一種利用表面活性劑提高煙稈酶解效果的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于木質(zhì)纖維素酶解糖化的技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種利用表面活性劑提高煙桿酶解效果的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]我國(guó)煙草的種植面積和產(chǎn)量均居世界之首，其帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)價(jià)值十分可觀。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在完成煙葉的采收后，每年會(huì)產(chǎn)生約150萬(wàn)噸煙桿。由于煙農(nóng)意識(shí)薄弱，這些煙桿廢棄物或被隨意丟棄于田間地頭，或被直接曬干焚燒，不僅對(duì)空氣和環(huán)境造成了嚴(yán)重污染，而且是對(duì)農(nóng)業(yè)剩余物資源的浪費(fèi)。煙桿中含有植物堿、有機(jī)酸、糖類、蛋白質(zhì)、淀粉和果膠等重要化合物，目前，對(duì)煙桿的資源化利用研究主要集中于對(duì)這些成分的提取再利用。值得關(guān)注的是，煙桿中纖維素含量高達(dá)38%?45%，與玉米秸桿、稻草秸桿和高粱桿等農(nóng)作物秸桿非常接近；煙桿中還含有豐富的糖類，其中葡萄糖和木糖是含量最豐富的單糖，分別占到了 74.33%和10.45%，此外，還包含甘露糖、半乳糖和阿拉伯糖等小分子多糖。由此可以表明，煙桿也可作為一種較好的木質(zhì)纖維素原料用以生物乙醇等生物基產(chǎn)品的生產(chǎn)，不但可以合理利用煙桿，增加煙農(nóng)的經(jīng)濟(jì)收入，也可以減輕環(huán)境污染，有助于煙草生產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展。
[0003]目前，隨著資源匱乏、能源短缺和環(huán)境污染等全球性問(wèn)題的日益加劇，新型能源的研究已越來(lái)越受到重視。其中，纖維素乙醇由于其清潔可再生的特點(diǎn)，已成為最適合的替代能源之一。農(nóng)作物莖桿等木質(zhì)纖維類物質(zhì)是纖維素乙醇生產(chǎn)的原料，主要由纖維素、半纖維素和木質(zhì)素構(gòu)成。半纖維素和木質(zhì)素包裹在纖維素周圍，形成了致密復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，極大地阻礙了纖維素酶與纖維素表面的可及性；同時(shí)，纖維素的結(jié)晶結(jié)構(gòu)以及木質(zhì)素的保護(hù)作用也致使其難以被降解。因此，對(duì)原料進(jìn)行高效的預(yù)處理和纖維素酶解是制取生物乙醇的關(guān)鍵技術(shù)。
[0004]表面活性劑可以解決纖維素酶在水解過(guò)程中的無(wú)效吸附情況，促進(jìn)其與纖維素表面的接觸并去除木質(zhì)素的抑制，從而提高酶解效率。本發(fā)明以廢棄煙桿為原料，采用蒸汽爆破預(yù)處理，通過(guò)在酶解反應(yīng)體系中添加表面活性劑，能有效提高纖維素向可發(fā)酵糖的轉(zhuǎn)化水平，對(duì)于煙草廢棄物的資源化利用、木質(zhì)纖維素乙醇的研究生產(chǎn)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是提供一種操作工藝簡(jiǎn)單、設(shè)備投資少和生產(chǎn)成本較低的利用表面活性劑提高煙桿酶解效果的方法。
[0006]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是，一種利用表面活性劑提高煙桿酶解效果的方法，包括以下步驟:①原料的預(yù)處理:將煙桿進(jìn)行粉碎，粉碎后的煙桿進(jìn)行蒸汽爆破預(yù)處理;②物料的酶解糖化:向經(jīng)蒸汽爆破預(yù)處理后的煙桿中加入水，攪拌成均勻的固液混合物，煙桿和水的固液比為Ikg: 5L?Ikg: 8L，將固液混合物的pH值調(diào)節(jié)至4.6?4.8 ；然后按15?20FPU/g煙桿加入纖維素酶，200?300U/g煙桿加入木聚糖酶，0.0005?0.lg/g煙桿加入表面活性劑，于45?48°C、120?150r/min振蕩酶解糖化48?60h，酶解糖化結(jié)束后過(guò)濾得到纖維水解液。
[0007]優(yōu)選的，所述步驟①中煙桿粉碎后的粒度為I?3cm，蒸汽爆破預(yù)處理工藝條件為蒸汽壓力2.0?2.5MPa，保壓時(shí)間為1.5?2.5min。
[0008]優(yōu)選的，所述步驟②中表面活性劑為吐溫80(Tween80)或牛血清蛋白(BSA)。
[0009]本發(fā)明產(chǎn)生的有益效果是:采用蒸汽爆破技術(shù)對(duì)煙桿進(jìn)行預(yù)處理，可以使煙桿木質(zhì)纖維素的結(jié)構(gòu)遭到破壞，促進(jìn)組分分離，使大部分半纖維素和少量木質(zhì)素降解而溶出，有利于后續(xù)的纖維素酶解。酶解過(guò)程中表面活性劑的添加不僅阻止了木質(zhì)素與纖維酶的無(wú)效結(jié)合，并且可以促進(jìn)原料細(xì)胞壁的破裂，原料結(jié)構(gòu)變得疏松多孔，增加了纖維素酶與纖維素的接觸面積，從而提高了纖維素的糖化率。此外，由于煙桿中含有煙堿等有毒物質(zhì)，對(duì)酶活性存在抑制作用，而表面活性劑對(duì)酶有明顯的穩(wěn)定和促進(jìn)效應(yīng)，可以改變纖維素酶在水解過(guò)程中的失活或變性情況，進(jìn)而使纖維素轉(zhuǎn)化率得到顯著提高。
【附圖說(shuō)明】
[0010]圖1為不同用量TWeen80對(duì)煙桿爆破物料酶解糖化效果的影響；
圖2為不同用量BSA對(duì)煙桿爆破物料酶解糖化效果的影響。
【具體實(shí)施方式】
[0011]下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于此。
[0012]實(shí)施例1
一種利用表面活性劑提高煙桿酶解效果的方法，包括以下步驟:①原料的預(yù)處理:將煙桿進(jìn)行粉碎至粒度為I?3cm，粉碎后的煙桿進(jìn)行蒸汽爆破預(yù)處理，其中蒸汽爆破預(yù)處理工藝條件為蒸汽壓力2.0MPa，保壓時(shí)間為2.5min;②物料的酶解糖化:向經(jīng)蒸汽爆破預(yù)處理后的煙桿中加入水，攪拌成均勻的固液混合物，煙桿和水的固液比為I kg: 8L，用I Omo I /L的氫氧化鈉溶液將固液混合物的pH值調(diào)節(jié)至4.6;然后按15FPU/g煙桿加入纖維素酶，300U/g煙桿加入木聚糖酶，0.005g/g煙桿加入吐溫80，于48°C、120r/min振蕩酶解糖化48h，酶解糖化結(jié)束后過(guò)濾得到纖維水解液。
[0013]實(shí)施例2
實(shí)施例2與實(shí)施例1的不同之處在于，步驟②中吐溫80的添加量為0.01g/g煙桿。
[0014]實(shí)施例3
實(shí)施例3與實(shí)施例1的不同之處在于，步驟②中吐溫80的添加量為0.03g/g煙桿。
[0015]實(shí)施例4
實(shí)施例4與實(shí)施例1的不同之處在于，步驟②中吐溫80的添加量為0.05g/g煙桿。
[0016]實(shí)施例5
實(shí)施例5與實(shí)施例1的不同之處在于，步驟②中吐溫80的添加量為0.lg/g煙桿。
[0017]對(duì)照例I
對(duì)照例I與實(shí)施例1的不同之處在于，步驟②中未添加吐溫80。
[0018]實(shí)施例6
一種利用表面活性劑提高煙桿酶解效果的方法，包括以下步驟:①原料的預(yù)處理:將煙桿進(jìn)行粉碎至粒度為I?3cm，粉碎后的煙桿進(jìn)行蒸汽爆破預(yù)處理，其中蒸汽爆破預(yù)處理工藝條件為蒸汽壓力2.5MPa，保壓時(shí)間為1.5min;②物料的酶解糖化:向經(jīng)蒸汽爆破預(yù)處理后的煙桿中加入水，攪拌成均勻的固液混合物，煙桿和水的固液比為I kg: 5L，用I Omo I /L的氫氧化鈉溶液將固液混合物的pH值調(diào)節(jié)至4.8;然后按20FPU/g煙桿加入纖維素酶，200U/g煙桿加入木聚糖酶，0.0005g/g煙桿加入牛血清蛋白(BSA)，于45°C、150r/min振蕩酶解糖化60h，酶解糖化結(jié)束后過(guò)濾得到纖維水解液。
[0019]實(shí)施例7
實(shí)施例7與實(shí)施例6的不同之處在于，步驟②中牛血清白蛋白的添加量為0.001g/g煙桿。
[0020]實(shí)施例8
實(shí)施例8與實(shí)施例6的不同之處在于，步驟②中牛血清白蛋白的添加量為0.005g/g煙桿。
[0021 ] 實(shí)施例9
實(shí)施例9與實(shí)施例6的不同之處在于，步驟②中牛血清白蛋白的添加量為0.01g/g煙桿。
[0022]實(shí)施例10
實(shí)施例10與實(shí)施例6的不同之處在于，步驟②中牛血清白蛋白的添加量為0.05g/g煙桿。
[0023]對(duì)照例2
對(duì)照例2與實(shí)施例6的不同之處在于，步驟②中未添加牛血清蛋白。
[0024]結(jié)果分析
將實(shí)施例1 一 10、對(duì)照例1-2所得到的纖維水解液，于40C、10000r/min離心1min，上清液用以測(cè)定酶解液中的糖濃度。糖濃度使用高效液相色譜儀(D1nex P680)進(jìn)行測(cè)定，色譜柱:離子排斥色譜柱Aminex HPX-87H;檢測(cè)器:示差折光檢測(cè)器RI 101 (Shodex);流動(dòng)相:5mM H2SO4，流速0.6mL/min ；柱溫55°C ；進(jìn)樣量1yL。所得結(jié)果如圖1 一2所示。
[0025]由圖1可以看出，當(dāng)吐溫80添加量為0.005g/g煙桿時(shí)，煙桿糖化效果最佳，總還原糖濃度由對(duì)照組I的35.47 g/L提高到了 38.15-42.03g/L，比對(duì)照組I提高了 2.68-6.57g/L。
[0026]由圖2可以看出，當(dāng)牛血清蛋白添加量為0.001g/g煙桿時(shí)，煙桿糖化效果最佳，總還原糖濃度由對(duì)照組2的36.09 g/L提高到了 39.19?40.76g/L比對(duì)照組2提高了 3.10?4.67g/Lo
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種利用表面活性劑提高煙桿酶解效果的方法，其特征在于，包括以下步驟: ①原料的預(yù)處理:將煙桿進(jìn)行粉碎，粉碎后的煙桿進(jìn)行蒸汽爆破預(yù)處理； ②物料的酶解糖化:向經(jīng)蒸汽爆破預(yù)處理后的煙桿中加入水，攪拌成均勻的固液混合物，煙桿和水的固液比為Ikg: 5L?Ikg: 8L，將固液混合物的pH值調(diào)節(jié)至4.6?4.8 ；然后按15?20FPU/g煙桿加入纖維素酶、200?300U/g煙桿加入木聚糖酶、0.0005?0.lg/g煙桿加入表面活性劑，于45?48°C、120?150r/min振蕩酶解糖化48?60h，酶解糖化結(jié)束后過(guò)濾得到纖維水解液。2.如權(quán)利要求1所述利用表面活性劑提高煙桿酶解效果的方法，其特征在于，所述步驟①中煙桿粉碎后的粒度為I?3cm，蒸汽爆破預(yù)處理工藝條件為蒸汽壓力2.0?2.5MPa，保壓時(shí)間為1.5?2.5min。3.如權(quán)利要求1所述利用表面活性劑提高煙桿酶解效果的方法，其特征在于，所述步驟②中表面活性劑為吐溫80或牛血清蛋白。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種利用表面活性劑提高煙稈酶解效果的方法，旨在提高煙稈的酶解糖化效率。該方法是以蒸汽爆破預(yù)處理的煙稈為原料，通過(guò)在反應(yīng)體系中添加纖維素酶、木聚糖酶和表面活性劑對(duì)原料進(jìn)行酶解糖化，以實(shí)現(xiàn)木質(zhì)纖維素原料轉(zhuǎn)化率的大幅提高。本發(fā)明通過(guò)使用表面活性劑，重點(diǎn)解決了纖維素酶在木質(zhì)素表面的無(wú)效吸附情況，使纖維素酶可充分作用于纖維素，從而提高了底物水解效率；同時(shí)在煙稈中有毒物質(zhì)煙堿的存在下，減少了酶的失活并保證了酶的穩(wěn)定性，可有效減少酶的用量；另外，所采用原料為煙草生產(chǎn)中的下腳料，來(lái)源廣泛，成本低廉，不僅避免了煙草廢棄物隨意丟棄對(duì)環(huán)境造成的污染，而且有利于實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)廢棄物資源的高效綜合利用。
【IPC分類】C12P19/14
【公開號(hào)】CN105603021
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201610168317
【發(fā)明人】王風(fēng)芹, 宋安東, 付晨青, 任天寶, 謝慧
【申請(qǐng)人】河南農(nóng)業(yè)大學(xué)
【公開日】2016年5月25日
【申請(qǐng)日】2016年3月23日