CN101311274A - 一种蒸汽爆破预处理提高植物秸秆阿魏酸提取率的方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于生物技术应用领域，特别涉及蒸汽爆破预处理提高植物秸秆阿魏酸提取率的方法。该方法为：将含水量在10－25％的植物秸秆在蒸汽压力为0.9－1.9MPa的条件下蒸汽爆破处理，风干；将阿魏酸酯酶和木质纤维原料降解酶协同作用，酶解风干的汽爆植物秸秆，得到含阿魏酸的酶解液。所用蒸汽爆破技术清洁、高效且无污染，与酶法提取相结合，将植物秸秆中阿魏酸的释放率提高了9～12倍。

Description

一种蒸汽爆破预处理提高植物秸秆阿魏酸提取率的方法

技术领域：

本发明属于生物技术应用领域，特别涉及蒸汽爆破预处理提高植物秸秆阿魏酸提取率的方法。

背景技术：

阿魏酸是一种芳香族有机酸，广泛存在于植物细胞壁中，是很多中草药如阿魏、当归等的有效成分之一。现已广泛应用于医药、食品、化妆品等各行业。但是阿魏酸在植物细胞壁中含量相对较低，且大多以单体或者聚体的形式结合在木质素和多糖之间，使细胞壁的结构更加复杂致密，阿魏酸难以释放。

阿魏酸也广泛存在于农作物秸秆中，但目前为止还为得到大规模的开发利用，原因之一是植物秸秆细胞壁的结构特殊、难以降解：在秸秆的细胞壁结构中，纤维素分子链规则排列，聚集成束，以微细纤维形式构成纤维素骨架，木质素和半纤维素以共价键方式交联在一起，形成三维框架结构，把微纤维束镶嵌在里面，致使从天然纤维素原料细胞壁结构更加致密。为了去除或降低木质素的障碍，降低天然纤维素的聚合度和结晶度，提高天然纤维素对木质纤维原料降解酶的敏感性、使其中高附加值产品充分释放而得到开发利用，所以秸扦必须经过预处理，为其全利用创造前提条件。

目前秸杆预处理的方法，大致可分为物理法、化学法、生物法。其中物理法主要是采用粉碎、高能辐射、蒸汽爆破(简称汽爆)等方式降低纤维素的结晶度，提高其可及性。粉碎可以降低纤维素的聚合度，增加原料的可及性，但是能耗高，而且对阿魏酸提取率的提高幅度很小。高能辐射同样能耗很高，对原料酶解率的提高有限。蒸汽爆破法是Manson于1927年提出的一种相对经济而且清洁的预处理方法(美国专利，1655618)。蒸汽爆破预处理对秸秆结构的影响包括高温蒸煮和瞬间减压产生的机械作用两个方面：高温蒸煮的过程中，木质素熔化，半纤维素降解，纤维细胞间的结合减弱；瞬间的减压喷放，物料内所含的水分迅速蒸发、膨胀，产生的爆破力使得秸秆的组织结构破坏，秸秆被撕裂成小的片段，纤维与纤维互相分开，变成结构疏松、柔软的立体状组织，木质素重新分布，纤维素充分暴露。经过这一过程的处理，大大增加了秸秆的表面积和孔隙度，使纤维素的结晶度降低、可及性增加。

现阶段阿魏酸的制备方法主要以米糠为原料、碱解法为主，但该法中用碱对设备要求高，且产生大量废水；而化学合成法中使用大量的有机试剂，造成环境污染；从植物中直接提取阿魏酸则多为采用化学方法，应用大量有机试剂，但产量低，成本高。发明专利CN1425773A中的酶法同时制备低聚糖和阿魏酸的方法中采用了生物酶解方法，但是对主要以麦麸等为原料，预处理方式主要以粉碎、蒸煮为主。对植物秸秆来讲，这样的预处理方式不足以充分破坏细胞壁的结构。

国外也对阿魏酸的提取和制备进行了大量研究，主要以各种麦麸、玉米麸、蔗渣、甜菜渣等，还未见以从植物秸秆中直接提取。对原料的预处理中，以粉碎、去淀粉、脱脂等为主，虽有助于阿魏酸的释放，但效果有限；以灭菌热处理等方法处理不适于工业化生产。

因此本发明旨在研究一种汽爆秸秆阿魏酸的制备方法，以克服植物秸秆阿魏酸释放率低的缺点，同时有效利用木质纤维素资源，实现其生物量的全利用。

发明内容

本发明的目的是针对目前植物秸秆预处理技术效率低、阿魏酸释放率低的问题，提出一种蒸汽爆破预处理提高植物秸秆阿魏酸提取率的方法。经过蒸汽爆破预处理后，植物秸秆阿魏酸的释放率提高了9～12倍，且处理方法简单、清洁高效。

本发明的方法是利用蒸汽爆破预处理提高植物秸秆阿魏酸提取率，所述方法包括植物秸秆的蒸汽爆破预处理，汽爆后的植物秸秆风干；然后将阿魏酸酯酶和木质纤维原料降解酶协同酶解风干汽爆植物秸秆，得到含阿魏酸的酶解液。

本发明的方法中，阿魏酸酯酶和木质纤维原料降解酶中的一种或者几种是同时加入到酶解体系中的。

本发明的蒸汽爆破预处理提高植物秸秆阿魏酸提取率的方法包括以下步骤：

(1)将含水量在10-35％的植物秸秆在蒸汽压力为0.9-1.9MPa的条件下蒸汽爆破4～12min，风干备用。

(2)在步骤(1)得到的风干汽爆植物秸秆中加入阿魏酸酯酶和木质纤维素原料降解酶中的一种或几种，酶解条件为：固液比1∶10～25，温度35～55℃，pH值3.0～6.0，时间1～12h。

本发明利用蒸汽爆破预处理技术，植物秸秆在汽爆的蒸汽蒸煮和瞬间爆破两个步骤的影响下，发生了类酸性水解及热降解作用，使纤维素聚合度下降，并且对木质纤维素细胞壁中的氢键有破坏作用，从而半纤维素和部分木质素降解为低分子物质，并使纤维疏松多孔，使酶更易侵入底物而发生作用；使得阿魏酸酯酶和木质纤维原料降解酶之间的协同作用更显著。实验表明经过蒸汽爆破预处理后，植物秸秆阿魏酸的释放率提阿高了9～12倍，证明了汽爆预处理的高效性，同时该技术简单，且清洁无污染。

具体实施方式：

实施例1：

1.汽爆稻草

将切至10-15cm长的稻草150g加水150ml，搅拌均匀，装入汽爆罐中，通入蒸汽，待排出罐内冷空气后，关闭装料阀，升压到1.0MPa，维压10min，打开放料阀，瞬间减压释放即得汽爆稻草，风干备用。

2.汽爆稻草的酶解

取汽爆稻草2g，体系中纤维素酶30IU FPA/g底物，阿魏酸酯酶1IU/g底物，然后用pH4.8醋酸缓冲液将酶解体系补充至50ml，于50℃恒温水浴中酶解6h。取样，用HPLC测定样品中阿魏酸的含量。

实施例2：

1.汽爆稻草

将切至10-15cm长的稻草150g加水150ml，搅拌均匀，装入汽爆罐中，通入蒸汽，待排出罐内冷空气后，关闭装料阀，升压到1.5MPa，维压4min，打开放料阀，瞬间减压释放即得汽爆稻草，风干备用。

2.汽爆稻草的酶解

取汽爆稻草2g，体系中纤维素酶30IU FPA/g底物，阿魏酸酯酶1IU/g底物，然后用pH4.8醋酸缓冲液将酶解体系补充至50ml，于50℃恒温水浴中酶解8h。取样，用HPLC测定样品中阿魏酸的含量。

实施例3：

1.汽爆稻草

将切至10-15cm长的稻草150g加水150ml，搅拌均匀，装入汽爆罐中，通入蒸汽，待排出罐内冷空气后，关闭装料阀，升压到1.6MPa，维压4min，打开放料阀，瞬间减压释放即得汽爆稻草，风干备用。

2.汽爆稻草的酶解

取汽爆稻草2g，体系中纤维素酶20IU FPA/g底物，阿魏酸酯酶1IU/g底物，然后用pH4.8醋酸缓冲液将酶解体系补充至40ml，于50℃恒温水浴中酶解8h。取样，用HPLC测定样品中阿魏酸的含量。

Claims (6)

1.一种蒸汽爆破预处理提高植物秸秆阿魏酸提取率的方法，包括如下步骤：

(1)将含水量在10-35％的植物秸秆在蒸汽压力为0.9-1.9MPa的条件下蒸汽爆破处理，风干备用；

(2)将阿魏酸酯酶和木质纤维原料降解酶协同作用，酶解步骤(1)中的风干汽爆植物秸秆，得到含阿魏酸的酶解液。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述的植物秸秆包括玉米秸秆、麦草、稻草等。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的汽爆处理时间为4-12min。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：酶解时阿魏酸酯酶和木质纤维原料降解酶同时加入。

5.根据权利要求1、4所述的方法，其特征在于：所述的木质纤维原料降解酶包括纤维素酶、木聚糖酶、半纤维素酶等。

6.根据权利要求1、4所述的方法，其特征在于：酶解反应的固液比为1∶10～25，温度为35～55℃，pH值为3.0～6.0，时间为1～12h。