一種提高纖維素酶解糖化得率的方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于木質(zhì)纖維素酶解領(lǐng)域，公開了一種以木質(zhì)素磺酸鹽與直鏈醇的混合物為酶解助劑，提高纖維素酶解糖化得率的方法。方法具體步驟是：將纖維素分散于緩沖溶液中，加入木質(zhì)素磺酸鹽與直鏈醇混合物，再加入5～20FPU/g以纖維素中的葡聚糖含量計(jì)的纖維素酶，在45～60℃溫度下反應(yīng)48～96h，獲得糖類化合物水解液。本發(fā)明通過添加木質(zhì)素磺酸鹽與直鏈醇混合物，可使纖維素酶解糖化得率提高15.1%～24.6%。
【專利說明】一種提高纖維素酶解糖化得率的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于木質(zhì)纖維素酶解領(lǐng)域，具體涉及一種以木質(zhì)素磺酸鹽與直鏈醇混合作為酶解助劑，提高纖維素酶解糖化得率的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著世界人口的增長及經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人類對(duì)能源需求日益增大。而纖維素乙醇可有效解決能源短缺、資源匱乏以及緩解環(huán)境污染等問題，是代用燃油的第一選擇，是生物燃油的主要發(fā)展方向。
[0003]目前的研究熱點(diǎn)是利用酶解技術(shù)將木質(zhì)纖維素水解生成生物乙醇，其工藝主要包括原料預(yù)處理、纖維素酶解、糖發(fā)酵以及蒸餾等工藝。但目前該工藝面臨著眾多的瓶頸問題，如預(yù)處理成本高、酶解效率低、纖維素酶利用效率低等，這幾個(gè)方面的原因?qū)е铝死w維素的總生產(chǎn)成本高，制約生物乙醇的工業(yè)化生產(chǎn)。
[0004]目前針對(duì)如何提高纖維酶解效率、降低生產(chǎn)成本等問題，國內(nèi)外眾多研究學(xué)者已展開了研究。研究發(fā)現(xiàn)，非離子表面活性劑可以促進(jìn)纖維素底物的酶解，提高纖維素底物的糖化得率。
[0005]針對(duì)非離子表面活性劑對(duì)纖維素酶解過程的影響，國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)展開了一系列的研究。Sipos等研究發(fā)現(xiàn)，通過添加PEG4000可以提高木質(zhì)纖維素的糖化得率，作者認(rèn)為PEG可與木質(zhì)素分子上的酚羥基相結(jié)合，與纖維素酶產(chǎn)生競爭性吸附，從而減少纖維素酶在木質(zhì)素上的無效吸附，提高水解液中纖維素酶的有效濃度，促進(jìn)纖維素的酶水解反應(yīng)(Comptes Rendus Biologies, 2011，334:812-823.)。Yang 等通過添加 Tween80 以提高玉米稻桿whatmanl號(hào)濾紙的糖化得率,其認(rèn)為Tween80可以有效防止纖維素酶在與纖維素底物相互作用的過程中失活，提`高纖維素酶的利用效率，從而提高纖維素底物的糖化得率(Biochemical Engineering Journal, 2011，56(3):125-129.)。
[0006]但是PEG，Tween等非離子表面活性劑價(jià)格昂貴，不利于降低纖維素乙醇的生產(chǎn)成本。最近的研究發(fā)現(xiàn)，在酶解過程中添加木質(zhì)素磺酸鹽也可以有效提高木質(zhì)纖維素的酶水解糖化得率。Zhu等研究發(fā)現(xiàn)來自SPORL處理的松木底物的木質(zhì)素磺酸鹽可以有效提高松木底物的酶解糖化得率，而且通過調(diào)節(jié)PH可以有效提高木質(zhì)素磺酸鹽對(duì)木質(zhì)纖維素酶解的促進(jìn)效果，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，在pH為5，酶載量為13FPU/g葡聚糖時(shí)，經(jīng)過SPORL預(yù)處理的松木底物的酶解糖化得率可達(dá)到 91% (Biotechnology for Biofuels, 2013, 6:9.)0 Zhou 等研究發(fā)現(xiàn)通過添加不同分子量的木質(zhì)素磺酸鹽可有效提高不同種類的木質(zhì)纖維素的糖化得率，其中對(duì)經(jīng)過Kraft法預(yù)處理的松木底物的促進(jìn)作用最大，其次是經(jīng)過SPORL法預(yù)處理的松木底物。(Industrial&Engineering Chemistry Research, 2013, 52(25):8464-8470.)
[0007]由于木質(zhì)素磺酸鹽是木質(zhì)纖維素亞硫酸法預(yù)處理液的主要成分，也可由纖維素乙醇副產(chǎn)的酶解殘?jiān)?jīng)過磺化反應(yīng)所得到，因此，利用木質(zhì)素磺酸鹽為酶解助劑，不僅可以消除造紙廢液對(duì)環(huán)境的污染，提高廢棄物的利用價(jià)值，還可以有效利用纖維素乙醇生產(chǎn)過程中所產(chǎn)生的酶解殘?jiān)?，提高副產(chǎn)品附加值，降低纖維素乙醇的生產(chǎn)成本，有助于推動(dòng)纖維素乙醇的工業(yè)化。
[0008]但是利用木質(zhì)素磺酸鹽為酶解助劑還存在兩個(gè)不足之處:其一，與非離子表面活性劑相比，木質(zhì)素磺酸鹽對(duì)木質(zhì)纖維素酶解的促進(jìn)效果比較低，所需摻量大；其二，木質(zhì)素磺酸鹽具有引氣性，會(huì)在酶解過程引入氣泡，不利于安全生產(chǎn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]針對(duì)目前酶解工藝所存在的纖維素酶解效率低、可發(fā)酵糖濃度低、生產(chǎn)成本高等問題，本發(fā)明的目的在于提供一種以來源豐富、價(jià)格低廉、可再生的木質(zhì)素磺酸鹽與直鏈醇的復(fù)配混合物為酶解助劑，提高纖維素酶解糖化得率的方法；
[0010]本發(fā)明的目的通過下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn):
[0011]一種提高纖維素酶解糖化得率的方法，其特征在于具體步驟如下:
[0012](I)將100質(zhì)量份的纖維素加入到500~5000質(zhì)量份的醋酸-醋酸鈉緩沖溶液中；
[0013](2)往步驟(1)的溶液中加入0.5~100質(zhì)量份木質(zhì)素磺酸鹽與0.5~100質(zhì)量份直鏈醇按比例混合的混合物；
[0014](3)往步驟(2)的溶液中加入5~20FPU/g以纖維素中的葡聚糖含量計(jì)的纖維素酶，在45~60°C溫度下反應(yīng)48-96h，獲得糖類化合物水解液；
[0015]步驟(1)所述的纖維素為純纖維素或木質(zhì)纖維素。
[0016]步驟(1)所述的緩沖溶液為醋酸-醋酸鈉緩沖液、檸檬酸-檸檬酸鈉緩沖液或磷酸鹽緩沖液，優(yōu)選為醋酸-醋酸鈉 緩沖液。
[0017]步驟(1)所述的緩沖溶液ρΗ=4.5~6.0，離子強(qiáng)度為25~100mmol/L。
[0018]步驟(2)所述的木質(zhì)素磺酸鹽的重均分子量為2500~50000Da。
[0019]步驟(2)所述的木質(zhì)素磺酸鹽為木質(zhì)素磺酸鈉、木質(zhì)素磺酸鈣和木質(zhì)素磺酸鎂中的一種以上，優(yōu)選為木質(zhì)素磺酸鈉。
[0020]步驟(2)所述的直鏈醇為正辛醇、正癸醇、正十二醇、正十四醇、正十六醇和正十八醇中的一種以上，優(yōu)選為正辛醇、正癸醇和正十二醇的一種以上。
[0021]步驟(2)所述木質(zhì)素磺酸鹽和直鏈醇的質(zhì)量比為(0.5~50):1。
[0022]步驟(3 )所述溫度優(yōu)選為50 V。
[0023]步驟(3)所述反應(yīng)時(shí)間優(yōu)選為72小時(shí)。
[0024]本發(fā)明的原理:
[0025]木質(zhì)素磺酸鹽是一種陰離子表面活性劑，可通過靜電作用及疏水作用吸附在纖維素分子上，而且可通過靜電作用及作用吸附在木質(zhì)素分子上，因此木質(zhì)素磺酸鹽可以有效減少纖維素酶在纖維素分子及木質(zhì)素分子上的無效吸附，提高酶解液中纖維素酶的有效濃度。而且木質(zhì)素磺酸鈉吸附在纖維素分子上，有利于破壞纖維素分子的晶體結(jié)構(gòu)，降低纖維素分子的結(jié)晶度，提高纖維素的可及性，增大纖維素酶與纖維素分子之間的接觸面積。
[0026]而直鏈醇具有疏水性，可以有效降低木質(zhì)素磺酸鹽溶液的表面張力，使其物理化學(xué)性質(zhì)發(fā)生明顯變化，提高木質(zhì)素磺酸鹽的表面活性，因此，與木質(zhì)素磺酸鹽單一組分相t匕，木質(zhì)素磺酸鹽與直鏈醇復(fù)配作為酶解助劑，其對(duì)纖維素酶水解反應(yīng)的促進(jìn)效果更加明顯，可有效的提高纖維素酶解的糖化得率，降低纖維素酶的用量，進(jìn)一步降低纖維素乙醇的生產(chǎn)成本。
[0027]本發(fā)明相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)具有如下的優(yōu)點(diǎn)及效果:
[0028](I)本發(fā)明首次提出了利用木質(zhì)素磺酸鹽與直鏈醇復(fù)配提高纖維素酶解糖化得率，其中木質(zhì)素磺酸鹽來源豐富、價(jià)格低廉且可再生，是一種綠色環(huán)保的添加劑；而直鏈醇具有摻量低、不易起泡的優(yōu)點(diǎn)，而且直鏈醇可從植物中提取得到，具有可再生性，是一種有利于安全生產(chǎn)的添加劑。
[0029](2)本發(fā)明所述的方法，可使纖維素的糖化得率提高15.1%~24.6%。
[0030](3)本發(fā)明方法有利于降低纖維素乙醇的生產(chǎn)成本。
【具體實(shí)施方式】
[0031]下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的描述，但本發(fā)明的實(shí)施方式不限于此。
[0032]實(shí)施例1
[0033]取100質(zhì)量份Whatmanl號(hào)濾紙，加入到5000質(zhì)量份pH為4.8，離子強(qiáng)度為50mmol/L的醋酸-醋酸鈉緩沖溶液中，加入25質(zhì)量份分子量為2500~1000ODa的木質(zhì)素磺酸鈉與0.5質(zhì)量份正十二醇，再加入10FPU/g以纖維素中的葡聚糖含量計(jì)的纖維素酶，在50°C溫度下反應(yīng)72h。反應(yīng)結(jié)束后，固液分離獲得糖類化合物水解液，通過生物傳感分析儀測定葡萄糖含量，得到糖化得率增加量為24.6%。統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所示。
[0034]實(shí)施例2
[0035]取100質(zhì)量份微晶纖`維素，加入到5000質(zhì)量份pH為4.8，離子強(qiáng)度為50mmol/L的醋酸-醋酸鈉緩沖溶液中，加入25質(zhì)量份分子量為10000~50000Da的木質(zhì)素磺酸鈉與50質(zhì)量份正辛醇，再加入10FPU/g以纖維素中的葡聚糖含量計(jì)的纖維素酶，在50°C溫度下反應(yīng)72h。反應(yīng)結(jié)束后，固液分離獲得糖類化合物水解液，通過生物傳感分析儀測定葡萄糖含量，得到糖化得率增加量為17.0%。統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所示。
[0036]實(shí)施例3
[0037]取100質(zhì)量份微晶纖維素，加入到5000質(zhì)量份pH為4.8，離子強(qiáng)度為50mmol/L的醋酸-醋酸鈉緩沖溶液中，加入50質(zhì)量份分子量為10000~50000Da的木質(zhì)素磺酸鈉與I質(zhì)量份正辛醇，再加入10FPU/g以纖維素中的葡聚糖含量計(jì)的纖維素酶，在50°C溫度下反應(yīng)72h。反應(yīng)結(jié)束后，固液分離獲得糖類化合物水解液，通過生物傳感分析儀測定葡萄糖含量，得到糖化得率增加量為15.1%。統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所示。
[0038]實(shí)施例4
[0039]取100質(zhì)量份微晶纖維素，加入到5000質(zhì)量份pH為4.8，離子強(qiáng)度為50mmol/L的醋酸-醋酸鈉緩沖溶液中，加入25質(zhì)量份分子量為10000~50000Da的木質(zhì)素磺酸鈉與
1.0質(zhì)量份正辛醇，再加入5FPU/g以纖維素中的葡聚糖含量計(jì)的纖維素酶，在50°C溫度下反應(yīng)72h。反應(yīng)結(jié)束后，固液分離獲得糖類化合物水解液，通過生物傳感分析儀測定葡萄糖含量，得到糖化得率增加量為18.9%。統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所示。
[0040]實(shí)施例5
[0041]取100質(zhì)量份微晶纖維素，加入到5000質(zhì)量份pH為4.5，離子強(qiáng)度為50mmol/L的醋酸-醋酸鈉緩沖溶液中，加入25質(zhì)量份分子量為10000~50000Da的木質(zhì)素磺酸鈉與1.0質(zhì)量份正辛醇，再加入10FPU/g以纖維素中的葡聚糖含量計(jì)的纖維素酶，在50°C溫度下反應(yīng)72h。反應(yīng)結(jié)束后，固液分離獲得糖類化合物水解液，通過生物傳感分析儀測定葡萄糖含量，得到糖化得率增加量為19.8%。統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所示。
[0042]實(shí)施例6
[0043]取100質(zhì)量份微晶纖維素，加入到5000質(zhì)量份pH為5.5，離子強(qiáng)度為50mmol/L的醋酸-醋酸鈉緩沖溶液中，加入25質(zhì)量份分子量為10000~50000Da的木質(zhì)素磺酸鈉與
1.0質(zhì)量份正辛醇，再加入10FPU/g以纖維素中的葡聚糖含量計(jì)的纖維素酶，在50°C溫度下反應(yīng)72h。反應(yīng)結(jié)束后，固液分離獲得糖類化合物水解液，通過生物傳感分析儀測定葡萄糖含量，得到糖化得率增加量為18.0%。統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所示。
[0044]實(shí)施例7
[0045]取100質(zhì)量份微晶纖維素，加入到500質(zhì)量份pH為4.8，離子強(qiáng)度為50mmol/L的醋酸-醋酸鈉緩沖溶液中，加入25質(zhì)量份分子量為10000~50000Da的木質(zhì)素磺酸鈉與
0.5質(zhì)量份正十二醇，再加入10FPU/g以纖維素中的葡聚糖含量計(jì)的纖維素酶，在50°C溫度下反應(yīng)72h。反應(yīng)結(jié)束后，固液分離獲得糖類化合物水解液，通過生物傳感分析儀測定葡萄糖含量，得到糖化得率增加量為16.9%。統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所示。
[0046]實(shí)施例8
[0047]取100質(zhì)量份微晶纖維素，加入到2500質(zhì)量份pH為4.8，離子強(qiáng)度為50mmol/L的醋酸-醋酸鈉緩沖溶液中，加入25質(zhì)量份分子量為2500~1000ODa的木質(zhì)素磺酸鈉與0.5質(zhì)量份正癸醇，再加入10FPU/g以纖維素中的葡聚糖含量計(jì)的纖維素酶，在50°C溫度下反應(yīng)72h。反應(yīng)結(jié)束后，固液分離`獲得糖類化合物水解液，通過生物傳感分析儀測定葡萄糖含量，得到糖化得率增加量為19.0%。統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所示。
[0048]實(shí)施例9
[0049]取100質(zhì)量份微晶纖維素，加入到5000質(zhì)量份pH為4.8，離子強(qiáng)度為100mmol/L的醋酸-醋酸鈉緩沖溶液中，加入25質(zhì)量份分子量為10000~50000Da的木質(zhì)素磺酸鈉與
0.5質(zhì)量份正十二醇，再加入10FPU/g以纖維素中的葡聚糖含量計(jì)的纖維素酶，在50°C溫度下反應(yīng)72h。反應(yīng)結(jié)束后，固液分離獲得糖類化合物水解液，通過生物傳感分析儀測定葡萄糖含量，得到糖化得率增加量為19.3%。統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所示。
[0050]實(shí)施例10
[0051]取100質(zhì)量份微晶纖維素與木質(zhì)素的混合物，其中微晶纖維素所占比例為70%，木質(zhì)素所占比例為30%,加入到5000質(zhì)量份pH為4.8,離子強(qiáng)度為50mmol/L的醋酸-醋酸鈉緩沖溶液中，加入25質(zhì)量份分子量為10000~50000Da木質(zhì)素磺酸鈉與1.0質(zhì)量份正辛醇，再加入10FPU/g以纖維素中的葡聚糖含量計(jì)的纖維素酶，在50°C溫度下反應(yīng)72h。反應(yīng)結(jié)束后，固液分離獲得糖類化合物水解液，通過生物傳感分析儀測定葡萄糖含量，得到糖化得率增加量為22.6%。統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所示。
[0052]以下試驗(yàn)例為采用單獨(dú)添加木質(zhì)磺酸鹽或直鏈醇的方法，與采用本發(fā)明方法的實(shí)施例進(jìn)行糖化得率的比較:
[0053]試驗(yàn)例I
[0054]取100質(zhì)量份Whatmanl號(hào)濾紙，加入到5000質(zhì)量份pH為4.8，離子強(qiáng)度為50mmol/L的醋酸-醋酸鈉緩沖溶液中，加入25質(zhì)量份分子量為2500~1000ODa木質(zhì)素磺酸鈉，再加入10FPU/g以纖維素中的葡聚糖含量計(jì)的纖維素酶，在50°C溫度下反應(yīng)72h。反應(yīng)結(jié)束后，固液分離獲得糖類化合物水解液，通過生物傳感分析儀測定葡萄糖含量，得到糖化得率增加量為4.7%。統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所示。[0055]試驗(yàn)例2[0056]取100質(zhì)量份微晶纖維素，加入到5000質(zhì)量份pH為4.8，離子強(qiáng)度為50mmol/L的醋酸-醋酸鈉緩沖溶液中，加入25質(zhì)量份分子量為10000~50000Da木質(zhì)素磺酸鈉，再加入5FPU/g以纖維素中的葡聚糖含量計(jì)的纖維素酶，在50°C溫度下反應(yīng)72h。反應(yīng)結(jié)束后，固液分離獲得糖類化合物水解液，通過生物傳感分析儀測定葡萄糖含量，得到糖化得率增加量為9.5%。統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所示。
[0057]試驗(yàn)例3
[0058]取100質(zhì)量份微晶纖維素，加入到5000質(zhì)量份pH為4.8，離子強(qiáng)度為50mmol/L的醋酸-醋酸鈉緩沖溶液中，加入1.0質(zhì)量份正辛醇，再加入10FPU/g以纖維素中的葡聚糖含量計(jì)的纖維素酶，在50°C溫度下反應(yīng)72h。反應(yīng)結(jié)束后，固液分離獲得糖類化合物水解液，通過生物傳感分析儀測定葡萄糖含量，得到糖化得率增加量為11.3%。統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所
/Jn ο
[0059]試驗(yàn)例4
[0060]取100質(zhì)量份微晶纖維素，加入到5000質(zhì)量份pH為4.8，離子強(qiáng)度為50mmol/L的醋酸-醋酸鈉緩沖溶液中，加入0.5質(zhì)量份正癸醇，再加入10FPU/g以纖維素中的葡聚糖含量計(jì)的纖維素酶，在50°C溫度下反應(yīng)72h。反應(yīng)結(jié)束后，固液分離獲得糖類化合物水解液，通過生物傳感分析儀測定葡萄糖含量，得到糖化得率增加量為13.2%。統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所
/Jn ο
[0061]試驗(yàn)例5
[0062]取100質(zhì)量份微晶纖維素，加入到5000質(zhì)量份pH為4.8，離子強(qiáng)度為50mmol/L的醋酸-醋酸鈉緩沖溶液中，加入0.5質(zhì)量份正十二醇，再加入10FPU/g以纖維素中的葡聚糖含量計(jì)的纖維素酶，在50°C溫度下反應(yīng)72h。反應(yīng)結(jié)束后，固液分離獲得糖類化合物水解液，通過生物傳感分析儀測定葡萄糖含量，得到糖化得率增加量為14.2%。統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所示。
[0063]實(shí)驗(yàn)結(jié)果
[0064]表1各例糖化得率增加量
[0065]
【權(quán)利要求】
1.一種提高纖維素酶解糖化得率的方法，其特征在于具體步驟如下: (1)將100質(zhì)量份的纖維素加入到500~5000質(zhì)量份的緩沖溶液中； (2)往步驟(1)的溶液中加入0.5~100質(zhì)量份木質(zhì)素磺酸鹽與0.5~100質(zhì)量份直鏈醇按比例混合的混合物； (3)往步驟(2)的溶液中加入5~20FPU/g以纖維素中的葡聚糖含量計(jì)的纖維素酶，在45~60°C溫度下反應(yīng)48-96h，獲得糖類化合物水解液； 步驟(1)所述的纖維素為純纖維素或木質(zhì)纖維素；所述的緩沖溶液為醋酸-醋酸鈉緩沖液、檸檬酸-檸檬酸鈉緩沖液或磷酸鹽緩沖液；所述的緩沖溶液pH=4.5~6.0，離子強(qiáng)度為 25 ~10Ommol/I,； 步驟(2)所述的木質(zhì)素磺酸鹽為木質(zhì)素磺酸鈉、木質(zhì)素磺酸鈣和木質(zhì)素磺酸鎂中的一種以上；所述的直鏈醇為正辛醇、正癸醇、正十二醇、正十四醇、正十六醇和正十八醇中的一種以上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于:步驟(1)所述的緩沖溶液為醋酸-醋酸鈉緩沖液。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于:步驟(2)所述的木質(zhì)素磺酸鹽的重均分子量為 2500 ~50000Da。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征`在于:步驟(2)所述的木質(zhì)素磺酸鹽為木質(zhì)素磺酸鈉。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于:步驟(2)所述的直鏈醇為正辛醇、正癸醇和正十二醇中的一種以上。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于:步驟(2)所述的木質(zhì)素磺酸鹽和直鏈醇的質(zhì)量比為(0.5~50):1。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于:步驟(3)所述的溫度為50°C，所述反應(yīng)的時(shí)間為72h。
【文檔編號(hào)】C12P7/08GK103497974SQ201310392467
【公開日】2014年1月8日 申請(qǐng)日期:2013年9月2日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月2日
【發(fā)明者】邱學(xué)青, 樓宏銘, 賴煥然, 楊東杰, 周海峰, 龐煜霞, 歐陽新平, 周明松 申請(qǐng)人:華南理工大學(xué)