CN104561129A - 秸秆的酶解糖化处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种秸秆的酶解糖化处理方法，其包括以下步骤：1)将秸秆晒干后粉碎，用筛子进行过筛，得到秸秆粉状物；2)将秸秆粉状物加入稀盐酸中进行酸化反应，反应结束后降至室温，得到秸秆浆液；3)向秸秆浆液中加入纤维素酶、木聚糖酶、氯化镁、吐温80和蒸馏水，得到酶解浆液，然后进行酶解糖化反应。本发明所述的秸秆酶解糖化处理方法，能够显著提高秸秆的酶解糖化效果。

Description

秸秆的酶解糖化处理方法

技术领域

本发明涉及一种秸秆的酶解糖化处理方法，特别是涉及一种提高秸秆糖化率的酶解糖化处理方法。

背景技术

目前，人类正面临着资源匮乏、能源短缺和环境污染等全球性问题，许多国家都在积极探索和深入研究新能源，其中，纤维乙醇作为一种新型的、可再生清洁能源，越来越受到重视。

纤维乙醇是以农作物壳皮茎秆、树叶、秸秆等纤维物质为原料，经过酶解糖化、发酵而得到的燃料乙醇。我国是一个农业大国，农作物秸秆的年产量约7亿多吨，居世界之首，能够为燃料乙醇的生产提供充足的原料基础。

秸秆的主要成分是纤维素(约含42％)、半纤维素(约含32％)和木质素(约8％)，纤维素是葡萄糖脱水、通过β-1,4葡萄糖苷键连接而成的直链聚合体，纤维素分子间通过大量的氢键连接在一起形成晶体结构的纤维素束，纤维素束主要被半纤维素包围，其次是被木质素的环鞘包围，由此形成了天然复杂致密的结构，这限制了纤维素酶与纤维素的直接接触，增加了酶解的难度，导致酶解糖化率低，制约了纤维乙醇的产业化发展。

发明内容

基于此，本发明的目的在于，提供一种能有效提高秸秆糖化率的酶解糖化处理方法。

一种秸秆的酶解糖化处理方法，包括以下步骤：

1)将秸秆晒干后粉碎，用筛子进行过筛，得到秸秆粉状物；

2)将秸秆粉状物加入稀盐酸中进行酸化反应，反应结束后降至室温，得到秸秆浆液；

3)向秸秆浆液中加入纤维素酶、木聚糖酶、氯化镁、吐温80和蒸馏水，得到酶解浆液，然后进行酶解糖化反应。

在其中一个实施例中，在步骤1)中，筛子的目数为40～80目。

在其中一个实施例中，在步骤2)中，稀盐酸的质量浓度为0.8～1.0％，稀盐酸的添加量为800～1000mL每100g秸秆。

在其中一个实施例中，在步骤2)中，所述的酸化反应是在高压锅中，在110～130℃的温度下进行反应，反应时间为60～90分钟。

在其中一个实施例中，在步骤3)中，纤维素酶的添加量为2.0～3.0g每100g秸秆，木聚糖酶的添加量为1.5～2.5g每100g秸秆；氯化镁在酶解浆液中的浓度为2.0～2.5mmol/L；吐温80在酶解浆液中的体积浓度为1～2％。

在其中一个实施例中，在步骤3)中，酶解浆液的液固比为10︰1～15︰1，pH值为4.5～5.5。

在其中一个实施例中，在步骤3)中，酶解糖化反应的反应温度为50～55℃，反应时间为48～50小时。

本发明所述的秸秆酶解糖化处理方法，能够显著提高秸秆的酶解糖化效果，在酶解后的糖化液中，还原糖的浓度高达29.1g/L，糖产量高达43.65％。

在本发明所述的秸秆酶解糖化处理方法中，秸秆粉碎后用40～80目的筛子过筛，以确保秸秆粉状物的粒径足够细，从而提高其在酸化反应过程中与稀盐酸的接触面积，以及提高水蒸汽对秸秆粉状物的穿透力。

在本发明所述的秸秆酶解糖化处理方法中，采用质量浓度为0.5～1.0％的稀盐酸，在高压锅中于110～130℃下对秸秆粉状物进行酸化反应，在热降解和酸性水解的双重作用下，将秸秆的致密纤维结构破坏，并将半纤维素水解为葡萄糖、半乳糖、甘露糖、木糖等可发酵性还原糖。在高压水蒸汽的高热量和穿透力作用下，热蒸汽分子渗入纤维内部，并在纤维内部及周围作高速瞬间流动，使纤维结构发生机械断裂；同时，在高温和酸性条件下，可进一步破坏纤维素束中的β-1,4葡萄糖苷键，从而降低纤维素的结晶度和聚合度，由此，可有效破坏秸秆的致密纤维结构，提高纤维素的酶解效率。

在本发明所述的秸秆酶解糖化处理方法中，酸化反应采用质量浓度为0.8～1.0％的稀盐酸，若盐酸的浓度大于1.0％，会对后续添加的纤维素酶、木聚糖酶产生抑制作用；若盐酸的浓度小于0.8％，则无法充分第破坏秸秆的致密纤维结构，均会降低秸秆的酶解糖化率。酸化反应的温度控制在110～130℃，若温度过低，会导致水蒸汽的产生量不足，对秸秆粉状物的穿透力不足；酸化反应的时间控制在60～90分钟，若时间过短，会导致反应不彻底，降低酶解效果。

在本发明所述的秸秆酶解糖化处理方法中，采用纤维素酶、木聚糖酶，在氯化镁溶液的催化作用下，能够有效地将纤维素和木质素酶解为葡萄糖、半乳糖、甘露糖、木糖等可发酵性还原糖。氯化镁中的镁离子对纤维素酶和木聚糖酶具有激活作用，能够显著提高纤维素酶和木聚糖酶的活力，提高其酶解效率，从而能显著提高秸秆的酶解糖化率。通过添加吐温80，能够增加纤维素酶、木聚糖酶在水中的溶解度，防止其析出而降低酶解效果。

在本发明所述的秸秆酶解糖化处理方法中，氯化镁在酶解浆液中的浓度控制在2.0～2.5mmol/L。由于纤维素酶与木聚糖酶具有不同的酶解活性，对氯化镁的激活浓度要求也不相同，若氯化镁的浓度选择不当，会导致其中之一甚至两者产生抑制作用。在2.0～2.5mmol/L的浓度下，氯化镁对纤维素酶和木聚糖酶均具有最佳的促进作用，酶解糖化效果最佳。吐温80在酶解浆液中的体积浓度控制在1～2％，若吐温80的用量多低，增溶效果差；若吐温80的用量过多，会抑制后期发酵处理时菌种的生长。此外，酶解浆液的液固比控制在10︰1～15︰1，若液体比例过多，会使纤维素酶和木聚糖酶被过度稀释，降低酶解效果；若液体比例过少，会影响酶解后的发酵效果，影响纤维乙醇的产生。酶解浆液的pH值控制在4.5～5.5，酶解反应温度控制在50～55℃，反应时间控制在48～50小时，能确保纤维素酶和木聚糖酶具有最佳的反应活性，避免酶失活，从而确保最佳的酶解糖化效果；若酶解反应时间过长，还会导致酶解后得到的糖化液容易腐败，影响纤维乙醇的产生。

具体实施方式

实施例一：秸秆的酶解糖化处理

将高粱秸秆晒干后粉碎，用60目筛子进行过筛，得到高粱秸秆粉状物。取10g高粱秸秆粉状物加入三角瓶中，加入100mL质量浓度为1.0％的稀盐酸，然后置于灭菌高压锅中，在120℃的温度下进行酸化反应，反应60分钟后，从灭菌高压锅中取出，在室温下自然降温，得到高粱秸秆浆液。

向高粱秸秆浆液中加入0.25g纤维素酶(2.5g每100g秸秆)、0.2g木聚糖酶(2.0g每100g秸秆)、0.375mmol氯化镁(2.5mmol/L)、1.5mL吐温80(1％)和50mL蒸馏水，得到液固比为15︰1的酶解浆液，调pH值至5.0，然后置于水浴锅中，在50℃下酶解糖化反应48小时。反应结束后过滤，除去固体不溶物，得到澄清的糖化液，灭菌备用。

采用3,5-二硝基水杨酸(DNS)法测定糖化液中的还原糖含量，具体步骤如下：

1)将3,5-二硝基水杨酸6.3g溶于262mL 2.0N的氢氧化钠溶液中，加入500mL酒石酸钾钠热溶液(酒石酸钾钠182g)，再加入5g苯酚、5g亚硫酸钠，搅拌溶解，定溶于1000mL容量瓶中，得到DNS试剂，存放于棕色瓶中备用；

2)准确称取100mg分析纯葡萄糖，用适量蒸馏水溶解后，转移至100mL的容量瓶中，以蒸馏水定容至刻度，摇匀，得到1mg/mL的葡萄糖标准液，于冰箱保存备用；

3)分别取0、0.2、0.4、0.6、0.8、1.0mL的葡萄糖标准液，置于15mL的试管中，并用蒸馏水补足至1.0mL，然后分别加入DNS试剂2mL，于沸水浴中加热5min，冷却后分别用蒸馏水补足至15mL，在540nm波长下分别测定其吸光度。以吸光度为纵坐标，葡萄糖的质量为横坐标，绘制标准曲线；

4)取1mL糖化液置于15mL的试管中，加入DNS试剂2mL，于沸水浴中加热5min，冷却后用蒸馏水补足至15mL，在540nm波长下测定其吸光度，根据标准曲线计算糖化液中的还原糖含量。

根据DNS法测定的还原糖含量，按照如下公式计算糖产量。经计算，采用本实施例的酶解糖化处理方法，糖化液中的还原糖浓度为29.1g/L，糖产量为43.65％。

糖产率＝还原糖质量/秸秆质量×100％

实施例二：秸秆糖化效果的测试

1、酸化反应对秸秆糖化效果的作用

按照实施例一所述的酶解糖化处理方法，分别用质量浓度为1.0％的硫酸、亚硫酸、甲酸、氢氧化钠代替实施例一所采用的稀盐酸，进行酸化反应，分别测定其经酶解糖化处理后的还原糖浓度，结果如表1所示。测试结果表明，采用稀盐酸进行酸化反应具有最佳的糖化效果。

表1

酸	稀盐酸	硫酸	亚硫酸	甲酸	NaOH
						还原糖浓度	29.1g/L	22.5g/L	4.2g/L	18.9g/L	22.1g/L

按照实施例一所述的酶解糖化处理方法，分别用质量浓度为0.3％、0.5％、0.8％、1.0％、1.2％、1.5％的稀盐酸进行酸化反应，分别测定其经酶解糖化处理后的还原糖浓度，结果如表2所示。测试结果表明，采用质量浓度为1.0％的稀盐酸进行酸化反应具有最佳的糖化效果，质量浓度小于0.8％时，还原糖浓度较低，质量浓度大于1.0％时，还原糖浓度亦随之下降。

表2

质量浓度

0.3％

0.5％

0.8％

1.0％

1.2％

1.5％

还原糖浓度

5.6g/L

12.1g/L

23.6g/L

29.1g/L

22.3g/L

20.8g/L

按照实施例一所述的酶解糖化处理方法，分别在100～140℃的温度下进行酸化反应，测定其经酶解糖化处理后的还原糖浓度，结果如表3所示。测试结果表明，在120～130℃的温度下进行酸化反应具有最佳的糖化效果，温度低于110℃时，还原糖浓度较低，温度低于140℃时，亦无更优的糖化效果。

表3

温度	100℃	110℃	120℃	130℃	140℃
						还原糖浓度	18.1g/L	20.2g/L	29.1g/L	29.5g/L	29.6g/L

2、氯化镁对秸秆糖化效果的作用

按照实施例一所述的酶解糖化处理方法，分别用0mmol/L、1.0mmol/L、2.0mmol/L、2.5mmol/L、3.0mmol/L、3.5mmol/L的氯化镁，对高粱秸秆作酶解糖化处理，分别测定其还原糖浓度，结果如表4所示。测试结果表明，采用摩尔浓度为2.5mmol/L的氯化镁进行酶解反应具有最佳的糖化效果，氯化镁的浓度过高或过低均会出现抑制作用。

表4

摩尔浓度	0	1.0	2.0	2.5	3.0	3.5
							还原糖浓度	19.7g/L	22.8g/L	25.1g/L	29.1g/L	26.1g/L	23.2g/L

按照实施例一所述的酶解糖化处理方法，分别用氯化锌、硫酸亚铁、硫酸铜代替实施例一所采用的氯化镁，对高粱秸秆作酶解糖化处理，分别测定其还原糖浓度，结果如表5所示。测试结果表明，采用氯化镁进行酶解糖化反应具有最佳的糖化效果。

表5

3、酶解浆液的液固比对秸秆糖化效果的作用

按照实施例一所述的酶解糖化处理方法，分别将酶解浆液的液固比调整为8︰1、10︰1、12︰1、15︰1、16︰1，对高粱秸秆作酶解糖化处理，分别测定其还原糖浓度，结果如表6所示。测试结果表明，液固比为15︰1时具有最佳的糖化效果。

表6

液固比	8︰1	10︰1	12︰1	15︰1	16︰1
						糖产率	33.0％	40.6％	42.72％	43.65％	38.62％

4、酶解浆液的pH值对秸秆糖化效果的作用

按照实施例一所述的酶解糖化处理方法，分别将酶解浆液的pH值调整为4.0、4.5、5.0、5.5、6.0，对高粱秸秆作酶解糖化处理，分别测定其还原糖浓度，结果如表7所示。测试结果表明，pH值为5.0～5.5时具有最佳的糖化效果。

表7

液固比	4.0	4.5	5.0	5.5	6.0
						还原糖浓度	23.6g/L	27.7g/L	29.1g/L	28.9g/L	26.5g/L

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (7)

1.一种秸秆的酶解糖化处理方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)将秸秆晒干后粉碎，用筛子进行过筛，得到秸秆粉状物；

2)将秸秆粉状物加入稀盐酸中进行酸化反应，反应结束后降至室温，得到秸秆浆液；

3)向秸秆浆液中加入纤维素酶、木聚糖酶、氯化镁、吐温80和蒸馏水，得到酶解浆液，然后进行酶解糖化反应。

2.根据权利要求1所述的酶解糖化处理方法，其特征在于：在步骤2)中，稀盐酸的质量浓度为0.8～1.0％，稀盐酸的添加量为800～1000mL每100g秸秆。

3.根据权利要求1或2所述的酶解糖化处理方法，其特征在于：在步骤2)中，所述的酸化反应是在高压锅中，在110～130℃的温度下进行反应，反应时间为60～90分钟。

4.根据权利要求1所述的酶解糖化处理方法，其特征在于：在步骤3)中，纤维素酶的添加量为2.0～3.0g每100g秸秆，木聚糖酶的添加量为1.5～2.5g每100g秸秆；氯化镁在酶解浆液中的浓度为2.0～2.5mmol/L；吐温80在酶解浆液中的体积浓度为1～2％。

5.根据权利要求1或4所述的酶解糖化处理方法，其特征在于：在步骤3)中，酶解浆液的液固比为10︰1～15︰1，pH值为4.5～5.5。

6.根据权利要求1或4所述的酶解糖化处理方法，其特征在于：在步骤3)中，酶解糖化反应的反应温度为50～55℃，反应时间为48～50小时。

7.根据权利要求1所述的酶解糖化处理方法，其特征在于：在步骤1)中，筛子的目数为40～80目。