專利名稱：提高酶水解率的木質(zhì)纖維素預(yù)處理方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及木質(zhì)纖維素處理技術(shù)領(lǐng)域，具體地說是一種提高酶水解率的木質(zhì)纖維素預(yù)處理方法。
背景技術(shù)：
隨著石油資源的日益減少、石油價格的連續(xù)攀升以及人們對環(huán)境問題的廣泛關(guān)注，木質(zhì)纖維素資源已成為石化資源的一個理想替代品。木質(zhì)纖維素原料主要成分為纖維 素(35% 50%)、半纖維素(20% 40%)和木質(zhì)素(15% 25%)。在木質(zhì)纖維素原料中，這三種主要成分構(gòu)成植物體的支持骨架，其中纖維素組成微細(xì)纖維，構(gòu)成纖維細(xì)胞壁的網(wǎng)狀骨架，而半纖維素和木質(zhì)素則以共價鍵相連填充在纖維和微細(xì)纖維之間，形成一種類似鋼筋水泥交錯的“混凝土結(jié)構(gòu)”。而出于研究或應(yīng)用的需要，常常需要對木質(zhì)纖維素的主要成分進(jìn)行分離。為對木質(zhì)纖維素的組分進(jìn)行分離，進(jìn)行生物質(zhì)的煉制，從而對生物質(zhì)進(jìn)行組分利用，常常需要對木質(zhì)纖維素進(jìn)行酶水解，使木質(zhì)纖維素中的纖維素酶解轉(zhuǎn)化為葡萄糖?，F(xiàn)有的酶水解方法雖然較為成熟，但由于木質(zhì)纖維素中木質(zhì)素的影響，使纖維素的酶水解率一直不太理想。鑒于上述現(xiàn)有的提高酶水解率的木質(zhì)纖維素預(yù)處理方法中存在的問題，本發(fā)明人基于多年的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)及豐富的專業(yè)知識積極加以研究和創(chuàng)新，最終發(fā)明一種提高酶水解率的木質(zhì)纖維素預(yù)處理方法，以解決現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述問題，本發(fā)明提供了一種提高酶水解率的木質(zhì)纖維素預(yù)處理方法，本發(fā)明方法提高了木質(zhì)纖維素中纖維素的酶水解轉(zhuǎn)化率。為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用了如下技術(shù)方案提高酶水解率的木質(zhì)纖維素預(yù)處理方法，包括如下步驟a.將脫蠟后的木粉溶解于離子液體中，得離子液體溶液；b.將上述離子液體溶液轉(zhuǎn)移到反相溶劑中進(jìn)行再生；c.將經(jīng)過反相溶劑再生后的離子液體溶液進(jìn)行過濾，并冷凍干燥后得到再生木粉；d.將步驟c所得再生木粉進(jìn)行溫和堿處理后，去除木質(zhì)素組分和半纖維素組分得堿處理后的殘?jiān)?；e.對堿處理后的殘?jiān)M(jìn)行酶水解得到葡萄糖。進(jìn)一步，所述離子液體為I-乙基-3-甲基咪唑醋酸鹽([C2mim] OAc)離子液體。進(jìn)一步,所述木粉與離子液體的質(zhì)量比為I : 11 25。優(yōu)選為1:11. 5-19,進(jìn)一步優(yōu)選為1:19。進(jìn)一步，所述木粉在離子液體中溶解的溫度為80_130°C。優(yōu)選為110_130°C。
進(jìn)一步，所述木粉在離子液體中溶解時采用油浴加熱，并通氮?dú)獗Ｗo(hù)。進(jìn)一步，所述經(jīng)過反相溶劑再生后的離子液體溶液通過硝酸纖維素濾膜進(jìn)行過濾。進(jìn)一步，所述再生木粉用IM的NaOH溶液在75°C下處理3小時，再生木粉與NaOH溶液的固液比為I : 15，單位為g/mL。進(jìn)一步，所述脫蠟后的木粉為80-100目的木粉。進(jìn)一步，所述反相溶劑為水、丙酮加水混合物或酮加乙醇混合物。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果在于I.本發(fā)明將離子液體預(yù)處理與溫和堿處理相結(jié)合使原料主要組分實(shí)現(xiàn)清潔高效
分離。2.本發(fā)明方法使纖維素的酶解率大大提高，達(dá)到了 99. 2%。3.本發(fā)明方法中酶解率大幅提高的原因主要有木質(zhì)素和半纖維素的去除、樣品比表面積的增加以及纖維素的晶型由纖維素I轉(zhuǎn)化為纖維素II。4.本發(fā)明方法同時還能得到59. 3%的半纖維素組分和74. 4%的木質(zhì)素組分。本發(fā)明方法在處理木質(zhì)纖維素的過程中半纖維素和木質(zhì)素的大分子結(jié)構(gòu)沒有發(fā)生降解，分離得到半纖維素和木質(zhì)素組分具有高純度、高分子量等特性，是制備高附加值產(chǎn)品的理想原料。


圖I為本發(fā)明的提高酶水解率的木質(zhì)纖維素預(yù)處理方法的流程示意圖；圖2為本發(fā)明中的產(chǎn)物及對比例的組分含量分布圖；圖3為本發(fā)明中的產(chǎn)物及對比例的酶水解轉(zhuǎn)化率的曲線圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述，但不作為對本發(fā)明的限定。本實(shí)施例中的木粉原料為速生三倍體毛白楊，三年生，采自山東省。原料粉碎后過0.8mm的篩網(wǎng)，用體積比(2:1)的苯醇索氏抽提6小時，取脫蠟后80-100目干燥樣品待用。離子液體[C2mim]OAc購自蘭州化學(xué)物理研究所，純度彡98. 5%。纖維素酶(CelluclastI. 5L)和P -葡萄糖苷酶從Sigma Aldrich購買得到。其他所用試劑都為分析純或試劑純，直接購買使用，未進(jìn)行進(jìn)一步的純化。圖I為本發(fā)明的提高酶水解率的木質(zhì)纖維素預(yù)處理方法的流程示意圖。如圖I所示，一種提高酶水解率的木質(zhì)纖維素預(yù)處理方法，包括如下步驟稱取5g80-100目脫蠟?zāi)痉?樣品A)和IOOg[C2mim]OAc (I-乙基-3-甲基咪唑醋酸鹽)置于250mL三口燒瓶中，隨之將三口燒瓶置于IKA加熱器(IKA基本型套裝，德國)在110°C下進(jìn)行油浴加熱12小時，攪拌速率為600轉(zhuǎn)/分鐘，通氮?dú)獗Ｗo(hù)。待樣品A完全溶解后，將熱的離子液體溶液轉(zhuǎn)移到IOOOmL去離子水(當(dāng)然，也可采用其他的反相溶劑)中進(jìn)行再生，并持續(xù)快速攪拌I小時。
通過硝酸纖維素濾膜(孔徑為0.45 ym，Whatman )過濾，并用去離子水反復(fù)沖洗以去除
殘留的離子液體，最后冷凍干燥得到再生木粉(樣品C)。離子液體處理后得到的樣品C接著用IM的NaOH溶液在75 °C下處理3小時，樣品C與NaOH溶液的固液比為I : 15 (g/mL)，去除木質(zhì)素組分(RAL)和半纖維素組分(RAH)，得到堿處理后的殘?jiān)?樣品D)。對堿處理后的殘?jiān)?樣品D)進(jìn)行酶水解，得到葡萄糖。過濾得到木質(zhì)素組分(RCEL)。其中酶水解在50mL的錐形燒瓶中進(jìn)行，具體酶解條件為稱取0. 2g樣品D至于燒瓶中，添加pH值為4. 8的50mM的醋酸鈉緩沖溶液10mL，接著加入40 y L四環(huán)類抗生素和20 u L環(huán)己酰亞胺，最后加入35FPU/g的纖維素酶和37. 5IU/g的P -葡萄糖苷酶，將燒瓶置于空氣搖床中開始酶解，搖床設(shè)置為50°C、150轉(zhuǎn)/分鐘，酶解48小時。本發(fā)明中的溫和堿處理及酶水解過程還可采用除上述方法的其他現(xiàn)有技術(shù)。且其中未述及的反應(yīng)條件均可自現(xiàn)有技術(shù)中得到。將樣品A進(jìn)行行星球磨8小時后的球磨木粉采用與本發(fā)明的實(shí)施例相同的溫和堿處理?xiàng)l件下直接進(jìn)行堿處理，得到的木質(zhì)素組分(AL)和半纖維素組分(AH)。樣品A直接經(jīng)溫和堿處理后的殘?jiān)?樣品B)來分析本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)。組分分析對樣品A、樣品B、樣品C和樣品D的組分含量依據(jù)美國能源實(shí)驗(yàn)室(NREL)的標(biāo)準(zhǔn)方法進(jìn)行測定，即先用濃硫酸接著用稀硫酸進(jìn)行兩步水解。為減少誤差，測定過程重復(fù)兩次。水解后單糖的含量由高效陰離子交換離子色譜進(jìn)行分析(ICS 3000，戴安，美國)，配備脈沖安培檢測器(CAD)、AS50自動進(jìn)樣器、糖分析柱(PA-20，4X250mm，戴安)及保護(hù)柱(PA-20，3X30mm，戴安)。纖維素的含量由測定葡萄糖的量乘以系數(shù)0. 9得到，半纖維素的含量是木糖、阿拉伯糖、半乳糖和甘露糖的總和，其中木糖和阿拉伯糖的換算系數(shù)為0. 88，半乳糖和甘露糖的換算系數(shù)為0. 9。酸不溶木質(zhì)素的含量由坩堝恒重計(jì)算得到，酸溶木質(zhì)素的含量由紫外分光光度計(jì)在240nm的吸光度計(jì)算，消光系數(shù)選用25L/gcm。分析結(jié)果見圖2，圖2為本發(fā)明的產(chǎn)物及對比例的組分含量分布圖。如圖2可見，原料楊木木屑經(jīng)堿處理后其纖維素的含量由41. 9%增加到51. 3%，木質(zhì)素的含量由23%增加到27. 6%，而半纖維素的含量則由16. 7%降低為10. 1%。對于離子液體再生后的樣品C，其纖維素和木質(zhì)素的含量與未處理原料的含量相近，半纖維素含量則由16. 7%降低到12. 9%。這些結(jié)果表明，堿處理和離子液體預(yù)處理過程中去半纖維素的能力比去木質(zhì)素的能力要強(qiáng)。離子液體預(yù)處理后原料樣品的回收率為90. 9%，約18. 0%的木質(zhì)素(ILL)和29. 0%的半纖維素(ILH)溶解在離子液體/水體系中，纖維素的回收率達(dá)到了 95.0%。溫和堿處理過程中大部分半纖維素和木質(zhì)素都被去除，兩者殘留量分別為3. 5%和15. 1%，而得到殘?jiān)鼧悠稤中纖維素的含量則高達(dá)61. 1%。在這一處理過程中，得到木質(zhì)素組分(RAL)和半纖維素組分(RAH)的量分別為31. 5%和59. 3%，仍有7. 0%的木質(zhì)素組分(RSAL)和11. 0%的半纖維素組分(RSAH)溶解在純化過程的濾液中。圖3為本發(fā)明的產(chǎn)物及對比例的酶水解轉(zhuǎn)化率的曲線圖。圖中的A、B、C、D分別表示上述的樣品A、樣品B、樣品C和樣品D。如圖3可見，經(jīng)48小時的酶水解后，本發(fā)明的實(shí)施例中的樣品D的酶解率達(dá)到99. 2%。另外過濾后可得到純度較高的木質(zhì)素。以上實(shí)施例僅為本發(fā)明的示例性實(shí)施例，不用于限制本發(fā)明，本發(fā)明的保護(hù)范圍由權(quán)利要求書限定。本領(lǐng)域技術(shù)人員可以在本發(fā)明的實(shí)質(zhì)和保護(hù)范圍內(nèi)，對本發(fā)明做出各種修改或等同替換，這種修改或等同替換也應(yīng)視為落在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。權(quán)利要求
1.提高酶水解率的木質(zhì)纖維素預(yù)處理方法，其特征在于，包括如下步驟 a.將脫蠟后的木粉溶解于離子液體中，得離子液體溶液； b.將上述離子液體溶液轉(zhuǎn)移到反相溶劑中進(jìn)行再生； c.將經(jīng)過反相溶劑再生后的離子液體溶液進(jìn)行過濾，并冷凍干燥后得到再生木粉； d.將步驟C所得再生木粉進(jìn)行溫和堿處理后，去除木質(zhì)素組分和半纖維素組分得堿處理后的殘?jiān)? e.對堿處理后的殘?jiān)M(jìn)行酶水解得到葡萄糖。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的提高酶水解率的木質(zhì)纖維素預(yù)處理方法，其特征在于，所述離子液體為I-乙基-3-甲基咪唑醋酸鹽離子液體。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的提高酶水解率的木質(zhì)纖維素預(yù)處理方法，其特征在于，所述木粉與尚子液體的質(zhì)量比為I : 11 25。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的提高酶水解率的木質(zhì)纖維素預(yù)處理方法，其特征在于，所述木粉與離子液體的質(zhì)量比為1:11.5-19。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的提高酶水解率的木質(zhì)纖維素預(yù)處理方法，其特征在于，所述木粉在離子液體中溶解的溫度為80-130°C。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的提高酶水解率的木質(zhì)纖維素預(yù)處理方法，其特征在于，所述木粉在離子液體中溶解時采用油浴加熱，并通氮?dú)獗Ｗo(hù)。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的提高酶水解率的木質(zhì)纖維素預(yù)處理方法，其特征在于，所述經(jīng)過反相溶劑再生后的離子液體溶液通過硝酸纖維素濾膜進(jìn)行過濾。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的提高酶水解率的木質(zhì)纖維素預(yù)處理方法，其特征在于，所述再生木粉用IM的NaOH溶液在75°C下處理3小時，再生木粉與NaOH溶液的固液比為I : 15，單位為g/mL。
9.根據(jù)權(quán)利要求I所述的提高酶水解率的木質(zhì)纖維素預(yù)處理方法，其特征在于，所述脫臘后的木粉為80-100目的木粉。
10.根據(jù)權(quán)利要求I所述的提高酶水解率的木質(zhì)纖維素預(yù)處理方法，其特征在于，所述反相溶劑為水、丙酮加水混合物或酮加乙醇混合物。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種提高酶水解率的木質(zhì)纖維素預(yù)處理方法，包括如下步驟a.將脫蠟后的木粉溶解于離子液體中，得離子液體溶液；b.將上述離子液體溶液轉(zhuǎn)移到反相溶劑中進(jìn)行再生；c.將經(jīng)過反相溶劑再生后的離子液體溶液進(jìn)行過濾，并冷凍干燥后得到再生木粉；d.將步驟c所得再生木粉進(jìn)行溫和堿處理后，去除木質(zhì)素組分和半纖維素組分得堿處理后的殘?jiān)?；e.對堿處理后的殘?jiān)M(jìn)行酶水解得到葡萄糖。本發(fā)明方法提高了木質(zhì)纖維素中纖維素的酶水解轉(zhuǎn)化率。
文檔編號C08H7/00GK102676612SQ201210144959
公開日2012年9月19日 申請日期2012年5月10日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月10日
發(fā)明者孫少妮, 孫潤倉, 張利鳴, 袁同琦, 許鳳 申請人:北京林業(yè)大學(xué)