專利名稱：多步酶解提高木質(zhì)纖維素糖化得率的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于纖維素酶解領(lǐng)域，具體地涉及一種通過多步酶解以提高木質(zhì)纖維素糖化得率的方法。
背景技術(shù)：
木質(zhì)纖維原料是自然界中極為豐富的可再生資源，如果木質(zhì)纖維素能被很好的利用，將很大程度上降低化工原料及汽車燃料的成本。然而迄今為止，人們對木質(zhì)纖維原料的利用卻很不充分。這是因為木質(zhì)纖維原料中不僅含有纖維素和半纖維素，還含有一定量的木質(zhì)素及少量的果膠質(zhì)、淀粉、樹脂、萜烯類化合物等，這些成分緊密結(jié)合在一起，對外界環(huán)境具有很強的抵抗力，阻礙糖苷酶接近纖維，限制了纖維素成分的水解糖化過程。另一方面，隨著酶解反應(yīng)的進(jìn)行，還原糖濃度逐漸增加，酶解產(chǎn)物的抑制作用增強，從而影響還原糖的得率。為了提高木質(zhì)纖維原料的利用率，已經(jīng)展開了一系列關(guān)于木質(zhì)纖維預(yù)處理及耦合酶解的研究，并取得了一定研究進(jìn)展。如近期公開的CN101117777A、CN101255479A、 CN101230546A, CNlOl 182551A等涉及了酸、堿、氧化各種處理纖維原料的方法，專利 CN101501205A、CN101285106A, CN101381754A也提到了在預(yù)處理過的纖維原料中加入木聚糖酶、纖維素酶及纖維二糖酶，通過之間的協(xié)同作用提高了還原糖的得率。但隨著還原糖濃度的增加，產(chǎn)物的抑制作用也越發(fā)明顯，并且這些酶協(xié)同作用的產(chǎn)物不僅有葡萄糖，還有一定的戊糖，而戊糖很難同葡萄糖一起發(fā)酵利用，影響了原料的利用率。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種多步酶解提高木質(zhì)纖維素糖化得率的方法，以克服現(xiàn)有預(yù)處理酶糖化工藝的不足。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供的多步酶解提高木質(zhì)纖維素糖化得率的方法，是先以生物酶促進(jìn)原料的預(yù)處理過程，然后把半纖維素和纖維素分步酶解分別提取戊糖和葡萄糖的多步酶解提高還原糖得率的方法，其具體步驟如下(1)采用稀酸、堿、蒸汽爆破、熱水、氨爆、二氧化碳爆破或化機漿法中的一種或幾種對木質(zhì)纖維原料進(jìn)行預(yù)處理；(2)經(jīng)預(yù)處理后的木質(zhì)纖維素分步或同步加入果膠酶、脂肪酶、淀粉酶、漆酶等生物降解酶的一種或幾種，加入量為100 600U/g，在底物質(zhì)量百分比濃度為2% 12%，酶解pH值3 7，溫度30 55°C，反應(yīng)時間12 48h，分一步或多步酶解預(yù)處理后的木質(zhì)纖維素，以脫除原料中的抽出物成分或木質(zhì)素；(3)將酶解脫除抽出物或木質(zhì)素后的木質(zhì)纖維素分步或同步加入木聚糖酶、阿拉伯糖苷酶、葡萄糖苷酶、甘露糖苷酶、乙酯酶、葡萄糖醛酸酶等半纖維素降解酶的一種或幾種，加入量為100 600U/g，在底物質(zhì)量百分比濃度為2 % 12%，酶解PH值3 7，溫度 40 55°C，反應(yīng)時間M 72h，分一步或多步水解原料中的半纖維，分別提取各種戊糖。
(4)過濾酶解后的纖維殘渣，加入纖維素酶、纖維二糖酶200 750U/g，在底物質(zhì)量百分比濃度為2% 12%，酶解pH值3 7，溫度40 55°C，反應(yīng)時間40 72h條件下繼續(xù)水解，得到葡萄糖水解液。其中，步驟(2) (4)根據(jù)木質(zhì)纖維原料的不同，可以為其中的任意兩步或選其中的任意兩種或多種酶以任意組合形式進(jìn)行分步酶解。相對已有技術(shù)，本發(fā)明具有如下優(yōu)點1)木質(zhì)纖維原料可以先在較溫和的條件下預(yù)處理，然后通過加入果膠酶、脂肪酶、 淀粉酶、漆酶等生物降解酶來脫除原料中剩余的抽出物成分和木質(zhì)素，這樣既能提高纖維素的酶解得率，也減少發(fā)酵抑制物的生成量。2)同過半纖維和纖維素的分步酶解，既能達(dá)到五碳糖和六碳糖的分別提取和利用 (如木糖用來制取木糖醇、發(fā)酵丁醇等)，解決兩種糖共發(fā)酵制取乙醇難的問題，也會降低同步酶解時產(chǎn)物濃度過高對酶解反應(yīng)的抑制作用，提高原料的利用率。
具體實施例方式下面結(jié)合實例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明，但本發(fā)明要求保護(hù)的范圍并不局限于實施例所表述的范圍。實施例1把經(jīng)過蒸汽爆破預(yù)處理的玉米秸稈(處理條件為粉碎到0. 5cm以下的秸桿，在蒸汽壓力1.9MPa，保壓7min后瞬間爆破)，分成兩步酶解，第一步酶解條件為底物濃度 10 %，加入山東澤生生物科技有限公司生產(chǎn)的ZSL型木聚糖酶200ug/g，檸檬酸-檸檬酸鈉緩沖溶液調(diào)節(jié)PH值4. 8，50°C水浴搖床內(nèi)放置48h，酶解完成后過濾分離得第一步水解糖液，剩余殘渣進(jìn)行第二步酶解。第二步酶解條件為底物濃度10%，加入諾維信的纖維素酶 300FPU/g、纖維二糖酶20IU/g，使用檸檬酸-檸檬酸鈉緩沖溶液調(diào)節(jié)pH值4. 8，繼續(xù)在50°C 水浴搖床內(nèi)反應(yīng)48h，過濾得第二步酶解糖液。兩步酶解總還原糖得率之和為28. 95% (對底物)。取經(jīng)過同樣預(yù)處理的玉米秸稈，在底物濃度10%，同步加入山東澤生生物科技有限公司生產(chǎn)的ZSL型木聚糖酶200ug/g、諾維信的纖維素酶300FPU/g、纖維二糖酶20IU/g， 使用檸檬酸_檸檬酸鈉緩沖溶液調(diào)節(jié)PH值4. 8，在50°C水浴搖床內(nèi)反應(yīng)96h，過濾得一步酶解的糖液，還原糖得率為22. 39 (對底物)。則兩步酶解相對一步酶解的總還原糖得率提高 29. 3%。實施例2把經(jīng)過0. 5%硫酸在120°C處理Ih的木薯渣，分兩步酶解，第一步酶解條件為底物濃度4%，加入大連英斯特生物技術(shù)有限公司生產(chǎn)的果膠酶ΙΟΟμ g/g，木聚糖酶720U/g， 檸檬酸_檸檬酸鈉緩沖溶液調(diào)節(jié)PH值4. 8，50°C水浴搖床內(nèi)放置48h，酶解完成后過濾分離得第一步水解糖液，剩余殘渣進(jìn)行第二步酶解。第二步酶解條件為底物濃度4%，加入諾維信的纖維素酶350FPU/g、纖維二糖酶15IU/g，使用檸檬酸-檸檬酸鈉緩沖溶液調(diào)節(jié)pH值 4. 8，繼續(xù)在50°C水浴搖床內(nèi)反應(yīng)48h，過濾得第二步酶解糖液。兩步酶解總還原糖得率之和為29. 12% (對底物)。而按照以上同樣步聚，只是第一步酶解時未加入果膠酶，其它條件和以上相同，則兩步酶解總還原糖得率之和為26. 68%。添加果膠酶的兩步酶解得率比未添加時的酶解得率高9. 1%。取經(jīng)過同樣預(yù)處理的木薯渣，在底物濃度4%，同步加入大連英斯特生物技術(shù)有限公司生產(chǎn)的木聚糖酶720U/g、諾維信的纖維素酶350FPU/g、纖維二糖酶15IU/g，使用檸檬酸-檸檬酸鈉緩沖溶液調(diào)節(jié)PH值4. 8，在50°C水浴搖床內(nèi)反應(yīng)96h，過濾得一步酶解的糖液，還原糖得率為22. % (對底物)。則相同條件下兩步酶得率比一步酶解的總還原糖得率提高19. %。添加果膠酶的兩步酶解得率相比一步酶解的總還原糧得率更是提高了 30. 6%。實施例3把經(jīng)過0. 4%硫酸在150°C處理30min的玉米秸稈，分兩三步酶解，第一步酶解條件為底物濃度8 %，加入大連英斯特生物技術(shù)有限公司生產(chǎn)的漆酶25U/g，在pH值為4. 8、 65°C條件下反應(yīng)他。第一步酶解后的纖維殘渣，加入木聚糖酶650U/g進(jìn)行第二步酶解。 酶解條件為PH值4. 8、50°C，反應(yīng)時間40h。第二酶解完成后過濾分離得到半纖維素水解糖液，剩余殘渣進(jìn)行第三步酶解。第三步酶解條件為底物濃度8%，加入諾維信的纖維素酶370FPU/g、纖維二糖酶20IU/g，使用檸檬酸-檸檬酸鈉緩沖溶液調(diào)節(jié)pH值4. 8，繼續(xù)在 50°C水浴搖床內(nèi)反應(yīng)48h，過濾得纖維素酶解糖液。半纖維素和纖維素的還原糖得率之和為29. 46% (對底物)。而按照以上同樣方法，不加漆酶進(jìn)行兩步酶解的總還原糖得率為 26. 84%。添加漆酶的三步酶解得率比只使用木聚糖酶和纖維素酶進(jìn)行兩步酶解的得率提高 9. 8%。取經(jīng)過同樣預(yù)處理的玉米秸稈，在底物濃度8%，同步加入大連英斯特生物技術(shù)有限公司生產(chǎn)的木聚糖酶650U/g、諾維信的纖維素酶370FPU/g、纖維二糖酶20IU/g，使用檸檬酸-檸檬酸鈉緩沖溶液調(diào)節(jié)PH值4. 8，在50°C水浴搖床內(nèi)反應(yīng)96h，過濾得一步酶解的糖液，還原糖得率為23. 82% (對底物)。則相同條件下兩步酶得率比一步酶解的總還原糖得率提高12. 3%。而添加漆酶的三步酶解得率相比未添加漆酶的一步酶解的總還原糧得率提高了 23. 7%。實施例4把經(jīng)過200°C高溫?zé)崴幚砗蟮挠衩捉斩?，分成兩步酶解，第一步酶解條件為底物濃度2 %，加入大連英斯特生物技術(shù)有限公司生產(chǎn)的木聚糖酶500U/g，檸檬酸-檸檬酸鈉緩沖溶液調(diào)節(jié)PH值為4. 8，50°C水浴搖床內(nèi)放置48h，酶解完成后過濾分離得第一步水解糖液，剩余殘渣進(jìn)行第二步酶解。第二步酶解條件為底物濃度2%，加入諾維信的纖維素酶 380FPU/g、纖維二糖酶15IU/g，使用檸檬酸-檸檬酸鈉緩沖溶液調(diào)節(jié)pH值4. 8，繼續(xù)在50°C 水浴搖床內(nèi)反應(yīng)48h，過濾得第二步酶解糖液。兩步酶解總還原糖得率之和為23. 56% (對底物)。取經(jīng)過同樣預(yù)處理的玉米秸稈，在底物濃度4%，同步加入大連英斯特生物技術(shù)有限公司生產(chǎn)的木聚糖酶500U/g、諾維信的纖維素酶380FPU/g、纖維二糖酶15IU/g，使用檸檬酸-檸檬酸鈉緩沖溶液調(diào)節(jié)PH值4. 8，在50°C水浴搖床內(nèi)反應(yīng)96h，過濾得一步酶解的糖液，還原糖得率為20. 47% (對底物)。則兩步酶解相對一步酶解的總還原糖得率提高 15. 1%。
權(quán)利要求
1.一種多步酶解提高木質(zhì)纖維素糖化得率的方法，主要步驟如下1)木質(zhì)纖維原料的預(yù)處理；2)經(jīng)預(yù)處理后的木質(zhì)纖維素中分步或同步加入一種或幾種生物降解酶，脫除原料中的抽出物成分或木質(zhì)素，改變原料的纖維結(jié)構(gòu)；3)將酶解脫除抽出物或木質(zhì)素后的木質(zhì)纖維素分步或同步加入一種或幾種半纖維素降解酶，提取原料中的戊糖；4)過濾步驟3酶解后的纖維殘渣，加入纖維素酶和/或纖維二糖酶繼續(xù)水解，得到葡萄糖水解液。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述木質(zhì)纖維素為玉米秸稈、麥草、稻草、木薯渣或木材；以重量百分比計，纖維原料含有半纖維素20% 35%、纖維素35% 45%和木質(zhì)素15% 25%，其余為雜質(zhì)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，步驟1中的木質(zhì)纖維原料預(yù)處理方法包括酸處理、堿處理、熱水處理、蒸汽爆破、氨氣爆破、二氧化碳爆破、化學(xué)機械法中的一種或幾種組合。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，步驟2中的生物降解酶為果膠酶、脂肪酶、淀粉酶、漆酶。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或4所述的方法，其中，生物降解酶的用量為100 600U/g，底物質(zhì)量百分比濃度為2% 12%，酶解pH = 3 7，溫度30 55°C，反應(yīng)時間12 48小時。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，步驟3中的半纖維素降解酶為木聚糖酶、阿拉伯糖苷酶、葡萄糖苷酶、甘露糖苷酶、乙酯酶、葡萄糖醛酸酶。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或6所述的方法，其中，半纖維素降解酶的用量為100 600U/g，底物質(zhì)量百分比濃度為2% 12%，酶解pH = 3 7，溫度40 55°C，反應(yīng)時間M 72小時。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，步驟4中的纖維素酶、纖維二糖酶的用量為 200 750U/g，底物質(zhì)量百分比濃度為2% 12%，酶解pH = 3 7，溫度40 55°C，反應(yīng)時間40 72小時。
全文摘要
一種多步酶解提高木質(zhì)纖維素糖化得率的方法，主要步驟如下1)木質(zhì)纖維原料的預(yù)處理；2)經(jīng)預(yù)處理后的木質(zhì)纖維素中分步或同步加入一種或幾種生物降解酶，脫除原料中的抽出物成分或木質(zhì)素，改變原料的纖維結(jié)構(gòu)；3)將酶解脫除抽出物或木質(zhì)素后的木質(zhì)纖維素分步或同步加入一種或幾種半纖維素降解酶，提取原料中的戊糖；4)過濾步驟3酶解后的纖維殘渣，加入纖維素酶和/或纖維二糖酶繼續(xù)水解，得到葡萄糖水解液。本發(fā)明實現(xiàn)了各種組分分別回收，提高了總還原糖得率。
文檔編號C12P19/14GK102191299SQ20101012174
公開日2011年9月21日 申請日期2010年3月10日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月10日
發(fā)明者劉超, 孫偉, 牟新東, 王海松 申請人:中國科學(xué)院青島生物能源與過程研究所