由棉籽殼水解液制備木糖晶體的研究

由棉籽殼水解液制備木糖晶體的研究

常規(guī)方法得到的木糖晶體形態(tài)在乙醇溶液的溶析和結(jié)晶法中，作者發(fā)現(xiàn)了用棉籽皮水處理溶液制備木糖晶的方法。通過(guò)該方法獲得的木糖晶是長(zhǎng)方的，而從傳統(tǒng)方法獲得的木糖晶是方形的。由于晶體形態(tài)往往與其使用性能相關(guān),所以,本文報(bào)道了這一現(xiàn)象,并給出獲得該晶體的過(guò)程細(xì)節(jié)。1實(shí)驗(yàn)部分1.1方法、條件和步驟實(shí)驗(yàn)過(guò)程分為水解、水解液的處理、結(jié)晶3個(gè)工序。1.1.1棉籽殼的水解原料預(yù)處理:將掛有棉絮的棉籽殼放入小型粉碎機(jī)中粉碎,將棉絮和棉籽殼分離,篩選出一定粒度的棉籽殼,于烘箱中烘干3h后備用。水解反應(yīng):準(zhǔn)確稱取一定質(zhì)量的棉籽殼,在稀硫酸條件下預(yù)處理1h,除去水溶性色素。在以下條件下水解:液固比20∶1,常壓,棉籽殼粒度為0.50mm(篩下粒度),硫酸濃度為1.5%,反應(yīng)時(shí)間為4h,反應(yīng)溫度為100℃。最終測(cè)定木糖收率為26.9%。1.1.2木糖水解液的制備水解液的中和脫酸:采用碳酸鈣來(lái)中和水解液中的硫酸,處理溫度按文獻(xiàn)取80℃,并嚴(yán)格控制pH值等于4。中和后的溶液與沉淀經(jīng)減壓過(guò)濾后轉(zhuǎn)入脫色步驟。水解液的脫色:水解液中的色素采用活性炭脫除。將木糖水解液升溫至80℃,加入水解液質(zhì)量約6%的粉末狀活性炭,恒溫?cái)嚢?h,將溶液過(guò)濾后得到無(wú)色或淺黃色透明水溶液,經(jīng)測(cè)定后其透光率改善為96%。凈化液的濃縮:上述過(guò)程得到的凈化水解液中木糖的濃度通常比較低,一般為5%(質(zhì)量)左右。為進(jìn)入結(jié)晶工序,需將其濃縮。實(shí)驗(yàn)中采用真空旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器進(jìn)行濃縮:水浴溫度為55℃,真空度為0.085MPa,濃縮后木糖濃度約為50%(質(zhì)量)。1.1.3結(jié)晶器操作條件的優(yōu)化濃縮液的結(jié)晶:取一定量的濃縮液,將其加熱到60℃,加入一定比例的乙醇,然后逐漸降溫,當(dāng)溫度降至50℃時(shí),加入一定比例的晶種。可采用正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及均勻設(shè)計(jì)法對(duì)木糖濃度、攪拌速度、冷卻速度、乙醇比例、晶種質(zhì)量等操作條件進(jìn)行尋優(yōu)。本文采用優(yōu)化后的操作條件時(shí),木糖的結(jié)晶收率可達(dá)77.6%。晶體洗滌與干燥:結(jié)晶完成后,將結(jié)晶器中晶漿倒出后進(jìn)行抽濾,抽濾后期用無(wú)水乙醇沖洗2～3次。將所得晶體于45℃下烘干至恒重。可用重結(jié)晶的方法進(jìn)一步提高晶體的純度。1.2分析方法水解液中木糖組成測(cè)定:采用DNS光度法測(cè)定水解液中的木糖組成。經(jīng)實(shí)驗(yàn)確定最大吸收波長(zhǎng)為490nm。實(shí)驗(yàn)中采用上海棱光技術(shù)有限公司生產(chǎn)的可見(jiàn)分光光度計(jì),型號(hào)為722PC。掃描電鏡分析:委托天津大學(xué)分析測(cè)試中心采用飛利浦XL30-TMP-ESEM環(huán)境掃描電子顯微鏡進(jìn)行分析。紅外光譜分析:委托石河子大學(xué)分析測(cè)試中心采用紅外光譜儀進(jìn)行分析。儀器為美國(guó)尼高麗(Nicolet)儀器公司生產(chǎn),型號(hào)為AVATAR360。熔點(diǎn)測(cè)定:采用熔程測(cè)定儀測(cè)定結(jié)晶木糖的熔程。儀器為上海精密科學(xué)儀器有限公司生產(chǎn)的數(shù)字熔點(diǎn)儀,型號(hào)為WRS-1B。木糖晶體純度測(cè)定:委托丹尼斯克(安陽(yáng),中國(guó))甜味劑有限公司采用液相色譜儀測(cè)定。儀器型號(hào)為CTO-10ASVPSHIMADZU。2結(jié)果與討論實(shí)驗(yàn)中制備了一定量的木糖晶體產(chǎn)品,對(duì)該晶體產(chǎn)品進(jìn)行了一系列分析。2.1木糖晶體的環(huán)境掃描電鏡分析該晶體100倍、200倍放大的環(huán)境掃描照片示于圖1。為了與常見(jiàn)的由玉米芯制得的木糖晶體進(jìn)行比較,本文對(duì)丹尼斯克公司提供的木糖晶體也進(jìn)行了環(huán)境掃描電鏡分析,結(jié)果示于圖2?？梢园l(fā)現(xiàn),兩者的晶形并不完全一致:本文由棉籽殼制得的木糖晶體呈長(zhǎng)棱形,而丹尼斯克的由玉米芯制得的木糖晶體呈方形顆粒狀。2.2木糖晶體的液相色譜分析委托丹尼斯克(安陽(yáng))有限公司采用專用的液相色譜分析對(duì)本文得到的木糖晶體進(jìn)行了純度測(cè)定,得到的液相色譜曲線示于圖3,純度為99.64%。2.3木糖與甜味劑的產(chǎn)品熔程比較采用熔程測(cè)定儀測(cè)定了所得晶體產(chǎn)品的熔程,與丹尼斯克(安陽(yáng))甜味劑有限公司的木糖及天津市光復(fù)科技發(fā)展有限公司木糖產(chǎn)品熔程相比較,結(jié)果列于表1?？梢钥闯?本文得到的木糖的熔程居于兩種商業(yè)木糖產(chǎn)品之間,相差不大。2.4木糖產(chǎn)品的紅外光譜委托石河子大學(xué)分析測(cè)試中心對(duì)本文得到的晶體產(chǎn)品與丹尼斯克(安陽(yáng))甜味劑有限公司的木糖產(chǎn)品進(jìn)行了紅外光譜鑒定,光譜圖示于圖4。可以看出,二者譜圖非常接近。2.5晶體的收率稱量烘干后所得的木糖晶體質(zhì)量,計(jì)算晶體的收率。在本文優(yōu)化條件下操作,結(jié)晶收率可達(dá)77.6%,明顯高于現(xiàn)有工業(yè)操作的木糖結(jié)晶收率(約50%)。2.6粒度分布曲線圖將木糖晶體用標(biāo)準(zhǔn)篩進(jìn)行篩分分析,測(cè)定其粒度分布情況。采用概率密度坐標(biāo)畫(huà)出粒度分布曲線圖,如圖5所示。根據(jù)圖5可計(jì)算出該木糖晶體中間粒度(M.S.)為151μm,變異系數(shù)(C.V.)為47%。3木糖結(jié)晶工藝的改進(jìn)采用乙醇溶析結(jié)晶方法,以棉籽殼為原料,經(jīng)過(guò)原料預(yù)處理、水解、中和、脫色、濃縮、結(jié)晶、洗滌、干燥等一系列步驟,得到木糖晶體產(chǎn)品。對(duì)該晶體產(chǎn)品的鑒定結(jié)果表明,該晶體產(chǎn)品與由玉米芯得到的木糖晶體具有類似的紅外光譜曲線和熔程,但在晶形上,本文得到的晶體呈長(zhǎng)棱形,而玉米芯木糖產(chǎn)品呈方形。造成這種結(jié)果的原因是多方面的,例如溶液的影響、雜質(zhì)的影響,需要大量后續(xù)研究予以揭示。再有,這種晶形的變化對(duì)木糖使用性能有無(wú)影響以及影響程度如何,也需進(jìn)一步的研究。在本文優(yōu)化操作條件下,結(jié)晶工序的收率可達(dá)77.6%,明顯高于工業(yè)上木糖結(jié)晶收率(約50%)。表明乙醇溶析結(jié)晶是一種很有潛力的結(jié)晶方法。實(shí)驗(yàn)得到的木糖晶體中間粒度(M.S.)為151μm,變異系數(shù)(C.V.)為47%。產(chǎn)品純度為99.64%。木糖(d-xylose)是一種五碳糖,是生產(chǎn)木糖醇的原料,通常由玉米芯、棉籽殼或椰子殼等農(nóng)作物廢料,經(jīng)稀酸催化水解、一系列復(fù)雜的雜質(zhì)脫除過(guò)程,再經(jīng)蒸發(fā)結(jié)晶制得。結(jié)晶是制備木糖的一個(gè)關(guān)鍵步驟,工業(yè)上多采用蒸發(fā)冷卻結(jié)晶方法,得到的晶漿黏稠,晶體顆粒較小,后續(xù)洗滌過(guò)程損失較大。為了改進(jìn)結(jié)晶產(chǎn)品質(zhì)量,提高收率,一些研究者對(duì)木糖結(jié)晶過(guò)程的熱力學(xué)及動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行了研究。結(jié)果表明,在適宜的操作條件下,木糖結(jié)