CN105838753A - 超声波碱处理双酶降解蔗渣的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种超声波碱处理双酶降解蔗渣的方法，即采用蔗渣为原料，经超声波与碱的共同预处理后，再在纤维素酶和木聚糖酶的协同作用下酶解反应生产还原糖。该法利用超声波的空化作用和机械作用以及碱对木质纤维素的溶胀作用和皂化作用，使木质纤维素的结构边得疏松，增加酶的作用位点，去除抑制纤维素水解的木质素成分，有利于后续水解过程，缩短作用时间；并利用纤维素酶与木聚糖酶的协同作用，简化木质纤维素复杂的空间作用提供更多的酶结合位点，降低木质素含量，缩短酶解时间，提高酶解效率，减少能耗，提高还原糖产率。本发明克服了传统工艺的缺陷，具有资源化率高、反应条件温和、蔗渣降解充分、成本低副产物少、还原糖得率高等优点。
Description
技术领域
本发明属于蔗渣资源化利用技术领域，尤其涉及一种超声波碱处理双酶降解蔗渣的方法。
背景技术
目前生产燃料乙醇较为成熟的工艺是采用生物转化的方法，将燃料乙醇作为燃料代替化石能源，可以有效的减少大气中有害物质的排放。另一方面，制糖作为广西的支柱产业每年大约生产1600万吨蔗渣，而大部分蔗渣都用于锅炉燃烧，造成了生物质能源的浪费。若能以蔗渣为原料进行综合利用，可减少蔗渣的浪费，实现资源化利用。然而，在生产中如何使木质纤维素的利用率达到最优，仍是有待解决的问题。
木质纤维素来源广泛、价格低廉，是生产燃料乙醇的理想原料，其主要成分包括30％-40％纤维素、20％-30％半纤维素和20％-30％木质素。纤维生物质的纤维素、半纤维素、木质素结合紧密，使其不易与酶结合、外化学处理过程中易形成对发酵有抑制作用的可溶性物质、发酵效率低等均使得原料预处理成为限制木质纤维素利用工艺的瓶颈。因此，需通过一种预处理手段使得木质纤维素中阻碍发酵的物质去除，破坏木质纤维素的结构，降低结晶度，并增加纤维素的比表面积以增加酶的作用位点，这是蔗渣降解产还原糖的关键步骤和技术前提。
目前对木质纤维原料常用的预处理方法有化学法物理法(高压蒸汽爆破、高温液态水、球磨法、微波辐照、超临界液体、CO2激光离子、超声波)、物理化学联合法(超声波加酸、超声波加碱、超声波加双氧水)、生物法(酶降解、真菌细菌降解)等，但是传统的预处理方法都很难使其中的木质素含量降至最低，且大多数方法消耗的成本过高，有些预处理方法还会产生糠醛、HMF等抑制发酵的副产物。
蔗渣纤维主要由半纤维素、纤维素组成，半纤维素在木聚糖酶的降解下降解为木糖、木二糖、木三糖等，纤维素在纤维素酶的作用下可降解为葡萄糖。传统的单一酶解处理并不能同时作用于蔗渣中的纤维素和半纤维素，通过纤维素酶和木聚糖酶的适当的配比，可将水解进行地更彻底并将两种酶的协同作用最大化，优化生产工艺，提高还原糖的产率。
中国专利申请“一种以甘蔗渣原料发酵生产丁二酸的方法”(申请号201510387997.5公开日2015-09-09)中，发明人将蔗渣粉碎过20-60目筛，并用0.5-5％的NaOH溶液按一定的固液比进行高温处理，得到预处理蔗渣。但是，该法中纤维素的得率最多54％，而且 纤维素的结构也相对致密，使得酶解的效果不会很明显。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种资源化率高、反应条件温和、蔗渣降解充分、成本低副产物少、还原糖得率高的超声波碱处理双酶降解蔗渣的方法。
为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：超声波碱处理双酶降解蔗渣的方法，采用蔗渣为原料，经超声波与碱的共同预处理后，再在纤维素酶和木聚糖酶的协同作用下酶解反应生产还原糖。
上述超声波碱处理双酶降解蔗渣的方法，包括以下步骤：将蔗渣风干，将风干后的蔗渣破碎并进行筛分，将筛分后的蔗渣烘干至恒重得到蔗渣粉末，在烘干后的蔗渣粉末中倒入NaOH溶液并用超声波进行预处理，调节体系pH并加入纤维素酶和木聚糖酶进行酶解反应，酶解后的酶解液灭酶活处理，即得。
筛分采用60～80目分样筛。
蔗渣粉末与NaOH溶液的固液质量体积比为1∶12～1∶18，NaOH溶液的质量浓度为0.5～6％。
超声波功率为200～400W，超声波预处理的时间为40～80min。
调节体系pH至4～6。
纤维素酶的添加量为0.05～0.15g/g蔗渣，木聚糖酶的添加量为0.1～0.5g/g蔗渣，酶解时间为32～38h，反应温度为50℃。
灭酶活处理温度为95～105℃，灭酶活处理时间为3～5h。
针对目前蔗渣降解处理生产还原糖存在的问题，发明人在现有预处理方法的基础上，深入探究木质纤维素预处理的新方法和工艺，建立了一种超声波碱处理双酶降解蔗渣的方法，即采用蔗渣为原料，经超声波与碱的共同预处理后，再在纤维素酶和木聚糖酶的协同作用下酶解反应生产还原糖。本发明设计原理是基于超声波碱性预处理与双酶协同作用，具体是：利用超声波的空化作用和机械作用以及碱对木质纤维素的溶胀作用和皂化作用，使木质纤维素的结构边得疏松，增加酶的作用位点，去除抑制纤维素水解的木质素成分，有利于后续水解过程，缩短作用时间；并利用纤维素酶与木聚糖酶的协同作用，简化木质纤维素复杂的空间作用提供更多的酶结合位点，降低木质素含量，缩短酶解时间，提高酶解效率，减少能耗，提高还原糖产率。此外，将蔗渣破碎筛分至一定粒度，有效地增加了蔗渣的反应表面积，在超声波的空化作用下，能够方便地打断纤维素之间的氢键，在超声波和NaOH的协同作用下暴露更多的纤维素表面，增加酶的作用位点，从而达到提高纤维 素得率和还原糖产量的目的。
应用本发明采用蔗渣为原料生产还原糖，利于提高还原糖的产率及甘蔗资源的综合利用，克服了传统工艺存在的缺陷，体现出显著的优势：
<1>以制糖工业副产物蔗渣作为原料进行还原糖的生产，减少了木质纤维素资源的浪费，拓宽了综合利用的途径。
<2>去除了大部分的木质素，减少木质素对蔗渣降解的影响，提高了蔗渣的降解率。
<3>预处理在常温下进行，过程能耗少，成本低，副产物少。
<4>利用纤维素酶与木聚糖酶的协同作用提高了还原糖的得率，使蔗渣降解得更为充分。
附图说明
图1是应用本发明超声波碱处理双酶降解蔗渣的方法生产还原糖的工艺流程图。
图2是应用本发明处理甘蔗渣的实施例1-6中纤维素、半纤维素、木质素含量的比较。
图3是应用本发明处理甘蔗渣的实施例1-6中还原糖含量的成分分析比较。
具体实施方式
实施例1
将蔗渣置于干燥通风的条件下风干，将风干后的蔗渣用机械搅拌机进行破碎并进行筛分(60目)，将筛分后的蔗渣放入烘箱中于105℃烘干除去其水分至恒重得到蔗渣粉末；在烘干后的蔗渣粉末中，按蔗渣粉末与NaOH溶液的固液质量体积比1∶12倒入NaOH溶液(质量浓度为2％)，并用超声波清洗仪进行预处理(功率200W，时间40min)；用10～20ml的柠檬酸钠缓冲液调节体系pH至4并加入纤维素酶(0.05g/g蔗渣)和木聚糖酶(0.1g/g蔗渣)进行酶解反应32h(反应温度为50℃)，酶解后的酶解液95℃灭酶活处理3h。后用离心机离心分离(转速3000rap，时间15min)，取上层清液采用DNS法测定还原糖含量。
结果：纤维素含量为43％，半纤维素含量为22％，木质素含量为22％，还原糖含量约为10.26g/L。
实施例2
将蔗渣置于干燥通风的条件下风干，将风干后的蔗渣用机械搅拌机进行破碎并进行筛分(60目)，将筛分后的蔗渣放入烘箱中于105℃烘干除去其水分至恒重得到蔗渣粉末；在烘干后的蔗渣粉末中，按蔗渣粉末与NaOH溶液的固液质量体积比1∶13倒入NaOH溶液(质量浓度为3％)，并用超声波清洗仪进行预处理(功率300W，时间50min)；用10～ 20ml的柠檬酸钠缓冲液调节体系pH至5并加入纤维素酶(0.07g/g蔗渣)和木聚糖酶(0.2g/g蔗渣)进行酶解反应32h(反应温度为50℃)，酶解后的酶解液95℃灭酶活处理3h。后用离心机离心分离(转速4000rap，时间15min)，取上层清液采用DNS法测定还原糖含量。
结果：纤维素含量为48％，半纤维素含量为21％，木质素含量为20％，还原糖含量约为18.95g/L。
实施例3
将蔗渣置于干燥通风的条件下风干，将风干后的蔗渣用机械搅拌机进行破碎并进行筛分(80目)，将筛分后的蔗渣放入烘箱中于105℃烘干除去其水分至恒重得到蔗渣粉末；在烘干后的蔗渣粉末中，按蔗渣粉末与NaOH溶液的固液质量体积比1∶14倒入NaOH溶液(质量浓度为5％)，并用超声波清洗仪进行预处理(功率300W，时间60min)；用10～20ml的柠檬酸钠缓冲液调节体系pH至6并加入纤维素酶(0.08g/g蔗渣)和木聚糖酶(0.2g/g蔗渣)进行酶解反应35h(反应温度为50℃)，酶解后的酶解液95℃灭酶活处理3h。后用离心机离心分离(转速3000rap，时间15min)，取上层清液采用DNS法测定还原糖含量。
结果：纤维素含量为60％，半纤维素含量为15％，木质素含量为14％，还原糖含量约为29.03g/L。
实施例4
将蔗渣置于干燥通风的条件下风干，将风干后的蔗渣用机械搅拌机进行破碎并进行筛分(80目)，将筛分后的蔗渣放入烘箱中于105℃烘干除去其水分至恒重得到蔗渣粉末；在烘干后的蔗渣粉末中，按蔗渣粉末与NaOH溶液的固液质量体积比1∶15倒入NaOH溶液(质量浓度为6％)，并用超声波清洗仪进行预处理(功率400W，时间70min)；用10～20ml的柠檬酸钠缓冲液调节体系pH至6并加入纤维素酶(0.09g/g蔗渣)和木聚糖酶(0.3g/g蔗渣)进行酶解反应36h(反应温度为50℃)，酶解后的酶解液95℃灭酶活处理3h。后用离心机离心分离(转速3000rap，时间15min)，取上层清液采用DNS法测定还原糖含量。
结果：纤维素含量为65％，半纤维素含量为14％，木质素含量为10％，还原糖含量约为31.03g/L。
实施例5
将蔗渣置于干燥通风的条件下风干，将风干后的蔗渣用机械搅拌机进行破碎并进行筛分(60目)，将筛分后的蔗渣放入烘箱中于105℃烘干除去其水分至恒重得到蔗渣粉末；在烘干后的蔗渣粉末中，按蔗渣粉末与NaOH溶液的固液质量体积比1∶16倒入NaOH溶液(质量浓度为6％)，并用超声波清洗仪进行预处理(功率300W，时间70min)；用10～20ml的柠檬酸钠缓冲液调节体系pH至6并加入纤维素酶(0.1g/g蔗渣)和木聚糖酶(0.4g/g蔗渣)进行酶解反应37h(反应温度为50℃)，酶解后的酶解液95℃灭酶活处理3h。后用离心机离心分离(转速3000rap，时间15min)，取上层清液采用DNS法测定还原糖含量。
结果：纤维素含量为63％，半纤维素含量为15％，木质素含量为11％，还原糖含量约为29.85g/L。
实施例6
将蔗渣置于干燥通风的条件下风干，将风干后的蔗渣用机械搅拌机进行破碎并进行筛分(60目)，将筛分后的蔗渣放入烘箱中于105℃烘干除去其水分至恒重得到蔗渣粉末；在烘干后的蔗渣粉末中，按蔗渣粉末与NaOH溶液的固液质量体积比1∶15倒入NaOH溶液(质量浓度为4％)，并用超声波清洗仪进行预处理(功率300W，时间80min)；用10～20ml的柠檬酸钠缓冲液调节体系pH至6并加入纤维素酶(0.1g/g蔗渣)和木聚糖酶(0.5g/g蔗渣)进行酶解反应37h(反应温度为50℃)，酶解后的酶解液95℃灭酶活处理3h。后用离心机离心分离(转速3000rap，时间15min)，取上层清液采用DNS法测定还原糖含量。
结果：纤维素含量为62％，半纤维素含量为15％，木质素含量为12％，还原糖含量约为30.04g/L。
Claims (8)
1.一种超声波碱处理双酶降解蔗渣的方法，其特征在于采用蔗渣为原料，经超声波与碱的共同预处理后，再在纤维素酶和木聚糖酶的协同作用下酶解反应生产还原糖。
2.根据权利要求1所述的超声波碱处理双酶降解蔗渣的方法，其特征在于包括以下步骤：将蔗渣风干，将风干后的蔗渣破碎并进行筛分，将筛分后的蔗渣烘干至恒重得到蔗渣粉末，在烘干后的蔗渣粉末中倒入NaOH溶液并用超声波进行预处理，调节体系pH并加入纤维素酶和木聚糖酶进行酶解反应，酶解后的酶解液灭酶活处理，即得。
3.根据权利要求2所述的超声波碱处理双酶降解蔗渣的方法，其特征在于：所述筛分采用60～80目分样筛。
4.根据权利要求2所述的超声波碱处理双酶降解蔗渣的方法，其特征在于：所述蔗渣粉末与NaOH溶液的固液质量体积比为1∶12～1∶18，NaOH溶液的质量浓度为0.5～6％。
5.根据权利要求2所述的超声波碱处理双酶降解蔗渣的方法，其特征在于：所述超声波功率为200～400W，超声波预处理的时间为40～80min。
6.根据权利要求2所述的超声波碱处理双酶降解蔗渣的方法，其特征在于：所述调节体系pH至4～6。
7.根据权利要求2所述的超声波碱处理双酶降解蔗渣的方法，其特征在于：所述纤维素酶的添加量为0.05～0.15g/g蔗渣，木聚糖酶的添加量为0.1～0.5g/g蔗渣，酶解时间为32～38h，反应温度为50℃。
8.根据权利要求2所述的超声波碱处理双酶降解蔗渣的方法，其特征在于：所述灭酶活处理温度为95～105℃，灭酶活处理时间为3～5h。
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| CN104894188A (zh) * | 2015-05-25 | 2015-09-09 | 昆明理工大学 | 一种酶解糖化蔗渣的预处理方法 |
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