[发明专利]一种木质纤维原料酶水解的方法

说明书

一、技术领域

本发明属于木质纤维原料生物降解与转化生产燃料乙醇、化工平台化合物和 其他生物基化学品中的酶水解技术领域，特别涉及一种以纤维素酶分段水解木质 纤维素及超滤回收β-葡萄糖苷酶的方法。

二、背景技术

据预测，地球上可利用的石油资源将在今后几十年内耗竭，从长远看，液体 燃料短缺将是困扰人类社会发展的重大问题。各国科学家一直在积极寻找能够替 代或部分替代石油的新能源。生物乙醇以其可再生性、环保性和使用过程中不引 起温室效应等突出优点，被公认为是汽油的最佳替代品而得到广泛的研究。生产 乙醇的原料主要包括淀粉质原料、糖质和木质纤维原料。由于受到粮食和耕地短 缺的制约，单纯以粮食或糖质为原料生产乙醇的方法，不可能满足迅猛发展的汽 车工业对燃料乙醇的需求，因此，研究如何利用可再生的木质纤维原料大规模生 产燃料乙醇，就成为了当前的重要课题。

木质纤维原料生物法制备燃料乙醇主要包括原料预处理、纤维素的酶水解和 糖液(包括戊糖和己糖)发酵三个关键技术。纤维素的酶水解是木质纤维原料生 物法制备燃料乙醇的关键技术之一。纤维素的酶水解过程具有反应温度低，可发 酵糖得率高，产生的发酵抑制物少，能耗较低，设备要求简单、对环境友好等特 点，因此，纤维素的酶水解被认为是有较大工业应用前景的纤维素水解技术。

纤维素酶是水解纤维素成葡萄糖的一组酶的总称，它是一个多组分的复合酶 系，主要有三种组分，即内切型葡聚糖酶、外切型葡聚糖酶和β-葡萄糖苷酶。 纤维素是在这三种酶的协同作用下彻底水解成葡萄糖的。在纤维素酶水解过程 中，内切葡聚糖酶以随机形式切断纤维素链中的β-1，4-糖苷键生成短链纤维素 或纤维低聚糖；随后外切葡聚糖酶主要作用于短链纤维素和纤维低聚糖的非还原 端以生成纤维二糖；最后纤维二糖在β-葡萄糖苷酶的作用下彻底生成葡萄糖。 在纤维素水解过程中，纤维素对纤维素酶系中的内切葡聚糖酶、外切葡聚糖酶亲 和力较大，而对β-葡萄糖苷酶的亲和力较小，因此在纤维素酶水解体系中，内 切葡聚糖酶、外切葡聚糖酶主要吸附在不溶性纤维素上，而β-葡萄糖苷酶主要 存在于水相中。

如何提高纤维素的酶水解效率和得率，是利用可再生木质纤维原料大规模生 产燃料乙醇的技术关键，也是当前国内外相关研究领域的主要研究方向。

已有技术可参考：

CN 200810021531.3一种将农林废弃物转化为可发酵糖的方法

CN 200810023479.5蒸汽爆破木质纤维原料可溶性低聚糖同步酶解制取单糖 的方法，等。

三、发明内容

本发明的目的是根据纤维素的酶水解机理，寻找一种在燃料乙醇生产过程 中，可以提高纤维素的酶水解效率和得率的新方法。

纤维素酶是一种受产物反馈抑制的水解酶类。随着纤维素酶水解过程的进 行，反应体系中不断累积的纤维二糖，将会抑制纤维素酶系中内切葡聚糖酶和外 切葡聚糖酶的活力；葡萄糖在反应体系中的不断累积，则会抑制β-葡萄糖苷酶 的活力，且更加敏感。

针对上述存在的问题，在酶解反应体系中，一般可以通过添加外源β-葡萄糖 苷酶的方法来降低纤维二糖对内切葡聚糖酶和外切葡聚糖酶的抑制作用；而葡萄 糖对β-葡萄糖苷酶的抑制作用，则可通过及时移走生成的单糖或同步糖化发酵 (SSF)技术来解除，但SSF法由于酶解与发酵工艺对温度的需求存在较大差 异，从而限制了它的工业应用。

本发明通过纤维素酶分段水解木质纤维原料并及时移走酶反应生成的产物来 减轻产物对纤维素酶的抑制作用，通过添加β-葡萄糖苷酶的方法水解移走反应 液中的纤维二糖成葡萄糖，并采用超滤的方法回收利用反应液中的纤维素酶和β- 葡萄糖苷酶。

本发明的技术解决方案为：一种木质纤维原料酶水解的方法，其特征是采用 分段酶解木质纤维原料和超滤回用纤维素酶和β-葡萄糖苷酶的工艺，具体工艺 流程如下：

a.将经过适当预处理的木质纤维原料在底物固液重量比为1∶3～20，纤维素 酶用量5～25FPIU/g纤维素，pH值4～6，45～50℃条件下水解，分别在水解 6h、12h和24h时进行固液分离，用蒸馏水洗涤酶解渣；

b.分别将上述6、12h阶段的固液分离液、洗涤液合并，用截留分子量为 10kDa(Da——截留分子量单位，道尔顿)的超滤膜回收液体中的纤维素酶，并 用于下一阶段的酶水解；