一种从甜高粱中提取糖的高效提取方法

背景

甜高粱是一种被驯化的草，含有富含糖的汁液，可以很容易地用于乙醇生产。大部分糖储存在茎部组织的细胞内，很难释放出来，这是传统发酵前的必要步骤。虽然这种作物作为生产生物燃料的干旱土地糖源很有希望，但必须克服一些挑战。一是秸秆中糖的固有不稳定性导致可用储存时间短。此外，从甜高粱茎中收集糖通常是通过机械挤压完成的，但通常不会收集所有可用的糖。

结果

在这篇论文中，我们提出了两种方法来解决这些挑战，利用甜高粱进行生物燃料生产。第一种方法展示了在半干旱条件下在田间储存甜高粱秸秆的方法。第二种方法提供了一种有效的水提取方法，可以收集尽可能多的有效糖。研究的操作参数包括温度、秸秆大小和固液比，这些参数既影响糖的释放速率，也影响以低用水量为目标的最大回收率。最理想的条件包括30°C，固液比0.6 (w/w)，收集90%的有效糖。不同的提取方法不会改变最终乙醇发酵的效率。

结论

水提法可用于鲜甜高粱茎和干甜高粱茎的糖提取。当与当前的糖提取方法相结合时，与当前的现场实践相比，整体乙醇生产效率将提高。

随着对燃料需求的增加和化石资源的枯竭，乙醇作为一种替代运输燃料的产量大大增加。乙醇主要是通过从富含糖的植物如玉米、甜高粱、甘蔗和其他植物中提取的碳水化合物发酵生产的。玉米是乙醇生产的传统原料，因为它的淀粉含量高，生长和加工的基础设施发达。然而，玉米乙醇的生产是有限的，因为玉米也是动物和人类的主要食物，它需要大量的肥料和水，而且在一些干燥的气候条件下生长效率不高。

甜高粱(高粱二色的(l)Moench)被认为是一种潜在的乙醇生产原料，因为它在秸秆中积累可发酵的糖[1同时具有抗旱性和耐高盐度土壤。甜高粱汁通常含有约16-18%的可发酵糖，主要由蔗糖、葡萄糖和果糖组成。据报道，多个地点的乙醇产量从2129升公顷不等⁻¹密歇根州为6388 L ha⁻¹在夏威夷2]。以甜高粱为原料生产乙醇的典型工艺流程如图所示1．甜高粱汁分批补料发酵可提高乙醇产量和生物量浓度[3.]。从甘蔗梗中收集糖的挑战依然存在。

从甜高粱中提取糖的传统方法是通过碾磨机挤压秸秆，在甘蔗提取糖的过程中释放出富含糖的汁液。破碎的主要缺点是:1)在一次破碎后仍有大量的可发酵糖(通常只有不到一半的糖在秸秆中被回收)[4] [52)劳动和能源密集型。虽然甘蔗的多阶段固定式提取技术可获得较高的糖提取效率(95%)[6]，则需要消耗更多的能量才能达到这样的萃取效率[7]。随着辊隙的减小，果汁的提取和糖的回收增加，但更紧密的破碎导致磨机堵塞更频繁。研究表明，在碾压前切碎秸秆和在挤压过程中加水可以提高糖的回收率[8]。

我们在此介绍一种水提取方法，类似于从甜菜、腰果、苹果、甘蔗渣和角豆中提取糖的方法[8- - - - - -10]。从每个农业来源提取糖需要根据糖和水的含量、纤维结构和组成以及几何尺寸制定独特的操作条件。例如，从腰果苹果甘蔗渣中提取糖，最佳提取条件为液固体积比1:3 .26 (mL/g)， pH 6.42，提取时间6.3 h，温度52℃[8]。水萃取法的一个缺点是萃取水中的糖浓度通常相当低，难以满足工业规模乙醇生产所需的20 Brix (g蔗糖/ 100毫升溶液)的操作条件。在甜菜制糖过程中，将压榨水完全循环用于甜菜糖蜜的提取，以提高糖的浓度[11]。本研究开发并评估了改进的水提取方法，以克服低糖浓度和高需水量的问题。

本研究的目标是开发和表征一种从甜高粱秸秆中收集可发酵糖的方法，可以用作乙醇生产的原料。利用生物工程方法，结合植物生理学、工程力学和分离、发酵的理解。该方法可以收集大量的植物糖，并与新鲜秸秆、高度干燥的秸秆或加工过的生物质一起利用。

储存条件的影响

甜高粱茎的储存是在两种条件下进行的，在这两种条件下，水分要么蒸发掉，要么没有水分从系统中流失(后者被称为封闭条件，从茎中释放的任何水分都保留在塑料袋中与茎接触)。在干燥和潮湿条件下，前2天茎秆含水量下降5.0%(数据未显示)。在第2 ~ 13天，干贮秸秆含水量从88%下降到77%，而湿贮秸秆含水量在第2 ~ 22天没有明显变化。干贮秸秆中糖浓度从107 g/L增加到170 g/L，主要原因是失水使体积减小(图2)，但由于前面提到的水分流失，这个数字多少有些误导。因此，总糖含量(糖的质量，M_糖)对茎干质量(M_干茎)，假设果汁的密度近似等于水的密度。计算方法如下:

以水分为分数(0 <水分< 1)v/v。在干贮藏和湿贮藏条件下，前2天总糖分别下降了26%和20%3.）.干贮秸秆第2 ~ 22天总糖质量无显著变化。湿茎总糖质量在第13 ~ 22天下降33%;湿贮藏中糖质量的减少可能是由于微生物的消耗，根据湿秸秆的强烈芳香气味来衡量，但在干秸秆中没有观察到这一点。

糖释放动力学

研究了提取时间、温度和底物尺寸对秸秆除糖的影响。糖(蔗糖、葡萄糖、果糖)的释放速率几乎与其浓度成倒数(图4）.随着基质表面积体积比的增加，糖的释放速率增加。一阶动力学模型充分拟合了每种糖的释放速率与不同粒径底物浓度之间的关系。

初始糖释放速率(每种基底尺寸在0.5 h时间点测量)随着温度和秸秆机械分解程度的增加而增加(图5）.只有地面样品显示出阿伦尼乌斯温度关系，而较少处理的尺寸1和尺寸2样品显示出较少的释放速率随温度的增加，而基于阿伦尼乌斯关系。底物尺寸对糖的最大释放量有很大影响，在37.8℃时影响最大(图2)6）.综上所述，这些结果表明高粱纤维结构在结合糖和限制释放方面起着很大的作用。

回收甘蔗渣提取糖

为了从每根茎中收集最多的糖，使用相同的甘蔗渣样品进行重复提取，但使用新鲜的提取溶液(图2)7）.糖的释放总量与固液比成正比。当固液比在0.2 ~ 0.6之间时，一个提取周期后释放了90%的有效糖，而第二个提取周期捕获了99%的有效糖。当固液比为0.8时，第一个循环中糖的提取量不成比例地下降了42%。如此高的固液比不允许用提取水连续覆盖高粱，从而减少了接触时间，从而降低了糖的回收率。固液比为0.6更可取。

用回收液提取糖

为了使这一过程切实可行，水的使用也必须降到最低。研究采用了先前使用过的带有新鲜底物的萃取水。因此，从秸秆中提取的糖积累，减少了水的消耗。与第一批相比，在第5个提取循环中，用于获得单位质量糖的秸秆质量增加了18%，而所需的水体积减少了76%，并且在每个循环中收益递减(图8）.根据每单位提取糖的秸秆和水的消耗，建议提取糖的循环次数不超过5次。

汁脱水

甜高粱汁脱水已被研究作为一种降低运输成本和提高稳定性的手段[12但在一个狭窄的条件范围内。新鲜的果汁样品通过温和的煮沸脱水，以减少10、20、30和40%的总体积。这些果汁样品在第二天进行发酵。

10%脱水果汁与对照组差异不显著，20%、30%、40%脱水果汁与对照组差异显著(P < 0.01、0.05、0.01)9),分别。与完全水化的对照相比，体积减少了40%，乙醇浓度(v/v)增加了50%，从而获得了高乙醇产量。然而，当以乙醇的质量为基础时(使用恒定体积假设确定)脱水40%减少了乙醇产量比未改变的对照组提高了10%。从脱水前相同初始体积的甜高粱汁乙醇比例比较，减除30%及以下处理与对照相比，乙醇质量无显著差异(P < 0.05)。这些结果表明，只要减体积小于30%，脱水甜高粱汁可能是一种降低运输和储存成本的有效方法。

果汁过滤发酵

果汁过滤是一种常用的清洁果汁的现场过程，但可能会去除可能发酵的糖。原料果汁和过滤果汁的乙醇产量和发酵效率无明显差异(表2)1）.过滤似乎是不必要的，但也不会导致乙醇产量的任何下降。这也与Coble[13]。图中显示了一个过滤果汁发酵的例子10．请注意，蔗糖的快速减少与葡萄糖和果糖的增加同时发生，这是蔗糖双糖的组成部分。随着发酵的进行，蔗糖首先被消耗掉，葡萄糖和果糖是最后消耗掉的糖。

糖提取方法的可行性

从标准压制或粉碎方法收集糖的效率可以与水提取方法进行比较(表2）.取一根304厘米长的典型甜高粱茎秆，用商业现场规模的榨汁机压榨，得到140毫升的果汁，总糖浓度为100克/升。这里所示的水提取方法通常是将4厘米长的茎秆放在50毫升的提取水中，得到的糖浓度约为9.2克/升2)以每使用一根茎秆收集的糖量(克糖/茎秆长度单位厘米)计算，水提法每厘米茎秆收集的糖量为0.115克，而粉碎法每厘米茎秆收集的糖量为0.046克。水萃取法收集的糖质量比单独的粉碎法多大约150%。当然，水萃取需要更大的能量来去除水分，但在萃取过程中水的循环利用可以减少这一量，同时达到与单次水萃取几乎相同的收集效率。

这里已经探索了几种处理甜高粱秸秆的方法，以收集尽可能多的糖，并使用可以与全面乙醇生产设施很好地结合的方法及时利用糖来生产乙醇。

在田间储存秸秆的试验中，秸秆保持封闭(防止水分蒸发，导致我们所说的潮湿条件)和开放，使水分可以自由蒸发。潮湿条件不太有利，因为水的存在允许自发(不是有意接种的)微生物分解的生长，导致秸秆有一种甜的，辛辣的气味。在干燥的环境中，秸秆可以在田间储存，损失约四分之一的糖，这与Schmidt[14];这种现场储存策略可以促进收获物流。与果汁室温贮藏3天后的糖损失比较[12]，茎秆的糖损失较低。在收获后2天至22天的窗口内，在干旱环境下，干燥贮藏没有明显的糖损失。

开发和测试水提取方法的关键步骤是评估秸秆大小(机械加工量)和糖释放动力学之间的关系。正如预期的那样，达到最大糖浓度所需的时间随着底物尺寸的减小而减少。甜高粱秸秆的糖释放速率和糖释放总量受基质大小和加工工艺的限制。碾碎的秸秆使糖很容易以很高的速率扩散到水中，并遵循阿伦尼乌斯与温度的关系。未磨碎的秸秆对温度的依赖性大大降低，这表明糖从植物纤维束中转移在某种程度上受到抑制和由扩散以外的过程驱动。当然，进一步切断秸秆会增加加工能量和成本，并且需要与提取时间和成本相平衡。

随着萃取水中糖浓度的增加，糖的释放速率降低。在最低糖浓度(最早时间)出现意想不到的高糖释放速率，可能是由于糖从底物表面扩散较快，而不是从底物内部扩散较快。尺寸2衬底的表面积体积比比尺寸1衬底高72%;而在最低糖浓度下，2号底物的糖释放速率比1号底物提高了14%。茎秆组织中储存的糖大部分通过维管束组织通过切下的茎秆横切面扩散到水中。在1号和2号底物中，茎内的糖似乎被茎组织阻塞了。“磨”茎的维管组织和纤维组织破裂;这消除了屏障效应，同时也增加了表面积。

随着液体重复使用周期的增加，从新添加的秸秆中扩散到提取液中的糖减少。这可以用初始糖浓度对糖扩散速率的影响来解释。提取液中积累的糖越多，糖的释放速率越低。循环水提取法比循环甘蔗渣提取法提取更多的糖，使用更少，因此更可取。

发酵前期葡萄糖和果糖浓度的升高是由于酵母中蔗糖被蔗糖酶分解造成的。水提工艺对乙醇发酵效率无明显影响。

虽然水提法的糖浓度较粉碎法低，但水提法从甜高粱秸秆中回收的糖质量是粉碎法的2.5倍。此外，本文开发的循环水提取方法提高了提取液中糖的浓度，且耗水量较少。对于这种方法，还没有对水萃取法和破碎法的能源成本进行比较。设计一种低能耗的糖浓缩工艺(可能使用太阳能)是未来工作的重点。

这些研究的目标是开发一种用于甜高粱乙醇生产的高效糖提取和秸秆储存方法。水萃取法比更标准的粉碎法释放出的糖多两倍以上;采糖方法不影响发酵效率。糖释放速率和最大糖释放量随温度升高和底物尺寸减小而增加。在37.8℃条件下，与25℃条件下1 cm秸秆基质相比，地面秸秆释放糖的速度提高了4倍。糖提取液的循环利用是一种更有效的方法，糖的收率为0.05 g / g鲜秸秆。秸秆在露天储存2天以上，在干燥条件下总糖损失20%，但储存2天至22天的糖损失最小。这些加工方法的整合对于验证成本和效率是必要的，但当一起使用时，整体乙醇生产效率应该比目前的现场实践有所提高。

糖提取程序

试验采用2010年6月和2010年10月15日在亚利桑那大学图森校区农业中心人工栽培和收获的甜高粱M81E品种。所有甜高粱茎和汁在收获后储存在−20°C的冰箱中。冷冻的秸秆在使用前在室温(25°C)下解冻，用手去皮。在这项研究中，秸秆被缩小到三种大小。1号茎的长度为1厘米。将1号茎秆沿轴向切成4段制备2号茎秆。“磨碎的”秸秆(尺寸3)使用来自Sears Roebuck and Co.的375 W家用搅拌机制备，型号为400-829301。

提取过程在培养箱中以80转/分的速度在振动筛上进行，用于糖释放动力学研究。将5克秸秆放入100ml Erlenmeyer烧瓶中50ml纳米纯水中，并覆盖铝箔。在0.5、1、2、4和8小时的时间点采集样本。本试验采用3个重复，评估3种温度(25、30和37.8℃)和3种秸秆尺寸。

改进的糖提取方法

回收的甘蔗渣提取实验是通过向前一批提取的甘蔗渣中加入淡水进行的。在回收甘蔗渣法中，糖的提取进行了三个循环。甘蔗渣是用布赫纳漏斗分离的。然后将回收的甘蔗渣加入20毫升水中，以保持相同的固液比(克秸秆/毫升水)，用于下一批提取。在回收液法中，糖的提取进行了5个循环。再利用的水是在用布赫纳漏斗分离甘蔗渣后收集起来的。然后在回收的提取液中加入5克新鲜甘蔗渣，以保持相同的固液比，进行下一批提取。分批提取在30°C下进行2 h，震动速度为80 rpm。每批提取后采集样品，分析释放的糖(葡萄糖、果糖和蔗糖)。

甜高粱汁发酵法

为了测试过滤过程对糖含量和发酵效率的影响，使用三种不同的过滤器进行过滤，poly2000, poly2004和poly2007，由FLO Trend Systems Inc. (Houston, TX)提供。果汁由Pinal Energy, LLC (Maricopa, AZ)提供的乙醇红酵母在1.3 l BioFlo115发酵罐中发酵48小时，接种量为50 mg干酵母/500 ml果汁，搅拌速度为80 rpm, 30°C，前两个小时以0.1 l /分钟的流速提供氧气。在发酵过程中提取样品，然后用高效液相色谱法分析糖和乙醇含量。方法遵循了Teetor[15]。

甜高粱秸秆贮藏试验

干燥贮藏条件是通过将整株秸秆放置在开阔的田地中，去除叶片和头。湿润条件是通过将秸秆密封在塑料袋中实现的。在亚利桑那大学图森校区农业中心，每种贮藏条件下的10根秸秆被放置在田间22天。茎秆贮藏试验于2010年9月29日至10月20日进行。平均最高和最低温度分别为88°F和63°F。贮藏期间的平均温度和相对湿度分别为75°F和39.1% RH [16]。在整个茎秆的中间环节剪下一小段茎秆进行取样。然后使用弗雷德·s·卡弗公司的实验室液压机对秸秆进行压制。C型，序列号29000-393。

汁脱水

评估了果汁脱水(含水量降低)的影响。将冷冻甜高粱汁在室温下解冻，然后以4000转/分的速度离心20分钟以去除沉淀物。水通过在实验室热板上轻轻煮沸100毫升的果汁样品除去。将果汁体积从10、20、30和40毫升减少。样品脱水后发酵1天。发酵后采用高效液相色谱法测定乙醇含量[15]。与未脱水的果汁进行了比较。除此之外，所使用的方法如上所述。

所生产的乙醇的所有比较都显示为与未脱水的对照果汁的相对%乙醇。这些作为准备的果汁样品对照的比较在这里被称为“可变体积”样品。当总体积的减少被纳入分析时，样品被称为“恒体积”。

用高效液相色谱法分析糖和乙醇浓度

使用Shimadzu日珥UFLC HPLC仪(包括SIL-20A自动进样器和RID-10A折射率检测器)测量蔗糖、葡萄糖、果糖和乙醇的浓度。采用Rezex roa -有机酸H +(8%)色谱柱进行分离。该方法以2.5 mN硫酸溶液为流动相，温度32℃，停留时间30 min，流速0.5 mL / min [1,15]。准备每种糖(5-50 g/L)和乙醇(5-100 g/L)标准的系列浓度，用于每天操作的校准。

FJ参与了研究的设计和数据分析，除脱水外的所有实验都由他完成，并起草了手稿。JC进行了果汁脱水实验。MR参与了研究的设计和数据分析，并参与了论文的撰写。WZ对实验设计和数据分析工作有贡献。KO参与了实验设计。所有作者都阅读并批准了最终的手稿。

这项工作的资金由美国能源部提供，授予亚利桑那大学# EE0004132。

作者指出

1. 马克·R·莱利

   现地址:内布拉斯加大学林肯分校生物系统工程系，223 LW蔡斯大厅，68583-0726，林肯，NE，美国

作者及隶属关系

1. 亚利桑那大学农业与生物系统工程系，美国亚利桑那州图森市85721

   贾飞，Jeerwan Chawhuaymak, Mark R Riley & Werner Zimmt

2. 亚利桑那大学化学与环境工程系，美国亚利桑那州图森85721

   金伯利·奥格登

相应的作者

对应到马克·R·莱利．

相互竞争的利益

作者宣称他们之间没有利益冲突。

开放获取本文由BioMed Central Ltd授权发布。这是一篇开放获取文章，根据创作共用归属许可协议(https://creativecommons.org/licenses/by/2.0)，允许在任何媒介上不受限制地使用、传播和复制，前提是正确地引用原始作品。

转载及权限