本發(fā)明涉及生物技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種由棉短絨直接制備微晶纖維素的方法。
背景技術(shù)：
微晶纖維素（MCC）是天然纖維素水解后達(dá)到極限聚合度的極細(xì)微的白色短棒狀或無定形結(jié)晶粉末，極限聚合度（LODP）在15-375（葡萄糖單元）；不具纖維性而流動(dòng)性極強(qiáng)。目前，微晶纖維素被廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥、食品、化妝品以及輕化工行業(yè)。
微晶纖維素的原料很多都是用木材和棉花，成本較高。棉短絨是所有纖維原料中纖維素含量最豐富的，含量在93%以上（相對棉短絨干基質(zhì)量）。因而，用棉短絨取代棉花和木材制備食品及醫(yī)藥級的微晶纖維素是個(gè)很好的選擇。
然而現(xiàn)有技術(shù)采用棉短絨需要先制備出天然纖維素，然后再進(jìn)行水解，工序復(fù)雜，得率低且所得微晶纖維素質(zhì)量差、純度低?，F(xiàn)有技術(shù)尚未發(fā)現(xiàn)采用棉短絨直接制備微晶纖維素的方法。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
為了彌補(bǔ)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供了一種工藝簡單、微晶纖維素得率高且所得微晶纖維素質(zhì)量非常好的由棉短絨直接制備微晶纖維素的方法。
本發(fā)明的技術(shù)方案為：
一種由棉短絨直接制備微晶纖維素的方法，包括步驟：
1）將經(jīng)過預(yù)處理的棉短絨置于汽爆分離器中，加入棉短絨質(zhì)量1-20倍的水，采用稀堿液調(diào)節(jié)pH7.2-9，通入惰性氣體，使棉短絨均勻分布，預(yù)浸10-30分鐘；
2）加入復(fù)合蛋白酶，間歇1-3分鐘，通入惰性氣體，酶解10-80分鐘；加入常溫型α-淀粉酶，酶解10-80分鐘；再加入綠色木霉分泌的纖維素酶，酶解20-120分鐘；酶解完畢后通入蒸汽升溫至60-85℃，保溫2-30分鐘，滅活酶的活性；所述復(fù)合蛋白酶由具備內(nèi)肽酶活性的堿性蛋白酶和具備端肽酶活性的蛋白酶K組成；所述常溫型α-淀粉酶由微波誘導(dǎo)所得變異地衣芽孢桿菌分泌所得α-淀粉酶，所述常溫型α-淀粉酶的適宜溫度為22-35℃；
3）滅酶后，向汽爆分離器中加入堿至堿液質(zhì)量濃度為1-10%，接著向汽爆分離器中通入惰性氣體，將汽爆分離器內(nèi)空氣排凈、封口；通入水蒸汽至溫度升至50-100℃；然后間歇性向汽爆分離器內(nèi)通入惰性氣體，以維持汽爆分離器內(nèi)壓力為1-2MPa，蒸煮30-180分鐘后噴放；
4）噴放漿狀物趁熱固液分離，得濾渣一和濾液一；
5）將濾渣一置于漂白罐，加入濾渣一1-10倍質(zhì)量的水，攪勻，加入雙氧水至雙氧水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%-5%，于40-80℃下保溫20-120分鐘，進(jìn)行漂白處理；
6）漂白處理完畢后固液分離，得濾渣二和濾液二；濾渣二采用水洗滌；
7）洗滌后的濾渣二經(jīng)干燥、粉碎，得微晶纖維素成品。
作為優(yōu)選方案，步驟1）中，所述棉短絨的預(yù)處理為：棉短絨開包、疏解、去雜、除塵。
作為優(yōu)選方案，步驟2）中，所述微波誘導(dǎo)所得變異地衣芽孢桿菌的獲取步驟具體為：將地衣芽孢桿菌的培養(yǎng)液置于微波發(fā)生器，設(shè)置微波功率為850-950W，脈沖頻率為2300MHz，微波處理20s，冷卻20s，依此往復(fù)25-35次；將微波處理后的培養(yǎng)液涂布在固體培養(yǎng)基上，30℃條件下培養(yǎng)1-2天，由存活下來的菌落中篩選四株常溫下α-淀粉酶活性高的地衣芽孢桿菌的變異菌株。
進(jìn)一步的，選出常溫下α-淀粉酶活性最高的地衣芽孢桿菌的變異菌株擴(kuò)大培養(yǎng)，從而獲得所述常溫型α-淀粉酶。采用該方法獲得的常溫型α-淀粉酶，在常溫下即可高效酶解淀粉，既降低了能耗，又避免了副反應(yīng)的發(fā)生。
作為優(yōu)選方案，所述復(fù)合蛋白酶中具備內(nèi)肽酶活性的堿性蛋白酶與具備端肽酶活性的蛋白酶K的比例為1:1-3。
作為優(yōu)選方案，所述復(fù)合蛋白酶的加入量滿足每千克干基棉短絨400-800U，所述常溫型α-淀粉酶的加入量滿足每千克干基棉短絨300-700U；所述綠色木霉分泌的纖維素酶的加入量滿足每千克干基棉短絨200-900U。
作為優(yōu)選方案，步驟3）中，所述堿為氫氧化鈉、氫氧化鉀、氨水或氫氧化鈣。
作為優(yōu)選方案，所述惰性氣體為氮?dú)狻⒑饣驓鍤狻?/p>
作為優(yōu)選方案，步驟6）中，濾渣二采用水洗滌2-4遍。
作為優(yōu)選方案，步驟7）中，所述干燥為熱風(fēng)干燥、流化床干燥、冷凍干燥；干燥溫度低于90℃。
本發(fā)明的有益效果為：
本發(fā)明使用特殊的蛋白酶、特殊的常溫型淀粉酶在常溫下成功高效脫除蛋白質(zhì)、淀粉，避免副反應(yīng)的發(fā)生，保持分子結(jié)構(gòu)的完整性；使用堿液脫除半纖維素、木質(zhì)素、灰分、油脂類物質(zhì)等。并采用特殊的纖維素酶，部分降解纖維素分子，pH保持微堿性，使得纖維素分子結(jié)晶區(qū)得到保護(hù)；微堿性條件下該纖維素酶破壞結(jié)晶區(qū)的功能被弱化，使得纖維素分子結(jié)晶區(qū)的片段得以保留，該片段即是本發(fā)明制備的微晶纖維素。
另外，汽爆過程中，采用低溫、高壓（惰性氣體提供）環(huán)境；高壓條件保證了堿液向原料細(xì)胞壁間的有效滲透，確保了微晶纖維素的得率；低溫及惰性環(huán)境避免了纖維素的分解反應(yīng)、脫水（焦化）反應(yīng)、剝皮反應(yīng)、氧化反應(yīng)、乙?；孽セ磻?yīng)等，確保了纖維素的完整性及純度，進(jìn)而確保了本發(fā)明微晶纖維素的純度。
本發(fā)明通過簡單工藝成功脫除棉短絨中的蛋白質(zhì)、淀粉、油脂類、灰分、半纖維素、木質(zhì)素等成份，并有效保留纖維素分子結(jié)晶區(qū)的片段，獲得質(zhì)量極好的微晶纖維素；本發(fā)明工藝簡單，易于操作和推廣。
具體實(shí)施方式
實(shí)施例1
一種由棉短絨直接制備微晶纖維素的方法，包括步驟：
1）將棉短絨開包、疏解、去雜、除塵后置于汽爆分離器中，加入棉短絨質(zhì)量10倍的水，采用稀氫氧化鉀溶液調(diào)節(jié)pH7.5，通入氮?dú)?，使棉短絨均勻分布，預(yù)浸20分鐘。
2）加入復(fù)合蛋白酶（600U/Kg干基棉短絨），間歇1分鐘，通入氮?dú)?，酶?0分鐘；加入常溫型α-淀粉酶（500U/Kg干基棉短絨），酶解30分鐘；再加入綠色木霉分泌的纖維素酶（600U/Kg干基棉短絨），酶解80分鐘；酶解完畢后通入蒸汽升溫至65℃，保溫10分鐘，滅活酶的活性；所述復(fù)合蛋白酶由具備內(nèi)肽酶活性的堿性蛋白酶和具備端肽酶活性的蛋白酶K組成；所述常溫型α-淀粉酶由微波誘導(dǎo)所得變異地衣芽孢桿菌分泌所得α-淀粉酶，所述常溫型α-淀粉酶的適宜溫度為22-35℃。
其中，復(fù)合蛋白酶由具備內(nèi)肽酶活性的堿性蛋白酶和具備端肽酶活性的蛋白酶K組成，復(fù)合蛋白酶中具備內(nèi)肽酶活性的堿性蛋白酶與具備端肽酶活性的蛋白酶K的比例為1: 1；該復(fù)合蛋白酶可以在常溫下高效水解蛋白質(zhì)。
常溫型α-淀粉酶由微波誘導(dǎo)所得變異地衣芽孢桿菌分泌所得α-淀粉酶；微波誘導(dǎo)所得變異地衣芽孢桿菌的獲取步驟具體為：將地衣芽孢桿菌的培養(yǎng)液置于微波發(fā)生器，設(shè)置微波功率為900W，脈沖頻率為2300MHz，微波處理20s，冷卻20s，依此往復(fù)30次；將微波處理后的培養(yǎng)液涂布在固體培養(yǎng)基上，30℃條件下培養(yǎng)1-2天，由存活下來的菌落中篩選四株常溫下α-淀粉酶活性高的地衣芽孢桿菌的變異菌株。選出常溫下α-淀粉酶活性最高的地衣芽孢桿菌的變異菌株擴(kuò)大培養(yǎng)，從而獲得常溫型α-淀粉酶；常溫型α-淀粉酶在22-35℃溫度下高效率地水解淀粉，不必像目前大多采用的高溫型α-淀粉酶需要高溫（80-90℃）條件，因而減少了能耗也降低了對設(shè)備的要求，同時(shí)極大減少了副反應(yīng)的發(fā)生。
此處用酶法可以柔和地將蛋白質(zhì)、淀粉水解成小分子的肽類、氨基酸、麥芽糖、葡萄糖等進(jìn)入濾液中，從而成功脫除蛋白質(zhì)和淀粉。
采用特殊的纖維素酶（由綠色木霉分泌的纖維素酶。經(jīng)試驗(yàn)，其它纖維素酶均無法達(dá)到本發(fā)明效果，采用其它纖維素酶所得微晶纖維素質(zhì)量差，得率低），部分降解纖維素分子，pH保持微堿性，使得纖維素分子結(jié)晶區(qū)得到保護(hù)；微堿性條件下該纖維素酶破壞結(jié)晶區(qū)的功能被弱化，使得纖維素分子結(jié)晶區(qū)的片段得以保留，該片段即是本發(fā)明制備的微晶纖維素。
3）滅酶后，向汽爆分離器中加入氫氧化鉀至堿液質(zhì)量濃度為5%，接著向汽爆分離器中通入氮?dú)?，將汽爆分離器內(nèi)空氣排凈、封口；通入水蒸汽至溫度升至80℃；然后間歇性向汽爆分離器內(nèi)通入氮?dú)?，以維持汽爆分離器內(nèi)壓力為1.5MPa，蒸煮80分鐘后噴放。
本步驟在汽爆分離過程中，木質(zhì)素、半纖維素、灰分等均溶入熱堿液中；采用較低蒸煮溫度（80℃，通入熱蒸汽實(shí)現(xiàn)）避免了纖維素的分解反應(yīng)、脫水（焦化）反應(yīng)、剝皮反應(yīng)等，采用較高鍋內(nèi)壓力（1.5MPa，通過空壓機(jī)通入氮?dú)鈱?shí)現(xiàn)）保證了堿液向原料細(xì)胞壁間的有效滲透，采用惰性環(huán)境（通入氮?dú)鈱?shí)現(xiàn)）避免了纖維素分子基團(tuán)的氧化反應(yīng)、乙?；孽セ磻?yīng)等。
4）噴放漿狀物趁熱固液分離，得濾渣一和濾液一。濾渣一即為含有微晶纖維素的漿料，濾液一為脫除的半纖維素、灰分硅質(zhì)等無機(jī)鹽、木質(zhì)素以及酶解后的小分子物質(zhì)等。
5）將濾渣一置于漂白罐，加入濾渣一5倍質(zhì)量的水，攪勻，加入雙氧水至雙氧水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%，于60℃下保溫60分鐘，進(jìn)行漂白處理。
6）漂白處理完畢后固液分離，得濾渣二和濾液二；濾渣二采用水洗滌3遍。
7）洗滌后的濾渣二經(jīng)熱風(fēng)干燥（干燥溫度低于90℃）、粉碎，得微晶纖維素成品。此處溫度掌握在90℃以下，以確保微晶纖維素分子的穩(wěn)定性。經(jīng)檢測，本實(shí)施例所得微晶纖維素的質(zhì)量為棉短絨干基質(zhì)量的94.8％（得率非常高），聚合度為184，結(jié)晶度為89.2％。
實(shí)施例2
一種由棉短絨直接制備微晶纖維素的方法，包括步驟：
1）將棉短絨開包、疏解、去雜、除塵后置于汽爆分離器中，加入棉短絨質(zhì)量12倍的水，采用稀堿液調(diào)節(jié)pH7.8，通入氮?dú)?，使棉短絨均勻分布，預(yù)浸25分鐘。
2）加入復(fù)合蛋白酶（650U/Kg干基棉短絨），間歇1-3分鐘，通入氮?dú)?，酶?0分鐘；加入常溫型α-淀粉酶（550U/Kg干基棉短絨），酶解25分鐘；再加入綠色木霉分泌的纖維素酶（650U/Kg干基棉短絨），酶解70分鐘；酶解完畢后通入蒸汽升溫至68℃，保溫12分鐘，滅活酶的活性；所述復(fù)合蛋白酶由具備內(nèi)肽酶活性的堿性蛋白酶和具備端肽酶活性的蛋白酶K組成；所述常溫型α-淀粉酶由微波誘導(dǎo)所得變異地衣芽孢桿菌分泌所得α-淀粉酶，所述常溫型α-淀粉酶的適宜溫度為22-35℃。
其中，復(fù)合蛋白酶由具備內(nèi)肽酶活性的堿性蛋白酶和具備端肽酶活性的蛋白酶K組成，復(fù)合蛋白酶中具備內(nèi)肽酶活性的堿性蛋白酶與具備端肽酶活性的蛋白酶K的比例為1: 2；該復(fù)合蛋白酶可以在常溫下高效水解蛋白質(zhì)。
常溫型α-淀粉酶由微波誘導(dǎo)所得變異地衣芽孢桿菌分泌所得α-淀粉酶；微波誘導(dǎo)所得變異地衣芽孢桿菌的獲取步驟具體為：將地衣芽孢桿菌的培養(yǎng)液置于微波發(fā)生器，設(shè)置微波功率為900W，脈沖頻率為2300MHz，微波處理20s，冷卻20s，依此往復(fù)30次；將微波處理后的培養(yǎng)液涂布在固體培養(yǎng)基上，30℃條件下培養(yǎng)1-2天，由存活下來的菌落中篩選四株常溫下α-淀粉酶活性高的地衣芽孢桿菌的變異菌株。選出常溫下α-淀粉酶活性最高的地衣芽孢桿菌的變異菌株擴(kuò)大培養(yǎng)，從而獲得常溫型α-淀粉酶；常溫型α-淀粉酶在22-35℃溫度下高效率地水解淀粉，不必像目前大多采用的高溫型α-淀粉酶需要高溫（80-90℃）條件，因而減少了能耗也降低了對設(shè)備的要求，同時(shí)極大減少了副反應(yīng)的發(fā)生。
此處用酶法可以柔和地將蛋白質(zhì)、淀粉水解成小分子的肽類、氨基酸、麥芽糖、葡萄糖等進(jìn)入濾液中，從而成功脫除蛋白質(zhì)和淀粉。
采用特殊的纖維素酶（由綠色木霉分泌的纖維素酶，經(jīng)試驗(yàn)，其它纖維素酶均無法達(dá)到本發(fā)明效果，采用其它纖維素酶所得微晶纖維素質(zhì)量差，得率低），部分降解纖維素分子，pH保持微堿性，使得纖維素分子結(jié)晶區(qū)得到保護(hù)；微堿性條件下該纖維素酶破壞結(jié)晶區(qū)的功能被弱化，使得纖維素分子結(jié)晶區(qū)的片段得以保留，該片段即是本發(fā)明制備的微晶纖維素。
3）滅酶后，向汽爆分離器中加入堿至堿液質(zhì)量濃度為6%，接著向汽爆分離器中通入氮?dú)?，將汽爆分離器內(nèi)空氣排凈、封口；通入水蒸汽至溫度升至85℃；然后間歇性向汽爆分離器內(nèi)通入氮?dú)?，以維持汽爆分離器內(nèi)壓力為1.7MPa，蒸煮60分鐘后噴放。
本步驟在汽爆分離過程中，木質(zhì)素、半纖維素、灰分等均溶入熱堿液中；采用較低蒸煮溫度（85℃，通入熱蒸汽實(shí)現(xiàn)）避免了纖維素的分解反應(yīng)、脫水（焦化）反應(yīng)、剝皮反應(yīng)等，采用較高鍋內(nèi)壓力（1.7MPa，通過空壓機(jī)通入氮?dú)鈱?shí)現(xiàn)）保證了堿液向原料細(xì)胞壁間的有效滲透，采用惰性環(huán)境（通入氮?dú)鈱?shí)現(xiàn)）避免了纖維素分子基團(tuán)的氧化反應(yīng)、乙?；孽セ磻?yīng)等。
4）噴放漿狀物趁熱固液分離，得濾渣一和濾液一。濾渣一即為含有微晶纖維素的漿料，濾液一為脫除的半纖維素、灰分硅質(zhì)等無機(jī)鹽、木質(zhì)素以及酶解后的小分子物質(zhì)等。
5）將濾渣一置于漂白罐，加入濾渣一6倍質(zhì)量的水，攪勻，加入雙氧水至雙氧水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%，于65℃下保溫65分鐘，進(jìn)行漂白處理。
6）漂白處理完畢后固液分離，得濾渣二和濾液二；濾渣二采用水洗滌4遍。
7）洗滌后的濾渣二經(jīng)流化床干燥（干燥溫度低于90℃）、粉碎，得微晶纖維素成品。此處溫度掌握在90℃以下，以確保微晶纖維素分子的穩(wěn)定性。經(jīng)檢測，本實(shí)施例所得微晶纖維素的質(zhì)量為棉短絨干基質(zhì)量的94.5％（得率非常高），聚合度為177，結(jié)晶度為90.4％。