一種從竹加工剩余物生產(chǎn)多種單糖的方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種從竹加工剩余物生產(chǎn)多種單糖的方法，竹加工剩余物經(jīng)堿用量為2-10%的硫酸鹽法蒸煮預(yù)處理，預(yù)處理物料經(jīng)磨漿、水洗和專用酶制劑糖化，高效生產(chǎn)葡萄糖、木糖和阿拉伯糖；所述的專用酶制劑組成為：5-45FPU/g纖維素的纖維素酶，3-30U/g纖維素的β-葡萄糖苷酶，15-150U/g纖維素的木聚糖酶，0.3-2.1U/g纖維素的阿拉伯糖苷酶。本發(fā)明的竹加工剩余物經(jīng)低堿用量硫酸鹽法蒸煮預(yù)處理，破壞木質(zhì)素中的β-芳基醚鍵并部分脫除木質(zhì)素；經(jīng)低堿用量硫酸鹽蒸煮后的預(yù)處理物料在盤磨機(jī)中進(jìn)行纖維疏解、分絲帚化預(yù)處理，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)纖維素、半纖維素和木質(zhì)素組分的有效分離，提高纖維素和半纖維素對(duì)酶的可及度；然后在專用酶制劑的糖化作用下高效水解成葡萄糖、木糖和阿拉伯糖。
【專利說明】一種從竹加工剩余物生產(chǎn)多種單糖的方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及單糖制備【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種從竹加工剩余物生產(chǎn)多種單糖的方 法。

【背景技術(shù)】
[0002] 中國(guó)竹林面積已達(dá)480萬公頃，年產(chǎn)竹子30億支，在南方地區(qū)已形成了竹地板、竹 家具和竹木復(fù)合材料的竹材加工產(chǎn)業(yè)。竹加工產(chǎn)業(yè)每年產(chǎn)生的竹加工剩余物（竹屑）高達(dá) 4600萬噸，這些廢棄物除部分被利用外，大量廢棄物被丟棄，不僅污染了環(huán)境，而且造成生 物質(zhì)資源的浪費(fèi)。
[0003] 木質(zhì)纖維素中的纖維素和半纖維素可在酶催化下降解成單糖，單糖經(jīng)微生物發(fā)酵 可生產(chǎn)乙醇、丁醇等生物能源以及乳酸、富馬酸、丁二酸、丙酸等平臺(tái)化合物。因此，木質(zhì)纖 維素糖基平臺(tái)的建立是木質(zhì)纖維素生物煉制體系中的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)。由于天然植物纖維原料中 纖維素、半纖維素和木質(zhì)素形成的致密結(jié)構(gòu)，未經(jīng)預(yù)處理的植物纖維原料在經(jīng)纖維素酶水 解時(shí)原料中纖維素、半纖維素對(duì)酶的可及度低，酶水解得率低。因此，木質(zhì)纖維素經(jīng)酶水解 前必須經(jīng)過預(yù)處理，以實(shí)現(xiàn)原料中纖維素、半纖維素和木質(zhì)素的有效分離，提高纖維素和半 纖維素對(duì)酶的可及度，從而提高酶水解得率。
[0004] 竹子是一種高木質(zhì)素含量的木質(zhì)纖維素，常規(guī)的以降解、溶解半纖維素為目的實(shí) 現(xiàn)原料中纖維素、半纖維素和木質(zhì)素有效分離的稀酸預(yù)處理、蒸汽爆破預(yù)處理方法對(duì)促進(jìn) 毛竹纖維素糖化效果不大。以脫木質(zhì)素為目的的堿性預(yù)處理方法在多數(shù)植物纖維原料的預(yù) 處理中已取得良好的效果，但這些預(yù)處理方法在脫木質(zhì)素時(shí)僅斷裂木質(zhì)素分子中的a -芳 基醚鍵、a-烷基醚鍵、甲基芳醚鍵和Y-脂鍵等，而對(duì)芳基醚鍵的斷裂作用較小。多 年生毛竹組織結(jié)構(gòu)緊密且木質(zhì)素含量高，木質(zhì)素酚型單元中70 %以上為不能被堿性降解的 3 _芳基醚鍵，脫木質(zhì)素效果較差，常規(guī)的堿性預(yù)處理方法預(yù)處理竹加工剩余物難以取得理 想的效果。
[0005] 硫酸鹽法蒸煮植物纖維原料是造紙工業(yè)制漿過程的常用方法，制漿過程中硫酸 鹽法蒸煮植物纖維原料具有良好的脫木質(zhì)素效果，蒸煮液中的Na 2S產(chǎn)生親核性強(qiáng)的S2_和 HS、能使植物纖維原料中木質(zhì)素的大部分芳基醚鍵斷裂和95%木質(zhì)素溶出。但常規(guī)的 硫酸鹽法蒸煮植物纖維原料生產(chǎn)紙漿過程中，堿用量一般在25%以上，植物纖維原料在此 條件下蒸煮，在脫除絕大部分木質(zhì)素的同時(shí)，部分纖維素和半纖維素的剝皮反應(yīng)和堿性水 解也加劇，纖維素和半纖維素在蒸煮過程中損失大，因此常規(guī)的用于紙漿生產(chǎn)的硫酸鹽蒸 煮法不適宜作為木質(zhì)纖維素生物煉制的預(yù)處理方法。
[0006] 與多數(shù)農(nóng)業(yè)廢棄物、木材不同，竹子類木質(zhì)纖維素有以下特點(diǎn)，一是木質(zhì)素含量 高，一般竹子中木質(zhì)素含量在30%以上，而多數(shù)農(nóng)業(yè)廢棄物、木材中木質(zhì)素含量在20%左 右；二是與秸桿半纖維素一樣，竹子半纖維素主要是阿拉伯糖基木聚糖，但竹子半纖維素中 阿拉伯糖基含量遠(yuǎn)高于秸桿等農(nóng)業(yè)廢棄物半纖維素中阿拉伯糖基的含量，竹子半纖維素中 阿拉伯糖基含量占半纖維素糖基中的比例在10-30%之間，有的甚至高達(dá)40%以上。竹子 的高木質(zhì)素含量和富含阿拉伯糖基的特性決定了竹子木質(zhì)纖維素中大量存在木質(zhì)素與半 纖維素碳水化合物的化學(xué)結(jié)合，即木質(zhì)素碳水化合物復(fù)合體（LCC)的存在。LCC結(jié)構(gòu)很難在 硫酸鹽法蒸煮和磨漿過程中被破壞，成為制約竹子木質(zhì)纖維素糖化的關(guān)鍵因子。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 發(fā)明目的：針對(duì)竹加工剩余物木質(zhì)素含量高、存在大量LCC結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)以及高堿 用量硫酸鹽法預(yù)處理竹加工剩余物存在纖維素、半纖維素?fù)p失大的問題，本發(fā)明提出一種 從竹加工剩余物高效生產(chǎn)多種單糖的方法。
[0008] 技術(shù)方案：為了實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：
[0009] -種從竹加工剩余物生產(chǎn)多種單糖的方法：竹加工剩余物經(jīng)堿用量為2-10%的 硫酸鹽法蒸煮預(yù)處理，預(yù)處理物料經(jīng)磨漿、水洗和專用酶制劑糖化，高效生產(chǎn)葡萄糖、木糖 和阿拉伯糖；所述的專用酶制劑組成為：5_45FPU/g纖維素的纖維素酶，3-30U/g纖維素的 3 -葡萄糖苷酶，15_150U/g纖維素的木聚糖酶，0. 3-2. lU/g纖維素的阿拉伯糖苷酶。
[0010] 所述的硫酸鹽法蒸煮預(yù)處理具體為：竹加工剩余物按固液比1:5與含NaOH和 Na 2S、硫化度為20%、有效堿用量為2-10%的蒸煮液混合，在8(rC下預(yù)浸20min后，以2°C/ min的速率升溫至160°C，保溫lh。
[0011] 所述的磨漿具體為：蒸煮物中加入水，調(diào)節(jié)固形物濃度為5%后，在3000轉(zhuǎn)/分的 盤磨機(jī)中磨漿30分鐘，固液分離。
[0012] 所述的專用酶制劑糖化具體為：固體渣與竹加工剩余物糖化專用酶制劑混合，力口 入水，pH緩沖液或酸、堿，混合至底物濃度5-10%，控制pH值在4. 80,于50°C條件下酶解反 應(yīng) 48h。
[0013] 所述的專用酶制劑酶用量為30FPU/g纖維素的纖維素酶、21U/g纖維素的葡萄 糖苷酶、120U/g纖維素的木聚糖酶和1. 2U/g纖維素的阿拉伯糖苷酶。
[0014] 所述的從竹加工剩余物生產(chǎn)多種單糖的方法，包括以下步驟：
[0015] 1)竹加工剩余物按固液比1:5與含NaOH和Na2S、硫化度為20%、有效堿用量為 2-10%的蒸煮液混合，在80°C下預(yù)浸20min后，以2°C /min的速率升溫至160°C，保溫lh ; 獲得蒸煮物；
[0016] 2)在蒸煮物中加入水，調(diào)節(jié)固形物濃度為5%后，在3000轉(zhuǎn)/分的盤磨機(jī)中磨漿 30分鐘，固液分離；獲得固體渣；
[0017] 3)用水將固體渣用洗滌至中性；
[0018] 4)將洗滌后的固體渣與竹加工剩余物糖化專用酶制劑混合，加入7jC，pH緩沖液或 酸、堿，混合至底物濃度5-10%，控制pH值在4. 80,于50°C條件下酶解反應(yīng)48h ;
[0019] 其中，專用酶制劑組成為：30FPU/g纖維素的纖維素酶，21U/g纖維素的葡萄糖 苷酶，120U/g纖維素的木聚糖酶和1. 2U/g纖維素的阿拉伯糖苷酶。
[0020] 5)酶水解反應(yīng)結(jié)束后，水解物固液分離，清夜即為含葡萄糖、木糖和阿拉伯糖的糖 液。
[0021] 所述的從竹加工剩余物生產(chǎn)單糖的方法：所述的竹加工剩余物為竹屑，絕干竹屑 經(jīng)堿用量為10%的硫酸鹽蒸煮預(yù)處理、磨漿、洗滌后，采用用量為30FPU/g纖維素的纖維素 酶、21U/g纖維素的0 -葡萄糖苷酶、120U/g纖維素的木聚糖酶和1. 2U/g纖維素的阿拉伯 糖苷酶，在底物濃度5%、pH4. 8、50°C條件下協(xié)同水解48h，獲得葡萄糖、木糖和阿拉伯糖。
[0022] 有益效果：與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的竹加工剩余物經(jīng)低堿用量硫酸鹽法蒸煮預(yù) 處理，破壞木質(zhì)素中的3 -芳基醚鍵并部分脫除木質(zhì)素；經(jīng)低堿用量硫酸鹽蒸煮后的預(yù)處 理物料在盤磨機(jī)中進(jìn)行纖維疏解、分絲帚化預(yù)處理，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)纖維素、半纖維素和木質(zhì)素 組分的有效分離，提高纖維素和半纖維素對(duì)酶的可及度；然后在糖化專用酶制劑的作用下 高效水解成葡萄糖、木糖和阿拉伯糖。經(jīng)試驗(yàn)證實(shí)，l〇〇〇g絕干竹屑經(jīng)堿用量為10%的硫 酸鹽蒸煮預(yù)處理、磨漿、洗滌后，采用用量為30FPU/g纖維素的纖維素酶、21U/g纖維素的 3 _葡萄糖苷酶、120U/g纖維素的木聚糖酶和1. 2U/g纖維素的阿拉伯糖苷酶在底物濃度 5%、pH4. 8、50°C條件下協(xié)同水解48h，可獲得317g葡萄糖、112g木糖和10g阿拉伯糖，具有 很好的實(shí)用性。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0023] 圖1是纖維素酶用量對(duì)預(yù)處理竹屑酶水解的影響結(jié)果圖；
[0024] 圖2是0-葡萄糖苷酶用量對(duì)預(yù)處理竹屑酶水解的影響結(jié)果圖；
[0025] 圖3是木聚糖酶用量對(duì)預(yù)處理竹屑酶水解的影響結(jié)果圖；
[0026] 圖4是阿拉伯糖苷酶用量對(duì)預(yù)處理竹屑酶水解的影響結(jié)果圖；
[0027] 圖5是纖維素酶、0_葡萄糖苷酶、木聚糖酶和阿拉伯糖苷酶協(xié)同水解預(yù)處理竹屑 反應(yīng)歷程結(jié)果圖。

【具體實(shí)施方式】
[0028] 下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說明。
[0029] 以下實(shí)施例中，葡萄糖濃度、木糖濃度、阿拉伯糖濃度和纖維二糖濃度均采用高效 液相色譜法（HPLC)測(cè)定。色譜條件如下：色譜儀:AgillentllOO高效液相色譜儀；色譜柱 ： Bio-Rad Aminex HPX-87H ;流動(dòng)相：0? 005mol/L 硫酸，流速：0? 6mL/min ;柱溫：55°C ;檢測(cè) 器：示差折光檢測(cè)器；進(jìn)樣量：10uL。外標(biāo)法測(cè)定。
[0030] 實(shí)施例1
[0031] l〇〇g絕干竹屑裝入1L不銹鋼管式蒸煮器中，按固液比1:5加入含NaOH和Na2S、 硫化度為20%、堿用量為2-10% (指Na0H+Na2S含量，以Na20計(jì)）的蒸煮液。在80°C下預(yù) 浸20min后，以2°C /min的速率升溫至160°C，保溫lh。反應(yīng)結(jié)束后立即將蒸煮器取出浸 于冷水中，在蒸煮物中加入蒸餾水調(diào)節(jié)固形物濃度為5%，在盤磨機(jī)中以3000轉(zhuǎn)/分磨漿 30min，固液分離，用蒸餾水洗滌固體渣至中性。固體渣裝入密封袋中，于4°C冰箱中平衡水 分2d，測(cè)定物料中纖維素、木聚糖和木質(zhì)素含量，并計(jì)算纖維素回收率、木聚糖回收率和木 質(zhì)素脫除率，所獲得的結(jié)果見表1。
[0032] 表1低堿用量下竹屑蒸煮預(yù)處理碳水化合物回收率和木質(zhì)素脫除率結(jié)果
[0033]

【權(quán)利要求】
1. 一種從竹加工剩余物生產(chǎn)多種單糖的方法，其特征在于：竹加工剩余物經(jīng)堿用量為 2-10%的硫酸鹽法蒸煮預(yù)處理，預(yù)處理物料經(jīng)磨漿、水洗和專用酶制劑糖化，高效生產(chǎn)葡萄 糖、木糖和阿拉伯糖；所述的專用酶制劑組成為：5-45FPU/g纖維素的纖維素酶，3-30U/g纖 維素的0 -葡萄糖苷酶，15-150U/g纖維素的木聚糖酶，0. 3-2. lU/g纖維素的阿拉伯糖苷 酶。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的從竹加工剩余物生產(chǎn)多種單糖的方法，其特征在于：所述的 硫酸鹽法蒸煮預(yù)處理具體為：竹加工剩余物按固液比1:5與含NaOH和Na2S、硫化度為20%、 有效堿用量為2-10%的蒸煮液混合，在80°C下預(yù)浸20 min后，以2°C /min的速率升溫至 160°C，保溫 1 h。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的從竹加工剩余物生產(chǎn)多種單糖的方法，其特征在于：所述的 磨漿具體為：蒸煮物中加入水，調(diào)節(jié)固形物濃度為5%后，在3000轉(zhuǎn)/分的盤磨機(jī)中磨漿30 分鐘，固液分離。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的從竹加工剩余物生產(chǎn)多種單糖的方法，其特征在于：所述的 專用酶制劑糖化具體為：固體渣與竹加工剩余物糖化專用酶制劑混合，加入水，pH緩沖液 或酸、堿，混合至底物濃度5-10%，控制pH值在4. 80,于50°C條件下酶解反應(yīng)48h。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的從竹加工剩余物生產(chǎn)多種單糖的方法，其特征在于：所述的 專用酶制劑酶用量為30FPU/g纖維素的纖維素酶、21U/g纖維素的0 -葡萄糖苷酶、120U/g 纖維素的木聚糖酶和1. 2U/g纖維素的阿拉伯糖苷酶。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的從竹加工剩余物生產(chǎn)多種單糖的方法，其特征在于，包括以 下步驟： 1) 竹加工剩余物按固液比1:5與含NaOH和Na2S、硫化度為20%、有效堿用量為2-10% 的蒸煮液混合，在80°C下預(yù)浸20 min后，以2°C/min的速率升溫至160°C，保溫1 h;獲得 蒸煮物； 2) 在蒸煮物中加入水，調(diào)節(jié)固形物濃度為5%后，在3000轉(zhuǎn)/分的盤磨機(jī)中磨漿30分 鐘，固液分離；獲得固體渣； 3) 用水將固體渣用洗滌至中性； 4) 將洗滌后的固體渣與竹加工剩余物糖化專用酶制劑混合，加入水，pH緩沖液或酸、 堿，混合至底物濃度5-10%，控制pH值在4. 80,于50°C條件下酶解反應(yīng)48h ; 其中，專用酶制劑組成為：30FPU/g纖維素的纖維素酶，21U/g纖維素的￠-葡萄糖苷 酶，120U/g纖維素的木聚糖酶和1. 2U/g纖維素的阿拉伯糖苷酶； 5) 酶水解反應(yīng)結(jié)束后，水解物固液分離，清夜即為含葡萄糖、木糖和阿拉伯糖的糖液。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1-6任一項(xiàng)所述的從竹加工剩余物生產(chǎn)單糖的方法，其特征在于：所 述的竹加工剩余物為竹屑，絕干竹屑經(jīng)堿用量為10%的硫酸鹽蒸煮預(yù)處理、磨漿、洗滌后， 采用用量為30FPU/g纖維素的纖維素酶、21U/g纖維素的0 -葡萄糖苷酶、120U/g纖維素 的木聚糖酶和1. 2U/g纖維素的阿拉伯糖苷酶，在底物濃度5%、pH4. 8、50°C條件下協(xié)同水解 48h，獲得葡萄糖、木糖和阿拉伯糖。
【文檔編號(hào)】C12P19/02GK104450830SQ201510000907
【公開日】2015年3月25日 申請(qǐng)日期:2015年1月4日 優(yōu)先權(quán)日:2015年1月4日
【發(fā)明者】勇強(qiáng), 黃曹興, 李鑫, 賴晨歡, 徐勇, 歐陽嘉, 余世袁 申請(qǐng)人:南京林業(yè)大學(xué)