超聲波堿處理雙酶降解蔗渣的方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種超聲波堿處理雙酶降解蔗渣的方法，即采用蔗渣為原料，經(jīng)超聲波與堿的共同預(yù)處理后，再在纖維素酶和木聚糖酶的協(xié)同作用下酶解反應(yīng)生產(chǎn)還原糖。該法利用超聲波的空化作用和機(jī)械作用以及堿對(duì)木質(zhì)纖維素的溶脹作用和皂化作用，使木質(zhì)纖維素的結(jié)構(gòu)邊得疏松，增加酶的作用位點(diǎn)，去除抑制纖維素水解的木質(zhì)素成分，有利于后續(xù)水解過程，縮短作用時(shí)間；并利用纖維素酶與木聚糖酶的協(xié)同作用，簡(jiǎn)化木質(zhì)纖維素復(fù)雜的空間作用提供更多的酶結(jié)合位點(diǎn)，降低木質(zhì)素含量，縮短酶解時(shí)間，提高酶解效率，減少能耗，提高還原糖產(chǎn)率。本發(fā)明克服了傳統(tǒng)工藝的缺陷，具有資源化率高、反應(yīng)條件溫和、蔗渣降解充分、成本低副產(chǎn)物少、還原糖得率高等優(yōu)點(diǎn)。
【專利說明】
超聲波堿處理雙酶降解蔗渣的方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于蔗渣資源化利用技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種超聲波堿處理雙酶降解蔗渣的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]目前生產(chǎn)燃料乙醇較為成熟的工藝是采用生物轉(zhuǎn)化的方法，將燃料乙醇作為燃料代替化石能源，可以有效的減少大氣中有害物質(zhì)的排放。另一方面，制糖作為廣西的支柱產(chǎn)業(yè)每年大約生產(chǎn)1600萬(wàn)噸蔗渣，而大部分蔗渣都用于鍋爐燃燒，造成了生物質(zhì)能源的浪費(fèi)。若能以蔗渣為原料進(jìn)行綜合利用，可減少蔗渣的浪費(fèi)，實(shí)現(xiàn)資源化利用。然而，在生產(chǎn)中如何使木質(zhì)纖維素的利用率達(dá)到最優(yōu)，仍是有待解決的問題。
[0003]木質(zhì)纖維素來源廣泛、價(jià)格低廉，是生產(chǎn)燃料乙醇的理想原料，其主要成分包括30%-40%纖維素、20%-30%半纖維素和20%-30%木質(zhì)素。纖維生物質(zhì)的纖維素、半纖維素、木質(zhì)素結(jié)合緊密，使其不易與酶結(jié)合、外化學(xué)處理過程中易形成對(duì)發(fā)酵有抑制作用的可溶性物質(zhì)、發(fā)酵效率低等均使得原料預(yù)處理成為限制木質(zhì)纖維素利用工藝的瓶頸。因此，需通過一種預(yù)處理手段使得木質(zhì)纖維素中阻礙發(fā)酵的物質(zhì)去除，破壞木質(zhì)纖維素的結(jié)構(gòu)，降低結(jié)晶度，并增加纖維素的比表面積以增加酶的作用位點(diǎn)，這是蔗渣降解產(chǎn)還原糖的關(guān)鍵步驟和技術(shù)前提。
[0004]目前對(duì)木質(zhì)纖維原料常用的預(yù)處理方法有化學(xué)法物理法(高壓蒸汽爆破、高溫液態(tài)水、球磨法、微波輻照、超臨界液體、CO2激光離子、超聲波)、物理化學(xué)聯(lián)合法(超聲波加酸、超聲波加堿、超聲波加雙氧水)、生物法(酶降解、真菌細(xì)菌降解)等，但是傳統(tǒng)的預(yù)處理方法都很難使其中的木質(zhì)素含量降至最低，且大多數(shù)方法消耗的成本過高，有些預(yù)處理方法還會(huì)產(chǎn)生糠醛、HMF等抑制發(fā)酵的副產(chǎn)物。
[0005]蔗渣纖維主要由半纖維素、纖維素組成，半纖維素在木聚糖酶的降解下降解為木糖、木二糖、木三糖等，纖維素在纖維素酶的作用下可降解為葡萄糖。傳統(tǒng)的單一酶解處理并不能同時(shí)作用于蔗渣中的纖維素和半纖維素，通過纖維素酶和木聚糖酶的適當(dāng)?shù)呐浔?，可將水解進(jìn)行地更徹底并將兩種酶的協(xié)同作用最大化，優(yōu)化生產(chǎn)工藝，提高還原糖的產(chǎn)率。
[0006]中國(guó)專利申請(qǐng)“一種以甘蔗渣原料發(fā)酵生產(chǎn)丁二酸的方法”(申請(qǐng)?zhí)?01510387997.5【公開日】2015-09-09)中，發(fā)明人將蔗渣粉碎過20-60目篩，并用0.5-5%的NaOH溶液按一定的固液比進(jìn)行高溫處理，得到預(yù)處理蔗渣。但是，該法中纖維素的得率最多54%，而且纖維素的結(jié)構(gòu)也相對(duì)致密，使得酶解的效果不會(huì)很明顯。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種資源化率高、反應(yīng)條件溫和、蔗渣降解充分、成本低副產(chǎn)物少、還原糖得率高的超聲波堿處理雙酶降解蔗渣的方法。
[0008]為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案:超聲波堿處理雙酶降解蔗渣的方法，采用蔗渣為原料，經(jīng)超聲波與堿的共同預(yù)處理后，再在纖維素酶和木聚糖酶的協(xié)同作用下酶解反應(yīng)生產(chǎn)還原糖。
[0009]上述超聲波堿處理雙酶降解蔗渣的方法，包括以下步驟:將蔗渣風(fēng)干，將風(fēng)干后的蔗渣破碎并進(jìn)行篩分，將篩分后的蔗渣烘干至恒重得到蔗渣粉末，在烘干后的蔗渣粉末中倒入NaOH溶液并用超聲波進(jìn)行預(yù)處理，調(diào)節(jié)體系pH并加入纖維素酶和木聚糖酶進(jìn)行酶解反應(yīng)，酶解后的酶解液滅酶活處理，即得。
[00?0] 篩分米用60?80目分樣篩。
[0011]蔗渣粉末與NaOH溶液的固液質(zhì)量體積比為1:12?1:18，NaOH溶液的質(zhì)量濃度為
0.5 ?
[0012]超聲波功率為200?400W，超聲波預(yù)處理的時(shí)間為40?80min。
[0013]調(diào)節(jié)體系pH至4?6。
[0014]纖維素酶的添加量為0.05?0.15g/g蔗渣，木聚糖酶的添加量為0.1?0.5g/g蔗渣，酶解時(shí)間為32?38h，反應(yīng)溫度為50 0C。
[0015]滅酶活處理溫度為95?105°C，滅酶活處理時(shí)間為3?5h。
[0016]針對(duì)目前蔗渣降解處理生產(chǎn)還原糖存在的問題，發(fā)明人在現(xiàn)有預(yù)處理方法的基礎(chǔ)上，深入探究木質(zhì)纖維素預(yù)處理的新方法和工藝，建立了一種超聲波堿處理雙酶降解蔗渣的方法，即采用蔗渣為原料，經(jīng)超聲波與堿的共同預(yù)處理后，再在纖維素酶和木聚糖酶的協(xié)同作用下酶解反應(yīng)生產(chǎn)還原糖。本發(fā)明設(shè)計(jì)原理是基于超聲波堿性預(yù)處理與雙酶協(xié)同作用，具體是:利用超聲波的空化作用和機(jī)械作用以及堿對(duì)木質(zhì)纖維素的溶脹作用和皂化作用，使木質(zhì)纖維素的結(jié)構(gòu)邊得疏松，增加酶的作用位點(diǎn)，去除抑制纖維素水解的木質(zhì)素成分，有利于后續(xù)水解過程，縮短作用時(shí)間；并利用纖維素酶與木聚糖酶的協(xié)同作用，簡(jiǎn)化木質(zhì)纖維素復(fù)雜的空間作用提供更多的酶結(jié)合位點(diǎn)，降低木質(zhì)素含量，縮短酶解時(shí)間，提高酶解效率，減少能耗，提高還原糖產(chǎn)率。此外，將蔗渣破碎篩分至一定粒度，有效地增加了蔗渣的反應(yīng)表面積，在超聲波的空化作用下，能夠方便地打斷纖維素之間的氫鍵，在超聲波和NaOH的協(xié)同作用下暴露更多的纖維素表面，增加酶的作用位點(diǎn)，從而達(dá)到提高纖維素得率和還原糖產(chǎn)量的目的。
[0017]應(yīng)用本發(fā)明采用蔗渣為原料生產(chǎn)還原糖，利于提高還原糖的產(chǎn)率及甘蔗資源的綜合利用，克服了傳統(tǒng)工藝存在的缺陷，體現(xiàn)出顯著的優(yōu)勢(shì):
[0018]〈1>以制糖工業(yè)副產(chǎn)物蔗渣作為原料進(jìn)行還原糖的生產(chǎn)，減少了木質(zhì)纖維素資源的浪費(fèi)，拓寬了綜合利用的途徑。
[0019]〈2>去除了大部分的木質(zhì)素，減少木質(zhì)素對(duì)蔗渣降解的影響，提高了蔗渣的降解率。
[0020]〈3>預(yù)處理在常溫下進(jìn)行，過程能耗少，成本低，副產(chǎn)物少。
[0021]〈4>利用纖維素酶與木聚糖酶的協(xié)同作用提高了還原糖的得率，使蔗渣降解得更為充分。
【附圖說明】
[0022]圖1是應(yīng)用本發(fā)明超聲波堿處理雙酶降解蔗渣的方法生產(chǎn)還原糖的工藝流程圖。
[0023]圖2是應(yīng)用本發(fā)明處理甘蔗渣的實(shí)施例1-6中纖維素、半纖維素、木質(zhì)素含量的比較。
[0024]圖3是應(yīng)用本發(fā)明處理甘蔗渣的實(shí)施例1-6中還原糖含量的成分分析比較。
【具體實(shí)施方式】
[0025]實(shí)施例1
[0026]將蔗渣置于干燥通風(fēng)的條件下風(fēng)干，將風(fēng)干后的蔗渣用機(jī)械攪拌機(jī)進(jìn)行破碎并進(jìn)行篩分(60目)，將篩分后的蔗渣放入烘箱中于105°C烘干除去其水分至恒重得到蔗渣粉末；在烘干后的蔗渣粉末中，按蔗渣粉末與NaOH溶液的固液質(zhì)量體積比1:12倒入NaOH溶液(質(zhì)量濃度為2% )，并用超聲波清洗儀進(jìn)行預(yù)處理(功率200W，時(shí)間40min);用10?20ml的檸檬酸鈉緩沖液調(diào)節(jié)體系PH至4并加入纖維素酶(0.05g/g蔗渣)和木聚糖酶(0.lg/g蔗渣)進(jìn)行酶解反應(yīng)32h(反應(yīng)溫度為50°C)，酶解后的酶解液95°C滅酶活處理3h。后用離心機(jī)離心分離(轉(zhuǎn)速3000rap，時(shí)間15min)，取上層清液采用DNS法測(cè)定還原糖含量。
[0027]結(jié)果:纖維素含量為43%，半纖維素含量為22%，木質(zhì)素含量為22%，還原糖含量約為 10.26g/L。
[0028]實(shí)施例2
[0029]將蔗渣置于干燥通風(fēng)的條件下風(fēng)干，將風(fēng)干后的蔗渣用機(jī)械攪拌機(jī)進(jìn)行破碎并進(jìn)行篩分(60目)，將篩分后的蔗渣放入烘箱中于105°C烘干除去其水分至恒重得到蔗渣粉末；在烘干后的蔗渣粉末中，按蔗渣粉末與NaOH溶液的固液質(zhì)量體積比1:13倒入NaOH溶液(質(zhì)量濃度為3 % )，并用超聲波清洗儀進(jìn)行預(yù)處理(功率300W，時(shí)間50min);用10?20ml的檸檬酸鈉緩沖液調(diào)節(jié)體系PH至5并加入纖維素酶(0.07g/g蔗渣)和木聚糖酶(0.2g/g蔗渣)進(jìn)行酶解反應(yīng)32h(反應(yīng)溫度為50°C)，酶解后的酶解液95°C滅酶活處理3h。后用離心機(jī)離心分離(轉(zhuǎn)速4000rap，時(shí)間15min)，取上層清液采用DNS法測(cè)定還原糖含量。
[0030]結(jié)果:纖維素含量為48%，半纖維素含量為21%，木質(zhì)素含量為20 %，還原糖含量約為 18.95g/L。
[0031]實(shí)施例3
[0032]將蔗渣置于干燥通風(fēng)的條件下風(fēng)干，將風(fēng)干后的蔗渣用機(jī)械攪拌機(jī)進(jìn)行破碎并進(jìn)行篩分(80目)，將篩分后的蔗渣放入烘箱中于105°C烘干除去其水分至恒重得到蔗渣粉末；在烘干后的蔗渣粉末中，按蔗渣粉末與NaOH溶液的固液質(zhì)量體積比1:14倒入NaOH溶液(質(zhì)量濃度為5% )，并用超聲波清洗儀進(jìn)行預(yù)處理(功率300W，時(shí)間60min);用10?20ml的檸檬酸鈉緩沖液調(diào)節(jié)體系PH至6并加入纖維素酶(0.08g/g蔗渣)和木聚糖酶(0.2g/g蔗渣)進(jìn)行酶解反應(yīng)35h(反應(yīng)溫度為50°C)，酶解后的酶解液95°C滅酶活處理3h。后用離心機(jī)離心分離(轉(zhuǎn)速3000rap，時(shí)間15min)，取上層清液采用DNS法測(cè)定還原糖含量。
[0033]結(jié)果:纖維素含量為60%，半纖維素含量為15%，木質(zhì)素含量為14%，還原糖含量約為 29.03g/L。
[0034]實(shí)施例4
[0035]將蔗渣置于干燥通風(fēng)的條件下風(fēng)干，將風(fēng)干后的蔗渣用機(jī)械攪拌機(jī)進(jìn)行破碎并進(jìn)行篩分(80目)，將篩分后的蔗渣放入烘箱中于105°C烘干除去其水分至恒重得到蔗渣粉末；在烘干后的蔗渣粉末中，按蔗渣粉末與NaOH溶液的固液質(zhì)量體積比1:15倒入NaOH溶液(質(zhì)量濃度為6 % )，并用超聲波清洗儀進(jìn)行預(yù)處理(功率400W，時(shí)間70min);用1?20ml的檸檬酸鈉緩沖液調(diào)節(jié)體系PH至6并加入纖維素酶(0.09g/g蔗渣)和木聚糖酶(0.3g/g蔗渣)進(jìn)行酶解反應(yīng)36h(反應(yīng)溫度為50°C)，酶解后的酶解液95°C滅酶活處理3h。后用離心機(jī)離心分離(轉(zhuǎn)速3000rap，時(shí)間15min)，取上層清液采用DNS法測(cè)定還原糖含量。
[0036]結(jié)果:纖維素含量為65%，半纖維素含量為14%，木質(zhì)素含量為10%，還原糖含量約為 31.03g/L。
[0037]實(shí)施例5
[0038]將蔗渣置于干燥通風(fēng)的條件下風(fēng)干，將風(fēng)干后的蔗渣用機(jī)械攪拌機(jī)進(jìn)行破碎并進(jìn)行篩分(60目)，將篩分后的蔗渣放入烘箱中于105°C烘干除去其水分至恒重得到蔗渣粉末；在烘干后的蔗渣粉末中，按蔗渣粉末與NaOH溶液的固液質(zhì)量體積比1:16倒入NaOH溶液(質(zhì)量濃度為6 % )，并用超聲波清洗儀進(jìn)行預(yù)處理(功率300W，時(shí)間70min);用1?20ml的檸檬酸鈉緩沖液調(diào)節(jié)體系PH至6并加入纖維素酶(0.lg/g蔗渣)和木聚糖酶(0.4g/g蔗渣)進(jìn)行酶解反應(yīng)37h(反應(yīng)溫度為50°C)，酶解后的酶解液95°C滅酶活處理3h。后用離心機(jī)離心分離(轉(zhuǎn)速3000rap，時(shí)間15min)，取上層清液采用DNS法測(cè)定還原糖含量。
[0039]結(jié)果:纖維素含量為63%，半纖維素含量為15%，木質(zhì)素含量為11%，還原糖含量約為 29.85g/L。
[0040]實(shí)施例6
[0041 ]將蔗渣置于干燥通風(fēng)的條件下風(fēng)干，將風(fēng)干后的蔗渣用機(jī)械攪拌機(jī)進(jìn)行破碎并進(jìn)行篩分(60目)，將篩分后的蔗渣放入烘箱中于105°C烘干除去其水分至恒重得到蔗渣粉末；在烘干后的蔗渣粉末中，按蔗渣粉末與NaOH溶液的固液質(zhì)量體積比1:15倒入NaOH溶液(質(zhì)量濃度為4 % )，并用超聲波清洗儀進(jìn)行預(yù)處理(功率300W，時(shí)間80min);用1?20ml的檸檬酸鈉緩沖液調(diào)節(jié)體系PH至6并加入纖維素酶(0.lg/g蔗渣)和木聚糖酶(0.5g/g蔗渣)進(jìn)行酶解反應(yīng)37h(反應(yīng)溫度為50°C)，酶解后的酶解液95°C滅酶活處理3h。后用離心機(jī)離心分離(轉(zhuǎn)速3000rap，時(shí)間15min)，取上層清液采用DNS法測(cè)定還原糖含量。
[0042]結(jié)果:纖維素含量為62%，半纖維素含量為15%，木質(zhì)素含量為12%，還原糖含量約為 30.04g/L。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種超聲波堿處理雙酶降解蔗渣的方法，其特征在于采用蔗渣為原料，經(jīng)超聲波與堿的共同預(yù)處理后，再在纖維素酶和木聚糖酶的協(xié)同作用下酶解反應(yīng)生產(chǎn)還原糖。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超聲波堿處理雙酶降解蔗渣的方法，其特征在于包括以下步驟:將蔗渣風(fēng)干，將風(fēng)干后的蔗渣破碎并進(jìn)行篩分，將篩分后的蔗渣烘干至恒重得到蔗渣粉末，在烘干后的蔗渣粉末中倒入NaOH溶液并用超聲波進(jìn)行預(yù)處理，調(diào)節(jié)體系pH并加入纖維素酶和木聚糖酶進(jìn)行酶解反應(yīng)，酶解后的酶解液滅酶活處理，即得。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的超聲波堿處理雙酶降解蔗渣的方法，其特征在于:所述篩分采用60?80目分樣篩。4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的超聲波堿處理雙酶降解蔗渣的方法，其特征在于:所述蔗渣粉末與NaOH溶液的固液質(zhì)量體積比為I: 12?I: 18，NaOH溶液的質(zhì)量濃度為0.5?6%。5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的超聲波堿處理雙酶降解蔗渣的方法，其特征在于:所述超聲波功率為200?400W，超聲波預(yù)處理的時(shí)間為40?80min。6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的超聲波堿處理雙酶降解蔗渣的方法，其特征在于:所述調(diào)節(jié)體系pH至4?6。7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的超聲波堿處理雙酶降解蔗渣的方法，其特征在于:所述纖維素酶的添加量為0.05?0.15g/g蔗渣，木聚糖酶的添加量為0.1?0.5g/g蔗渣，酶解時(shí)間為32?38h，反應(yīng)溫度為50°C。8.根據(jù)權(quán)利要求2所述的超聲波堿處理雙酶降解蔗渣的方法，其特征在于:所述滅酶活處理溫度為95?105°C，滅酶活處理時(shí)間為3?5h。
【文檔編號(hào)】C12P19/00GK105838753SQ201610072718
【公開日】2016年8月10日
【申請(qǐng)日】2016年2月2日
【發(fā)明人】孫衛(wèi)東, 唐湘毅, 戴莉, 田雯, 蘇芬芬
【申請(qǐng)人】廣西大學(xué)