CN108949891A

CN108949891A - 一种杨树皮木质素超声波协同混菌生物转化为多酚的方法

Info

Publication number: CN108949891A
Application number: CN201810625020.6A
Authority: CN
Inventors: 谢普军; 黄立新; 张彩虹
Original assignee: Institute of Chemical Industry of Forest Products of CAF
Current assignee: Institute of Chemical Industry of Forest Products of CAF
Priority date: 2018-06-17
Filing date: 2018-06-17
Publication date: 2018-12-07
Anticipated expiration: 2038-06-17
Also published as: CN108949891B

Abstract

本发明公开了一种杨树皮木质素超声波协同混菌生物转化为多酚的方法。本发明的超声波协同生物转化杨树皮木质素为多酚的方法，其具体步骤：通过机械挤压获取新鲜杨树皮，经太阳晒干后（水含量小于5%）粉碎至60目的树皮粉为原料，用真菌微生物营养液，室温下按照一定固液比，使用超声波发生装置经超声杆发出超声波进行预处理，并利用3种真菌微生物以一定体积比例混合，共接种于该溶液体系中，在一定温度、pH和转速的条件下，经过一段时间的生物转化，可实现杨树皮总多酚的高效富集和木质素高效降解。该方法较直接微生物转化的总多酚效率可提高35%以上，木质素降解效率可提高10%以上，该工艺方法具有简单易操作、兼容性强、成本低和效率高等特点，可为我国丰富的木本木质素生物转化多酚提供新思路。

Description

一种杨树皮木质素超声波协同混菌生物转化为多酚的方法

技术领域

本发明涉及木质素经生物转化制备高附加值精细化学品的天然产物化学领域，具体涉及的是一种杨树皮木质素超声波协同混菌生物转化为多酚的方法。

背景技术

多酚是一类多羟基化合物，是植物的次级代谢产物，主要通过莽草酸和丙二酸两种途径合成，是广泛存在于植物中的复杂化合物。木质素作为具有潜在酚羟基是高分子化合物，可经微生物降解转化为多酚类物质，多酚化合物具有抗氧化、抑菌、预防心血管疾病、预防糖尿病、抗癌和提高免疫活性等诸多益处，可为开发高质量食品、药品和化妆品提供依据。

杨树是我国重要的经济林资源，2015年我国杨树人工林面积已超1亿亩，居世界之首。江苏省占全国杨树种植面积的70%以上，截至2013年江苏省杨树资源总面积达到1391万亩、蓄积6841万立方米，杨树总面积占全省乔木林面积的67.4%，杨树蓄积量占全省林木总蓄积量8431.0万立方米的81.2%。从林木覆盖率得知，杨树林木覆盖率是12.77%，占全江苏省林木覆盖率的59.1%。杨树资源构成了江苏省森林资源的主体，同时面积和蓄积量也均居全国第一。

但目前为止，杨树的主要利用方向为人造板、地板、造纸以及出口四大方向，杨树皮的利用多出现在工业制造行业。将杨树皮用传统的高温高压强碱法去除木质素既是工业制备纤维素材料的主要手段，又是造纸制浆时脱除植物纤维原料中的木质素的方法，但这不仅需要消耗大量的化学药品和能源，所产生的废液还造成了严重的环境污染问题。

真菌是生物界中很大的一个类群，世界上已被描述的真菌约有 1万属12万余种（属与种都是单位，且属大于种），其中降解木质素的真菌研究最多的为白腐菌，它并不是单指一种真菌，该词来源于林学中的一个概念，指的是一类可以使木材产生白色腐朽的真菌，以此来区别于其他真菌。因白腐菌是目前了解到的唯一能在培养中有效地将木质素降解为CO₂和H₂O的一类微生物，故利用白腐菌选择性脱除木质素是目前生物技术应用研究中的热点课题。白腐菌对木质素类结构和异生物质的降解依赖其分泌的一些酶，这些酶共同构成了木质素降解酶系。该酶系包括：漆酶（Laccase，Lac）、木质素过氧化物酶（Ligninperoxidase，LiP）和锰过氧化物酶（Mn-peroxidase，MnP）该酶系能够转化酚类和非酚类化合物，催化有机物的合成，在绿色化工方面有着广阔的应用前景。利用白腐菌选择性脱除木质素并转化的基本特性，探究在何种条件下可以提高转化速度以及效率，为绿色化工带来新的路线，减轻能源和化学药品的消耗，减轻环境污染问题。

连海兰等通过漆酶-超声波协同处理碱木质素，发现超声波有利于木质素的甲氧基去除，使总酚羟基含量会增加（林产化学与工业，2014）。日本学者Wahyudiono等利用在350~400℃，25~40 Mpa范围内的超临界水，处理木质素4 h获得酚类物质，包括儿茶酚、苯酚、邻甲酚和对甲酚，其中儿茶酚在甲醇溶解液干燥固形物中含量占28% (Wahyudiono etal.,. Chemical Engineering & Processing Process Intensification, 2008, 47(9):1609-1619.) Cheng等通过高温高压降解木质素为多酚化合物，使用乙醇-水、200~450℃，5Mpa的H₂催化降解碱木质素效率为89%，经GC-MS鉴定的总酚类物质约占总检测物质的10%（Cheng et al., Polymer Degradation & Stability, 2012, 97(6):839-848.）。Hajjouji等通过土壤微生物降解油橄榄废水中木质素降解为小分子酚类聚合物（Hajjoujiet al., Bioresource Technology, 2007, 98(18): 3513-3520）。多菌种协同较单菌种生物转化能力更强，尤其在降解木质素方面（宋文哲，华南理工大学，2014）。因此，经生化、物化的方法均可降解木质素为多酚是可行的。然而，关于木质素经微生物转化为多酚的方法，通过近几年的国内外申请的专利发现，利用超声波协同白腐菌混菌生物转化杨树皮木质素为多酚物质的专利鲜有报道。

发明内容

本发明目的是提供一种杨树皮木质素超声波协同混菌生物转化多酚的可行方法，为林源精细化学品开发提供新思路。

本发明所采取的技术方案包括如下：一种杨树皮木质素超声波协同混菌生物转化为多酚的方法，所述的杨树皮，以江苏泗阳产地的意杨为原料，通过机械挤压取其树皮，在太阳晒干后，粉碎过60目。以真菌营养液为溶液，超声波预处理，并经一定条件下活化的真菌，按照一定体积比例合并的混菌，在一定温度、pH和转速下，培养一段时间，能够实现杨树皮总多酚的高效富集和木质素高效降解。

所述的杨树皮粉原料为含水量不超过5%。

所述的超声波预处理包括利用超声杆辐射振动产生的。

在混菌混合体系中，所述的菌种为3种真菌，且体积比例范围为1:1:1，1:2:1:，1:3:1，1:5:1，2:1:1，3:1:1，5:1:1，1:1:2，1:1:3和1:1:5中的某一组。

生物转化多酚条件包括，接种量（按体积百分数）范围1~20%，培养温度范围20~40℃，pH范围3~10和摇床转速范围100~500 rpm，培养时间2~21天。

所述的多酚效率提高，是指较直接使用微生物转化而无超声处理而言，超声协同混菌生物转化杨树皮木质素为多酚的效率提高35%以上。同样地，木质素高效降解，是指较直接使用微生物转化（单菌种或混菌）而无超声处理而言，超声协同混菌生物降解杨树皮木质素的降解效率提高10%以上。

有益效果

本发明利用超声波预处理协同混菌生物转化木质素为多酚的方法，较传统微生物（单菌种或混菌）直接生物转化方法，其多酚富集效率可提高超过35%以上，木质素降解效率10%以上。

具体实施方式

实施例1

超声波协同混菌生物转化木质素为多酚：

将采伐江苏泗阳意杨经机械挤压获得，并经太阳晒干后粉碎至60目，按照杨树皮粉与营养液的固液比范围为1:20（g/mL），超声功率720W，超声时间20 min，超声预处理温度为室温，再接入3种混合菌（虫拟蜡菌（Ceriporiopsis subvermispora）、夏福（Pleurotus ostreatus, Ⅰ）和夏灰（Pleurotus ostreatus, Ⅱ）），按照体积比1:1:1，接种量10%，培养温度30℃，pH 6.8，摇床转速180 rpm，培养13天。通过Folin-Ciocalteu 法（没食子酸为标品）测定本实施例中上层清夜总多酚的含量0.30 mg/mL，以AB法（乙酰溴法）测定的木质素含量21.7%（初始超声后状态：总多酚含量0.05 mg/mL，木质素含量31.3%）。

上述的真菌营养液为：每1.5L混合培养液含葡萄糖15.75g，磷酸二氢钾0.795g，硫酸锌0.000075g，磷酸氢二钾0.03g，亚硫酸铁0.0000375g，硫酸锰0.00375g，硫酸锰0.4125g，用盐酸或氢氧化钠调整pH至6.8。

实施例2

超声波协同混菌生物转化木质素为多酚：

将采伐江苏泗阳意杨经机械挤压获得，并经太阳晒干后粉碎至60目，按照杨树皮粉与营养液的固液比范围为1:25（g/mL），超声功率840 W，超声时间15 min，超声预处理温度为室温，再接入3种混合菌（虫拟蜡菌（Ceriporiopsis subvermispora）、夏福（Pleurotus ostreatus, Ⅰ）和夏灰（Pleurotus ostreatus, Ⅱ）），按照体积比1:1:1，接种量12%，培养温度30℃，pH 6.8，摇床转速200 rpm，培养12天。通过Folin-Ciocalteu 法（没食子酸为标品）测定本实施例中上层清夜总多酚的含量0.33 mg/mL，以AB法（乙酰溴法）测定的木质素含量22.05%（初始超声后状态：总多酚含量0.05mg/mL，木质素含量31.3%）。

实施案例3

对比试验—混菌生物转化木质素为多酚的方法：

将采伐江苏泗阳意杨经机械挤压获得，并经太阳晒干后粉碎至60目，按照杨树皮粉与营养液的固液比范围为1:15（g/mL），再接入3种混合菌（虫拟蜡菌（Ceriporiopsis subvermispora）、夏福（Pleurotus ostreatus, Ⅰ）和夏灰（Pleurotus ostreatus, Ⅱ）），按照体积比1:1:1，接种量10%，培养温度28℃，pH 6.8，摇床转速180 rpm，培养12天。通过Folin-Ciocalteu 法（没食子酸为标品）测定本实施例中上层清夜总多酚的含量0.24 mg/mL，以AB法（乙酰溴法）测定的木质素含量25.26%（初始提取后状态：总多酚含量0.05 mg/mL，木质素含量31.3%）。

对比试验—单菌生物转化木质素为多酚的方法：

将采伐江苏泗阳意杨经机械挤压获得，并经太阳晒干后粉碎至60目，按照杨树皮粉与营养液的固液比范围为1:15（g/mL），再接入虫拟蜡菌（Ceriporiopsis subvermispora）按照接种量10%，培养温度28℃，pH 6.8，摇床转速180 rpm，培养12天。通过Folin-Ciocalteu法（没食子酸为标品）测定本实施例中上层清夜总多酚的含量0.18 mg/mL，以AB法（乙酰溴法）测定的木质素含量28.27%（初始提取后状态：总多酚含量0.05 mg/mL，木质素含量31.3%）。

综上所述，本发明的超声波协同混菌生物转化杨树皮木质素为多酚的工艺方法，具有简单易操作、兼容性强、转化效率高，较无论是单菌种还是混菌直接微生物转化作用，其总多酚的富集效率可提高35%以上，木质素降解效率可提高10%以上，为木本木质素的降解和生物转化为多酚提供新思路。

Claims

1.一种杨树皮木质素超声波协同混菌生物转化为多酚的方法，其特征在于，所述的杨树皮，是以江苏泗阳产的意杨（Populus euramevicana）经机械挤压剥皮后经太阳晒干后，粉碎至60目的皮粉为原料（水含量＜5%），以真菌营养液为培养液，按照一定的固液比，在一定超声条件下进行超声波预处理，并接入经一定条件下活化的真菌混菌（以一定的接种量按照一定体积比例混合的真菌混菌），在一定温度、pH和转速下，培养一段时间后实现杨树皮总多酚的高效富集，和木质素高效降解。

2.权利要求1所述的杨树皮木质素超声波协同混菌生物转化为多酚的方法，其特征在于，所述的真菌营养液为：营养液A（每1L白腐菌培养液含葡萄糖1.0g，蛋白胨0.03g，磷酸二氢钾0.06g，硫酸锌0.0001g，磷酸氢二钾0.04g，硫酸亚铁0.00005g，硫酸锰0.05g，硫酸镁0.05g，用盐酸或氢氧化钠调整pH至6.0），营养液B（每1L培养液含葡萄糖20g，硫酸镁0.5g，磷酸氢二钾1g；用盐酸或氢氧化钠调整pH至7.4），和营养液C（每1.5L混合培养液含葡萄糖15.75g，磷酸二氢钾0.795g，硫酸锌0.000075g，磷酸氢二钾0.03g，亚硫酸铁0.0000375g，硫酸锰0.00375g，硫酸锰0.4125g；用盐酸或氢氧化钠调整pH至6.8）中的任意一种。

3.权利要求1所述的杨树皮木质素超声波协同混菌生物转化为多酚的方法，其特征在于，超声波预处理条件为：杨树皮粉与营养液的固液比范围为1:1~1:50（g/mL），超声功率范围100~1200W，超声时间1~40 min，超声预处理温度为室温。

4.权利要求1所述的杨树皮木质素超声波协同混菌生物转化为多酚的方法，其特征在于，所述的3种真菌为虫拟蜡菌（Ceriporiopsis subvermispora）、鸡枞菌（Termitornyces albuminosus (Berk)Heim）、香菇（Lentinus edodes(Berk)sing）、蟹味菇（Hypsizygus marmoreus ）、夏福（Pleurotus ostreatus, Ⅰ）和夏灰（Pleurotus ostreatus, Ⅱ）中的任意3种组合。

5.权利要求1所述的杨树皮木质素超声波协同混菌生物转化为多酚的方法，其特征在于，权利要求1所述的活化真菌的操作条件为，混菌接种量（按体积百分数）范围1~20%，培养温度范围20~40℃，培养时间范围12~100 h，摇床转速范围100~500 rpm。

6.权利要求1所述的杨树皮木质素超声波协同混菌生物转化为多酚的方法，其特征在于，权利要求1所述的混菌体积比（v/v, mL/mL）例为1:1:1，1:2:1:，1:3:1，1:5:1，2:1:1，3:1:1，5:1:1，1:1:2，1:1:3和1:1:5中的某一组。

7.权利要求1所述的杨树皮木质素超声波协同混菌生物转化为多酚的方法，其特征在于，权利要求1所述的微生物转化条件为，培养温度范围10~40℃，pH范围3~10和摇床转速范围100~500 rpm，培养时间2~21天。