秸稈的酶解糖化處理方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種秸桿的酶解糖化處理方法，特別是涉及一種提高秸桿糖化率的酶 解糖化處理方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 目前，人類正面臨著資源匱乏、能源短缺和環(huán)境污染等全球性問題，許多國家都在 積極探索和深入研宄新能源，其中，纖維乙醇作為一種新型的、可再生清潔能源，越來越受 到重視。
[0003] 纖維乙醇是以農(nóng)作物殼皮莖桿、樹葉、秸桿等纖維物質(zhì)為原料，經(jīng)過酶解糖化、發(fā) 酵而得到的燃料乙醇。我國是一個農(nóng)業(yè)大國，農(nóng)作物秸桿的年產(chǎn)量約7億多噸，居世界之 首，能夠為燃料乙醇的生產(chǎn)提供充足的原料基礎(chǔ)。
[0004] 秸桿的主要成分是纖維素（約含42% )、半纖維素（約含32% )和木質(zhì)素（約 8% )，纖維素是葡萄糖脫水、通過β -1，4葡萄糖苷鍵連接而成的直鏈聚合體，纖維素分子 間通過大量的氫鍵連接在一起形成晶體結(jié)構(gòu)的纖維素束，纖維素束主要被半纖維素包圍， 其次是被木質(zhì)素的環(huán)鞘包圍，由此形成了天然復(fù)雜致密的結(jié)構(gòu)，這限制了纖維素酶與纖維 素的直接接觸，增加了酶解的難度，導(dǎo)致酶解糖化率低，制約了纖維乙醇的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 基于此，本發(fā)明的目的在于，提供一種能有效提高秸桿糖化率的酶解糖化處理方 法。
[0006] 一種秸桿的酶解糖化處理方法，包括以下步驟：
[0007] 1)將秸桿曬干后粉碎，用篩子進(jìn)行過篩，得到秸桿粉狀物；
[0008] 2)將秸桿粉狀物加入稀鹽酸中進(jìn)行酸化反應(yīng)，反應(yīng)結(jié)束后降至室溫，得到秸桿漿 液；
[0009] 3)向秸桿漿液中加入纖維素酶、木聚糖酶、氯化鎂、吐溫80和蒸餾水，得到酶解漿 液，然后進(jìn)行酶解糖化反應(yīng)。
[0010] 在其中一個實施例中，在步驟1)中，篩子的目數(shù)為40?80目。
[0011] 在其中一個實施例中，在步驟2)中，稀鹽酸的質(zhì)量濃度為0.8?1.0%，稀鹽酸的 添加量為800?IOOOmL每IOOg秸桿。
[0012] 在其中一個實施例中，在步驟2)中，所述的酸化反應(yīng)是在高壓鍋中，在110? 130°C的溫度下進(jìn)行反應(yīng)，反應(yīng)時間為60?90分鐘。
[0013] 在其中一個實施例中，在步驟3)中，纖維素酶的添加量為2.0?3. Og每IOOg秸 桿，木聚糖酶的添加量為1. 5?2. 5g每IOOg秸桿；氯化鎂在酶解漿液中的濃度為2. 0? 2. 5mmol/L ;吐溫80在酶解漿液中的體積濃度為1?2%。
[0014] 在其中一個實施例中，在步驟3)中，酶解漿液的液固比為10 : 1?15 : 1，ρΗ值 為 4. 5 ?5. 5。
[0015] 在其中一個實施例中，在步驟3)中，酶解糖化反應(yīng)的反應(yīng)溫度為50?55°C，反應(yīng) 時間為48?50小時。
[0016] 本發(fā)明所述的秸桿酶解糖化處理方法，能夠顯著提高秸桿的酶解糖化效果，在酶 解后的糖化液中，還原糖的濃度高達(dá)29. lg/L，糖產(chǎn)量高達(dá)43. 65%。
[0017] 在本發(fā)明所述的秸桿酶解糖化處理方法中，秸桿粉碎后用40?80目的篩子過篩， 以確保秸桿粉狀物的粒徑足夠細(xì)，從而提高其在酸化反應(yīng)過程中與稀鹽酸的接觸面積，以 及提高水蒸汽對秸桿粉狀物的穿透力。
[0018] 在本發(fā)明所述的秸桿酶解糖化處理方法中，采用質(zhì)量濃度為0. 5?I. 0%的稀鹽 酸，在高壓鍋中于110?130°C下對秸桿粉狀物進(jìn)行酸化反應(yīng)，在熱降解和酸性水解的雙重 作用下，將秸桿的致密纖維結(jié)構(gòu)破壞，并將半纖維素水解為葡萄糖、半乳糖、甘露糖、木糖等 可發(fā)酵性還原糖。在高壓水蒸汽的高熱量和穿透力作用下，熱蒸汽分子滲入纖維內(nèi)部，并在 纖維內(nèi)部及周圍作高速瞬間流動，使纖維結(jié)構(gòu)發(fā)生機械斷裂；同時，在高溫和酸性條件下， 可進(jìn)一步破壞纖維素束中的β-1，4葡萄糖苷鍵，從而降低纖維素的結(jié)晶度和聚合度，由 此，可有效破壞秸桿的致密纖維結(jié)構(gòu)，提高纖維素的酶解效率。
[0019] 在本發(fā)明所述的秸桿酶解糖化處理方法中，酸化反應(yīng)采用質(zhì)量濃度為0. 8? 1. 0%的稀鹽酸，若鹽酸的濃度大于1. 0%，會對后續(xù)添加的纖維素酶、木聚糖酶產(chǎn)生抑制作 用；若鹽酸的濃度小于〇. 8 %，則無法充分第破壞秸桿的致密纖維結(jié)構(gòu)，均會降低秸桿的酶 解糖化率。酸化反應(yīng)的溫度控制在110?130°C，若溫度過低，會導(dǎo)致水蒸汽的產(chǎn)生量不足， 對秸桿粉狀物的穿透力不足；酸化反應(yīng)的時間控制在60?90分鐘，若時間過短，會導(dǎo)致反 應(yīng)不徹底，降低酶解效果。
[0020] 在本發(fā)明所述的秸桿酶解糖化處理方法中，采用纖維素酶、木聚糖酶，在氯化鎂溶 液的催化作用下，能夠有效地將纖維素和木質(zhì)素酶解為葡萄糖、半乳糖、甘露糖、木糖等可 發(fā)酵性還原糖。氯化鎂中的鎂離子對纖維素酶和木聚糖酶具有激活作用，能夠顯著提高纖 維素酶和木聚糖酶的活力，提高其酶解效率，從而能顯著提高秸桿的酶解糖化率。通過添加 吐溫80,能夠增加纖維素酶、木聚糖酶在水中的溶解度，防止其析出而降低酶解效果。
[0021] 在本發(fā)明所述的秸桿酶解糖化處理方法中，氯化鎂在酶解漿液中的濃度控制在 2. 0?2. 5mmol/L。由于纖維素酶與木聚糖酶具有不同的酶解活性，對氯化鎂的激活濃度要 求也不相同，若氯化鎂的濃度選擇不當(dāng)，會導(dǎo)致其中之一甚至兩者產(chǎn)生抑制作用。在2.0? 2. 5mmol/L的濃度下，氯化鎂對纖維素酶和木聚糖酶均具有最佳的促進(jìn)作用，酶解糖化效果 最佳。吐溫80在酶解漿液中的體積濃度控制在1?2%，若吐溫80的用量多低，增溶效果 差；若吐溫80的用量過多，會抑制后期發(fā)酵處理時菌種的生長。此外，酶解漿液的液固比控 制在10 : 1?15 : 1，若液體比例過多，會使纖維素酶和木聚糖酶被過度稀釋，降低酶解效 果；若液體比例過少，會影響酶解后的發(fā)酵效果，影響纖維乙醇的產(chǎn)生。酶解漿液的PH值控 制在4. 5?5. 5,酶解反應(yīng)溫度控制在50?55°C，反應(yīng)時間控制在48?50小時，能確保纖 維素酶和木聚糖酶具有最佳的反應(yīng)活性，避免酶失活，從而確保最佳的酶解糖化效果；若酶 解反應(yīng)時間過長，還會導(dǎo)致酶解后得到的糖化液容易腐敗，影響纖維乙醇的產(chǎn)生。
【具體實施方式】
[0022] 實施例一：秸桿的酶解糖化處理
[0023] 將高粱秸桿曬干后粉碎，用60目篩子進(jìn)行過篩，得到高粱秸桿粉狀物。取IOg高 粱秸桿粉狀物加入三角瓶中，加入IOOmL質(zhì)量濃度為I. 0%的稀鹽酸，然后置于滅菌高壓鍋 中，在120°C的溫度下進(jìn)行酸化反應(yīng)，反應(yīng)60分鐘后，從滅菌高壓鍋中取出，在室溫下自然 降溫，得到高粱秸桿漿液。
[0024] 向高粱秸桿漿液中加入0. 25g纖維素酶（2. 5g每IOOg秸桿）、0. 2g木聚糖酶（2. Og 每 IOOg 稻桿）、0· 375mmol 氯化鎂（2. 5mmol/L)、I. 5mL 吐溫 80 (1 % )和 50mL 蒸餾水，得到 液固比為15 : 1的酶解漿液，調(diào)pH值至5.0,然后置于水浴鍋中，在50°C下酶解糖化反應(yīng) 48小時。反應(yīng)結(jié)束后過濾，除去固體不溶物，得到澄清的糖化液，滅菌備用。
[0025] 采用3, 5-二硝基水楊酸（DNS)法測定糖化液中的還原糖含量，具體步驟如下：
[0026] 1)將3, 5-二硝基水楊酸6. 3g溶于262mL 2. ON的氫氧化鈉溶液中，加入500mL 酒石酸鉀鈉熱溶液（酒石酸鉀鈉182g)，再加入5g苯酚、5g亞硫酸鈉，攪拌溶解，定溶于 IOOOmL容量瓶中，得到DNS試劑，存放于棕色瓶中備用；
[0027] 2)準(zhǔn)確稱取IOOmg分析純葡萄糖，用適量蒸餾水溶解后，轉(zhuǎn)移至IOOmL的容量瓶 中，以蒸餾水定容至刻度，搖勻，得到lmg/mL的葡萄糖標(biāo)準(zhǔn)液，于冰箱保存?zhèn)溆茫?br>[0028] 3)分別取0、0. 2、0. 4、0. 6、0. 8、1. OmL的葡萄糖標(biāo)準(zhǔn)液，置于15mL的試管中，并用 蒸餾水補足至I. OmL，然后分別加入DNS試劑2mL，于沸水浴中加熱5min，冷卻后分別用蒸餾 水補足至15mL，在540nm波長下分別測定其吸光度。以吸光度為縱坐標(biāo)，葡萄糖的質(zhì)量為橫 坐標(biāo)，繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線；
[0029] 4)取ImL糖化液置于15mL的試管中，加入DNS試劑2mL，于沸水浴中加熱5min，冷 卻后用蒸餾水補足至15mL，在540nm波長下測定其吸光度，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線計算糖化液中的 還原糖含量。
[0030] 根據(jù)DNS法測定的還原糖含量，按照如下公式計算糖產(chǎn)量。經(jīng)計算，采用本實施例 的酶解糖化處理方法，糖化液中的還原糖濃度為29. lg/L，糖產(chǎn)量為43. 65%。
[0031] 糖產(chǎn)率=還原糖質(zhì)量/秸桿質(zhì)量X 100%
[0032] 實施例二：秸桿糖化效果的測試
[0033] 1、酸化反應(yīng)對秸桿糖化效果的作用
[0034] 按照實施例一所述的酶解糖化處理方法，分別用質(zhì)量濃度為1.0%的硫酸、亞硫 酸、甲酸、氫氧化鈉代替實施例一所采用的稀鹽酸，進(jìn)行酸化反應(yīng)，分別測定其經(jīng)酶解糖化 處理后的還原糖濃度，結(jié)果如表1所示。測試結(jié)果表明，采用稀鹽酸進(jìn)行酸化反應(yīng)具有最佳 的糖化效果。
[0035] 表 1
[0036]
【主權(quán)項】
1. 一種秸桿的酶解糖化處理方法，其特征在于，包括以下步驟： 1) 將秸桿曬干后粉碎，用篩子進(jìn)行過篩，得到秸桿粉狀物； 2) 將秸桿粉狀物加入稀鹽酸中進(jìn)行酸化反應(yīng)，反應(yīng)結(jié)束后降至室溫，得到秸桿漿液； 3) 向秸桿漿液中加入纖維素酶、木聚糖酶、氯化鎂、吐溫80和蒸餾水，得到酶解漿液， 然后進(jìn)行酶解糖化反應(yīng)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的酶解糖化處理方法，其特征在于：在步驟2)中，稀鹽酸的質(zhì) 量濃度為〇. 8?1. 0%，稀鹽酸的添加量為800?IOOOmL每IOOg秸桿。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的酶解糖化處理方法，其特征在于：在步驟2)中，所述的 酸化反應(yīng)是在高壓鍋中，在110?130°C的溫度下進(jìn)行反應(yīng)，反應(yīng)時間為60?90分鐘。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的酶解糖化處理方法，其特征在于：在步驟3)中，纖維素酶的 添加量為2. 0?3. Og每IOOg秸桿，木聚糖酶的添加量為1. 5?2. 5g每IOOg秸桿；氯化鎂 在酶解漿液中的濃度為2. 0?2. 5mmol/L ;吐溫80在酶解漿液中的體積濃度為1?2%。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1或4所述的酶解糖化處理方法，其特征在于：在步驟3)中，酶解漿 液的液固比為10 : 1?15 : 1，pH值為4. 5?5. 5。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1或4所述的酶解糖化處理方法，其特征在于：在步驟3)中，酶解糖 化反應(yīng)的反應(yīng)溫度為50?55°C，反應(yīng)時間為48?50小時。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的酶解糖化處理方法，其特征在于：在步驟1)中，篩子的目數(shù) 為40?80目。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種秸稈的酶解糖化處理方法，其包括以下步驟：1)將秸稈曬干后粉碎，用篩子進(jìn)行過篩，得到秸稈粉狀物；2)將秸稈粉狀物加入稀鹽酸中進(jìn)行酸化反應(yīng)，反應(yīng)結(jié)束后降至室溫，得到秸稈漿液；3)向秸稈漿液中加入纖維素酶、木聚糖酶、氯化鎂、吐溫80和蒸餾水，得到酶解漿液，然后進(jìn)行酶解糖化反應(yīng)。本發(fā)明所述的秸稈酶解糖化處理方法，能夠顯著提高秸稈的酶解糖化效果。
【IPC分類】C12P7-10, C12P19-14
【公開號】CN104561129
【申請?zhí)枴緾N201410853378
【發(fā)明人】康靜, 馮沖, 劉涌濤, 毛會麗, 王燕, 胡渙渙
【申請人】新鄉(xiāng)醫(yī)學(xué)院
【公開日】2015年4月29日
【申請日】2014年12月31日