[發明專利]纖維素酶水解木質纖維素的方法

有效

• 申請號: 200910039240.1
• 申請日: 2009-05-05
• 公開（公告）號: CN101544699A
• 公開（公告）日: 2009-09-30
• 發明（設計）人: 計紅果;龐浩;劉偉;廖兵
• 申請（專利權）人: 中國科學院廣州化學研究所
• 主分類號: C08B15/02
• 分類號: C08B15/02;C12S3/04
• 代理公司: 廣州市華學知識產權代理有限公司
• 代理人: 楊曉松;裘 暉

技術領域

本發明屬于木質纖維素水解領域，尤其是利用纖維素酶水解木質纖維素的領域。

背景技術

傳統能源的緊缺引起燃料乙醇產業迅速崛起，以玉米、小麥等糧食作物為原料生產燃料酒精易引發糧食短缺，為此各國政府開始積極鼓勵通過農業廢棄物如秸稈、蔗渣等木質纖維素原料生產燃料乙醇。該技術主要通過對原料進行預處理、纖維素酶水解及酒精發酵獲得產品。其中纖維素酶水解木質纖維素是該技術中的關鍵步驟，屬于較為復雜的異相生物化學反應體系。該領域目前的研究熱點主要集中在提高酶利用率、維持酶活力、減少微生物污染等，最終目的都在于提高糖化率及纖維素轉化率，目前普通酶解的纖維素轉化率一般在50％左右，經非離子表面活性劑增強后可升高到75％左右。事實上，纖維素酶在反應底物中木質素表面的吸附會造成部份酶的失效，通過添加非離子型的表面活性劑可以抑制酶的無效吸附，改善物質在兩相間的擴散性質，迅速提高反應速率，但反應一段時間后，其在底物及酶分子表面的吸附達到平衡，使反應面更新速度下降，體系逐漸處于相對不靈活狀態。超聲的作用可迅速去除已反應表面剩余的固態顆粒，更新反應面，增強傳質，促進反應，但超聲產生的極端理化條件容易導致蛋白質變性，使酶失活。當反應條件(如表面活性劑的用量，超聲強度，超聲方式，超聲時間等)控制合理，表面活性劑和超聲的聯合可產生互補效應，明顯改善反應效果。

發明內容

為了克服上述纖維素酶在水解木質纖維素過程存在的問題，本發明提供一種以聚乙二醇作為添加劑并采用間歇超聲處理的纖維素酶水解木質纖維素的方法，通過聚乙二醇的加入，以及超聲的作用，克服水解過程纖維素酶的無效吸附，提高反應活性點更新速度及反應物的接觸頻率，抑制酶失活，減少酶用量，增強體系反應能力，提高纖維素轉化率。

本發明主要通過以下的方法實現：

將木質纖維素分散于檸檬酸-檸檬酸鈉緩沖溶液中，添加聚乙二醇和纖維素酶，反應15～35h后，按每20～30min間歇性施加功率為20～80W的超聲，每次超聲處理時間1～10s，總超聲時間為2～10min；其中每1L緩沖溶液添加木質纖維素20～60g，聚乙二醇1.0～5.0g，纖維素酶0.2～1.0g。反應溫度控制在45～55℃。

其中超聲功率優選20～60W，每次超聲處理的時間優選2～8s，總超聲的時間優選3～8min，聚乙二醇用量優選1.5～4.5g/L，木質纖維素30～50g/L，纖維素酶0.4～0.8g/L。

上述水解反應的木質纖維素由植物纖維通過下述方法預處理得到：

植物纖維烘干并粉碎至60～80目，分散在堿液中蒸煮處理2～6h，過濾，并用水洗滌至濾液pH為5～7，烘干即得。

其中堿液可以選擇氫氧化鈉溶液或者氫氧化鉀溶液等，植物纖維可以是玉米秸稈、甘蔗渣、稻草秸稈、木屑或竹粉等，反應固液比為1∶10g/mL。

本發明通過在纖維素酶水解木質纖維素的體系中加入聚乙二醇，改善物質在兩相間的擴散性質，提高初期反應速率，同時為了防止因吸附作用所導致的反應活性的降低，在反應進行一段時間后如進行2～10小時后，對反應體系進行間歇性的超聲處理，一方面，適當強度的超聲可破壞表面活性劑吸附層，加速反應表面的更新，增強傳質，促進反應。另一方面，表面活性劑以膠束形式與酶的疏水位點相結合，通過屏蔽變性蛋白質間的疏水作用來抑制其聚集并輔助復性，因此一定程度上可保護受超聲影響的酶，同時可以穩定超聲波引起的超聲空化、表面不穩定、微沖流等現象。因此通過上述聚乙二醇和超聲的協同作用，可以在較為溫和的條件下使纖維素轉化率提高到80％以上。

實施例中所述的DNS法和HPLC法的具體原理如下：

DNS法：纖維素酶水解纖維素產生的纖維二糖、葡萄糖等還原糖能將堿性條件下的3，5-二硝基水楊酸(DNS)還原，生成棕紅色的氨基化合物，在540nm波長處有最大光吸收，在一定范圍內還原糖的量與反應液的顏色強度呈比例關系，利用比色法測定其還原糖生成的量就可測定纖維素酶的活力。

HPLC法是用高效液相法檢測還原糖。由于還原糖在紫外無吸收，所以選擇示差折光檢測器。

具體實施方式

下面結合具體實施例對本發明的作進一步的描述，但本發明的實施方式不限于此。

實施例1

玉米秸稈粉碎至60～80目，以固液比為1∶10g/mL，分散在1.0％NaOH溶液中，蒸煮處理2h，趁熱過濾，并用水洗滌至濾液pH為5～7，烘干備酶解使用。