CN111349668A - 一种以秸秆为原料生产高品质还原糖的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种以秸秆为原料生产高品质还原糖的方法，至少包括顺序设置的如下步骤：汽爆处理步骤、碱处理步骤、酸处理步骤、生物发酵步骤；本发明通过汽爆和化学方法将植物秸秆进行处理，秸秆可转化成80％以上的高品质还原糖，且含有的发酵抑菌物质含量减少。
Description
技术领域
本发明属于秸秆回收再利用领域，尤其是涉及一种以秸秆为原料生产高品质还原糖的方法及应用。
背景技术
我国是农业大国，植物秸秆是农业生产过程中最主要的副产物之一，每年产生的植物秸秆数量巨大，现有秸秆的处置方法(焚烧发电、还田、青贮饲料等)主要着眼于较低附加值的应用途径(能源、肥料、基础饲料等)，经济效益较低，农户自主回收意愿不强，开发具备较高附加值的秸秆回用技术对促进秸秆资源的有效利用具有重要的意义。
秸秆纤维主要由还原糖聚合而成，同时富含维生素、氨基酸等营养物质，经水解后，理论上可以成为微生物的优质培养基，具有巨大的发酵应用潜力。现有工艺制备的秸秆糖主要用于能源用途，附加值依然较低，经济效益有限。其次，现有方案(汽爆后直接制糖、酸法制糖等)对木质素类抑制物的去除效果不足，反应过程中产生抑制类副产物(糠醛)等，降低了秸秆糖的品质，不适用于培养高价值微生物。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术存在的问题，提供一种以秸秆为原料生产高品质还原糖的方法及应用，通过汽爆和化学方法将植物秸秆进行处理，秸秆可转化成80％以上的高品质还原糖，且含有的发酵抑菌物质含量减少。
一种以秸秆为原料生产高品质还原糖的方法，至少包括顺序设置的如下步骤：
(1)汽爆处理步骤：该步骤包括用饱和蒸汽对秸秆进行爆破的过程；
(2)碱处理步骤：该步骤包括碱液预浸过程、碱液蒸煮过程及过筛过程，并得到碱处理纤维样品；该预浸过程中预浸体系的固液比为1:(3-10)；该固液比中的“固”为汽爆后秸秆绝干重；
(3)酸处理步骤：该步骤包括用稀酸液对步骤(2)所得碱处理纤维样品进行浸泡处理的过程及过筛过程，并得到酸处理纤维样品；
(4)生物发酵步骤：该步骤包括以厌氧类纤维分解菌对步骤(3)所得酸处理纤维样品进行生物发酵并得到还原性糖稀溶液的过程，该还原性糖稀溶液浓缩后得到目标还原糖浓缩液；该浓缩过程可去除还原糖液中的挥发性抑菌物(如有机酸类)，以提升糖液品质。
进一步地，汽爆处理步骤的饱和蒸汽温度为210℃-250℃，气爆压力为1.5-2.5Mpa。
进一步地，碱液预浸过程的碱液为无机碱溶液，该无机碱为氢氧化钠、氢氧化钾、硫酸氢钾、硫酸氢钠、亚硫酸钾、亚硫酸钠中的一种或几种的结合，亚硫酸盐可与木质素发生磺化反应从而有利于木质素的脱离，蒸煮液中包含大量的腐殖酸，可用于后续有机肥的制作，而植物对钠离子较敏感，故不选用含有钠离子碱作为蒸煮试剂，并优选为氢氧化钾和亚硫酸钾的混合溶液。
进一步优选地，所述氢氧化钾重量：秸秆原料绝干重为1:(5-10)，亚硫酸钾：氢氧化钾重量比为1:(3-5)。
进一步地，碱液蒸煮过程的蒸煮温度为150-160℃，蒸煮时间为1-3h。
进一步地，碱处理步骤的过筛过程中，蒸煮后的秸秆在过筛的同时进行清洗，直至清洗水透明无杂质，以充分洗脱碱液。
进一步地，酸处理步骤稀酸溶液可以为硫酸或盐酸溶液中的一种，酸处理的起始pH值范围为1-3，终止pH值范围为4-6。
进一步地，生物发酵步骤条件为：pH 4.5-5.5，固(原料绝干重)液比1:(10-30)，反应温度45-55℃，单位质量秸秆原料投加纤维素酶5-500FPU(滤纸酶活单位)，水解时间12-72h，搅拌速率为100-200rpm。
另外，本发明还在于公开上述还原糖在微生物培养基方向的应用
需要说明的是，本发明秸秆使用汽爆处理、碱处理和酸处理相结合的预过程，其中，蒸汽爆破秸秆是利用在高温高压蒸汽作用下，使得秸秆中纤维素结晶度提高、聚合度下降、半纤维素部分降解，木质素软化造成对纤维素和半纤维的连接减弱，在减压的过程中秸秆孔隙中的气急剧膨胀从而产生“爆破”的效果，通过“汽爆”，可去除部分木质素，并将大纤维撕裂为细小纤维，利于后续的处理。
汽爆后的秸秆进行碱处理，碱处理过程涵盖在高温蒸煮过程，在高温碱性条件下，木质素可以和亚硫酸根离子发生磺化反应从而使得木质素脱落，利于纤维素和半纤维的水解。将蒸汽爆破和碱处理相结合可以较大的提高秸秆产糖的效率和质量，在充分完成纤维解聚过程的同时，降低了抑制性物质的生成和残留，并减少蒸煮所需药剂的投加量和成本。
碱处理后的秸秆进行酸处理，中和蒸煮后秸秆内残余的碱液，并使蒸煮后的秸秆呈酸性，利于酶解过程中糖的转化。
经过以上预处理，纤维原料已适合水解反应，主要抑制物也已有效去除。纤维水解过程先采用厌氧类纤维分解菌，把长纤维原料处理成更易处理的短纤维，然后再添加富含纤维二糖酶的复合酶液继续反应，将短纤维彻底水解为还原性单糖。该方法可以有效规避水解过程中抑制性副产物的产生，并通过破坏纤维结构，有效减轻纤维素酶的无效吸附损失，降低酶液消耗量。
本发明的以秸秆为原料生产高品质还原糖的方法具有如下有益效果：通过汽爆和化学方法将植物秸秆进行处理，秸秆可转化成80％-85％以上的高品质还原糖，且含有的发酵抑菌物质含量减少。
附图说明
图1秸秆糖和淀粉糖对微生物生长的影响。
具体实施方式
除有定义外，以下实施例中所用的技术术语具有与本发明所属领域技术人员普遍理解的相同含义。以下实施例中所用的试验试剂，如无特殊说明，均为常规生化试剂；所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法。下面结合实施例来详细说明本发明。
实施例1
为探究蒸煮过程中秸秆绝干重和氢氧化钾、亚硫酸钾的投加比例对秸秆纤维水解效果的影响，进行以下实例：
将小麦秸秆切成2-3cm小段，清洗去除泥沙等杂质，在汽爆反应器中进行汽爆，将汽爆后的秸秆按每组绝干重相同，分为25组，分组情况如表1所示，以秸秆绝干重：去离子水1:4的比列，并按表中试剂比例投加药剂，倒入旋转搅拌器中预浸48h，预浸结束后于连续蒸煮器155℃蒸煮3h，蒸煮结束，收集蒸煮液，并以500目筛网清洗蒸煮后的秸秆，直至清洗的水澄清无杂质，收集清洗后的碱处理纤维样品，测定其含水率。将秸秆原料以固液比1：40在去离子水中进行浸泡，并以1％的硫酸调节初始pH至2.5，浸泡24h，完全去除碱液，使得pH稳定在5，以500目筛网挤干水分得到去碱处理的纤维样品，并准备水解。
水解步骤如下：取各组去碱处理纤的维样品100g(绝干重)分别加入浓度为5×109CFU的纤维梭菌3ml，预水解48h，预水解结束后将各组纤维样品加入水解罐中，固液比为10％，调节水解体系pH为5.2，加入纤维素酶500FPU(滤纸酶活单位)，55℃水解72h，结束水解后，加入1g活性炭粉末吸附色素和杂物，离心过滤得到原始糖液，测定水解液中还原糖含量，其结果如表1。
表1 蒸煮过程中氢氧化钾和亚硫酸钾的用量对产糖效率的影响
结果表明，汽爆后的秸秆在蒸煮过程中，氢氧化钾和亚硫酸钾配比的不同，会影响酶解产糖的效率，其中秸秆绝干重：氢氧化钾在(5-10)：1、亚硫酸钾：氢氧化钾在1：(3-5)时，酶解产糖率较高，并优选为秸秆绝干重：氢氧化钾在10：1，亚硫酸钾：氢氧化钾在1:3时，产糖效果最佳，可达到近85％，当继续增加氢氧化钾比例时，糖转化率没有显著增加，会造成原料浪费，所以认为秸秆绝干重：氢氧化钾为10：1、亚硫酸钾：氢氧化钾重量比为1：3处理时是后续酶解产糖的最佳试剂配比。
实施例2
为探究不同预处理方法对水解糖液中抑制物含量的影响，进行以下实例。
将小麦秸秆切成2-3cm小段，清洗除去泥沙等杂质备用。将原料分为三组，A、B组不汽爆，C组汽爆。其中A、C组以碱法处理，处理方法如表2所示，处理条件为秸秆绝干重：氢氧化钾为10：1，亚硫酸钾：氢氧化钾为1:3，B组秸秆以10％浓度硫酸预处理对秸秆进行预处理。各组蒸煮反应时，秸秆绝干重：去离子水为1：4，于螺旋搅拌器中进行浸泡处理。
表2 三组处理方法
秸秆进行预处理后，A于连续蒸煮器155℃蒸煮3h，A、C两组以固液比1：40在去离子水中进行浸泡，并以1％的硫酸调节初始pH至2.5，浸泡24h，完全去除碱液，使得pH稳定在5，以500目筛网挤干水份得去碱处理的纤维样品，并准备水解。B组以固液比1:40在去离子水中浸泡，并反复清洗，最后pH稳定在5，得酸处理纤维样品。
处理结束后，对A、B、C三组进行水解，水解过程如实例1所示，结果如表3所示。
表3 三组处理水解液还原糖质量
对不同处理组水解糖中的发酵抑制物如可溶性木质素、糠醛类抑制物以及有机酸类抑制物进行测定，其结果如表4所示。
表4 三组处理水解糖发酵抑制物的浓度
结果表明采用汽爆和碱处理相结合的方法可极大的提高秸秆的酶解效率，提高还原糖的产量，同时极大的减少水解糖中的发酵抑制物。
实施例3
为探究汽爆因素对蒸煮过程中碱投加量的影响，进行以下实例。
将小麦秸秆切成2-3cm小段，清洗除去泥沙等杂质备用，分为汽爆组与非汽爆组，各组情况如表5所示。各组处理预浸48h后，使用连续蒸煮器在155℃条件下蒸煮3h。
表5 各处理组试剂比例
后续水解过程如实例1所示，测定处理组的水解液还原糖质量，结果如表6所示。
表6 处理组水解液还原糖质量
结果表明未经汽爆组的秸秆，需要近3倍的碱用量进行预处理，才可使得秸秆的糖转化率达到汽爆组处理的水平，本发明方法将汽爆和碱处理相结合可以大幅度降低碱的使用量。
实施例4
利用本发明方法实施例2中C组所制的秸秆糖和市面上常见的淀粉糖配制相同的培养基，葡萄糖浓度为10g/L，分别采用秸秆糖和淀粉糖配制，酵母浸粉2g/L，其他无机盐组分同标准无机盐培养基BG11的营养配比，并对毕赤酵母(Pichia pastoris)、枯草芽孢杆菌(Bacillus subtilis)以及乳酸菌(Lactobacillus)进行培养，每5h测定其OD600，其结果如图1所示。
结果表明，本发明方法所制得秸秆糖与淀粉糖相比，生长趋势基本一致，不会对微生物的生长造成抑制。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种以秸秆为原料生产高品质还原糖的方法，其特征在于，至少包括顺序设置的如下步骤：
(1)汽爆处理步骤：该步骤包括用饱和蒸汽对秸秆进行爆破的过程；
(2)碱处理步骤：该步骤包括碱液预浸过程、碱液蒸煮过程及过筛过程，并得到碱处理纤维样品；
(3)酸处理步骤：该步骤包括用稀酸液对步骤(2)所得碱处理纤维样品进行浸泡处理的过程及过筛过程，并得到酸处理纤维样品；
(4)纤维水解步骤：该步骤包括以厌氧类纤维分解菌对步骤(3)所得酸处理纤维样品进行预水解，水解为悬浊液后，添加富含纤维二糖酶的复合酶液进一步反应并得到还原性糖稀溶液的过程，该还原性糖稀溶液浓缩后得到目标还原糖浓缩液。
2.根据权利要求1所述的一种以秸秆为原料生产高品质还原糖的方法，其特征在于，汽爆处理步骤的饱和蒸汽温度为210℃-250℃，气爆压力为1.5-2.5Mpa。
3.根据权利要求1所述的一种以秸秆为原料生产高品质还原糖的方法，其特征在于，碱液预浸过程的碱液为无机碱溶液，该无机碱为氢氧化钾、硫酸氢钾、硫酸氢钠、亚硫酸钾、亚硫酸钠中的一种或几种的结合。
4.根据权利要求3所述的一种以秸秆为原料生产高品质还原糖的方法，其特征在于，碱液预浸过程的碱液为氢氧化钾和亚硫酸钾的混合溶液。
5.根据权利要求4所述的一种以秸秆为原料生产高品质还原糖的方法，其特征在于，所述氢氧化钾重量：秸秆原料绝干重为1:(5-10)，亚硫酸钾：氢氧化钾重量比为1:(3-5)。
6.根据权利要求1所述的一种以秸秆为原料生产高品质还原糖的方法，其特征在于，碱液蒸煮过程的蒸煮温度为150-160℃，蒸煮时间为1-3h。
7.根据权利要求1所述的一种以秸秆为原料生产高品质还原糖的方法，：其特征在于，碱处理步骤的过筛过程中，蒸煮后的秸秆在过筛的同时进行清洗，直至清洗水透明无杂质。
8.根据权利要求1所述的一种以秸秆为原料生产高品质还原糖的方法，其特征在于，酸处理步骤稀酸溶液可以为硫酸或盐酸溶液中的一种，酸处理的起始pH值范围为1-3，终止pH值范围为4-6。
9.根据权利要求1所述的一种以秸秆为原料生产高品质还原糖的方法，其特征在于，生物发酵步骤条件为：pH 4.5-5.5，固(原料绝干重)液比1:(10-30)，反应温度45-55℃，单位质量秸秆原料投加纤维素酶5-500FPU(滤纸酶活单位)，水解时间12-72h，搅拌速率为100-200rpm。
10.根据权利要求1-9任一所述的还原糖在微生物培养基方向的应用。
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