[发明专利]一种提高玉米秸秆酶解效率并同时获得木糖和葡萄糖的方法

说明书

技术领域

本发明涉及生物质资源利用技术领域，具体地说是一种玉米秸秆的预处理及酶解的方法。

背景技术

利用诸如玉米秸秆等可再生的木质纤维素基生物质生产燃料即能够缓解环境污染，也能够减轻对石油等不可再生能源的依赖。木质纤维素基生物质的主要成分是纤维素、半纤维素和木质素。目前，对木质纤维素基生物质的应用途径主要是利用纤维素酶水解纤维素产生葡萄糖，再利用葡萄糖发酵产生乙醇，丁醇等燃料。由于半纤维素和木质素与纤维素在结构上相互包裹缠绕致使纤维素与纤维素酶接触面积较小，纤维素直接酶水解的效率较低。为了提高木质纤维素的酶水解效率从而获得更高的燃料产量，原料在进行酶水解之前必须经过适当的预处理，减小半纤维素和木质素对纤维素的包裹缠绕，增大纤维素酶与纤维素的接触面积。己有的预处理工艺包括物理方法，化学方法，物理化学方法，生物方法等。其中，水热预处理以其易于放大以及对环境友好等优点，而备受青睐。这种工艺通常在120-260℃进行，仅依靠高压热水自身所产生的H⁺催化反应，造成半纤维素与纤维素的连接结构被破坏，部分半纤维素被水解，提高了纤维素酶与纤维素的接触面积。抽提物是一系列广泛存在于植物茎叶当中，与木质纤维素(纤维素，半纤维素，木质素)无共价键相连，可以应用不同极性或者非极性溶剂从生物质中提取出来的化合物的总称，草本植物茎中的抽提物含量范围一般在10-25％之间。抽提物的成分主要包括有机酸，含氮化合物，叶绿素，蜡，糖类，酚类，生物碱等物质。Thammasouk，Tamaki及Zimbardi等均报道抽提物中的一些成分能够在酸性条件下形成沉淀。Ballesteros等指出这些沉淀会阻碍纤维素酶与纤维素的接触，从而削减酶解效率。另外，木质纤维素材料作为原料生产燃料乙醇工业化的瓶颈是整个工艺(预处理，酶解，发酵和蒸馏)成本较高。

发明内容

本发明的目的是为了减少抽提物在水热预处理过程中沉淀副反应的发生，而通过加入木聚糖酶和β-木糖苷酶水解预处理后的半纤维素，提高水热预处理后玉米秸秆的酶解效率并获得木糖。

本发明的一种提高玉米秸秆酶解效率并同时获得木糖和葡萄糖的方法，它是按照以下步骤进行的：

一、将玉米秸秆切断，然后粉碎至颗粒度为0.250～0.425mm；

二、然后将步骤一中粉碎后的玉米秸秆与质量百分含量为5％乙醇溶液以固液比1:15的比例混合，在室温、转速为150r/min的条件下，振摇24h，然后经固液分离，收集固相物，将固相物在35℃条件下烘干12h；

三、将步骤二中烘干后的固相物与水按照固液比为1g:8～12mL的比例混合后，转移至水热反应釜内，将反应釜加温至180～200℃，维持20min后，将反应釜浸入冰水混合物中结束水热反应；

四、调整步骤三的反应液的pH值至4.5～5.0，然后加入木聚糖酶和β-木糖苷酶，在温度为50℃、转速为150rpm的条件下，酶解48h，再加入纤维素酶和β-葡萄糖苷酶，在温度为50℃、转速为150rpm的条件下，酶解24h，即得葡萄糖和木糖；其中，木聚糖酶和β-木糖苷酶添加量均为2400U/g纤维素，纤维素酶的添加量为15FPU/g纤维素，β-葡萄糖苷酶添加量为15CBU/g纤维素。

本发明的构思：

(一)在水热预处理过程中，只使用水作为介质，高温下水电离产生的水合氢离子发挥酸的作用水解半纤维素，半纤维素水解生成乙酸、糖醛酸和酚酸等酸类物质，引发生物质的进一步降解，这个过程被称作生物质的自水解。玉米秸秆由于含有较高的抽提物含量，在预处理过程中，由于处于酸性环境抽提物会形成沉淀附着在玉米秸秆表面，在后续的酶水解过程中降低纤维素酶与纤维素的接触面积，从而削减酶解率。如果在预处理之前，将玉米秸秆中的抽提物尽量去除，则会最大程度的减少预处理过程中沉淀副反应的发生。

(二)水热预处理过程中尽管部分解除了半纤维素与纤维素在结构上的包裹缠绕且有部分半纤维素被水解，增大了纤维素酶与纤维素的接触面积，但仍然有部分半纤维素未被水解而残留在固体中，阻碍纤维素酶与纤维素的接触，此时如果能加入木聚糖酶和β-木糖苷酶水解这部分半纤维素，则能够进一步提高纤维素的酶解效率。另外，加入木聚糖酶和β-木糖苷酶不但减少了纤维素酶和纤维素之间的空间阻碍，还能够水解固体中半纤维素和预处理液中的木聚糖为木糖，在获得较高纤维素酶解效率的同时又可以获得木糖。

本发明具有以下特点和优势: