CN116376997A - 利用纤维素制备葡萄糖的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于资源化利用开发领域，特别是涉及纤维素的资源化利用开发领域，更为具体的说是涉及利用纤维素制备葡萄糖的方法，通过向纤维素或含有纤维素的原料中添加由亚硝酸盐溶液和pH调节剂组成的FNA溶液，能够显著提高纤维素的产糖率，对于纤维素来说产糖率可以提高49.09％，对于甘蔗渣来说产糖率可以提高18.72％。同时无需高温、高压等苛刻生产条件，相较于传统生产方式成本更低、安全性更高，是一种更加有利于资源化利用推广的生产方法。
Description
技术领域
本发明属于资源化利用开发领域，特别是涉及纤维素的资源化利用开发领域，更为具体的说是涉及利用纤维素制备葡萄糖的方法。
背景技术
纤维素是自然界中分布最广、含量最丰富的多糖，同时也是餐厨垃圾的重要组成成分。因此纤维素的资源化利用主要包含两个方面的研究，一个是在餐厨垃圾中的资源化处理方面，与餐厨垃圾中的蛋白质、脂类、淀粉等其他物质相比，纤维素难以降解，生物资源利用率低，是最难被利用的成分，但同时湿垃圾中的纤维素总量很大，以上海为例，2022年上海市垃圾日均分出量可达9328吨/日；另一个是以纤维素为主要成分的包含甘蔗废弃植物残体在内的废弃植物体的资源化处理方面，譬如在中国南部，尤其是广西海南等亚热带地区，盛产甘蔗；综上可见我国可以资源化利用的纤维素类生物质量尤为可观。
通过降解纤维素，进一步将其用作燃料或化学产品的生产和制备是资源化利用的方向之一。目前现有技术中对纤维素的降解方法有酸降解法、碱降解法以及氧化法等。通过降解可以将将纤维素中的糖苷键打断形成葡萄糖，并进一步生产乙醇等工业品。
因此，如何以餐厨垃圾和甘蔗等植物废弃物为原料，利用其中所含的纤维素高效、高产制备葡萄糖就成为资源化应用领域近年来研究的热点和难点问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种更为高效的纤维素制备葡萄糖的方法，从而能够提高纤维素酶解效率，和葡萄糖转化率，形成一种高效、高产的纤维素制备葡萄糖的方法。
为了解决上述技术问题，本发明公开了一种利用纤维素制备葡萄糖的方法，包括以下步骤：
(1)向纤维素或含有纤维素的原料中添加由亚硝酸盐溶液和pH调节剂组成的FNA溶液，搅拌反应，pH调节终点为pH值在4.9～5.1之间；FNA溶液的浓度控制在6.09mg N/L；并根据以下公式计算得到亚硝酸盐的添加量：
式中：CFNA为游离亚硝酸浓度，单位为mg N/L；
为亚硝态氮浓度，单位为mgN/L；T为温度，单位为℃；
(2)加入纤维素酶进行酶解反应；
(3)对酶解反应过程中的上清液进行收集，过0.22μm的滤膜后利用高效液相色谱法对葡萄糖浓度进行测定。其中，色谱柱采用Bio-rad 87H,柱温65℃，流动相为5Mmol稀硫酸，流速为0.6mL/min.。
优选地，所述亚硝酸盐为亚硝酸钠。根据上述计算公式，亚硝酸钠的添加量应控制为250mg N/L。
优选地，所述的pH调节剂为盐酸，更为优选地，所述盐酸的浓度为1mol/L。
优选地，所述酶解反应中，纤维素或含有纤维素的原料的质量浓度为1％。
优选地，所述纤维素酶活性为10000U/g，浓度为1mg/L。
优选地，所述酶解反应的反应温度为40-50℃。
优选地，所述酶解反应的反应时间为48小时内。
采用本发明公开的技术方案后，能够显著提高纤维素的产糖率，对于纤维素来说产糖率可以提高49.09％，对于甘蔗渣来说产糖率可以提高18.72％。同时无需高温、高压等苛刻生产条件，相较于传统生产方式成本更低、安全性更高，是一种更加有利于资源化利用推广的生产方法。
附图说明
图1为实施例3中对比实验的结果示意图，其中横坐标为酶解时间(h)，纵坐标为溶液中葡萄糖浓度(mg/L)。
图2为实施例6中对比实验的结果示意图，其中横坐标为酶解时间(h)，纵坐标为溶液中葡萄糖浓度(mg/L)。
图3为未经任何处理的纤维素(控制组)和经过FNA预处理后的纤维素(FNA组)的电镜扫描形貌对比图。
图4为未经任何处理的甘蔗渣(控制组)和经过FNA预处理后的甘蔗渣(FNA组)的电镜扫描形貌对比图。
具体实施方式
为了更好的理解本发明，下面我们结合具体的实施例对本发明进行进一步的阐述。
以下实施例中所采用的纤维素为纤维素粉末，采购自上海迈瑞尔生化科技有限公司，所采用的纤维素酶采购自上海迈瑞尔生化科技有限公司，纤维素酶活性为10000U/g，浓度为1mg/L；所采用的甘蔗渣是来自广西甘蔗厂的甘蔗经破碎、冷冻干燥、过20目筛得到，甘蔗渣为外观呈黄褐色的小块状固体。
以下实施例中葡萄糖的测定采用高效液相色谱法进行，具体的检测方法是：样品首先经10000rpm离心10min后取上清液用0.22μm的滤膜过滤，然后通过高效液相色谱分析方法进行测定，高效液相色谱仪的检测条件为：色谱柱：Hi-Plex Ca柱；流动相：水；柱温：55℃；流动相流速：0.6ml/min；进样量20μL。
实施例1
将2.5g纤维素置于250ml的水溶液中，在室温(25℃)下磁力搅拌24h，然后置于摇床，加入1mol/L的盐酸调节体系pH至4.9-5.1后，加入纤维素酶，在转速120rpm，酶解温度50℃，酶浓度1g/L的条件下进行酶解反应，酶解反应6h后，检测体系中葡萄糖含量，葡萄糖浓度为483.70mg/L。
实施例2：
将2.5g纤维素置于250ml 250mg N/L浓度的亚硝酸钠溶液中，加入1mol/L的盐酸调节pH至4.9-5.1后，在室温(25℃)下磁力搅拌24h，然后置于摇床，加入纤维素酶，在转速120rpm，酶解温度50℃，酶浓度1g/L的条件下进行酶解反应，酶解反应6h后，检测体系中葡萄糖含量，葡萄糖浓度为777.39mg/L。
实施例3：
分别按照实施例1和实施例2中公开的处理工艺，考察不同的酶解反应时间对酶解反应液中的葡萄糖含量的影响。根据酶解反应时间和酶解反应也中葡萄糖浓度制作酶解反应时间-葡萄糖浓度关系曲线图，结果如图1所示。
根据图1可以看出，经FNA处理后的FNA处理组中，葡萄糖转化率显著高于未经FNA处理的控制组，同时FNA处理组曲线斜率更大，说明该组工艺下葡糖糖的转化速度更快，同时增加了纤维素对葡萄糖的选择性。
根据图1可以看到，当采用FNA处理工艺后，酶解48h后，体系中葡萄糖浓度为2965.69mg/L，而未采用FNA处理的控制组中酶解48h后，体系中葡萄糖浓度仅为1989.22mg/L。另外，通过图1可以看到，采用FNA处理工艺后，酶解反应生产葡萄糖的最大值拐点被延后，更晚达到葡萄糖产量峰值。
实施例4
将2.5g甘蔗渣置于250ml的水溶液中，在室温(25℃)下磁力搅拌24h后置于摇床上，加入纤维素酶，在转速120rpm，酶解温度50℃，酶浓度1g/L的条件下进行酶解反应，酶解反应8h后检测体系中葡萄糖含量，葡萄糖浓度为577.78mg/L。
实施例5
将2.5g甘蔗渣置于250ml 250mg N/L浓度的亚硝酸钠溶液中，加入1mol/L的盐酸调节pH至4.9-5.1。在室温(25℃)下磁力搅拌24h后置于摇床上，加入纤维素酶，在转速120rpm，酶解温度50℃，酶浓度1g/L的条件下进行酶解反应，酶解反应8h后检测体系中葡萄糖含量，葡萄糖浓度为894.18mg/L。
实施例6
分别按照实施例4和实施例5中公开的处理工艺，考察不同的酶解反应时间对酶解反应液中的葡萄糖含量的影响。根据酶解反应时间和酶解反应也中葡萄糖浓度制作酶解反应时间-葡萄糖浓度关系曲线图，结果如图2所示。
根据图2可以看出，经FNA处理后的FNA处理组中，葡萄糖转化率显著高于未经FNA处理的控制组，同时FNA处理组曲线斜率更大，说明该组工艺下葡糖糖的转化速度更快。
根据图2可以看到，当采用FNA处理工艺后，酶解48h后，体系中葡萄糖浓度为1530.62mg/L，而未采用FNA处理的控制组中酶解48h后，体系中葡萄糖浓度仅为1289.32mg/L。另外，通过图2可以看到，采用FNA处理工艺后，酶解反应生产葡萄糖的最大值拐点被延后，更晚达到葡萄糖产量峰值。
实施例7
分别对实施例2中FNA处理后的纤维素和实施例1中未经FNA处理的纤维素，以及实施例5中FNA处理后的甘蔗渣和实施例,4中未经FNA处理的甘蔗渣进行电镜扫描表征，扫描电镜表征结果分别如图3和图4所示。
根据图3可以看出，未经FNA处理的纤维素结构致密且稳定，经过FNA处理的纤维素致密的结构明显被破坏，表面出现裂缝和孔洞。根据图4可以看到，经过FNA处理后，相比于实施例4，实施例5中的甘蔗渣表面呈现明显的纤维束丝状，甘蔗渣表面的木质素和半纤维素被打开。
可见，FNA能够有效破坏纤维素和甘蔗渣的稳定结构，从而通过增大酶触反应面积增加酶解反应位点，进而提高酶解反应效率。
以上所述是本发明的具体实施方式。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。
Claims (7)
1.利用纤维素制备葡萄糖的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)向纤维素或含有纤维素的原料中添加由亚硝酸盐溶液和pH调节剂组成的FNA溶液，搅拌反应，pH调节终点为pH值在4.9～5.1之间；FNA溶液的浓度控制在6.09mg N/L左右，并根据以下公式计算得到亚硝酸盐的添加量：
式中：CFNA为游离亚硝酸浓度，单位为mg N/L；
为亚硝态氮浓度，单位为mg N/L；T为温度，单位为℃；
(2)加入纤维素酶进行酶解反应；
(3)对酶解反应过程中的上清液进行收集，过0.22μm的滤膜后利用高效液相色谱法对葡萄糖浓度进行测定。其中，色谱柱采用Bio-rad 87H,柱温65℃，流动相为5Mmol稀硫酸，流速为0.6mL/min.。
2.根据权利要求1所述的利用纤维素制备葡萄糖的方法，其特征在于，所述亚硝酸盐为亚硝酸钠。根据上述计算公式，亚硝酸钠的添加量应控制为250mg N/L。
3.根据权利要求1所述的利用纤维素制备葡萄糖的方法，其特征在于，所述的pH调节剂为盐酸，更为优选地，所述盐酸的浓度为1mol/L。
4.根据权利要求1所述的利用纤维素制备葡萄糖的方法，其特征在于，所述酶解反应中，纤维素或含有纤维素的原料的质量浓度为1％。
5.根据权利要求4所述的利用纤维素制备葡萄糖的方法，其特征在于，所述纤维素酶活性为10000U/g，浓度为1mg/L。
6.根据权利要求1所述的利用纤维素制备葡萄糖的方法，其特征在于，所述酶解反应的反应温度为50℃左右。
7.根据权利要求1所述的利用纤维素制备葡萄糖的方法，其特征在于，所述酶解反应的反应时间为48小时内。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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