CN112522347A - 一种提升高固酶解体系下纤维素酶解糖化效率的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种提升高固酶解体系下纤维素酶解糖化效率的方法，将粉碎后的木质纤维素物料和氨基酸型表面活性剂水溶液混合，获得高固酶解体系；再于高固酶解体系中加入纤维素酶液进行酶解。高固酶解体系加入氨基酸型表面活性剂，其具有的抗粘作用能够让高固酶解体系的粘度降低，增加流动性，有利于纤维素酶和木质纤维素物料充分混合接触；氨基酸型表面活性剂的氨基酸部分与纤维素酶蛋白具有竞争性作用，可以同与木质纤维素物料中的木质素结合，从而减少纤维素酶蛋白与木质素的结合，使更多的纤维素酶与纤维素结合，提升纤维素酶利用率，减少纤维素酶成本；氨基酸型表面活性剂抑菌活性强，添加到高固酶解体系中能够抑制杂菌生长，保护纤维素酶蛋白。
Description
技术领域
本发明涉及纤维素酶解糖化技术领域，具体涉及一种提升高固酶解体系下纤维素酶解糖化效率的方法。
背景技术
我国是农业大国，每年产生大量秸秆、玉米芯等木质纤维素废弃物，目前处理这些废弃物的主要方法是焚烧。木质纤维素物料中主要成分为纤维素、半纤维素、木质素以及少量的灰分，其中纤维素组分虽然可以通过纤维素酶酶解糖化得到葡萄糖，但是目前存在一些瓶颈。主要有以下几个方面：
1、由于木质纤维素物料中除了纤维素组分还存在大量木质素，木质素对纤维素酶蛋白具有吸附作用，阻碍纤维素酶和纤维素的接触，甚至导致纤维素酶蛋白失活，降低酶解糖化效率，增加酶成本。
2、为提升产物葡萄糖浓度，往往通过提高酶解体系中原料干基的含量，但是，在酶解过程中提高原料干基含量时，体系粘度也会增加，高粘度导致体系混合困难，使得纤维素酶不能有效与纤维素结合，酶解速度急剧下降。同时，高干基含量酶解体系（高固酶解体系）木质素对纤维素酶蛋白的吸附作用也是加强。
3、纤维素酶解过程中，葡萄糖浓度的提高会伴随杂菌的生长，不仅消耗产物葡萄糖，还可能对纤维素酶产生破坏作用。
虽然已有一些尝试增加高固酶解糖化效率的方法，但并不能同时解决上述问题。例如通过添加大豆蛋白减少纤维素酶被吸附，但是只能解决纤维素酶吸附问题，不能解决高粘度难混合的问题。分批补料方式能降低体系粘度，实现高固酶解，但是不能解决纤维素酶被木质素吸附的问题。通过添加抗生素能抑制杂菌生长，但是成本太高，并且对后续葡萄糖微生物发酵影响较大。
本发明旨在寻找一种既能减少高固酶解过程中纤维素酶蛋白被吸附的量，又能降低高固酶解体系粘度，增加混合效率，同时兼顾抑菌作用的方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种提升高固酶解体系下纤维素酶解糖化效率的方法，以解决现有技术的不足。
本发明采用以下技术方案：
一种提升高固酶解体系下纤维素酶解糖化效率的方法，将粉碎后的木质纤维素物料和氨基酸型表面活性剂水溶液混合，获得高固酶解体系；再于高固酶解体系中加入纤维素酶液进行酶解。
进一步地，氨基酸型表面活性剂包括N-酰基谷氨酸二酯、月桂酰谷氨酸钠、椰油酰甲基牛磺酸钠、椰油酰甘氨酸钠中的一种或几种。
进一步地，氨基酸型表面活性剂水溶液的浓度为0.1wt%~1wt%。
进一步地，氨基酸型表面活性剂水溶液的pH值为5.5~6.0。
进一步地，高固酶解体系中木质纤维素物料干基含量为15wt%~25wt%。
进一步地，高固酶解体系pH值为4.6~5.5。
进一步地，木质纤维素物料包括玉米芯、木糖渣、秸秆中的一种或几种。
进一步地，粉碎后的木质纤维素物料在10目以下。
进一步地，纤维素酶液加入量为木质纤维素物料干基量的4wt%~6wt%，纤维素酶液中酶蛋白浓度为195mg/ml~200mg/ml，活性1000BHU-2/g。
进一步地，于45℃~50℃、搅拌速度180rpm~220rpm条件下酶解48h~96h。
本发明的有益效果：
1、在高固酶解体系中加入氨基酸型表面活性剂，其具有的抗粘作用能够让高固酶解体系的粘度降低，增加流动性，有利于纤维素酶和木质纤维素物料充分混合接触。
2、氨基酸型表面活性剂的氨基酸部分与纤维素酶蛋白具有竞争性作用，可以同与木质纤维素物料中的木质素结合，从而减少纤维素酶蛋白与木质素的结合，使更多的纤维素酶与纤维素结合，提升纤维素酶利用率，减少纤维素酶成本。
3、氨基酸型表面活性剂抑菌活性强，添加到高固酶解体系中能够抑制杂菌生长，保护纤维素酶蛋白。
4、氨基酸型表面活性剂具有生物降解能力，在纤维素酶解后，利用葡萄糖发酵产乙醇过程中，可以用作氮源。
附图说明
图1为实施例1酶解过程中纤维素酶蛋白浓度变化；
图2为实施例2酶解体系粘度对比；
图3为实施例3酶解72h后杂菌数量；
图4为实施例4中15wt%高固酶解体系酶解葡萄糖浓度变化；
图5为实施例5中20wt%高固酶解体系酶解葡萄糖浓度变化；
图6为实施例6不同浓度N-酰基谷氨酸对高固酶解体系酶解的影响；
图7为实施例7复配氨基酸型表面活性剂对高固酶解体系酶解的影响。
具体实施方式
为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
一种提升高固酶解体系下纤维素酶解糖化效率的方法，将粉碎后的木质纤维素物料和氨基酸型表面活性剂水溶液混合，获得高固酶解体系；再于高固酶解体系中加入纤维素酶液进行酶解。
木质纤维素物料包括玉米芯、木糖渣、秸秆中的一种或几种，但不限于此。粉碎后的木质纤维素物料优选在10目以下。
氨基酸型表面活性剂包括N-酰基谷氨酸二酯、月桂酰谷氨酸钠、椰油酰甲基牛磺酸钠、椰油酰甘氨酸钠，但不限于此，可以单独使用，也可以几种复配。氨基酸型表面活性剂水溶液的浓度为0.1wt%~1wt%，超过1wt%，提升效果不明显，低于0.1wt%促进作用不明显。氨基酸型表面活性剂水溶液的pH值为5.5~6.0，利用盐酸溶液和氢氧化钠溶液调节pH值。
高固酶解体系中木质纤维素物料干基含量为15wt%~25wt%。高固酶解体系pH值为4.6~5.5，利用盐酸溶液和氢氧化钠溶液调节pH值。
纤维素酶液加入量为木质纤维素物料干基量的4wt%~6wt%，纤维素酶液中酶蛋白浓度为195mg/ml~200mg/ml，活性1000BHU-2/g。于45℃~50℃、搅拌速度180 rpm~220 rpm条件下酶解48h~96h。
实施例1 氨基酸型表面活性剂在高固酶解体系下对纤维酶蛋白的保护能力
该实施例采取如下步骤：
11、分别配制1wt%浓度的N-酰基谷氨酸二酯、月桂酰谷氨酸钠、椰油酰甲基牛磺酸钠、椰油酰甘氨酸钠水溶液，利用0.1mol/L盐酸溶液和0.1mol/L氢氧化钠溶液调整pH值至5.5~6.0区间，编号分别为A、B、C、D液。
12、取5份木糖渣，测定得出干基含量为35wt%，分别加入水与A、B、C、D液，配制干基含量为15wt%的高固酶解体系，利用0.1mol/L盐酸溶液和0.1mol/L氢氧化钠溶液维持体系pH为4.6~5.5。
13、在高固酶解体系中加入木质纤维素物料干基量的4wt%（纤维素酶液质量/木质纤维素物料干基质量，纤维素酶液中酶蛋白浓度195mg/ml~200mg/ml，活性1000BHU-2/g，诺维信Novozymes Cellic Ctec2）的纤维素酶液。
14、将高固酶解体系置于摇床。温度50℃、搅拌速度200rpm，酶解72h。
15、每隔12h取样，离心，测定上清液中纤维素酶蛋白含量。
结果如图1所示：在高固酶解体系中加入4种氨基酸型表面活性剂都能防止纤维素酶蛋白被木质素吸附，提高上清液中纤维素酶蛋白浓度，其中N-酰基谷氨酸二酯效果最好。
实施例2 氨基酸型表面活性剂对高固酶解体系粘度的优化效果
该实施例采取如下步骤：
21、分别配制1wt%浓度的N-酰基谷氨酸二酯、月桂酰谷氨酸钠、椰油酰甲基牛磺酸钠、椰油酰甘氨酸钠水溶液，利用0.1mol/L盐酸溶液和0.1mol/L氢氧化钠溶液调整pH值至5.5~6.0区间，编号分别为A、B、C、D液。
22、取5份木糖渣，测定得出干基含量为34wt%，分别加入水与A、B、C、D液，配制干基含量为15wt%的高固酶解体系。
23、测定高固酶解体系的粘度。
结果如图2所示：15wt%高固酶解体系中加入氨基酸型表面活性剂，体系粘度明显下降，其中椰油酰甲基牛磺酸钠水溶液下降66%。
实施例3 氨基酸型表面活性剂在高固酶解体系下对杂菌的抑制作用
该实施例采取如下步骤：
31、分别配制1wt%浓度的N-酰基谷氨酸二酯、月桂酰谷氨酸钠、椰油酰甲基牛磺酸钠、椰油酰甘氨酸钠水溶液，利用0.1mol/L盐酸溶液和0.1mol/L氢氧化钠溶液调整pH值至5.5~6.0区间，编号分别为A、B、C、D液。
32、取5份木糖渣，测定得出干基含量为35wt%，分别加入水与A、B、C、D液，配制干基含量为15wt%的高固酶解体系，利用0.1mol/L盐酸溶液和0.1mol/L氢氧化钠溶液维持体系pH为4.6~5.5。
33、在高固酶解体系中加入木质纤维素物料干基量的4wt%（纤维素酶液质量/木质纤维素物料干基质量，纤维素酶液中酶蛋白浓度195mg/ml~200mg/ml，活性1000BHU-2/g，诺维信Novozymes Cellic Ctec2）的纤维素酶液。
34、将高固酶解体系置于摇床。温度50℃、搅拌速度200rpm，酶解72h。
35、取72h酶解液，稀释103倍。
36、取500mL酶解液稀释液，均匀涂布于LB琼脂平板上，培养24h，进行菌落计数。
结果如图3所示：15wt%高固酶解体系中加入氨基酸型表面活性剂，酶解72h后酶解液中杂菌数量相对水体系而言下降明显，其中N-酰基谷氨酸二酯体系中杂菌数量相对水体系下降67%。
实施例4 本方明方法对15wt%的高固酶解体系酶解速度的影响
该实施例采取如下步骤：
41、分别配制1wt%浓度的N-酰基谷氨酸二酯、月桂酰谷氨酸钠、椰油酰甲基牛磺酸钠、椰油酰甘氨酸钠水溶液，利用0.1mol/L盐酸溶液和0.1mol/L氢氧化钠溶液调整pH值至5.5~6.0区间，编号分别为A、B、C、D液。
42、取5份木糖渣，测定得出干基含量为35wt%，分别加入水与A、B、C、D液，配制干基含量为15wt%的高固酶解体系，利用0.1mol/L盐酸溶液和0.1mol/L氢氧化钠溶液维持体系pH为4.6~5.5。
43、在高固酶解体系中加入木质纤维素物料干基量的4wt%（纤维素酶液质量/木质纤维素物料干基质量，纤维素酶液中酶蛋白浓度195mg/ml~200mg/ml，活性1000BHU-2/g，诺维信Novozymes Cellic Ctec2）的纤维素酶液。
44、将高固酶解体系置于摇床。温度50℃、搅拌速度200 rpm，酶解72h。
45、每隔24h取样，离心，测定上清液中葡萄糖浓度。
结果如图4所示：在15wt%的高固酶解体系中加入4种氨基酸表面活性剂都能提高酶解葡萄糖释放速度，其中N-酰基谷氨酸二酯效果最好，在48h时葡萄糖浓度就达到96g/L。
实施例5 本方明方法对20wt%的高固酶解体系酶解速度的影响
该实施例采取如下步骤：
51、分别配制1wt%浓度的N-酰基谷氨酸二酯、月桂酰谷氨酸钠、椰油酰甲基牛磺酸钠、椰油酰甘氨酸钠水溶液，利用0.1mol/L盐酸溶液和0.1mol/L氢氧化钠溶液调整pH值至5.5~6.0区间，编号分别为A、B、C、D液。
52、取5份木糖渣，测定得出干基含量为35wt%，分别加入水与A、B、C、D液，配制干基含量为20wt%的高固酶解体系，利用0.1mol/L盐酸溶液和0.1mol/L氢氧化钠溶液维持体系pH为4.6~5.5。
53、在高固酶解体系中加入木质纤维素物料干基量的4wt%（纤维素酶液质量/木质纤维素干基质量，纤维素酶液中酶蛋白浓度195mg/ml~200mg/ml，活性1000BHU-2/g，诺维信Novozymes Cellic Ctec2）的纤维素酶液。
54、将高固酶解体系置于摇床。温度50℃、搅拌速度200rpm，酶解96h。
55、每隔24h取样，离心，测定上清液中葡萄糖浓度。
结果如图5所示：在20wt%的高固酶解体系中加入4种氨基酸表面活性剂都能提高酶解葡萄糖释放速度，其中N-酰基谷氨酸二酯效果最好，在72h时葡萄糖浓度就达到124g/L。
实施例6 本发明方法不同浓度N-酰基谷氨酸二酯对高固酶解体系酶解效果的影响
该实施例采取如下步骤：
61、分别配制0.1、0.2、0.4、0.6、0.8、1wt%浓度的N-酰基谷氨酸二酯水溶液，利用0.1mol/L盐酸溶液和0.1mol/L氢氧化钠溶液调整pH值至5.5~6.0区间。
62、取6份木糖渣，测定得出干基含量为35wt%，分别加入不同浓度的N-酰基谷氨酸二酯水溶液，配制干基含量为15wt%的高固酶解体系，利用0.1mol/L盐酸溶液和0.1mol/L氢氧化钠溶液维持体系pH为4.6~5.5。
63、在高固酶解体系中加入木质纤维素物料干基量的4wt%（纤维素酶液质量/木质纤维素干基质量，纤维素酶液中酶蛋白浓度195mg/ml~200mg/ml，活性1000BHU-2/g，诺维信Novozymes Cellic Ctec2）的纤维素酶液。
64、将高固酶解体系置于摇床。温度50℃、搅拌速度200rpm，酶解72h。
65、每隔24h取样，离心，测定上清液中葡萄糖浓度。
结果如图6所示：实施例4和实施例5证明1wt%浓度条件下N-酰基谷氨酸二酯对高固酶解体系酶解速度促进最大，实施例6表明不同浓度N-酰基谷氨酸二酯水溶液对高固酶解体系酶解速度促进程度不一样，浓度0.6wt%、0.8wt%和1wt%时，促进作用较好，48h时葡萄糖浓度都能达到90g/L以上。N-酰基谷氨酸二酯浓度超过1wt%，提升效果与1wt%相比不明显，而与不经过表面活性剂处理的对比，只有添加到0.1wt%的量才有明显促进作用。
实施例7 本发明方法0.5wt%N-酰基谷氨酸二酯和0.5wt%椰油酰甲基牛磺酸钠复配对酶解效果的影响
该实施例采取如下步骤：
71、配制1wt%浓度的N-酰基谷氨酸二酯水溶液，编号A；1wt%浓度的椰油酰甲基牛磺酸钠溶液，编号B；0.5wt%N-酰基谷氨酸二酯和0.5wt%椰油酰甲基牛磺酸钠复配液，编号C；利用0.1mol/L盐酸溶液和0.1mol/L氢氧化钠溶液调整pH值至5.5~6.0区间。
72、取3份木糖渣，测定得出干基含量为35wt%，分别加入A、B、C液，配制干基含量为15wt%的高固酶解体系，利用0.1mol/L盐酸溶液和0.1mol/L氢氧化钠溶液维持体系pH为4.6~5.5。
73、在高固酶解体系中加入木质纤维素物料干基量的4wt%（纤维素酶液质量/木质纤维素干基质量，纤维素酶液中酶蛋白浓度195mg/ml~200mg/ml，活性1000BHU-2/g，诺维信Novozymes Cellic Ctec2）的纤维素酶液。
74、将高固酶解体系置于摇床。温度50℃、搅拌速度200rpm，酶解72h。
75、每隔24h取样，离心，测定上清液中葡萄糖浓度。
结果如图7所示：实施例1、2、3证明N-酰基谷氨酸二酯对纤维素酶蛋白保护作用最强，抑菌能力最强，而椰油酰甲基牛磺酸钠对初期粘度优化效果最强，因此，进行两种物质复配，如图7所示，结果发现，复配后的溶液在15wt%的高固酶解体系下对酶解的促进作用比单一的两种效果强，特别是前期快速液化阶段（0~24h为体系快速液化阶段，24~48h为中期液化阶段，48h后末期液化阶段）。
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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种提升高固酶解体系下纤维素酶解糖化效率的方法，其特征在于，将粉碎后的木质纤维素物料和氨基酸型表面活性剂水溶液混合，获得高固酶解体系；再于高固酶解体系中加入纤维素酶液进行酶解。
2.根据权利要求1所述的一种提升高固酶解体系下纤维素酶解糖化效率的方法，其特征在于，氨基酸型表面活性剂包括N-酰基谷氨酸二酯、月桂酰谷氨酸钠、椰油酰甲基牛磺酸钠、椰油酰甘氨酸钠中的一种或几种。
3.根据权利要求1所述的一种提升高固酶解体系下纤维素酶解糖化效率的方法，其特征在于，氨基酸型表面活性剂水溶液的浓度为0.1wt%~1wt%。
4.根据权利要求1所述的一种提升高固酶解体系下纤维素酶解糖化效率的方法，其特征在于，氨基酸型表面活性剂水溶液的pH值为5.5~6.0。
5.根据权利要求1所述的一种提升高固酶解体系下纤维素酶解糖化效率的方法，其特征在于，高固酶解体系中木质纤维素物料干基含量为15wt%~25wt%。
6.根据权利要求1所述的一种提升高固酶解体系下纤维素酶解糖化效率的方法，其特征在于，高固酶解体系pH值为4.6~5.5。
7.根据权利要求1所述的一种提升高固酶解体系下纤维素酶解糖化效率的方法，其特征在于，木质纤维素物料包括玉米芯、木糖渣、秸秆中的一种或几种。
8.根据权利要求1所述的一种提升高固酶解体系下纤维素酶解糖化效率的方法，其特征在于，粉碎后的木质纤维素物料在10目以下。
9.根据权利要求1所述的一种提升高固酶解体系下纤维素酶解糖化效率的方法，其特征在于，纤维素酶液加入量为木质纤维素物料干基量的4wt%~6wt%，纤维素酶液中酶蛋白浓度为195mg/ml~200mg/ml，活性1000BHU-2/g。
10.根据权利要求1所述的一种提升高固酶解体系下纤维素酶解糖化效率的方法，其特征在于，于45℃~50℃、搅拌速度180 rpm~220rpm条件下酶解48h~96h。
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