秸秆的酶解糖化处理方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种秸杆的酶解糖化处理方法，特别是涉及一种提高秸杆糖化率的酶 解糖化处理方法。
【背景技术】
[0002] 目前，人类正面临着资源匮乏、能源短缺和环境污染等全球性问题，许多国家都在 积极探索和深入研宄新能源，其中，纤维乙醇作为一种新型的、可再生清洁能源，越来越受 到重视。
[0003] 纤维乙醇是以农作物壳皮茎杆、树叶、秸杆等纤维物质为原料，经过酶解糖化、发 酵而得到的燃料乙醇。我国是一个农业大国，农作物秸杆的年产量约7亿多吨，居世界之 首，能够为燃料乙醇的生产提供充足的原料基础。
[0004] 秸杆的主要成分是纤维素（约含42% )、半纤维素（约含32% )和木质素（约 8% )，纤维素是葡萄糖脱水、通过β -1，4葡萄糖苷键连接而成的直链聚合体，纤维素分子 间通过大量的氢键连接在一起形成晶体结构的纤维素束，纤维素束主要被半纤维素包围， 其次是被木质素的环鞘包围，由此形成了天然复杂致密的结构，这限制了纤维素酶与纤维 素的直接接触，增加了酶解的难度，导致酶解糖化率低，制约了纤维乙醇的产业化发展。
【发明内容】
[0005] 基于此，本发明的目的在于，提供一种能有效提高秸杆糖化率的酶解糖化处理方 法。
[0006] 一种秸杆的酶解糖化处理方法，包括以下步骤：
[0007] 1)将秸杆晒干后粉碎，用筛子进行过筛，得到秸杆粉状物；
[0008] 2)将秸杆粉状物加入稀盐酸中进行酸化反应，反应结束后降至室温，得到秸杆浆 液；
[0009] 3)向秸杆浆液中加入纤维素酶、木聚糖酶、氯化镁、吐温80和蒸馏水，得到酶解浆 液，然后进行酶解糖化反应。
[0010] 在其中一个实施例中，在步骤1)中，筛子的目数为40?80目。
[0011] 在其中一个实施例中，在步骤2)中，稀盐酸的质量浓度为0.8?1.0%，稀盐酸的 添加量为800?IOOOmL每IOOg秸杆。
[0012] 在其中一个实施例中，在步骤2)中，所述的酸化反应是在高压锅中，在110? 130°C的温度下进行反应，反应时间为60?90分钟。
[0013] 在其中一个实施例中，在步骤3)中，纤维素酶的添加量为2.0?3. Og每IOOg秸 杆，木聚糖酶的添加量为1. 5?2. 5g每IOOg秸杆；氯化镁在酶解浆液中的浓度为2. 0? 2. 5mmol/L ;吐温80在酶解浆液中的体积浓度为1?2%。
[0014] 在其中一个实施例中，在步骤3)中，酶解浆液的液固比为10 : 1?15 : 1，ρΗ值 为 4. 5 ?5. 5。
[0015] 在其中一个实施例中，在步骤3)中，酶解糖化反应的反应温度为50?55°C，反应 时间为48?50小时。
[0016] 本发明所述的秸杆酶解糖化处理方法，能够显著提高秸杆的酶解糖化效果，在酶 解后的糖化液中，还原糖的浓度高达29. lg/L，糖产量高达43. 65%。
[0017] 在本发明所述的秸杆酶解糖化处理方法中，秸杆粉碎后用40?80目的筛子过筛， 以确保秸杆粉状物的粒径足够细，从而提高其在酸化反应过程中与稀盐酸的接触面积，以 及提高水蒸汽对秸杆粉状物的穿透力。
[0018] 在本发明所述的秸杆酶解糖化处理方法中，采用质量浓度为0. 5?I. 0%的稀盐 酸，在高压锅中于110?130°C下对秸杆粉状物进行酸化反应，在热降解和酸性水解的双重 作用下，将秸杆的致密纤维结构破坏，并将半纤维素水解为葡萄糖、半乳糖、甘露糖、木糖等 可发酵性还原糖。在高压水蒸汽的高热量和穿透力作用下，热蒸汽分子渗入纤维内部，并在 纤维内部及周围作高速瞬间流动，使纤维结构发生机械断裂；同时，在高温和酸性条件下， 可进一步破坏纤维素束中的β-1，4葡萄糖苷键，从而降低纤维素的结晶度和聚合度，由 此，可有效破坏秸杆的致密纤维结构，提高纤维素的酶解效率。
[0019] 在本发明所述的秸杆酶解糖化处理方法中，酸化反应采用质量浓度为0. 8? 1. 0%的稀盐酸，若盐酸的浓度大于1. 0%，会对后续添加的纤维素酶、木聚糖酶产生抑制作 用；若盐酸的浓度小于〇. 8 %，则无法充分第破坏秸杆的致密纤维结构，均会降低秸杆的酶 解糖化率。酸化反应的温度控制在110?130°C，若温度过低，会导致水蒸汽的产生量不足， 对秸杆粉状物的穿透力不足；酸化反应的时间控制在60?90分钟，若时间过短，会导致反 应不彻底，降低酶解效果。
[0020] 在本发明所述的秸杆酶解糖化处理方法中，采用纤维素酶、木聚糖酶，在氯化镁溶 液的催化作用下，能够有效地将纤维素和木质素酶解为葡萄糖、半乳糖、甘露糖、木糖等可 发酵性还原糖。氯化镁中的镁离子对纤维素酶和木聚糖酶具有激活作用，能够显著提高纤 维素酶和木聚糖酶的活力，提高其酶解效率，从而能显著提高秸杆的酶解糖化率。通过添加 吐温80,能够增加纤维素酶、木聚糖酶在水中的溶解度，防止其析出而降低酶解效果。
[0021] 在本发明所述的秸杆酶解糖化处理方法中，氯化镁在酶解浆液中的浓度控制在 2. 0?2. 5mmol/L。由于纤维素酶与木聚糖酶具有不同的酶解活性，对氯化镁的激活浓度要 求也不相同，若氯化镁的浓度选择不当，会导致其中之一甚至两者产生抑制作用。在2.0? 2. 5mmol/L的浓度下，氯化镁对纤维素酶和木聚糖酶均具有最佳的促进作用，酶解糖化效果 最佳。吐温80在酶解浆液中的体积浓度控制在1?2%，若吐温80的用量多低，增溶效果 差；若吐温80的用量过多，会抑制后期发酵处理时菌种的生长。此外，酶解浆液的液固比控 制在10 : 1?15 : 1，若液体比例过多，会使纤维素酶和木聚糖酶被过度稀释，降低酶解效 果；若液体比例过少，会影响酶解后的发酵效果，影响纤维乙醇的产生。酶解浆液的PH值控 制在4. 5?5. 5,酶解反应温度控制在50?55°C，反应时间控制在48?50小时，能确保纤 维素酶和木聚糖酶具有最佳的反应活性，避免酶失活，从而确保最佳的酶解糖化效果；若酶 解反应时间过长，还会导致酶解后得到的糖化液容易腐败，影响纤维乙醇的产生。
【具体实施方式】
[0022] 实施例一：秸杆的酶解糖化处理
[0023] 将高粱秸杆晒干后粉碎，用60目筛子进行过筛，得到高粱秸杆粉状物。取IOg高 粱秸杆粉状物加入三角瓶中，加入IOOmL质量浓度为I. 0%的稀盐酸，然后置于灭菌高压锅 中，在120°C的温度下进行酸化反应，反应60分钟后，从灭菌高压锅中取出，在室温下自然 降温，得到高粱秸杆浆液。
[0024] 向高粱秸杆浆液中加入0. 25g纤维素酶（2. 5g每IOOg秸杆）、0. 2g木聚糖酶（2. Og 每 IOOg 稻杆）、0· 375mmol 氯化镁（2. 5mmol/L)、I. 5mL 吐温 80 (1 % )和 50mL 蒸馏水，得到 液固比为15 : 1的酶解浆液，调pH值至5.0,然后置于水浴锅中，在50°C下酶解糖化反应 48小时。反应结束后过滤，除去固体不溶物，得到澄清的糖化液，灭菌备用。
[0025] 采用3, 5-二硝基水杨酸（DNS)法测定糖化液中的还原糖含量，具体步骤如下：
[0026] 1)将3, 5-二硝基水杨酸6. 3g溶于262mL 2. ON的氢氧化钠溶液中，加入500mL 酒石酸钾钠热溶液（酒石酸钾钠182g)，再加入5g苯酚、5g亚硫酸钠，搅拌溶解，定溶于 IOOOmL容量瓶中，得到DNS试剂，存放于棕色瓶中备用；
[0027] 2)准确称取IOOmg分析纯葡萄糖，用适量蒸馏水溶解后，转移至IOOmL的容量瓶 中，以蒸馏水定容至刻度，摇匀，得到lmg/mL的葡萄糖标准液，于冰箱保存备用；
[0028] 3)分别取0、0. 2、0. 4、0. 6、0. 8、1. OmL的葡萄糖标准液，置于15mL的试管中，并用 蒸馏水补足至I. OmL，然后分别加入DNS试剂2mL，于沸水浴中加热5min，冷却后分别用蒸馏 水补足至15mL，在540nm波长下分别测定其吸光度。以吸光度为纵坐标，葡萄糖的质量为横 坐标，绘制标准曲线；
[0029] 4)取ImL糖化液置于15mL的试管中，加入DNS试剂2mL，于沸水浴中加热5min，冷 却后用蒸馏水补足至15mL，在540nm波长下测定其吸光度，根据标准曲线计算糖化液中的 还原糖含量。
[0030] 根据DNS法测定的还原糖含量，按照如下公式计算糖产量。经计算，采用本实施例 的酶解糖化处理方法，糖化液中的还原糖浓度为29. lg/L，糖产量为43. 65%。
[0031] 糖产率=还原糖质量/秸杆质量X 100%
[0032] 实施例二：秸杆糖化效果的测试
[0033] 1、酸化反应对秸杆糖化效果的作用
[0034] 按照实施例一所述的酶解糖化处理方法，分别用质量浓度为1.0%的硫酸、亚硫 酸、甲酸、氢氧化钠代替实施例一所采用的稀盐酸，进行酸化反应，分别测定其经酶解糖化 处理后的还原糖浓度，结果如表1所示。测试结果表明，采用稀盐酸进行酸化反应具有最佳 的糖化效果。
[0035] 表 1
[0036]
【主权项】
1. 一种秸杆的酶解糖化处理方法，其特征在于，包括以下步骤： 1) 将秸杆晒干后粉碎，用筛子进行过筛，得到秸杆粉状物； 2) 将秸杆粉状物加入稀盐酸中进行酸化反应，反应结束后降至室温，得到秸杆浆液； 3) 向秸杆浆液中加入纤维素酶、木聚糖酶、氯化镁、吐温80和蒸馏水，得到酶解浆液， 然后进行酶解糖化反应。
2. 根据权利要求1所述的酶解糖化处理方法，其特征在于：在步骤2)中，稀盐酸的质 量浓度为〇. 8?1. 0%，稀盐酸的添加量为800?IOOOmL每IOOg秸杆。
3. 根据权利要求1或2所述的酶解糖化处理方法，其特征在于：在步骤2)中，所述的 酸化反应是在高压锅中，在110?130°C的温度下进行反应，反应时间为60?90分钟。
4. 根据权利要求1所述的酶解糖化处理方法，其特征在于：在步骤3)中，纤维素酶的 添加量为2. 0?3. Og每IOOg秸杆，木聚糖酶的添加量为1. 5?2. 5g每IOOg秸杆；氯化镁 在酶解浆液中的浓度为2. 0?2. 5mmol/L ;吐温80在酶解浆液中的体积浓度为1?2%。
5. 根据权利要求1或4所述的酶解糖化处理方法，其特征在于：在步骤3)中，酶解浆 液的液固比为10 : 1?15 : 1，pH值为4. 5?5. 5。
6. 根据权利要求1或4所述的酶解糖化处理方法，其特征在于：在步骤3)中，酶解糖 化反应的反应温度为50?55°C，反应时间为48?50小时。
7. 根据权利要求1所述的酶解糖化处理方法，其特征在于：在步骤1)中，筛子的目数 为40?80目。
【专利摘要】本发明公开了一种秸秆的酶解糖化处理方法，其包括以下步骤：1)将秸秆晒干后粉碎，用筛子进行过筛，得到秸秆粉状物；2)将秸秆粉状物加入稀盐酸中进行酸化反应，反应结束后降至室温，得到秸秆浆液；3)向秸秆浆液中加入纤维素酶、木聚糖酶、氯化镁、吐温80和蒸馏水，得到酶解浆液，然后进行酶解糖化反应。本发明所述的秸秆酶解糖化处理方法，能够显著提高秸秆的酶解糖化效果。
【IPC分类】C12P7-10, C12P19-14
【公开号】CN104561129
【申请号】CN201410853378
【发明人】康静, 冯冲, 刘涌涛, 毛会丽, 王燕, 胡涣涣
【申请人】新乡医学院
【公开日】2015年4月29日
【申请日】2014年12月31日