CN105603021A - 一种利用表面活性剂提高烟秆酶解效果的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种利用表面活性剂提高烟秆酶解效果的方法，旨在提高烟秆的酶解糖化效率。该方法是以蒸汽爆破预处理的烟秆为原料，通过在反应体系中添加纤维素酶、木聚糖酶和表面活性剂对原料进行酶解糖化，以实现木质纤维素原料转化率的大幅提高。本发明通过使用表面活性剂，重点解决了纤维素酶在木质素表面的无效吸附情况，使纤维素酶可充分作用于纤维素，从而提高了底物水解效率；同时在烟秆中有毒物质烟碱的存在下，减少了酶的失活并保证了酶的稳定性，可有效减少酶的用量；另外，所采用原料为烟草生产中的下脚料，来源广泛，成本低廉，不仅避免了烟草废弃物随意丢弃对环境造成的污染，而且有利于实现农业废弃物资源的高效综合利用。

Description

一种利用表面活性剂提高烟秆酶解效果的方法
技术领域
本发明属于木质纤维素酶解糖化的技术领域，具体涉及一种利用表面活性剂提高烟秆酶解效果的方法。
背景技术
我国烟草的种植面积和产量均居世界之首，其带来的经济价值十分可观。据统计，在完成烟叶的采收后，每年会产生约150万吨烟秆。由于烟农意识薄弱，这些烟秆废弃物或被随意丢弃于田间地头，或被直接晒干焚烧，不仅对空气和环境造成了严重污染，而且是对农业剩余物资源的浪费。烟秆中含有植物碱、有机酸、糖类、蛋白质、淀粉和果胶等重要化合物，目前，对烟秆的资源化利用研究主要集中于对这些成分的提取再利用。值得关注的是，烟秆中纤维素含量高达38%～45%，与玉米秸秆、稻草秸秆和高粱秆等农作物秸秆非常接近；烟秆中还含有丰富的糖类，其中葡萄糖和木糖是含量最丰富的单糖，分别占到了74.33%和10.45%，此外，还包含甘露糖、半乳糖和阿拉伯糖等小分子多糖。由此可以表明，烟秆也可作为一种较好的木质纤维素原料用以生物乙醇等生物基产品的生产，不但可以合理利用烟秆，增加烟农的经济收入，也可以减轻环境污染，有助于烟草生产的可持续发展。
目前，随着资源匮乏、能源短缺和环境污染等全球性问题的日益加剧，新型能源的研究已越来越受到重视。其中，纤维素乙醇由于其清洁可再生的特点，已成为最适合的替代能源之一。农作物茎秆等木质纤维类物质是纤维素乙醇生产的原料，主要由纤维素、半纤维素和木质素构成。半纤维素和木质素包裹在纤维素周围，形成了致密复杂的结构，极大地阻碍了纤维素酶与纤维素表面的可及性；同时，纤维素的结晶结构以及木质素的保护作用也致使其难以被降解。因此，对原料进行高效的预处理和纤维素酶解是制取生物乙醇的关键技术。
表面活性剂可以解决纤维素酶在水解过程中的无效吸附情况，促进其与纤维素表面的接触并去除木质素的抑制，从而提高酶解效率。本发明以废弃烟秆为原料，采用蒸汽爆破预处理，通过在酶解反应体系中添加表面活性剂，能有效提高纤维素向可发酵糖的转化水平，对于烟草废弃物的资源化利用、木质纤维素乙醇的研究生产具有重要的现实意义。
发明内容
本发明的目的是提供一种操作工艺简单、设备投资少和生产成本较低的利用表面活性剂提高烟秆酶解效果的方法。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是，一种利用表面活性剂提高烟秆酶解效果的方法，包括以下步骤：①原料的预处理：将烟秆进行粉碎，粉碎后的烟秆进行蒸汽爆破预处理；②物料的酶解糖化：向经蒸汽爆破预处理后的烟秆中加入水，搅拌成均匀的固液混合物，烟秆和水的固液比为1kg:5L～1kg:8L，将固液混合物的pH值调节至4.6～4.8；然后按15～20FPU/g烟秆加入纤维素酶，200～300U/g烟秆加入木聚糖酶，0.0005～0.1g/g烟秆加入表面活性剂，于45～48℃、120～150r/min振荡酶解糖化48～60h，酶解糖化结束后过滤得到纤维水解液。
优选的，所述步骤①中烟秆粉碎后的粒度为1～3cm，蒸汽爆破预处理工艺条件为蒸汽压力2.0～2.5MPa，保压时间为1.5～2.5min。
优选的，所述步骤②中表面活性剂为吐温80（Tween80）或牛血清蛋白（BSA）。
本发明产生的有益效果是：采用蒸汽爆破技术对烟秆进行预处理，可以使烟秆木质纤维素的结构遭到破坏，促进组分分离，使大部分半纤维素和少量木质素降解而溶出，有利于后续的纤维素酶解。酶解过程中表面活性剂的添加不仅阻止了木质素与纤维酶的无效结合，并且可以促进原料细胞壁的破裂，原料结构变得疏松多孔，增加了纤维素酶与纤维素的接触面积，从而提高了纤维素的糖化率。此外，由于烟秆中含有烟碱等有毒物质，对酶活性存在抑制作用，而表面活性剂对酶有明显的稳定和促进效应，可以改变纤维素酶在水解过程中的失活或变性情况，进而使纤维素转化率得到显著提高。
附图说明
图1为不同用量Tween80对烟秆爆破物料酶解糖化效果的影响；
图2为不同用量BSA对烟秆爆破物料酶解糖化效果的影响。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，但本发明的保护范围不限于此。
实施例1
一种利用表面活性剂提高烟秆酶解效果的方法，包括以下步骤：①原料的预处理：将烟秆进行粉碎至粒度为1～3cm，粉碎后的烟秆进行蒸汽爆破预处理，其中蒸汽爆破预处理工艺条件为蒸汽压力2.0MPa，保压时间为2.5min；②物料的酶解糖化：向经蒸汽爆破预处理后的烟秆中加入水，搅拌成均匀的固液混合物，烟秆和水的固液比为1kg:8L，用10mol/L的氢氧化钠溶液将固液混合物的pH值调节至4.6；然后按15FPU/g烟秆加入纤维素酶，300U/g烟秆加入木聚糖酶，0.005g/g烟秆加入吐温80，于48℃、120r/min振荡酶解糖化48h，酶解糖化结束后过滤得到纤维水解液。
实施例2
实施例2与实施例1的不同之处在于，步骤②中吐温80的添加量为0.01g/g烟秆。
实施例3
实施例3与实施例1的不同之处在于，步骤②中吐温80的添加量为0.03g/g烟秆。
实施例4
实施例4与实施例1的不同之处在于，步骤②中吐温80的添加量为0.05g/g烟秆。
实施例5
实施例5与实施例1的不同之处在于，步骤②中吐温80的添加量为0.1g/g烟秆。
对照例1
对照例1与实施例1的不同之处在于，步骤②中未添加吐温80。
实施例6
一种利用表面活性剂提高烟秆酶解效果的方法，包括以下步骤：①原料的预处理：将烟秆进行粉碎至粒度为1～3cm，粉碎后的烟秆进行蒸汽爆破预处理，其中蒸汽爆破预处理工艺条件为蒸汽压力2.5MPa，保压时间为1.5min；②物料的酶解糖化：向经蒸汽爆破预处理后的烟秆中加入水，搅拌成均匀的固液混合物，烟秆和水的固液比为1kg:5L，用10mol/L的氢氧化钠溶液将固液混合物的pH值调节至4.8；然后按20FPU/g烟秆加入纤维素酶，200U/g烟秆加入木聚糖酶，0.0005g/g烟秆加入牛血清蛋白（BSA），于45℃、150r/min振荡酶解糖化60h，酶解糖化结束后过滤得到纤维水解液。
实施例7
实施例7与实施例6的不同之处在于，步骤②中牛血清白蛋白的添加量为0.001g/g烟秆。
实施例8
实施例8与实施例6的不同之处在于，步骤②中牛血清白蛋白的添加量为0.005g/g烟秆。
实施例9
实施例9与实施例6的不同之处在于，步骤②中牛血清白蛋白的添加量为0.01g/g烟秆。
实施例10
实施例10与实施例6的不同之处在于，步骤②中牛血清白蛋白的添加量为0.05g/g烟秆。
对照例2
对照例2与实施例6的不同之处在于，步骤②中未添加牛血清蛋白。
结果分析
将实施例1－10、对照例1－2所得到的纤维水解液，于4℃、10000r/min离心10min，上清液用以测定酶解液中的糖浓度。糖浓度使用高效液相色谱仪（DionexP680）进行测定，色谱柱：离子排斥色谱柱AminexHPX-87H；检测器：示差折光检测器RI101（Shodex）；流动相：5mMH2S04，流速0.6mL/min；柱温55℃；进样量10μL。所得结果如图1－2所示。
由图1可以看出，当吐温80添加量为0.005g/g烟秆时，烟秆糖化效果最佳，总还原糖浓度由对照组1的35.47g/L提高到了38.15~42.03g/L，比对照组1提高了2.68~6.57g/L。
由图2可以看出，当牛血清蛋白添加量为0.001g/g烟秆时，烟秆糖化效果最佳，总还原糖浓度由对照组2的36.09g/L提高到了39.19~40.76g/L比对照组2提高了3.10~4.67g/L。

Claims (3)

1.一种利用表面活性剂提高烟秆酶解效果的方法，其特征在于，包括以下步骤：
①原料的预处理：将烟秆进行粉碎，粉碎后的烟秆进行蒸汽爆破预处理；
②物料的酶解糖化：向经蒸汽爆破预处理后的烟秆中加入水，搅拌成均匀的固液混合物，烟秆和水的固液比为1kg:5L～1kg:8L，将固液混合物的pH值调节至4.6～4.8；然后按15～20FPU/g烟秆加入纤维素酶、200～300U/g烟秆加入木聚糖酶、0.0005～0.1g/g烟秆加入表面活性剂，于45～48℃、120～150r/min振荡酶解糖化48～60h，酶解糖化结束后过滤得到纤维水解液。
2.如权利要求1所述利用表面活性剂提高烟秆酶解效果的方法，其特征在于，所述步骤①中烟秆粉碎后的粒度为1～3cm，蒸汽爆破预处理工艺条件为蒸汽压力2.0～2.5MPa，保压时间为1.5～2.5min。
3.如权利要求1所述利用表面活性剂提高烟秆酶解效果的方法，其特征在于，所述步骤②中表面活性剂为吐温80或牛血清蛋白。
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