[發(fā)明專利]一種利用離子液體預(yù)處理提高纖維素酶解產(chǎn)糖率的方法

無效

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• 申請日: 2011-01-17
• 公開（公告）號: CN102154412A
• 公開（公告）日: 2011-08-17
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 袁華;張艷娟;任杰
• 申請（專利權(quán)）人: 同濟(jì)大學(xué)
• 主分類號: C12P19/14
• 分類號: C12P19/14
• 代理公司: 上海正旦專利代理有限公司 31200
• 代理人: 張磊

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于纖維素應(yīng)用領(lǐng)域，具體涉及一種利用離子液體預(yù)處理提高纖維素酶解產(chǎn)糖率的方法。

背景技術(shù)

隨著不可再生能源資源石油、天然氣、煤礦、金屬礦藏等的急劇耗竭，能源和資源的供給與需求矛盾日益突出，新材料的開發(fā)與利用業(yè)已引起世人的關(guān)注。在自然界中存在著大量的可用的自然資源，纖維素就是一個例子。纖維素是自然界中最為豐富的可再生資源，可廣泛應(yīng)用于造紙、涂料等工業(yè)領(lǐng)域。借助生物技術(shù)將天然木質(zhì)纖維素轉(zhuǎn)化為具有高經(jīng)濟(jì)價值及社會價值的乙醇、乳酸等生物化工產(chǎn)品，是目前科學(xué)界和產(chǎn)業(yè)界研究的熱點。

天然纖維素的化學(xué)結(jié)構(gòu)是由D-吡喃葡萄糖環(huán)彼此以β-1，4-糖苷鍵連接而成的螺旋狀聚合物，分子中大量的羥基基團(tuán)形成了數(shù)目龐大的氫鍵，這些氫鍵和分子間范德華力使纖維素形成致密的晶體結(jié)構(gòu)，嚴(yán)重阻礙了化學(xué)試劑或生物酶與纖維素表面的有效接觸和作用，使其具有在水和普通有機溶劑中都不溶解的性質(zhì)，難以直接利用，這是纖維素開發(fā)應(yīng)用的一大障礙。而對天然木質(zhì)素進(jìn)行預(yù)處理，打破其致密的結(jié)晶結(jié)構(gòu)，可以實現(xiàn)纖維素的再生和功能化，促使晶態(tài)纖維素向無定形態(tài)纖維素轉(zhuǎn)化，提高纖維素與酶的有效作用面積，最終提高其產(chǎn)糖率，是有效利用天然纖維素材料的一條重要途徑。

離子液體(ionic?liquids，ILs)是在室溫或稍高于室溫的溫度下呈液態(tài)的離子體系,是一種熔點接近或低于100?℃的有機鹽類，由于其獨特的物理和化學(xué)性能如空氣和水穩(wěn)定性、低蒸汽壓、與水易溶及高導(dǎo)電性等而在許多領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用,?被認(rèn)為是能在許多領(lǐng)域代替易揮發(fā)的有機溶劑的綠色溶劑。2002年，有研究者首先發(fā)現(xiàn)了氯化1-丁基-3-甲基-咪唑([C4mim]C1)離子液體是一種纖維素的優(yōu)良溶劑，引發(fā)了利用離子液體預(yù)處理纖維素的研究。有文獻(xiàn)選用一系列氯基和乙酸基的離子液體對木質(zhì)纖維進(jìn)行預(yù)處理，結(jié)果表明所有經(jīng)過處理的纖維結(jié)晶度下降，更易和酶發(fā)生反應(yīng)。但需注意的是，預(yù)處理后在底物中殘留的離子液體會對纖維素酶活力有一定影響，還需用較系統(tǒng)的方法將其去除。

纖維素酶是指能夠水解纖維素β-1,4葡萄糖苷鍵，生成葡萄糖和纖維二糖的所有酶的總稱。纖維素酶不是單一的一種酶，而是多組分的復(fù)合酶系，現(xiàn)今確定的纖維素酶主要含有三種組分：內(nèi)切型β-1,4葡聚糖酶也稱Cx酶、CMC酶。它能以隨機的形式在纖維素聚合物內(nèi)部的非結(jié)晶區(qū)進(jìn)行切割，對末端鍵的敏感性比中間鍵小。外切型β-1,4葡聚糖酶也稱C1酶、纖維二糖水解酶或微晶纖維素酶。它能從纖維素鏈的非還原性末端切割，生成可溶的纖維二糖。纖維二糖酶也稱β-葡萄糖苷酶，它能水解纖維二糖和短鏈的纖維寡糖生成葡萄糖，對纖維二糖和纖維三糖的水解很快，隨著葡萄糖聚合度的增加水解速度下降，這種酶的專一性比較差。

目前，工業(yè)用纖維素酶的來源主要是好氧的絲狀真菌產(chǎn)生的纖維素酶，如：木霉(Trichoderma)?、曲霉(Aspergillus)、青霉(Penicillium)等。不同來源的纖維素酶系組成含量不同，對不同來源的天然纖維素酶解效率也不同，其中以里氏木霉、康寧木霉產(chǎn)生的纖維素酶應(yīng)用最廣，其優(yōu)點是產(chǎn)量大、酶活高，易于提取和使用；缺點則是木霉屬的纖維素酶系組成不理想，β-萄萄糖苷酶比較缺乏。這將導(dǎo)致纖維素酶解液中纖維二糖的積累，是酶解過程效率低的重要原因之一，可以通過添加外源的β-葡萄糖苷酶或多菌混合培養(yǎng)產(chǎn)酶可改善酶系的組成。

纖維素酶與底物的相互作用是一個比較復(fù)雜的過程。酶的催化作用是酶與底物、產(chǎn)物相互作用的過程，纖維素酶解糖化的速度和轉(zhuǎn)化率與酶的活力、底物的性質(zhì)以及產(chǎn)物的濃度等多個因素密切相關(guān)。?溫度對酶作用過程的影響非常顯著，是酶解過程要考慮的重要參數(shù)。工業(yè)纖維素酶作用的最適宜溫度一般在40℃~60℃，隨酶的來源不同而異。但酶的最適溫度不是酶的特征常數(shù)，對具體工藝中特定的酶來說，選擇最佳溫度需要實驗確定。?另一個重要的參數(shù)是pH，酸性纖維素酶的最適pH在4.8左右，中性纖維素酶在6.8左右，根據(jù)選用的纖維素酶種類而定。而其它酶解條件，如酶載量及固液比等，也同樣會影響酶解的效率及糖產(chǎn)率，進(jìn)而影響工藝成本。

近年來的相關(guān)報道主要集中在纖維素的預(yù)處理方法及酶解過程的條件優(yōu)化方面，尋求更加有效的預(yù)處理手段及提高酶活的方法，離子液體是近年來興起的一種新型綠色纖維素溶劑，對于纖維素的開發(fā)研究有著重要的作用，而適應(yīng)其處理過的纖維素底物的纖維素酶的研究會進(jìn)一步促進(jìn)纖維素的應(yīng)用，其產(chǎn)物葡萄糖可應(yīng)用于降解材料乳酸、生物燃料乙醇等領(lǐng)域，具有重要的價值。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供一種利用離子液體預(yù)處理提高纖維素酶解產(chǎn)糖率的方法。