一種甘蔗葉水解液提取木糖純化最新工藝
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作者：鄭曉敏
采用傳統(tǒng)分離技術(shù)和現(xiàn)代分離技術(shù)相結(jié)合的純化工藝，對甘蔗葉水解液分別進行中和脫除無機酸，活性炭脫色，離子交換樹脂脫鹽，旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)濃縮結(jié)晶，然后通過現(xiàn)代分析儀器分析木糖產(chǎn)品純度和進行結(jié)構(gòu)表征等，最終得到了純度較高的木糖產(chǎn)品，為木糖進一步純化技術(shù)開發(fā)，奠定了理論基礎(chǔ)和數(shù)據(jù)依據(jù)。
1 材料與方法
1.1材料與設(shè)備
甘蔗葉水解液，自制；活性炭：上�；钚蕴繌S；732#陽型離子交換樹脂、717#強陰性離子交換樹脂：長沙大禹化工有限公司。
DELTA320型pH計：上海精密科學儀器有限公司；90-2型定時恒溫磁力攪拌器：上海滬西分析儀器廠；UV-4802型紫外可見分光光度計：上海尤尼柯有限公司；HH-4數(shù)顯恒溫水浴鍋：國華電器有限公司；DHG-914A電熱恒溫鼓風干燥箱：上海精宏實驗設(shè)備有限公司；AnkeGL-16G高速臺式離心機：上海安亭科學儀器廠；SHZ-D型循環(huán)水式真空泵：鞏義市英峪予華儀器廠；WZS-I阿貝折光儀：上海光學儀器廠；RE-52A旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀：上海亞榮儀器設(shè)備廠。
1.2方法
1.2.1甘蔗葉水解液的制備
甘蔗葉粉末經(jīng)過蒸汽爆破預(yù)處理（爆破壓力1.4 MPa，維壓時間12.5 min，粒度100目，料液比1：15( g/mL))過濾得爆破渣，60℃烘箱中干燥，冷卻至室溫，稱取爆破甘蔗葉用于酸催化水解處理（硫酸濃度2%，反應(yīng)時間2h，反應(yīng)溫度100℃，粒度100目，液料比1：11( g/mL》過濾得甘蔗葉水解液，測定水解液中木糖含量，備用。
1.2.2中和脫酸
中和脫酸主要是去除水解液中多余的硫酸，為避免引入新的雜質(zhì)，用Ca(OH)2，當pH為2.6～3.0時，溶液中硫酸的殘留量僅不足0.1%，但若pH高于4.0，溶液中乙酸，阿魏酸等一些有機酸就會被中和，生成可溶性鈣鹽而不容易去除，增加了離子交換樹脂脫鹽的負擔，所以中和時要控制pH小于4.0。
甘蔗葉水解液中在不停攪拌的情況下，加入Ca(OH)2溶液，該氫氧化鈣溶液中氫氧化鈣和水比重是1.10—1.15．慢慢加入到水解液中，調(diào)pH為3.0—3.5，停止，75℃恒溫水浴保溫0.5 h，0.45 μm濾膜抽濾得濾液，濃縮至原水解液體積的1/4，備用，測定不同pH情況下，木糖損失率，以確定最佳pH．計算公式見式(1)。
1.2.3 活性炭脫色
1.2.3.1 活性炭預(yù)處理
活性炭顆粒在0.25 mol/L鹽酸溶液中浸泡24 h，過濾，用蒸餾水洗至中性，濾干，在烘箱溫度120℃干燥8h，冷卻至室溫，備用。
1.2.3.2活性炭氨水改性
活化活性炭在25%氨水溶液65℃震蕩4h，過濾，用蒸餾水洗至中性，濾干，然后在烘箱溫度120℃干燥8h，冷卻至室溫即為改性活性炭，備用。
1.2.3.3經(jīng)中和脫酸處理后的甘蔗葉水解液經(jīng)改性活性炭脫色
活性炭用量為1.5 g/100 mL，80℃水浴中攪拌30min后，冷卻至室溫，以脫色率為考察目標，觀測其脫色效果。
1.2.4離子交換樹脂脫鹽
1.2.4.1樹脂預(yù)處理
D301弱堿性陰離子交換樹脂在5% NaCl溶液中浸泡4h，過濾，用蒸餾水沖洗表面NaCl溶液，用5%NaOH溶液浸泡4h，過濾后用蒸餾水沖洗至溶液pH為8.0，于烘箱中50℃烘于備用。
732#強陽離子交換樹脂于5% NaCI溶液中浸泡4h，過濾，用蒸餾水沖洗表面附著的NaCl溶液，用5% HCI溶液浸泡4h，過濾后用蒸餾水沖洗至溶液pH為6.0，于烘箱中50℃烘干備用。
1.2.4.2裝柱
向離子交換樹脂中加入去離子水，使其成為“糊狀”，裝入離子交換柱中，再加入離子水，直至液面高于樹脂2 cm左右，確保樹脂完全浸沒在去離子水中，裝柱后盡可能使樹脂緊密，不留氣泡，平衡后放出蒸餾水。陰離子交換柱D301，填充高度18 cm，柱直徑20 mm；陽離子交換樹脂732，填充高度20 cm，柱直徑20 mm。
1.2.4.3脫鹽處理
甘蔗葉水解液以2 mL/min先后經(jīng)過陽離子交換柱，陰離子交換柱，分部收集，測定透過液的色值、電導(dǎo)率和木糖含量。
2結(jié)果與討論
2.1 中和脫酸pH對脫色效果的影響
甘蔗葉水解液在75℃水浴溫度下，加入不同量的Ca(OH)2溶液，將溶液pH調(diào)至3.0，3.2，3.5和4.0，觀察中和水解液中顏色變化，結(jié)果發(fā)現(xiàn)隨著pH增大，中和水解液顏色越深，測定木糖含量，分析溶液中木糖損失率，結(jié)果如圖1所示。
從圖l看出，中和脫酸過程中，pH越大，木糖的損失率越大。這主要由于有機酸和Ca(OH)2溶液反應(yīng)速度慢，無機酸先和其反應(yīng)，生成CaSO4沉淀，一段時間后生成含結(jié)晶水的CaSO4．2H20，它具有表面吸附能力，可吸附溶液中的膠體、腐殖質(zhì)甚至木糖等，所以隨著pH增大，木糖的損失率增大。當pH為2.8—3.0時，溶液中無機酸的殘余量為0.05%~0.1%．
若pH為4.0時，全部無機酸中和完，有機酸才開始中和，使溶液中鈣鹽量增大，產(chǎn)生大量色深的物質(zhì)，使溶液顏色加深。所以中和脫酸時，一定要嚴格控制pH在4.0以下，結(jié)果表明，pH 3.0時最好，此時木糖損失率最少，溶液顏色最淺。
2.2改性活性炭用量對脫色效果的影響
甘蔗葉水解液中添加活性炭量為2.0，4.0，6.0，8.0和10 g/100 mL，甘蔗葉水解液初始pH 3.0，水浴溫度40℃，攪拌脫色時間50 min，靜置冷卻至室溫，測定脫色率和木糖損失率。結(jié)果見圖2所示。
從圖2可以看出，隨著活性炭添加量的增加，脫色率和木糖損失率都會增加，當活性炭添加量少時，脫色率隨著活性炭添加量的增加迅速增加，活性炭添加量達到6 g/100 mL時，脫色率接近80%，此后隨著活性炭添加量增加，脫色率增加緩慢；同時看出，活性炭添加量<6 g/100 mL時，隨著活性炭添加量增加，木糖損失率增加緩慢，當活性炭添加量>6 g/100 mL
后，木糖損失率增加趨勢急劇，這種情況下，活性炭吸附木糖分子比較多。所以當活性炭添加量為6 g/100mL時，有較好的脫色率和較少的木糖損失率。
1.3脫色溫度對脫色效果的影響
甘蔗葉水解液中添加活性炭量為6.0 g/100 mL，甘蔗葉水解液初始pH 3.0，在水浴溫度20℃，40℃，60℃，80℃和100℃時，攪拌脫色時間50 min，靜置冷卻至室溫，分析脫色率和木糖損失率。結(jié)果見圖3。從圖3可以看出，隨著脫色溫度增大，脫色率先增大后減小，當脫色溫度是80℃時，脫色率達到最大值，脫色率> 85%，這可能是因為脫色溫度<80℃時，脫色率增加趨勢明顯。隨著脫色溫度增大，分子運動加劇，增加色素分子之間相互碰撞機會，有利于絮體產(chǎn)生，加速活性炭吸附。脫色溫度>80℃，脫色率開始減小，這可能是因為吸附在活性炭上的色素被解吸下來。同時看出，隨著脫色溫度增大，木糖損失率增大。綜合比較脫色率和木糖損失率，80℃最合適。
2.4甘蔗葉水解液起始pH對脫色效果的影響
甘蔗葉水解液溶液起始pH是2.5，3.0，3.5, 4.0和5.0，添加活性炭量為6.0 g/100 mL，水浴溫度40℃時，攪拌脫色時間50 min，靜置冷卻至室溫，測定脫色率和木糖損失率。結(jié)果見圖4。從圖4可看出，木糖溶液初始pH在2—3.5時，脫色效果比較好，脫色率達到80%以上，pH在3.5—5時，脫色效果相對較差，當pH 5.0時，脫色率不到50%。這可能是因為部分色素分子或者顯色物質(zhì)在低pH范圍內(nèi)會改變化學形態(tài)，便于脫色。但溶液pH太小，中和脫酸工藝時，產(chǎn)生大量鹽，給脫鹽帶來困難。同時從圖上看出，當木糖溶液初始pH為3.0時，木糖損失率最小。所以木糖溶液初始pH 3.0最合適，同時進一步驗證了中和脫酸時
工藝。
2.5脫色時間對脫色效果的影響
糖水解液中添加活性炭量為6.0 g/100 mL，甘蔗葉水解液初始pH 3.0，水浴溫度80℃，在不同攪拌脫色時間是20，40，60，80和100 min，靜置冷卻至室溫，分析脫色率和木糖損失率。結(jié)果如圖5。由圖5可看出，當脫色時間<40 min時，隨著脫色時間增加，脫色率急劇增大，脫色時間在40—80 min時，脫色率增加趨勢不明顯，但當脫色時間>80 min時，脫色率開始降低，這可能是因為，隨著脫色時間延長，活性炭吸附色素增大，但當脫色時間過長時，部分吸附的色素開始解吸，脫色率降低。同時可看出，隨著脫色時間增大，木糖損失率增大，這主要是部分木糖分子吸附到活性炭上而導(dǎo)致木糖損失率降低。綜上考慮選擇脫色時間60 min時比較合適。通過對對改性活性炭脫色條件優(yōu)化，得到脫色優(yōu)化條件是：活性炭用量是6 g/100mL，初始pH是3.0，脫色溫度是80℃，脫色時間是60 min，此時脫色率是85.67%，木糖損失率是8.52%。
2.6離子交換樹脂脫鹽的結(jié)果
從圖6可以看出，陰陽離子交換樹脂與溶液中陰陽離子相互交換而使溶液中無機鹽離子數(shù)量減少，從而使電導(dǎo)率降低66.32%，色值減小88.83%，木糖含量降低6.24%。說明離子交換樹脂能夠降低導(dǎo)電率，吸附色素，但木糖含量基本不變。這可能是因為木糖提取過程中產(chǎn)生的色素含有不飽和基團如N=N，HC=CH、CH=N等，呈電離狀態(tài)，離子交換樹脂吸附色素主要是通過兩個機制：其一，樹脂上的陰離子以離子間的形式與色素陰離子交換；其二，色素的非極性部分與樹脂基質(zhì)中的基團以疏水力結(jié)合。
3結(jié)論
考察了甘蔗葉水解液的純化工藝，試驗表明：(1)中和脫酸時，溶液pH用Ca(OH)2調(diào)節(jié)至3．O，木糖損失率最小，溶液顏色最淺。(2)脫色的最佳條件是活性炭用量是6 g/100 mL，初始pH是3.0，脫色溫度是80℃，脫色時間是60 min，此時脫色率是85.67%，木糖損失率是8.52%。(3)離子交換樹脂脫鹽過程中電導(dǎo)率降低66.32%，色值減小88.83%．木糖含量降低6.24%，在脫除色素和脫鹽過程中，木糖含量有一定降低，但變化很小，已經(jīng)初步達到了純化木糖溶液工藝要求。
4摘要
為了得到純度較高的木糖產(chǎn)o，采用中和脫酸，活性炭脫色，離子交換樹脂脫鹽方法研究了爆破甘蔗葉酸解水解液的純化工藝。結(jié)果表明，水解液用Ca(OH)：中和調(diào)節(jié)至3.0，木糖損失率最小，溶液顏色最淺：活性炭用量是6 g/100 mL，初始pH 3.0，脫色溫度80 oC,脫色時間60min;離子交換樹脂能提高木糖的純度，可達92.5%。
