[发明专利]一种提高植物纤维原料酶水解得率的方法

说明书

技术领域

本发明涉及植物纤维原料酶水解技术领域，具体涉及一种提高植物纤维原料酶水解得率的方法。

背景技术

随着人类社会对以石油资源为代表的化石资源需求的日益增长和过度开采，使石油资源不可避免地面临枯竭的命运；同时大量化石资源的使用引发的温室效应有可能演变成为人类的一场生态灾难。人类如何应对未来资源能源短缺、环境污染和全球气候变暖的趋势？走可持续发展的道路已成为国际共识。利用可再生的植物纤维资源生产生物能源、生物基化学品和生物基材料是可持续发展战略的重要组成部分。我国有丰富的农林生物质资源，包括农林废弃物、木(竹)材加工废弃物、富含纤维的粮食加工废弃物、城市纤维垃圾等。利用这些廉价的植物纤维资源生产生物质糖(葡萄糖、木糖)，并以此为原料生产人类所需的能源、化学品和材料，能够很好地解决未来生物能源、生物基化学品及生物基材料生产的原料问题。植物纤维原料生产生物能源、生物基化学品及生物基材料的技术体系中，高酶水解得率、低成本的生物质糖生产技术是决定植物纤维原料生物炼制技术大规模工业化的前提和关键。

植物纤维原料生产生物质糖的方法主要包括酸水解法和酶水解法两种，其中酶水解法具有反应条件温和、无抑制物质生成、对设备要求低等特点而具有潜在的工业应用前景。植物纤维原料中的纤维素是在纤维素酶的催化作用下降解成葡萄糖的，纤维素酶是一个复合酶系，主要由内切葡聚糖酶、外切葡聚糖酶和β-葡萄糖苷酶组成。纤维素完全水解是在纤维素酶系中各组分的协同作用下完成的，纤维素酶协同水解纤维素的机理尚不完全清楚，普遍公认的观点是内切葡聚糖酶首先随机切断纤维素链的β–1,4–糖苷键，产生新的短链纤维素和纤维低聚糖；随后外切葡聚糖酶从短链纤维素和纤维低聚糖的还原或非还原末端以纤维二糖为单位依次水解；最后β-葡萄糖苷酶将生成的纤维二糖和纤维低聚糖彻底水解成葡萄糖。纤维素是在纤维素酶系中内切葡聚糖酶、外切葡聚糖酶和β-葡萄糖苷酶的协同作用下水解成单糖葡萄糖的，纤维素酶系中某一种组分的含量不足均将影响纤维素的酶水解效率。木霉属中的里氏木霉是公认的纤维素酶优良生产菌株，但里氏木霉纤维素酶系中的内切葡聚糖酶、外切葡聚糖酶和β-葡萄糖苷酶的比例不协调，β-葡萄糖苷酶含量相对较低，因此，里氏木霉纤维素酶系降解植物纤维原料中的纤维素时水解产物中纤维二糖含量较高，而在目前发现的具有工业应用价值的生物能源、生物基化学品微生物发酵菌株中，绝大多数微生物不能利用纤维二糖，因此在纤维素水解产物中，要求纤维二糖的含量尽可能低。围绕植物纤维原料纤维素酶水解过程中纤维素酶系中β-葡萄糖苷酶含量不足导致的水解产物中纤维二糖含量高的问题，以提高纤维素水解产物中可发酵性单糖比例为目标，国内外开展了大量的研究，解决这个问题的办法主要是添加β-葡萄糖苷酶以降低纤维素水解产物中纤维二糖的含量，研究表明，在里氏木霉纤维素酶水解植物纤维原料的水解体系中一般添加1-5U/g纤维素用量的β-葡萄糖苷酶即可实现水解糖液中纤维二糖含量低于1g/L，通常添加低于3U/g纤维素用量的β-葡萄糖苷酶即可实现上述效果。在已有的文献报道中，在纤维素酶水解体系中添加β-葡萄糖苷酶的目的均为降低水解糖液中纤维二糖的浓度，从而提高水解产物中可发酵性糖的比例。

纤维素酶属于反馈抑制的水解酶类，在纤维素酶系水解纤维素成葡萄糖的过程中，终产物葡萄糖的生成对β-葡萄糖苷酶的活力产生抑制作用，β-葡萄糖苷酶活力受到抑制后导致水解过程中纤维二糖的累积，纤维二糖的累积对内切葡聚糖酶和外切葡聚糖酶产生抑制作用，从而导致纤维素酶水解反应速度和水解得率不高。

申请人在研究里氏木霉纤维素酶水解碱性预处理植物纤维原料过程中的酶反应速率时发现，尽管在植物纤维原料纤维素酶水解体系中辅助添加3U/g纤维素的β-葡萄糖苷酶可以保证水解产物中纤维二糖浓度在1g/L以下，但水解初期水解液中纤维二糖浓度较高是导致纤维素酶反应速率下降的关键因素，在此基础上，提出了过量辅助添加β-葡萄糖苷酶，以降低植物纤维原料纤维素酶水解初期水解液中纤维二糖浓度过高的问题，缓解水解初期纤维二糖对内切葡聚糖酶、外切葡聚糖酶的抑制作用，从而达到提高酶反应速率和水解得率的目的，同时，随着纤维素水解得率的提高，也提高了木聚糖的水解得率。

发明内容