一种利用生物酶体系预处理木质纤维素的方法及应用

1.本发明涉及一种木质纤维素预处理方法，具体涉及一种利用果胶酶/木聚糖酶/漆酶三种生物酶组合预处理木质纤维素，提高木质纤维素纯化效率的方法，属于生物质预处理技术领域。

背景技术：

2.进入21世纪以来，随着社会的快速发展，人类对石油煤炭等传统能源的需求持续增加，已超过了实际的能源储藏量，而且在能源消耗过程中所产生的废气、废渣等，对人类的生存环境构成了巨大的威胁。人们深刻认识到石油煤炭等资源的有限性和不可再生性，以及环境问题的严重性，因此，人们对于可再生生物质资源的利用越来越重视，木质纤维素转化成能源和材料也成为未来世界的重要研究课题。
3.关于木质纤维素中的纤维素转化为能源，有纤维素水解成可发酵糖后发酵成乙醇或者丁醇，成为替代汽油的液体燃料。葡萄糖、乙二醇、芳香烃类以及呋喃类的化合物可由纤维素经水解、加氢、热解和脱水等反应制备可得。纤维素可转化为γ-戊内酯，再经化学催化反应转化为戊酸酯、丁烯和长链烯烃等燃料。在自然界中，植物细胞壁的主要成分是纤维素，棉花、芦苇是纤维素含量极高的植物。芦苇、秸秆等含纤维素的植物是造纸行业中制浆的基本原料，从植物纤维提取的纤维素也是重要的化工原料，在纺织、服饰、医学以及建筑等领域有广泛应用价值。除此之外，纤维素还可转化为材料，包括纤维素的溶解、纤维素化学改性、纤维素复合材料和纳米纤维素材料。天然纤维素经溶剂体系溶解后，再生得到的纤维素纤维可用于纺织。纤维素溶解后，还可以进行各种化学改性制备出不同功能的纤维素基材料；近年来，纳米纤维素制备及其功能材料越来越得到重视，基于纳米纤维素可制备光电、导热、导电、磁性、阻隔等高性能材料用于太阳能电池、超级电容器、锂电池、柔性面板、超级过滤、航天航空等领域。
4.木质纤维素是地球上最丰富的可再生生物质资源，主要包括木材(软木和硬木)、农业生产废弃物(秸秆、谷壳、麸皮、蔗渣等)、林产加工废弃物及各类能源植物。其主要由纤维素、半纤维素和木质素 3 大部分组成。半纤维素作为分子黏合剂结合在纤维素和木质素之间，而木质素具有三维网状芳环结构，作为支撑骨架包围并加固着纤维素和半纤维素。正是由于木质纤维素内部的致密结构和纤维素结晶度高等特点，使得其中的纤维素很难提取和木质纤维素难被酶或微生物降解。因此，木质纤维素的高效预处理技术是纤维素高值化利用首先要解决的关键问题之一。
5.木质纤维素的提取方法主要包括高温/高压气爆、酸/碱水解法、机械法、生物处理法、tempo 氧化预处理法等，其基本原理在于：通过外力作用（包括化学力、强机械力、酶解作用等），去除木质纤维素的非结晶区，保留结晶区，破坏纤丝之间的氢键结合以分离纤维束，从而获得纤维素。高温/高压气爆法包括传统的“蒸汽爆破”和“氨冷冻爆破”等，但安全隐患高和苛刻的预处理条件限制了其开发利用。酸/碱水解法是指在强酸/碱性条件下，天然纤维素糖苷键可发生断裂分解，强烈的水解作用使得纤维素分子链的无定形区遭到破
corn stalk pretreated with white-rot fungus trametes hirsute by hot pressing without adhesive[j]. bioresour technol, 2011, 102(24):11258-11261.）可催化氧化木素类底物引发自由基，以增强秸秆表面的活性。综上来说，目前研究阶段生物酶预处理生物质资源主要应用于纺织行业的脱胶，在纤维素的纯化提取方面研究较少，且多为单一生物酶进行处理，存在处理效率低下的问题，有待进一步改进。
[0007]
针对目前从木质纤维素中获取纤维素技术的不足和单一生物酶预处理的效率低下，本发明利用果胶酶/木聚糖酶/漆酶组合预处理木质纤维素，具有高效温和、设备要求低、操作简单等优点。

技术实现要素：

[0008]
为了解决现有木质纤维素预处理技术存在的问题，本发明提供了一种果胶酶、木聚糖酶和漆酶组合预处理方法，并应用于木质纤维素的预处理。本方法能在保护木质纤维素本身结构不被破坏的情况下，以高效温和的方式减少木质纤维素中木质素、半纤维素组分所占比例，可大幅提高木质纤维素纯化效率。
[0009]
本发明的技术方案为：（1）木质纤维素干燥、粉碎，控制粒径为180-425μm；（2）在80 ℃振荡条件下，将木质纤维素与5%（w/w）氢氧化钠溶液按固液比为1：30混合，预处理2 h，过滤并使用冰醋酸和温水清洗滤渣，直至清洗液ph呈中性，将清洗后的滤渣置于50-60℃烘干，获得碱处理后的木质纤维素样品；（3）将预处理后的木质纤维素样品按10-30 mg/ml的浓度与柠檬酸盐缓冲液（0 .1 mol/ l，ph为4 .8）混合，再按酶活比为15:10:1加入果胶酶/木聚糖酶/漆酶，在30-50℃条件下处理24 h后，过滤并清洗滤渣，直至中性，将清洗后的滤渣置于50-60℃烘干，测定生物酶处理后木质纤维素中纤维素、半纤维素和木质素组分所占比例。
[0010]
本发明提供的预处理方法的优势在于：（1）氢氧化钠的活化处理，对设备要求低，操作简单，在一定程度上破坏木质纤维素的致密结构，去除小部分的木质素、半纤维素，有利于增大生物酶处理时的可及面积，间接提高了生物酶预处理效率；（2）果胶酶/木聚糖酶/漆酶，绿环保，对设备要求低，操作简单、高效且具有针对性，能去除大部分木质素组分，在一定程度上降低半纤维素组分，完整地保留木质纤维素中原有的纤维素i型晶体结构，提高了纤维素的纯化效率，水稻秸秆中纤维素含量可从45.11%提高到69.33%，玉米芯中纤维素含量可从29.22%提高到59.35%，甘蔗渣中纤维素含量可从28.45%提高到70.66%；（3）该生物酶体系的预处理过程的温度条件可在常温下进行，且对水稻秸秆等多种农业废弃物处理效果明显，使本条件下该方法的经济效益显著增加；（4）该预处理方法绿环保，操作简单、对设备要求低，处理条件温和。
附图说明
[0011]
图1：不同木纤维素预处理前后组分变化
具体实施方式
下面结合附图和水稻秸秆、玉米芯以及甘蔗渣的研究实施例进一步说明本发明，但不作为对本发明的限定。
[0012]
实施例1 ：（a）将水稻秸秆洗净、干燥、粉碎，控制粒径为180-425 μm；（b）在80 ℃振荡条件下，将粉碎后的水稻秸秆与5%（w/w）氢氧化钠溶液按固液比为1：30混合，预处理2 h，过滤、洗涤并烘干备用；（c）将（b）中的样品按1:60 （g/ml）的浓度与柠檬酸盐缓冲液（0 .1 mol/ l，ph为4 .8）混合，再按酶活比为15:10:1加入果胶酶/木聚糖酶/漆酶，在35℃条件下反应24 h后，过滤并清洗滤渣，将清洗后的滤渣置于50-60℃烘干，测定生物酶处理后水稻秸秆中纤维素、半纤维素和木质素组分所占比例；通过本实施例的实施，处理后的水稻秸秆中木质素与半纤维素含量显著降低（附图1），纤维素含量提升到69.33%，半纤维素含量从37.6%降低至15.11%，木质素含量从15.6%降低至2.3%。本发明预处理后水稻秸秆的纤维素纯度得到大幅提高。
[0013]
实施例2 ：（a）将玉米芯洗净、干燥、粉碎，控制粒径为180-425 μm；（b）在80 ℃振荡条件下，将粉碎后的水稻秸秆与5%（w/w）氢氧化钠溶液按固液比为1：30混合，预处理2 h，过滤、洗涤并烘干备用；（c）将（b）中的样品按1:60 （g/ml）的浓度与柠檬酸盐缓冲液（0 .1 mol/ l，ph为4 .8）混合，再按酶活比为15:10:1加入果胶酶/木聚糖酶/漆酶，在35℃条件下反应24 h后，过滤并清洗滤渣，将清洗后的滤渣置于50-60℃烘干，测定生物酶处理后水稻秸秆中纤维素、半纤维素和木质素组分所占比例；通过本实施例的实施，处理后的玉米芯中木质素与半纤维素含量显著降低（附图1），木质素含量从11.3%降低至3.93%，半纤维素含量从34.11%降低至16.13%，纤维素含量提升到59.35%。
[0014]
实施例3 ：（a）将甘蔗渣洗净、干燥、粉碎，控制粒径为180-425 μm；（b）在80 ℃振荡条件下，将粉碎后的水稻秸秆与5%（w/w）氢氧化钠溶液按固液比为1：30混合，预处理2 h，过滤、洗涤并烘干备用；（c）将（b）中的样品按1:60 （g/ml）的浓度与柠檬酸盐缓冲液（0 .1 mol/ l，ph为4 .8）混合，再按酶活比为15:10:1加入果胶酶/木聚糖酶/漆酶，在35℃条件下反应24 h后，过滤并清洗滤渣，将清洗后的滤渣置于50-60℃烘干，测定生物酶处理后水稻秸秆中纤维素、半纤维素和木质素组分所占比例；通过本实施例的实施，处理后的甘蔗渣中木质素与半纤维素含量显著降低（附图1），木质素含量从29.67%降低至8.1%，半纤维素含量从36.72%降低至12.96%，纤维素含量提升到70.66%。

技术特征：

1.一种利用生物酶体系预处理木质纤维素的方法及应用，其特征在于利用由果胶酶/木聚糖酶/漆酶组成的体系对木质纤维素进行预处理。2.根据权利要求1所述的生物酶体系预处理木质纤维素的方法，其特征在于生物酶处理过程：将所得木质纤维素按固液比为1:60 （g/ml）加入缓冲溶液，再将果胶酶/木聚糖酶/漆酶按投加比15:10:1加入，在30-50 ℃振荡条件下预处理24 h。3.根据权利要求1所述的生物酶体系预处理木质纤维素的方法，其特征在于预处理的缓冲溶液为ph=4.8的柠檬酸钠缓冲溶液，预处理温度为35℃。

技术总结

本发明涉及一种利用果胶酶、木聚糖酶和漆酶组合预处理提高木质纤维素纯化效率的方法。首先用一定浓度的碱对木质纤维素原料进行第一步的活化处理，去除小部分的木质素、半纤维素，并在一定程度上破坏木质纤维素的致密结构；再将果胶酶/木聚糖酶/漆酶按不同的比例对木质纤维素进行第二步的预处理。本方法能在保护木质纤维素中纤维素的结构不被破坏的情况下，以高效温和的方式减小木质纤维素中木质素、半纤维素组分所占比例，可大幅提高木质纤维素纯化效率，得到纤维素原料。得到纤维素原料。