[發明專利]蒸汽爆破木質纖維原料可溶性低聚糖同步酶解制取單糖的方法

有效

• 申請號: 200810023479.5
• 申請日: 2008-04-16
• 公開（公告）號: CN101250567A
• 公開（公告）日: 2008-08-27
• 發明（設計）人: 余世袁;徐勇;勇強
• 申請（專利權）人: 中國石油化工股份有限公司
• 主分類號: C12P19/02
• 分類號: C12P19/02;C12R1/885;C12R1/685
• 代理公司: 南京經緯專利商標代理有限公司
• 代理人: 唐建清

一、技術領域

本發明屬于生物工程中的木質纖維原料酶解技術領域，特別涉及經蒸汽爆破預處理后的木質纖維原料可溶性低聚糖同步酶解制備單糖的方法。

二、背景技術

纖維素和半纖維素可以水解生成葡萄糖和木糖，被稱為糖平臺化合物，是生物化工的基礎原料。

木質纖維原料是自然界最豐富的生物質原料，主要由纖維素、半纖維素和木質素構成，分別約占干重的45％、30％和25％左右。其中，纖維素是由數千至上萬個β-D-(+)葡萄糖單元通過β-1，4糖甙鍵結合而成的線形葡聚糖鏈，具有緊密的周期性晶格分子束結構，分子大小為6000～12000個殘基；半纖維素是木質纖維中非纖維素的碳水化合物，是一種具有高度分枝結構的不均一多聚糖，分子大小為50～400個殘基，主鏈分別為β-D-(1，4)木聚糖苷鏈和葡甘聚糖鏈，主要為木糖基，尤其在農林廢棄木質纖維資源中的含量十分豐富。

在天然木質纖維原料中，纖維素和半纖維素均不溶于水和一般有機溶劑，它們和木質素相互粘合形成緊密的交聯結構，導致纖維素和半纖維素難以生物降解。因此，采用適當的預處理技術破壞木質纖維原料的天然結構，解除木質素的包裹作用和降低纖維素與半纖維素的聚合度是它們高效水解的前提。

木質纖維原料的預處理技術主要有物理法(如機械研磨法、輻射法和蒸汽法)化學法(如酸法、堿法、氧化法和有機溶劑法)、生物法(微生物腐朽法、酶處理法)和聯合法(如高溫機械磨碎法、堿-機械磨碎法、直接蒸汽爆破法、SO₂-蒸汽爆破法、NH₃-蒸汽爆破法、H₂O₂-蒸汽爆破法和CO₂-蒸汽爆破法)。其中，蒸汽爆破法被公認為是目前最為經濟和清潔的木質纖維原料預處理技術。在蒸汽爆破的過程中，通過高溫、高壓蒸汽的作用纖維素和半纖維素發生部分降解，導致結晶度和聚合度下降，同時木質素橫向連結強度下降，甚至部分軟化可塑；然后，當物料驟然減壓噴放時，木質纖維孔隙中的高壓蒸汽瞬間劇烈膨脹，將原料撕裂成細小纖維，同時部分剝離木質素，從而有效地破壞細胞結構，暴露纖維素和半纖維素，提高它們的水解效率。經過蒸汽爆破預處理后，木質纖維原料中約30％的半纖維素、10％的纖維素和部分木質素降解成為水溶性的木低聚糖、纖維寡糖、少量的單糖和多種發酵抑制物，如甲酸、醋酸、糠醛、羧甲基糠醛、乙酰丙酸、丁香醛和香草醛等木質素衍生物，所以洗滌分離對于提高固體原料在后續工序中的利用效率是十分必要的，同時充分利用洗滌液中水溶性的糖組分，尤其是木低聚糖，是木質纖維原料生物加工商業化生產的關鍵環節之一。

可采用酸水解法或酶水解法將木低聚糖和纖維寡糖水解成木糖和葡萄糖而加以生物利用，如CN?1629321《利用秸稈植物提取制乙醇用葡萄糖和/或木糖的方法》等，但是酸水解法需要強烈的無機酸和高溫條件，不僅對設備和工藝操作條件要求高，而且新生成大量的發酵抑制物，嚴重地影響后續的發酵和廢水處理工序。與之相比，利用酶水解法，如添加纖維素酶和木聚糖酶等，反應條件溫和，也不生成新的抑制物，因而具有顯著的優勢，是目前發展的方向。

CN?1884569《木糖的酶法制備方法》和CN?1952162A《蒸汽爆破與超微粉碎協同預處理提高稻草酶解率的方法》等主要涉及利用單一的酶產品對單一木聚糖或者固體原料部分的酶水解。

由于在蒸汽爆破木質纖維原料的水溶物中同時含有木低聚糖和纖維寡糖，再加上酶解過程中存在著木糖和葡萄糖等顯著的產物抑制作用，所以，如何解決蒸汽爆破木質纖維原料的高效酶解問題，是產業化過程中的一個重要課題。迄今為止，未見此類專利技術的相關報道。

三、發明內容

本發明的目的是針對蒸汽爆破木質纖維原料水溶物中糖類的組成特點，根據木聚糖酶、纖維素酶和糖苷酶的協同作用機理，提供一種高效、清潔的蒸汽爆破木質纖維原料水溶性低聚糖類同步酶解制取單糖的方法。

本發明的技術解決方案如下：

一種蒸汽爆破木質纖維原料可溶性低聚糖同步酶解制取單糖的方法，將木質纖維原料進行蒸汽爆破預處理，經常溫水洗后進行同步酶解，其特征是：

a.將水洗液濃縮、分離去除不溶物，取上清液并調節控制濃縮液中糖類物質的總濃度為1.0～3.0％和pH值為4.5～5.5后進行同步酶解；

b.在濃縮液中添加3.0～6.0U/mL木聚糖酶、0.05～0.5FPU/mL纖維素酶和0.4～1.0U/mLβ-葡萄糖苷酶后進行同步酶解。

如上所述，其特征是同步酶解在50±1℃和80～150rpm的條件下進行48～72h。