[发明专利]一种植物纤维原料酶水解糖化的方法

说明书

本发明公开了一种植物纤维原料酶水解糖化的方法，属于生物质分离与转化技术领域。本发明方法包括：将生长发育早期的新鲜植物纤维原料经过机械处理获得碎解的植物纤维原料；以碎解的植物纤维原料为底物，在柠檬酸钠或醋酸钠的缓冲液中，加入纤维素酶等进行生物酶水解；由于生长早期的新鲜植物纤维的木质化程度低，木质素聚合程度也低，酶对纤维的可及性较高，加上合理的机械处理，使得本发明提供的方法可在不使用大量化学试剂的情况下促进植物纤维原料的酶水解糖化效率高达95.5％，同时得到富含原生木质素组分的固体渣可进一步进行高值化利用，绿色高效，应用推广价值高。

技术领域

本发明属于生物质分离与转化技术领域，更具体地说，涉及一种植物纤维原料酶水解糖化的方法。

背景技术

随着我国经济的快速发展，能源供需矛盾和环境问题将会日益严重。因此充分、有效和科学地开发利用生物质能是未来缓解我国能源矛盾的途径之一。发展生物质能不仅缓解我国能源紧张和环境压力，还可以推动农村经济、促进农民增收、推进新农村建设，同时在今年生物质能全领域已被国家发改委列入鼓励类目录。

木质纤维素原料中的纤维素、半纤维素可在生物酶的催化作用下降解成单糖，单糖后经微生物发酵可生产乙醇、丁醇等生物能源以及乳酸、丁二酸等高值化平台化合物。而植物在生长发育过程中形成了复杂的细胞壁结构，并且随着植物生长发育，纤维细胞壁木质化程度增大、纤维结晶度逐步提高，生物酶可及性随之降低，导致细胞壁难以被酶降解，即“生物质抗降解屏障”，增加了生物炼制难度。因此，对木质纤维素原料进行生物炼制需要经过预处理环节破除生物质抗降解屏障，主要采用的预处理技术包括稀酸处理、蒸汽爆破、氨纤维爆破(AFEX)、低温氨浸处理、高温液态水处理、有机溶剂法、碱性过氧化氢法等，其中AFEX是破除生物质抗降解屏障最为有效的方法之一，也是最经济可行的物理-化学预处理技术，但是AFEX预处理对高木质素含量的植物纤维原料作用有限。除此之外，大多数的预处理方法都会使细胞壁多聚物在一定程度上发生水解，产生的寡糖或单糖会溶解在预处理液或水洗液中，随处理过程而流失，另外，在此过程中半纤维素和木质素会产生乙酸、呋喃、酚类和糠醛等副产物，抑制微生物代谢活性。所以，探索和开发成本低、效率高、糖损失少、抑制物少的预处理方法仍是目前植物纤维资源生物炼制技术产业化进一步努力的方向。

由于目前报道的预处理手段通常具有条件苛刻、使用有毒有害试剂等缺点，不仅能源消耗大、环境污染严重，还会抑制后续微生物发酵，生物学领域的专家通过研究细胞壁关键结构因子与生物质高效降解的关系发现细胞壁从结构上就决定了其酶解产糖效率，因此提出细胞壁基因改造工程技术，例如降低细胞壁木质素含量、改变木质素单体组成和结构、对木质素单体进行修饰、增加细胞壁低结晶度纤维素含量、降低细胞壁高结晶度纤维素含量等策略。但是利用转基因和突变体，其细胞壁结构与组成发生了系统性变化，不仅影响植物正常生长与发育，且种子与生物质产量均大幅度改变，周期长且成本高，均未获得突破性进展。

研究分析认为，随着植物的生长发育，纤维的木质化程度不断增大，木质素聚合程度越来越高，酶对纤维的可及性降低；纤维结构微纤丝层内聚力越来越强、结晶度越来越高，酶水解糖化越来越困难；另外，新鲜植物风干后，因失水导致纤维细胞胞间层内聚力增强及组织角质化，削弱了纤维素酶可及性；导致生物炼制必须采用预处理手段或基因改造工程技术降低木质素含量、改变木质素结构、降低纤维素结晶度，从而增大生物酶的可及性，提高酶水解糖化效率，不仅工艺复杂、增加了生物炼制成本，而且产生了大量的废水、形成新的环境问题。

因此，有必要对生长发育早期的新鲜植物纤维原料酶水解糖化进行相关研究，构建一种绿色高效的新鲜植物纤维原料酶水解糖化方法，在不使用大量化学试剂的前提下促进木质纤维素原料的酶水解糖化效率，同时分离得到的原生木质素可被进一步高值化利用。

发明内容

针对现有技术存在的上述问题，本发明所要解决的技术问题在于提供一种植物纤维原料酶水解糖化的方法，解决现有的纤维素酶解方法存在的工艺复杂、使用大量化学试剂、产生大量废水影响环境等问题。