CN102517358A - 一种提高非木材纤维原料酶水解糖化效率的预处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种提高非木材纤维原料酶水解糖化效率的预处理方法，将碳酸钠的水溶液与非木材纤维原料混合，在30～90℃下预浸30～120min，再升温至100～180℃后保温反应0～120min，将反应结束后的非木材纤维原料用水洗净，再用磨浆机疏解成纤维状浆料，即完成预处理过程。预处理后非木材纤维原料的得率在50％～90％之间，木质素脱除率在10％～80％之间，高聚糖损失在0％～25％之间，预处理液中从非木材纤维原料中溶出的二氧化硅较少，大部分保留在预处理后非木材纤维原料中。

Description

一种提高非木材纤维原料酶水解糖化效率的预处理方法

技术领域

本发明涉及一种提高非木材纤维原料酶水解糖化效率的预处理方法。

背景技术

能源与环境问题始终是制约世界各国文明与发展的重大课题。化石燃料储量有限且逐渐枯竭，传统化石燃料在使用过程中产生大量温室气体CO₂及其他有害气体，对环境造成严重危害，每年在全球引发的灾害性气候问题造成的经济损失达数千亿美元。因此，寻找低成本、低污染、可再生的绿色能源成为世界各国的重点研究方向。20世纪70年代以来，生物能源以其无污染、可再生、不引起温室效应等特点被公认为最具应用前景的可再生能源之一，其中，燃料乙醇以其优越的可再生性、高效性、清洁性以及可提高汽车防爆性能成为重要研究方向之一。

木质纤维原料的主要化学成分是纤维素、半纤维素和木质素。利用可再生的木质纤维素生产燃料乙醇已成为世界各国的共识。由于中国缺少木材资源，所以非木材木质纤维原料尤其是农业废弃物得到了很大的关注。我国是农业大国，每年作物秸秆产量巨大(7亿吨左右，相当于5亿吨标准煤)，然而利用率很低。

纤维素完全水解可得到葡萄糖，葡萄糖经发酵可转化成酒精。在植物组织中，纤维素本身具有结晶结构，半纤维素与木质素以共价键形式结合，并紧紧地包围着纤维素，形成了一种坚固的天然屏障，使催化剂和一般微生物很难与纤维素接触并使其降解。传统的生物乙醇生产工艺包括预处理、酶水解、发酵和蒸馏等几个步骤，其中预处理是影响木质纤维生产乙醇的关键步骤，直接影响木质纤维素的水解效率和整个纤维素乙醇的生产成本。通过预处理可以打破纤维素、半纤维素和木质素之间的连接，破坏纤维素的结晶结构，分离或脱除部分半纤维素和木质素，增加木质纤维原料的孔隙度，提高酶对纤维素的接触比表面积和可及性，从而提高酶水解效率，节省反应时间并降低生产成本。

木质纤维素的预处理方法主要包括物理法、化学法、物理化学法和生物法。其中，化学法和物理化学法是各国研究者的研究重点。化学法预处理主要指用碱、无机酸、有机溶剂、氧化剂等作为预处理剂，破坏纤维素结晶结构，打断纤维素与木质素的连接，同时溶解部分半纤维素。碱法预处理是利用木质素可溶于碱的特点，脱除木质素，使木质纤维原料润胀，降低纤维聚合度和结晶度，增加纤维内部表面积，从而提高酶水解效率。常用的碱包括NaOH、KOH、Ca(OH)₂和氨水等。

以农业加工剩余物为主的草类纤维原料结构较木材疏松，含有大量易破碎的薄壁细胞，灰分和二氧化硅含量较高，木质素含量低于木材，其纤维素和半纤维素易于酶水解为各种单糖。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种适用于非木材纤维原料的提高酶水解糖化效率的预处理方法。通过本发明预处理的方法，可在保留大部分高聚糖的前提下，合理地除去部分木质素和灰分，有效提高后续酶水解的效率，降低非木材纤维原料生产生物能源的预处理成本。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：

一种提高非木材纤维原料酶水解糖化效率的预处理方法，将碳酸钠的水溶液与非木材纤维原料混合，在30～90℃下预浸30～120min，再加热升温至110～180℃后保温反应0～120min，将反应结束后的非木材纤维原料用水洗净，再用磨浆机疏解成纤维状浆料，即完成预处理过程。

其中，所述的非木材纤维原料为禾本科植物，包括稻草、麦草、玉米秆、甘蔗渣、芦苇、芒草、芦竹或竹子。优选来源最广泛、价格最低廉的稻草、麦草或玉米秆等农业加工剩余物。

其中，所述的碳酸钠的重量为非木材纤维原料重量的4～30％，更高的用量在理论上是可行的，但较高的用量将导致废液中无机物含量过高，热值下降，影响化学药品回收过程中浓缩废液的燃烧，增加生产成本。优选的范围是6～20％。

其中，将碳酸钠的水溶液与非木材纤维原料混合后，固液比范围为1g∶(2～10)mL，更高或更低的固液比在理论上是可行的，但过高或过低的固液比会引起生产成本的增加或操作上的不便。优选的范围是1g∶(3～6)mL。

其中，预浸加热方式可采用直接蒸汽加热，预浸时间一般为30～120min，过短或过长的预浸时间将导致预处理均匀性差或预处理得率的降低。优选的是，预浸温度为60～90℃，预浸时间为30～60min。

其中，加热升温速率为1～3℃/min，优选2℃/min。

其中，保温反应温度与保温反应时间有关，一般低温需要较长的保温反应时间，高温下可降低保温反应时间。对结构较疏松的禾草类纤维原料，如稻草、麦草、玉米秆等，不宜采用较长的保温时间。优选的方式是，升温至120～160℃后保温反应10～60min。

非木材纤维原料经本发明的预处理方法加工后，呈现以下特性：

(1)预处理后非木材纤维原料的得率在50％～90％之间；

(2)预处理后非木材纤维原料的木质素脱除率在10％～80％之间；

(3)预处理后非木材纤维原料的高聚糖损失在0％～25％之间；

(4)预处理液中从非木材纤维原料中溶出的二氧化硅较少，大部分保留在预处理后非木材纤维原料中。

非木材纤维原料经过上述预处理方法处理之后，可直接进行酶水解糖化，即可直接采用复合酶水解，得到纤维素和半纤维素的酶水解产物。

其中，所述的复合酶为纤维素酶、木聚糖酶和β-纤维二糖酶的混合物。三种酶单位体积的酶活比为纤维素酶∶木聚糖酶∶β-纤维二糖酶＝1FPU∶1.2FXU∶1CBU。

其中，

FPU即纤维素酶的滤纸酶活单位，一个FPU单位表示以Whatman 1号滤纸为底物，纤维素酶在pH 4.8，温度50℃在1min内产生1μmol葡萄糖所需的酶量。

FXU是1，4-β-木聚糖酶的酶活单位，一个FXU单位是指内切1，4-β-木聚糖酶在pH5.0，温度50℃下在1min内从偶氮小麦阿拉伯糖基聚木糖(Azo-wheat arabinoxylan)释放出相当于7.8μmol木糖的还原糖所需的酶量。

CBU是β-纤维二糖酶的酶活单位，一个CBU单位是指以纤维二糖为底物，1，4-β-纤维二糖酶在pH 5.0，50℃下1min水解1μmol 1，4-β-纤维二糖苷键所需的酶量。

其中，复合酶中，β-纤维二糖酶为适当的过量，以防止酶水解过程中因纤维二糖的积累而降低纤维素水解为葡萄糖的效率。

其中，复合酶用量为5～40FPU/(g纤维素)的复合酶，酶活以纤维素滤纸酶活FPU表示，增加酶用量在有限的程度上可以提高聚糖转化为单糖的效率，但会增加生产成本。复合酶优选用量为5～20FPU/(g纤维素)。

其中，复合酶水解温度为40～50℃，pH为4.0～5.0，水解时间为24～120h。酶水解时间过短将影响酶水解效率，延长酶水解时间在理论上有利于提高酶水解效率，但会造成固定资产投资和运行费用的增加。复合酶水解优选条件是温度为45～50℃，pH为4.5～5.0，水解时间为48～96h。

通过上述预处理方法及复合酶水解方法，非木材纤维原料的酶水解总糖转化率在50％～80％之间，优化后的总糖转化率在70％以上。

以所述的提高非木材纤维酶水解糖化效率的预处理方法处理非木材纤维，浆料洗涤产生的预处理废液可采用碱法制浆化学药品回收的方法，经蒸发浓缩、燃烧后，将有机物转化为热量发电产汽，供全厂使用，无机物(碳酸钠)融熔后溶解于水中，用于纤维原料的预处理，省略了现有造纸工业中的苛化和煅烧两个工段。

本发明的预处理方法可用于利用非木材纤维原料生产包括纤维素乙醇、生物柴油在内的生物质能源，以及丁醇、乳酸、糠醛等以糖为基础的平台化合物。所述的预处理方法可以利用廉价的农业秆秸等农业加工剩余物为原料，利用现有成熟可行的设备与装置实现工业化生产。

附图说明

图1为稻草碳酸钠预处理用碱量和温度对预处理得率的影响。

图2为稻草碳酸钠预处理用碱量和温度对预处理废液pH的影响。

图3为稻草碳酸钠预处理后浆料得率与木质素脱除率的关系。

图4为稻草碳酸钠预处理后浆料中主要化学成分变化情况。

图5为稻草碳酸钠预处理后酶水解总糖转化率。

图6为稻草碳酸钠预处理后酶水解葡聚糖转化率。

图7为稻草碳酸钠预处理后酶水解木聚糖转化率。

图8为木质素脱除率和碳酸钠预处理后麦草浆得率的关系。

图9为麦草碳酸钠预处理后的木质素及各种聚糖含量，％(以麦草原料为基准)。

图10为麦草碳酸钠预处理后酶水解葡聚糖转化率。

图11为麦草碳酸钠预处理后酶水解木聚糖转化率。

图12为麦草碳酸钠预处理后酶水解总糖转化率。

图13为碳酸钠预处理麦叶浆中木质素及各种聚糖含量，％(以麦草原料为基准)。

图14为纤维素酶用量对碳酸钠预处理混合阔叶木酶水解效率的影响。

图15为原料稻草及自水解稻草的主要化学成分。

图16为醋酸预处理前后稻草的主要化学成分。

具体实施方式

根据下述实施例，可以更好地理解本发明。然而，本领域的技术人员容易理解，实施例所描述的内容仅用于说明本发明，而不应当也不会限制权利要求书中所详细描述的本发明。

实施例1：以稻草为原料的预处理及酶水解方法。

原料：

实验用稻草产自苏北，由江苏某造纸厂提供。原料经风干后去根，保留茎、叶、鞘，剪成3～5cm的草片，混合均匀后平衡水分备用。

纤维素酶(CCN03110，酶活 118 FPU/mL)、木聚糖酶(CFN00244，酶活153FXU/mL)、β-纤维二糖酶(DCN00207，酶活480 CBU/mL)，由Novozymes提供。用醋酸-醋酸钠缓冲液(pH 4.8)把纤维素酶、木聚糖酶和β-纤维二糖酶以酶活比为1FPU∶1.2FXU∶1CBU配成混合酶液，混合酶液的酶活以纤维素酶滤纸酶活计为20FPU/mL，加入过量的β-纤维二糖酶是为了防止酶水解过程中纤维二糖的积累。

碳酸钠预处理工艺：

在自制10×1L油浴锅中，每罐称取相当于绝干80g的风干稻草，固液比为1∶6(g/mL)加入碳酸钠水溶液，碳酸钠重量占绝干稻草重量(质量分数)分别为0％(自水解)、8％、12％、16％、20％和24％。稻草与碳酸钠混合后在80℃下回转预浸30min后，以2℃/min的速率分别升温至120℃、130℃、140℃、150℃，到达设定温度后保温30min立即用自来水冷却蒸煮罐完成碳酸钠预处理。经碳酸钠预处理的草片用热水洗净后离心脱水，在密封容器中平衡水分并分析得率。其余预处理草片用磨浆机(KRK，磨盘直径300mm，转速3000r/min)疏解成浆，经离心脱水、撕碎后置于密封塑料袋中平衡水分备用。

酶水解工艺：

将绝干稻草预处理后制得的浆料置于150mL锥形瓶中，加入纤维素酶酶活为20FPU/mL的混合酶液，以每克绝干稻草为基准，酶用量分别为10FPU/g和20FPU/g，补充一定量的pH 4.8的醋酸-醋酸钠缓冲液，调节酶水解底物质量分数为5％。将离心管置于恒温振荡器(SHA-C)中，在180r/min，50℃条件下振荡处理48h。水解结束后在5000r/min下离心15min，分离酶水解液。

稻草原料在不同温度和用碱量条件下，经碳酸钠预处理后浆料得率和预处理废液pH的变化如图1和2所示。在相同温度下，随用碱量的增加，得率呈下降趋势，pH呈上升趋势；在相同用碱量条件下，随温度的升高，得率呈下降趋势，pH也稍有下降。预处理液pH最高为9.8，远小于硫酸盐法蒸煮的pH(一般为13～14)。较低pH可以有效避免稻草原料中碳水化合物的碱性水解和二次剥皮反应，保持较高的预处理得率，同时适当润胀纤维，有利于后续提高酶水解糖的转化率。

碳酸钠预处理后稻草浆料得率与木质素脱除率的关系如图3所示。当木质素脱除率升高时，浆料得率下降。在相同的木质素脱除率下，浆料得率随着预处理温度的增加而下降，即提高温度不利于改善预处理脱木质素的选择性。较高的温度和用碱量有利于木质素的脱除，但温度和用碱量的提高又会造成碳水化合物的降解，不利于后续酶水解糖得率的提高，因此在制订预处理工艺时必须兼顾适宜的脱木质素率和较高的预处理浆得率。

稻草原料及其经不同条件碳酸钠预处理后浆料中木质素、灰分及各种聚糖等含量的变化情况见图4。木质素含量随预处理温度和用碱量的提高而下降，在相同温度下，用碱量增大到一定程度后木质素下降趋势变缓。碳酸钠预处理后浆料中灰分含量比原料中约下降6％，但在120～150℃范围内，不同温度和用碱量对灰分含量影响不大。SiO₂含量在不同温度和用碱量条件下变化不大(7％左右)，与原料稻草中SiO₂含量(9％)相比，大部分仍保留在浆料中，即浆料中灰分含量的降低主要是由于部分无机盐的溶出。大部分SiO₂保留在浆料中而未转移到预处理废液中，可有效降低废液的粘度而有利于药品回收工段的蒸发、燃烧等过程。随着预处理温度和用碱量的提高，在木质素被脱除的同时，碳水化合物也在加速降解。在相同预处理条件下，木聚糖和阿拉伯聚糖的脱除率比葡聚糖高。例如，在130℃、24％用碱量条件下，木聚糖和阿拉伯聚糖的降解率分别为28.2％和57.1％，而葡聚糖的降解率仅为9.0％。这说明碳酸钠预处理过程中半纤维素比纤维素易于降解，浆料中总糖含量的降低主要是由于半纤维素的降解。与木材原料不同，即使用碳酸钠预处理，稻草原料中的高聚糖在较高的用碱量和较高的温度下也会发生明显的降解。对草类原料而言，应避免高用碱量和高温预处理。

用纤维素酶、木聚糖酶和β-纤维二糖酶的混合液对经碳酸钠预处理的稻草原料进行酶水解，以纤维素酶活计的酶用量分别为10和20FPU/g纤维素。碳酸钠预处理对稻草酶水解总糖、葡聚糖及木聚糖转化率的影响如图5～7所示。本文所指的糖转化率为酶水解液中各种聚糖的得率(以稻草原料为基准)与稻草原料中相应聚糖含量的比值。

由预处理稻草酶水解的总糖转化率(图5)可见，在相同温度和用碱量条件下，提高酶用量可以增加酶水解液中总糖转化率；酶用量一定时，当用碱量从0％上升到8％时，各温度下的总糖转化率都迅速增大，当用碱量继续升高时，总糖转化率趋于平缓或有下降趋势。其原因可能是用碱量的提高虽然可以加强木质素的脱除，增大稻草原料的孔隙度，但是用碱量的提高同时也会增加稻草中碳水化合物的降解，使高聚糖得率降低，且其中半纤维素的降解程度大于纤维素，然而稻草原料的物理结构并未得到进一步解离，并不能提高酶与纤维素更加有效的接触，导致糖的转化率不能继续升高。酶用量一定时，在相同用碱量条件下，120℃、130℃、140℃下的总糖转化率依次升高，而150℃时的总转化率反而低于140℃。这是由于过高的预处理温度会导致稻草中碳水化合物的过度降解，反而不利于酶水解总糖转化率的提高。本实施例中，在140℃、用碱量8％、酶用量为20FPU/g纤维素时，总糖转化率达到最大值71.7％。

图6和图7中葡聚糖、木聚糖的转化率曲线也呈现出与上述总糖转化率相似的变化规律。在140℃、用碱量8％、酶用量为20FPU/g纤维素时，葡聚糖和木聚糖的转化率分别为73.2％和76.1％。所不同的是，当酶用量一定，用碱量大于8％时，木聚糖的转化率下降趋势较葡聚糖更为明显。其原因可能是在碳酸钠预处理过程中，随用碱量的增加，各温度下浆料中木聚糖降解率增大很快，且木聚糖降解率大于相应的葡聚糖转化率，而此时部分半纤维素的降解并不能持续促进酶水解中酶与纤维素的有效接触。

实施例2：以麦草为原料的预处理及酶水解方法。

原料：

实验原料为麦草，经过风干后去根及穗，保留茎、叶、鞘，剪成3～5cm的草片，混合均匀后平衡水分备用。

实验所用酶由纤维素酶(NS50013，酶活84 FPU/mL)、木聚糖酶(NS50014，酶活109FXU/mL)和β-纤维二糖酶(NC188，酶活350CBU/mL)混合而成，由Novozymes提供。用醋酸-醋酸钠缓冲液(pH 4.8)把纤维素酶、木聚糖酶和β-纤维二糖酶以酶活比为1FPU∶1.2FXU∶1CBU配成的混合酶液，混合酶液的酶活以纤维素酶滤纸酶活计为20FPU/mL。

碳酸钠预处理工艺：

碳酸钠预处理在自制10×1L油浴锅中进行，将碳酸钠的水溶液与麦草混合，碳酸钠重量占绝干麦草重量(质量分数)分别为6％、8％、10％，固液比为1∶6(g/mL)，在80℃下空转预浸后，以2℃/min的速率分别升温至120℃、130℃和140℃，保温30min完成碳酸钠预处理。经预处理的麦草用水洗净后离心脱水，在密封容器中平衡水分并测其粗浆得率。预处理麦草再经磨浆机(KRK，磨盘直径300mm，转速3000r/min)疏解成浆，磨片间距为0.04mm，重复磨两次后再经离心脱水、撕碎后平衡水分以备酶水解使用。

酶水解工艺与实施例1相同。

在不同用碱量的碳酸钠预处理条件下，麦草浆得率、废液pH和残余木质素(以麦草原料为基准)的变化如表1所示。

表1温度和用碳酸钠用量对预处理浆得率、废液pH及木质素脱除率的影响

当用碱量从4％增加到12％时，浆料得率从88.2％下降到79.5％，同时残余木质素从18.7％降低到13.7％。得率的损失同时意味着高聚糖的降解，因而可能影响到随后的酶水解。较低的pH和温度能够有效避免碳水化合物的碱性水解，增大酶与纤维素的接触面积，最终提高酶水解高聚糖的转化率。同时，由于草类原料中的二氧化硅含量远远高于木材，把二氧化硅保存在草浆中对化学药品的回收来说是很重要的。碳酸钠预处理废液的pH从92变化到9.6，这相对较低的pH可以避免二氧化硅的溶解。

从表1可以看出，随着温度的升高和用碱量的增加，麦草浆得率均呈下降趋势，并且木质素脱除率逐渐增大。在10％用碱量、温度140℃的条件下，碳酸钠预处理麦草浆的得率仅为66.8％，但对应的木质素脱除率达44.7％。说明在较强的预处理条件下得率下降加剧，其主要是因为木质素的脱除和碳水化合物的大量降解。

由于采用碳酸钠预处理，药液的碱性较弱，所有条件下废液的pH均小于9.6。相对较低的pH是碳酸钠预处理的一个明显优势。低pH可以阻止高聚糖的碱性水解和二次剥皮反应的发生，有效防止碳水化合物的过度降解，并且可以阻止灰分中大部分的二氧化硅溶解于废液中，有利于废液的碱回收利用。

木质素脱除率和碳酸钠预处理后麦草浆得率的关系如图8所示，图中每一系列的用碱量随得率的下降依次为6％、8％和10％。碳酸钠蒸煮条件越剧烈，浆得率越低，对应的木质素脱除率越高。随着预处理的用碱量和温度升高，相当量的木质素被降解溶出。较低的pH和温度能够有效避免碳水化合物的碱性水解，最终有助于提高酶水解高聚糖的转化率。

当保持用碱量不变，随着温度的升高，碳酸钠预处理对麦草浆的得率影响很大，其得率的下降主要由于碳水化合物和木质素的降解溶出所致。当温度从120℃升至140℃时，10％Na₂CO₃用量下的总糖得率降低15％左右，同时木质素脱除率亦相应增加17％以上。

另外，用碱量也是影响麦草浆得率和木质素脱除率的一个关键因素。以140℃为例，当用碱量从6％增加到10％时，麦草的总糖得率降低5％～6％，木质素脱除率增加10％。

图9显示麦草原料经不同温度和用碱量预处理后的木质素(Klason木质素、酸溶木质素)、灰分及各种聚糖(葡聚糖、木聚糖及阿拉伯聚糖)含量的变化。图中6％、8％、10％和120、130、140分别代表经6％、8％、10％用碱量在120℃、130℃和140℃下碳酸钠预处理的麦草。在预处理中麦草中的碳水化合物和木质素含量随着温度和用碱量的增加，均有不同程度的降低，其中木质素的下降更为显著。原料中的总糖含量为58.8％，而经8％和12％碳酸钠预处理后浆中总糖含量仍有约55％，总糖的损失小于4％。数据显示碳酸钠预处理浆料中保留了大部分的高聚糖。麦草经碳酸钠预处理后有超过一半的灰分溶出，灰分的减少主要是由于无机盐的溶出。由于废液pH较低，浆料中灰分的主要成分为二氧化硅。

通过对不同组分的观察可以清楚的看出相比于木聚糖以及木质素，葡聚糖的损失率较低(1～3％，相对于原料)。虽然木聚糖和阿拉伯聚糖含量的降幅要大于葡聚糖，但由于其含量基数低，实际下降的含量有限，因此碳酸钠预处理可较好的保护麦草原料中的糖。木质素和半纤维素地降解在一定程度上疏松了麦草原料的结构及增加纤维素孔隙度，便于酶与高聚糖，特别是纤维素的结合。

碳酸钠预处理麦草浆由纤维素酶、木聚糖酶及β-纤维二糖酶组成的混合酶液在50℃条件下在180r/min的恒温振荡器中水解48h。混合酶液的酶活以纤维素酶滤纸酶活计，酶用量为10FPU/g和20FPU/g纤维素。图10～12所示的是经不同条件(温度和用碱量)碳酸钠预处理的麦草浆酶水解的还原糖得率和总糖转化率(以稻草原料为基准)。

经碳酸钠预处理后，随着酶用量的增加，即当酶用量从10FPU/g增加到20FPU/g纤维素时，各种聚糖及总糖得率有明显的提高。

麦草浆料得率是影响总糖转化率的一个不可忽视的因素。当预处理温度从120℃升至140℃时，虽然木质素脱除率有所增加，但由于得率的下降，酶水解总糖转化率反而有所下降。较高的用碱量促进木质素和半纤维素的降解，使更多的纤维素表面暴露出来，更有利于纤维素酶进攻，提高了酶水解效率。但过高的用碱量和预处理温度将导致碳水化合物的碱性水解，并引发二次剥皮反应，同样不利于酶水解可发酵糖得率的提高。例如在140℃、10％Na₂CO₃用量时木质素脱除率达到最大值，但由于过高的温度使得浆得率明显下降，最终此条件下的总糖转化率并不是最高。

本实施例中，在酶用量为20FPU/g，130℃、8％Na₂CO₃用量的预处理条件下，经预处理麦草酶水解的总糖转化率达到最大值65.8％。

实施例3：以麦草叶和鞘为原料的预处理及酶水解方法。

原料：

实验原料为麦草叶、鞘，剪成3～5cm的草片，混合均匀后平衡水分备用。

实验所用酶与实施例2相同。

碳酸钠预处理及酶水解工艺与实施例2相同。

以麦草叶和叶鞘是造纸厂备料废渣中的主要成分，目前除了燃烧外尚无更好的处理和利用措施。麦草叶和鞘的主要化学成分分析见表2。

表2麦草各部位主要化学成分分析，％

图13为麦草叶和鞘经不同温度和用碱量预处理后的木质素(Klason木质素、酸溶木质素)、灰分及各种聚糖(葡聚糖、木聚糖及阿拉伯聚糖)含量的变化。图中6％、8％、10％和120、130、140分别代表经6％、8％、10％用碱量在120℃、130℃和140℃下碳酸钠预处理的麦草。

由图13可见，经碳酸钠预处理后浆料与原料相比，各种聚糖、木质素及灰分均有不同程度的减少。在不同预处理条件下各含量的下降幅度呈现出一定的规律：随着温度的升高和用碱量的增加，木质素和各聚糖的含量均逐渐降低，木质素的下降更为显著。碳酸钠预处理后的灰分大概占原料的50％，灰分的减少主要是由于无机盐的溶出。由于废液pH较低，浆料中灰分的主要成分为二氧化硅。

相比于木聚糖以及木质素，葡聚糖的损失率较低。虽然木聚糖和阿拉伯聚糖含量的降幅要大于葡聚糖，但由于其含量基数低，实际下降的含量有限，因此碳酸钠预处理可较好的保护麦草原料中的糖。木质素和半纤维素地降解在一定程度上疏松了麦草叶鞘原料的结构及增加纤维素孔隙度，便于酶与高聚糖，特别是纤维素的结合。

表3列出了经不同条件(温度和用碱量)碳酸钠预处理的麦草叶鞘浆酶水解的还原糖得率和总糖转化率(以稻草原料为基准)。经碳酸钠预处理后，随着酶用量的增加，即当酶用量从10FPU/g增加到20FPU/g纤维素时，各种聚糖及总糖得率有明显的提高。

表3碳酸钠预处理麦草叶鞘酶水解液中各聚糖得率

本实施例中，麦草叶鞘于120℃下经10％碳酸钠预处理后，在20FPU/(g纤维素)的酶用量下进行酶水解，总糖转化率可达75.9％。

实施例4：

同实施例1所述的方法，所不同的是，非木材纤维原料以玉米秆替代稻草。

实施例5：

同实施例1所述的方法，所不同的是，非木材纤维原料以甘蔗渣替代稻草。

实施例6：

同实施例1所述的方法，所不同的是，非木材纤维原料以芒草替代稻草。

实施例7：

同实施例1所述的方法，所不同的是，非木材纤维原料以芦竹替代稻草。

对比例1：碳酸钠预处理对阔叶木酶水解糖化的作用。

原料：

实验原料为混合阔叶木(主要为橡木和枫木)，经筛选除去长度大于38mm的过大木片和小于6mm的木屑，人工除去树皮和含节的木片。筛选木片风干后贮存于密封塑料袋中平衡水分待用。

碳酸钠预处理工艺：

碳酸钠预处理在M/K蒸煮器中进行，每罐装800g绝干木片，碳酸钠用量16～40％，固液比1∶4(g/mL)。木片在80℃下预浸30min后约以2℃/min的速率升温至160℃，在160℃下保温60min。预处理完成后木片用热水冲洗过夜以完全除去化学药品和预处理降解产物，经离心脱水后置于塑料袋中密封平衡水分48h后取样测定水分，根据预处理木片的总质量和水分计算预处理得率。其余经预处理的木片用盘浆磨疏解两次得到混合阔叶木的碳酸钠预处理浆料，磨片间距分别为0.25mm和0.05mm。

酶水解工艺与实施例1相同，酶用量为5、10、20和40FPU/g底物。

预处理后木片得率与废液pH如表4所示。

表4碳酸钠用量对预处理木片得率与废液pH的影响

Na2CO3，％	16	24	32	40
					得率，％	86.3	85.9	84.1	83.9
预处理废液pH	8.03	9.05	9.38	9.44

碳酸钠用量对预处理后混合阔叶木片的得率没有太大的影响，当碳酸钠用量从16％增加到40％时，得率仅下降2.4％。相对于禾草纤维原料，木材中木质素含量较高，材质比较致密，而碳酸钠碱性较弱，对木质素和高聚糖的降解十分有限，即使成倍提高用碱量也不能有效促进木质素和半纤维素的脱除。预处理废液的pH均低于9.5，并且在较高的用碱量下，预处理废液的pH趋向稳定，表明继续增加碳酸钠用量，对预处理效果的改善也十分有限。

经碳酸钠预处理的混合阔叶木片用热水充分洗涤除去残留碳酸钠和预处理降解产物，然后用磨浆机将木片疏解成浆，不同酶用量下碳酸钠预处理对阔叶木酶水解总糖转化率的影响如图14所示。

酶水解总糖转化率随着酶用量的增加而提高，并且预处理碳酸钠用量越大，总糖转化率的提高幅度也有所增大。但增加碳酸钠用量，预处理阔叶木的酶水解效率并没有显著改善，如预处理碳酸钠用量从12％增至24％，在酶用量为40FPU/g底物时，酶水解总糖转化率只是从42.1％提高到49.5％(以稻草原料为基准)。

以上结果显示，阔叶木经碳酸钠预处理后，预处理木片的得率较高，原料中木质素和半纤维素的降解溶出较为有限，不能有效提高酶对纤维素的可及度，导致即使在较高的酶用量下碳酸钠预处理阔叶木的酶水解总糖转化率也难以超过50％。因此碳酸钠预处理对木材纤维原料酶水解糖化的促进作用较为有限。

对比例2：自水解预处理对稻草化学成分及酶水解性能的影响。

原料：

实验用稻草产自苏北，由江苏某造纸厂提供。原料经风干后去根，保留茎、叶、鞘，剪成3～5cm的草片，混合均匀后平衡水分备用。

实验用酶同实施例1。

自水解预处理工艺：

在自制10×1L油浴锅中，每罐称取相当于绝干80g的风干稻草，固液比为1∶6(g/mL)，在50℃下回转预浸15min后，以2℃/min的速率升温至120℃、140℃和160℃，分别在上述温度下保温1h完成自水解预处理。经自水解的草片用热水洗净后离心脱水，在密封容器中平衡水分并分析得率。其余自水解草片用盘磨机(KRK，磨盘直径300mm，转速3000r/min)疏解成浆，经离心脱水、撕碎后平衡水分备用。酶水解工艺与实施例1相同，酶用量为5、10、20和40FPU/g底物。

酶水解工艺与实施例1相同，酶用量为5、10、20和40FPU/g底物。

稻草原料在不同温度下自水解的得率和水解液的pH值如表5所示。

表5稻草原料自水解得率和预处理液pH值

自水解温度，℃	100	120	140	160
					自水解得率，％	91.0	92.0	88.0	81.7
水解液pH	7.07	6.95	6.09	5.27

稻草原料和经不同温度自水解后原料的木质素及各种聚糖含量(以原料稻草为基准)的变化如图15所示(图中100、120、140和160分别表示经100℃、120℃、140℃和160℃自水解预处理的稻草)。不计有机溶剂提取物，稻草在100～160℃温度下自水解后，各种成分的溶出如表6所示。

表6自水解预处理稻草主要成分的溶出，％(以原料稻草为基准)

自水解温度，℃	葡聚糖	木聚糖	阿拉伯聚糖	半乳聚糖	总木质素	灰分	总计
								100	1.9	0.2	0.2	0.1	0.9	2.3	5.6
120	2.1	0.3	0.2	0.2	0.9	3.3	7.0
								140	2.9	0.9	0.3	0.2	1.4	3.3	9.0
160	3.4	2.5	1.4	0.6	1.8	3.1	12.8

预处理后稻草的各种聚糖含量均随着自水解温度的升高而有不同程度的降低。但由于自水解液的酸性较弱，这一过程中各种聚糖的酸性水解程度不高。半纤维素在较低温度下即可大量水解，随着温度的升高，半纤维素水解程度也逐渐加大。

自水解预处理过程中有部分半纤维素和纤维素水解为低聚糖和(或)单糖，其中的低聚糖可以通过进一步酶解或酸水解转化为单糖，也可用来发酵生产酒精。表7所列的是经3％H₂SO₄水解后预处理液中各种聚糖分别占绝干原料稻草的百分含量。

表7稻草自水解预处理液中各种聚糖的含量，％(以原料稻草为基准)

自水解温度，℃	葡聚糖	木聚糖	阿拉伯聚糖	半乳聚糖	总糖
						120	0.7	0.4	0.1	0.2	1.4
140	0.7	0.4	0.2	0.2	1.4
						160	0.9	1.8	0.6	0.5	3.8

总糖含量为阿拉伯聚糖、半乳聚糖、葡聚糖和木聚糖含量之和。

稻草秸秆经自水解后的浆料，酶解液中糖含量结果如表8所示。本例所指酶解液中的总糖含量为阿拉伯聚糖、葡聚糖和木聚糖含量之和。

表8酶水解液中还原糖含量，％(以原料稻草为基准)

稻草在温度120℃以下进行自水解预处理，即使酶用量达到40FPU/g，葡聚糖、木糖及总糖的转化率增幅很小，说明稻草秸秆的生物构造在此温度下自水解预处理并没有得到有效破坏，阻止了高聚糖对酶的有效吸附，致使酶解糖化效率较低。自水解温度为140℃时，40FPU/g酶用量下木聚糖的转化率从6.9％增至24.8％，增幅高达18％，但葡聚糖的转化率仅从31.3％增至33.7％，增幅不到3％，说明稻草在此温度下经自水解预处理，有利于后续酶解过程中半纤维素的降解，但对纤维素降解的促进作用极为有限。而当温度升至160℃时，相同酶用量条件下，总糖转化率增幅较大，其原因是在此条件下，虽然木质素脱除不多，但半纤维素开始较多地降解，在一定程度上疏松了原料的结构，便于酶与高聚糖的结合。在160℃下，酶用量从5FPU/g增加至40FPU/g，酶解总糖得率呈稳步上升的趋势。当酶用量为40FPU/g时，预处理稻草的酶解总糖转化率为52％。

不同自水解预处理温度和酶用量对还原糖回收率(自水解稻草酶解液还原糖与预处理液中还原糖之和占原料中还原糖含量的百分比)的影响如表9所示。

表9酶解液中还原糖与预处理液中还原糖的总转化率，％

(以原料稻草糖含量为基准)

随自水解温度升高和酶用量增加，各种糖的回收率均不同程度地增加，但自水解温度的影响显得更为重要。经160℃自水解预处理的稻草，酶解后各种糖的转化率均明显高于较低温度下自水解的稻草。本对比例中，在40FPU/g混合酶用量下，葡聚糖和木聚糖的总转化率约为68％和45％，总糖转化率接近60％。

对比例3：醋酸预水解对稻草化学成分及酶水解性能的影响。

原料：

实验用稻草同对比例2。

实验用酶同实施例1。

醋酸预处理工艺：

在自制10×1L油浴锅中，每罐称取相当于绝干80g的风干稻草，固液比为1∶6(g/mL)，醋酸用量占绝干稻草原料(质量分数)分别为0％、1％、2％、3％、4％。原料与醋酸混合后在50℃下回转预浸15min后，以2℃/min的速率升温至160℃，保温1h后完成醋酸预处理。经醋酸预处理的草片用热水洗净后离心脱水，在密封容器中平衡水分并分析得率。其余预处理草片用磨浆机(KRK，磨盘直径300mm，转速3000r/min)疏解成浆，经离心脱水、撕碎后置于密封塑料袋中平衡水分备用。

酶水解工艺与实施例1相同，酶用量为5、10、20和40FPU/g底物。

原料稻草在不同醋酸用量下，醋酸预处理的得率和醋酸水解液的pH如表10所示。醋酸预处理液pH值随醋酸用量增加而降低。预处理得率随着醋酸用量的增加而下降，当醋酸用量由0％增加为1％时预处理得率下降尤为明显，继续增加醋酸用量，预处理得率下降趋于平缓。

表10稻草原料醋酸预处理得率和预处理液pH

醋酸用量，％	0	1	2	3	4
						醋酸预处理得率，％	81.7	76.2	72.4	71.5	70.0
醋酸水解液pH	5.27	4.85	4.64	4.44	4.38

稻草原料和经不同醋酸用量预处理后原料的木质素及各种聚糖含量(以原料稻草为基准)的变化如图16所示(图中0、1、2、3、4分别表示经醋酸用量为0％、1％、2％、3％、4％预处理的稻草)。

随着醋酸用量的增加，原料中高聚糖降解率有不同程度的增加。其中预处理液中木聚糖含量增幅较为明显，当醋酸用量由0％增至4％时，木聚糖增量占总糖增量的75％，而葡聚糖增量只占总糖增量的18％，这进一步说明随着醋酸用量的增加，较多的半纤维素被降解，而纤维素的降解量较少。但由于这一过程是在弱酸条件下进行，大量纤维素和半纤维素仍残留在处理后浆料中。

醋酸预处理过程中有部分半纤维素和纤维素水解为低聚糖和(或)单糖，其中的低聚糖可以通过进一步酶水解或酸水解转化为单糖，也可用来发酵生产酒精。表11所列的是经3％H₂SO₄水解后预处理液中各种聚糖分别占原料稻草(绝干)的质量分数。

表11稻草醋酸水解预处理液各种聚糖的含量，w/％(以原料稻草为基准)

醋酸用量，％	葡聚糖	木聚糖	阿拉伯聚糖	半乳聚糖	总糖
						0	0.9	1.8	0.6	0.5	3.8
1	1.1	2.2	0.7	0.5	4.6
						2	1.2	2.9	0.7	0.6	5.5
3	1.4	3.5	0.7	0.6	6.2
						4	1.4	3.9	0.7	0.7	6.6

对醋酸预处理后的浆料进行酶水解，酶解液中以原料稻草为基准的还原糖含量如表12所示。由于原料中半乳聚糖含量很少，本例所指酶解液中的总糖为葡聚糖、木聚糖和阿拉伯糖之和。

保持酶用量不变，增加预处理的醋酸用量对葡聚糖的得率(以预处理后浆料为基准)影响不大，而使木聚糖和阿拉伯糖得率略呈下降趋势。这主要是因为预处理过程中半纤维素较多被降解，木聚糖和阿拉伯聚糖降解率最高分别能达到38.2％和82.1％，使得单位浆料木聚糖和阿拉伯糖含量偏少，而Klason木质素则在此过程中基本都被保留下来，使酶与纤维素和半纤维素接触面积没有增加，不利于酶解糖得率的提高。

表12酶水解液中还原糖含量，w/％(以原料稻草为基准)

由于醋酸预处理对木质素的脱除十分有限，原料中较多疏水性木质素的存在阻碍了酶与聚糖的接触，导致预处理浆料的酶水解得率不高。同时，随着预处理醋酸用量的增加，浆料的得率不断下降，即浆中聚糖含量不断降低。在酸性条件下戊糖相对于己糖更易于水解，因此半纤维素中的木聚糖和阿拉伯聚糖在酸预处理过程中损失较多，使得酶水解液中木聚糖和阿拉伯糖的含量明显下降。

在相同酶用量下，醋酸用量的增加并未使浆料的酶水解液中糖转化率有所增加，而是均略呈下降趋势。这主要是由于预处理浆料的高聚糖含量随着醋酸用量增加而下降，而Klason木质素在此过程中基本被保留下来，阻碍了酶与纤维素、半纤维素的有效接触，使得各聚糖转化率随醋酸用量增加而下降。

醋酸预处理过程中有部分半纤维素和纤维素水解为低聚糖和(或)单糖，其中的低聚糖可以通过进一步酶水解或酸水解转化为单糖，也可用来发酵生产酒精。不同醋酸用量的醋酸预处理和不同酶用量对还原糖回收率(醋酸预处理稻草酶水解液还原糖与预处理液中还原糖含量之和占原料中还原糖含量的百分比)的影响如表13所示。

表13酶水解液中还原糖和预处理液中还原糖的总转化率，w/％

(以原料稻草糖含量为基准)

由于稻草中部分己糖、戊糖在预处理过程中转化成为羟甲基糠醛和糠醛或其他物质，随着醋酸用量的增加，酶水解液中还原糖和预处理液中还原糖的总转化率依然没有明显增加。在160℃醋酸预处理条件下，当醋酸用量为0％，酶用量20FPU/g时，酶水解液中还原糖和预处理液中还原糖的总转化率为52.9％；当醋酸用量为4％，酶用量20FPU/g时，酶水解液中还原糖和预处理液中还原糖的总转化率为52.0％，略低于不加醋酸时的转化率，在酶用量达到40FPU/g时，还原糖总转化率也仅为56.0％。

Claims (10)

1.一种提高非木材纤维原料酶水解糖化效率的预处理方法，其特征在于，将碳酸钠的水溶液与非木材纤维原料混合，在30～90℃下预浸30～120min，再加热升温至110～180℃后保温反应0～120min，将反应结束后的非木材纤维原料用水洗净，再用磨浆机疏解成纤维状浆料，即完成预处理过程。

2.根据权利要求1所述的提高非木材纤维原料酶水解糖化效率的预处理方法，其特征在于，所述的非木材纤维原料为禾本科植物，包括稻草、麦草、玉米秆、甘蔗渣、芦苇、芒草、芦竹或竹子。

3.根据权利要求1或2所述的提高非木材纤维原料酶水解糖化效率的预处理方法，其特征在于，所述的碳酸钠的重量为非木材纤维原料重量的4～30％。

4.根据权利要求3所述的提高非木材纤维原料酶水解糖化效率的预处理方法，其特征在于，所述的碳酸钠的重量为非木材纤维原料重量的6～20％。

5.根据权利要求1所述的提高非木材纤维原料酶水解糖化效率的预处理方法，其特征在于，将碳酸钠的水溶液与非木材纤维原料混合后，固液比范围为1g∶(2～10)mL。

6.根据权利要求5所述的提高非木材纤维原料酶水解糖化效率的预处理方法，其特征在于，将碳酸钠的水溶液与非木材纤维原料混合后，固液比范围为1g∶(3～6)mL。

7.根据权利要求1所述的提高非木材纤维原料酶水解糖化效率的预处理方法，其特征在于，预浸温度为60～90℃，预浸时间为30～60min。

8.根据权利要求1所述的提高非木材纤维原料酶水解糖化效率的预处理方法，其特征在于，加热升温速率为1～3℃/min。

9.根据权利要求1所述的提高非木材纤维原料酶水解糖化效率的预处理方法，其特征在于，升温至120～160℃后保温反应10～60min。

10.根据权利要求1所述的提高非木材纤维原料酶水解糖化效率的预处理方法，其特征在于，将反应结束后的非木材纤维原料用水洗净，洗涤过程产生的废液采用碱法制浆化学药品回收的方法，经蒸发浓缩、燃烧后，将有机物转化为热量发电产汽，供全厂使用，无机物碳酸钠融熔后溶解于水中，重复用于纤维原料的预处理。

Images