CN111909976B - 一种利用甘露醇降低木质纤维原料酶水解制备可发酵性糖工艺成本的方法 - Google Patents

一种利用甘露醇降低木质纤维原料酶水解制备可发酵性糖工艺成本的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种利用甘露醇降低木质纤维原料酶水解制备可发酵性糖工艺成本的方法，包括酸性预处理、酶水解步骤；在所述的酸性预处理步骤中，添加甘露醇，得到易于酶水解的底物，经纤维素酶酶水解制取可发酵糖；实现减少酶水解抑制物的产生和提高酶水解产率，从而减少纤维素酶的用量，降低工艺成本。本发明通过添加甘露醇的酸性预处理木质纤维原料，经酶水解制取可发酵性糖的工艺，实现纤维素的高效转化，降低生产成本，为工业化放大提供新方法和依据。该方法一方面避免了传统工艺酶用量高的问题，降低了木质纤维原料制取可发酵性糖的成本；另一方面降低了木质素解聚和重聚产物对后续酶水解的抑制作用，保证了纤维素酶水解的高效进行，具有很好的工业化应用前景。

Description

一种利用甘露醇降低木质纤维原料酶水解制备可发酵性糖工 艺成本的方法
技术领域
本发明涉及可发酵性糖的制备工艺，涉及一种酸性预处理木质纤维原料制取可发酵性糖的方法，具体涉及一种利用甘露醇降低木质纤维原料酶水解制备可发酵性糖工艺成本的方法。
背景技术
工业革命以来，基于石油的化石资源精练技术满足了当今社会对交通燃料及化学品的大量需求。然而随着人类需求的增长，地球化石资源不可避免地面临枯竭的命运。同时，化石资源的大量消耗也带来了日益严重的环境问题。因此，大力开发利用生物质资源，减少化石资源消耗，对保护生态环境、推进我国经济社会的可持续发展具有重大意义。在各种生物质资源中，木质纤维素资源是地球上最丰富的可再生生物质资源，其种类繁多、产量巨大。木质纤维素由纤维素、半纤维素和木质素三大成分组成，其中纤维素和半纤维素可降解成单糖，经生物转化可生产高价值的有机酸、醇等基础化工产品以及生物基材料单体物质如聚乳酸单体L-乳酸等，具有代替化石资源的巨大潜力。
在致密的木质纤维结构中，极难降解的木质素填充在纤维之间，增强木质纤维原料机械强度和抗侵蚀能力的同时，对纤维素糖化造成极大困难，因此木质纤维原料预处理是提高纤维素糖化率进而生物炼制的前提。然而，预处理过程，尤其是酸性预处理，在打开致密的木质纤维结构的同时也导致剧烈的木质素解聚/重聚反应。据最新研究，木质素解聚反应和重聚反应同时发生，相互竞争，随着处理条件的加剧或在酸性预处理条件下，木质素的重聚反应占主导地位。木质素的解聚产物(如酚类物质)和重聚木质素加剧了木质素对纤维素糖化的抑制作用。因此，克服木质素解聚/重聚反应对纤维素糖化的抑制作用，从而增强纤维素糖化成为木质纤维素生物炼制领域中新的技术热点。传统木质纤维原料生物炼制工艺采用提高酶添加量的方式来达到纤维素高效酶水解的目的，酶用量大，生产成本高，并且木质素解聚/重聚产物对纤维素酶水解抑制作用明显。
综上所述，从生产成本和有效性角度出发，目前的木质纤维原料酸性预处理方法存在着一些问题，有待于进一步优化。
发明内容
发明目的：针对现有技术中存在的不足，本发明的目的是提供一种利用甘露醇降低木质纤维原料酶水解制备可发酵性糖工艺成本的方法，通过添加甘露醇的酸性预处理木质纤维原料，经酶水解制取可发酵性糖的工艺，以期实现纤维素的高效转化，降低生产成本，为工业化放大提供新方法和依据。
技术方案：为了实现上述发明目的，本发明采用的技术方案如下：
一种利用甘露醇降低木质纤维原料酶水解制备可发酵性糖工艺成本的方法，包括酸性预处理、酶水解步骤；在所述的酸性预处理步骤中，添加甘露醇，得到易于酶水解的底物，经纤维素酶酶水解制取可发酵糖；实现降低纤维素酶的用量和减少酶水解抑制物的产生，降低工艺成本。
所述的酸性预处理方法中：添加5～25％(g/g，基于绝干物料)的甘露醇，得到易于酶水解的底物。
所述的纤维素酶，是以木霉、曲霉或细菌产生的能降解纤维素成葡萄糖的纤维素酶的一种或多种酶的复合物。酶水解底物g/mL浓度为5～20％。
所述的利用甘露醇降低木质纤维原料酶水解制备可发酵性糖工艺成本的方法，具体步骤如下：
(1)用稀硫酸对风干木质纤维原料进行酸处理，酸用量0.1～1.0％(g/mL)，甘露醇用量5～25％(g/g)，处理温度180℃，保温时间1h，固液比1∶7.5～1∶10，并对酸性预处理后的木质纤维原料进行过滤、洗涤，以去除残余化学品、糖和抑制物；
(2)将水洗后的木质纤维原料与纤维素酶混合，加入水，pH缓冲液、酸或碱，混合至底物g/mL浓度5～20％，控制酶水解pH值在4.0～6.0，反应体系中纤维素酶用量为5～40FPIU每克纤维素，于45～55℃下酶水解48～120h得到可发酵性糖。
有益效果：与现有技术相比，本发明利用甘露醇降低木质纤维原料酶水解制备可发酵性糖工艺成本的方法，通过添加甘露醇的酸性预处理木质纤维原料，经酶水解制取可发酵性糖的工艺，实现纤维素的高效转化，降低生产成本，为工业化放大提供新方法和依据。该方法一方面避免了传统工艺酶用量高的问题，降低了木质纤维原料制取可发酵性糖的成本；另一方面降低了木质素解聚和重聚产物对后续酶水解的抑制作用，保证了纤维素酶水解的高效进行，具有很好的工业化应用前景。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步的说明。
以下实施例中，葡萄糖浓度、木糖浓度、纤维二糖浓度均采用高效液相色谱法(HPLC)测定。色谱条件如下：色谱仪：Agilent 1200高效液相色谱仪；色谱柱：Bio-RadAminex HPX-87H；流动相：0.005mol/L硫酸，流速：0.6mL/min；柱温：55℃；检测器：示差折光检测器；进样量：10μL。外标法测定。
实施例1：木质纤维原料酸性预处理
杨木粉碎至20～80目，添加0％(处理一)、5％(处理二)、10％(处理三)(g/g，基于绝干物料)的甘露醇进行稀酸预处理(硫酸0.5％，g/mL)，固液比(g/mL)1∶7.5，180℃下保温1h，冷却后利用真空抽滤进行固液分离，分成水不溶固形物和预处理液部分。对预处理液中的总酚含量进行测定。并且，对水不溶固形物进行固液比(g/mL)1∶10的蒸馏水洗涤，分析水洗后固形物中的物料组分。
表1水洗后固形物组分分析及水溶部分的总酚含量测定
Figure BDA0002615936840000031
甘露醇的加入可使木质素解聚/重聚反应的活性中间体转变为稳定状态，从而阻遏木质素的解聚/重聚反应，得到易于酶水解的底物。如表1所示，杨木经酸预处理后水溶部分中存在大量的酚类物质，并且固形物中的木质素高度重聚，对全浆酶水解和水洗固形物的酶水解有强烈的抑制作用。甘露醇的加入既能降低水溶部分中的木质素解聚产物(酚类物质)的含量，又能降低固形物中残余木质素的重聚程度，有利于后续酶水解。
实施例2：纤维素浓度2％(g/mL)下的全浆酶水解
分别称取绝干重为1.72g、1.70g、1.66g的实施例1的水洗物料于3个250mL三角瓶中，其纤维素绝干重均为1.00g，并分别加入12.90mL、12.74mL、12.47mL的相应预处理液。在每个三角瓶中加入1mol/L柠檬酸缓冲液2.5mL，按纤维素酶用量20FPIU/g纤维素分别在每个三角瓶中加入酶和蒸馏水，使酶水解体系中水分总体积为50mL，充分混合后盖上封口膜，于50℃、180转/分的恒温摇床中进行酶水解。水解取样后，分别将水解物用离心机于5000转/分条件下离心10min，取上清液测定其中的葡萄糖浓度和纤维二糖浓度，计算酶水解得率。其中，酶水解得率(％)＝(酶水解产生的葡萄糖浓度g/L×0.9+酶水解产生的纤维二糖浓度g/L×0.95)×0.05/1.00g纤维素×100％。式中，0.9为葡萄糖与纤维素的转换系数；0.95为纤维二糖与纤维素的转换系数；0.05为水解液体积，单位为L。结果如表2所示。
表2添加甘露醇对全浆酶水解的结果
Figure BDA0002615936840000041
由表2可知，72h纤维素酶水解得率从未添加甘露醇的21.36％提高至44.80％，因此，添加甘露醇对酸预处理杨木的全浆酶水解具有强烈的提高作用，这是由于甘露醇的添加减少了预处理液中的酚类物质含量，降低了木质素解聚产物对纤维素酶水解的抑制作用。
实施例3：纤维素浓度2％(g/mL)下的水洗固形物酶水解
分别称取绝干重为1.72g、1.70g、1.66g的实施例1的水洗物料于3个250mL三角瓶中，其纤维素绝干重均为1.00g，在每个三角瓶中加入1mol/L柠檬酸缓冲液2.5mL，按纤维素酶用量20FPIU/g纤维素分别在每个三角瓶中加入酶和蒸馏水，使酶水解体系中水分总体积为50mL，充分混合后盖上封口膜，于50℃、180转/分的恒温摇床中进行酶水解。水解取样后，分别将水解物用离心机于5000转/分条件下离心10min，取上清液测定其中的葡萄糖浓度和纤维二糖浓度，计算酶水解得率。结果如表3所示。
表3添加甘露醇对水洗固形物酶水解的结果
Figure BDA0002615936840000051
由表3可知，72h纤维素酶水解得率从未添加甘露醇的42.39％提高至62.94％，因此，添加甘露醇对酸预处理杨木的水洗固形物酶水解具有显著的提高作用，这是由于甘露醇的添加阻遏残余木质素的重聚，降低了重聚木质素对纤维素酶的非生产性吸附与物理屏障作用，因此显著增强纤维素酶水解性能，为降低酸性预处理木质纤维原料制取可发酵性糖的成本提供了依据。
比较例1：提高纤维素酶用量对酶水解的影响
杨木粉碎至20-80目，进行稀酸预处理(硫酸0.5％，g/mL)，固液比1∶7.5，180℃下保温1h，冷却后利用真空抽滤进行固液分离，分成水不溶固形物和预处理液部分。对水不溶固形物进行固液比1∶10的蒸馏水洗涤，分析水洗后固形物中的物料组分。称取绝干重为1.72g的水洗物料于250mL三角瓶中，其纤维素绝干重为1.00g，在三角瓶中加入1mol/L柠檬酸缓冲液2.5mL，按纤维素酶用量40FPIU/g纤维素(即两倍的酶用量)在三角瓶中加入酶和蒸馏水，使酶水解体系中水分总体积为50mL，充分混合后盖上封口膜，于50℃、180转/分的恒温摇床中进行酶水解。水解取样后，分别将水解物用离心机于5000转/分条件下离心10min，取上清液测定其中的葡萄糖浓度和纤维二糖浓度，计算酶水解得率。其中，酶水解得率(％)＝(酶水解产生的葡萄糖浓度g/L×0.9+酶水解产生的纤维二糖浓度g/L×0.95)×0.05/1.00g纤维素×100％。式中，0.9为葡萄糖与纤维素的转换系数；0.95为纤维二糖与纤维素的转换系数；0.05为水解液体积，单位为L。结果如表4所示。
表4提高酶用量对酸处理杨木水洗固形物酶水解的结果
Figure BDA0002615936840000052
Figure BDA0002615936840000061
由表4可知，提高酶用量尽管对纤维素酶水解性能有一定的提高作用，但是酶的成本亦急剧增加。而两倍纤维素酶用量下的酶水解得率仅与添加5％甘露醇的酸预处理杨木酶水解得率相当。因此，添加甘露醇阻遏木质素的重聚反应可大大降低纤维素酶用量，从而显著降低酸预处理木质纤维原料制取可发酵性糖的成本。
比较例2：增强木质素重聚反应对纤维素酶水解的影响
杨木粉碎至20-80目，添加5％(g/g，基于绝干物料)的间苯二酚进行稀酸预处理(硫酸0.5％，g/mL)，用于增强木质素的重聚反应，固液比1∶7.5，180℃下保温1h，冷却后利用真空抽滤进行固液分离，分成水不溶固形物和预处理液部分。对水不溶固形物进行固液比1∶10的蒸馏水洗涤，分析水洗后固形物中的物料组分。称取绝干重为1.84g的水洗物料于250mL三角瓶中，其纤维素绝干重为1.00g，加入13.79mL的预处理液，按实施例2所述进行全浆酶水解。此外，称取1.84g的水洗物料于250mL三角瓶中，按实施例3所述进行水洗固形物酶水解。水解取样后，分别将水解物用离心机于5000转/分条件下离心10min，取上清液测定其中的葡萄糖浓度和纤维二糖浓度，计算酶水解得率。结果如表5所示，其中木质素重聚程度(AIL/ASL)为64.13。
表5添加间苯二酚对水洗固形物酶水解的结果
Figure BDA0002615936840000062
由表5可知，添加间苯二酚使酸预处理杨木的木质素重聚程度由33.44(实施例1)明显提高至64.13，因此，间苯二酚的添加显著加剧了木质素的重聚反应。而72h全浆酶水解和水洗固形物纤维素酶水解的得率仅为18.12％和21.73％，均显著低于无添加剂的稀酸预处理(表2和表3)。因此，木质素的重聚对纤维素酶水解具有强烈的抑制作用。
由此可知，添加甘露醇的木质纤维原料酸性预处理可避免传统工艺酶用量高的问题，从而显著降低木质纤维原料制取可发酵性糖的成本；同时也降低了木质素解聚和重聚产物对后续酶水解的抑制作用，保证了纤维素酶水解的高效进行，进一步降低木质纤维原料制取可发酵性糖的原料成本。

Claims (3)

1.一种利用甘露醇降低木质纤维原料酶水解制备可发酵性糖工艺成本的方法，包括酸性预处理、酶水解步骤；其特征在于：在所述的酸性预处理步骤中，添加甘露醇，得到易于酶水解的底物，经纤维素酶酶水解制取可发酵糖；实现降低纤维素酶的用量和减少酶水解抑制物的产生，降低工艺成本；具体步骤如下：
(1)用稀硫酸对风干木质纤维原料进行酸处理，酸用量0.1～1.0％，甘露醇用量5～25％，处理温度180℃，保温时间1h，固液比1∶7.5～1∶10，并对酸性预处理后的木质纤维原料进行过滤、洗涤，以去除残余化学品、糖和抑制物；
(2)将水洗后的木质纤维原料与纤维素酶混合，加入水，pH缓冲液、酸或碱，混合至底物浓度5～20％，控制酶水解pH值在4.0～6.0，反应体系中纤维素酶用量为5～40FPIU每克纤维素，于45～55℃下酶水解48～120h得到可发酵性糖。
2.根据权利要求1所述的利用甘露醇降低木质纤维原料酶水解制备可发酵性糖工艺成本的方法，其特征在于：所述的纤维素酶，是以木霉、曲霉或细菌产生的能降解纤维素成葡萄糖的纤维素酶的一种或多种酶的复合物。
3.根据权利要求1或2所述的利用甘露醇降低木质纤维原料酶水解制备可发酵性糖工艺成本的方法，其特征在于，所述的木质纤维原料为杨木。
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