CN105177083A

CN105177083A - 一种提高木质纤维素生物质酶解效率的方法

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Publication number: CN105177083A
Application number: CN201510619914.0A
Authority: CN
Inventors: 张耿崚; 陈细妹; 李韵莹; 韩业鉅; 王小琴; 宁寻安
Original assignee: Guangdong University of Technology
Current assignee: Guangdong University of Technology
Priority date: 2015-09-25
Filing date: 2015-09-25
Publication date: 2015-12-23
Also published as: WO2017049739A1

Abstract

本发明公开了一种提高木质纤维素生物质酶解效率的方法，是采用表面活性剂耦合离子液体对木质纤维素生物质进行预处理，具体地包括如下步骤：S1.木质纤维素生物质原料干燥、粉碎、研磨得粉末；S2.将处理木质纤维素生物质所用的离子液体在100～150℃下加热20～60min，并不断搅拌；S3.称取S1的粉末，加入S2处理后的离子液体和表面活性剂，在70～130℃条件下搅拌0.5～4h；S4.加入去离子水，以7000r/min高速离心15min后分离出上层清液，储存；取下层沉淀物，用去离子水反复清洗，去除离子液体，在60℃干燥18～30h，用于酶解。本发明的预处理技术能够显著提高木质纤维材料的酶解效率。

Description

一种提高木质纤维素生物质酶解效率的方法

技术领域

本发明属于生物质处理技术领域。更具体地，涉及一种提高木质纤维素生物质酶解效率的方法。

背景技术

近年来，随着石油、煤炭等不可再生的石化资源总量的日趋减少，木质纤维素材料的重要性日益显著。因此，以木质纤维素为原料制备乙醇是生物质能源化利用的研究热点，该技术是利用农业秸秆、城市垃圾等木质纤维素原料进行加工得到乙醇等清洁燃料。但是由于纤维素本身是由大量葡萄糖基构成的链状高分子化合物，其结构复杂且存在大量结晶区，再加上木质素和半纤维素的包裹作用，使其很难溶于水和一般的有机溶剂，传统的预处理体系有铜氨溶液体系、二硫化碳/氢氧化钠体系蒸汽***、高温热解、酸碱法、生物降解等，虽然处理效果好，但由于其消耗量大，难以回收，而且污染严重。因此急需找到一种绿色且有效的处理技术。

近年来，离子液体以其独特的优势，成为生物质前处理体系的优良选择。与传统的化学溶剂相比，离子液体具有不挥发性、热稳定性和化学稳定性高、溶解性好、性能可调、易于分离、易回收和循环使用等特点。

但随着研究的开展和深入，其体系的弊端也逐渐展露，例如成本低的离子液体溶解效果不好，溶解效果好的离子液体成本较高等，且离子液体处理纤维素材料后在洗涤过程中会导致纤维素重结晶。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有生物质能源处理技术的缺陷和不足，提供一种表面活性剂耦合离子液体预处理技术，利用表面活性剂具有降低表面张力和表面自由能的作用，在离子液体处理木质纤维素的过程中，添加表面活性剂可以降低离子液体表面张力，能够克服单一体系中显露的弊端，从而提高离子液体对木质纤维素材料的溶解能力，提高酶解产糖率，减少离子液体用量，获得一种绿色且高效的预处理木质纤维素材料方法，可减少成本与降低环境污染。

本发明的目的是提供一种提高木质纤维素生物质酶解效率的方法。

本发明另一目的是提供上述方法在提高木质纤维素生物质酶解效率方面的应用，尤其是在提高木质纤维素酶解效率方面的应用。

本发明上述目的通过以下技术方案实现：

一种提高木质纤维素生物质酶解效率的方法，是采用表面活性剂耦合离子液体对木质纤维素生物质进行预处理后，再进行酶解。

具体地，上述提高木质纤维素生物质酶解效率的方法包括如下步骤：

S1.木质纤维素生物质原料干燥、粉碎、研磨得到粉末；

S2.将处理木质纤维素生物质所用的离子液体在100～150℃下加热20～60min，并不断搅拌；

S3.称取步骤S1的粉末，加入步骤S2处理后的离子液体和表面活性剂，在70～130℃条件下搅拌0.5～4h；其中，粉末与离子液体的重量比为1：10，表面活性剂的重量为粉末的0.1～2%；

S4.加入去离子水，以7000r/min高速离心15min后分离出上层清液，储存；取下层沉淀物，用去离子水反复清洗，去除离子液体，在60℃干燥18～30h，用于酶解。

其中，优选地，步骤S2所述离子液体为氯化-1-丁基-3-甲基咪唑（[BMIM]Cl）或1-烯丙基-3-甲基咪唑氯盐（[AMIM]Cl）。

优选地，步骤S2是在120℃下加热30min。

优选地，步骤S3所述表面活性剂为十二烷基硫酸钠（SDS）或十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）。

优选地，步骤S3所述表面活性剂的重量为粉末的1%。

优选地，步骤S3所述搅拌的条件为110℃搅拌1h。

优选地，步骤S3所述酶解的方法如下：

按照2.5w/v%的比例，取预处理后的木质纤维素生物质加入0.1MpH4.8的柠檬酸钠缓冲溶液和0.02%叠氮化钠溶液中，摇匀，再添加50FPU/g纤维素酶（NovozymeNS22086）和40CBU/g葡萄糖苷酶（NovozymeNS22118），于50±0.5℃恒温条件下，150r/min进行糖化12～72h，反应完毕后13500rpm离心得酶水解液。

另外，上述提高木质纤维素生物质酶解效率的方法在处理木质纤维素生物质方面的应用，也在本发明的保护范围之内。具体是在提高木质纤维素酶解效率方面的应用。

本发明通过大量研究发现，离子液体处理纤维素材料后在洗涤过程中，会导致纤维素重结晶，从而影响纤维素酶解的效果，添加表面活性剂可以降低离子液体的张力，有利于处理过程中离子液体与底物更充分的接触，增加离子液体的溶解能力，提高纤维转化率。研究显示，表面活性剂耦合离子液体预处理稻秆与未处理的稻秆相比，酶解还原糖产量可提高50%～54%；与单独离子液体处理稻秆相比，酶解还原糖产量可提高8%～15%。

本发明具有以下有益效果：

1、与传统的二硫化碳/氢氧化钠体系蒸汽***、高温热解、酸碱法等方法比较，本发明方法处理效率高、反应条件温和、对设备无腐蚀且对环境冲击较小，不会产生污染。

2、与单一体系的离子液体预处理相比，克服了单一离子液体预处理体系的各种弊端，本发明通过添加表面活性剂，降低表面张力和表面自由能的作用，有利于处理过程中离子液体与底物更充分的接触，增加离子液体的溶解能力，提高纤维转化率，提高了木质纤维材料的酶解效率。

附图说明

图1为不同预处理方式处理后的稻秆SEM图；其中，各组处理方式分别为：a为Untreatedricestraw，b为1%SDS，c为1%CTAB，d为BMIMCl，e为BMIMCl+1%SDS，f为BMIMCl+1%CTAB。

图2为不同预处理方式对稻秆酶解效果的影响。

图3为[BMIM]Cl与表面活性剂添加比例对稻秆酶解效果的影响。

图4为表面活性剂耦合离子液体([AMIM]Cl)对稻秆酶解效果的影响。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体实施例来进一步说明本发明，但实施例并不对本发明做任何形式的限定。除非特别说明，本发明采用的试剂、方法和设备为本技术领域常规试剂、方法和设备。

除非特别说明，本发明所用试剂和材料均为市购。

实施例1

1、木质纤维素样品的采集

本次实验的木质纤维素原料为稻草秸秆。稻草秸秆收集之后进行风干处理，粉碎后研磨成粉，即为本次实验的样品。将稻草秸秆储存在密封的塑料袋中，于干燥处室温保存。

2、表面活性剂耦合离子液体预处理稻秆粉末

（1）预处理稻秆粉末前，将离子液体（氯化-1-丁基-3-甲基咪唑，[BMIM]Cl）在120℃下加热30min并不断搅拌，目的是去除离子液体中的水分。

（2）称取0.5g稻秆粉末于带螺旋塞的瓶子中，加入5g离子液体及1%的表面活性剂（十二烷基硫酸钠（SDS）或十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）），置于磁力搅拌器上，在70～130℃条件下搅拌0.5～4h后，加入45mL去离子水，将混合液置于50mL的离心管中，以7000r/min高速离心15min后分离。移出上层清液，储存。

（3）取下层沉淀物，用去离子水反复清洗，去除离子液体，在60℃干燥至少18h，取出称重，保存样品以进行下一步的酶解试验。

3、预处理前后的木质纤维素样品酶解糖化

取2.5%（w/v）预处理前后稻秆粉末试样分别置于50mL锥形瓶中，加入0.1MpH4.8的柠檬酸钠缓冲溶液和100μL0.02%叠氮化钠溶液，摇匀，再添加50FPU/g纤维素酶（NovozymeNS22086）及40CBU/g葡萄糖苷酶（NovozymeNS22118），置于50±0.5℃恒温水浴振荡器中，转速为150r/min下糖化0,3,6,12,24,48,72h。反应完毕，在13500rpm离心得酶水解液，取样用DNS测定法分析还原糖含量。

4、纤维素酶活的测定

（1）采用国际理论和应用化学协会（IUPAC）推荐的标准方法测定，一个滤纸酶活力国际单位等于酶促反应中每分钟生成1μmol葡萄糖（以还原糖表示）所需的酶量。试管中放入卷成筒状的whatmanNo.1滤纸条（1×6cm），加入0.5mL稀释50倍后的纤维素酶液和1.5mL柠檬酸缓冲液（pH4.8）于50℃水浴20min，反应结束后用DNS法测定所得的还原糖含量。

（2）利用葡萄糖标准曲线换算酵素活性反应还原糖量。一个酵素活性单位U定义为在此分析条件下，每分钟每毫升释出1μmole葡萄糖酵素量（μmole/min.mL）。

U=(W×N×5.56)/(V×t)=(W×1×5.56)/(0.05×20)

U:酶活性

W:葡萄糖含量(mg)

N:稀释倍率

V:反应液中酶液加入量(mL)

t:反应时间(min)

5.56:1mg葡萄糖的μmole数

5、还原糖量的测定

（1）DNS试剂的配制（每100mL）：酒石酸钾钠30g溶于80mL热水待完全溶解，再加入NaOH1.6g定量至100mL，再加入1gDNS(3,5-Dinitrosalicylicacid)，溶解后装入不透光瓶中。

（2）取0.1mL、已知浓度为0.1mg/mL~5mg/mL葡萄糖溶液，加入0.3mL二硝基水杨酸（Dinitrosalicylicacid，DNS）试剂中。于100℃之水中加热5分钟，之后加入0.6mL蒸馏水，静置至室温后，使用分光亮度计测量其在波长为575nm之光线下之吸光值后，制备测定还原醣浓度之DNS标准曲线。

（3）依据DNS标准曲线，取0.1mL待测物样品加入0.3mLDNS试剂，将混合液在100℃之水中加热5分钟后加入0.6mL蒸馏水放至室温，利用波长为575nm光照射，并以分光亮度计测其吸光值，即可换算出还原醣浓度。

6、稻秆粉末预处理前后的比较

（1）本实施例比较了不同处理技术的效果，结果显示，未处理与各种不同处理技术处理后的稻秆成分分析如下表1所示。

分别单独添加1%SDS、1%CTAB、BMIMCl处理稻秆后木质素的脱除率依次为12.66%、8.66%、24.98%，而1%SDS耦合BMIMCl及1%CTAB耦合BMIMCl预处理稻秆后木质素脱除率可分别提高为49.38%和34.48%。这也表明表面活性剂耦合离子液体处理稻秆更容易破坏木质素的包裹作用，增加纤维与酶的接触机会，因而提高酶解效率。

表1未处理与不同预处理技术对稻秆成分的影响

注：SDS为十二烷基硫酸钠；CTAB为十六烷基三甲基溴化铵；[BMIM]Cl为氯化-1-丁基-3-甲基咪唑

（2）附图1为不同预处理方式处理后的稻秆SEM图，观察发现，未处理的稻秆纤维素（a）结构非常紧致，表面较光滑，没有裂痕。单独表面活性剂(b,c)和单独离子液体(d)处理的稻秆表面微观形貌失去原有杆状骨架结构，变得空洞破碎并伴有不规则空洞和凹槽。而表面活性剂耦合离子液体处理(e,f)的稻秆表面遭到更大的破坏，稻秆结构变得更加疏松，完全看不出稻秆原来的杆状骨架结构，呈现不规则的颗粒状或团状，从而使纤维素与酶可及度增加，提高酶解效果。

（3）附图2为不同预处理方式对稻秆酶解效果的影响，从图2可知，所有样品在0h到24h的提高酶解效果比较明显，延长酶解至72h产糖量基本保持不变，这是因为酶解产物积累到一定程度时，反过来抑制了酶的活性；添加表面活性剂SDS和CTAB处理后的稻秆与未处理的稻秆相比，纤维素转化率分别提高了53.72%和49.82%，这主要是由于在处理过程中，表面活性剂对木质素的降解有一定的促进作用，进一步降低样品木质素的含量。而在表面活性剂耦合离子液体预处理稻秆过程中，表面活性剂的添加有利于预处理过程中离子液体与底物接触，增大离子液体的溶解能力，使处理过程更加充分，从而更容易破坏木质素的包裹作用，也使处理后稻秆中不易被酶解的成分大大降低，提高酶解产糖量。

另外，本发明研究结果显示，不同表面活性剂耦合离子液体处理稻秆的最佳预处理条件：温度为110℃，时间为60min，SDS和CTAB添加量均为1%，72h酶解产还原糖量分别为23.09mg/100mg稻秆、21.92mg/100mg稻秆，比未处理稻秆纤维转化率分别提高53.72%和49.82%。

实施例2[BMIM]Cl与表面活性剂添加比例对稻秆酶解效果的影响

本实施例以表面活性剂添加比例为单因素，处理方式同实施例1，最佳预处理条件：温度为110℃，时间为60min，SDS和CTAB添加量均为1%，72h酶解。

研究了对[BMIM]Cl与表面活性剂添加比例对稻秆酶解效果的影响，结果如附图3所示。

由图3可知，纤维素转化率随表面活性剂添加量增加呈先上升后下降的趋势，在表面活性剂添加量为底物的1%时，还原糖产量达到最大。表面活性剂的添加有利于去除稻秆中的半纤维素和木质素，从而提高预处理效果。表面活性剂添加过多，可能会在溶液中形成胶团，会对木质素与表面活性剂疏水基团的疏水作用产生副作用，导致酶解效果下降。

实施例3表面活性剂耦合离子液体([AMIM]Cl)对稻秆酶解效果的影响

本实施例研究不同的离子液体耦合表面活性剂对稻秆酶解效果的影响，以离子液体([AMIM]Cl)替换离子液体[BMIM]Cl，结果如附图4所示。

从图4可知，所有样品在0h到24h的提高酶解效果比较明显，延长酶解至70h产糖量基本保持不变，这是因为酶解产物积累到一定程度时，反过来抑制了酶的活性；添加表面活性剂SDS和CTAB处理后的稻秆与未处理的稻秆相比，纤维素转化率显著提高，这主要是由于在处理过程中，表面活性剂对木质素的降解有一定的促进作用，进一步降低样品木质素的含量。而在表面活性剂耦合离子液体预处理稻秆过程中，表面活性剂的添加有利于预处理过程中离子液体与底物接触，增大离子液体的溶解能力，使处理过程更加充分，从而更容易破坏木质素的包裹作用，也使处理后稻秆中不易被酶解的成分大大降低，提高酶解产糖量。

Claims

1.一种提高木质纤维素生物质酶解效率的方法，其特征在于，是采用表面活性剂耦合离子液体对木质纤维素生物质进行预处理后，再进行酶解。

2.根据权利要求1所述提高木质纤维素生物质酶解效率的方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1.木质纤维素生物质原料干燥、粉碎、研磨得到粉末；

3.根据权利要求2所述提高木质纤维素生物质酶解效率的方法，其特征在于，步骤S2所述离子液体为氯化-1-丁基-3-甲基咪唑或1-烯丙基-3-甲基咪唑氯盐。

4.根据权利要求2所述提高木质纤维素生物质酶解效率的方法，其特征在于，步骤S2是在120℃下加热30min。

5.根据权利要求2所述提高木质纤维素生物质酶解效率的方法，其特征在于，步骤S3所述表面活性剂为十二烷基硫酸钠或十六烷基三甲基溴化铵。

6.根据权利要求2所述提高木质纤维素生物质酶解效率的方法，其特征在于，步骤S3所述表面活性剂的重量为粉末的1%。

7.根据权利要求2所述提高木质纤维素生物质酶解效率的方法，其特征在于，步骤S3所述搅拌的条件为110℃搅拌1h。

8.根据权利要求2所述提高木质纤维素生物质酶解效率的方法，其特征在于，步骤S3所述酶解的方法如下：

按照2.5w/v%的比例，取预处理后的木质纤维素生物质加入0.1MpH4.8的柠檬酸钠缓冲溶液和0.02%叠氮化钠溶液中，摇匀，再添加50FPU/g纤维素酶和40CBU/g葡萄糖苷酶，于50±0.5℃恒温条件下，150r/min进行糖化12～72h，反应完毕后13500rpm离心得酶水解液。

9.权利要求1所述提高木质纤维素生物质酶解效率的方法在处理木质纤维素生物质方面的应用。

10.根据权利要求9所述应用，其特征在于，是在提高木质纤维素酶解效率方面的应用。