一种利用直链醇为酶解助剂促进纤维素酶解糖化的方法

摘要

本发明属于木质纤维素酶解领域，具体公开了一种以直链醇为酶解助剂促进纤维素酶水解，提高其糖化得率的方法。该方法步骤是：将纤维素分散于缓冲溶液中，加入直链醇，再加入5～20FPU/g以纤维素中的葡聚糖含量计算的纤维素酶，在45～60℃温度下反应48～96h，获得糖类化合物水解液。本发明通过添加直链醇，可使纤维素酶解糖化得率提高10.0%～18%。

权利要求

1.一种利用直链醇为酶解助剂促进纤维素酶解糖化的方法，其特征在于具体步骤如下：（1）将100质量份的纤维素加入到500～5000质量份的缓冲溶液中，配成质量分数为

2%～20%的悬浮液；

（2）往步骤（1）的悬浮液中加入0.5～100质量份的直链醇；

（3）往步骤（2）的悬浮液中加入5～20FPU/g以纤维素中的葡聚糖含量计的纤维素酶，在45～60℃温度下反应48～96h，获得糖类化合物水解液；

步骤（1）所述的纤维素为纯纤维素或木质纤维素；所述的缓冲溶液为醋酸-醋酸钠缓冲液，柠檬酸-柠檬酸钠缓冲液或磷酸盐缓冲液；所述的缓冲溶液pH=4.5～6.0，离子强度为25～100mmol/L；

步骤（2）所述的直链醇为正辛醇、正癸醇、正十二醇、正十四醇、正十六醇和正十八醇中的一种以上。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤（1）所述的缓冲溶液为醋酸-醋酸钠缓冲液。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤（2）所述的直链醇为正辛醇、正癸醇、正十二醇中的一种以上。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤（3）所述的温度为50℃。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤（3）所述的反应进行了72h。

说明书

一种利用直链醇为酶解助剂促进纤维素酶解糖化的方法

技术领域

[0001] 本发明属于木质纤维素酶解领域，具体涉及一种以直链醇为酶解助剂促进纤维素酶水解，提高其糖化得率的方法。

背景技术

[0002] 随着世界经济的发展及人类对能源需求日益增大，传统的化石能源日趋枯竭，人类面临着能源短缺、资源匮乏的危机，而且在使用化石燃料过程中的“三废”排放对生态环境造成严重的污染破坏，人类社会的可持续发展也受到了威胁。而纤维素乙醇可有效解决能源短缺、资源匮乏以及由于使用化石燃料所引起的环境污染等问题，是代用燃油的第一选择，是生物燃油的主要发展方向。

[0003] 目前的研究热点是利用酶解技术将木质纤维素水解生成生物乙醇，与酸水解法制备纤维素乙醇的工艺相比，酶解法制备纤维素乙醇的工艺具有反应条件温和、反应专一性高以及绿色环保、不排放对环境有害的物质等优势。酶解法制备纤维素乙醇的工艺主要包括原料预处理、纤维素酶解、糖发酵以及蒸馏等工艺。但目前该工艺面临着众多的瓶颈问题，主要包括：

[0004] （1）原材料组分复杂，酶解效率低，预处理成本高；

[0005] （2）在纤维素酶解过程中，纤维素酶利用效率低，生产成本高；

[0006] （3）酶水解后的木质素残渣未能得到有效回收利用，副产品收入减少。

[0007] 这几个方面的原因导致了纤维素乙醇的总生产成本高，不具备经济可行性，制约纤维素乙醇的工业化生产。

[0008] 目前已经有许多研究学者针对酶解效率低、生产成本高等问题展开了一系列的研究，其中一种有效的工艺途径是通过在酶解过程中添加酶解助剂如非离子表面活性剂、非催化性蛋白质及生物表面活性剂等增加纤维素酶法糖化得率。国内外学者研究发现非离子表面活性剂、非催化性蛋白及生物表面活性剂等可以有效促进纤维素底物的酶解，提高纤维素底物的糖化得率。

[0009] 在20世纪80年代，国外学者已经开始研究非离子表面活性剂对纤维素酶解过程的影响，而在国内，也有众多学者对通过添加非离子表面活性剂强化纤维素底物的酶解展开了研究。Alkasrawi等通过研究发现，在经过蒸汽预处理的云杉底物的同步糖化发酵的过程中，Tween20可以有效提高乙醇的产率，减少纤维素酶在木质素上的非反应性吸附，减少纤维素酶载量，降低生产成本率，减少纤维素酶在木质素上的非反应性吸附，减少纤维素酶载量，降低生产成本（Enzyme and Microbial Technology,2003,33:71-78）。Seo等通过研究也发现Tween20可以有效提高木质纤维素的糖化得率，而且在不同的纤维素酶的条件下其作用不同，作者认为Tween20可以有效增大纤维素与纤维素酶的接触面积，从而可以提高纤维素酶的利用效率，促进木质纤维素的酶解（Bioresource Technology,2011,102:9605-9612.）。Helle等的研究表明某些生物表面活性剂（如槐糖脂、鼠李糖脂、杆菌肽）以及Tween80可以增加微晶纤维素的糖化得率（Biotechnology and Bioengineering,1993,42:611-617）。Zhang等通过研究发现在不添加酶解助剂的情况下，木质纤维素的糖化得率低，而通过添加PEG4000则可以有效提高木质纤维素的糖化得率，作者认为PEG4000可以有效地降低纤维素酶在木质素组分上的非反应性吸附，提高纤维素酶的利用效率，从而可以降低生产成本，推动纤维素乙醇的工业化（Journal of Chemical Technology and Biotechnology,2011,86(1):115-120.）。Wang等通过添加牛血清蛋白质提高whatman1号滤纸的糖化得率，其认为牛血清蛋白质可以增强纤维素酶在水解液中的酶活性，可以降低纤维素酶解过程所需要的纤维素酶载量（Applied Biochemistry and Biotechnology,2013,170,(3):541-551.）。Zhu等研究发现来自SPORL处理的松木底物的木质素磺酸盐可以有效提高松木底物的酶解糖化得率，而且通过调节pH可以有效提高木质素磺酸盐对木质纤维素酶解的促进效果，实验结果显示，在pH为5，酶载量为13FPU/g葡聚糖时，经过SPORL预处理的松木底物的酶解糖化得率可达到91%（Biotechnology for Biofuels,2013,6:9.）。Zhou等研究发现通过添加不同分子量的木质素磺酸盐可有效提高不同种类的木质纤维素的酶解糖化得率，其中对经过Kraft法预处理的松木底物的促进作用最大，其次是经过SPORL法预处理的松木底物。（Industrial&Engineering Chemistry Research,2013,52(25):8464-8470.）

[0010] 但以上研究所用到的非离子表面活性剂如PEG，Tween等和牛血清蛋白质等价格昂贵，不利于降低纤维素乙醇的生产成本，而且PEG和Tween等酶解助剂在使用过程中容易出现起泡现象，这也不利于工业上的安全生产。

发明内容

[0011] 针对目前酶解工艺所存在的纤维素酶解效率低、可发酵糖浓度低、生产成本高等问题，本发明提供一种以直链醇为酶解助剂，促进纤维素的酶解反应，提高糖化得率的方法。

[0012] 本发明的目的通过下述技术方案实现：

[0013] 一种利用直链醇为酶解助剂促进纤维素酶解糖化的方法，其特征在于具体步骤如下：

[0014] （1）将100质量份的纤维素加入到500～5000质量份的缓冲溶液中，配成质量分数为2%～20%的悬浮液；

[0015] （2）往步骤（1）的悬浮液中加入0.5～100质量份的直链醇；

[0016] （3）往步骤（2）的悬浮液中加入5～20FPU/g以纤维素中的葡聚糖含量计的纤维素酶，在45～60℃温度下反应48～96h，获得糖类化合物水解液；

[0017] 步骤（1）所述的纤维素为纯纤维素或木质纤维素；

[0018] 步骤（1）所述的缓冲溶液为醋酸-醋酸钠缓冲液、柠檬酸-柠檬酸钠缓冲液或磷酸盐缓冲液，优选为醋酸-醋酸钠缓冲液；

[0019] 步骤（1）所述的缓冲溶液pH=4.5～6.0，离子强度为25～100mmol/L。

[0020] 步骤（2）所述的直链醇正辛醇、正癸醇、正十二醇、正十四醇、正十六醇和正十八醇中的一种以上，优选为正辛醇、正癸醇和正十二醇的一种以上。

[0021] 步骤（3）所述的温度优选为50℃。

[0022] 步骤（3）所述的反应的时间优选为72h。

[0023] 本发明的原理：

[0024] 直链醇具有疏水性，可通过疏水作用吸附于纤维素和木质素分子上，可减少纤维素酶在纤维素与木质素分子上的“非反应性吸附”，提高纤维素酶的有效浓度，对纤维素的酶水解反应起到促进作用，而且直链醇可以防止纤维素酶在纤维素酶解的过程中失去活性，可提高纤维素酶的利用效率，进一步可提高纤维素的糖化得率，降低纤维素酶的用量，从而降低纤维素乙醇的生产成本。

[0025] 本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：

[0026] （1）本发明首次提出了以直链醇为酶解助剂，直链醇具有掺量低、不易起泡的优点，而且直链醇可从植物提取得到，具有可再生性，是一种有利于安全生产和降低反应条件的酶解助剂；

[0027] （2）使用本发明所述的方法，可使纤维素的糖化得率提高10%～18%；

具体实施方式

[0028] 下面结合实施例对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

[0029] 实施例1

[0030] 取100质量份Whatman1号滤纸，加入到5000质量份pH为4.8，离子强度为50mmol/L的醋酸-醋酸钠缓冲溶液中，加入0.5质量份正十二醇，再加入10FPU/g以纤维素中的葡聚糖含量计的纤维素酶，在50℃温度下振荡反应72h。反应结束后，固液分离获得糖类化合物水解液，通过生物传感分析仪测定葡萄糖含量，得到糖化得率增加量为14.2%。统计结果如表1所示。

[0031] 实施例2

[0032] 取100质量份微晶纤维素，加入到5000质量份pH为4.8，离子强度为50mmol/L的醋酸-醋酸钠缓冲溶液中，加入0.5质量份正癸醇，再加入5FPU/g以纤维素中的葡聚糖含量计的纤维素酶，在50℃温度下振荡反应72h。反应结束后，固液分离获得糖类化合物水解液，通过生物传感分析仪测定葡萄糖含量，得到糖化得率增加量为18.0%。统计结果如表1所示。

[0033] 实施例3

[0034] 取100质量份微晶纤维素，加入到5000质量份pH为4.5，离子强度为50mmol/L的醋酸-醋酸钠缓冲溶液中，加入0.5质量份正癸醇，再加入10FPU/g以纤维素中的葡聚糖含量计的纤维素酶，在50℃温度下振荡反应72h。反应结束后，固液分离获得糖类化合物水解液，通过生物传感分析仪测定葡萄糖含量，得到糖化得率增加量为12.3%。统计结果如表1所示。

[0035] 实施例4

[0036] 取100质量份微晶纤维素，加入到5000质量份pH为4.8，离子强度为50mmol/L的醋酸-醋酸钠缓冲溶液中，加入50质量份正十二醇，再加入10FPU/g以纤维素中的葡聚糖含量计的纤维素酶，在50℃温度下振荡反应72h。反应结束后，固液分离获得糖类化合物水解液，通过生物传感分析仪测定葡萄糖含量，得到糖化得率增加量为11.3%。统计结果如表1所示。

[0037] 实施例5

[0038] 取100质量份微晶纤维素，加入到5000质量份pH为5.5，离子强度为50mmol/L的醋酸-醋酸钠缓冲溶液中，加入0.5质量份正十二醇，再加入10FPU/g以纤维素中的葡聚糖含量计的纤维素酶，在50℃温度下振荡反应72h。反应结束后，固液分离获得糖类化合物水解液，通过生物传感分析仪测定葡萄糖含量，得到糖化得率增加量为14.2%。统计结果如表1所示。

[0039] 实施例6

[0040] 取100质量份微晶纤维素，加入到5000质量份pH为4.8，离子强度为100mmol/L的醋酸-醋酸钠缓冲溶液中，加入1.0质量份正辛醇，再加入10FPU/g以纤维素中的葡聚糖含量计的纤维素酶，在50℃温度下振荡反应72h。反应结束后，固液分离获得糖类化合物水解液，通过生物传感分析仪测定葡萄糖含量，得到糖化得率增加量为15.1%。统计结果如表1所示。

[0041] 实施例7

[0042] 取100质量份微晶纤维素，加入到5000质量份pH为4.8，离子强度为25mmol/L的醋酸-醋酸钠缓冲溶液中，加入0.5质量份正十二醇，再加入10FPU/g以纤维素中的葡聚糖含量计的纤维素酶，在50℃温度下振荡反应72h。反应结束后，固液分离获得糖类化合物水解液，通过生物传感分析仪测定葡萄糖含量，得到糖化得率增加量为12.3%。统计结果如表1所示。

[0043] 实施例8

[0044] 取100质量份微晶纤维素，加入到500质量份pH为4.8，离子强度为50mmol/L的醋酸-醋酸钠缓冲溶液中，加入0.5质量份正十二醇，再加入10FPU/g以纤维素中的葡聚糖含量计的纤维素酶，在50℃温度下振荡反应72h。反应结束后，固液分离获得糖类化合物水解液，通过生物传感分析仪测定葡萄糖含量，得到糖化得率增加量为10.0%。统计结果如表1所示。

[0045] 实施例9

[0046] 取100质量份微晶纤维素与木质素的混合物，其中微晶纤维素所占比例为70%，木质素所占比例为30%，加入到5000质量份pH为4.8，离子强度为50mmol/L的醋酸-醋酸钠缓冲溶液中，加入50质量份正辛醇，再加入10FPU/g以纤维素中的葡聚糖含量计的纤维素酶，在50℃温度下振荡反应72h。反应结束后，固液分离获得糖类化合物水解液，通过生物传感分析仪测定葡萄糖含量，得到糖化得率增加量为14.2%。统计结果如表1所示。

[0047] 试验例1

[0048] 取100质量份微晶纤维素，加入到5000质量份pH为4.8，离子强度为50mmol/L的醋酸-醋酸钠缓冲溶液中，加入0.5质量份PEG4600，再加入10FPU/g以纤维素中的葡聚糖含量计的纤维素酶，在50℃温度下振荡反应72h。反应结束后，固液分离获得糖类化合物水解液，通过生物传感分析仪测定葡萄糖含量，得到糖化得率增加量为12.2%。统计结果如表1所示。

[0049] 实验结果

[0050] 表1各实施例糖化得率增加量统计

[0051]