CN111472190A - 一种利用固定化酶技术进行预处理以提取高纯度秸秆纤维素的方法 - Google Patents

一种利用固定化酶技术进行预处理以提取高纯度秸秆纤维素的方法 Download PDF

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Abstract

一种利用固定化酶技术进行预处理以提取高纯度秸秆纤维素的方法，本发明涉及提取高纯度秸秆纤维素的方法。本发明要解决现有传统的秸秆纤维素提取方法，纤维素提取纯度低的问题。方法：一、将丙烯酸树脂加入到蒸馏水中，得到固定化酶载体粉末悬浊液；二、溶解；三、加入乙酸溶液及交联剂；四、加入乙酸溶液及乙酸‑乙酸钠缓冲溶液；五、加入酶制剂；六、加入乙酸溶液，得到固定化酶；七、制备秸秆粉末；八、向秸秆粉末中加入固定化酶反应；九、抽滤烘干；十、加入到氢氧化钠溶液中反应；十一、加入亚氯酸钠与醋酸的混合溶液反应，得到纤维素提取物。本发明用于利用固定化酶技术进行预处理以提取高纯度秸秆纤维素。

Description

一种利用固定化酶技术进行预处理以提取高纯度秸秆纤维素 的方法
技术领域
本发明涉及提取高纯度秸秆纤维素的方法。
背景技术
纤维素属于可降解天然高分子化合物，广泛存在于植物秸秆中。目前，我国农作物秸秆占全球的20％，但是综合利用率却非常低，大部分的秸秆被当地农民就地焚烧，不仅浪费资源还造成了严重的环境污染。秸秆中含有大量的纤维素，是一种丰富的生物质资源。因此，植物秸秆的开发利用具有非常重要的经济价值和环境保护价值。
近年来秸秆纤维素的利用价值越来越受到重视，提取方法也日趋完善，但传统的提取方法纤维素的提取纯度都在90％左右，这为秸秆纤维素的高精尖利用带来了一些麻烦。不仅会增加额外的提纯手段，也会造成额外的经济付出。因此提高纤维素提取纯度，不仅会节约资金简化工艺流程，同时也为纤维素的再利用提供有利的环境。应用于工业生产中将会产生巨大的经济效益和生态效益。
发明内容
本发明要解决现有传统的秸秆纤维素提取方法，纤维素提取纯度低的问题，而提供一种利用固定化酶技术进行预处理以提取高纯度秸秆纤维素的方法。
一种利用固定化酶技术进行预处理以提取高纯度秸秆纤维素的方法，它是按照以下步骤进行的：
一、以丙烯酸树脂为载体原料，将丙烯酸树脂加入到蒸馏水中搅拌均匀，得到固定化酶载体粉末悬浊液；
所述的丙烯酸树脂与蒸馏水的质量比为1:(25～50)；
二、在搅拌条件下，向固定化酶载体粉末悬浊液中加入浓度为3mol/L～4mol/L的氢氧化钠溶液直至丙烯酸树脂完全溶解，得到固定化酶载体溶液；
三、在搅拌条件下，向固定化酶载体溶液中加入质量百分数为9％～10％的乙酸溶液直至pH为5.5～6.5，再加入EDC交联剂，搅拌均匀，得到加入交联剂的固定化酶载体溶液；
所述EDC交联剂与步骤一中所述的丙烯酸树脂的质量比为(1～2):20；
四、在搅拌条件下，向加入交联剂的固定化酶载体溶液中滴加质量百分数为9％～10％的乙酸溶液直至pH值为4.5～5，得到混合溶液，再向混合溶液中加入质量百分数为1％～2％的乙酸-乙酸钠缓冲溶液并搅拌均匀，最后在温度为4℃～5℃的条件下，冷藏保存12h～14h，得到冷藏的载体溶液；
所述的质量百分数为1％～2％的乙酸-乙酸钠缓冲溶液与混合溶液的体积比为1:(1～1.2)；
五、将冷藏的载体溶液恢复至室温，然后加入酶制剂并搅拌均匀，然后在温度为4℃～5℃的条件下，冷藏保存18h～24h，得到冷藏溶液；
所述的酶制剂为木聚糖酶和漆酶的混合物；所述的木聚糖酶与步骤一中所述的丙烯酸树脂的质量比为(2～3):20；所述的漆酶与步骤一中所述的丙烯酸树脂的质量比为(1～2):20；
六、将冷藏溶液恢复至室温，然后在搅拌条件下，加入质量百分数为9％～10％的乙酸溶液直至溶液呈现白色凝胶状，静置30min～60min，最后搅拌及离心，得到固定化酶；
七、将秸秆进行清洗、烘干及粉碎，然后过60目～70目筛网，收集透过筛网的粉末，得到秸秆粉末；
八、向秸秆粉末中加入固定化酶，然后加入蒸馏水并搅拌，再在温度为45℃～50℃的条件下，恒温48h～50h，得到固定化酶处理秸秆粉末的混合液；
所述的固定化酶与秸秆粉末的质量比为(1～3):5；所述的秸秆粉末与蒸馏水的质量比1:(10～20)；
九、将固定化酶处理秸秆粉末的混合液抽滤并烘干，得到固定化酶处理后的秸秆粉末；
十、将固定化酶处理后的秸秆粉末加入到质量百分数为4％～6％的氢氧化钠溶液中，水浴加热并搅拌反应，反应完成后洗涤抽滤并烘干，得到第一段产物；
所述的固定化酶处理后的秸秆粉末的质量与质量百分数为4％～6％的氢氧化钠溶液的体积比为(4～5)g:100mL；
十一、向第一段产物中加入亚氯酸钠与醋酸的混合溶液，水浴加热并搅拌反应，反应完成后洗涤抽滤并烘干，得到第二段产物，最后干燥，得到纤维素提取物；
所述的第一段产物的质量与亚氯酸钠与醋酸的混合溶液的体积比为(4～4.5)g:100mL。
本发明的有益效果是：1、本发明采用固定化酶预处理技术处理即能够活化纤维素，又能够提高纤维素纯度，相对传统方法提高15％左右，提取的纤维素纯度可达到98％以上。
2、固定化酶和秸秆粉末进行45℃～50℃催化的时候，不会发生性状的变化，因此，固定化酶处理秸秆粉末的混合液进行抽滤过程中，可以得到黄色粉末为固定化酶处理后的秸秆粉末，得到白色胶状物质为固定化酶，固定化酶具有重复利用的潜质，能够节约资源、节省资金。
3、本方法简单易行，处理温度低，设备要求低，污染低，适用于工厂化生产。
本发明用于一种利用固定化酶技术进行预处理以提取高纯度秸秆纤维素的方法。
具体实施方式
本发明技术方案不局限于以下所列举的具体实施方式，还包括各具体实施方式之间的任意组合。
具体实施方式一：本实施方式一种利用固定化酶技术进行预处理以提取高纯度秸秆纤维素的方法，它是按照以下步骤进行的：
一、以丙烯酸树脂为载体原料，将丙烯酸树脂加入到蒸馏水中搅拌均匀，得到固定化酶载体粉末悬浊液；
所述的丙烯酸树脂与蒸馏水的质量比为1:(25～50)；
二、在搅拌条件下，向固定化酶载体粉末悬浊液中加入浓度为3mol/L～4mol/L的氢氧化钠溶液直至丙烯酸树脂完全溶解，得到固定化酶载体溶液；
三、在搅拌条件下，向固定化酶载体溶液中加入质量百分数为9％～10％的乙酸溶液直至pH为5.5～6.5，再加入EDC交联剂，搅拌均匀，得到加入交联剂的固定化酶载体溶液；
所述EDC交联剂与步骤一中所述的丙烯酸树脂的质量比为(1～2):20；
四、在搅拌条件下，向加入交联剂的固定化酶载体溶液中滴加质量百分数为9％～10％的乙酸溶液直至pH值为4.5～5，得到混合溶液，再向混合溶液中加入质量百分数为1％～2％的乙酸-乙酸钠缓冲溶液并搅拌均匀，最后在温度为4℃～5℃的条件下，冷藏保存12h～14h，得到冷藏的载体溶液；
所述的质量百分数为1％～2％的乙酸-乙酸钠缓冲溶液与混合溶液的体积比为1:(1～1.2)；
五、将冷藏的载体溶液恢复至室温，然后加入酶制剂并搅拌均匀，然后在温度为4℃～5℃的条件下，冷藏保存18h～24h，得到冷藏溶液；
所述的酶制剂为木聚糖酶和漆酶的混合物；所述的木聚糖酶与步骤一中所述的丙烯酸树脂的质量比为(2～3):20；所述的漆酶与步骤一中所述的丙烯酸树脂的质量比为(1～2):20；
六、将冷藏溶液恢复至室温，然后在搅拌条件下，加入质量百分数为9％～10％的乙酸溶液直至溶液呈现白色凝胶状，静置30min～60min，最后搅拌及离心，得到固定化酶；
七、将秸秆进行清洗、烘干及粉碎，然后过60目～70目筛网，收集透过筛网的粉末，得到秸秆粉末；
八、向秸秆粉末中加入固定化酶，然后加入蒸馏水并搅拌，再在温度为45℃～50℃的条件下，恒温48h～50h，得到固定化酶处理秸秆粉末的混合液；
所述的固定化酶与秸秆粉末的质量比为(1～3):5；所述的秸秆粉末与蒸馏水的质量比1:(10～20)；
九、将固定化酶处理秸秆粉末的混合液抽滤并烘干，得到固定化酶处理后的秸秆粉末；
十、将固定化酶处理后的秸秆粉末加入到质量百分数为4％～6％的氢氧化钠溶液中，水浴加热并搅拌反应，反应完成后洗涤抽滤并烘干，得到第一段产物；
所述的固定化酶处理后的秸秆粉末的质量与质量百分数为4％～6％的氢氧化钠溶液的体积比为(4～5)g:100mL；
十一、向第一段产物中加入亚氯酸钠与醋酸的混合溶液，水浴加热并搅拌反应，反应完成后洗涤抽滤并烘干，得到第二段产物，最后干燥，得到纤维素提取物；
所述的第一段产物的质量与亚氯酸钠与醋酸的混合溶液的体积比为(4～4.5)g:100mL。
本具体实施方式中的EDC交联剂具体为1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳酰二亚胺盐酸盐。
本实施方式的有益效果是：1、本实施方式采用固定化酶预处理技术处理即能够活化纤维素，又能够提高纤维素纯度，相对传统方法提高15％左右，提取的纤维素纯度可达到98％以上。
2、固定化酶和秸秆粉末进行45℃～50℃催化的时候，不会发生性状的变化，因此，固定化酶处理秸秆粉末的混合液进行抽滤过程中，可以得到黄色粉末为固定化酶处理后的秸秆粉末，得到白色胶状物质为固定化酶，固定化酶具有重复利用的潜质，能够节约资源、节省资金。
3、本实施方式方法简单易行，处理温度低，设备要求低，污染低，适用于工厂化生产。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤一中所述的丙烯酸树脂为Eudragit L-100或Eudragit S-100。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二之一不同的是：步骤二中在搅拌条件下，向固定化酶载体粉末悬浊液中加入浓度为3mol/L～4mol/L的氢氧化钠溶液直至溶液pH为9～11，丙烯酸树脂完全溶解。其它与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：步骤六中将冷藏溶液恢复至室温，然后在搅拌条件下，加入质量百分数为9％～10％的乙酸溶液直至溶液pH值为4.0～4.5，溶液呈现白色凝胶状。其它与具体实施方式一至三相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：步骤六中所述的离心为在转速为10000r/min～15000r/min的条件下，离心15min～30min。其它与具体实施方式一至四相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是：步骤九中所述的烘干为在烘干温度为60℃～80℃的条件下，烘干2h～3h。其它与具体实施方式一至五相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是：步骤十及步骤十一中所述的洗涤抽滤并烘干具体是按以下步骤进行：洗涤至洗涤液pH值为中性，然后抽滤，最后在烘干温度为60℃～80℃的条件下，烘干2h～3h。其它与具体实施方式一至六相同。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同的是：步骤十中所述的水浴加热并搅拌反应具体为在搅拌及温度为60℃～80℃的条件下，加热60min～90min。其它与具体实施方式一至七相同。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至八之一不同的是：步骤十一中所述的亚氯酸钠与醋酸的混合溶液中亚氯酸钠的质量与醋酸的体积比为(1～1.5)g:10mL。其它与具体实施方式一至八相同。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一至九之一不同的是：步骤十一中所述的水浴加热并搅拌反应具体为在搅拌及温度为50℃～70℃的条件下，加热60min～90min。其它与具体实施方式一至九相同。
采用以下实施例验证本发明的有益效果：
实施例一：
一种利用固定化酶技术进行预处理以提取高纯度秸秆纤维素的方法，它是按照以下步骤进行的：
一、以丙烯酸树脂为载体原料，将2g丙烯酸树脂加入到50g蒸馏水中搅拌均匀，得到固定化酶载体粉末悬浊液；
二、在搅拌条件下，向固定化酶载体粉末悬浊液中加入浓度为4mol/L的氢氧化钠溶液直至丙烯酸树脂完全溶解，得到固定化酶载体溶液；
三、在搅拌条件下，向固定化酶载体溶液中加入质量百分数为10％的乙酸溶液直至pH为6，再加入0.2g EDC交联剂，搅拌均匀，得到加入交联剂的固定化酶载体溶液；
四、在搅拌条件下，向加入交联剂的固定化酶载体溶液中滴加质量百分数为10％的乙酸溶液直至pH值为4.8，得到混合溶液，再向50mL混合溶液中加入50mL质量百分数为1％的乙酸-乙酸钠缓冲溶液并搅拌均匀，最后在温度为4℃的条件下，冷藏保存12h，得到冷藏的载体溶液；
五、将冷藏的载体溶液恢复至室温，然后加入酶制剂并搅拌均匀，然后在温度为4℃的条件下，冷藏保存24h，得到冷藏溶液；
所述的酶制剂为0.3g木聚糖酶和0.1g漆酶的混合物；
六、将冷藏溶液恢复至室温，然后在搅拌条件下，加入质量百分数为10％的乙酸溶液直至溶液呈现白色凝胶状，静置30min，最后搅拌及离心，得到固定化酶；
七、将秸秆用清水清洗以去除沙石杂质，然后剪切成2cm小段，在温度为70℃的条件下，烘干3h，用破碎机打磨成粉，然后过60目～70目筛网，收集透过筛网的粉末，得到秸秆粉末；
八、向10g秸秆粉末中加入6g固定化酶，然后加入100g蒸馏水并搅拌，再在温度为50℃的条件下，恒温48h，得到固定化酶处理秸秆粉末的混合液；
九、将固定化酶处理秸秆粉末的混合液抽滤并烘干，得到固定化酶处理后的秸秆粉末；
十、将5g固定化酶处理后的秸秆粉末加入到100mL质量百分数为5％的氢氧化钠溶液中，水浴加热并搅拌反应，反应完成后洗涤抽滤并烘干，得到第一段产物；
十一、向4g～4.5g第一段产物中加入100mL亚氯酸钠与醋酸的混合溶液，水浴加热并搅拌反应，反应完成后洗涤抽滤并烘干，得到第二段产物，最后干燥，得到纤维素提取物；
步骤一中所述的丙烯酸树脂为Eudragit L-100；
步骤二中所述的在搅拌条件下，向固定化酶载体粉末悬浊液中加入浓度为4mol/L的氢氧化钠溶液直至pH为9，丙烯酸树脂完全溶解；
步骤六中将冷藏溶液恢复至室温，然后在搅拌条件下，加入质量百分数为10％的乙酸溶液直至溶液pH值为4.3，溶液呈现白色凝胶状；
步骤六中所述的离心为在转速为14000r/min的条件下，离心15min；
步骤九中所述的烘干为在烘干温度为70℃的条件下，烘干2h；
步骤十及步骤十一中所述的洗涤抽滤并烘干具体是按以下步骤进行：洗涤至洗涤液pH值为中性，然后抽滤，最后在烘干温度为70℃的条件下，烘干2h；
步骤十中所述的水浴加热并搅拌反应具体为在搅拌及温度为75℃的条件下，加热90min；
步骤十一中所述的亚氯酸钠与醋酸的混合溶液中亚氯酸钠的质量与醋酸的体积比为1g:10mL；
步骤十一中所述的水浴加热并搅拌反应具体为在搅拌及温度为55℃的条件下，加热60min。
实施例二：本实施例与实施例一不同的是：步骤二中所述的在搅拌条件下，向固定化酶载体粉末悬浊液中加入浓度为4mol/L的氢氧化钠溶液直至pH为11，丙烯酸树脂完全溶解。其它与实施例一相同。
实施例一及二采用硝酸乙醇法测定纤维素含量，即纤维素纯度，纤维素含量C计算方法如下：G4玻璃砂芯漏斗于500℃灼烧至质量恒定；精确称取刚制备的样品1.00～1.05g(m0)，放入250mL洁净干燥的锥形瓶中，加入25mL硝酸-乙醇混合溶液，装上回流冷凝管，沸水浴加热1h，用G4玻璃砂芯漏斗抽滤去除溶剂，重复上述操作三到五步，直至纤维变白。用10mL硝酸-乙醇混合溶液洗涤残渣，再用热水洗涤至洗涤液用甲基橙试验不呈酸性反应为止，最后用无水乙醇洗涤两次，抽干滤液，将盛有残渣的玻璃砂芯漏斗移入烘箱，于105℃烘干至质量恒定，称质量(m1)，然后置于坩埚中500℃灼烧至质量恒定，称质量(m2)。
C＝(m1-m2)/m0×100％
式中，C为纤维素含量(％)。
经测量实施例一得到的纤维素提取物纯度为98.9％；实施例二得到的纤维素提取物纯度为98.1％。

Claims (10)

1.一种利用固定化酶技术进行预处理以提取高纯度秸秆纤维素的方法，其特征在于它是按照以下步骤进行的：
一、以丙烯酸树脂为载体原料，将丙烯酸树脂加入到蒸馏水中搅拌均匀，得到固定化酶载体粉末悬浊液；
所述的丙烯酸树脂与蒸馏水的质量比为1:(25～50)；
二、在搅拌条件下，向固定化酶载体粉末悬浊液中加入浓度为3mol/L～4mol/L的氢氧化钠溶液直至丙烯酸树脂完全溶解，得到固定化酶载体溶液；
三、在搅拌条件下，向固定化酶载体溶液中加入质量百分数为9％～10％的乙酸溶液直至pH为5.5～6.5，再加入EDC交联剂，搅拌均匀，得到加入交联剂的固定化酶载体溶液；
所述EDC交联剂与步骤一中所述的丙烯酸树脂的质量比为(1～2):20；
四、在搅拌条件下，向加入交联剂的固定化酶载体溶液中滴加质量百分数为9％～10％的乙酸溶液直至pH值为4.5～5，得到混合溶液，再向混合溶液中加入质量百分数为1％～2％的乙酸-乙酸钠缓冲溶液并搅拌均匀，最后在温度为4℃～5℃的条件下，冷藏保存12h～14h，得到冷藏的载体溶液；
所述的质量百分数为1％～2％的乙酸-乙酸钠缓冲溶液与混合溶液的体积比为1:(1～1.2)；
五、将冷藏的载体溶液恢复至室温，然后加入酶制剂并搅拌均匀，然后在温度为4℃～5℃的条件下，冷藏保存18h～24h，得到冷藏溶液；
所述的酶制剂为木聚糖酶和漆酶的混合物；所述的木聚糖酶与步骤一中所述的丙烯酸树脂的质量比为(2～3):20；所述的漆酶与步骤一中所述的丙烯酸树脂的质量比为(1～2):20；
六、将冷藏溶液恢复至室温，然后在搅拌条件下，加入质量百分数为9％～10％的乙酸溶液直至溶液呈现白色凝胶状，静置30min～60min，最后搅拌及离心，得到固定化酶；
七、将秸秆进行清洗、烘干及粉碎，然后过60目～70目筛网，收集透过筛网的粉末，得到秸秆粉末；
八、向秸秆粉末中加入固定化酶，然后加入蒸馏水并搅拌，再在温度为45℃～50℃的条件下，恒温48h～50h，得到固定化酶处理秸秆粉末的混合液；
所述的固定化酶与秸秆粉末的质量比为(1～3):5；所述的秸秆粉末与蒸馏水的质量比1:(10～20)；
九、将固定化酶处理秸秆粉末的混合液抽滤并烘干，得到固定化酶处理后的秸秆粉末；
十、将固定化酶处理后的秸秆粉末加入到质量百分数为4％～6％的氢氧化钠溶液中，水浴加热并搅拌反应，反应完成后洗涤抽滤并烘干，得到第一段产物；
所述的固定化酶处理后的秸秆粉末的质量与质量百分数为4％～6％的氢氧化钠溶液的体积比为(4～5)g:100mL；
十一、向第一段产物中加入亚氯酸钠与醋酸的混合溶液，水浴加热并搅拌反应，反应完成后洗涤抽滤并烘干，得到第二段产物，最后干燥，得到纤维素提取物；
所述的第一段产物的质量与亚氯酸钠与醋酸的混合溶液的体积比为(4～4.5)g:100mL。
2.根据权利要求1所述的一种利用固定化酶技术进行预处理以提取高纯度秸秆纤维素的方法，其特征在于步骤一中所述的丙烯酸树脂为Eudragit L-100或Eudragit S-100。
3.根据权利要求1所述的一种利用固定化酶技术进行预处理以提取高纯度秸秆纤维素的方法，其特征在于步骤二中在搅拌条件下，向固定化酶载体粉末悬浊液中加入浓度为3mol/L～4mol/L的氢氧化钠溶液直至溶液pH为9～11，丙烯酸树脂完全溶解。
4.根据权利要求1所述的一种利用固定化酶技术进行预处理以提取高纯度秸秆纤维素的方法，其特征在于步骤六中将冷藏溶液恢复至室温，然后在搅拌条件下，加入质量百分数为9％～10％的乙酸溶液直至溶液pH值为4.0～4.5，溶液呈现白色凝胶状。
5.根据权利要求1所述的一种利用固定化酶技术进行预处理以提取高纯度秸秆纤维素的方法，其特征在步骤六中所述的离心为在转速为10000r/min～15000r/min的条件下，离心15min～30min。
6.根据权利要求1所述的一种利用固定化酶技术进行预处理以提取高纯度秸秆纤维素的方法，其特征在步骤九中所述的烘干为在烘干温度为60℃～80℃的条件下，烘干2h～3h。
7.根据权利要求1所述的一种利用固定化酶技术进行预处理以提取高纯度秸秆纤维素的方法，其特征在步骤十及步骤十一中所述的洗涤抽滤并烘干具体是按以下步骤进行：洗涤至洗涤液pH值为中性，然后抽滤，最后在烘干温度为60℃～80℃的条件下，烘干2h～3h。
8.根据权利要求1所述的一种利用固定化酶技术进行预处理以提取高纯度秸秆纤维素的方法，其特征在步骤十中所述的水浴加热并搅拌反应具体为在搅拌及温度为60℃～80℃的条件下，加热60min～90min。
9.根据权利要求1所述的一种利用固定化酶技术进行预处理以提取高纯度秸秆纤维素的方法，其特征在步骤十一中所述的亚氯酸钠与醋酸的混合溶液中亚氯酸钠的质量与醋酸的体积比为(1～1.5)g:10mL。
10.根据权利要求1所述的一种利用固定化酶技术进行预处理以提取高纯度秸秆纤维素的方法，其特征在步骤十一中所述的水浴加热并搅拌反应具体为在搅拌及温度为50℃～70℃的条件下，加热60min～90min。
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