CN101555506B - 一种木质纤维类原料的酶解方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种木质纤维类原料的酶解方法，首先用碱预处理原料，然后加入缓冲溶液预热，再用纤维素酶、活性炭和吐温对纤维原料进行水解。该方法产率高，成本低，对生态系统无毒害作用，应用前景广阔。
Description
技术领域
本发明涉及材料领域，特别涉及一种木质纤维类原料的酶解方法。
背景技术
当前能源日趋紧张，天然纤维素资源越来越受到人们的关注。天然纤维素的主要成分是纤维素、半纤维素和木质素，其中纤维素和半纤维素占70％左右，经水解后可生成葡萄糖、木糖等糖类。纤维素水解工艺主要包括酸水解和酶水解两种：与酸水解工艺相比，酶水解具有反应条件温和、副产物少、对环境危害小等优点，但目前酶水解的主要问题是酶的水解效率低，导致使用酶的成本较高。公开号为CN 1141281C的专利“半纤维素浓酸预处理常压水解技术”公开了一种通过浓硫酸预处理对半纤维素进行常压水解的方法，但由于浓硫酸腐蚀性大，该方法对设备要求高，反应条件剧烈，易生成对微生物发酵有毒害作用的副产物，且浓硫酸回收困难，成本高。柯静(柯静等，2008，可再生能源，26(2)：46～49)利用NaOH/H2O2对玉米秸秆进行预处理，然后再用纤维素酶水解，但酶解得率仅为37.5％。Yao等(YaoR S，Qi B K，Deng S S，et al.Bioresources，2007，2(3)：389～398)在稻草酶水解过程中加入聚乙二醇或吐温-20，但酶解得率也仅为36％。由上述例子可以看出，当前酶水解的效率是非常低的，还未达到50％，这就大大制约了酶解方法的广泛应用，亟需一种提高酶水解效率的方法。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中存在的缺点，提供一种产率高、环境友好、成本低、工艺简单的木质纤维类原料的酶解方法。
本发明的目的通过下述技术方案实现：
一种木质纤维类原料的酶解方法，包括下述步骤：首先用碱预处理木质纤维类原料；然后加入缓冲溶液预热；再用纤维素酶、活性炭和吐温对原料进行水解。
所述碱预处理是指在木质纤维类原料中加入氢氧化钠溶液，然后在80～120℃下预处理1～6小时，再过滤、烘干。所述木质纤维类原料与氢氧化钠溶液的质量比为1∶10～1∶30，优选为1∶15。所述氢氧化钠的浓度为0.1～20％质量，优选0.5～2％。
所述缓冲溶液预热，采用的缓冲溶液是柠檬酸-柠檬酸盐、醋酸-醋酸盐、磷酸氢二盐-磷酸二氢盐、磷酸氢二盐-氢氧化钠、巴比妥酸盐-盐酸、六亚甲基四胺-盐酸或邻苯二甲酸氢钾-氢氧化钠体系，优选柠檬酸-柠檬酸盐或醋酸-醋酸盐体系。所述缓冲溶液的pH值范围为4～7，优选为4.5～5.5，更优选为4.8。所述预热的温度是45～60℃，预热时间是10～60分钟。所述木质纤维类原料与缓冲溶液的质量比为1∶30～1∶60，优选为1∶45。
所述水解中，木质纤维类原料为100质量份、活性炭为1～15质量份、吐温为8～60质量份、纤维素酶为1～10质量份。所述水解温度为45～55℃，优选为50℃；水解时间为5～100小时，优选33～80小时。
所述吐温包括聚氧乙烯山梨糖醇酐单月桂酸酯(简称吐温20)、聚氧乙烯(4)山梨醇酐单月桂酸酯(简称吐温21)、聚氧乙烯山梨糖醇酐单棕榈酸酯(简称吐温40)、聚氧乙烯山梨糖醇酐单硬脂酸酯(简称吐温60)、聚氧乙烯(4)山梨糖醇酐单硬脂酸酯(简称吐温61)、聚氧乙烯山梨糖醇酐三硬脂酸酯(简称吐温65)、聚氧乙烯山梨糖醇酐单油酸酯(简称吐温80)、聚氧乙烯山梨糖醇酐单油酸酯(简称吐温81)或聚氧乙烯山梨糖醇酐三油酸酯(简称吐温85)。
所述活性炭包括粉末活性炭、颗粒状活性炭、不规则颗粒状活性炭、圆柱形活性炭、球形活性炭或纤维状活性炭。
所述木质纤维类原料包括木材、农作物废弃物、杂草等。
本发明通过添加活性炭和吐温可以大幅提高木质纤维类原料的酶解效率。吐温含有亲水性的羟基和疏水性的长链烷基，羟基的存在提高了它在水中的溶解度和分散性，而疏水烷基可以与原料中所含的木质素结合，减少或避免了纤维素酶与木质素之间的无效吸附，从而达到提高酶解效率、减少酶用量、降低成本的目的。另外，活性炭对纤维素酶有吸附作用，但吸附作用不强，当受到振荡和表面活性剂的进攻时会脱吸附，这种吸附与脱吸附的循环可以活化纤维素酶，并延缓纤维素酶的失活。
本发明与现有技术相比具有如下优点和效果：
(1)利用纤维素酶对木质纤维类原料进行水解，不需要酸水解所要求的高温高压、耐腐蚀的高价设备，反应条件温和，不会产生有毒害作用的副产物，不会排放大量污水，环境友好。
(2)活性炭和吐温的协同作用可以大大提高纤维素酶解得率，结果使酶解的产率比未加时提高了50～60％，比仅加吐温时提高了10～20％。
(3)活性炭和吐温的协同作用可以减少纤维素酶的用量，降低木质纤维类原料酶水解的成本；而且此方法操作简单，对生态系统无毒害作用，应用前景广阔。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
a.取经过干燥、粉碎至80目的玉米秸秆20g，加入质量分数为1％氢氧化钠溶液300mL，混合均匀，在100℃条件下处理3小时，趁热过滤，并用热水洗至中性，将滤渣烘干，粉碎备用。
b.取步骤a得到的物料1.5g，与新配制的pH为4.8的柠檬酸-柠檬酸钠缓冲溶液70mL混合均匀，在50℃下预热10分钟，加入0.07g粉末活性炭、0.225g吐温-80和纤维素酶75mg，在50℃的恒温振荡器中连续振荡45小时，测得还原糖总量为1.185g，酶解得率为71.1％。
酶解得率＝-0.9×100％×还原糖总量/原料干重
对比例1
本对比例说明未加活性炭和吐温时玉米秸秆酶水解的产率。
按照实施例1的方法进行酶解，不同的是，在步骤b中未添加粉末活性炭和吐温-80，其他条件与实施例1相同。结果测得还原糖总量为0.75g，酶解得率为45％。
由实施例1和对比例1可以看出，活性剂和吐温-80的加入使酶解得率提高了58％。
对比例1’
本对比例说明仅加吐温时玉米秸秆酶水解的产率。
按照实施例1的方法进行酶解，不同的是，在步骤b中未粉末活性炭，其他条件与实施例1相同。结果测得还原糖总量为1.035g，酶解得率为62.1％。
由实施例1和对比例1’可以看出，本发明同时加入粉末活性炭和吐温使酶解得率提高了14％。
实施例2
a.取经过干燥、粉碎至80目的玉米秸秆20g，加入质量分数为1％氢氧化钠溶液300mL，混合均匀，在100℃条件下处理3小时，趁热过滤，并用热水洗至中性，将滤渣烘干，粉碎备用。
b.取步骤a得到的物料1.5g，与新配制的pH为4.8的柠檬酸-柠檬酸钠缓冲溶液70mL混合均匀，在50℃下预热10分钟，加入0.03g粉末活性炭、0.25g吐温-20和纤维素酶30mg，在50℃的恒温振荡器中连续振荡80小时，测得还原糖总量为0.63g，酶解得率为37.8％。
对比例2
本对比例说明未加活性炭和吐温时玉米秸秆酶水解的产率。
按照实施例2的方法进行酶解，不同的是，在步骤b中未添加粉末活性炭和吐温-20，当纤维素酶用量仍为30mg时，还原糖总量为0.328g，酶解得率仅为19.6％；当纤维素酶加倍，即60mg时，还原糖总量和酶解得率与上述实施例2相同，即分别为0.63g和37.8％。
由实施例2和对比例2可以看出，在酶解得率相同的情况下，加入粉末活性炭和吐温-20可以将酶的用量减少一半。
实施例3
a.取经过干燥、粉碎至80目的玉米秸秆20g，加入质量分数为20％氢氧化钠溶液300mL，混合均匀，在100℃条件下处理3小时，趁热过滤，并用热水洗至中性，将滤渣烘干，粉碎备用。
b.取步骤a得到的物料1.5g，与新配制的pH为4.5的醋酸-醋酸钠缓冲溶液45mL混合均匀，在50℃下预热45分钟，加入0.7g粉状活性炭、0.12g吐温-80和纤维素酶75mg，在55℃的恒温振荡器中连续振荡57小时，测得还原糖总量为0.762g，酶解得率为46％。
实施例4
a.取经过干燥、粉碎至80目的甘蔗渣20g，加入质量分数为2％氢氧化钠溶液200mL，混合均匀，在80℃条件下处理3小时，趁热过滤，并用热水洗至中性，将滤渣烘干，粉碎备用。
b.取步骤a得到的物料1.5g，与新配制的pH为4的醋酸-醋酸钠缓冲溶液90mL混合均匀，在60℃下预热10分钟，加入0.015g颗粒状活性炭、0.20g吐温-20和纤维素酶15mg，在50℃的恒温振荡器中连续振荡5小时，测得还原糖总量为0.716g，酶解得率为48％。
实施例5
a.取经过干燥、粉碎至80目的玉米秸秆20g，加入质量分数为0.5％氢氧化钠溶液300mL，混合均匀，在100℃条件下处理1小时，趁热过滤，并用热水洗至中性，将滤渣烘干，粉碎备用。
b.取步骤a得到的物料1.5g，与新配制的pH为5.0的醋酸-醋酸钠缓冲溶液70mL混合均匀，在50℃下预热20分钟，加入0.225g粉状活性炭、2.0g吐温-20和纤维素酶150mg，在50℃的恒温振荡器中连续振荡10小时，测得还原糖总量为1.049g，酶解得率为70％。
实施例6
a.取经过干燥、粉碎至80目的稻草20g，加入质量分数为1％氢氧化钠溶液300mL，混合均匀，在80℃条件下处理6小时，趁热过滤，并用热水洗至中性，将滤渣烘干，粉碎备用。
b.取步骤a得到的物料1.5g，与新配制的pH为7的磷酸氢二钠-氢氧化钠缓冲溶液70mL混合均匀，在45℃下预热10分钟，加入0.045g圆柱形活性炭、7.0g吐温-65和纤维素酶45mg，在50℃的恒温振荡器中连续振荡100小时，测得还原糖总量为0.589g，酶解得率为38％。
Claims (1)
1.一种木质纤维原料的酶解方法，其特征在于包括下述步骤：
(1)首先用碱预处理木质纤维原料：所述碱预处理是指在木质纤维原料中加入氢氧化钠溶液，然后在80～120℃下预处理1～6小时，再过滤、烘干；所述木质纤维原料与氢氧化钠溶液的质量比为1∶10～1∶30，所述氢氧化钠的浓度为0.1～20％质量；
(2)然后加入缓冲溶液预热：所述缓冲溶液是柠檬酸-柠檬酸盐、醋酸-醋酸盐或磷酸氢二盐-氢氧化钠，所述缓冲溶液的pH值为4～7；所述木质纤维原料与缓冲溶液的质量比为1∶30～1∶60；所述预热的温度是45～60℃，预热时间是10～60分钟；
(3)再用纤维素酶、活性炭和吐温对原料进行水解：所述木质纤维原料为100质量份、活性炭为1～15质量份、吐温为8～60质量份、纤维素酶为1～10质量份；所述水解温度为45～55℃；水解时间为5～100小时；所述吐温是吐温-20、吐温-65或吐温-80。
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