析法,能分離帶電溶質(zhì)也可分離中基金項目:國家863高新技術(shù)(2001AA514021)合利用研究性溶質(zhì),比較高壓液相色譜,柱效更高、檢測量更小306華東理工大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版第32卷1實(shí)驗部分酸四乙酸二鈉0.01mol/L,加水溶解使pH為8.3;上槽緩沖液含甘氨酸1.25mol/L,Tris0.2mol/L1.1原料及流程加水溶解使pH為8.3,5%濃縮膠,22%分離膠,電硬木與軟木的木質(zhì)纖維素組成(質(zhì)量百分比)如泳后,用阿利辛蘭染色硬木:纖維素45.50%,半纖維素36.50%,木2結果與討論質(zhì)素18.00%軟木:纖維素42.00%半纖維素32.50%,木1木事糖絮凝沉降動(dòng)力學(xué)的探討質(zhì)素25.50%。木質(zhì)纖維素燃料乙醇蒸餾殘液用溶劑法提取,如圖1所示,木質(zhì)纖維素經(jīng)水解(酶解)、發(fā)酵、不會(huì )帶進(jìn)額外的無(wú)機鹽,明顯優(yōu)于酸堿沉析的等電蒸出乙醇后殘液木寡糖及其干物質(zhì)含量在8.6%~點(diǎn)法,其溶劑用量與沉析量的關(guān)系如圖2所示圖中13.7%左右。橫坐標是乙醇溶劑投加量(V1)與待分離析出液的用等電點(diǎn)法和溶劑沉析法回收殘液木寡糖混合體積(V2)比。而沉降時(shí)間對吸光度的影響見(jiàn)圖3物后,運用膜透析(電滲析)離子交換色譜等方法去在絮凝沉淀中,用相互作用的能量曲線(xiàn)能夠反除腐植酸和蛋白質(zhì)(含氮化合物)等雜質(zhì),并用緩慢映出顆粒能否絮凝,能區分絮凝的快慢,并可用兩個(gè)絮凝動(dòng)力學(xué)確定分離參數,而后用電色譜等方法作最小值表征。當顆粒之間的相互作用能量達到第分析測定,得出木寡糖純度和相對分子質(zhì)量范圍。最小能量時(shí)生成的絮凝體堅實(shí)粗大,速度快,具有1.2主要儀與試劑不可逆性,稱(chēng)為快速絮凝動(dòng)力學(xué);當顆粒的能量達到毛細管電色譜儀: Beckman P/ ACE MDQ毛細第二最小能量值時(shí),產(chǎn)生的絮凝體疏松、細小,反應管電泳儀(美國 Beckman公司),二極管陣列檢測速度緩慢,稱(chēng)為緩慢絮凝動(dòng)力學(xué)蒸餾殘液中木寡糖器。石英毛細管50pm×60cm,有效長(cháng)度50cm(河的提取,屬緩慢絮凝的范疇緩慢絮凝速度與溶液性北永年光導纖維廠(chǎng));垂直電泳儀:北京東方特力科質(zhì)及濃度的關(guān)系,用一級動(dòng)力學(xué)模式表示為:貿中心,DFC型號;紫外光諧儀 Varian Cary500。dc/dt =-kc(1)EL01054606木糖、阿利辛蘭為生化試劑;硼-式(1)兩邊對t積分得:砂、氫氧化鈉、三羥甲基氨基甲烷、乙二胺四乙酸鈉、=-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分別表示沉降時(shí)間為0和t時(shí)的溶液胺、過(guò)硫酸銨和醋酸為分析純試劑。濃度;k為衰減系數,可由lc與t的線(xiàn)性擬合求得1.3色譜條件用二級動(dòng)力學(xué)模式表示為:毛細管電色譜條件:運行緩沖液為130mmol/de/dt=-ke2(3)L的硼砂水溶液(pH9.55),分離電壓12kv;壓力解微分方程:邊界條件t=0,C=C0,得進(jìn)樣:3.45kPa,3s;195nm檢測;分離柱的柱溫251/c=kt+1/C;每次進(jìn)樣前按01mol/L的NaOH水的順序清同理,由式(4)作1/c與t的線(xiàn)性擬合可以求得衰減洗毛細管各3min,然后再用運行緩沖液沖洗5系數k。二級動(dòng)力學(xué)模式經(jīng)過(guò)擬合后,可得min。垂直電泳條件:聚丙烯酰胺凝膠電泳法,電壓c/co=1-t/(a+ bt(5)200V,電泳時(shí)間:3~5h。下槽緩沖液含硼酸0.1式中:a、b為擬合參數,與溶液的初始濃度、溫度等mol/L,三羥甲基氨基甲烷(Tris)0.1mol/L,乙二有關(guān)。Lignocellulosetreatment Acid hydrolysis and fermeAcid hydrolyastewaterand fermentEthanolafter distilledXylooligosaccharide圖1燃料乙醇副產(chǎn)木寡糖流程示意圖第3期宿淑娟,等:生物質(zhì)燃料乙醇副產(chǎn)木寡糖的研究泳的特性,在一定濃度和pH的硼酸溶液等條件下,木寡糖的羥基可以同硼酸在195nm處形成可紫外吸收的配合物,從而根據電淌度的不同而得到分離。045圖4是燃料乙醇副產(chǎn)木寡糖的毛細管電色譜圖,通0過(guò)積分可知在一定的分子量范圍純度可達90%0350.51.01.52,02.53.0(a)Standard圖2溶劑投加量對沉淀量的影響(b) SampleFig. 2 Effect of ethanol adding on the depositiont/min圖4木寡糖的毛細管電色諧圖3沉降時(shí)間對吸光度(濃度)的影響spectrum for the xylooligosaccharidesig. 3 Effect of deposition -time on the absorbanceCHas,130 mmol/L:pH-9 552.3木寡糖用電泳和端基法測分子量的比較由式(5)可知,當t趨于無(wú)限大時(shí),c/lo=1實(shí)驗采用等濃度電泳(8cm×10cm×0.1cm)1/b因此參數b可用來(lái)反映顆粒靜水絮凝沉降的快的凝膠用于樣品的分析及純度測定。圖5為聚丙烯優(yōu),b的絕對值越小,固體顆粒相對濃度衰減越快酰胺凝膠電泳圖。其中圖5(a)左側的殼聚糖標樣的若1-1/b<0,表明沉降較長(cháng)時(shí)間后,懸浮液已經(jīng)澄清。對式(5)進(jìn)行變換可得:1/(1-c/0)=a/t+b(6)將1/(1-c/c)與1/t進(jìn)行線(xiàn)性擬合,呈雙曲線(xiàn)模式本實(shí)驗用3種擬合曲線(xiàn)探討上述溶劑沉降木寡糖過(guò)程,其線(xiàn)性如表1所示。其中濃度用吸光度表1木寡糖不同絮凝模式的相關(guān)性比較Table 1 Correlation between different flocculation modes(a)f xylooligosaccharidesFirst level Secondary hyperbolic pattern0.95380.97330.9846從表1可以看出,1#、2#木寡糖均在雙曲線(xiàn)模式的模型中相關(guān)性最大,屬于一種特殊的二級絮凝動(dòng)力學(xué)。22木寡糖用毛細管電色譜法的鑒別圖5聚丙烯酰胺凝膠測木寡糖分子量毛細管電色譜(CEC)是新興的以電滲流為驅動(dòng)Fig 5 Estimation xyooligosaccharides fomula weightof gel chromatography力的分離分析新技術(shù)。電色譜分離分析中性溶質(zhì)的Left: a-Chitosan standard, b-Cycloheptaamylose standard華東理工大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)第32卷相對分子質(zhì)量在1200~1650,跑膠速度慢;右側為可達90%。實(shí)驗提取的木寡糖相對分子質(zhì)量小,為300~600,(3)用聚丙烯酰胺電泳法和端基法測得燃料乙跑膠速度快醇副產(chǎn)木寡糖相對分子質(zhì)量在300~600。從圖5(b)中可以看出,木寡糖的相對分子質(zhì)量較環(huán)糊精(糖單元為8)標樣相比要小,相對分子質(zhì)參考文獻:量在300~450之間將上述木寡糖試樣同時(shí)用端基法測定。端基法1] Yukawa Hideaki. Application of biotechnology in fuel ethano分子量的原理是用一種弱氧化性的試劑與還原糖反rom biomass [l. Eco Industry, 2002, 7(1>應根據顏色的變化來(lái)判斷糖的還原性強弱。而糖的還原性是由其端基決定的,一個(gè)木寡糖只有一個(gè)還[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個(gè)糖殘基組成的,southwest China [J]. Renewable and Sustainable Energy則完全水解后就產(chǎn)生n個(gè)還原性端基,還原性端基Reviews,2003,7(4);353-366增加的倍數就是該低聚糖的平均聚合度n。分子量3 Sedlak Miroslav, Edenberg Howard J, Ho Nancy WY.DNA計算的通式為:檢樣質(zhì)量(g)/可測端基(摩爾數)=microarray analysis of the expression of the genes encoding the檢樣的相對分子質(zhì)量major enaymes in ethanol production during glucose and xylosco-fermentation by metabolically engineered Saccharomyces由此,如圖5所示的木寡糖用端基法測定平均yeast []. Enzyme and Microbial Technology, 2003, 33(1)2分子量為310~600,這與電泳法的分析結果相符[4]洪祝,勇強.木低聚的分離提純和定性分析[]食品與3結論發(fā)醉工業(yè),199,25(2):35-38[5]薛連海,用氣相色譜法測定大豆中的低聚糖合量[J分析化學(xué),2003,31(3):382(1)木質(zhì)纖維素燃料乙醇殘液中提取的木寡糖[6]孟顯麗陳國華薄層色譜法分析殼聚糖幾]青島海泮大學(xué)學(xué)在雙曲線(xiàn)模型中相關(guān)性最大,屬于一種特殊的二級報,2002,32(4):641-544,累凝動(dòng)力學(xué)。[7]王淮.自溶酶減法提取酵母--3葡聚糖及其酶解產(chǎn)物研(2)采用毛細管電色譜分析得出,木寡糖純度充[D]武漢:華中農業(yè)大學(xué),2002期發(fā)表論文摘要預報多分散高分子固液界面吸附構型的 Monte carlo模擬劉梅堂,牟伯中華東理工大學(xué)化學(xué)系,上海200237)摘要;在格子模型基礎上用 Monte Carlo方法模擬研究了多分敉高分子在固液界面的吸附行為,重點(diǎn)考察了平均分布和正態(tài)分布兩種不同鏈長(cháng)分布形式的高分子在固液界面吸附構型的分布規律。發(fā)現高分子不同的鏈長(cháng)分布形式,對高分子吸附構型的性質(zhì)影響較大。正態(tài)分布的高分子體系中高分子3種吸附構型( tails, loops和 trains)的濃度和數目比相同條件下平均分布的高分子體系內要低得多。特別是當高分子鏈節吸附能較低時(shí),兩者的差別非常大。平均分布的高分子體系高分子吸附構型對溫度和高分子總鰱節濃度的交化更加敏感。 tails構型由于受到高分子鏈節熱運動(dòng)以及吸附層縮作用的影響,在高溫或高吸附作用能下,其密度分布表現出和其他兩種吸附構型完全不同的形式。溫度,高分子鏈節吸附作用能以及高分子總鏈節濃度對3種吸附構型的影響和單分散體系趨勢一致,但是存在著(zhù)定量的差別。