一種利用表面活性劑提高煙稈酶解效果的方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于木質纖維素酶解糖化的技術領域，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】
[0002]我國煙草的種植面積和產量均居世界之首，其帶來的經濟價值十分可觀。據統計，在完成煙葉的采收后，每年會產生約150萬噸煙桿。由于煙農意識薄弱，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，不僅對空氣和環境造成了嚴重污染，而且是對農業剩余物資源的浪費。煙桿中含有植物堿、有機酸、糖類、蛋白質、淀粉和果膠等重要化合物，目前，對煙桿的資源化利用研究主要集中于對這些成分的提取再利用。值得關注的是，煙桿中纖維素含量高達38%?45%，與玉米秸桿、稻草秸桿和高粱桿等農作物秸桿非常接近；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纖維素原料用以生物乙醇等生物基產品的生產，不但可以合理利用煙桿，增加煙農的經濟收入，也可以減輕環境污染，有助于煙草生產的可持續發展。
[0003]目前，隨著資源匱乏、能源短缺和環境污染等全球性問題的日益加劇，新型能源的研究已越來越受到重視。其中，纖維素乙醇由于其清潔可再生的特點，已成為最適合的替代能源之一。農作物莖桿等木質纖維類物質是纖維素乙醇生產的原料，主要由纖維素、半纖維素和木質素構成。半纖維素和木質素包裹在纖維素周圍，形成了致密復雜的結構，極大地阻礙了纖維素酶與纖維素表面的可及性；同時，纖維素的結晶結構以及木質素的保護作用也致使其難以被降解。因此，對原料進行高效的預處理和纖維素酶解是制取生物乙醇的關鍵技術。
[0004]表面活性劑可以解決纖維素酶在水解過程中的無效吸附情況，促進其與纖維素表面的接觸并去除木質素的抑制，從而提高酶解效率。本發明以廢棄煙桿為原料，采用蒸汽爆破預處理，通過在酶解反應體系中添加表面活性劑，能有效提高纖維素向可發酵糖的轉化水平，對于煙草廢棄物的資源化利用、木質纖維素乙醇的研究生產具有重要的現實意義。
【發明內容】
[0005]本發明的目的是提供一種操作工藝簡單、設備投資少和生產成本較低的利用表面活性劑提高煙桿酶解效果的方法。
[0006]為實現上述目的，本發明采用的技術方案是，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原料的預處理:將煙桿進行粉碎，粉碎后的煙桿進行蒸汽爆破預處理;②物料的酶解糖化:向經蒸汽爆破預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值調節至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，酶解糖化結束后過濾得到纖維水解液。
[0007]優選的，所述步驟①中煙桿粉碎后的粒度為I?3cm，蒸汽爆破預處理工藝條件為蒸汽壓力2.0?2.5MPa，保壓時間為1.5?2.5min。
[0008]優選的，所述步驟②中表面活性劑為吐溫80(Tween80)或牛血清蛋白(BSA)。
[0009]本發明產生的有益效果是:采用蒸汽爆破技術對煙桿進行預處理，可以使煙桿木質纖維素的結構遭到破壞，促進組分分離，使大部分半纖維素和少量木質素降解而溶出，有利于后續的纖維素酶解。酶解過程中表面活性劑的添加不僅阻止了木質素與纖維酶的無效結合，并且可以促進原料細胞壁的破裂，原料結構變得疏松多孔，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，對酶活性存在抑制作用，而表面活性劑對酶有明顯的穩定和促進效應，可以改變纖維素酶在水解過程中的失活或變性情況，進而使纖維素轉化率得到顯著提高。
【附圖說明】
[0010]圖1為不同用量TWeen80對煙桿爆破物料酶解糖化效果的影響；
圖2為不同用量BSA對煙桿爆破物料酶解糖化效果的影響。
【具體實施方式】
[0011]下面結合具體實施例對本發明作進一步說明，但本發明的保護范圍不限于此。
[0012]實施例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原料的預處理:將煙桿進行粉碎至粒度為I?3cm，粉碎后的煙桿進行蒸汽爆破預處理，其中蒸汽爆破預處理工藝條件為蒸汽壓力2.0MPa，保壓時間為2.5min;②物料的酶解糖化:向經蒸汽爆破預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值調節至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，酶解糖化結束后過濾得到纖維水解液。
[0013]實施例2
實施例2與實施例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]實施例3
實施例3與實施例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]實施例4
實施例4與實施例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]實施例5
實施例5與實施例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]對照例I
對照例I與實施例1的不同之處在于，步驟②中未添加吐溫80。
[0018]實施例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原料的預處理:將煙桿進行粉碎至粒度為I?3cm，粉碎后的煙桿進行蒸汽爆破預處理，其中蒸汽爆破預處理工藝條件為蒸汽壓力2.5MPa，保壓時間為1.5min;②物料的酶解糖化:向經蒸汽爆破預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值調節至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，酶解糖化結束后過濾得到纖維水解液。
[0019]實施例7
實施例7與實施例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]實施例8
實施例8與實施例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 ] 實施例9
實施例9與實施例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]實施例10
實施例10與實施例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]對照例2
對照例2與實施例6的不同之處在于，步驟②中未添加牛血清蛋白。
[0024]結果分析
將實施例1 一 10、對照例1-2所得到的纖維水解液，于40C、10000r/min離心1min，上清液用以測定酶解液中的糖濃度。糖濃度使用高效液相色譜儀(D1nex P680)進行測定，色譜柱:離子排斥色譜柱Aminex HPX-87H;檢測器:示差折光檢測器RI 101 (Shodex);流動相:5mM H2SO4，流速0.6mL/min ；柱溫55°C ；進樣量1yL。所得結果如圖1 一2所示。
[0025]由圖1可以看出，當吐溫80添加量為0.005g/g煙桿時，煙桿糖化效果最佳，總還原糖濃度由對照組I的35.47 g/L提高到了 38.15-42.03g/L，比對照組I提高了 2.68-6.57g/L。
[0026]由圖2可以看出，當牛血清蛋白添加量為0.001g/g煙桿時，煙桿糖化效果最佳，總還原糖濃度由對照組2的36.09 g/L提高到了 39.19?40.76g/L比對照組2提高了 3.10?4.67g/Lo
【主權項】
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原料的預處理:將煙桿進行粉碎，粉碎后的煙桿進行蒸汽爆破預處理； ②物料的酶解糖化:向經蒸汽爆破預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值調節至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，酶解糖化結束后過濾得到纖維水解液。2.如權利要求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，蒸汽爆破預處理工藝條件為蒸汽壓力2.0?2.5MPa，保壓時間為1.5?2.5min。3.如權利要求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處理的煙稈為原料，通過在反應體系中添加纖維素酶、木聚糖酶和表面活性劑對原料進行酶解糖化，以實現木質纖維素原料轉化率的大幅提高。本發明通過使用表面活性劑，重點解決了纖維素酶在木質素表面的無效吸附情況，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；同時在煙稈中有毒物質煙堿的存在下，減少了酶的失活并保證了酶的穩定性，可有效減少酶的用量；另外，所采用原料為煙草生產中的下腳料，來源廣泛，成本低廉，不僅避免了煙草廢棄物隨意丟棄對環境造成的污染，而且有利于實現農業廢棄物資源的高效綜合利用。
【IPC分類】C12P19/14
【公開號】CN105603021
【申請號】CN201610168317
【發明人】王風芹, 宋安東, 付晨青, 任天寶, 謝慧
【申請人】河南農業大學
【公開日】2016年5月25日
【申請日】2016年3月23日