CN107475324A - 一种改变木材纤维素晶体结构促进其酶解糖化的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种改变木材纤维素晶体结构促进其酶解糖化的方法，涉及酶解糖化技术领域；选用常见的木质纤维素为前驱体，原料丰富，产量充足有保障，原料成本低，节能降耗，其中碱‑硫脲还可回收利用；而本发明工艺简单，经过溶解，重生，酶解过程，改变纤维素的天然晶体结构，消除其对纤维素酶的生物抗性，利用简单操作，省时节能、高效易产业化的方法实现木材纤维素酶解糖化，快速酶解成还原糖，不仅提高酶解效率，还具有对纤维素的能源化、资源化利用的重要现实意义。

Description

一种改变木材纤维素晶体结构促进其酶解糖化的方法
技术领域
本发明公开一种改变木材纤维素晶体结构的方法，涉及酶解糖化技术领域，具体地说是一种改变木材纤维素晶体结构促进其酶解糖化的方法。
背景技术
纤维素是植物细胞壁的主要成分，植物体通过光合作用每年可产生约1万亿吨，是自然界中分布最广、含量最多的一类有机资源，占植物界碳含量的50%以上。作为自然界中资源最丰富、价格低廉的可再生资源，纤维素具有可再生性和生物可降解性，可以作为发酵糖的重要来源用于生物质能生产和制备其他化工产品，代替不可再生的化石资源。
纤维素是由葡萄糖通过糖苷键形成的大分子多糖，且通过氢键作用形成一定型态的晶体结构，不溶于水及一般有机溶剂，常态下性质稳定，不易发生水解。常用的纤维素水解方法包括酸水解、热解和酶水解方式。纤维素在酸性介质中极易发生水解作用，但存在腐蚀设备、酸回收困难、抑制后续发酵等问题。热解也是促使纤维素水解的有效方式，但热解过程中产生的还原糖可进一步转化为糠醛及其衍生物，对酵母生长具有抑制作用，影响发酵过程。纤维素酶解是利用生物酶，即纤维素酶降低纤维素聚合度，实现其降解产生还原糖的一种水解方法。
木质纤维原料中除纤维素外还包括半纤维素、木质素以及其他少量组分，生物结构的复杂性造成了酶解纤维原料中纤维素的困难性。为提高纤维素的酶解转化效率，目前人们将研究重点主要集中于纤维原料的预处理工艺上，采用酸、碱、蒸汽爆破等技术消除抑制酶蛋白催化的关键因子，实现酶解效率提升，而忽视了纤维素的自身抗性对纤维素酶解的影响。自然界中的天然纤维素都具有相同的晶体结构，在生物进化过程中形成的该种晶型构造对纤维素酶解具有一定的生物抗性，从而抑制酶解转化。
虽然国际专利WO20111118760介绍了一种碱润胀纤维素处理，使用酶处理得到一些寡糖和葡萄糖，碱处理方法在本发明中只起到了润胀作用，改变其致密结构，促进水解，然而只能有限的改变纤维素的晶体结构。
而公开号为CN106318996A的中国专利介绍了一种提高阔叶木原料纤维素酶解糖化率的预处理方法。提出超声化学法预处理阔叶木物料，利用NaOH、H2O2结合超声处理破坏植物细胞壁的致密结构，脱除细胞壁中的木质素，暴露原料中的纤维素，提高其可及度，实现酶解糖化效率的提升。本发明采用物理化学方法预处理阔叶木物料促进了细胞壁中纤维素的酶解溶出，但木质素脱除不完全，残留木质素影响纤维素酶的催化作用，限制了纤维素水解糖化率。
而公开号为CN106318996A的中国专利介绍了利用聚乙烯毗咯烷酮（PVP）提高木质纤维素酶解糖化得率的方法。将木质纤维素加入到缓冲溶液中配置成酶解液，再加入PVP和纤维素酶。本发明以非离子表面活性剂PVP为糖化促进剂，其来源便利，价格低廉，比其他糖化促进剂效果优宜，能显著提高纤维素的酶解糖化效率。然而，酶解糖化液中残存的PVP对后续发酵的影响仍有待于进一步研究。
而公开号为CN105734095A的中国专利介绍了一种提高纤维素酶解的方法。通过向纤维素酶解液中加入1-十六烷基吡啶氯盐和1，2-丙二醇来提高还原糖产率，本发明扩大了表面活性剂酶解应用的范围，操作过程较为简单，无环境污染，为提高纤维素酶解效率提供了一种安全生产工艺。但耗用成本较高，具有应用局限性。
针对上述缺陷，本发明提供一种改变木材纤维素晶体结构促进其酶解糖化的方法，选用常见的木质纤维素为前驱体，经过溶解，重生，酶解过程，改变纤维素的天然晶体结构，消除其对纤维素酶的生物抗性，利用简单操作工艺，省时节能、高效易产业化的方法实现木材纤维素酶解糖化，快速酶解成还原糖，不仅提高酶解效率，还具有对纤维素的能源化、资源化利用的重要现实意义。
发明内容
本发明提供一种改变木材纤维素晶体结构促进其酶解糖化的方法，所采用的技术方案为：
一种改变木材纤维素晶体结构促进其酶解糖化的方法，将质量分数为5%-10%的氢氧化钠和10%-20%的硫脲溶解于去离子水中，得到氢氧化钠-硫脲混合液；混合液预冷至负20℃至负10℃，溶解木材纤维素，得到质量浓度为3%-7%的纤维素溶液，所得溶液经去离子水稀释，析出溶解的纤维素，将纤维素过滤分离，水洗至中性，干燥后得重生纤维素；将重生纤维素和纤维素酶加入到pH值为4-6的缓冲液中，纤维素酶用量为15-40FPU/g，纤维素质量浓度为1%-10%，在30℃-50℃下酶解10-25小时，得到纤维素酶解液。
所述的方法中pH值为4-6的缓冲液是乙酸-乙酸钠缓冲液或柠檬酸-柠檬酸钠缓冲液或磷酸缓冲液。
所述的方法中将质量分数为6%-8%的氢氧化钠和12%-15%的硫脲溶解于去离子水中，得到氢氧化钠-硫脲混合液。
所述的方法中将预冷至负15℃至负12℃的氢氧化钠-硫脲混合液溶解木材纤维素，制得质量浓度为3%-7%的纤维素溶液。
所述的方法中纤维素酶用量为25-35FPU/g。
所述的方法中重生纤维素和纤维素酶在缓冲液中，35℃-45℃条件下进行酶解15-20小时，得到纤维素酶解液。
所述的方法中将纤维素利用砂芯漏斗进行过滤分离，或者利用滤布和/或滤纸进行过滤。
所述的方法中将水洗至中性的纤维素利用风干或烘箱干燥或真空干燥中一种或几种组合的方式进行干燥，得到重生纤维素。
一种重生纤维素，由以下制备方法得到：将质量分数为5%-10%的氢氧化钠和10%-20%的硫脲溶解于去离子水中，得到氢氧化钠-硫脲混合液；混合液预冷至负20℃至负10℃，溶解木材纤维素，得到质量浓度为3%-7%的纤维素溶液，所得溶液经去离子水稀释，析出溶解的纤维素，将纤维素过滤分离，水洗至中性，干燥后得重生纤维素。
所述的重生纤维素的制备方法中将预冷至负15℃至负12℃的氢氧化钠-硫脲混合液溶解木材纤维素，制得质量浓度为3%-7%的纤维素溶液。
本发明的有益效果为：
本发明提供一种改变木材纤维素晶体结构促进其酶解糖化的方法，选用常见的木质纤维素为前驱体，原料丰富，产量充足有保障，原料成本低，节能降耗，其中碱-硫脲还可回收利用；
而本发明工艺简单，经过溶解，重生，酶解过程，改变纤维素的天然晶体结构，消除其对纤维素酶的生物抗性，利用简单操作，省时节能、高效易产业化的方法实现木材纤维素酶解糖化，快速酶解成还原糖，不仅提高酶解效率，还具有对纤维素的能源化、资源化利用的重要现实意义。
附图说明
图1本发明方法流程图；
图2实施例1至实施例5的重生纤维素与天然纤维素的红外光谱示意图。
具体实施方式
本发明提供一种改变木材纤维素晶体结构促进其酶解糖化的方法，将质量分数为5%-10%的氢氧化钠和10%-20%的硫脲溶解于去离子水中，得到氢氧化钠-硫脲混合液；混合液预冷至负20℃至负10℃，溶解木材纤维素，得到质量浓度为3%-7%的纤维素溶液，所得溶液经去离子水稀释，析出溶解的纤维素，将纤维素过滤分离，水洗至中性，干燥后得重生纤维素；将重生纤维素和纤维素酶加入到pH值为4-6的缓冲液中，纤维素酶用量为15-40FPU/g，纤维素质量浓度为1%-10%，在30℃-50℃下酶解10-25小时，得到纤维素酶解液。
同时提供一种重生纤维素，由以下制备方法得到：将质量分数为5%-10%的氢氧化钠和10%-20%的硫脲溶解于去离子水中，得到氢氧化钠-硫脲混合液；混合液预冷至负20℃至负10℃，溶解木材纤维素，得到质量浓度为3%-7%的纤维素溶液，所得溶液经去离子水稀释，析出溶解的纤维素，将纤维素过滤分离，水洗至中性，干燥后得重生纤维素。
参照说明书附图对本发明作以下说明：
实施例1：
将质量分数为5%的氢氧化钠和10%的硫脲溶解于去离子水中，得到氢氧化钠-硫脲混合液；混合液预冷至负10℃，溶解木材纤维素，得到质量浓度为4%的纤维素溶液，所得溶液经去离子水稀释，析出90%溶解的纤维素，将纤维素经砂芯漏斗过滤分离，水洗至中性，风干干燥后得浅黄色，纤维状的重生纤维素；将重生纤维素和纤维素酶加入到pH值为5的柠檬酸-柠檬酸钠缓冲液中，至纤维素质量浓度为6%，纤维素酶用量为15FPU/g，在30℃下酶解10小时，制得富含还原糖的纤维素酶解液，测得纤维素糖化率为80.1%；
设立对照样，使用相同纤维素酶用量15FPU/g，6%的相同纤维素浓度，用天然纤维素在相同条件下：30℃下酶解10小时，使用相同方法测得纤维素酶解液的糖化率为43.8%，则比对照样提高了182.7%。
实施例2：
将质量分数为6%的氢氧化钠和12%的硫脲溶解于去离子水中，得到氢氧化钠-硫脲混合液；混合液预冷至负20℃，溶解木材纤维素，得到质量浓度为6%的纤维素溶液，所得溶液经去离子水稀释，析出80%溶解的纤维素，将纤维素经滤布过滤分离，水洗至中性，风干干燥一段时间后，再进行烘箱干燥得浅黄色，纤维状的重生纤维素；将重生纤维素和纤维素酶加入到pH值为5.5的柠檬酸-柠檬酸钠缓冲液中，至纤维素质量浓度为4%，纤维素酶用量为30FPU/g，在40℃下酶解15小时，制得富含还原糖的纤维素酶解液，测得纤维素糖化率为85.9%；
设立对照样，使用相同纤维素酶用量30FPU/g，4%的相同纤维素浓度，用天然纤维素在相同条件下：40℃下酶解15小时，使用相同方法测得纤维素酶解液的糖化率为53.7%，则比对照样提高了160.1%。
实施例3：
将质量分数为7%的氢氧化钠和13%的硫脲溶解于去离子水中，得到氢氧化钠-硫脲混合液；混合液预冷至负12℃，溶解木材纤维素，得到质量浓度为7%的纤维素溶液，所得溶液经去离子水稀释，析出90%溶解的纤维素，将纤维素先经滤布，再经滤纸过滤分离，水洗至中性，风干干燥一段时间后，再进行真空干燥得浅黄色，纤维状的重生纤维素；将重生纤维素和纤维素酶加入到pH值为6的乙酸-乙酸钠缓冲液中，至纤维素质量浓度为10%，纤维素酶用量为25FPU/g，在50℃下酶解20小时，制得富含还原糖的纤维素酶解液，测得纤维素糖化率为88.6%；
设立对照样，使用相同纤维素酶用量25FPU/g，10%的相同纤维素浓度，用天然纤维素在相同条件下：50℃下酶解20小时，使用相同方法测得纤维素酶解液的糖化率为46.0%，则比对照样提高了192.5%。
实施例4：
将质量分数为8%的氢氧化钠和15%的硫脲溶解于去离子水中，得到氢氧化钠-硫脲混合液；混合液预冷至负13℃，溶解木材纤维素，得到质量浓度为5%的纤维素溶液，所得溶液经去离子水稀释，析出90%溶解的纤维素，将纤维素先经滤纸，再经滤布过滤分离，水洗至中性，进行真空干燥得浅黄色，纤维状的重生纤维素；将重生纤维素和纤维素酶加入到pH值为4.5的磷酸缓冲液中，至纤维素质量浓度为5%，纤维素酶用量为35FPU/g，在45℃下酶解18小时，制得富含还原糖的纤维素酶解液，测得纤维素糖化率为81.2%；
设立对照样，使用相同纤维素酶用量35FPU/g，5%的相同纤维素浓度，用天然纤维素在相同条件下：45℃下酶解18小时，使用相同方法测得纤维素酶解液的糖化率为79.7%，则比对照样提高了101.8%。
实施例5：
将质量分数为10%的氢氧化钠和20%的硫脲溶解于去离子水中，得到氢氧化钠-硫脲混合液；混合液预冷至负15℃，溶解木材纤维素，得到质量浓度为3%的纤维素溶液，所得溶液经去离子水稀释，析出90%溶解的纤维素，将纤维素经砂芯漏斗过滤分离，水洗至中性，进行烘箱干燥得浅黄色，纤维状的重生纤维素；将重生纤维素和纤维素酶加入到pH值为4的磷酸缓冲液中，至纤维素质量浓度为3%，纤维素酶用量为40FPU/g，在35℃下酶解25小时，制得富含还原糖的纤维素酶解液，测得纤维素糖化率为86.5%；
设立对照样，使用相同纤维素酶用量40FPU/g，3%的相同纤维素浓度，用天然纤维素在相同条件下：35℃下酶解25小时，使用相同方法测得纤维素酶解液的糖化率为60.0%，则比对照样提高了146.7%。
上述实施例所得的重生纤维素样品与天然纤维素经红外光谱测量，参见附图2，从图中可以看出，5种重生纤维素的光谱图基本相似，而天然纤维素和重生纤维素之间的光谱吸收峰存在较为明显的差异，但各峰出现的波数基本相近，说明纤维素在溶解过程中没有发生衍生化作用。天然纤维素光谱中2900cm-1处的吸收峰为CH和CH2的伸缩振动，在纤维素溶解再生后，该峰吸收值变小。天然纤维素1429cm-1处的吸收峰表示CH2-OH的伸缩振动，重生纤维素在此处的吸收峰发生钝化，意味着在溶解过程中，分子内氢键发生断裂，而CH2-OH发生tg到gt的构象转变，并形成新的分子内氢键。天然纤维素1372cm-1处的吸收峰为CH的弯曲振动，纤维素溶解重生后该峰也发生钝化。天然纤维素893cm-1处的吸收峰是β-D-葡萄糖苷键的特征吸收，此处吸收在重生纤维素中发生弱化。从重生前后的纤维素红外光谱差异来看，纤维素在溶解过程中发生了晶体结构转变。
本文中未提及的实验条件均为现有的实验常规条件，未提及的实施工具均为现有的实施工具或常规可以使用的实施工具，实施材料没有特别说明时，相同名称的实验材料均为完全相同的实验材料，比如作为对照样品的天然纤维素，在每个实施例中均为相同的天然纤维素，作为与所得重生纤维素进行红外光谱对照时使用的天然纤维素与每个实施例中使用的天然纤维素也是相同的。

Claims (10)

1.一种改变木材纤维素晶体结构促进其酶解糖化的方法，其特征是将质量分数为5%-10%的氢氧化钠和10%-20%的硫脲溶解于去离子水中，得到氢氧化钠-硫脲混合液；混合液预冷至负20℃至负10℃，溶解木材纤维素，得到质量浓度为3%-7%的纤维素溶液，所得溶液经去离子水稀释，析出溶解的纤维素，将纤维素过滤分离，水洗至中性，干燥后得重生纤维素；将重生纤维素和纤维素酶加入到pH值为4-6的缓冲液中，纤维素酶用量为15-40FPU/g，纤维素质量浓度为1%-10%，在30℃-50℃下酶解10-25小时，得到纤维素酶解液。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征是所述pH值为4-6的缓冲液是乙酸-乙酸钠缓冲液或柠檬酸-柠檬酸钠缓冲液或磷酸缓冲液。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征是所述将质量分数为6%-8%的氢氧化钠和12%-15%的硫脲溶解于去离子水中，得到氢氧化钠-硫脲混合液。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征是将预冷至负15℃至负12℃的氢氧化钠-硫脲混合液溶解木材纤维素，制得质量浓度为3%-7%的纤维素溶液。
5.根据权利要求1或4所述的方法，其特征是所述纤维素酶用量为25-35FPU/g。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征是所述重生纤维素和纤维素酶在缓冲液中，35℃-45℃条件下进行酶解15-20小时，得到纤维素酶解液。
7.根据权利要求1或6所述的方法，其特征是将纤维素利用砂芯漏斗进行过滤分离，或者利用滤布和/或滤纸进行过滤。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征是将水洗至中性的纤维素利用风干或烘箱干燥或真空干燥中一种或几种组合的方式进行干燥，得到重生纤维素。
9.一种重生纤维素，其特征是由以下制备方法得到：将质量分数为5%-10%的氢氧化钠和10%-20%的硫脲溶解于去离子水中，得到氢氧化钠-硫脲混合液；混合液预冷至负20℃至负10℃，溶解木材纤维素，得到质量浓度为3%-7%的纤维素溶液，所得溶液经去离子水稀释，析出溶解的纤维素，将纤维素过滤分离，水洗至中性，干燥后得重生纤维素。
10.根据权利要求9所述的一种重生纤维素，其特征是制备方法中将预冷至负15℃至负12℃的氢氧化钠-硫脲混合液溶解木材纤维素，制得质量浓度为3%-7%的纤维素溶液。
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