由棉籽壳水解液制备木糖晶体的研究

由棉籽壳水解液制备木糖晶体的研究

常规方法得到的木糖晶体形态在乙醇溶液的溶析和结晶法中，作者发现了用棉籽皮水处理溶液制备木糖晶的方法。通过该方法获得的木糖晶是长方的，而从传统方法获得的木糖晶是方形的。由于晶体形态往往与其使用性能相关,所以,本文报道了这一现象,并给出获得该晶体的过程细节。1实验部分1.1方法、条件和步骤实验过程分为水解、水解液的处理、结晶3个工序。1.1.1棉籽壳的水解原料预处理:将挂有棉絮的棉籽壳放入小型粉碎机中粉碎,将棉絮和棉籽壳分离,筛选出一定粒度的棉籽壳,于烘箱中烘干3h后备用。水解反应:准确称取一定质量的棉籽壳,在稀硫酸条件下预处理1h,除去水溶性色素。在以下条件下水解:液固比20∶1,常压,棉籽壳粒度为0.50mm(筛下粒度),硫酸浓度为1.5%,反应时间为4h,反应温度为100℃。最终测定木糖收率为26.9%。1.1.2木糖水解液的制备水解液的中和脱酸:采用碳酸钙来中和水解液中的硫酸,处理温度按文献取80℃,并严格控制pH值等于4。中和后的溶液与沉淀经减压过滤后转入脱色步骤。水解液的脱色:水解液中的色素采用活性炭脱除。将木糖水解液升温至80℃,加入水解液质量约6%的粉末状活性炭,恒温搅拌2h,将溶液过滤后得到无色或浅黄色透明水溶液,经测定后其透光率改善为96%。净化液的浓缩:上述过程得到的净化水解液中木糖的浓度通常比较低,一般为5%(质量)左右。为进入结晶工序,需将其浓缩。实验中采用真空旋转蒸发器进行浓缩:水浴温度为55℃,真空度为0.085MPa,浓缩后木糖浓度约为50%(质量)。1.1.3结晶器操作条件的优化浓缩液的结晶:取一定量的浓缩液,将其加热到60℃,加入一定比例的乙醇,然后逐渐降温,当温度降至50℃时,加入一定比例的晶种。可采用正交实验设计及均匀设计法对木糖浓度、搅拌速度、冷却速度、乙醇比例、晶种质量等操作条件进行寻优。本文采用优化后的操作条件时,木糖的结晶收率可达77.6%。晶体洗涤与干燥:结晶完成后,将结晶器中晶浆倒出后进行抽滤,抽滤后期用无水乙醇冲洗2～3次。将所得晶体于45℃下烘干至恒重。可用重结晶的方法进一步提高晶体的纯度。1.2分析方法水解液中木糖组成测定:采用DNS光度法测定水解液中的木糖组成。经实验确定最大吸收波长为490nm。实验中采用上海棱光技术有限公司生产的可见分光光度计,型号为722PC。扫描电镜分析:委托天津大学分析测试中心采用飞利浦XL30-TMP-ESEM环境扫描电子显微镜进行分析。红外光谱分析:委托石河子大学分析测试中心采用红外光谱仪进行分析。仪器为美国尼高丽(Nicolet)仪器公司生产,型号为AVATAR360。熔点测定:采用熔程测定仪测定结晶木糖的熔程。仪器为上海精密科学仪器有限公司生产的数字熔点仪,型号为WRS-1B。木糖晶体纯度测定:委托丹尼斯克(安阳,中国)甜味剂有限公司采用液相色谱仪测定。仪器型号为CTO-10ASVPSHIMADZU。2结果与讨论实验中制备了一定量的木糖晶体产品,对该晶体产品进行了一系列分析。2.1木糖晶体的环境扫描电镜分析该晶体100倍、200倍放大的环境扫描照片示于图1。为了与常见的由玉米芯制得的木糖晶体进行比较,本文对丹尼斯克公司提供的木糖晶体也进行了环境扫描电镜分析,结果示于图2。可以发现,两者的晶形并不完全一致:本文由棉籽壳制得的木糖晶体呈长棱形,而丹尼斯克的由玉米芯制得的木糖晶体呈方形颗粒状。2.2木糖晶体的液相色谱分析委托丹尼斯克(安阳)有限公司采用专用的液相色谱分析对本文得到的木糖晶体进行了纯度测定,得到的液相色谱曲线示于图3,纯度为99.64%。2.3木糖与甜味剂的产品熔程比较采用熔程测定仪测定了所得晶体产品的熔程,与丹尼斯克(安阳)甜味剂有限公司的木糖及天津市光复科技发展有限公司木糖产品熔程相比较,结果列于表1。可以看出,本文得到的木糖的熔程居于两种商业木糖产品之间,相差不大。2.4木糖产品的红外光谱委托石河子大学分析测试中心对本文得到的晶体产品与丹尼斯克(安阳)甜味剂有限公司的木糖产品进行了红外光谱鉴定,光谱图示于图4。可以看出,二者谱图非常接近。2.5晶体的收率称量烘干后所得的木糖晶体质量,计算晶体的收率。在本文优化条件下操作,结晶收率可达77.6%,明显高于现有工业操作的木糖结晶收率(约50%)。2.6粒度分布曲线图将木糖晶体用标准筛进行筛分分析,测定其粒度分布情况。采用概率密度坐标画出粒度分布曲线图,如图5所示。根据图5可计算出该木糖晶体中间粒度(M.S.)为151μm,变异系数(C.V.)为47%。3木糖结晶工艺的改进采用乙醇溶析结晶方法,以棉籽壳为原料,经过原料预处理、水解、中和、脱色、浓缩、结晶、洗涤、干燥等一系列步骤,得到木糖晶体产品。对该晶体产品的鉴定结果表明,该晶体产品与由玉米芯得到的木糖晶体具有类似的红外光谱曲线和熔程,但在晶形上,本文得到的晶体呈长棱形,而玉米芯木糖产品呈方形。造成这种结果的原因是多方面的,例如溶液的影响、杂质的影响,需要大量后续研究予以揭示。再有,这种晶形的变化对木糖使用性能有无影响以及影响程度如何,也需进一步的研究。在本文优化操作条件下,结晶工序的收率可达77.6%,明显高于工业上木糖结晶收率(约50%)。表明乙醇溶析结晶是一种很有潜力的结晶方法。实验得到的木糖晶体中间粒度(M.S.)为151μm,变异系数(C.V.)为47%。产品纯度为99.64%。木糖(d-xylose)是一种五碳糖,是生产木糖醇的原料,通常由玉米芯、棉籽壳或椰子壳等农作物废料,经稀酸催化水解、一系列复杂的杂质脱除过程,再经蒸发结晶制得。结晶是制备木糖的一个关键步骤,工业上多采用蒸发冷却结晶方法,得到的晶浆黏稠,晶体颗粒较小,后续洗涤过程损失较大。为了改进结晶产品质量,提高收率,一些研究者对木糖结晶过程的热力学及动力学特性进行了研究。结果表明,在适宜的操作条件下,木糖结