一种玉米秸秆的预处理及酶解的方法
阅读说明：本技术 一种玉米秸秆的预处理及酶解的方法 (Pretreatment and enzymolysis method of corn straw ) 是由 徐建 顾帅令 吴海军 左宗涛 魏无忌 胡世杰 张楷 徐霞 于 2020-12-24 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种玉米秸秆的预处理及酶解的方法,包括以下步骤：包括以下步骤：将玉米秸秆切断,依次进行粉碎、水洗和烘干,得到颗粒物；颗粒物加入稀硫酸溶液中,在超临界二氧化碳条件下预处理一段时间后,经抽滤后收集滤液和滤渣,滤渣放入烘箱干燥一段时间去除水分,得到固形物；固形物作为酶水解底物,按一定固液比添加木聚糖酶和柠檬酸三钠缓冲液,酶水解一段时间后,获得木糖。本发明方法设计科学合理,在低温下利用稀酸强化超临界二氧化碳预处理效果,进而更好的打破木质纤维素本身复杂的交联结构,破坏木质素和半纤维之间的化学键,脱除木质素,并且使半纤维素更多的暴露出来,提升酶水解效率。(The invention discloses a method for pretreatment and enzymolysis of corn straws, which comprises the following steps: the method comprises the following steps: cutting corn stalks, and sequentially crushing, washing and drying to obtain particles; adding the particles into a dilute sulfuric acid solution, pretreating for a period of time under the condition of supercritical carbon dioxide, filtering, collecting filtrate and filter residues, and drying the filter residues in an oven for a period of time to remove moisture to obtain a solid matter; and (3) taking the solid as an enzyme hydrolysis substrate, adding xylanase and trisodium citrate buffer solution according to a certain solid-to-liquid ratio, and performing enzyme hydrolysis for a period of time to obtain xylose. The method disclosed by the invention is scientific and reasonable in design, and the effect of the supercritical carbon dioxide pretreatment is enhanced by using the dilute acid at a low temperature, so that the complex cross-linked structure of the lignocellulose is broken better, the chemical bond between the lignin and the hemicellulose is broken, the lignin is removed, more hemicellulose is exposed, and the enzymatic hydrolysis efficiency is improved.)
技术领域
本发明涉及农业废弃物转化利用技术领域，尤其涉及一种玉米秸秆的预处理及酶解的方法。
背景技术
目前，玉米秸秆等农林废弃物往往是被直接丢弃，资源浪费的同时对环境造成巨大污染；少量被用作动物饲料、还田或燃烧产热，利用效率较低。为此，非常有必要提高玉米秸秆等农林废弃物的利用效率，以玉米秸秆为例，其年产量高达3.5亿吨，占秸秆总产量(麦秆、稻秆、豆杆、棉秆及玉米秸秆等)的60％左右，开发其加工利用生产半纤维素和木糖等衍生产品的技术意义深远。
传统的酸处理法制备木糖则是以常见的酸作为水解催化剂。硫酸由于价格便宜，符合工业化生产的要求，并且水解效果较好，因此一般使用较多。以酸水解木质纤维素时，半纤维素或纤维素内的糖苷键发生断裂，使得半纤维素或纤维素产生如下变化：半纤维素或纤维素的平均聚合度显著下降；半纤维素或纤维素的内部表面积增加且结晶度下降；木质素的保护层亦被破坏，促使半纤维素或纤维素发生降解。在木质纤维素酸解中，半纤维素由于较易分离而率先被分解。
然而，传统的酸水解法在生产过程中需要脱酸、中和等一系列工艺，对环境污染极大；同时生产过程中对设备造成腐蚀，经济投入也较大。
发明内容
本发明的目的在于克服传统技术中存在的上述问题，提供一种玉米秸秆的预处理及酶解的方法。
为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明是通过以下技术方案实现：
一种玉米秸秆的预处理及酶解的方法，包括以下步骤：
(1)将玉米秸秆切断，依次进行粉碎、水洗和烘干，得到颗粒物；
(2)将步骤(1)得到的颗粒物按一定固液比加入稀硫酸溶液中，在超临界二氧化碳条件下预处理一段时间后，经抽滤后收集滤液和滤渣，滤渣放入烘箱干燥一段时间去除水分，得到固形物；
(3)将步骤(2)得到的固形物作为酶水解底物，按一定固液比添加木聚糖酶和柠檬酸三钠缓冲液，酶水解一段时间后，获得木糖。
进一步地，如上所述玉米秸秆的预处理及酶解的方法，步骤(1)中，将玉米秸秆切断，粉碎至筛分粒度为30-50目。
进一步地，如上所述玉米秸秆的预处理及酶解的方法，步骤(2)中，颗粒物按固液比1:8-12加入稀硫酸溶液中，稀硫酸溶液中H2SO4的质量百分含量为1-2％。
进一步地，如上所述玉米秸秆的预处理及酶解的方法，步骤(2)中，在超临界二氧化碳条件下预处理的时间为30-240min。
进一步地，如上所述玉米秸秆的预处理及酶解的方法，步骤(2)中，在超临界二氧化碳条件下预处理的温度为35-70℃。
进一步地，如上所述玉米秸秆的预处理及酶解的方法，步骤(2)中，烘箱的干燥温度为30-60℃，干燥时间为10-14h。
进一步地，如上所述玉米秸秆的预处理及酶解的方法，步骤(2)中，木聚糖酶为酸性木聚糖酶，酶活为200000U/g。
进一步地，如上所述玉米秸秆的预处理及酶解的方法，步骤(2)中，木聚糖酶的用量为28000-33000U/g底物，优选为31250U/g底物。
进一步地，如上所述玉米秸秆的预处理及酶解的方法，步骤(3)中，柠檬酸三钠缓冲液的pH＝5，木聚糖酶和柠檬酸三钠缓冲液按固液比1:40-60添加，优选为1:50。
进一步地，如上所述玉米秸秆的预处理及酶解的方法，步骤(3)中，酶水解的时间为20-28h，优选为24h。
本发明的有益效果是：
本发明方法的操作简单，
本发明方法设计科学合理，在低温下利用稀酸强化超临界二氧化碳预处理效果，进而更好的打破木质纤维素本身复杂的交联结构，破坏木质素和半纤维之间的化学键，脱除木质素，并且使半纤维素更多的暴露出来，提升酶水解效率。此方法与传统酸水解法相较，对于环境友好，经济投入小。
当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上的所有优点。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的相关具体实施例如下：
实施例1
玉米秸秆经过粉碎过2mm筛，取50g作为生物质预处理的原材料，按10％的固液比加入500ml 1％稀硫酸溶液中，反应温度为35℃，反应时间为60min，预处理之后，无纺布抽滤，收集滤液与滤渣，使用1000m1去离子水洗涤滤渣，然后对滤液进行HPLC分析，评价预处理效果；滤渣则放入45℃烘箱干燥12h，去除水分。
取用预处理之后的固形物2g作为酶水解底物，使用酸性木聚糖酶(山东苏柯汉生物技术有限公司，酶活为200000U/g)进行酶水解，酶用量为0.625g(31250U/g底物)；添加柠檬酸三钠缓冲液(pH＝5)100ml，固液比为1:50，酶水解时间为24h。在0、1、4、8、12、24h时抽取酶水解液0.5ml，抽取完成后立即放入沸水中水浴10min进行灭活，灭活后使用高速离心机进行离心，转速为10000rpm，离心时间为10min。离心后，取上清液进行HPLC分析，定量酶水液中木糖含量。经计算最终木糖单位产量为15.43％，与原料的9.40％产率相比，有较大的提升。
实施例2
玉米秸秆经过粉碎过2mm筛，取50g作为生物质预处理的原材料，按10％的固液比加入500ml 1％稀硫酸溶液中，反应温度为50℃，反应时间为60min，预处理之后，无纺布抽滤，收集滤液与滤渣，使用1000m1去离子水洗涤滤渣，然后对滤液进行HPLC分析，评价预处理效果；滤渣则放入45℃烘箱干燥12h，去除水分。
取用预处理之后的固形物2g作为酶水解底物，使用酸性木聚糖酶(山东苏柯汉生物技术有限公司，酶活为200000U/g)进行酶水解，酶用量为0.625g(31250U/g底物)；添加柠檬酸三钠缓冲液(pH＝5)100ml，固液比为1:50，酶水解时间为24h。在0、1、4、8、12、24h时抽取酶水解液0.5ml，抽取完成后立即放入沸水中水浴10min进行灭活，灭活后使用高速离心机进行离心，转速为10000rpm，离心时间为10min。离心后，取上清液进行HPLC分析，定量酶水液中木糖含量。经计算最终木糖单位产量为15.74％，与原料的9.40％产率相比，有较大的提升。
实施例3
玉米秸秆经过粉碎过2mm筛，取50g作为生物质预处理的原材料，按10％的固液比加入500ml 1％稀硫酸溶液中，反应温度为70℃，反应时间为60min，预处理之后，无纺布抽滤，收集滤液与滤渣，使用1000m1去离子水洗涤滤渣，然后对滤液进行HPLC分析，评价预处理效果；滤渣则放入45℃烘箱干燥12h，去除水分。
取用预处理之后的固形物2g作为酶水解底物，使用酸性木聚糖酶(山东苏柯汉生物技术有限公司，酶活为200000U/g)进行酶水解，酶用量为0.625g(31250U/g底物)；添加柠檬酸三钠缓冲液(pH＝5)100ml，固液比为1:50，酶水解时间为24h。在0、1、4、8、12、24h时抽取酶水解液0.5ml，抽取完成后立即放入沸水中水浴10min进行灭活，灭活后使用高速离心机进行离心，转速为10000rpm，离心时间为10min。离心后，取上清液进行HPLC分析，定量酶水液中木糖含量。经计算最终木糖单位产量为28.51％，与原料的9.40％产率相比，有较大的提升。
实施例4
玉米秸秆经过粉碎过2mm筛，取50g作为生物质预处理的原材料，按10％的固液比加入500ml 2％稀硫酸溶液中，反应温度为70℃，反应时间为30min，预处理之后，无纺布抽滤，收集滤液与滤渣，使用1000m1去离子水洗涤滤渣，然后对滤液进行HPLC分析，评价预处理效果；滤渣则放入45℃烘箱干燥12h，去除水分。
取用预处理之后的固形物2g作为酶水解底物，使用酸性木聚糖酶(山东苏柯汉生物技术有限公司，酶活为200000U/g)进行酶水解，酶用量为0.625g(31250U/g底物)；添加柠檬酸三钠缓冲液(pH＝5)100ml，固液比为1:50，酶水解时间为24h。在0、1、4、8、12、24h时抽取酶水解液0.5ml，抽取完成后立即放入沸水中水浴10min进行灭活，灭活后使用高速离心机进行离心，转速为10000rpm，离心时间为10min。离心后，取上清液进行HPLC分析，定量酶水液中木糖含量。经计算最终木糖单位产量为24.82％，与原料的9.40％产率相比，有较大的提升。
实施例5
玉米秸秆经过粉碎过2mm筛，取50g作为生物质预处理的原材料，按10％的固液比加入500ml 2％稀硫酸溶液中，反应温度为70℃，反应时间为60min，预处理之后，无纺布抽滤，收集滤液与滤渣，使用1000m1去离子水洗涤滤渣，然后对滤液进行HPLC分析，评价预处理效果；滤渣则放入45℃烘箱干燥12h，去除水分。
取用预处理之后的固形物2g作为酶水解底物，使用酸性木聚糖酶(山东苏柯汉生物技术有限公司，酶活为200000U/g)进行酶水解，酶用量为0.625g(31250U/g底物)；添加柠檬酸三钠缓冲液(pH＝5)100ml，固液比为1:50，酶水解时间为24h。在0、1、4、8、12、24h时抽取酶水解液0.5ml，抽取完成后立即放入沸水中水浴10min进行灭活，灭活后使用高速离心机进行离心，转速为10000rpm，离心时间为10min。离心后，取上清液进行HPLC分析，定量酶水液中木糖含量。经计算最终木糖单位产量为25.64％，与原料的9.40％产率相比，有较大的提升。
实施例6
玉米秸秆经过粉碎过2mm筛，取50g作为生物质预处理的原材料，按10％的固液比加入500ml 2％稀硫酸溶液中，反应温度为70℃，反应时间为120min，预处理之后，无纺布抽滤，收集滤液与滤渣，使用1000m1去离子水洗涤滤渣，然后对滤液进行HPLC分析，评价预处理效果；滤渣则放入45℃烘箱干燥12h，去除水分。
取用预处理之后的固形物2g作为酶水解底物，使用酸性木聚糖酶(山东苏柯汉生物技术有限公司，酶活为200000U/g)进行酶水解，酶用量为0.625g(31250U/g底物)；添加柠檬酸三钠缓冲液(pH＝5)100ml，固液比为1:50，酶水解时间为24h。在0、1、4、8、12、24h时抽取酶水解液0.5ml，抽取完成后立即放入沸水中水浴10min进行灭活，灭活后使用高速离心机进行离心，转速为10000rpm，离心时间为10min。离心后，取上清液进行HPLC分析，定量酶水液中木糖含量。经计算最终木糖单位产量为26.21％，与原料的9.40％产率相比，有较大的提升。
实施例7
玉米秸秆经过粉碎过2mm筛，取50g作为生物质预处理的原材料，按10％的固液比加入500ml 2％稀硫酸溶液中，反应温度为70℃，反应时间为240min，预处理之后，无纺布抽滤，收集滤液与滤渣，使用1000m1去离子水洗涤滤渣，然后对滤液进行HPLC分析，评价预处理效果；滤渣则放入45℃烘箱干燥12h，去除水分。
取用预处理之后的固形物2g作为酶水解底物，使用酸性木聚糖酶(山东苏柯汉生物技术有限公司，酶活为200000U/g)进行酶水解，酶用量为0.625g(31250U/g底物)；添加柠檬酸三钠缓冲液(pH＝5)100ml，固液比为1:50，酶水解时间为24h。在0、1、4、8、12、24h时抽取酶水解液0.5ml，抽取完成后立即放入沸水中水浴10min进行灭活，灭活后使用高速离心机进行离心，转速为10000rpm，离心时间为10min。离心后，取上清液进行HPLC分析，定量酶水液中木糖含量。经计算最终木糖单位产量为30.85％，与原料的9.40％产率相比，有较大的提升。
以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。
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