CN107177644A - 一种利用超声波辅助离子液预处理生物质的方法 - Google Patents

一种利用超声波辅助离子液预处理生物质的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种利用超声波辅助离子液预处理生物质的方法，属于生物质利用技术领域。首先选用阴离子咪唑离子液体1‑丁基‑3‑甲基咪唑氯盐和1‑丁基‑3‑甲基咪唑醋酸盐对生物质进行预处理，同时分别施加五个频率的超声波来辅助预处理，然后加蒸馏溶解，经过滤、干燥得到再生生物质，接着在一定条件下对再生生物质进行酶水解和酸水解。本发明能显著提高生物质的还原糖水解产率，包括酶水解产率和酸水解产率，还原糖得率提高了27.5%~38.1%。具有离子液体再生和重复使用，超声波绿色物理场等优势以及低能耗，低成本，操作简单，环境友好等特点。

Description

一种利用超声波辅助离子液预处理生物质的方法
技术领域
本发明属于生物质利用技术领域，具体涉及一种利用超声波辅助离子液体预处理生物质提高其水解率的方法。
背景技术
随着经济的迅速发展，人口的快速增长，人类对能源的需求日趋增大，不可再生的石化资源正消耗殆尽并且面临日益严重的环境问题，已经严重制约了全世界可持续发展，开发清洁替代石油资源的可再生资源已经迫在眉睫。生物质是由太阳能转化的地球上唯一的一种储量丰富的可储存和运输的可再生资源。木质纤维素是生物质的主要组成部分，其广泛存在于农作物秸秆中，产量大，易得到以及价格低廉等优势使其成为最具有利用潜力的生物质资源之一，近年来利用秸秆制取还原糖也成为世界各国生物质利用的一个重要研究方向。
离子液体因其具有溶解能力强，对有机及无机化合物都有良好的溶解性能；液体状态温度范围宽，热稳定性高；易回收，可循环使用；具有可设计性，可通过调节阴离子组成来改变本身的物理及化学性质等特点成为近年来作为纤维素的最主要预处理剂，但是由于离子液体较昂贵，具有一定毒性，在溶解纤维素和回收过程中均会有所损耗，且预处理后对纤维素水解率提高有限，所以在此基础上引入超声波辅助离子液体预处理生物质以增加离子液体作为预处理剂的溶解效应，减少离子液体的使用量，节省成本。
超声波是声波的一种，因其在传播过程中可以产生空化效应、热效应、机械效应等效应，也逐渐运用于大分子物质的降解，如多糖降解和蛋白水解等方面。目前在生物质降解领域已经有一定程度的研究。超声波对生物质预处理的作用表现在溶液中产生的空化及机械效应可以对生物质表面进行冲击和剪切，能够有效破坏纤维素分子中氢键，降低结晶度，使得生物质变得粗糙而不规则，在酶水解和酸水解提供更多的接触位点，剪切较少的氢键。因此，引入超声波辅助离子液体使生物质进一步水解，提高资源利用率。
发明内容
本发明的目的是提供一种利用超声波辅助离子液体预处理生物质提高其酸或酶水解率的方法。
本发明提出的利用超声波辅助离子液体预处理生物质提高其水解率的方法，首先选用阴离子咪唑离子液体1-丁基-3-甲基咪唑氯盐和1-丁基-3-甲基咪唑醋酸盐对生物质进行预处理，同时分别施加五个频率的超声波来辅助预处理，然后加蒸馏溶解，经过滤、干燥得到再生生物质，接着在一定条件下对再生生物质进行酶水解和酸水解，最后利用高效液相色谱法以及DNS法测定水解液中单糖及还原糖的含量，并比较预处理前后以及单独使用离子液体预处理的单糖及还原糖含量，以此研究超声波辅助离子液体预处理生物质对其水解率的影响。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种利用超声波辅助离子液预处理生物质的方法，按照下述步骤进行：
（1）以离子液体为溶剂，，按照1:10~1:20的固液比（g/mL）将生物质与离子液体相混合，在70~80℃下磁力搅拌，并施加不同频率的超声波20~30 min使生物质完全溶解于离子液体中；
（2）待反应结束后，将蒸馏水按照离子液体3~5倍体积的量加入到反应溶液中，离子液体溶解到蒸馏水中并析出沉淀，过滤出沉淀并用蒸馏水洗涤3~5次后于烘箱80℃烘干，得到再生生物质；
（3）采用减压蒸馏的方法对离子液体进行回收。生物质沉淀析出后，得到的溶液为水和离子液体混合液体，在60℃，100 rpm条件下旋转蒸发去除水分，直至水分不再蒸发，并在80℃条件下干燥12~24 h以除去剩余水分。
（4）称取一定质量的预处理再生生物质，按照固液比1:300~1:500 (g/ml)加入到以醋酸-醋酸钠缓冲物的纤维素酶溶液中，至于摇床中，在50~60℃，80~150 rpm下反应12~24 h，得到酶水解液；
（5）称取一定质量的预处理再生生物质，按照固液比1:20 (g/mL)与质量分数为2%的稀硫酸混合以后在160~180℃下反应60~90 min，反应结束后将反应液经过滤除去沉淀，将滤液定容至一定量，获得酸水解溶液；
（6）水解反应结束后分别测定酶水解液和酸水解液中单糖糖以及还原糖含量并计算出各自的得率。
本发明中，使用的离子液体为阴离子咪唑离子液体1-丁基-3-甲基咪唑氯盐（[Bmim]Cl）和1-丁基-3-甲基咪唑醋酸盐（[Bmim]OAc）。
本发明中，所用的生物质包括农作物废弃物：如水稻秸秆，小麦秸秆，玉米秸秆；农产品加工废弃物：如甘蔗渣、甘蔗皮、大蒜皮。
本发明中，所使用的超声设备为聚能式单频超声波设备。
本发明中，所用的超声频率包括20、28、35、40和50kHz五个频率，超声功率为100 W以内的某个恒定功率。
本发明中，超声设备使用时将超声探头伸入液面深度控制在1~3 cm中某一恒定深度。
本发明中，加热设备为超级恒温水浴锅，配套使用反应容器为双层夹套烧杯。
本发明中，清洗沉淀前将沉淀在乙醇中浸泡并搅拌15~30 min。
本发明中，过滤沉淀所用的仪器为布式漏斗以及旋片式真空泵。
本发明中，酶水解时所用的醋酸-醋酸钠缓冲液PH为4.8。
本发明中，酸水解反应容器为各型号的高压反应釜，包括压力溶弹。
本发明中，水解液单糖含量检测方法利用高效液相色谱法，还原糖含量利用DNS法。
本发明具有如下优点：
（1）与传统的预处理溶液相比，本发明中所使用的离子液体具有溶解性强，可设计性强，溶解能力强，化学稳定性好，环境友好并且具有可回收性，符合可持续绿色化学发展的要求。
（2）本发明中的[Bmim]Cl和[Bmim]OAc两种离子液体具有可回收性，回收率在80%以上，且回收后的离子液体保持了原有性能，可以二次使用。
（3）本发明中在预处理的过程中引入超声波辅助离子液体预处理生物质，因其具有聚束、定向及反射、透射等特性，能够有效的打开木质纤维素的晶体结构，并且破坏木质素，使生物质更易水解。
（4）本发明中使用的超声设备是聚能式单频超声波，可以控制探头深入液面的深度、超声频率、超声功率、超声时间以及脉冲保持时间和间歇时间等特点，能够有效地控制反应的超声条件。
（5）本发明中使用的加热设备是超级恒温水浴锅，相比于传统的恒温水浴加热，此设备加热控温更加精确，可以控制在±0.1℃，利用反应稳定进行。
（6）本发明中所使用的反应容器为双层夹套烧杯，配合超级恒温水浴锅，能够有效稳定提供反应环境，并且可以观察反应现象。
（7）本发明中采用高效液相色谱法对水解液进行单糖定量，使用的色谱柱为美国Bio-Rad公司生产的Aminex@HPX-87H色谱柱。能够有效地分离并定量水解液单糖。
具体实施方式
通过实施例来说明本发明，但不发明不仅限于实施例。
实施例1：
（1）取[Bmim]Cl离子液体20 g到双层夹套烧杯中，将1 g甘蔗渣缓慢加入到离子液体中，利用超级恒温水浴锅控制温度80℃，将聚能式超声探头伸入液面2 cm，超声功率100 W，超声频率20 kHz，脉冲时间保持10 s，间歇时间2 s，在此条件下超声30 min。预处理结束后加3~5倍原溶液的蒸馏水产生沉淀，让沉淀过滤后溶解在20~30 mL乙醇中，磁力搅拌20min，过滤后用原溶液5~8倍体积的蒸馏水冲洗沉淀以除去残余离子液体，将得到的沉淀烘干后得到再生甘蔗渣。
（2）以醋酸、醋酸钠为缓冲物配成pH为4.8的缓冲溶液，再用缓冲液配制纤维素酶液（1 g/L），取50 mL纤维素酶溶液到150 mL锥形瓶中，加入0.1 g再生甘蔗渣，在50℃摇床中反应24 h，之后过滤，将滤液用蒸馏水定容至100 mL，低温贮藏待测。
（3）准确称取烘干至恒重的再生甘蔗渣，与2%的稀硫酸按照20:1 （mL/g）充分混合后转移至反应釜中，160℃加热90 min，反应结束后过滤取上清液用蒸馏水定容至100 mL，低温贮藏待测。
（4）利用DNS法测定水解液中还原糖含量。取酶水解和酸水解待测液各0.5 mL，加入1.5 mL DNS剂和1.5 mL蒸馏水，沸水浴中反应15 min，取出后冷却至室温，定容至20 mL，在54 nm下分光光度下测定吸光度。最后测定酶水解和酸水解还原糖得率分别为77.85%和70.40%
（5）利用高效液相色谱法测定水解液中单糖含量。利用配备示差检测器的安捷伦1260高效液相色谱仪，Aminex@HPX-87H色谱柱，柱温60℃，检测器50℃，5 mM H2SO4作为流动相测定酶水解液中的纤维二糖、葡萄糖和木糖，酸水解液中的葡萄糖、木糖和***糖。测得酶水解纤维二糖、葡萄糖、木糖得率分别为3.82%、40.32%、12.53%；酸水解葡萄糖、木糖、***糖30.94%、24.14%、2.24%。
实施例2：
（1）取[Bmim]Cl离子液体10 g到双层夹套烧杯中，将1 g甘蔗渣缓慢加入到离子液体中，利用超级恒温水浴锅控制温度70℃，将聚能式超声探头伸入液面2 cm，超声功率100 W，超声频率20 kHz，脉冲时间保持10 s，间歇时间2 s，在此条件下超声20 min。预处理结束后加3~5倍原溶液的蒸馏水产生沉淀，让沉淀过滤后溶解在20~30 mL乙醇中，磁力搅拌20min，过滤后用原溶液5~8倍体积的蒸馏水冲洗沉淀以除去残余离子液体，将得到的沉淀烘干后得到再生甘蔗渣。
（2）以醋酸、醋酸钠为缓冲物配成pH为4.8的缓冲溶液，再用缓冲液配制纤维素酶液（1 g/L），取30 mL纤维素酶溶液到250mL锥形瓶中，加入0.1 g再生甘蔗渣，在50℃摇床中反应12 h，之后过滤，将滤液用蒸馏水定容至100 mL，低温贮藏待测。
（3）准确称取烘干至恒重的再生甘蔗渣，与2%的稀硫酸按照20:1 （mL/g）充分混合后转移至反应釜中，180℃加热60 min，反应结束后过滤取上清液用蒸馏水定容至100 mL，低温贮藏待测。
（4）利用DNS法测定水解液中还原糖含量。取酶水解和酸水解待测液各0.5 mL，加入1.5 mL DNS剂和1.5 mL蒸馏水，沸水浴中反应15 min，取出后冷却至室温，定容至20 mL，在54 nm下分光光度下测定吸光度。最后测定酶水解和酸水解还原糖得率分别为63.22%和61.34%
（5）利用高效液相色谱法测定水解液中单糖含量。利用配备示差检测器的安捷伦1260高效液相色谱仪，Aminex@HPX-87H色谱柱，柱温60℃，检测器50℃，5 mM H2SO4作为流动相测定酶水解液中的纤维二糖、葡萄糖和木糖，酸水解液中的葡萄糖、木糖和***糖。测得酶水解纤维二糖、葡萄糖、木糖得率分别为2.16%、33.77%、8.63%；酸水解葡萄糖、木糖、***糖18.53%、21.24%、1.13%。
实施例3：
（1）取[Bmim]OAc离子液体20 g到双层夹套烧杯中，将1 g甘蔗渣缓慢加入到离子液体中，利用超级恒温水浴锅控制温度80℃，将聚能式超声探头伸入液面2 cm，超声功率100 W，超声频率28 kHz，脉冲时间保持10 s，间歇时间2 s，在此条件下超声30 min。预处理结束后加3~5倍原溶液的蒸馏水产生沉淀，让沉淀过滤后溶解在20~30 mL乙醇中，磁力搅拌20min，过滤后用原溶液5~8的蒸馏水冲洗沉淀以除去残余离子液体，将得到的沉淀烘干后得到再生甘蔗渣。
（2）以醋酸、醋酸钠为缓冲物配成pH为4.8的缓冲溶液，再用缓冲液配制纤维素酶液（1 g/L），取50 mL纤维素酶溶液到150 mL锥形瓶中，加入0.1 g再生甘蔗渣，在50℃摇床中反应24 h，之后过滤，将滤液用蒸馏水定容至100 mL，低温贮藏待测。
（3）准确称取烘干至恒重的再生甘蔗渣，与2%的稀硫酸按照20:1（mL/g）充分混合后转移至反应釜中，160℃加热90 min，反应结束后过滤取上清液用蒸馏水定容至100 mL，低温贮藏待测。
（4）利用DNS法测定水解液中还原糖含量。取酶水解和酸水解待测液各0.5 mL，加入1.5 mL DNS剂和1.5 mL蒸馏水，沸水浴中反应15 min，取出后冷却至室温，定容至20 mL，在54 nm下分光光度下测定吸光度。最后测定酶水解和酸水解还原糖得率分别为87.57%和75.26%
（5）利用高效液相色谱法测定水解液中单糖含量。利用配备示差检测器的安捷伦1260高效液相色谱仪，Aminex@HPX-87H色谱柱，柱温60℃，检测器50℃，5 mM H2SO4作为流动相测定酶水解液中的纤维二糖、葡萄糖和木糖，酸水解液中的葡萄糖、木糖和***糖。测得酶水解纤维二糖、葡萄糖、木糖得率分别为7.04%、47.13%、16.52%；酸水解葡萄糖、木糖、***糖46.32%、20.23%、2.71%。
实施例4：
（1）取[Bmim]OAc离子液体10 g到双层夹套烧杯中，将1g甘蔗渣缓慢加入到离子液体中，利用超级恒温水浴锅控制温度70℃，将聚能式超声探头伸入液面2 cm，超声功率100 W，超声频率28 kHz，脉冲时间保持10 s，间歇时间2 s，在此条件下超声20 min。预处理结束后加3~5倍原溶液体积的蒸馏水产生沉淀，让沉淀过滤后溶解在20~30 mL乙醇中，磁力搅拌20min，过滤后用原溶液5~8倍体积的蒸馏水冲洗沉淀以除去残余离子液体，将得到的沉淀烘干后得到再生甘蔗渣。
（2）以醋酸、醋酸钠为缓冲物配成pH为4.8的缓冲溶液，再用缓冲液配制纤维素酶液（1 g/L），取30 mL纤维素酶溶液到150 ml锥形瓶中，加入0.1 g再生甘蔗渣，在50℃摇床中反应12 h，之后过滤，将滤液用蒸馏水定容至100 mL，低温贮藏待测。
（3）准确称取烘干至恒重的再生甘蔗渣，与2%的稀硫酸按照20:1 （mL/g）充分混合后转移至反应釜中，180℃加热60 min，反应结束后过滤取上清液用蒸馏水定容至100 mL，低温贮藏待测。
（4）利用DNS法测定水解液中还原糖含量。取酶水解和酸水解待测液各0.5 mL，加入1.5 mL DNS剂和1.5 mL蒸馏水，沸水浴中反应15min，取出后冷却至室温，定容至20 mL，在54 nm下分光光度下测定吸光度。最后测定酶水解和酸水解还原糖得率分别为71.46%和62.23%
（5）利用高效液相色谱法测定水解液中单糖含量。利用配备示差检测器的安捷伦1260高效液相色谱仪，Aminex@HPX-87H色谱柱，柱温60℃，检测器50℃，5 mM H2SO4作为流动相测定酶水解液中的纤维二糖、葡萄糖和木糖，酸水解液中的葡萄糖、木糖和***糖。测得酶水解纤维二糖、葡萄糖、木糖得率分别为4.35%、33.46%、12.34%；酸水解葡萄糖、木糖、***糖24.14%、12.35%、1.02%。
实施例5：
（1）取[Bmim]Cl离子液体20 g到双层夹套烧杯中，将1 g小麦秸秆缓慢加入到离子液体中，利用超级恒温水浴锅控制温度80℃，将聚能式超声探头伸入液面2 cm，超声功率100 W，超声频率20 kHz，脉冲时间保持10 s，间歇时间2 s，在此条件下超声30 min。预处理结束后加3~5倍原溶液的蒸馏水产生沉淀，让沉淀过滤后溶解在20~30 mL乙醇中，磁力搅拌20min，过滤后用原溶液5~8倍体积的蒸馏水冲洗沉淀以除去残余离子液体，将得到的沉淀烘干后得到再生甘蔗渣。
（2）以醋酸、醋酸钠为缓冲物配成pH为4.8的缓冲溶液，再用缓冲液配制纤维素酶液（1g/L），取50 mL纤维素酶溶液到150 mL锥形瓶中，加入0.1 g再生小麦秸秆，在50℃摇床中反应24 h，之后过滤，将滤液用蒸馏水定容至100 mL，低温贮藏待测。
（3）准确称取烘干至恒重的再生小麦秸秆，与2%的稀硫酸按照20:1（mL/g）充分混合后转移至反应釜中，160℃加热90 min，反应结束后过滤取上清液用蒸馏水定容至100mL，低温贮藏待测。
（4）利用DNS法测定水解液中还原糖含量。取酶水解和酸水解待测液各0.5 mL，加入1.5 mL DNS剂和1.5 mL蒸馏水，沸水浴中反应15 min，取出后冷却至室温，定容至20 mL，在54 nm下分光光度下测定吸光度。最后测定酶水解和酸水解还原糖得率分别为91.89%和73.27%
（5）利用高效液相色谱法测定水解液中单糖含量。利用配备示差检测器的安捷伦1260高效液相色谱仪，Aminex@HPX-87H色谱柱，柱温60℃，检测器50℃，5 mM H2SO4作为流动相测定酶水解液中的纤维二糖、葡萄糖和木糖，酸水解液中的葡萄糖、木糖和***糖。测得酶水解纤维二糖、葡萄糖、木糖得率分别为9.25%、53.17%、18.13%；酸水解葡萄糖、木糖、***糖48.07%、19.26%、1.85%。
实施例6：
（1）取[Bmim]Cl离子液体10 g到双层夹套烧杯中，将1 g小麦秸秆缓慢加入到离子液体中，利用超级恒温水浴锅控制温度70℃，将聚能式超声探头伸入液面2 cm，超声功率100 W，超声频率20 kHz，脉冲时间保持10 s，间歇时间2 s，在此条件下超声10 min。预处理结束后加3~5倍原溶液体积的蒸馏水产生沉淀，让沉淀过滤后溶解在20~30 mL乙醇中，磁力搅拌20min，过滤后用原溶液5~8倍体积的蒸馏水冲洗沉淀以除去残余离子液体，将得到的沉淀烘干后得到再生甘蔗渣。
（2）以醋酸、醋酸钠为缓冲物配成pH为4.8的缓冲溶液，再用缓冲液配制纤维素酶液（1 g/L），取20 mL纤维素酶溶液到150 mL锥形瓶中，加入0.1 g再生小麦秸秆，在50℃摇床中反应12 h，之后过滤，将滤液用蒸馏水定容至100 mL，低温贮藏待测。
（3）准确称取烘干至恒重的再生小麦秸秆，与2%的稀硫酸按照20:1（mL/g）充分混合后转移至反应釜中，180℃加热60 min，反应结束后过滤取上清液用蒸馏水定容至100mL，低温贮藏待测。
（4）利用DNS法测定水解液中还原糖含量。取酶水解和酸水解待测液各0.5 mL，加入1.5 mL DNS剂和1.5 mL蒸馏水，沸水浴中反应15 min，取出后冷却至室温，定容至20 mL，在54 nm下分光光度下测定吸光度。最后测定酶水解和酸水解还原糖得率分别为82.13%和65.32%
（5）利用高效液相色谱法测定水解液中单糖含量。利用配备示差检测器的安捷伦1260高效液相色谱仪，Aminex@HPX-87H色谱柱，柱温60℃，检测器50℃，5 mM H2SO4作为流动相测定酶水解液中的纤维二糖、葡萄糖和木糖，酸水解液中的葡萄糖、木糖和***糖。测得酶水解纤维二糖、葡萄糖、木糖得率分别为5.53%、38.57%、12.84%；酸水解葡萄糖、木糖、***糖34.23%、12.58%、1.29%。
实施例7：
（1）取[Bmim]OAc离子液体20 g到双层夹套烧杯中，将1 g小麦秸秆缓慢加入到离子液体中，利用超级恒温水浴锅控制温度80℃，将聚能式超声探头伸入液面2 cm，超声功率100W，超声频率28 kHz，脉冲时间保持10 s，间歇时间2 s，在此条件下超声30 min。预处理结束后加3~5倍原溶液的蒸馏水产生沉淀，让沉淀过滤后溶解在20~30 mL乙醇中，磁力搅拌20min，过滤后用原溶液5~8倍体积的蒸馏水冲洗沉淀以除去残余离子液体，将得到的沉淀烘干后得到再生小麦秸秆。
（2）以醋酸、醋酸钠为缓冲物配成pH为4.8的缓冲溶液，再用缓冲液配制纤维素酶液（1 g/L），取50ml纤维素酶溶液到150 mL锥形瓶中，加入0.1 g再生小麦秸秆，在50℃摇床中反应24 h，之后过滤，将滤液用蒸馏水定容至100 mL，低温贮藏待测。
（3）准确称取烘干至恒重的再生小麦秸秆，与2%的稀硫酸按照20:1（mL/g）充分混合后转移至反应釜中，160℃加热90 min，反应结束后过滤取上清液用蒸馏水定容至100mL，低温贮藏待测。
（4）利用DNS法测定水解液中还原糖含量。取酶水解和酸水解待测液各0.5 mL，加入1.5 mL DNS剂和1.5 mL蒸馏水，沸水浴中反应15 min，取出后冷却至室温，定容至20 mL，在54 nm下分光光度下测定吸光度。最后测定酶水解和酸水解还原糖得率分别为93.68%和76.70%
（5）利用高效液相色谱法测定水解液中单糖含量。利用配备示差检测器的安捷伦1260高效液相色谱仪，Aminex@HPX-87H色谱柱，柱温60℃，检测器50℃，5 mM H2SO4作为流动相测定酶水解液中的纤维二糖、葡萄糖和木糖，酸水解液中的葡萄糖、木糖和***糖。测得酶水解纤维二糖、葡萄糖、木糖得率分别为8.61%、54.25%、12.90%；酸水解葡萄糖、木糖、***糖43.73%、19.10%、2.45%。
实施例8：
（1）取[Bmim]OAc离子液体10 g到双层夹套烧杯中，将1 g小麦秸秆缓慢加入到离子液体中，利用超级恒温水浴锅控制温度70℃，将聚能式超声探头伸入液面2 cm，超声功率100W，超声频率28 kHz，脉冲时间保持10 s，间歇时间2 s，在此条件下超声20 min。预处理结束后加3~5倍原溶液体积的蒸馏水产生沉淀，让沉淀过滤后溶解在20~30 mL乙醇中，磁力搅拌20 min，过滤后用原溶液5~8倍体积的蒸馏水冲洗沉淀以除去残余离子液体，将得到的沉淀烘干后得到再生小麦秸秆。
（2）以醋酸、醋酸钠为缓冲物配成pH为4.8的缓冲溶液，再用缓冲液配制纤维素酶液（1 g/L），取30 mL纤维素酶溶液到150 mL锥形瓶中，加入0.1 g再生小麦秸秆，在50℃摇床中反应12 h，之后过滤，将滤液用蒸馏水定容至100 mL，低温贮藏待测。
（3）准确称取烘干至恒重的再生小麦秸秆，与2%的稀硫酸按照20:1（mL/g）充分混合后转移至反应釜中，180℃加热60 min，反应结束后过滤取上清液用蒸馏水定容至100mL，低温贮藏待测。
（4）利用DNS法测定水解液中还原糖含量。取酶水解和酸水解待测液各0.5 mL，加入1.5 mL DNS剂和1.5 mL蒸馏水，沸水浴中反应15 min，取出后冷却至室温，定容至20 mL，在54 nm下分光光度下测定吸光度。最后测定酶水解和酸水解还原糖得率分别为82.75%和58.92%
（5）利用高效液相色谱法测定水解液中单糖含量。利用配备示差检测器的安捷伦1260高效液相色谱仪，Aminex@HPX-87H色谱柱，柱温60℃，检测器50℃，5 mM H2SO4作为流动相测定酶水解液中的纤维二糖、葡萄糖和木糖，酸水解液中的葡萄糖、木糖和***糖。测得酶水解纤维二糖、葡萄糖、木糖得率分别为5.63%、37.62%、8.38%；酸水解葡萄糖、木糖、***糖12.26%、11.35%、0.88%。
对照例1：
未经预处理的甘蔗渣酶水解和酸水解
（1）以醋酸、醋酸钠为缓冲物配成PH为4.8的缓冲溶液，再用缓冲液配制纤维素酶液（1g/L），取50 mL纤维素酶溶液到150 mL锥形瓶中，加入0.1 g未经预处理的甘蔗渣，在50℃摇床中反应24 h，之后过滤，将滤液用蒸馏水定容至100 mL，低温贮藏待测。
（2）准确称取烘干至恒重的未经预处理的甘蔗渣，与2%的稀硫酸按照20:1（mL/g）充分混合后转移至反应釜中，160℃加热90 min，反应结束后过滤取上清液用蒸馏水定容至100 mL，低温贮藏待测。
（3）利用DNS法测定水解液中还原糖含量。取酶水解和酸水解待测液各0.5 mL，加入1.5 mL DNS剂和1.5 mL蒸馏水，沸水浴中反应15 min，取出后冷却至室温，定容至20 mL，在54 nm下分光光度下测定吸光度。最后测定酶水解和酸水解还原糖得率分别为41.88%和44.86%
（4）利用高效液相色谱法测定水解液中单糖含量。利用配备示差检测器的安捷伦1260高效液相色谱仪，Aminex@HPX-87H色谱柱，柱温60℃，检测器50℃，5 mM H2SO4作为流动相测定酶水解液中的纤维二糖、葡萄糖和木糖，酸水解液中的葡萄糖、木糖和***糖。测得酶水解纤维二糖、葡萄糖、木糖得率分别为0.81%、26.09%、3.12%；酸水解葡萄糖、木糖、***糖8.82%、4.25%、0.55%。
对照例2：
只经过[Bmim]Cl预处理的甘蔗渣酶水解和酸水解
（1）取[Bmim]Cl离子液体20 g到双层夹套烧杯中，将1 g甘蔗渣缓慢加入到离子液体中，利用超级恒温水浴锅控制温度80℃，在此条件下溶解30 min。预处理结束后加3~5倍原溶液体积的蒸馏水产生沉淀，让沉淀过滤后溶解在20~30 mL乙醇中，磁力搅拌20 min，过滤后用原溶液5~8的蒸馏水冲洗沉淀以除去残余离子液体，将得到的沉淀烘干后得到再生甘蔗渣。
（2）以醋酸、醋酸钠为缓冲物配成pH为4.8的缓冲溶液，再用缓冲液配制纤维素酶液（1 g/L），取50 mL纤维素酶溶液到150 mL锥形瓶中，加入0.1 g再生甘蔗渣，在50℃摇床中反应24 h，之后过滤，将滤液用蒸馏水定容至100 mL，低温贮藏待测。
（3）准确称取烘干至恒重的再生甘蔗渣，与2%的稀硫酸按照20:1（mL/g）充分混合后转移至反应釜中，160℃加热90 min，反应结束后过滤取上清液用蒸馏水定容至100 mL，低温贮藏待测。
（4）利用DNS法测定水解液中还原糖含量。取酶水解和酸水解待测液各0.5 mL，加入1.5 mL DNS剂和1.5 mL蒸馏水，沸水浴中反应15 min，取出后冷却至室温，定容至20 mL，在54 nm下分光光度下测定吸光度。最后测定酶水解和酸水解还原糖得率分别为53.39%和56.19%
（5）利用高效液相色谱法测定水解液中单糖含量。利用配备示差检测器的安捷伦1260高效液相色谱仪，Aminex@HPX-87H色谱柱，柱温60℃，检测器50℃，5 mM H2SO4作为流动相测定酶水解液中的纤维二糖、葡萄糖和木糖，酸水解液中的葡萄糖、木糖和***糖。测得酶水解纤维二糖、葡萄糖、木糖得率分别为2.69%、29.27%、6.18%；酸水解葡萄糖、木糖、***糖21.78%、8.70%、1.01%。
对照例3：
只经过[Bmim]OAc预处理的甘蔗渣酶水解和酸水解
1）取[Bmim]OAc离子液体20 g到双层夹套烧杯中，将1 g甘蔗渣缓慢加入到离子液体中，利用超级恒温水浴锅控制温度80℃，在此条件下溶解30 min。预处理结束后加3~5倍原溶液体积的蒸馏水产生沉淀，让沉淀过滤后溶解在20~30 mL乙醇中，磁力搅拌20 min，过滤后用原溶液5~8的蒸馏水冲洗沉淀以除去残余离子液体，将得到的沉淀烘干后得到再生甘蔗渣。
（2）以醋酸、醋酸钠为缓冲物配成pH为4.8的缓冲溶液，再用缓冲液配制纤维素酶液（1 g/L），取50 mL纤维素酶溶液到150 mL锥形瓶中，加入0.1 g再生甘蔗渣，在50℃摇床中反应24 h，之后过滤，将滤液用蒸馏水定容至100 mL，低温贮藏待测。
（3）准确称取烘干至恒重的再生甘蔗渣，与2%的稀硫酸按照20:1（mL/g）充分混合后转移至反应釜中，160℃加热90 min，反应结束后过滤取上清液用蒸馏水定容至100 mL，低温贮藏待测。
（4）利用DNS法测定水解液中还原糖含量。取酶水解和酸水解待测液各0.5 mL，加入1.5 mL DNS剂和1.5 mL蒸馏水，沸水浴中反应15 min，取出后冷却至室温，定容至20 mL，在54 nm下分光光度下测定吸光度。最后测定酶水解和酸水解还原糖得率分别为52.18%和50.26%
（5）利用高效液相色谱法测定水解液中单糖含量。利用配备示差检测器的安捷伦1260高效液相色谱仪，Aminex@HPX-87H色谱柱，柱温60℃，检测器50℃，5 mM H2SO4作为流动相测定酶水解液中的纤维二糖、葡萄糖和木糖，酸水解液中的葡萄糖、木糖和***糖。测得酶水解纤维二糖、葡萄糖、木糖得率分别为3.20%、32.73%、6.77%；酸水解葡萄糖、木糖、***糖21.35%、8.77%、0.92%。
对照例4：
未经预处理的小麦秸秆酶水解和酸水解
（1）以醋酸、醋酸钠为缓冲物配成pH为4.8的缓冲溶液，再用缓冲液配制纤维素酶液（1g/L），取50 mL纤维素酶溶液到150 mL锥形瓶中，加入0.1 g未经预处理的小麦秸秆，在50℃摇床中反应24 h，之后过滤，将滤液用蒸馏水定容至100 mL，低温贮藏待测。
（2）准确称取烘干至恒重的未经预处理的小麦秸秆，与2%的稀硫酸按照20:1（mL/g）充分混合后转移至反应釜中，160℃加热90 min，反应结束后过滤取上清液用蒸馏水定容至100 mL，低温贮藏待测。
（3）利用DNS法测定水解液中还原糖含量。取酶水解和酸水解待测液各0.5 mL，加入1.5 mL DNS剂和1.5 mL蒸馏水，沸水浴中反应15 min，取出后冷却至室温，定容至20 mL，在54 nm下分光光度下测定吸光度。最后测定酶水解和酸水解还原糖得率分别为:35.77%和39.29%
（4）利用高效液相色谱法测定水解液中单糖含量。利用配备示差检测器的安捷伦1260高效液相色谱仪，Aminex@HPX-87H色谱柱，柱温60℃，检测器50℃，5 mM H2SO4作为流动相测定酶水解液中的纤维二糖、葡萄糖和木糖，酸水解液中的葡萄糖、木糖和***糖。测得酶水解纤维二糖、葡萄糖、木糖得率分别为1.49%、23.63%、2.57%；酸水解葡萄糖、木糖、***糖8.19%、3.49%、0.31%。
对照例5：
只经过[Bmim]Cl预处理的小麦秸秆酶水解和酸水解
（1）取[Bmim]Cl离子液体20 g到双层夹套烧杯中，将1 g小麦秸秆缓慢加入到离子液体中，利用超级恒温水浴锅控制温度80℃，在此条件下溶解30 min。预处理结束后加3~5倍原溶液体积的蒸馏水产生沉淀，让沉淀过滤后溶解在20~30 mL乙醇中，磁力搅拌20 min，过滤后用原溶液5~8的蒸馏水冲洗沉淀以除去残余离子液体，将得到的沉淀烘干后得到再生小麦秸秆。
（2）以醋酸、醋酸钠为缓冲物配成pH为4.8的缓冲溶液，再用缓冲液配制纤维素酶液（1 g/L），取50 mL纤维素酶溶液到150 mL锥形瓶中，加入0.1 g再生小麦秸秆，在50℃摇床中反应24 h，之后过滤，将滤液用蒸馏水定容至100 mL，低温贮藏待测。
（3）准确称取烘干至恒重的再生小麦秸秆，与2%的稀硫酸按照20:1（mL/g）充分混合后转移至反应釜中，160℃加热90 min，反应结束后过滤取上清液用蒸馏水定容至100mL，低温贮藏待测。
（4）利用DNS法测定水解液中还原糖含量。取酶水解和酸水解待测液各0.5 mL，加入1.5 mL DNS剂和1.5 mL蒸馏水，沸水浴中反应15 min，取出后冷却至室温，定容至20 mL，在54 nm下分光光度下测定吸光度。最后测定酶水解和酸水解还原糖得率分别为41.88%和43.73%
（5）利用高效液相色谱法测定水解液中单糖含量。利用配备示差检测器的安捷伦1260高效液相色谱仪，Aminex@HPX-87H色谱柱，柱温60℃，检测器50℃，5 mM H2SO4作为流动相测定酶水解液中的纤维二糖、葡萄糖和木糖，酸水解液中的葡萄糖、木糖和***糖。测得酶水解纤维二糖、葡萄糖、木糖得率分别为2.25%、28.75%、8.57%；酸水解葡萄糖、木糖、***糖17.41%、9.58%、1.14%。
对照例6：
只经过[Bmim]OAc预处理的小麦秸秆酶水解和酸水解
（1）取[Bmim]Cl离子液体20 g到双层夹套烧杯中，将1 g小麦秸秆缓慢加入到离子液体中，利用超级恒温水浴锅控制温度80℃，在此条件下溶解30 min。预处理结束后加3~5倍原溶液体积的蒸馏水产生沉淀，让沉淀过滤后溶解在20~30 mL乙醇中，磁力搅拌20 min，过滤后用原溶液5~8的蒸馏水冲洗沉淀以除去残余离子液体，将得到的沉淀烘干后得到再生小麦秸秆。
（2）以醋酸、醋酸钠为缓冲物配成pH为4.8的缓冲溶液，再用缓冲液配制纤维素酶液（1 g/L），取50 mL纤维素酶溶液到150 mL锥形瓶中，加入0.1 g再生小麦秸秆，在50℃摇床中反应24 h，之后过滤，将滤液用蒸馏水定容至100 mL，低温贮藏待测。
（3）准确称取烘干至恒重的再生小麦秸秆，与2%的稀硫酸按照20:1（mL/g）充分混合后转移至反应釜中，160℃加热90 min，反应结束后过滤取上清液用蒸馏水定容至100mL，低温贮藏待测。
（4）利用DNS法测定水解液中还原糖含量。取酶水解和酸水解待测液各0.5 mL，加入1.5 mL DNS剂和1.5 mL蒸馏水，沸水浴中反应15 min，取出后冷却至室温，定容至20 mL，在54 nm下分光光度下测定吸光度。最后测定酶水解和酸水解还原糖得率分别为49.44%和49.00%
（5）利用高效液相色谱法测定水解液中单糖含量。利用配备示差检测器的安捷伦1260高效液相色谱仪，Aminex@HPX-87H色谱柱，柱温60℃，检测器50℃，5 mM H2SO4作为流动相测定酶水解液中的纤维二糖、葡萄糖和木糖，酸水解液中的葡萄糖、木糖和***糖。测得酶水解纤维二糖、葡萄糖、木糖得率分别为2.23%、29.89%、4.57%；酸水解葡萄糖、木糖、***糖11.51%、7.49%、0.89%。
实施例与对照例相比，还原糖总量提高了27.5%~38.1%。本发明的优势在于，首先，[Bmim]Cl和[Bmim]OAc两种离子液体具有可回收性，回收率在80%以上，且回收后的离子液体保持了原有性能，可以二次使用。其次，在生物质预处理过程中施加了超声波辅助，而这个过程没有添加任何化学物质，不会后续反应的过程中产生新的化学产物。最后超声波产生的空化效应和机械效应使得生物质出现断层，表面更加粗糙，空隙增大，无定形结构增加，这使得酶水解和酸水解反应更加充分，所以本发明的是一种绿色高效的方法。

Claims (10)

1.一种利用超声波辅助离子液预处理生物质的方法，其特征在于按照下述步骤进行：
（1）以离子液体为溶剂，，按照1:10~1:20的固液比（g/mL）将生物质与离子液体相混合，在70~80℃下磁力搅拌，并施加不同频率的超声波20~30 min使生物质完全溶解于离子液体中；
（2）待反应结束后，将蒸馏水按照离子液体3~5倍体积的量加入到反应溶液中，离子液体溶解到蒸馏水中并析出沉淀，过滤出沉淀并用蒸馏水洗涤3~5次后于烘箱80℃烘干，得到预处理再生生物质；
（3）采用减压蒸馏的方法对离子液体进行回收；
生物质沉淀析出后，得到的溶液为水和离子液体混合液体，在60℃，100 rpm条件下旋转蒸发去除水分，直至水分不再蒸发，并在80℃条件下干燥12~24 h以除去剩余水分；
（4）称取一定质量的预处理再生生物质，按照固液比1:300~1:500 (g/ml)加入到以醋酸-醋酸钠缓冲物的纤维素酶溶液中，至于摇床中，在50~60℃，80~150 rpm下反应12~24 h，得到酶水解液；
（5）称取一定质量的预处理再生生物质，按照固液比1:20 (g/mL)与质量分数为2%的稀硫酸混合以后在160~180℃下反应60~90 min，反应结束后将反应液经过滤除去沉淀，将滤液定容至一定量，获得酸水解溶液；
（6）水解反应结束后分别测定酶水解液和酸水解液中单糖糖以及还原糖含量并计算出各自的得率。
2.根据权利要求1所述的一种利用超声波辅助离子液预处理生物质的方法，其特征在于使用的离子液体为阴离子咪唑离子液体1-丁基-3-甲基咪唑氯盐（[Bmim]Cl）或1-丁基-3-甲基咪唑醋酸盐（[Bmim]OAc）。
3.根据权利要求1所述的一种利用超声波辅助离子液预处理生物质的方法，其特征在于所用的生物质包括农作物废弃物：如水稻秸秆，小麦秸秆，玉米秸秆；农产品加工废弃物：如甘蔗渣、甘蔗皮、大蒜皮。
4.根据权利要求1所述的一种利用超声波辅助离子液预处理生物质的方法，其特征在于所使用的超声设备为聚能式单频超声波设备。
5.根据权利要求4所述的一种利用超声波辅助离子液预处理生物质的方法，其特征在于所用的超声频率包括20、28、35、40和50 kHz五个频率，超声功率为100 W以内的某个恒定功率。
6.根据权利要求4所述的一种利用超声波辅助离子液预处理生物质的方法，其特征在于超声设备使用时将超声探头伸入液面深度控制在1~3cm中某一恒定深度。
7.根据权利要求1所述的一种利用超声波辅助离子液预处理生物质的方法，其特征在于加热设备为超级恒温水浴锅，配套使用反应容器为双层夹套烧杯。
8.根据权利要求1所述的一种利用超声波辅助离子液预处理生物质的方法，其特征在于清洗沉淀前将沉淀在乙醇中浸泡并搅拌15~30 min。
9.根据权利要求1所述的一种利用超声波辅助离子液预处理生物质的方法，其特征在于过滤沉淀所用的仪器为布式漏斗以及旋片式真空泵。
10.根据权利要求1所述的一种利用超声波辅助离子液预处理生物质的方法，其特征在于酶水解时所用的醋酸-醋酸钠缓冲液pH为4.8；酸水解反应容器为各型号的高压反应釜，包括压力溶弹。
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