CN108659235B - 一种高分子多糖降解助剂及其制备方法与应用 - Google Patents

一种高分子多糖降解助剂及其制备方法与应用 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种高分子多糖降解助剂及其制备方法与应用，所述制备方法包括如下步骤：1)将干燥的甘蔗渣经粉碎后加入乙醇水溶液中，再加入绿液进行反应，反应结束后过滤，取分子量为3～50KDa的可溶性木质素，干燥，即得固体可溶性木质素；2)将所述固体可溶性木质素、聚乙二醇辛基苯基醚、无患子皂素加入乙醇水溶液中，进行反应，即得高分子多糖降解助剂。本发明既可提高甘蔗渣高分子多糖可及性和降解效率，又可以回收高得率的可溶性木质素；进一步制成高分子多糖降解助剂，促进高分子多糖降解成低聚糖和单糖。

Description

一种高分子多糖降解助剂及其制备方法与应用
技术领域
本发明属生物质化学化工领域，具体涉及一种高分子多糖降解助剂及其制备方法与应用。
背景技术
生物质是地球上存在的最广泛的物质，是指所有动物、植物和微生物，以及由这些生命体排泄和代谢的所有物质。通常概念的生物质主要包括薪炭林、经济林、用材林、农作物秸秆、林业加工残余物和各类有机垃圾等，这些物质所蕴藏的能量相当惊人，根据估算，地球上每年生长的生物能总量超过1400亿吨(干重)，潜力十分巨大。生物质多糖如生物质纤维素、半纤维、罗望子多糖和半乳甘露聚糖等属于高分子多糖，具有天然可再生性、环境友好性和功能活性等特点，将其降解为低聚糖和单糖可满足生物医药、农业饲料、生物质化学品等行业的迫切需要。
生物质多糖酶法降解具有以下优点：可在常温下反应，水解副产物少，糖化得率高，不产生有害物质，可以和下游生物转化过程耦合。但是由于生物质多糖致密的复杂结构及结晶的特点，使得生物质难以降解或降解效率低，降解成本高。影响高分子多糖效率的主要因素是高分子多糖底物可及性以及木质素的无效吸附，增加底物可及性的方式主要通过预处理技术，即脱除包裹在纤维素周围的木质素，从而暴露更多的高分子多糖。根据酶与木质素之间吸附机制，降低木质素无效吸附的方法主要有添加表活性剂、反向添加可溶木质素、使用BSA等。
甘蔗渣是制糖工业的副产品，是甘蔗经机械压榨提汁后所剩的部分，其中纤维素含量为42％-45％，半纤维素为21％-24％，木质素为23％-28％。与当前发展非粮生物质产业所关注的木材、农作物秸秆等生物质原料相比，甘蔗渣具有产量大、来源集中、收集简单、运输半径小的优点，且甘蔗渣成分相对稳定，性质均一，将其用于高附加值高分子多糖及功能糖产品的生产，可满足产业化所需的原料集中性、连续性和均一性要求。
发明内容
本发明的目的在于选用资源丰富，价廉易得的甘蔗渣作为原料，经绿液乙醇，在较高温度下进行预处理；本发明即可提高甘蔗渣高分子多糖(纤维素、半纤维素)可及性和降解效率，又可以回收高得率的可溶性木质素；可溶性木质素可制备高分子多糖降解助剂，促进高分子多糖降解成低聚糖和单糖。
所述高分子多糖降解助剂的制备方法，包括如下步骤：
1)将干燥的甘蔗渣经粉碎后加入乙醇水溶液中；再加入绿液进行反应，反应结束后过滤，取分子量为3～50KDa的可溶性木质素，干燥，即得固体可溶性木质素；
2)将所述固体可溶性木质素、聚乙二醇辛基苯基醚、无患子皂素加入乙醇水溶液中，进行反应，即得高分子多糖降解助剂。
本发明所述步骤1)中，绿液-乙醇预处理甘蔗渣，生物质多糖(纤维素和半纤维素)损失较低，化学品消耗量低。步骤1)中加入制浆造纸工厂的绿液可提高反应效率和纤维素生物转化效率；既降低了化学品使用成本，又可提高制浆造纸企业经济效益。本发明反应结束后的乙醇和绿液可再回收利用，减少了废液的排放所带来的环境污染，降低生产成本。
其中，所述绿液为常规造纸厂所用的滤液；所述绿液中固形物的含量不低于10％w/v，其中固形物主要包括碳酸钠和氢氧化钠；
优选的，所述绿液中氢氧化钠的含量为2～4％w/v；
更优选的，所述绿液中的碳酸钠的含量为6～9％w/v；
最优选地，所述绿液中碳酸钠的含量为7.5％w/v，氢氧化钠的含量为2.3％w/v。
进一步的，每克所述甘蔗渣添加1～3mL的绿液；优选的，每克所述甘蔗渣添加1.5～2mL的绿液；
进一步的，所述甘蔗渣的按绿液和乙醇水溶液体积总和的3～20％(w/v)的溶于乙醇水溶液中；优选为10％(w/v)；
进一步的，所述乙醇的水溶液中乙醇与水的体积比为1:0.8～1.2；优选地，所述乙醇的水溶液中乙醇与水的体积比为1:1；
进一步的，所述干燥的甘蔗渣其含水量为10～15％；
所述干燥的甘蔗渣经粉碎后，过20～30目筛。
进一步的，所述反应的温度为160～180℃，时间为2.5～3.5h；优选地所述反应的温度为165℃，时间为3h。
进一步的，所述反应结束后过滤，滤液经蒸馏浓缩回收乙醇，固体滤渣可作为高分子多糖原料，用于后续高分子多糖降解过程。
回收乙醇后的滤液进一步过滤，取分子量为3～50KDa的可溶性木质素；过滤后的绿液可回收利用，其余物料可用于燃烧产生热量。
进一步的，所述干燥具体为冷冻干燥。
本发明所述步骤2)中，所述固体可溶性木质素、聚乙二醇辛基苯基醚、无患子皂素在乙醇水溶液存在下，进行反应；
优选地，步骤2)中所述乙醇水溶液中乙醇的体积分数为50％～70％，更优选为60％。
进一步的，所述固体可溶性木质素与所述聚乙二醇辛基苯基醚的质量百分比为0.28～0.35:1，优选为0.32:1；
进一步的，所述固体可溶性木质素与所述皂素的质量百分比为1:0.04～0.06；优选为1:0.05；
进一步的，步骤2)中所述固体可溶性木质素与所述乙醇水溶液的质量比为1.5～2.5:1，优选为0.32:0.15。
进一步的，步骤2)中所述反应的温度为60～90℃，时间为1～6h；优选的，所述反应的温度为70～80℃，时间为4～5h。
本发明提供一种优选方案，所述的制备方法，包括以下步骤：
1)将干燥的甘蔗渣经粉碎后，按绿液和乙醇水溶液体积总和的3～20％w/v加入体积分数为40～60％乙醇水溶液中；再按每克甘蔗渣添加2mL的绿液计，加入绿液，在160～180℃的温度下，反应2.5～3.5h，反应结束后过滤，取分子量为3～50KDa的可溶性木质素，干燥，即得固体可溶性木质素；
其中，所述绿液中氢氧化钠的含量为2～4％w/v；
2)在70～80℃的温度下，将质量百分比为0.32:1.00:0.05的所述固体可溶性木质素、聚乙二醇辛基苯基醚、无患子皂素加入体积分数为50％～70％的乙醇的水溶液中，进行反应4～5h，即得高分子多糖降解助剂。
本发明的又一目的在于提供一种高分子多糖降解的方法，具体为：以高分子多糖为底物，在酶和上述高分子多糖降解助剂的作用下，进行降解反应；其中，所述高分子多糖与所述高分子多糖降解助剂的质量比为4～10:1；优选为6～10:1。
其中，所述高分子多糖例如为纤维素、半纤维、半乳甘露聚糖和罗望子多糖等。
本发明所述的高分子多糖降解的方法，即在降解过程中，根据底物的用量，适当的添加高分子多糖降解助剂，可显著提高降解效率。例如采用如下降解方式：
以3～20％w/v的甘蔗渣、半乳甘露聚糖或罗望子多糖为底物，添加5‰～2％w/v的上述的高分子多糖降解助剂，再加入纤维素酶或甘露糖苷酶，在50-70℃的温度下，反应6-48h，即得低聚糖或单糖。
本发明至少具有以下有益效果：
(1)甘蔗渣是制糖工业的固体废弃物，资源量大、价格低廉，甘蔗渣中含有丰富的纤维素、半纤维素和木质素，是制备功能糖产品和木质素复合物的理想原料。
(2)绿液-乙醇在较高温度下耦合预处理，可获得高得率和高活性的可溶性木质素。
(3)绿液-乙醇耦合预处理，可提高高分子多糖的降解效率。
(4)绿液预处理既可嫁接纸浆造纸生产线的工艺装备，绝大部分绿液的循环利用又可以大幅度降低预处理成本。
(5)预处理后的液体采用蒸馏浓缩回收乙醇，得以循环使用。
(6)所述高分子多糖降解助剂的制备工艺简洁，原料成本低。
(7)所述高分子多糖降解助剂可降低纤维素酶等酶类的用量，有效提高高分子多糖的降解效率；
(8)绿液-乙醇处理后获得的固体滤渣还可作为高分子多糖原料。
(9)所述高分子多糖降解助剂可降低纤维素酶的无效吸附，提高低强度高分子多糖，尤其是预处理后的甘蔗渣的生物降解效率，解决高强度预处理产生的抑制物对后续生物转化的影响。
(10)所述高分子多糖降解助剂可稳定甘露糖苷酶、葡萄糖苷酶，提高半乳甘露聚糖和罗望子多糖的降解效率。
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。
如下实施例使用的绿液取于造纸厂；其中，固形物质量百分比为10％，碳酸钠质量百分比为7.5％，氢氧化钠质量百分比为2.3％；
实施例1
本发明提供一种高分子多糖降解助剂的制备方法，包括以下步骤：
1)将含水量为10～15％的甘蔗渣经粉碎后，过20目筛；将过筛后的甘蔗渣粉末按绿液和乙醇水溶液体积总和的10％w/v加入体积分数为50％乙醇水溶液中；再按每克甘蔗渣添加2mL的绿液计，加入绿液，在165℃的温度下，反应3h；
2)反应结束后过滤，滤液蒸馏浓缩回收乙醇，固体滤渣可作为后续的高分子多糖；将回收乙醇后的滤液分别通过50KDa和3KDa滤膜离心过滤，得到分子量为3～50KDa的可溶性木质素，冷冻干燥，即得固体可溶性木质素；
3)将质量百分比为0.32:1.00:0.05:0.15的所述固体可溶性木质素、聚乙二醇辛基苯基醚、无患子皂素以及体积分数为60％的乙醇的水溶液混合，在75℃的温度下，进行反应5h，即得高分子多糖降解助剂。
实施例2
本发明提供一种高分子多糖降解助剂的制备方法，包括以下步骤：
1)将含水量为10～15％的甘蔗渣经粉碎后，过20目筛；将过筛后的甘蔗渣粉末按绿液和乙醇水溶液体积总和的10％w/v加入体积分数为50％乙醇水溶液中；再按每克甘蔗渣添加2mL的绿液计，加入绿液，在165℃的温度下，反应3h；
2)反应结束后过滤，滤液蒸馏浓缩回收乙醇，固体滤渣可作为后续的高分子多糖；将回收乙醇后的滤液分别通过50KDa和3KDa滤膜离心过滤，得到分子量为3～50KDa的可溶性木质素，冷冻干燥，即得固体可溶性木质素；
3)将质量百分比为0.32:1.00:0.05:0.15的所述固体可溶性木质素、聚乙二醇辛基苯基醚、无患子皂素以及体积分数为60％的乙醇的水溶液混合，在75℃的温度下，进行反应4h，即得高分子多糖降解助剂。
实施例3
本实施例提供一种高分子多糖降解助剂的制备方法，与实施例1的区别在于，步骤1)不同；
步骤1)将含水量为10～15％的甘蔗渣经粉碎后，过20目筛；将过筛后的甘蔗渣粉末按绿液和乙醇水溶液体积总和的10％w/v加入体积分数为50％乙醇水溶液中；再按每克甘蔗渣添加1.5mL的绿液计，加入绿液，在170℃的温度下，反应3h；
实施例4
本实施例提供一种高分子多糖降解助剂的制备方法，与实施例1的区别在于，步骤1)不同；
步骤1)将含水量为10～15％的甘蔗渣经粉碎后，过20目筛；将过筛后的甘蔗渣粉末按绿液和乙醇水溶液体积总和的10％w/v加入体积分数为50％乙醇水溶液中；再按每克甘蔗渣添加1.5mL的绿液计，加入绿液，在180℃的温度下，反应3h；
实施例5
本实施例提供一种高分子多糖降解的方法，具体为：将实施例3步骤2)过滤后获得的固态滤渣为高分子多糖，所述固体滤渣的浓度为5％(w/v)，加入5‰(w/v)实施例1所述的高分子多糖降解助剂，加入纤维素酶酶6FPU，在50℃的温度下，反应48h，得葡萄糖；葡萄糖得率为83.2％。
实施例6
本实施例提供一种高分子多糖降解的方法，具体为：将实施例4步骤2)过滤后获得的固态滤渣为高分子多糖，所述固体滤渣的浓度为20％(w/v)，加入2％(w/v)实施例1所述的高分子多糖降解助剂，加入纤维素酶酶12FPU，在50℃的温度下，反应48h，得葡萄糖；葡萄糖得率为87.4％。
实施例7
本实施例提供一种高分子多糖降解的方法，具体为：将皂荚多糖胶为高分子多糖，所述皂荚多糖胶的浓度为3％(w/v)，加入5‰(w/v)实施例1所述的高分子多糖降解助剂，加入甘露聚糖酶3500U g-底物，在70℃的温度下，反应8h，得甘露低聚糖；甘露低聚糖得率为58.5％。
对比例1
本对比例提供一种高分子多糖降解的方法，与实施例5的区别仅在于不添加高分子多糖降解助剂；加入纤维素酶酶6FPU；
葡萄糖得率为43.6％。
对比例2
本对比例提供一种高分子多糖降解的方法，与实施例6的区别仅在于不添加高分子多糖降解助剂；
葡萄糖得率为51.6％。
对比例3
本对比例提供一种高分子多糖降解的方法，与实施例7的区别仅在于不添加高分子多糖降解助剂；
甘露低聚糖得率为16.3％。
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 (35)

1.一种高分子多糖降解助剂的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)将干燥的甘蔗渣经粉碎后加入乙醇水溶液，再加入绿液进行反应，反应结束后过滤，取分子量为3～50KDa的可溶性木质素，干燥，即得固体可溶性木质素；
2)将所述固体可溶性木质素、聚乙二醇辛基苯基醚、无患子皂素加入乙醇水溶液中，进行反应，即得高分子多糖降解助剂。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述绿液中固形物的含量不低于10％w/v，所述固形物包括碳酸钠和氢氧化钠。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述绿液中氢氧化钠的含量为2～4％w/v。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述绿液中碳酸钠含量为7.5％w/v，氢氧化钠的含量为2.3％w/v。
5.根据权利要求1～4任一项所述的制备方法，其特征在于，每克所述甘蔗渣添加1～3mL的绿液，所述甘蔗渣按绿液和乙醇水溶液体积总和的3～20％w/v溶于乙醇水溶液中。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，每克所述甘蔗渣添加1.5～2mL的绿液；所述甘蔗渣按绿液和乙醇水溶液体积总和的10％w/v溶于乙醇水溶液中。
7.根据权利要求1～4、6任一项所述的制备方法，其特征在于，所述固体可溶性木质素与所述聚乙二醇辛基苯基醚的质量百分比为0.28～0.35:1。
8.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述固体可溶性木质素与所述聚乙二醇辛基苯基醚的质量百分比为0.28～0.35:1。
9.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述固体可溶性木质素与所述聚乙二醇辛基苯基醚的质量百分比为0.32:1.00。
10.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述固体可溶性木质素与所述聚乙二醇辛基苯基醚的质量百分比为0.32:1.00。
11.根据权利要求1～4、6、8～10任一项所述的制备方法，其特征在于，所述固体可溶性木质素与所述无患子皂素的质量百分比为1:0.04～0.06。
12.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述固体可溶性木质素与所述无患子皂素的质量百分比为1:0.04～0.06。
13.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述固体可溶性木质素与所述无患子皂素的质量百分比为1:0.04～0.06。
14.根据权利要求11所述的制备方法，其特征在于，所述固体可溶性木质素与所述无患子皂素的质量百分比为1.00:0.05。
15.根据权利要求12或13所述的制备方法，其特征在于，所述固体可溶性木质素与所述无患子皂素的质量百分比为1.00:0.05。
16.根据权利要求1～4、6、8～10、12～14任一项所述的制备方法，其特征在于，步骤1)中所述反应的温度为160～180℃，时间为2.5～3.5h。
17.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，步骤1)中所述反应的温度为160～180℃，时间为2.5～3.5h。
18.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，步骤1)中所述反应的温度为160～180℃，时间为2.5～3.5h。
19.根据权利要求11所述的制备方法，其特征在于，步骤1)中所述反应的温度为160～180℃，时间为2.5～3.5h。
20.根据权利要求15所述的制备方法，其特征在于，步骤1)中所述反应的温度为160～180℃，时间为2.5～3.5h。
21.根据权利要求16所述的制备方法，其特征在于，步骤1)中所述反应的温度为165℃，时间为3h。
22.根据权利要求17～20任一项所述的制备方法，其特征在于，步骤1)中所述反应的温度为165℃，时间为3h。
23.根据权利要求1～4、6、8～10、12～14、17～21任一项所述的制备方法，其特征在于，步骤2)中所述反应的温度为60～90℃，时间为1～6h。
24.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，步骤2)中所述反应的温度为60～90℃，时间为1～6h。
25.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，步骤2)中所述反应的温度为60～90℃，时间为1～6h。
26.根据权利要求11所述的制备方法，其特征在于，步骤2)中所述反应的温度为60～90℃，时间为1～6h。
27.根据权利要求15所述的制备方法，其特征在于，步骤2)中所述反应的温度为60～90℃，时间为1～6h。
28.根据权利要求22所述的制备方法，其特征在于，步骤2)中所述反应的温度为60～90℃，时间为1～6h。
29.根据权利要求23所述的制备方法，其特征在于，步骤2)中所述反应的温度为70～80℃，时间为4～5h。
30.根据权利要求24～28任一项所述的制备方法，其特征在于，步骤2)中所述反应的温度为70～80℃，时间为4～5h。
31.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)将干燥的甘蔗渣经粉碎后，按绿液和乙醇水溶液体积总和的3～20％w/v加入体积分数为40～60％乙醇水溶液中；再按每克甘蔗渣添加2mL的绿液计，加入绿液，在160～180℃的温度下，反应2.5～3.5h，反应结束后过滤，取分子量为3～50KDa的可溶性木质素，干燥，即得固体可溶性木质素；
其中，所述绿液中氢氧化钠的含量为2～4％w/v；
2)在70～80℃的温度下，将质量百分比为0.32:1.00:0.05的所述固体可溶性木质素、聚乙二醇辛基苯基醚、无患子皂素加入体积分数为50％～70％的乙醇的水溶液中，进行反应4～5h，即得高分子多糖降解助剂。
32.权利要求1～31任一项所述制备方法制得的高分子多糖降解助剂。
33.一种高分子多糖降解的方法，其特征在于，以高分子多糖为底物，在酶和权利要求32所述高分子多糖降解助剂的作用下，进行降解反应；其中，所述高分子多糖与所述高分子多糖降解助剂的质量比为4～10:1。
34.根据权利要求33所述的方法，其特征在于，所述高分子多糖与所述高分子多糖降解助剂的质量比为6～10:1。
35.根据权利要求34所述的方法，其特征在于，以3～20％w/v的甘蔗渣、半乳甘露聚糖或罗望子多糖为底物，添加5‰～2％w/v的权利要求32所述的高分子多糖降解助剂，再加入纤维素酶或甘露糖苷酶，在50-70℃的温度下，反应6-48h，即得低聚糖或单糖。
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