超聲波堿處理雙酶降解蔗渣的方法
【專利摘要】本發明公開了一種超聲波堿處理雙酶降解蔗渣的方法，即采用蔗渣為原料，經超聲波與堿的共同預處理后，再在纖維素酶和木聚糖酶的協同作用下酶解反應生產還原糖。該法利用超聲波的空化作用和機械作用以及堿對木質纖維素的溶脹作用和皂化作用，使木質纖維素的結構邊得疏松，增加酶的作用位點，去除抑制纖維素水解的木質素成分，有利于后續水解過程，縮短作用時間；并利用纖維素酶與木聚糖酶的協同作用，簡化木質纖維素復雜的空間作用提供更多的酶結合位點，降低木質素含量，縮短酶解時間，提高酶解效率，減少能耗，提高還原糖產率。本發明克服了傳統工藝的缺陷，具有資源化率高、反應條件溫和、蔗渣降解充分、成本低副產物少、還原糖得率高等優點。
【專利說明】
超聲波堿處理雙酶降解蔗渣的方法
技術領域
[0001]本發明屬于蔗渣資源化利用技術領域，尤其涉及一種超聲波堿處理雙酶降解蔗渣的方法。
【背景技術】
[0002]目前生產燃料乙醇較為成熟的工藝是采用生物轉化的方法，將燃料乙醇作為燃料代替化石能源，可以有效的減少大氣中有害物質的排放。另一方面，制糖作為廣西的支柱產業每年大約生產1600萬噸蔗渣，而大部分蔗渣都用于鍋爐燃燒，造成了生物質能源的浪費。若能以蔗渣為原料進行綜合利用，可減少蔗渣的浪費，實現資源化利用。然而，在生產中如何使木質纖維素的利用率達到最優，仍是有待解決的問題。
[0003]木質纖維素來源廣泛、價格低廉，是生產燃料乙醇的理想原料，其主要成分包括30%-40%纖維素、20%-30%半纖維素和20%-30%木質素。纖維生物質的纖維素、半纖維素、木質素結合緊密，使其不易與酶結合、外化學處理過程中易形成對發酵有抑制作用的可溶性物質、發酵效率低等均使得原料預處理成為限制木質纖維素利用工藝的瓶頸。因此，需通過一種預處理手段使得木質纖維素中阻礙發酵的物質去除，破壞木質纖維素的結構，降低結晶度，并增加纖維素的比表面積以增加酶的作用位點，這是蔗渣降解產還原糖的關鍵步驟和技術前提。
[0004]目前對木質纖維原料常用的預處理方法有化學法物理法(高壓蒸汽爆破、高溫液態水、球磨法、微波輻照、超臨界液體、CO2激光離子、超聲波)、物理化學聯合法(超聲波加酸、超聲波加堿、超聲波加雙氧水)、生物法(酶降解、真菌細菌降解)等，但是傳統的預處理方法都很難使其中的木質素含量降至最低，且大多數方法消耗的成本過高，有些預處理方法還會產生糠醛、HMF等抑制發酵的副產物。
[0005]蔗渣纖維主要由半纖維素、纖維素組成，半纖維素在木聚糖酶的降解下降解為木糖、木二糖、木三糖等，纖維素在纖維素酶的作用下可降解為葡萄糖。傳統的單一酶解處理并不能同時作用于蔗渣中的纖維素和半纖維素，通過纖維素酶和木聚糖酶的適當的配比，可將水解進行地更徹底并將兩種酶的協同作用最大化，優化生產工藝，提高還原糖的產率。
[0006]中國專利申請“一種以甘蔗渣原料發酵生產丁二酸的方法”(申請號201510387997.5【公開日】2015-09-09)中，發明人將蔗渣粉碎過20-60目篩，并用0.5-5%的NaOH溶液按一定的固液比進行高溫處理，得到預處理蔗渣。但是，該法中纖維素的得率最多54%，而且纖維素的結構也相對致密，使得酶解的效果不會很明顯。
【發明內容】
[0007]本發明要解決的技術問題是提供一種資源化率高、反應條件溫和、蔗渣降解充分、成本低副產物少、還原糖得率高的超聲波堿處理雙酶降解蔗渣的方法。
[0008]為解決上述技術問題，本發明采用以下技術方案:超聲波堿處理雙酶降解蔗渣的方法，采用蔗渣為原料，經超聲波與堿的共同預處理后，再在纖維素酶和木聚糖酶的協同作用下酶解反應生產還原糖。
[0009]上述超聲波堿處理雙酶降解蔗渣的方法，包括以下步驟:將蔗渣風干，將風干后的蔗渣破碎并進行篩分，將篩分后的蔗渣烘干至恒重得到蔗渣粉末，在烘干后的蔗渣粉末中倒入NaOH溶液并用超聲波進行預處理，調節體系pH并加入纖維素酶和木聚糖酶進行酶解反應，酶解后的酶解液滅酶活處理，即得。
[00?0] 篩分米用60?80目分樣篩。
[0011]蔗渣粉末與NaOH溶液的固液質量體積比為1:12?1:18，NaOH溶液的質量濃度為
0.5 ?
[0012]超聲波功率為200?400W，超聲波預處理的時間為40?80min。
[0013]調節體系pH至4?6。
[0014]纖維素酶的添加量為0.05?0.15g/g蔗渣，木聚糖酶的添加量為0.1?0.5g/g蔗渣，酶解時間為32?38h，反應溫度為50 0C。
[0015]滅酶活處理溫度為95?105°C，滅酶活處理時間為3?5h。
[0016]針對目前蔗渣降解處理生產還原糖存在的問題，發明人在現有預處理方法的基礎上，深入探究木質纖維素預處理的新方法和工藝，建立了一種超聲波堿處理雙酶降解蔗渣的方法，即采用蔗渣為原料，經超聲波與堿的共同預處理后，再在纖維素酶和木聚糖酶的協同作用下酶解反應生產還原糖。本發明設計原理是基于超聲波堿性預處理與雙酶協同作用，具體是:利用超聲波的空化作用和機械作用以及堿對木質纖維素的溶脹作用和皂化作用，使木質纖維素的結構邊得疏松，增加酶的作用位點，去除抑制纖維素水解的木質素成分，有利于后續水解過程，縮短作用時間；并利用纖維素酶與木聚糖酶的協同作用，簡化木質纖維素復雜的空間作用提供更多的酶結合位點，降低木質素含量，縮短酶解時間，提高酶解效率，減少能耗，提高還原糖產率。此外，將蔗渣破碎篩分至一定粒度，有效地增加了蔗渣的反應表面積，在超聲波的空化作用下，能夠方便地打斷纖維素之間的氫鍵，在超聲波和NaOH的協同作用下暴露更多的纖維素表面，增加酶的作用位點，從而達到提高纖維素得率和還原糖產量的目的。
[0017]應用本發明采用蔗渣為原料生產還原糖，利于提高還原糖的產率及甘蔗資源的綜合利用，克服了傳統工藝存在的缺陷，體現出顯著的優勢:
[0018]〈1>以制糖工業副產物蔗渣作為原料進行還原糖的生產，減少了木質纖維素資源的浪費，拓寬了綜合利用的途徑。
[0019]〈2>去除了大部分的木質素，減少木質素對蔗渣降解的影響，提高了蔗渣的降解率。
[0020]〈3>預處理在常溫下進行，過程能耗少，成本低，副產物少。
[0021]〈4>利用纖維素酶與木聚糖酶的協同作用提高了還原糖的得率，使蔗渣降解得更為充分。
【附圖說明】
[0022]圖1是應用本發明超聲波堿處理雙酶降解蔗渣的方法生產還原糖的工藝流程圖。
[0023]圖2是應用本發明處理甘蔗渣的實施例1-6中纖維素、半纖維素、木質素含量的比較。
[0024]圖3是應用本發明處理甘蔗渣的實施例1-6中還原糖含量的成分分析比較。
【具體實施方式】
[0025]實施例1
[0026]將蔗渣置于干燥通風的條件下風干，將風干后的蔗渣用機械攪拌機進行破碎并進行篩分(60目)，將篩分后的蔗渣放入烘箱中于105°C烘干除去其水分至恒重得到蔗渣粉末；在烘干后的蔗渣粉末中，按蔗渣粉末與NaOH溶液的固液質量體積比1:12倒入NaOH溶液(質量濃度為2% )，并用超聲波清洗儀進行預處理(功率200W，時間40min);用10?20ml的檸檬酸鈉緩沖液調節體系PH至4并加入纖維素酶(0.05g/g蔗渣)和木聚糖酶(0.lg/g蔗渣)進行酶解反應32h(反應溫度為50°C)，酶解后的酶解液95°C滅酶活處理3h。后用離心機離心分離(轉速3000rap，時間15min)，取上層清液采用DNS法測定還原糖含量。
[0027]結果:纖維素含量為43%，半纖維素含量為22%，木質素含量為22%，還原糖含量約為 10.26g/L。
[0028]實施例2
[0029]將蔗渣置于干燥通風的條件下風干，將風干后的蔗渣用機械攪拌機進行破碎并進行篩分(60目)，將篩分后的蔗渣放入烘箱中于105°C烘干除去其水分至恒重得到蔗渣粉末；在烘干后的蔗渣粉末中，按蔗渣粉末與NaOH溶液的固液質量體積比1:13倒入NaOH溶液(質量濃度為3 % )，并用超聲波清洗儀進行預處理(功率300W，時間50min);用10?20ml的檸檬酸鈉緩沖液調節體系PH至5并加入纖維素酶(0.07g/g蔗渣)和木聚糖酶(0.2g/g蔗渣)進行酶解反應32h(反應溫度為50°C)，酶解后的酶解液95°C滅酶活處理3h。后用離心機離心分離(轉速4000rap，時間15min)，取上層清液采用DNS法測定還原糖含量。
[0030]結果:纖維素含量為48%，半纖維素含量為21%，木質素含量為20 %，還原糖含量約為 18.95g/L。
[0031]實施例3
[0032]將蔗渣置于干燥通風的條件下風干，將風干后的蔗渣用機械攪拌機進行破碎并進行篩分(80目)，將篩分后的蔗渣放入烘箱中于105°C烘干除去其水分至恒重得到蔗渣粉末；在烘干后的蔗渣粉末中，按蔗渣粉末與NaOH溶液的固液質量體積比1:14倒入NaOH溶液(質量濃度為5% )，并用超聲波清洗儀進行預處理(功率300W，時間60min);用10?20ml的檸檬酸鈉緩沖液調節體系PH至6并加入纖維素酶(0.08g/g蔗渣)和木聚糖酶(0.2g/g蔗渣)進行酶解反應35h(反應溫度為50°C)，酶解后的酶解液95°C滅酶活處理3h。后用離心機離心分離(轉速3000rap，時間15min)，取上層清液采用DNS法測定還原糖含量。
[0033]結果:纖維素含量為60%，半纖維素含量為15%，木質素含量為14%，還原糖含量約為 29.03g/L。
[0034]實施例4
[0035]將蔗渣置于干燥通風的條件下風干，將風干后的蔗渣用機械攪拌機進行破碎并進行篩分(80目)，將篩分后的蔗渣放入烘箱中于105°C烘干除去其水分至恒重得到蔗渣粉末；在烘干后的蔗渣粉末中，按蔗渣粉末與NaOH溶液的固液質量體積比1:15倒入NaOH溶液(質量濃度為6 % )，并用超聲波清洗儀進行預處理(功率400W，時間70min);用1?20ml的檸檬酸鈉緩沖液調節體系PH至6并加入纖維素酶(0.09g/g蔗渣)和木聚糖酶(0.3g/g蔗渣)進行酶解反應36h(反應溫度為50°C)，酶解后的酶解液95°C滅酶活處理3h。后用離心機離心分離(轉速3000rap，時間15min)，取上層清液采用DNS法測定還原糖含量。
[0036]結果:纖維素含量為65%，半纖維素含量為14%，木質素含量為10%，還原糖含量約為 31.03g/L。
[0037]實施例5
[0038]將蔗渣置于干燥通風的條件下風干，將風干后的蔗渣用機械攪拌機進行破碎并進行篩分(60目)，將篩分后的蔗渣放入烘箱中于105°C烘干除去其水分至恒重得到蔗渣粉末；在烘干后的蔗渣粉末中，按蔗渣粉末與NaOH溶液的固液質量體積比1:16倒入NaOH溶液(質量濃度為6 % )，并用超聲波清洗儀進行預處理(功率300W，時間70min);用1?20ml的檸檬酸鈉緩沖液調節體系PH至6并加入纖維素酶(0.lg/g蔗渣)和木聚糖酶(0.4g/g蔗渣)進行酶解反應37h(反應溫度為50°C)，酶解后的酶解液95°C滅酶活處理3h。后用離心機離心分離(轉速3000rap，時間15min)，取上層清液采用DNS法測定還原糖含量。
[0039]結果:纖維素含量為63%，半纖維素含量為15%，木質素含量為11%，還原糖含量約為 29.85g/L。
[0040]實施例6
[0041 ]將蔗渣置于干燥通風的條件下風干，將風干后的蔗渣用機械攪拌機進行破碎并進行篩分(60目)，將篩分后的蔗渣放入烘箱中于105°C烘干除去其水分至恒重得到蔗渣粉末；在烘干后的蔗渣粉末中，按蔗渣粉末與NaOH溶液的固液質量體積比1:15倒入NaOH溶液(質量濃度為4 % )，并用超聲波清洗儀進行預處理(功率300W，時間80min);用1?20ml的檸檬酸鈉緩沖液調節體系PH至6并加入纖維素酶(0.lg/g蔗渣)和木聚糖酶(0.5g/g蔗渣)進行酶解反應37h(反應溫度為50°C)，酶解后的酶解液95°C滅酶活處理3h。后用離心機離心分離(轉速3000rap，時間15min)，取上層清液采用DNS法測定還原糖含量。
[0042]結果:纖維素含量為62%，半纖維素含量為15%，木質素含量為12%，還原糖含量約為 30.04g/L。
【主權項】
1.一種超聲波堿處理雙酶降解蔗渣的方法，其特征在于采用蔗渣為原料，經超聲波與堿的共同預處理后，再在纖維素酶和木聚糖酶的協同作用下酶解反應生產還原糖。2.根據權利要求1所述的超聲波堿處理雙酶降解蔗渣的方法，其特征在于包括以下步驟:將蔗渣風干，將風干后的蔗渣破碎并進行篩分，將篩分后的蔗渣烘干至恒重得到蔗渣粉末，在烘干后的蔗渣粉末中倒入NaOH溶液并用超聲波進行預處理，調節體系pH并加入纖維素酶和木聚糖酶進行酶解反應，酶解后的酶解液滅酶活處理，即得。3.根據權利要求2所述的超聲波堿處理雙酶降解蔗渣的方法，其特征在于:所述篩分采用60?80目分樣篩。4.根據權利要求2所述的超聲波堿處理雙酶降解蔗渣的方法，其特征在于:所述蔗渣粉末與NaOH溶液的固液質量體積比為I: 12?I: 18，NaOH溶液的質量濃度為0.5?6%。5.根據權利要求2所述的超聲波堿處理雙酶降解蔗渣的方法，其特征在于:所述超聲波功率為200?400W，超聲波預處理的時間為40?80min。6.根據權利要求2所述的超聲波堿處理雙酶降解蔗渣的方法，其特征在于:所述調節體系pH至4?6。7.根據權利要求2所述的超聲波堿處理雙酶降解蔗渣的方法，其特征在于:所述纖維素酶的添加量為0.05?0.15g/g蔗渣，木聚糖酶的添加量為0.1?0.5g/g蔗渣，酶解時間為32?38h，反應溫度為50°C。8.根據權利要求2所述的超聲波堿處理雙酶降解蔗渣的方法，其特征在于:所述滅酶活處理溫度為95?105°C，滅酶活處理時間為3?5h。
【文檔編號】C12P19/00GK105838753SQ201610072718
【公開日】2016年8月10日
【申請日】2016年2月2日
【發明人】孫衛東, 唐湘毅, 戴莉, 田雯, 蘇芬芬
【申請人】廣西大學