CN101463367B - 一种利用漆酶协同纤维素酶提高汽爆秸秆酶解效率的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于纤维素发酵工业技术领域，特别涉及一种利用漆酶协同纤维素酶提高汽爆秸秆酶解发酵效率的方法。首先将秸秆进行蒸汽爆破预处理，然后取一定量的漆酶和纤维素酶液与汽爆秸秆混合，置于一定温度下进行酶解，酶解液进行乙醇发酵。当添加0.5U/g漆酶和15U/g底物的纤维素酶，于50℃水浴中酶解48h，还原糖含量和酒精得率都与添加20U/g底物纤维素酶的对照组相近，从而大大减少了纤维素酶的用量。

Description

一种利用漆酶协同纤维素酶提高汽爆秸秆酶解效率的方法
技术领域
本发明属于纤维素发酵工业技术领域，特别涉及一种利用漆酶协同纤维素酶提高汽爆秸秆酶解发酵效率的方法。
背景技术
纤维素酶水解是固液多相反应，纤维素酶首先必须接触吸附到纤维素底物上，但是由于这些底物是具有复杂的、不可溶的、半晶体结构的物质，使得纤维素酶的作用相对缓慢。陈洪章等考察了不同处理原料对纤维素酶解的影响，认为纤维素酶解效率主要取决于处理后原料中的半纤维素、木质素是否还呈天然状态，也就是半纤维素和木质素对纤维素酶的可及性的影响。Gharpuray等认为比表面积是影响纤维素酶解的主要因素，其次是木质素含量，最后是纤维素的结晶度。纤维素酶不仅降解纤维素的表面，而且还要向纤维素内部扩散，这个扩散过程影响纤维素酶解效率，而高含量的木质素阻碍了纤维素酶向纤维素的扩散速度及纤维素酶的作用，引起最终产物的抑制并降低纤维素的转化率；另外半纤维素和木质素对纤维素酶具有无效吸附作用，使纤维素酶用量增加。因而，通过原料预处理破坏木质素的屏蔽作用、改变纤维素的晶体结构、提高木质纤维原料的可及度是有效的提高纤维素酶解效率的手段。
漆酶是一种含铜的多酚氧化酶，它广泛存在于自然界的多种植物和菌类的分泌物中，根据来源一般将其分为漆树漆酶和真菌漆酶。漆酶能够催化多种底物，如酚类化合物及其衍生物、芳胺及其衍生物、羧酸及甾醇类化合物等；在ABTS、HBT等介质存在下，漆酶也可以催化一些包括木质素在内的非酚底物。漆酶是目前公认的木素分解酶之一，可以直接从底物吸收电子，使之形成自由基，它具有780mV的氧化还原电势，在没有H2O2和其他次级代谢产物存在下，能够使第二底物O2直接变成水，而自身脱去羟基上的电子或质子形成自由基。该自由基不稳定，可进一步发生聚合或解聚反应。该特性使得漆酶在生物制浆及漂白、废水处理以及高分子材料生物转化等方面都具有重要的环保应用价值和开发潜力，因而成为国内外研究的焦点。
目前，已有将漆酶用于造纸工业中脱除木质素协同漂白及改善纤维结构等的研究。付时雨将在漆酶/NHA(N-羟基乙酰苯胺)体系中(即LMS)，进行尾叶桉硫酸盐浆(浆浓度10％)生物脱木质素，结果表明漆酶/助剂体系具有选择性脱木质素的作用，而不会氧化破坏纤维素。万金泉等将漆酶介体系统(LMS)用于脱除麦草KP浆中的木质素，木质素脱除率可以达到30％，而对纤维素的损伤较小。Susana等在Laccase-HBT介体体系中利用Pycnoporus cinnabarinus，Trametes versicolor漆酶对亚麻浆的TCF漂白，纸浆的白度明显提高，纸浆中木质素含量降低(Kappa值降低)。而尤纪雪等通过电镜观察发现，经漆酶预处理后，麦草表面变得粗糙不平，胞间层有部分木质素被脱除，说明漆酶确实具有较高的选择性降解木质素的作用。
发明内容
本发明的目的在于：针对目前纤维质原料酶解过程中，原料中高含量的木质素不仅阻碍了纤维素酶向纤维素的扩散速度，而且对纤维素酶具有无效吸附作用，使纤维素酶用量增加，进而提高了纤维质原料酶解的成本等问题，提供一种利用漆酶协同纤维素酶提高汽爆秸秆酶解发酵效率，降低酶解发酵成本的方法。
本发明提供的漆酶协同纤维素酶酶解汽爆秸秆的方法，首先对秸秆进行蒸汽爆破预处理，然后取一定量的漆酶和纤维素酶液与汽爆秸秆混合，置于一定温度下进行酶解，酶解液进行乙醇发酵。
本发明所述的汽爆处理是将秸秆粗切至20-30cm，再装入蒸汽爆破装置内，与1.0～2.1Mpa的蒸汽压力下维持2～10min，瞬间减压释放即得到汽爆秸秆。所述的秸秆是指麦草、玉米秸秆、稻草、皇竹草等。
本发明所用漆酶来自担子菌Mycelia Sterilia、杂色云芝等；漆酶用0.02M、pH 6.0的磷酸缓冲液配制，其添加浓度为0.05～20U/g底物。
一种利用漆酶协同纤维素酶提高汽爆秸秆酶解发酵效率的方法，其步骤包括：
1)将秸秆在1.0～2.1Mpa的蒸汽压力下进行蒸汽爆破处理，之后将其干燥即得到汽爆秸秆；
2)将纤维素酶用pH 4.8的醋酸缓冲液配制成纤维素酶液；
3)将步骤1)所得到的汽爆秸秆与漆酶和纤维素酶混合均匀；漆酶的添加浓度为0.05～20U/g汽爆秸秆，纤维素酶的添加量为15～20U/g汽爆秸秆；
所述漆酶选自担子菌Mycelia Sterilia、杂色云芝等；
所述的纤维素酶选自里氏木霉、绿色木霉、黑曲霉或康氏木霉；
4)将吸附有漆酶和纤维素酶的汽爆秸秆在50℃下酶解48～72h；
5)接种酵母菌至酶解液中进行乙醇发酵，发酵温度35℃，发酵时间60h。
本发明的优点是：
1)汽爆预处理后，秸秆原料的结构变得疏松，提高了酶的可及性，以利于酶渗透至原料内部发挥作用；
2)漆酶能够降解原料中部分木质素，减少了木质素对纤维素酶的无效吸附，节约了纤维素酶的用量；
3)漆酶降解了原料表面的木质素，有助于漆酶及纤维素酶向原料内部扩算，改善了原料的可及度，从而提高了纤维素酶解效率；
4)少量的漆酶即可对纤维素酶产生协同作用，可以降低汽爆秸秆的酶解成本。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明的技术方案作进一步说明。
实施例1
将含水量10％的麦草投入汽爆罐中，于1.5Mpa下维压5min，取出后烘干；取烘干的汽爆麦草2.5g，添加0.05U/g漆酶和20U/g底物的纤维素酶，用蒸馏水调节固液比为1∶20，以不添加漆酶作为对照组。50℃水浴中酶解48h，无菌操作条件下，向酶解液中接种酵母菌，于35℃进行乙醇发酵60h。在此条件下，添加漆酶汽爆秸秆酶解所得还原糖含量提高了18.3％，酒精得率提高了5.13％。
所用漆酶来自担子菌Mycelia Sterilia，纤维素酶来自里氏木霉。
实施例2
将含水量15％的玉米秸秆投入汽爆罐中，于1.2Mpa下维压10min，取出后烘干；取烘干的汽爆玉米秸秆2.5g，添加0.5U/g漆酶和20U/g底物的纤维素酶，用蒸馏水调节固液比为1∶20，以不添加漆酶作为对照组。50℃水浴中酶解48h，无菌操作条件下，向酶解液中接种酵母菌，于35℃进行乙醇发酵60h。在此条件下，添加漆酶汽爆秸秆酶解所得还原糖含量提高了26.3％，酒精得率提高了8.3％。
所用漆酶来自担子菌Mycelia Sterilia，纤维素酶来自黑曲霉。
实施例3
将含水量20％的麦草投入汽爆罐中，于1.7Mpa下维压4min，取出后烘干；取烘干的汽爆麦草2.5g，添加0.5U/g漆酶和15U/g底物的纤维素酶，用蒸馏水调节固液比为1∶20，以不添加漆酶而添加20U/g底物的纤维素酶作为对照组。50℃水浴中酶解48h，无菌操作条件下，向酶解液中接种酵母菌，于35℃进行乙醇发酵60h。在此条件下，添加漆酶汽爆秸秆酶解所得还原糖含量和酒精得率分别为12.31g/l和8.54g/g底物，对照组则分别为12.54g/l和8.82g/g底物。
所用漆酶来自担子菌Mycelia Sterilia，纤维素酶来自绿色木霉。
实施例4
将含水量25％的稻草投入汽爆罐中，于1.8Mpa下维压4min，取出后烘干；取烘干的汽爆稻草2.5g，添加2.0U/g漆酶和20U/g底物的纤维素酶，用蒸馏水调节固液比为1∶20，以仅添加22U/g底物的纤维素酶作为对照组。50℃水浴中酶解48h，无菌操作条件下，向酶解液中接种酵母菌，于35℃进行乙醇发酵60h。在此条件下，添加漆酶汽爆秸秆酶解所得还原糖含量较对照组高19.6％，酒精得率提高了5.96％。
所用漆酶来自杂色云芝，纤维素酶来自黑曲霉。
实施例5
将含水量30％的皇竹草投入汽爆罐中，于1.6Mpa下维压5min，取出后烘干；取烘干的汽爆皇竹草2.5g，添加20U/g漆酶和20U/g底物的纤维素酶，用蒸馏水调节固液比为1∶20，以仅添加40U/g底物的纤维素酶作为对照组。50℃水浴中酶解48h，无菌操作条件下，向酶解液中接种酵母菌，于35℃进行乙醇发酵60h。在此条件下，添加漆酶汽爆秸秆酶解所得还原糖含量和酒精得率分别为13.42g/l和9.24g/g底物，对照组则分别为13.54g/l和9.18g/g底物。
所用漆酶来自担子菌杂色云芝，纤维素酶来自黑曲霉。
实施例6
将含水量15％的麦草投入汽爆罐中，于2.1Mpa下维压2min，取出后烘干；取烘干的汽爆麦草2.5g，添加0.5U/g漆酶和20U/g底物的纤维素酶，用蒸馏水调节固液比为1∶20，以仅添加20U/g底物的纤维素酶作为对照组。50℃水浴中酶解48h，无菌操作条件下，向酶解液中接种酵母菌，于35℃进行乙醇发酵60h。在此条件下，添加漆酶汽爆秸秆酶解所得还原糖含量和酒精得率分别提高了18.21％和5.18％。
所用漆酶来自担子菌杂色云芝，纤维素酶来自康氏木霉。

Claims (1)

1.一种利用漆酶协同纤维素酶提高汽爆玉米秸秆酶解发酵效率的方法，其特征在于包括以下步骤：
1)将含水量15％的玉米秸秆投入汽爆罐中，于1.2Mpa下维压10min，取出后烘干；
2)取烘干的汽爆玉米秸秆2.5g，添加0.5U/g担子菌Mycelia Sterilia漆酶和20U/g底物的黑曲霉纤维素酶，用蒸馏水调节固液比为1∶20，以不添加担子菌Mycelia Sterilia漆酶作为对照组；
3)步骤2)得到的混合物在50℃水浴中酶解48h；
4)无菌操作条件下，向步骤3)所得到的酶解液中接种酵母菌，于35℃进行乙醇发酵60h；
5)添加担子菌Mycelia Sterilia漆酶汽爆秸秆酶解所得还原糖含量提高了26.3％，酒精得率提高了8.3％。
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