阅读说明：本技术 一种木糖渣预处理改善酶解糖化效果的方法 (Method for improving enzymolysis saccharification effect by pretreating xylose residues ) 是由 王朝宇 迟雪文 毕艳红 卢艺惠 赵祥杰 李明依 于 2019-10-24 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种木糖渣预处理改善酶解糖化效果的方法,包括如下步骤：称取木糖渣,加入低共熔溶剂(Deep Eutectic Solvent,DES)进行预处理,反应结束后对其进行固液分离；将分离的固体中加入KOH溶液进行预处理,反应结束后对其进行固液分离,分别收集固体和液体部分；将固体部分洗涤至中性即得到预处理后的木糖渣,进行酶解糖化,测定酶解液中的葡萄糖浓度。本发明木糖渣清洁高效预处理的方法可以改善纤维素酶水解效率低的问题,从而减少纤维素酶的用量,提高还原糖的转化效率,为木糖渣的综合利用提供一定的理论依据。(The invention discloses a method for improving enzymolysis saccharification effect by pretreating types of xylose residues, which comprises the following steps of weighing the xylose residues, adding a Deep Eutectic Solvent (DES) for pretreatment, carrying out solid-liquid separation after the reaction is finished, adding a KOH solution into the separated solid for pretreatment, carrying out solid-liquid separation after the reaction is finished, respectively collecting solid and liquid parts, washing the solid part to be neutral to obtain the pretreated xylose residues, carrying out enzymolysis saccharification, and determining the glucose concentration in an enzymolysis solution.)

一种木糖渣预处理改善酶解糖化效果的方法

技术领域

本发明属于生物化工技术领域，具体涉及一种木糖渣预处理改善酶解糖化效果的方法。

背景技术

能源是人类经济和社会可持续发展的物质基础，随着经济的快速发展，人们生活水平的不断提高，日益增长的能源需求与日益枯竭的不可再生资源的矛盾逐渐突出。与此同时，化石能源的开发与利用过程中造成的生态破坏与环境污染等问题也逐渐突现出来，温室气体的大量排放对全球气候产生了巨大影响，各种自然灾害的频发使得生态安全和人类社会的可持续发展受到严重的挑战。根据国际能源署在《世界能源展望》中的预测，到2035年全球能源消耗总量较2010年增长36％，因此，可再生清洁能源的开发与利用越来越受到广大研究学者们的重视。

中国木质纤维生物质资源巨大，农作物秸秆、农业加工剩余物及林业木质剩余物资源年产量超过7.5亿吨，是化工、造纸、纺织等工业领域的主要原材料，然而我国对此的利用率并不高。因此，若能将木质纤维生物质原料进行加工预处理，生产高附加值的生物质燃料或大宗化学品，会在一定程度上缓解全球的能源危机，减轻化石能源的压力。

木糖渣是玉米芯经过稀酸处理提取木糖后的产物，在中国，每年产生超过500万吨的木糖渣，其中大部分被燃烧产生热量，造成环境问题和纤维素材料的浪费。由于大部分的半纤维素已被脱除，剩余的木糖渣中纤维素含量很高，稀酸处理后木糖渣的内部结构已被破坏，相比来讲更利于纤维素酶的接触。然而表面木质素的存在依旧会限制纤维素酶的有效酶解，有文献报道了木糖渣发酵生产乙醇取得了一定的效果，但发酵周期长、乙醇浓度低等问题仍然存在，所以要进一步应用木糖渣仍需要对其进行一定的预处理，增加纤维素酶的可及性，以提高酶解效率、糖得率以及发酵产物的产率。

发明内容

发明目的：针对现有技术存在的问题，本发明提供一种木糖渣预处理改善酶解糖化效果的方法，本发明木糖渣清洁高效预处理的方法可以改善纤维素酶水解效率低的问题，从而减少纤维素酶的用量，提高还原糖的转化效率。

技术方案：为了实现上述目的，如本发明所述一种木糖渣预处理改善酶解糖化效果的方法，包括如下步骤：

(1)称取木糖渣，加入的DES(低共熔溶剂，Deep Eutectic Solvent，DES)进行预处理，反应结束后对其进行固液分离，分别收集固体和液体部分；

(2)向步骤(1)分离的固体中加入KOH溶液进行预处理，反应结束后对其进行固液分离，分别收集固体和液体部分；

(3)将步骤(2)分离的固体部分洗涤至中性即得到预处理后的木糖渣，进行酶解糖化，测定酶解液中的葡萄糖浓度。

其中，所述木糖渣为玉米芯经稀酸处理后的固体残渣部分。本发明中使用的木糖渣是购买于Futaste Co.Ltd.(China)或者其他市售公司均可，或者按照文献稀酸处理方法：赵哲卫.木糖渣的资源化利用与研究[D].郑州大学,2016.；效果均一致。

其中，所述DES由氯化胆碱：乳酸按摩尔比1：1-5制备而成。作为优选，所述DES由氯化胆碱：乳酸按摩尔比1：2制备而成。

进一步地，所述DES由氯化胆碱和乳酸加入反应瓶中在60-80℃下磁力搅拌直至混合物变为无色澄清液体，然后转移至真空干燥箱中，用P₂O₅充分干燥后备用。

其中，所述DES预处理木糖渣的条件为：预处理时间为0.5-6h，预处理固液比1:8-1:30g/mL，预处理温度为60-130℃。

其中，所述KOH溶液的质量分数为5-30％。

其中，所述KOH溶液进行预处理条件为：处理时间30-180min，处理固液比为1:6-1:18g/mL，处理温度为50-100℃。

对KOH预处理后的木糖渣进行固液分离，分别收集固体和液体部分，用自来水将固体残渣洗至中性，然后进行酶解糖化。

进一步地，所述酶解糖化为将预处理后的木糖渣，加入柠檬酸缓冲溶液调节pH，加入叠氮化钠溶液，然后加入纤维素酶，反应后采用HPLC测定酶解液中的葡萄糖浓度。

作为优选，所述纤维素酶加入量为3-40FPU/g-底物(即预处理后的木糖渣)，固体负载量为2-20wt.％，在pH 4.8，温度50℃下酶解2-96h。如酶水解反应体积为20mL，以15wt.％的固体负载量加入3g预处理后的木糖渣(以绝干计)，反应总体积是20mL×15％的固体负载量(固含量)为3g绝干的重量。

其中，本发明中纤维素酶活是以DNS为显色剂，以滤纸为底物表征纤维素酶的酶活。根据IUPAC标准，滤纸酶活(Filter paper activity，FPA)的定义为：1g固体酶(或1mL液体酶)，在50℃和pH 4.8的条件下，每小时由滤纸底物生成1μmol葡萄糖所需的酶用量定义为一个酶活力单位，以U/g(或U/mL)来表示。

所述酶解糖化过程结束后，取一定量酶解液进行高效液相(HPLC)检测，测定其中的还原糖含量。其中，HPLC的检测条件如表1所示。

表1液相色谱检测条件

本发明所述的木糖渣预处理改善酶解糖化效果的方法中产生的液体(步骤(1)和(2)收集的黑色液体)在制作钾肥、木质素基肥料和复合肥料中的应用。

本发明中采用DES和KOH预处理可以脱除包裹在纤维素表面的木质素和半纤维素，破坏了纤维素高度有序紧密排列的区域，使纤维素表面产生气孔，暴露更多的纤维素，增加孔隙率和孔隙度，提高纤维素酶对纤维素的可及性，从而促进酶解糖化的效率。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下优点：

本发明采用DES及KOH预处理木糖渣，破坏了木质素、半纤维素对纤维素的包裹，去除木质素，降解半纤维素，改变纤维素的晶体结构，提高纤维素的可及度与疏松性，促进纤维素酶与底物的接触，进而提高纤维素酶水解得率和还原糖得率。木糖渣在本发明的预处理及酶水解条件下，其中2％固含量，5FPU/g-底物在50℃下酶解72h葡萄糖得率最高可达97％；在15％固含量、20FPU/g-底物50℃时酶解72h葡萄糖得率最高约为87.4％；且KOH预处理后的黑液中富含K+，可以用来制作钾肥、木质素基肥料及复合肥料，减少了废液的排放；开发利用木糖渣的能源属性，不仅可以减少农业废弃物的排放，而且符合国际寻求可再生能源的需求，为木糖渣的综合利用提供一定的理论依据。

本发明采用低共熔溶剂DES和KOH溶液进行预处理，反应条件温和，减少对仪器设备的损伤，有利于工业化生产应用。

附图说明

图1为木糖渣预处理前后的扫描电镜图谱(SEM)；

图2为木糖渣预处理前后的傅里叶红外光谱(FTIR)；

图3为木糖渣预处理前后的及X射线衍射图谱(XRD)；

其中，a为木糖渣原料；b为实施例2中10wt.％KOH预处理后的木糖渣；c为实施例4中16wt.％KOH预处理后的木糖渣；

观察SEM、FTIR、XRD图谱可以发现，与未经预处理的木糖渣原料相比，预处理后的木糖渣结晶度增大，且KOH用量增加，木糖渣的降解更剧烈，孔隙率与孔隙度增大，从而增加了纤维素酶对纤维素的可及性，提高酶解糖化的效率，但是KOH用量过大会消耗成本，且用量太大会导致过水解，16wt.％KOH预处理效果最好。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明做进一步的说明。

以下实施例中所使用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径获得。

实施例中木糖渣为玉米芯经稀酸处理后的固体残渣部分，实施例中所用木糖渣均以绝干物料计；DES是由氯化胆碱和乳酸加入反应瓶中在80℃下磁力搅拌直至混合物变为无色澄清液体而成，然后转移至真空干燥箱中，用P₂O₅充分干燥后备用。

实施例1

称取30.0±0.1g木糖渣，加入300.0±0.1g的DES(氯化胆碱：乳酸(摩尔比1：2))在90℃下预处理1h，反应结束后对其进行固液分离，然后取固体再加入300.0±0.1mL的质量分数为7％的KOH溶液，在70℃下预处理90min，反应结束后对其进行固液分离；采用自来水对固体部分洗涤至中性，进行酶解糖化实验。酶水解反应体积为20mL，以15wt.％的固体负载量加入3g预处理后的木糖渣(以绝干计)，加入0.05mol/L的柠檬酸缓冲溶液调节pH为4.8，加入0.2mL的叠氮化钠溶液(0.02g/mL)，然后加入纤维素酶，酶用量为5FPU/g-底物，以120rpm的转速在50℃下反应72h。然后采用HPLC测定酶解液中的葡萄糖浓度。结果表明酶解液中葡萄糖浓度为51.8g/L，所得葡萄糖得率为39.8％。

实施例2

称取30.0±0.1g木糖渣，加入300.0±0.1g的DES(氯化胆碱：乳酸(1：2))在90℃下预处理1h，反应结束后对其进行固液分离，然后取固体再加入300.0±0.1mL的质量分数为10％的KOH溶液，在70℃下预处理90min，反应结束后对其进行固液分离。采用自来水对固体部分洗涤至中性，进行酶解糖化实验。酶水解反应体积为20mL，以15wt.％的固体负载量加入3g预处理后的木糖渣(以绝干计)，加入0.05mol/L的柠檬酸缓冲溶液调节pH为4.8，加入0.2mL的叠氮化钠溶液(0.02g/mL)，然后加入纤维素酶，酶用量为5FPU/g-底物，以120rpm的转速在50℃下反应72h。然后采用HPLC测定酶解液中的葡萄糖浓度。结果表明酶解液中葡萄糖浓度为86.8g/L，所得葡萄糖得率为41.5％。

实施例3

称取30.0±0.1g木糖渣，加入300.0±0.1g的DES(氯化胆碱：乳酸(1：2))在90℃下预处理1h，反应结束后对其进行固液分离，然后取固体再加入300.0±0.1mL的质量分数为13％的KOH溶液，在70℃下预处理90min，反应结束后对其进行固液分离。采用自来水对固体部分洗涤至中性，进行酶解糖化实验。酶水解反应体积为20mL，以15wt.％的固体负载量加入3g预处理后的木糖渣(以绝干计)，加入0.05mol/L的柠檬酸缓冲溶液调节pH为4.8，加入0.2mL的叠氮化钠溶液(0.02g/mL)，然后加入纤维素酶，酶用量为5FPU/g-底物，以120rpm的转速在50℃下反应72h。然后采用HPLC测定酶解液中的葡萄糖浓度。结果表明酶解液中葡萄糖浓度为125.8g/L，所得葡萄糖得率为74.5％。

实施例4

称取30.0±0.1g木糖渣，加入300.0±0.1g的DES(氯化胆碱：乳酸(1：2))在90℃下预处理1h，反应结束后对其进行固液分离，然后取固体再加入300.0±0.1mL的质量分数为16％的KOH溶液，在70℃下预处理90min，反应结束后对其进行固液分离。采用自来水对固体部分洗涤至中性，进行酶解糖化实验。酶水解反应体积为20mL，以15wt.％的固体负载量加入3g预处理后的木糖渣(以绝干计)，加入0.05mol/L的柠檬酸缓冲溶液调节pH为4.8，加入0.2mL的叠氮化钠溶液(0.02g/mL)，然后加入纤维素酶，酶用量为5FPU/g-底物，以120rpm的转速在50℃下反应72h。然后采用HPLC测定酶解液中的葡萄糖浓度。结果表明酶解液中葡萄糖浓度为128.8g/L，所得葡萄糖得率为76.9％。

实施例5

称取30.0±0.1g木糖渣，加入300.0±0.1g的DES(氯化胆碱：乳酸(1：2))在90℃下预处理1h，反应结束后对其进行固液分离，然后取固体再加入300.0±0.1mL的质量分数为16％的KOH溶液，在90℃下预处理90min，反应结束后对其进行固液分离。采用自来水对固体部分洗涤至中性，进行酶解糖化实验。酶水解反应体积为20mL，以15wt.％的固体负载量加入3g预处理后的木糖渣(以绝干计)，加入0.05mol/L的柠檬酸缓冲溶液调节pH为4.8，加入0.2mL的叠氮化钠溶液(0.02g/mL)，然后加入纤维素酶，酶用量为5FPU/g-底物，以120rpm的转速在50℃下反应72h。然后采用HPLC测定酶解液中的葡萄糖浓度。结果表明酶解液中葡萄糖浓度为137.9g/L，所得葡萄糖得率为76.3％。

实施例6

称取30.0±0.1g木糖渣，加入300.0±0.1g的DES(氯化胆碱：乳酸(1：2))在90℃下预处理1h，反应结束后对其进行固液分离，然后取固体再加入300.0±0.1mL的质量分数为16％的KOH溶液，在70℃下预处理90min，反应结束后对其进行固液分离。采用自来水对固体部分洗涤至中性，进行酶解糖化实验。酶水解反应体积为20mL，以5wt.％的固体负载量加入1g预处理后的木糖渣(以绝干计)，加入0.05mol/L的柠檬酸缓冲溶液调节pH为4.8，加入0.2mL的叠氮化钠溶液(0.02g/mL)，然后加入纤维素酶，酶用量为20FPU/g-底物，以120rpm的转速在50℃下反应72h。然后采用HPLC测定酶解液中的葡萄糖浓度。结果表明酶解液中葡萄糖浓度为47.2g/L，所得葡萄糖得率为92.4％。

实施例7

称取30.0±0.1g木糖渣，加入300.0±0.1g的DES(氯化胆碱：乳酸(1：2))在90℃下预处理1h，反应结束后对其进行固液分离，然后取固体再加入300.0±0.1mL的质量分数为16％的KOH溶液，在70℃下预处理90min，反应结束后对其进行固液分离。采用自来水对固体部分洗涤至中性，进行酶解糖化实验。酶水解反应体积为20mL，以2wt.％的固体负载量加入0.4g预处理后的木糖渣(以绝干计)，加入0.05mol/L的柠檬酸缓冲溶液调节pH为4.8，加入0.2mL的叠氮化钠溶液(0.02g/mL)，然后加入纤维素酶，酶用量为5FPU/g-底物，以120rpm的转速在50℃下反应72h。然后采用HPLC测定酶解液中的葡萄糖浓度。结果表明酶解液中葡萄糖浓度为18.7g/L，所得葡萄糖得率为97.1％。

实施例8

实施例8与实施例4方法相同，不同之处在于：采用质量分数为20％的KOH溶液，所得葡萄糖得率为75.4％。

实施例9

实施例8与实施例4方法相同，不同之处在于：采用质量分数为30％的KOH溶液，所得葡萄糖得率为68.2％。

实施例10

实施例10与实施例4方法相同，不同之处在于：DES由氯化胆碱：乳酸按摩尔比1：3制备而成；DES预处理木糖渣的条件为时间为6h，预处理固液比1:8g/mL，预处理温度为60℃；KOH溶液进行预处理条件为：处理时间30min，处理固液比为1:6g/mL，处理温度为100℃；酶水解反应体积为20mL，以20wt.％的固体负载量加入4g预处理后的木糖渣(以绝干计)；纤维素酶加入量为3FPU/g-底物，固体负载量为2wt.％，在pH 4.8，温度50℃下酶解2h。

实施例11

实施例11与实施例4方法相同，不同之处在于：DES预处理木糖渣的条件为时间为0.5h，预处理固液比1:30g/mL，预处理温度为130℃；KOH溶液进行预处理条件为：处理时间180min，处理固液比为1:18g/mL，处理温度为50℃；纤维素酶加入量为40FPU/g-底物，固体负载量为20wt.％，在pH 4.8，温度50℃下酶解96h。

实施例12

实施例12与实施例4制备相同，不同之处在于：酶水解反应体积为20mL，以15wt.％的固体负载量加入3g未处理的木糖渣原料(以绝干计)，加入0.05mol/L的柠檬酸缓冲溶液调节pH为4.8，加入0.2mL的叠氮化钠溶液(0.02g/mL)，然后加入纤维素酶，酶用量为5FPU/g-底物，以120rpm的转速在50℃下反应72h。然后采用HPLC测定酶解液中的葡萄糖浓度。结果表明酶解液中葡萄糖浓度为106.7g/L，所得葡萄糖得率为47.8％。

对比实施例4和5可发现，实施例12与实施例4和5对相同的木糖渣原料进行酶水解条件相同，但实施例12直接对未经预处理的木糖渣原料进行酶解糖化，而实施例4和5在酶水解前对木糖渣进行了DES和16wt.％的KOH预处理，最终酶解液中葡萄糖浓度比实施例12高了22.1g/L、31.2g/L，实施例4和5最后所得葡萄糖得率比实施例12高29.1％、28.5％。

观察图1，图2及图3可以发现，与未经预处理的木糖渣原料相比，预处理后的木糖渣结晶度增大，孔隙率与孔隙度增大，从而增加了纤维素酶对纤维素的可及性，提高酶解糖化的效率。且KOH用量增加，木糖渣的降解更剧烈，XRD、FTIR、SEM等一系列表征证明了预处理的作用原理且对下游酶解糖化过程是有利的。实施例4为本发明最优处理条件，实施例1-4是KOH用量逐渐增加，采用相同的酶水解条件证明了KOH用量对糖得率和糖浓度的影响，KOH溶液的质量分数为5-30wt.％均有好的效果，但是KOH用量过大会消耗成本，且用量太大会导致过水解，16wt.％KOH预处理效果最好；实施例4和5是相比温度对糖得率和糖浓度的影响，KOH溶液在70℃下预处理90min糖得率最高；在90℃下预处理90min糖浓度最好。

本发明中采用DES及KOH的结合处理，单独两种方法都可以脱除木质素提高酶解糖化后的糖得率，但是单独进行DES处理木质素脱除率不高，效果不明显，而单独KOH预处理效果一般，同时需用的KOH用量较大；二者结合协同增效明显，DES是绿色溶剂，先用DES处理脱除一部分木素，然后再加上KOH的处理，还可以减少KOH的用量达到同样的效果。

实施例13

将实施例4中的步骤(1)和(2)中进行固液分离收集液体部分作为原料进行钾肥、木质素基肥料或复合肥料制备。