[发明专利]一种快速评估木质纤维素酶解产糖能力的方法

说明书

技术领域：

本发明属于生物质新能源技术领域，具体涉及一种快速评估木质纤维素酶解产糖能力的方法。

背景技术：

近年来，为减少对于化石燃料的依赖，可再生能源成为各国研发的重点。木质纤维素由木质素、半纤维素和纤维素组成，作为自然界最丰富的可再生物质，木质纤维素蕴藏着巨大的碳资源，成为生物乙醇、生物柴油等发酵工业的理想碳源来源。木质纤维素的结构复杂，纤维素由D-葡萄糖通过β-1,4糖苷键联结形成纤维丝，纤维丝进一步通过氢键等作用力形成具有高度结晶区的超分子稳定结构，半纤维素作为非纤维性多糖与纤维素结合穿插在纤维素阵列中，木质素则与半纤维素直接相连整体将各部分黏合。由于木质纤维素具有如此复杂和稳固的结构，以至于无法直接用作原料生产产品。通常需要通过经过预处理、分离纯化和酶解等过程才能最终获得糖类，作为生物精炼工艺的直接原料。因此，酶解后的产糖能力是评估木质纤维素是否能够作为高效原料的重要指标。木质纤维素的酶解转化主要由纤维素酶和木聚糖酶水解纤维素和半纤维素完成，这一过程通常需要至少1～3天的时间，且操作复杂，优质的纤维素酶和木聚糖酶价格也比较高，一旦测定完成后酶解产糖量效果不理想，则极大的浪费了研究或工艺人员的时间、精力和财力。因此，实际过程中需要一种能够快速、准确评价木质纤维素酶解产糖能力的方法，提高效率。

木质纤维素酶解过程机理复杂，影响酶解产糖的因素较多，且存在交互影响，难以确定主要影响因素。通过研究，我们发现木质素和多糖含量与产糖量密切相关。其中，木质素与产糖量有明显负相关，木质素是一种以苯丙烷为单元通过醚键和碳-碳键连接而成的复杂、无定形的高聚物，阻碍酶侵入生物质，同时对酶进行非生产性吸附从而使酶失活。纤维素和半纤维素容易水解，其含量越高则产糖量越高。通过确定生物质木质素和纤维素含量可以预测其产糖能力，但木质素的含量测定主要由克拉森木质素(Klason Lignin)含量表示而纤维素含量的测定主要通过α-纤维素的含量表示，其测定流程复杂，步骤繁多，反应时间长，操作容易产生误差，反应后需进行长时间干燥，整个过程用时>48小时，难以应用于工业实际。由于木质素由苯丙烷组成，多糖主要有六碳糖和五碳糖组成，二者在碳元素和氧元素的原子比例上有显著差异，因此可采用X射线能量色散谱分析方法确定木质纤维素的氧碳原子比值，从而确定其与木质素和纤维素相对含量的关系，通过建立氧碳原子比值与还原糖产量的关系，即可快速评估木质纤维素产糖能力，为生产实际提供指导。X射线能量色散谱分析方法可以确定物质表面元素分布和元素含量，操作简单，单次扫描仅需2～3分钟，方便快捷，作为酶解产糖量的评估方法，可显著提高效率。

发明内容：

为了解决现有技术存在的问题，本发明提供了一种快速评估木质纤维素酶解产糖能力的方法，该方法简单快速，无需复杂的步骤即可有效评估预处理后木质纤维素的产糖能力，为酶解过程提供指导。

为实现上述目的，本发明是通过以下方法实现的：

一种快速评估木质纤维素酶解产糖能力的方法，通过获得木质纤维素的氧碳原子比，预估木质纤维素酶解产糖能力，木质纤维素酶解产糖能力与木质纤维素氧碳原子比之间的关系为：氧碳原子比<0.18，预计还原糖产量为<400mg/g；0.18<氧碳原子比<0.24，预计还原糖产量为400～800mg/g；氧碳原子比＞0.24，预计还原糖产量＞800mg/g。

本发明通过统计学数据获得木质纤维素的氧碳原子比与酶解还原糖产量之间的关系，酶解还原糖产量＝7170.45×氧碳原子比-952.15。

本发明采用多点X-射线能量色散谱测定木质纤维素的氧碳原子比。具体步骤如下：

1)测定生物质氧碳原子比，取粉末状、均匀干燥的木质纤维素样品用导电胶固定于样品台，进行喷金操作使其导电，样品置于测试台上，使用扫描电镜确定X射线能量色散谱分析方法的扫描区域，选择测定元素为碳元素和氧元素，选择扫描方式为面扫描，扫描面积为视野中全部生物质，不包含导电胶部分。能谱测定后可得到碳原子含量和氧原子含量，氧碳原子比即为氧原子数量与碳原子数量的比值。为减小偶然误差，同一样品取不少于3个视野进行测试得到不同的氧碳原子比值，取其平均值作为该样品的氧碳原子比值。

2)根据测定得到的氧碳原子比，快速评估预处理后生物质酶解产糖能力：