CN107828832A - 一种提高麻类秸秆酶解糖化效率的方法 - Google Patents

一种提高麻类秸秆酶解糖化效率的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种提高麻类秸秆酶解糖化效率的方法，其主要的改进点为，在对麻类秸秆进行酶解糖化前，对其进行如下预处理：1)将麻类秸秆粉碎，高温灭菌后在其中接种白腐菌，培养7～28天，得生物预处理后的麻类秸秆；2)将生物预处理后的麻类秸秆与低浓度的碱和双氧水的混合溶液混合，在40‑60℃条件下处理20‑30h，得预处理完的麻类秸秆；所述混合溶液中的碱的质量浓度为0.5～5％，双氧水的体积浓度为2.5～3.5％。本发明在对麻类进行碱氧处理前进行先进行生物预处理，可降低碱氧处理过程中碱的用量和浓度，缩短处理时间，提高处理效率，改善预处理效果。

Description

一种提高麻类秸秆酶解糖化效率的方法
技术领域
本发明涉及麻类秸秆的酶解糖化领域，具体涉及一种微生物和碱性双氧水联用促进麻类秸秆酶解的方法。
背景技术
麻类作物是一种重要的经济作物，包括大麻，红麻，苎麻，亚麻。它们普遍抗逆性较强，具有生长迅速，产量较高等特点，麻传统用途主要用于纺织原料，以收获纤维为主，造成占生物量的80％的麻杆和麻叶未能得到充分利用，一般采用焚烧的方法使用，不仅造成资源的浪费，而且焚烧会造成环境的污染；麻秸秆中含有丰富的纤维素、半纤维素和少量木质素，是丰富的碳水化合物资源，用作原料生产可发酵糖，提高麻类作物的应用价值。
随着地球上不可再生资源的日益枯竭，利用生物技术将木质生物质进行生物转化具有重大意义。利用酶水解可以将其中的纤维素和半纤维素转化为单糖、低聚糖、有机酸等高附加值产品，提高利用率，这是目前生物质科学领域的研究热点。但由于天然纤维的表面对生物酶具有阻抗作用，致使直接酶处理效率低下，要实现高的酶解效率，则必须进行一定的预处理，以增加其表面与酶的结合。
发明内容
本发明的目的是提供一种提高麻类秸秆酶解糖化效率的方法，主要是通过白腐菌和碱液联合对其进行预处理，改变纤维的结构，从而提高酶解糖化的效率，具体的，包括如下步骤：
1)将麻类秸秆粉碎，高温灭菌后在其中接种白腐菌，在26～30℃的条件下培养7～28天，得生物预处理后的麻类秸秆；
2)将生物预处理后的麻类秸秆与低浓度的碱和双氧水的混合溶液混合，在40-60℃条件下处理20-30h，得预处理完的麻类秸秆；所述混合溶液中强碱的质量浓度为0.5～5％，双氧水的体积浓度为2.5～3.5％。
优选的，所述麻类秸秆为大麻，红麻或苎麻的任意一种或几种麻类作物的秸秆。
优选的，将所述麻类秸秆粉碎至100～200目，高温灭菌后调节其含水量为60～70％再接种白腐菌。
优选的，所述白腐菌为杏鲍菇，白囊耙齿菌，平菇，黄孢原毛平革菌中的任意一种；更优选杏鲍菇或平菇。菌种对于生物处理的结果有重要的影响，实验发现，杏鲍菇和平菇的处理效果较好。
优选的，所述步骤1)中将所述白腐菌活化后的菌液与粉碎后的秸秆按照体积质量比1：10～15混合。
优选的，所述白腐菌培养7～28天后，用柠檬酸-柠檬酸钠缓冲液对培养后的混合物在常温下进行浸提，过滤后将滤渣干燥至恒重得生物预处理后的麻类秸秆，更优选的，培养14～28天后，进行上述的浸提操作。
优选的，所述生物预处理后的麻类秸秆与强碱和双氧水的混合溶液的质量体积比为1:10～20。
优选的，所述步骤2)中，将所述强碱和双氧水的混合液处理后的物质过滤，将滤渣用蒸馏水洗涤至中性，然后干燥至恒重，得到预处理后麻类秸秆。
作为优选的方案，本发明的方法包括如下步骤：
1)将麻类秸秆粉碎，高温灭菌后调节含水量为60～70％，接种活化后的杏鲍菇或平菇菌液，在26～30℃条件下培养20～22天后，用柠檬酸-柠檬酸钠缓冲液对培养后的混合物在常温下进行浸提，过滤后将滤渣干燥至恒重，得生物预处理后的麻类秸秆；
2)将生物预处理后的麻类秸秆与碱和双氧水的混合溶液按质量体积比1:18～22混合，在40-60℃条件下处理20-30h，过滤，用蒸馏水将滤渣洗涤至中性，然后干燥至恒重，得到预处理后麻类秸秆；所述混合溶液中强碱的质量浓度为2.5～4％，双氧水的体积浓度为3％。
作为最优选的方案，本发明的方法包括如下步骤：
1)将麻类秸秆粉碎，高温灭菌后调节含水量为60～70％，按菌液与秸秆的体积质量比1:10～15，接种活化后的杏鲍菇菌液，在26～30℃条件下培养20～22天后，用柠檬酸-柠檬酸钠缓冲液对培养后的混合物在常温下进行浸提，过滤后将滤渣干燥至恒重，得生物预处理后的麻类秸秆；
2)将生物预处理后的麻类秸秆与碱和双氧水的混合溶液按质量体积比1:18～22混合，在40-60℃条件下处理20-30h，过滤，用蒸馏水将滤渣洗涤至中性，然后干燥至恒重，得到预处理后麻类秸秆；所述混合溶液中强碱的质量浓度为2.8～3.5％，双氧水的体积浓度为3％。
在本发明所述的预处理方法的基础上，本发明进一步提供一种麻类秸秆酶解糖化的方法，包括如下步骤：
1)通过本发明所述的预处理方法，对麻类秸秆进行预处理；
2)将预处理后的麻类秸秆与柠檬酸-柠檬酸钠的缓冲液按质量体积比1：40～50混合均匀，在其中添加纤维素酶和NaN3，在45-55℃进行酶解反应40-60h，完成麻类秸秆的酶解糖化；所述纤维素酶的活性为10-50FPU/g预处理后的麻类秸秆，所述NaN3的添加量为预处理后麻烦秸秆的0.01-0.02％。
优选的，所纤维素酶的活性为30～40FPU/g预处理后的麻类秸秆。
作为优选方案，本发明所述酶解糖化的方法包括如下步骤：
A:秸秆的预处理
1)将麻类秸秆粉碎，高温灭菌后调节含水量为60～70％，按菌液与秸秆的体积质量比1:10～15，接种活化后的杏鲍菇菌液，在26～30℃条件下培养20～22天后，用柠檬酸-柠檬酸钠缓冲液对培养后的混合物在常温下进行浸提，过滤后将滤渣干燥至恒重，得生物预处理后的麻类秸秆；
2)将生物预处理后的麻类秸秆与碱和双氧水的混合溶液按质量体积比1:18～22混合，在40-60℃条件下处理20-30h，过滤，用蒸馏水将滤渣洗涤至中性，然后干燥至恒重，得到预处理后麻类秸秆；所述混合溶液中强碱的质量浓度为2.8～3.5％，双氧水的体积浓度为3％。
B:酶解糖化
将预处理后的麻类秸秆与pH为4.8柠檬酸-柠檬酸钠的缓冲液按质量体积比1:48～50混合均匀，在其中添加纤维素酶和NaN3，在48～52℃进行酶解反应45～50h，完成麻类秸秆的酶解糖化；所述纤维素酶的添加量为30～40FPU/g预处理后的秸秆，所述NaN3的添加量为预处理后的秸秆质量的0.02％。
本发明中，所述强碱为氢氧化钠或氢氧化钾。
本发明中，所述柠檬酸-柠檬酸钠缓冲液的pH为4.5-4.8，优选4.8。
本发明中所使用的缓冲液由柠檬酸和柠檬酸三钠的溶液混合后制备得到。
本发明中的白腐由如下方法进行活化，将冷藏保存的菌种按接种量10％-15％接种到100mL的白腐菌基础培养基中，在27～29℃的条件下，以140～160rpm的转速活化培养5d，所得的菌液即为本发明中使用的活化后的菌液。
本发明所述的方法具有如下有益效果：
本发明在碱处理阶段采用碱液和双氧水混合的方法，碱处理通过破坏生物预处理后麻类秸秆中木质素的结构，使纤维素酶能够深入接触反应底物，增加酶结合位点，提高产还原糖量；双氧水通过氧化作用脱除木质纤维素原料中的木质素和半纤维素达到提高酶解效率的目的。二者混合使用，氢氧化钠能够活化双氧水，使木质素的降解效果提高，增大了纤维素的比表面积；同时双氧水也能提高氢氧化钠对纤维素的溶胀作用，二者相互促进，协同作用，使酶解反应更容易进行。
本发明人发现，在碱和双氧水处理前对纤维类物质进行生物预处理，能降低碱氧预处理的反应条件，用低浓度的碱氧含量就能促进木质素的去除，减少对残留化学试剂对环境的污染；同时，结合温和的碱氧处理与仅进行生物处理相比，能减少生物预处理的时间，提高生物预处理的效果，大大提高了麻类秸秆的酶解效率。
总之，本发明通过生物活化和碱液联用来对秸秆进行预处理，同常规的仅采用碱处理的方法相比，可减少碱液的用量，缩短预处理的时间，同常规的仅采用生物手段预处理相比，可缩短预处理的时间。因此，本发明的方法自身是一种环保、高效的预处理方法。
对采用本发明的方法预处理后的秸秆进行酶解，秸秆在相同的时间内可产生更多的还原糖，因此，本发明的方法有助于提高麻类秸秆的酶解糖化效率。
具体实施方式
以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
实施例中所涉及的还原糖的含量由如下方法进行测：
1.标准曲线的绘制：
取8支试管按下表加入试剂，稀释葡萄糖标准液；再加入3mLDNS试剂。充分混匀置沸水中煮5min。水浴冷却后，用0号管作对照在540nm下测其他试液的吸光度。以吸光度为纵坐标，以葡萄糖含量为横坐标绘制标准曲线。
2.待测液还原糖的测定
用缓冲液稀释待测液，使其吸光度(OD值)在0.20-0.25之间，然后按照标准曲线的方法，加入3mLDNS试剂。充分混匀置沸水中煮5min。水浴冷却后，用0号管作对照，在540nm下测待测液的吸光度。代入标准曲线，算出待测液中的还原糖的量。
实施例1～3
本实施例涉及一种对麻类秸秆进行酶解的方法，主要包括如下步骤：
A、对麻类秸秆进行预处理
1)将麻类秸秆(苎麻、大麻或红麻)粉碎至200目，高温灭菌后调节含水量为70％，按照菌液与麻类秸秆的体积质量比1：10混合，在其中接种活化后的杏鲍菇菌液，在28℃下培养21天后，用pH为4.8的柠檬酸-柠檬酸钠缓冲液对培养后的混合物在常温下进行浸提，过滤后将滤渣干燥至恒重，得生物预处理后的麻类秸秆；
2)将生物预处理后的麻类秸秆与氢氧化钠和双氧水的混合溶液按质量体积比1:20混合，在40℃条件下处理24h，过滤，用蒸馏水将滤渣洗涤至中性，然后将滤渣干燥至恒重，得到预处理后麻类秸秆。
所述混合溶液中强碱的质量浓度为3.0％，双氧水的体积浓度为3.0％。
B、酶解糖化
将预处理后的麻类秸秆与pH为4.8柠檬酸-柠檬酸钠的缓冲液按质量体积比1:49混合均匀，在其中添加纤维素酶和NaN3，在50℃进行酶解反应48h，完成麻类秸秆的酶解糖化；所述纤维素酶的添加量为30FPU/g预处理后的秸秆，所述NaN3的添加量为预处理后的秸秆质量的0.02％。经检测，苎麻秸秆还原糖含量为395mg/g，大麻秸秆还原糖含量为372mg/g，红麻秸秆还原糖含量为387mg/g。
实施例4
采用苎麻秸秆作为原料，与实施例1相比，其区别在于，步骤1)中，利用黄孢原毛平革菌对秸秆进行处理。经检测，苎麻秸秆还原糖含量为159mg/g。
实施例5
采用苎麻秸秆作为原料，与实施例1相比，其区别在于，步骤1)中，利用平菇对秸秆进行处理。经检测，苎麻秸秆还原糖含量为376mg/g。
实施例6
采用苎麻秸秆作为原料，与实施例1相比，其区别在于，步骤1)中，利用白囊耙齿菌对秸秆进行处理。经检测，苎麻秸秆还原糖含量为203mg/g。
实施例7
采用苎麻秸秆作为原料，与实施例1相比，其区别在于，步骤1)中培养的天数为28天。经检测，苎麻秸秆还原糖含量为305mg/g。
实施例8
采用苎麻秸秆作为原料，与实施例1相比，其区别在于，步骤1)中培养的天数为14天。经检测，苎麻秸秆还原糖含量为319mg/g。
实施例9
采用苎麻秸秆作为原料，与实施例1相比，其区别在于，步骤1)中NaOH的质量浓度为0.5％。经检测，苎麻秸秆还原糖含量为307mg/g。
实施例10
采用苎麻秸秆作为原料，与实施例1相比，其区别在于，步骤1)中NaOH的质量浓度为1％。经检测，苎麻秸秆还原糖含量为314mg/g。
实施例11
采用苎麻秸秆作为原料，与实施例1相比，其区别在于，步骤1)中NaOH的质量浓度为2％。经检测，苎麻秸秆还原糖含量为323mg/g。
实施例12
采用苎麻秸秆作为原料，与实施例1相比，其区别在于，步骤1)中NaOH的质量浓度为4％。经检测，苎麻秸秆还原糖含量为355mg/g。
实施例13
采用苎麻秸秆作为原料，与实施例1相比，其区别在于，步骤1)中NaOH的质量浓度为5％。经检测，苎麻秸秆还原糖含量为301mg/g。
实施例14
采用苎麻秸秆作为原料，与实施例1相比，其区别在于，步骤1)中纤维素酶的活性为10FPU。经检测，苎麻秸秆还原糖含量为188mg/g。
实施例15
采用苎麻秸秆作为原料，与实施例1相比，其区别在于，步骤1)中纤维素酶的活性为20FPU。经检测，苎麻秸秆还原糖含量为293mg/g。
实施例16
采用苎麻秸秆作为原料，与实施例1相比，其区别在于，步骤1)中纤维素酶的活性为40FPU。经检测，苎麻秸秆还原糖含量为400mg/g。
对比例1
在对苎麻秸秆进行处理的过程中，与实施例1相比，仅采用碱处理的方法，不进行最初的生物预处理。测定所述滤液中还原糖的含量为288mg/g。
对比例2
在对苎麻秸秆进行处理的过程中，与实施例1相比，仅采用生物处理的方法，不进行碱预处理。测定所述滤液中还原糖的含量为305mg/g。
虽然，上文中已经用一般性说明、具体实施方式及试验，对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (10)

1.一种提高麻类秸秆酶解糖化效率的方法，其特征在于，在对麻类秸秆进行酶解糖化前，对其进行如下预处理：
1)将麻类秸秆粉碎，高温灭菌后在其中接种白腐菌，在26～30℃的条件下培养7～28天，得生物预处理后的麻类秸秆；
2)将生物预处理后的麻类秸秆与低浓度的碱和双氧水的混合溶液混合，在40-60℃条件下处理20-30h，得预处理完的麻类秸秆；所述混合溶液中碱的质量浓度为0.5～5％，双氧水的体积浓度为2.5～3.5％。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述麻类秸秆为大麻，红麻或苎麻的任意一种或几种麻类作物的秸秆。
3.根据权利要求1或2所述的方法，共特征在于，将所述麻类秸秆粉碎至100～200目，高温灭菌后调节其含水量为60～70％再接种白腐菌。
4.根据权利要求1或3所述的方法，其特征在于，所述白腐菌为杏鲍菇，白囊耙齿菌，平菇或黄孢原毛平革菌中的一种或多种，优选杏鲍菇或平菇。
5.根据权利要求1～4任一项所述的方法，其特征在于，所述步骤1)中将所述白腐菌活化后的菌液与粉碎后的秸秆按照体积质量比1:10～15混合。
6.根据权利求1～5任一项所述的方法，其特征在于，所述白腐菌培养7～28天后，用柠檬酸-柠檬酸钠缓冲液对培养后的混合物在常温下进行浸提，过滤后，将滤渣干燥至恒重，得生物预处理后的麻类秸秆。
7.根据权利要求1～6任一项所述的方法，其特征在于，所述生物预处理后的麻类秸秆与碱和双氧水的混合溶液的质量体积比为1:10～20；
和/或，所述步骤2)中，将所述碱和双氧水的混合液处理后的物质过滤，将滤渣用蒸馏水洗涤至中性，然后干燥至恒重，得到预处理后麻类秸秆。
8.根据权利要求1～7任一项所述的方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)将麻类秸秆粉碎，高温灭菌后调节含水量为60～70％，接种活化后的杏鲍菇或平菇菌液，在26～30℃条件下培养20～22天后，用柠檬酸-柠檬酸钠缓冲液对培养后的混合物在常温下进行浸提，过滤后将滤渣干燥至恒重，得生物预处理后的麻类秸秆；
2)将生物预处理后的麻类秸秆与碱和双氧水的混合溶液按质量体积比1:18～22混合，在40-60℃条件下处理20-30h，过滤，用蒸馏水将滤渣洗涤至中性，然后干燥至恒重，得到预处理后麻类秸秆；所述混合溶液中强碱的质量浓度为2.5～4％，双氧水的体积浓度为3％。
9.一种麻类秸秆酶解糖化的方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)按照权利要求1～8任一项所述的方法，对麻类秸秆进行预处理；
2)将预处理后的麻类秸秆与柠檬酸-柠檬酸钠的缓冲液按质量体积比1：40～50混合均匀，在其中添加纤维素酶和NaN3，在45-55℃的条件下酶解40-60h，完成麻类秸秆的酶解糖化；所述纤维素酶的活性为10-50FPU/g预处理后的麻类秸秆，所述NaN3的添加量为预处理后的麻类秸秆质量的0.01-0.02％。
10.根据权利要求1～9任一项所述的方法，其特征在于，所述碱为氢氧化钠或氢氧化钾；和/或，所述柠檬酸-柠檬酸钠缓冲液的pH为4.5-4.8。
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