CN101619333B - 一种将木糖渣或糠醛渣高效糖化的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种将木糖渣或糠醛渣等生物质废弃物高效糖化的方法，其对木糖渣或糠醛渣等生物质废弃物进行汽爆处理，然后收集汽爆后的物料并进行固液分离，再对分离所得固相进行酶解糖化。本发明方法采用汽爆处理破坏纤维素的结晶结构，增加纤维素的比表面积，同时降低木质素的含量，从而降低木质纤维素类原料糖化时的纤维素酶用量，提高酶解效率，增加所得酶解液中的糖浓度，有效降低利用木质纤维素类原料酶解和糖浓缩的成本，能够促进对该类生物质废弃物的工业化回收和再利用，有利于保护环境和节约资源。

Description

一种将木糖渣或糠醛渣高效糖化的方法
技术领域
本发明属于生物化工技术领域，具体涉及一种将木糖渣或糠醛渣高效糖化的方法。
背景技术
木糖主要以多糖的形态存在于植物中，特别是在玉米的穗轴、秸秆、棉桃的外皮等农产品废弃物中的含量很多。由于木糖摄入人体后不被消化吸收，没有能量值且能最大限度地满足爱吃甜品者的需求，另外还能改善人体的微生物环境，活化人体肠道内的双岐杆菌并促其生长，因此近年来被广泛用于食品、饮料中作为无热量甜味剂，是符合当今社会潮流，适用于肥胖及糖尿病患者的甜味剂。但是在利用生物质原料生产木糖和木糖醇等产品的同时会产生大量残渣，即木糖渣。
糠醛是一种重要的化工原料，以农副产品下脚料为原料。我国是糠醛的主要生产国和主要出口国之一。在糠醛生产(蒸煮水解)过程中，伴有大量糠醛废渣产生，每吨糠醛产品排出10吨以上残渣，我国每年排放糠醛废渣近三千万吨。
随着人类社会越来越多的利用生物质资源，木糖渣和糠醛渣等木质纤维素类原料加工处理过程中产生的生物质废渣的排放量也日益增多，如随意堆积或挖坑倾倒废弃，不但会造成二次扬尘和环境污染，还造成对资源的极大浪费。木糖渣和糠醛渣等木质纤维素类原料加工处理过程中产生的生物质废渣中含有大量纤维素，可以用来发酵生产糖类，但如果直接采用木糖渣和糠醛渣等生物质废弃物水解制糖，由于废渣中含有26％左右的木质素及8％左右的半纤维素，造成酶解时底物浓度受到限制，得到的糖液浓度低，杂糖含量多，总糖浓度约在8％左右，葡萄糖纯度仅在77％左右，糖液难以满足其它发酵工艺的要求；同时由于木质素的存在，影响了纤维素酶的使用效果，造成酶用量增大。
发明内容
本发明的目的是提供一种将木糖渣或糠醛渣等生物质废弃物高效糖化的方法，减少纤维素酶用量，提高酶解糖液的浓度。
为实现上述目的，本发明提供一种将木糖渣或糠醛渣等生物质废弃物高效糖化的方法，其对木糖渣或糠醛渣等生物质废弃物进行汽爆处理，然后收集汽爆后的物料并进行固液分离，再对分离所得固相进行酶解糖化。
所述木糖渣或糠醛渣等生物质废弃物的含水量为0-90％。
所述木糖渣或糠醛渣等生物质废弃物的含水量优选为60-80％。
所述木糖渣或糠醛渣等生物质废弃物优选为玉米芯稀酸水解固液分离后的固体渣。
所述木糖渣或糠醛渣等生物质废弃物优选为甘蔗渣稀酸水解固液分离后的固体渣。
所述汽爆为在1-20分钟内升温至170-240℃，保温1-30分钟后，瞬间减压释放。
所述汽爆的升温时间优选为1-2分钟。
所述汽爆的保温温度优选为190-220℃。
所述汽爆的保温时间优选为2-15分钟。
所述酶解为加入纤维素酶20-30FPIU/g底物，在pH值为4.6-5.0，温度为46-50℃的条件下酶解24-72小时。
本发明方法对木糖渣或糠醛渣等生物质废弃物进行汽爆处理后再酶解，汽爆处理能够破坏纤维素的结晶结构，增加纤维素的比表面积，同时降低木质素的含量，使纤维素的含量相对提高，从而有效降低酶解糖化时所需的纤维素酶用量，提高酶解效率，减小酶解周期，同时提高酶解液中的糖浓度，总糖浓度可达到15％以上。因此本发明方法能够降低对木糖渣或糠醛渣等生物质废弃物进行酶解和糖浓缩的成本，促进对该类生物质废弃物的工业化回收和再利用，有利于环境保护，在较大程度上节约了资源。
具体实施方式
以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
下述实施例中所用的纤维素酶均为无锡杰能科生物工程有限公司生产的纤维素酶。
实施例1
在汽爆机内加入含水量为70％的木糖渣(玉米芯稀酸水解后的固体残渣)，打开蒸汽阀快速升温到200℃，升温时间为1分钟，在200℃保温15分钟后，关闭蒸汽阀，打开汽爆机汽爆快开阀将物料瞬间释放出。收集汽爆处理后的物料经离心分离，所得固相加入相同重量的水用酸调节pH到4.8，调节温度到50℃，然后加入纤维素酶，用酶量为30FPIU/克底物(以干重计)，搅拌转速100rpm/min，酶解时间控制在24小时。每12小时取样一次，利用DNS法测酶解液中的总糖浓度，利用高效液相色谱法测酶解液中的葡萄糖及木糖浓度。所得酶解液中总还原糖浓度为15.6％，酶解得率为87.8％。
实施例2
在汽爆机内加入含水量为60％的木糖渣(玉米芯稀酸水解后的固体残渣)，打开蒸汽阀快速升温到190℃，升温时间为2分钟，保温10分钟后，关闭蒸汽阀，打开汽爆机汽爆快开阀将物料瞬间释放出。收集汽爆处理后的物料经离心分离，所得固相加入容器中，同时加入相同重量的水，用酸调节pH到4.6，调节温度到46℃，然后加入纤维素酶，用酶量为20FPIU/克底物(以干重计)，搅拌转速100rpm/min，酶解时间控制在72小时。每12小时取样一次，利用DNS法测酶解液中的总糖浓度，利用高效液相色谱法测酶解液中的葡萄糖及木糖浓度。所得酶解液中总还原糖浓度为14.3％，酶解得率为85.6％。
实施例3
在汽爆机内加入含水量为80％的木糖渣，打开蒸汽阀快速升温到220℃，升温时间为2分钟，保温2分钟后，关闭蒸汽阀，打开汽爆机汽爆快开阀将物料瞬间释放出。收集汽爆处理后的物料经离心分离，所得固相加入容器中，同时加入相同重量的水，用酸调节pH到5.0，调节温度到48℃，然后加入纤维素酶，用酶量为25FPIU/克底物(以干重计)，搅拌转速100rpm/min，酶解时间控制在64小时。每12小时取样一次，利用DNS法测酶解液中的总糖浓度，利用高效液相色谱法测酶解液中的葡萄糖及木糖浓度。所得酶解液中总还原糖浓度为15.7％，酶解得率为88.1％。
实施例4
在汽爆机内加入含水量为30％的糠醛渣(玉米芯稀酸水解后的固体残渣)，打开蒸汽阀快速升温到240℃，升温时间为5分钟，保温10分钟后，关闭蒸汽阀，打开汽爆机汽爆快开阀将物料瞬间释放出。收集汽爆处理后的物料经离心分离，所得固相加入容器中，同时加入相同重量的水，用酸调节pH到4.8，调节温度到48℃，然后加入纤维素酶，用酶量为25FPIU/克底物(以干重计)，搅拌转速100rpm/min，酶解时间控制在48小时。每12小时取样一次，利用DNS法测酶解液中的总糖浓度，利用高效液相色谱法测酶解液中的葡萄糖及木糖浓度。所得酶解液中总还原糖浓度为14.7％，酶解得率为86.6％。
实施例5
在汽爆机内加入含水量为70％的木糖渣(甘蔗渣稀酸水解后的固体残渣)，打开蒸汽阀快速升温到210℃，升温时间为2分钟，保温5分钟后，关闭蒸汽阀，打开汽爆机汽爆快开阀将物料瞬间释放出。收集汽爆处理后的物料经离心分离，所得固相加入容器中，同时加入相同重量的水，用酸调节pH到4.8，调节温度到50℃，然后加入纤维素酶，用酶量为30FPIU/克底物(以干重计)，搅拌转速100rpm/min，酶解时间控制在72小时。每12小时取样一次，利用DNS法测酶解液中的总糖浓度，利用高效液相色谱法测酶解液中的葡萄糖及木糖浓度。所得酶解液中总还原糖浓度为15.6％，酶解得率为86.9％。
实施例6
在汽爆机内加入含水量为90％的木糖渣(甘蔗渣稀酸水解后的固体残渣)，打开蒸汽阀快速升温到200℃，升温时间为10分钟，保温15分钟后，关闭蒸汽阀，打开汽爆机汽爆快开阀将物料瞬间释放出。收集汽爆处理后的物料经离心分离，所得固相加入容器中，同时加入相同重量的水，用酸调节pH到4.8，调节温度到50℃，然后加入纤维素酶，用酶量为25FPIU/克底物(以干重计)，搅拌转速100rpm/min，酶解时间控制在48小时。每12小时取样一次，利用DNS法测酶解液中的总糖浓度，利用高效液相色谱法测酶解液中的葡萄糖及木糖浓度。所得酶解液中总还原糖浓度为14.9％，酶解得率为85.5％。
实施例7
在汽爆机内加入含水量为70％的糠醛渣(甘蔗渣稀酸水解后的固体残渣)，打开蒸汽阀快速升温到200℃，升温时间为2分钟，保温10分钟后，关闭蒸汽阀，打开汽爆机汽爆快开阀将物料瞬间释放出。收集汽爆处理后的物料经离心分离，所得固相加入容器中，同时加入相同重量的水，用酸调节pH到4.8，调节温度到50℃，然后加入纤维素酶，用酶量为30FPIU/克底物(以干重计)，搅拌转速100rpm/min，酶解时间控制在56小时。每12小时取样一次，利用DNS法测酶解液中的总糖浓度，利用高效液相色谱法测酶解液中的葡萄糖及木糖浓度。所得酶解液中总还原糖浓度为15.6％，酶解得率为86.7％。
实施例8
在汽爆机内加入含水量为0的木糖渣(玉米芯稀酸水解后的固体残渣)，打开蒸汽阀快速升温到170℃，升温时间为20分钟，保温30分钟后，关闭蒸汽阀，打开汽爆机汽爆快开阀将物料瞬间释放出。收集汽爆处理后的物料经离心分离，所得固相加入容器中，同时加入相同重量的水，用酸调节pH到4.8，调节温度到50℃，然后加入纤维素酶，用酶量为30FPIU/克底物(以干重计)，搅拌转速100rpm/min，酶解时间控制在72小时。每12小时取样一次，利用DNS法测酶解液中的总糖浓度，利用高效液相色谱法测酶解液中的葡萄糖及木糖浓度。所得酶解液中总还原糖浓度为14.7％，酶解得率为83.3％。
实施例9
将含水量为70％的木糖渣(同实施例5)加入容器中，同时加入相同重量的水，用酸调节pH到4.8，调节温度到50℃，然后加入纤维素酶，用酶量为30FPIU/克底物(以干重计)，搅拌转速100rpm/min，酶解时间控制在72小时。每12小时取样一次，利用DNS法测酶解液中的总糖浓度，利用高效液相色谱法测酶解液中的葡萄糖及木糖浓度。所得酶解液中总还原糖浓度为11.7％，酶解得率为76.6％。
实施例5和实施例9对相同的木糖渣原料进行酶解的条件相同，实施例9直接对木糖渣进行酶解处理，而实施例5在酶解前对木糖渣进行了汽爆处理，其最终所得酶解液中总还原糖的浓度比实施例9提高了33％。将实施例1和实施例9进行对比，也不难发现，实施例1由于对木糖渣原料进行了汽爆处理，虽然其酶解时间(24小时)仅为实施例9中酶解时间(72小时)的1/3，但所得酶解液中的总还原糖浓度仍显著高于实施例9。可见汽爆处理能够提高木糖渣类原料的酶解效率和所得糖液的总糖浓度。

Claims (2)

1.一种将木糖渣或糠醛渣糖化的方法，其特征在于对含水量为70-80％的木糖渣或糠醛渣进行汽爆处理，然后收集汽爆后的物料并进行固液分离，再对分离所得固相进行酶解糖化，所述木糖渣或糠醛渣为甘蔗渣或玉米芯稀酸水解固液分离后的固体渣；所述汽爆为在1-2分钟内升温至190-220℃，保温2-15分钟后，瞬间减压释放。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述酶解为加入纤维素酶20-30FPIU/g底物，在pH值为4.6-5.0，温度为46-50℃的条件下酶解24-72小时。
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