CN106834382B - 一种强化木质纤维素酶解糖化的处理方法 - Google Patents
一种强化木质纤维素酶解糖化的处理方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种强化木质纤维素酶解糖化的处理方法，先将油茶饼粕和木质纤维素原料分别过筛后干燥；将干燥的油茶饼粕和木质纤维素原料按质量比为1：(10～20)混合，得到混合物A，将混合物A与去离子水混合得到反应液，反应液进行超声处理，超声处理结束后冷却至室温并分离出上清液和固体残渣；将上清液除去水分，剩余物质与干燥后的固体残渣混合，得到混合物B；向混合物B中加入柠檬酸‑柠檬酸钠缓冲液，混合均匀后加入纤维素酶，在30～40℃进行酶解反应25～48h，完成强化木质纤维素酶解糖化的处理。本发明应用超声波联合油茶饼粕对木质纤维素进行预处理促进其酶解糖化，强化纤维素酶的活性、节省了酶载量，提高酶解效率。
Description
【技术领域】
本发明属于木质纤维素酶解领域，涉及一种强化木质纤维素酶解糖化的处理方法。
【背景技术】
随着能源危机、环境污染等问题的日益严峻，世界各国纷纷采取各种有效措施鼓励生物质能源的开发。木质纤维素是一类重要的可再生资源，通过有效的预处理、微生物发酵、酶解糖化等过程可转化为能源及化学品。但是木质纤维素结构复杂，纤维素、半纤维素、木质素彼此关联、相互交织，产生的空间位阻令水解酶很难直接作用于底物，若不经过相应的预处理技术破坏这种致密的结构，酶解效率及糖得率都不甚理想。为此世界各国学者开展了大量研究致力于解决上述问题。例如应用不同类型表面活性剂(包括阴离子、阳离子、非离子与生物)联合离子液体强化稻草秸秆纤维材料的转化率，研究发现，与未处理稻秆相比，纤维材料的转化率提高了55.38％，见不同种类表面活性剂联合离子液体预处理稻秆的物化特性研究，张耿崚等，环境科学学报，2016，26，9；应用碱性亚硫酸盐法与低压蒸汽爆破相结合对慈竹原料进行预处理，正交试验确定反应温度140℃、亚硫酸盐用量40％、氢氧化钠用量15％，预处理时间72h，还原糖得率得到了显著提高，见碱性亚硫酸盐耦合低压蒸汽预处理慈竹及其纤维素酶解转化，秦书百川等，北京林业大学学报，2016，38，7；另外，在微波场下经离子液体预处理，发现在300W、90℃，纤维素的转化率达最大，见纤维素在微波场下经离子液体预处理酶解糖化，刘振等，微波学报，2011，27，3。综上所述，这些预处理方法均在一定程度上改变木质纤维素的结构，强化了木质纤维素的酶解效率，但是这些工艺或是极复杂、或预处理时间较长、或加入的化学药剂过多、致使成本过高，均不甚理想。
【发明内容】
本发明的目的在于克服现有技术中存在的问题，提供一种强化木质纤维素酶解糖化的处理方法，应用超声波联合油茶饼粕对木质纤维素进行预处理促进其酶解糖化。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
包括以下步骤：
1)将油茶饼粕和木质纤维素原料分别过筛后干燥；
2)将干燥的油茶饼粕和木质纤维素原料按质量比为1：(10～20)混合，得到混合物A，将该混合物A与去离子水混合得到反应液，反应液进行超声处理，超声处理结束后冷却至室温并分离出上清液和固体残渣；将上清液除去水分，剩余物质与干燥后的固体残渣混合，得到混合物B；
3)向混合物B中加入柠檬酸-柠檬酸钠缓冲液，混合均匀后加入纤维素酶，其中，纤维素酶的添加量为5～30FPU/g混合物B；在30～40℃进行酶解反应25～48h，完成强化木质纤维素酶解糖化的处理。
进一步地，步骤1)中木质纤维素原料采用杂交杨木屑。
进一步地，步骤1)中油茶饼粕和木质纤维素原料粉碎后均是过40～80目筛。
进一步地，步骤1)中过筛后的油茶饼粕在40～70℃干燥；过筛后的木质纤维素原料在60℃干燥。
进一步地，步骤2)中混合物A与去离子水按照1：(2～5)的比例混合。
进一步地，步骤2)中的反应液在108W和20.024kHz的超声波作用下处理10～50min。
进一步地，步骤2)中通过过滤分离出上清液和固体残渣，固体残渣在100～105℃干燥2～4h；上清液通过中空纤维膜除去水分。
进一步地，步骤3)中每克混合物B中加入5～20mL的柠檬酸-柠檬酸钠缓冲液。
进一步地，步骤3)中柠檬酸-柠檬酸钠缓冲液的浓度为0.075mol/L，pH值为4.8。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明方法应用超声波联合油茶饼粕对木质纤维素进行预处理促进其酶解糖化，一方面，在声空化作用下，伴生的热效应、物理效应、化学效应等加速了木质纤维素致密结构的瓦解，使纤维素、半纤维素、木质素相互交织产生的空间位阻变小，为后面的酶解提供了方便；另一方面，在声空化作用下，油茶饼粕中大量的蛋白、多糖、茶皂素等表面活性物质游离于溶液中，有机会参与后面的酶解作用，强化纤维素酶的活性、节省了酶载量，降低了木质素对纤维素酶的非特异性吸收、避免了纤维素酶的损耗，提高酶解效率；再者，在强化木质纤维素酶解糖化的同时，也实现了油茶饼粕的资源化利用，使其变废为宝。同时本方法预处理时间短、效率高、成本低，具有极大的推广价值。
【附图说明】
图1是本发明实施例1酶解时间对还原糖得率的影响。
图2是本发明实施例2酶解时间对还原糖得率的影响。
图3是本发明实施例3酶解时间对还原糖得率的影响。
【具体实施方式】
下面结合附图对本发明做进一步详细说明。
本发明方法通过如下步骤进行的：
1)块状油茶饼粕除去表面浮杂，粉碎过40～80目筛，将过筛后的茶饼粉在40～70℃干燥除去水分；杂交杨木屑选自木材加工厂，除去浮杂，粉碎过40～80目筛，将过筛后的木屑在60℃干燥除去水分。杂交杨木屑可用任何木质纤维素原料代替。
2)将(1)中的干燥茶饼粉与杂交杨木屑按照1:20～1:10的质量比混合，得到混合物A，总质量为1g；然后按照质量体积比为1g:(2～5)mL将混合物A与去离子水充分混合于1L反应器中，在超声波(108W，20.024kHz)作用下处理10～50min。然后将反应物冷却至室温，过滤分离出上清液，固体残渣在100～105℃干燥2～4h；上清液通过中空纤维膜，采用膜分离技术除去水分，得到的物质为酶解助剂，将其与固体残渣混合，得到混合物B，进行酶解。
3)将步骤2)预处理后的混合物B作为底物，取1g置于50mL烧瓶中，向其中加入5～20mL 0.075mol/L(pH 4.8)柠檬酸-柠檬酸钠缓冲液充分混合,然后再向烧瓶中加入5～30FPU的纤维素酶，充分混合。酶解反应在恒温震荡培养箱(160r/min)中进行，温度30～40℃，反应时间25～48h。在一定的反应时间间隔后，取出样品进行还原糖与酶活性分析。
本发明用超声波联合油茶饼粕进行预处理强化木质纤维素酶解糖化作用，首先将油茶饼粕与杂交杨木屑充分混合，然后用超声波对混合物进行声空化作用，一方面破坏木屑的致密结构，另一方面促使油茶饼粕中的活性物质(蛋白、多糖、茶皂素)游离出来，以便强化后面的酶解作用，具有新颖、独特、成本低等特点，克服现有预处理技术或极复杂、或预处理时间较长、或加入的化学药剂过多、或效率低等缺陷。
对于超声波技术，具有方向性好、穿透能力强、效率高、作用时间短、易操作、不存在二次污染等优点，被广泛应用于工业生产的各个领域；另一方面，油茶饼粕又称茶饼，有毒，味苦，目前基本上被废弃。据报道，茶饼含有多种有益成分，如粗蛋白、粗脂肪、糖类、粗纤维、皂素、等，将茶饼中的有益成分强化木质纤维素的酶解糖化作用，不仅可实现废弃资源的有效利用，还可降低木质纤维素酶解糖化成本，这对解决能源危机将具有重要意义。
下面通过实施例对本发明进行详细描述。
实施例1
1)块状油茶饼粕除去表面浮杂，粉碎过40目筛，将过筛后的茶饼粉在40℃干燥除去水分；杂交杨木屑选自木材加工厂，除去浮杂，粉碎过40目筛，将过筛后的木屑在60℃干燥除去水分。
2)将(1)中的干燥茶饼粉与杂交杨木屑按照1:20的质量比混合，总质量为1g；然后按照质量体积比为1g:5mL将混合物与去离子水充分混合于1L反应器中，在超声波(108W，20.024kHz)作用下处理10min。然后将反应物冷却至室温，过滤分离出上清液，固体残渣在100℃干燥2h；上清液通过膜分离技术除去水分，得到的物质与固体残渣混合，进行酶解。
3)取(2)预处理后的样品1g置于50mL烧瓶中，向其中加入5mL 0.075mol/L(pH4.8)柠檬酸-柠檬酸钠缓冲液充分混合,然后再向烧瓶中加入5FPU/g的纤维素酶，充分混合。酶解反应在恒温震荡培养箱(160r/min)中进行，温度30℃，反应时间48h。在一定的反应时间间隔后，取出样品进行还原糖与酶活性分析。
效果分析：
上述实施例中在超声波和油茶饼粕的作用下，杂交杨木屑的结构发生了变化，纤维素、半纤维素和木质素由于部分溶解导致了失重现象的出现，同时半纤维素的移除率较高(见表1)，破坏了纤维素、半纤维素和木质素组成的网状结构，为后面的酶解提供了便利。
表1预处理后纤维素、半纤维素和木质素的移除率与失重情况
在油茶饼粕活性成分的作用下，纤维素酶活性由8750U提高到了16145U，酶活性得到了显著提高。
对于酶解糖化效率，见图1，由图可知，在酶解48h后，还原糖得率即已达到540.66mg/g，效果十分明显。
实施例2
1)块状油茶饼粕除去表面浮杂，粉碎过50目筛，将过筛后的茶饼粉在50℃干燥除去水分；杂交杨木屑选自木材加工厂，除去浮杂，粉碎过50目筛，将过筛后的木屑在60℃干燥除去水分。
2)将(1)中的干燥茶饼粉与杂交杨木屑按照1:18的质量比混合，总质量为1g；然后按照质量体积比为1g:4mL将混合物与去离子水充分混合于1L反应器中，在超声波(108W，20.024kHz)作用下处理20min。然后将反应物冷却至室温，过滤分离出上清液，固体残渣在101℃干燥2.5h；上清液通过膜分离技术除去水分，得到的物质与固体残渣混合，进行酶解。
3)取(2)预处理后的样品1g置于50mL烧瓶中，向其中加入8mL 0.075mol/L(pH4.8)柠檬酸-柠檬酸钠缓冲液充分混合,然后再向烧瓶中加入10FPU/g的纤维素酶，充分混合。酶解反应在恒温震荡培养箱(160r/min)中进行，温度33℃，反应时间48h。在一定的反应时间间隔后，取出样品进行还原糖与酶活性分析。
效果分析：
上述实施例中在超声波和油茶饼粕的作用下，杂交杨木屑的结构发生了变化，声空化作用破坏了纤维素、半纤维素和木质素组成的网状结构，为后面的酶解提供了便利，见表2。
表2预处理后纤维素、半纤维素和木质素的移除率与失重情况
在油茶饼粕活性成分的作用下，纤维素酶活性由8750U提高到了20211U，酶活性得到了显著提高。
对于酶解糖化效率，见图2，由图可知，在酶解48h后，还原糖得率即已达到545.31mg/g，效果十分明显。
实施例3
1)块状油茶饼粕除去表面浮杂，粉碎过60目筛，将过筛后的茶饼粉在55℃干燥除去水分；杂交杨木屑选自木材加工厂，除去浮杂，粉碎过60目筛，将过筛后的木屑在60℃干燥除去水分。
2)将(1)中的干燥茶饼粉与杂交杨木屑按照1:16的质量比混合，总质量为1g；然后按照质量体积比为1g:2.5mL将混合物与去离子水充分混合于1L反应器中，在超声波(108W，20.024kHz)作用下处理30min。然后将反应物冷却至室温，过滤分离出上清液，固体残渣在103℃干燥3h；上清液通过膜分离技术除去水分，得到的物质与固体残渣混合，进行酶解。
3)取(2)预处理后的样品1g置于50mL烧瓶中，向其中加入16mL 0.075mol/L(pH4.8)柠檬酸-柠檬酸钠缓冲液充分混合,然后再向烧瓶中加入20FPU/g的纤维素酶，充分混合。酶解反应在恒温震荡培养箱(160r/min)中进行，温度36℃，反应时间48h。在一定的反应时间间隔后，取出样品进行还原糖与酶活性分析。
效果分析：
上述实施例中在超声波和油茶饼粕的作用下，杂交杨木屑的结构发生了变化，声空化作用破坏了纤维素、半纤维素和木质素组成的网状结构，为后面的酶解提供了便利，见表3。
表3预处理后纤维素、半纤维素和木质素的移除率与失重情况
在油茶饼粕活性成分的作用下，纤维素酶活性由8750U提高到了21324U，酶活性得到了显著提高。
对于酶解糖化效率，见图3，由图可知，在酶解48h后，还原糖得率即已达到544.66mg/g，效果十分明显。
实施例4
块状油茶饼粕除去表面浮杂，粉碎过70目筛，将过筛后的茶饼粉在65℃干燥除去水分；杂交杨木屑选自木材加工厂，除去浮杂，粉碎过70目筛，将过筛后的木屑在60℃干燥除去水分。将干燥茶饼粉与杂交杨木屑按照1:12的质量比混合，总质量为1g；然后按照质量体积比为1g:3mL将混合物与去离子水充分混合于1L反应器中，在超声波(108W，20.024kHz)作用下处理40min。然后将反应物冷却至室温，过滤分离出上清液，固体残渣在104℃干燥3.5h；上清液通过膜分离技术除去水分，得到的物质与固体残渣混合，进行酶解。取预处理后的样品1g置于50mL烧瓶中，向其中加入18mL 0.075mol/L(pH 4.8)柠檬酸-柠檬酸钠缓冲液充分混合,然后再向烧瓶中加入25FPU/g的纤维素酶，充分混合。酶解反应在恒温震荡培养箱(160r/min)中进行，温度38℃，反应时间48h。在一定的反应时间间隔后，取出样品进行还原糖与酶活性分析。
实施例5
块状油茶饼粕除去表面浮杂，粉碎过80目筛，将过筛后的茶饼粉在70℃干燥除去水分；杂交杨木屑选自木材加工厂，除去浮杂，粉碎过80目筛，将过筛后的木屑在60℃干燥除去水分。将干燥茶饼粉与杂交杨木屑按照1:10的质量比混合，总质量为1g；然后按照质量体积比为1g:2mL将混合物与去离子水充分混合于1L反应器中，在超声波(108W，20.024kHz)作用下处理50min。然后将反应物冷却至室温，过滤分离出上清液，固体残渣在105℃干燥4h；上清液通过膜分离技术除去水分，得到的物质与固体残渣混合，进行酶解。取预处理后的样品1g置于50mL烧瓶中，向其中加入20mL 0.075mol/L(pH 4.8)柠檬酸-柠檬酸钠缓冲液充分混合,然后再向烧瓶中加入30FPU/g的纤维素酶，充分混合。酶解反应在恒温震荡培养箱(160r/min)中进行，温度40℃，反应时间48h。在一定的反应时间间隔后，取出样品进行还原糖与酶活性分析。
上述方法既增强了酶活性、节省了酶载量、降低了成本、又提高了原料还原糖得率，同时也实现了废弃物的资源化利用，缩短了酶解时间，降低了水解单糖因过度水解而造成的损失。
以上述及内容仅为本发明构思下的基本说明，而依据本发明的技术方案所作的任何等效变换，均应属于本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种强化木质纤维素酶解糖化的处理方法，其特征在于：包括以下步骤：
1)将油茶饼粕和木质纤维素原料分别过筛后干燥；
2)将干燥的油茶饼粕和木质纤维素原料按质量比为1：(10～20)混合，得到混合物A，将该混合物A与去离子水混合得到反应液，反应液进行超声处理，超声处理结束后冷却至室温并分离出上清液和固体残渣；将上清液除去水分，剩余物质与干燥后的固体残渣混合，得到混合物B；
3)向混合物B中加入柠檬酸-柠檬酸钠缓冲液，混合均匀后加入纤维素酶，其中，纤维素酶的添加量为5～30FPU/g混合物B；在30～40℃进行酶解反应25～48h，完成强化木质纤维素酶解糖化的处理。
2.根据权利要求1所述的一种强化木质纤维素酶解糖化的处理方法，其特征在于：步骤1)中木质纤维素原料采用杂交杨木屑。
3.根据权利要求1所述的一种强化木质纤维素酶解糖化的处理方法，其特征在于：步骤1)中油茶饼粕和木质纤维素原料粉碎后均是过40～80目筛。
4.根据权利要求1所述的一种强化木质纤维素酶解糖化的处理方法，其特征在于：步骤1)中过筛后的油茶饼粕在40～70℃干燥；过筛后的木质纤维素原料在60℃干燥。
5.根据权利要求1所述的一种强化木质纤维素酶解糖化的处理方法，其特征在于：步骤2)中混合物A与去离子水按照1：(2～5)的比例混合。
6.根据权利要求1所述的一种强化木质纤维素酶解糖化的处理方法，其特征在于：步骤2)中的反应液在108W和20.024kHz的超声波作用下处理10～50min。
7.根据权利要求1所述的一种强化木质纤维素酶解糖化的处理方法，其特征在于：步骤2)中通过过滤分离出上清液和固体残渣，固体残渣在100～105℃干燥2～4h；上清液通过中空纤维膜除去水分。
8.根据权利要求1所述的一种强化木质纤维素酶解糖化的处理方法，其特征在于：步骤3)中每克混合物B中加入5～20mL的柠檬酸-柠檬酸钠缓冲液。
9.根据权利要求1所述的一种强化木质纤维素酶解糖化的处理方法，其特征在于：步骤3)中柠檬酸-柠檬酸钠缓冲液的浓度为0.075mol/L，pH值为4.8。
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