專利名稱:一種木質(zhì)纖維類原料的酶解方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及材料領(lǐng)域，特別涉及一種木質(zhì)纖維類原料的酶解方法。
技術(shù)背景
當(dāng)前能源日趨緊張，天然纖維素資源越來越受到人們的關(guān)注。天然纖維素的主要成分是纖維素、半纖維素和木質(zhì)素，其中纖維素和半纖維素占70%左右，經(jīng)水解后可生成葡萄糖、木糖等糖類。纖維素水解工藝主要包括酸水解和酶水解兩種與酸水解工藝相比，酶水解具有反應(yīng)條件溫和、副產(chǎn)物少、對環(huán)境危害小等優(yōu)點(diǎn)，但目前酶水解的主要問題是酶的水解效率低，導(dǎo)致使用酶的成本較高。公開號為CN 114U81C的專利“半纖維素濃酸預(yù)處理常壓水解技術(shù)”公開了一種通過濃硫酸預(yù)處理對半纖維素進(jìn)行常壓水解的方法，但由于濃硫酸腐蝕性大，該方法對設(shè)備要求高，反應(yīng)條件劇烈，易生成對微生物發(fā)酵有毒害作用的副產(chǎn)物，且濃硫酸回收困難，成本高。柯靜(柯靜等，2008，可再生能源，26( :46 49)利用 Na0H/H202對玉米秸稈進(jìn)行預(yù)處理，然后再用纖維素酶水解，但酶解得率僅為37. 5%。Yao等 (YaoR S, Qi B K, Deng S S，et al. Bioresources, 2007, 2 (3) :389 398)在稻草酶水解過程中加入聚乙二醇或吐溫-20，但酶解得率也僅為36%。由上述例子可以看出，當(dāng)前酶水解的效率是非常低的，還未達(dá)到50 %，這就大大制約了酶解方法的廣泛應(yīng)用，亟需一種提高酶水解效率的方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺點(diǎn)，提供一種產(chǎn)率高、環(huán)境友好、成本低、工藝簡單的木質(zhì)纖維類原料的酶解方法。
本發(fā)明的目的通過下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)
一種木質(zhì)纖維類原料的酶解方法，包括下述步驟首先用堿預(yù)處理木質(zhì)纖維類原料；然后加入緩沖溶液預(yù)熱；再用纖維素酶、活性炭和吐溫對原料進(jìn)行水解。
所述堿預(yù)處理是指在木質(zhì)纖維類原料中加入氫氧化鈉溶液，然后在80 120°C 下預(yù)處理1 6小時，再過濾、烘干。所述木質(zhì)纖維類原料與氫氧化鈉溶液的質(zhì)量比為
1 10 1 30，優(yōu)選為1 15。所述氫氧化鈉的濃度為0. 1 20%質(zhì)量，優(yōu)選0.5
2% ο
所述緩沖溶液預(yù)熱，采用的緩沖溶液是檸檬酸-檸檬酸鹽、醋酸-醋酸鹽、磷酸氫二鹽-磷酸二氫鹽、磷酸氫二鹽-氫氧化鈉、巴比妥酸鹽-鹽酸、六亞甲基四胺-鹽酸或鄰苯二甲酸氫鉀-氫氧化鈉體系，優(yōu)選檸檬酸-檸檬酸鹽或醋酸-醋酸鹽體系。所述緩沖溶液的PH值范圍為4 7，優(yōu)選為4. 5 5. 5，更優(yōu)選為4. 8。所述預(yù)熱的溫度是45 60°C， 預(yù)熱時間是10 60分鐘。所述木質(zhì)纖維類原料與緩沖溶液的質(zhì)量比為1 30 1 60， 優(yōu)選為1 45。
所述水解中，木質(zhì)纖維類原料為100質(zhì)量份、活性炭為1 15質(zhì)量份、吐溫為8 60質(zhì)量份、纖維素酶為1 10質(zhì)量份。所述水解溫度為45 55°C，優(yōu)選為50°C ；水解時間為5 100小時，優(yōu)選33 80小時。
所述吐溫包括聚氧乙烯山梨糖醇酐單月桂酸酯(簡稱吐溫20)、聚氧乙烯⑷山梨醇酐單月桂酸酯(簡稱吐溫21)、聚氧乙烯山梨糖醇酐單棕櫚酸酯(簡稱吐溫40)、聚氧乙烯山梨糖醇酐單硬脂酸酯(簡稱吐溫60)、聚氧乙烯山梨糖醇酐單硬脂酸酯(簡稱吐溫61)、聚氧乙烯山梨糖醇酐三硬脂酸酯(簡稱吐溫6 、聚氧乙烯山梨糖醇酐單油酸酯 (簡稱吐溫80)、聚氧乙烯山梨糖醇酐單油酸酯(簡稱吐溫81)或聚氧乙烯山梨糖醇酐三油酸酯(簡稱吐溫85)。
所述活性炭包括粉末活性炭、顆粒狀活性炭、不規(guī)則顆粒狀活性炭、圓柱形活性炭、球形活性炭或纖維狀活性炭。
所述木質(zhì)纖維類原料包括木材、農(nóng)作物廢棄物、雜草等。
本發(fā)明通過添加活性炭和吐溫可以大幅提高木質(zhì)纖維類原料的酶解效率。吐溫含有親水性的羥基和疏水性的長鏈烷基，羥基的存在提高了它在水中的溶解度和分散性，而疏水烷基可以與原料中所含的木質(zhì)素結(jié)合，減少或避免了纖維素酶與木質(zhì)素之間的無效吸附，從而達(dá)到提高酶解效率、減少酶用量、降低成本的目的。另外，活性炭對纖維素酶有吸附作用，但吸附作用不強(qiáng)，當(dāng)受到振蕩和表面活性劑的進(jìn)攻時會脫吸附，這種吸附與脫吸附的循環(huán)可以活化纖維素酶，并延緩纖維素酶的失活。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下優(yōu)點(diǎn)和效果
(1)利用纖維素酶對木質(zhì)纖維類原料進(jìn)行水解，不需要酸水解所要求的高溫高壓、 耐腐蝕的高價設(shè)備，反應(yīng)條件溫和，不會產(chǎn)生有毒害作用的副產(chǎn)物，不會排放大量污水，環(huán)境友好。
(2)活性炭和吐溫的協(xié)同作用可以大大提高纖維素酶解得率，結(jié)果使酶解的產(chǎn)率比未加時提高了 50 60%，比僅加吐溫時提高了 10 20%。
(3)活性炭和吐溫的協(xié)同作用可以減少纖維素酶的用量，降低木質(zhì)纖維類原料酶水解的成本；而且此方法操作簡單，對生態(tài)系統(tǒng)無毒害作用，應(yīng)用前景廣闊。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的描述，但本發(fā)明的實(shí)施方式不限于此。
實(shí)施例1
a.取經(jīng)過干燥、粉碎至80目的玉米秸稈20g，加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為氫氧化鈉溶液 300mL，混合均勻，在100°C條件下處理3小時，趁熱過濾，并用熱水洗至中性，將濾渣烘干， 粉碎備用。
b.取步驟a得到的物料1. 5g，與新配制的pH為4. 8的檸檬酸-檸檬酸鈉緩沖溶液70mL混合均勻，在50°C下預(yù)熱10分鐘，加入0. 07g粉末活性炭、0. 225g吐溫-80和纖維素酶75mg，在50°C的恒溫振蕩器中連續(xù)振蕩45小時，測得還原糖總量為1. 185g，酶解得率為 71. 1%。
酶解得率=-0.9X100% X還原糖總量/原料干重
對比例1
本對比例說明未加活性炭和吐溫時玉米秸稈酶水解的產(chǎn)率。
按照實(shí)施例1的方法進(jìn)行酶解，不同的是，在步驟b中未添加粉末活性炭和吐溫-80，其他條件與實(shí)施例1相同。結(jié)果測得還原糖總量為0. 75g，酶解得率為45%。
由實(shí)施例1和對比例1可以看出，活性劑和吐溫-80的加入使酶解得率提高了 58%。
對比例1，
本對比例說明僅加吐溫時玉米秸稈酶水解的產(chǎn)率。
按照實(shí)施例1的方法進(jìn)行酶解，不同的是，在步驟b中未粉末活性炭，其他條件與實(shí)施例1相同。結(jié)果測得還原糖總量為1. 035g，酶解得率為62. 1%。
由實(shí)施例1和對比例1’可以看出，本發(fā)明同時加入粉末活性炭和吐溫使酶解得率提高了 14%。
實(shí)施例2
a.取經(jīng)過干燥、粉碎至80目的玉米秸稈20g，加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為氫氧化鈉溶液 300mL，混合均勻，在100°C條件下處理3小時，趁熱過濾，并用熱水洗至中性，將濾渣烘干， 粉碎備用。
b.取步驟a得到的物料1. 5g，與新配制的pH為4. 8的檸檬酸-檸檬酸鈉緩沖溶液70mL混合均勻，在50°C下預(yù)熱10分鐘，加入0. 03g粉末活性炭、0. 25g吐溫-20和纖維素酶30mg，在50°C的恒溫振蕩器中連續(xù)振蕩80小時，測得還原糖總量為0. 63g，酶解得率為 37. 8%。
對比例2
本對比例說明未加活性炭和吐溫時玉米秸稈酶水解的產(chǎn)率。
按照實(shí)施例2的方法進(jìn)行酶解，不同的是，在步驟b中未添加粉末活性炭和吐溫-20，當(dāng)纖維素酶用量仍為30mg時，還原糖總量為0. 328g,酶解得率僅為19. 6% ；當(dāng)纖維素酶加倍，即60mg時，還原糖總量和酶解得率與上述實(shí)施例2相同，即分別為0. 63g和 37. 8%。
由實(shí)施例2和對比例2可以看出，在酶解得率相同的情況下，加入粉末活性炭和吐溫-20可以將酶的用量減少一半。
實(shí)施例3
a.取經(jīng)過干燥、粉碎至80目的玉米秸稈20g，加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%氫氧化鈉溶液 300mL，混合均勻，在100°C條件下處理3小時，趁熱過濾，并用熱水洗至中性，將濾渣烘干， 粉碎備用。
b.取步驟a得到的物料1. 5g，與新配制的pH為4. 5的醋酸-醋酸鈉緩沖溶液45mL 混合均勻，在50°C下預(yù)熱45分鐘，加入0. 7g粉狀活性炭、0. 12g吐溫-80和纖維素酶75mg， 在55°C的恒溫振蕩器中連續(xù)振蕩57小時，測得還原糖總量為0. 762g，酶解得率為46%。
實(shí)施例4
a.取經(jīng)過干燥、粉碎至80目的甘蔗渣20g，加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%氫氧化鈉溶液 200mL，混合均勻，在80°C條件下處理3小時，趁熱過濾，并用熱水洗至中性，將濾渣烘干，粉
碎備用。
b.取步驟a得到的物料1. 5g，與新配制的pH為4的醋酸-醋酸鈉緩沖溶液90mL 混合均勻，在60°C下預(yù)熱10分鐘，加入0. 015g顆粒狀活性炭、0. 20g吐溫-20和纖維素酶15mg，在50°C的恒溫振蕩器中連續(xù)振蕩5小時，測得還原糖總量為0. 716g，酶解得率為[0043]實(shí)施例5
a.取經(jīng)過干燥、粉碎至80目的玉米秸稈20g，加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0. 5%氫氧化鈉溶液 300mL，混合均勻，在100°C條件下處理1小時，趁熱過濾，并用熱水洗至中性，將濾渣烘干， 粉碎備用。
b.取步驟a得到的物料1. 5g，與新配制的pH為5. 0的醋酸-醋酸鈉緩沖溶液 70mL混合均勻，在50°C下預(yù)熱20分鐘，加入0. 225g粉狀活性炭、2. Og吐溫-20和纖維素酶150mg，在50°C的恒溫振蕩器中連續(xù)振蕩10小時，測得還原糖總量為1. 049g，酶解得率為 70%。
實(shí)施例6
a.取經(jīng)過干燥、粉碎至80目的稻草20g，加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為氫氧化鈉溶液 300mL，混合均勻，在80°C條件下處理6小時，趁熱過濾，并用熱水洗至中性，將濾渣烘干，粉
碎備用。
b.取步驟a得到的物料1. 5g，與新配制的pH為7的磷酸氫二鈉-氫氧化鈉緩沖溶液70mL混合均勻，在45°C下預(yù)熱10分鐘，加入0. 045g圓柱形活性炭、7. Og吐溫-65和纖維素酶45mg，在50°C的恒溫振蕩器中連續(xù)振蕩100小時，測得還原糖總量為0. 589g，酶解得率為38%。
權(quán)利要求
1. 一種木質(zhì)纖維原料的酶解方法，其特征在于包括下述步驟(1)首先用堿預(yù)處理木質(zhì)纖維原料所述堿預(yù)處理是指在木質(zhì)纖維原料中加入氫氧化鈉溶液，然后在80 120°C下預(yù)處理1 6小時，再過濾、烘干；所述木質(zhì)纖維原料與氫氧化鈉溶液的質(zhì)量比為1 10 1 30，所述氫氧化鈉的濃度為0.1 20%質(zhì)量；(2)然后加入緩沖溶液預(yù)熱所述緩沖溶液是檸檬酸-檸檬酸鹽、醋酸-醋酸鹽或磷酸氫二鹽-氫氧化鈉，所述緩沖溶液的pH值為4 7 ；所述木質(zhì)纖維原料與緩沖溶液的質(zhì)量比為1 30 1 60 ；所述預(yù)熱的溫度是45 60°C，預(yù)熱時間是10 60分鐘；(3)再用纖維素酶、活性炭和吐溫對原料進(jìn)行水解所述木質(zhì)纖維原料為100質(zhì)量份、 活性炭為1 15質(zhì)量份、吐溫為8 60質(zhì)量份、纖維素酶為1 10質(zhì)量份；所述水解溫度為45 55°C ；水解時間為5 100小時；所述吐溫是吐溫-20、吐溫-65或吐溫-80。
專利摘要
本發(fā)明公開了一種木質(zhì)纖維類原料的酶解方法，首先用堿預(yù)處理原料，然后加入緩沖溶液預(yù)熱，再用纖維素酶、活性炭和吐溫對纖維原料進(jìn)行水解。該方法產(chǎn)率高，成本低，對生態(tài)系統(tǒng)無毒害作用，應(yīng)用前景廣闊。
文檔編號C12P19/02GKCN101555506 B發(fā)布類型授權(quán) 專利申請?zhí)朇N 200910039292
公開日2012年2月29日 申請日期2009年5月7日
發(fā)明者劉偉, 龐浩, 廖兵, 計紅果 申請人:中國科學(xué)院廣州化學(xué)研究所導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan專利引用 (1), 非專利引用 (4),