CN107164424A - 一种氧化去木质素提高酶水解率的木质纤维素预处理方法 - Google Patents

一种氧化去木质素提高酶水解率的木质纤维素预处理方法 Download PDF

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肖冬光
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Abstract

本发明涉及一种氧化去木质素提高酶水解率的木质纤维素预处理的方法，该方法的具体步骤如下：将木质纤维素原料粉碎、烘干，分别控制过碳酸钠浓度、固液比、预处理温度和时间于适宜的范围内，过滤，水洗至中性，干燥后获得预处理后的木质纤维素残渣；向上述得到的残渣中加入经pH4.5～5.0柠檬酸缓冲液溶解的纤维素酶和木聚糖酶进行酶解，获得可发酵的还原糖溶液。本发明中的预处理方法可有效去除木质素，纤维素和半纤维素组分保留率高，有效地提高了木质纤维素的酶解效率和还原糖得率，同时还具有环境友好、操作简单、成本低等优点。

Description

一种氧化去木质素提高酶水解率的木质纤维素预处理方法
技术领域
本发明属于木质纤维素生物质资源化利用技术领域，具体涉及一种采用强氧化剂氧化去木质素以提高木质纤维素生物质酶水解率的预处理方法。
背景技术
在面临经济发展和环境保护的双重压力下，开发利用生物质等可再生资源是世界各国建立可持续能源***的有效措施。木质纤维素类生物质是自然界中最庞大、最具潜力的可再生资源，它的有效转化利用对人类可持续发展有着不可估量的价值。目前，将木质纤维素通过生物法水解为还原糖再经微生物发酵获取所需产品已成为木质纤维素资源化利用领域的研究热点及主要研究方向。
木质纤维素的主要成分为纤维素(35-50％)、半纤维素(20-40％)和木质素(15-25％)。木质纤维素的结构复杂，细胞壁中的半纤维素和木质素通过共价键形成网络结构，纤维素镶嵌其中，这种复杂的网状结构是生物质转化过程中的天然抗降解屏障。尤其木质素成分在木质纤维素的酶解过程中阻碍水解酶进入生物质接触碳水化合物，并且会吸附水解酶影响其水解活性，导致酶解效率降低，从而加大了生物精炼过程的转化成本。因此，去木质素是解除木质纤维素天然抗降解屏障、提高糖苷水解酶作用效率的首要任务。
目前，常用的木质纤维素预处理方法(离子液法、酸碱预处理法、蒸汽***法、臭氧预处理法等)中，碱性试剂和强氧化剂组合的预处理方法被报道可有效去除生物质中的木质素，同时破坏半纤维素、纤维素之间的氢键和纤维素的晶体结构，从而破坏生物质中的顽抗结构，但相关研究文献较少。过碳酸钠也称过氧化碳酸钠或过氧水合碳酸钠，其水溶液呈碱性，是一种碱性强氧化剂，常用于漂白剂、洗涤剂、水果保鲜剂、制氧剂金属表面处理剂等，安全性高、成本低，在国内外企业中广泛生产和应用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种采用强氧化剂过碳酸钠预处理木质纤维素及后续酶解的方法，本发明可有效去除木质素，破坏木质纤维素酶解过程中的抗降解屏障，进而提高木质纤维素生物质的酶水解效率。具体包括以下步骤：
(1)将木质纤维素原料(玉米秸秆、玉米芯、小麦秸秆、稻草秸秆和甘蔗渣中的任何一种或其组合)粉碎，过40～80目筛后于90～105℃烘干。
(2)取一定量经粉碎烘干的原料，加入过碳酸钠溶液使固液比控制在1∶5～1∶25，以1∶10为佳；使过碳酸钠的浓度控制为1～8％(w/v)，以4％为佳；预处理温度控制在30～70℃，以60℃为佳；预处理时间控制在0.5～8h，以4h为佳。
(3)经预处理后的木质纤维素残渣过滤后，用蒸馏水洗涤直至滤液pH达到中性，90～105℃干燥至恒重。
(4)将经上述预处理得到的残渣加入pH为4.5～5.0柠檬酸缓冲液中，控制其浓度为5～15％(w/v)，以8％为佳。
(5)向上述体系中加入来源于木霉的商品化纤维素酶和木聚糖酶，分别控制酶的装载量为20～50FPU/g底物(以30FPU/g底物为佳)和5000～12000U/g底物(以8000U/g底物为佳)，45～55℃、摇床转速100～200rpm的条件下反应48～96h进行酶解，以50℃、摇床转速150rpm，酶解72h为佳。
(6)分别用DNS法和HPLC法测定水解液中还原糖和葡萄糖、木糖浓度。
本发明具有的优点：本发明采用安全性高、成本低廉的强氧化剂过碳酸钠处理木质纤维素原料，可实现木质素的清洁高效分离，经过碳酸钠处理后的木质纤维素表面蓬松多孔，经过处理前后木质纤维素微结构分析，结果表明三种组分间的连接键氢键、醚键和酯键大大减少，说明经本发明的预处理方法处理后，木质纤维素原料的微结构得到了破坏，通过对预处理前后原料的组分含量分析，表明木质素去除率达50％，纤维素和半纤维素组分保留率达90％以上。酶解实验表明，本发明方法使木质纤维素的酶解率得到了大大提高，葡萄糖得率提高了一倍以上，木糖得率提高了2倍以上。本发明方法简单易操作，安全无污染，具有可行的工业化应用前景。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明做进一步说明，下述实施例是说明性的，不是限定性的，不能以下述实施例来限定本发明的保护范围。
实施例1
一种氧化去木质素提高玉米秸秆原料酶水解率的预处理方法，包括以下步骤：
(1)将玉米秸秆粉碎，过60目筛后于90℃烘干至恒重。
(2)取10g经粉碎烘干的玉米秸秆原料，加入100mL浓度为4％(w/v)的过碳酸钠溶液，在60℃下处理4h。
(3)将预处理后的玉米秸秆过滤，用蒸馏水洗涤直至滤液pH达到中性，90℃烘干至恒重。
(4)取2.0g上述预处理后经烘干的玉米秸秆残渣(或未经预处理的玉米秸秆原料)，加入25mL 0.05mol/L、pH为4.8的柠檬酸缓冲液中，向该混合液中加入木霉来源的商品化纤维素酶和木聚糖酶，其中纤维素酶的装载量为30FPU/g底物，木聚糖酶的装载量为8000U/g底物，控制水解体系总体积为40mL。
(5)上述体系于50℃、摇床转速150rpm的条件下进行酶解，反应72h后分别测定还原糖、葡萄糖和木糖浓度，结果见表1。
表1预处理前后玉米秸秆组分分析及酶解糖得率
实施例2
一种氧化去木质素提高玉米芯原料酶水解率的预处理方法，包括以下步骤：
(1)将玉米芯原料粉碎，过80目筛后于90℃烘干至恒重。
(2)取10g经粉碎烘干的玉米芯原料，加入100mL浓度为5％(w/v)的过碳酸钠溶液，在50℃下处理6h。
(3)将预处理后的玉米芯过滤，用蒸馏水洗涤直至滤液pH达到中性，90℃烘干至恒重。
(4)取2.0g上述预处理后经烘干的玉米芯残渣(或未经预处理的玉米芯原料)，加入25mL 0.05mol/L、pH为4.8的柠檬酸缓冲液中，向该混合液中加入木霉来源的商品化纤维素酶和木聚糖酶，其中纤维素酶的装载量为40FPU/g底物，木聚糖酶的装载量为10000U/g底物，控制水解体系总体积为40mL。
(5)上述体系于50℃、摇床转速180rpm的条件下进行酶解，反应72h后分别测定还原糖、葡萄糖和木糖浓度，结果见表2。
表2预处理前后玉米芯组分分析及酶解糖得率

Claims (6)

1.一种氧化去木质素提高酶水解率的木质纤维素预处理方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将木质纤维素原料粉碎、烘干，分别控制过碳酸钠浓度、固液比、预处理温度和时间于适宜的范围内，过滤，水洗，干燥后获得预处理后的木质纤维素残渣；
(2)向上述得到的残渣中加入经柠檬酸缓冲液溶解的纤维素酶和木聚糖酶进行酶解，测定水解液中还原糖浓度。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的木质纤维素为玉米秸秆、玉米芯、小麦秸秆、稻草秸秆和甘蔗渣中的任何一种或其组合。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)中木质纤维素原料粉碎后，过40～80目筛，90～105℃干燥至恒重。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)中所用过碳酸钠的浓度为1～8％(w/v)；木质纤维素原料与过碳酸钠溶液混合的固液比控制在1∶5～1∶25；预处理温度控制在30～70℃；预处理时间控制在0.5～8h；将经预处理后的木质纤维素残渣过滤，用蒸馏水洗涤直至滤液pH达到中性，90～105℃干燥至恒重。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(2)中所述柠檬酸缓冲液的pH为4.5～5.0；纤维素酶和木聚糖酶为来源于木霉商品化酶制剂。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(2)中木质纤维素残渣的浓度为5～15％(w/v)；木质纤维素残渣酶解体系中纤维素酶的装载量为20～50FPU/g底物，木聚糖酶的装载量为5000～12000U/g底物；酶解在温度45～55℃，摇床转速100～200rpm的条件下反应48～96h。
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