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杨木剩余物自水解制备低聚木糖的工艺优化
摘要：植物通过光合作用生产了世界上最丰富、最廉价的纤维素资源。随着世界人口的增长和社会的发展，各种资源急剧短缺，纤维素资源的开发与利用引起世界各国的极大关注和高度重视。低聚木糖作为一种功能性多糖，具有增殖肠道双歧杆菌、抑制大肠杆菌等有害菌、预防糖尿病等作用，已经被广泛用于食品、医药、饲料等行业。杨木作为一种林业资源有着生长迅速、适应性强等特点，但相比于其他农业废弃物，其结构更加复杂。所以需要有一种预处理技术将其结构破坏。自水解有望成为一种简洁高效、对环境友好、成本又低的预处理技术[1]。本研究采用自水解方法对不同预处理因素进行优化，探究了不同单因素下低聚木糖得率变化及其分布，以及后续纤维素酶解效果。
关键词：杨木；低聚木糖；纤维素；预处理优化；
前言
在人类发展史上, 最初对人类文明做出卓越贡献的能源资源是森林。伴随着工业革命的进行, 主要角色转变为煤炭及石油。能源应用的变革一方面极大地推进了人类社会发展, 另一方面也给环境带来了严重的危害。随着煤炭和石油等能源资源的日益减少以及全球环境的不断恶化,发展清洁可再生能源是全世界急需解决的问题之一。近年来,利用木质纤维原料生产生物质能源以替代化石能源越来越受到人们的高度关注。与化石能源相比,生物质能源具有可再生、储量大等优势。地球上每年大约形成1000亿吨植物有机物，是自然界分布最广、含量最多、价格低廉，而又未得到充分利用的可再生资源[2，3]。然而它们中大多数的利用率都很低，甚至还会污染环境。这种纤维素类废弃物是廉价的可再生资源, 年产量高达 1.8times;1012吨[4]。
它的充分、有效利用既是解决人类所面临的能源危机、粮食短缺和严重环境污染问题的重要手段, 也是实现人类社会可持续发展的主要途径。木质纤维原料不但来源丰富, 而且可以在生物医药、建筑、纺织、运输乃至光电子器件等诸多领域有着应用, 利用生物质中的纤维素合成高值化材料去补充或替代化石基合成材料是目前重要发展趋势[5]。杨木作为一种速生用材林，在我国分布广泛数量众多，有着巨大的开发潜力。杨树在我国分布范围跨北纬 25～53°,东径 76～134°,遍布东北、西北、华北以及西南等地。在四川,分布海拔可达3500m。
近年来由于引进南方型美洲黑杨,中国杨树栽培区已南移到湖北、湖南、浙江、江苏等省的平原地区[6]。杨木易干燥，加工性能好，大多用作民用建筑、家具、火柴梗用材和锯材等。在木材工业上, 杨木易于旋切和各种切削加工,具有良好的胶合性能 ,作为胶合板材大有发展前途。据生产实践, 生产1m3 胶合板的原木消耗量，杨木约需 3m3，径级大，质量好的，原木消耗量会低一些。与其它胶合板用材比较,原料价格低 ,可获得比较高的利润。由于杨树生长迅速、适应性强、容易繁殖 ,是木材加工原料基地林优选树种之一[6]。而且杨木叶、花、皮还在医疗、保健等方面有着很高的价值和潜力等着人们去发现和开发。
杨木的木质纤维主要42-49％的纤维素，16-23％的半纤维素和21-29％的木质素[7]。纤维素是由六碳葡萄糖组成的并通过beta;-1,4糖苷键连接而成的线性不分支高聚糖。通过适当处理，一长串的纤维素能够被分解成很多葡萄糖单元。半纤维素是由五碳糖和六碳糖组成的并且有分支的杂聚物。和纤维素相比，半纤维素使二维高聚物。常见组成半纤维素的糖类包括：甘露糖、木糖、阿拉伯糖等。木质素是由苯丙烷基单元组成的无定形三维高聚物。同时木质素还是一层天然屏障，保护纤维素和半纤维素不被生物降解。杨木木质纤维素的紧密结构为其开发和利用增加了难度，这时就需要对木质纤维原料进行预处理，破坏木质素的结构，使纤维素和半纤维素的转换利用率提高。常见的预处理方式由酸处理、碱处理和自水解处理等。相较于其他预处理方式，自水解预处理杨木有着更好的效果。其优势是固态纤维素和木素组分损失较少的同时, 以可溶性糖类形式存在的半纤维素具有较高的回收率[8]。同时，自水解还优于其他预处理方式的原因在于：水是唯一的试剂；半纤维素得到了利用且成本低。杨木经自水解预处理后能够产生具有高附加价值的低聚木糖。
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