[發明專利]一種快速評估木質纖維素酶解產糖能力的方法

在審

• 申請號: 201710975692.5
• 申請日: 2017-10-19
• 公開（公告）號: CN107505343A
• 公開（公告）日: 2017-12-22
• 發明（設計）人: 顏旭;劉明人;石巖;司夢瑩;張廷政;柴立元;楊志輝;彭馳
• 申請（專利權）人: 中南大學
• 主分類號: G01N23/20
• 分類號: G01N23/20
• 代理公司: 長沙市融智專利事務所43114
• 代理人: 袁靖

技術領域：

本發明屬于生物質新能源技術領域，具體涉及一種快速評估木質纖維素酶解產糖能力的方法。

背景技術：

近年來，為減少對于化石燃料的依賴，可再生能源成為各國研發的重點。木質纖維素由木質素、半纖維素和纖維素組成，作為自然界最豐富的可再生物質，木質纖維素蘊藏著巨大的碳資源，成為生物乙醇、生物柴油等發酵工業的理想碳源來源。木質纖維素的結構復雜，纖維素由D-葡萄糖通過β-1,4糖苷鍵聯結形成纖維絲，纖維絲進一步通過氫鍵等作用力形成具有高度結晶區的超分子穩定結構，半纖維素作為非纖維性多糖與纖維素結合穿插在纖維素陣列中，木質素則與半纖維素直接相連整體將各部分黏合。由于木質纖維素具有如此復雜和穩固的結構，以至于無法直接用作原料生產產品。通常需要通過經過預處理、分離純化和酶解等過程才能最終獲得糖類，作為生物精煉工藝的直接原料。因此，酶解后的產糖能力是評估木質纖維素是否能夠作為高效原料的重要指標。木質纖維素的酶解轉化主要由纖維素酶和木聚糖酶水解纖維素和半纖維素完成，這一過程通常需要至少1～3天的時間，且操作復雜，優質的纖維素酶和木聚糖酶價格也比較高，一旦測定完成后酶解產糖量效果不理想，則極大的浪費了研究或工藝人員的時間、精力和財力。因此，實際過程中需要一種能夠快速、準確評價木質纖維素酶解產糖能力的方法，提高效率。

木質纖維素酶解過程機理復雜，影響酶解產糖的因素較多，且存在交互影響，難以確定主要影響因素。通過研究，我們發現木質素和多糖含量與產糖量密切相關。其中，木質素與產糖量有明顯負相關，木質素是一種以苯丙烷為單元通過醚鍵和碳-碳鍵連接而成的復雜、無定形的高聚物，阻礙酶侵入生物質，同時對酶進行非生產性吸附從而使酶失活。纖維素和半纖維素容易水解，其含量越高則產糖量越高。通過確定生物質木質素和纖維素含量可以預測其產糖能力，但木質素的含量測定主要由克拉森木質素(Klason Lignin)含量表示而纖維素含量的測定主要通過α-纖維素的含量表示，其測定流程復雜，步驟繁多，反應時間長，操作容易產生誤差，反應后需進行長時間干燥，整個過程用時>48小時，難以應用于工業實際。由于木質素由苯丙烷組成，多糖主要有六碳糖和五碳糖組成，二者在碳元素和氧元素的原子比例上有顯著差異，因此可采用X射線能量色散譜分析方法確定木質纖維素的氧碳原子比值，從而確定其與木質素和纖維素相對含量的關系，通過建立氧碳原子比值與還原糖產量的關系，即可快速評估木質纖維素產糖能力，為生產實際提供指導。X射線能量色散譜分析方法可以確定物質表面元素分布和元素含量，操作簡單，單次掃描僅需2～3分鐘，方便快捷，作為酶解產糖量的評估方法，可顯著提高效率。

發明內容：

為了解決現有技術存在的問題，本發明提供了一種快速評估木質纖維素酶解產糖能力的方法，該方法簡單快速，無需復雜的步驟即可有效評估預處理后木質纖維素的產糖能力，為酶解過程提供指導。

為實現上述目的，本發明是通過以下方法實現的：

一種快速評估木質纖維素酶解產糖能力的方法，通過獲得木質纖維素的氧碳原子比，預估木質纖維素酶解產糖能力，木質纖維素酶解產糖能力與木質纖維素氧碳原子比之間的關系為：氧碳原子比<0.18，預計還原糖產量為<400mg/g；0.18<氧碳原子比<0.24，預計還原糖產量為400～800mg/g；氧碳原子比＞0.24，預計還原糖產量＞800mg/g。

本發明通過統計學數據獲得木質纖維素的氧碳原子比與酶解還原糖產量之間的關系，酶解還原糖產量＝7170.45×氧碳原子比-952.15。

本發明采用多點X-射線能量色散譜測定木質纖維素的氧碳原子比。具體步驟如下：

1)測定生物質氧碳原子比，取粉末狀、均勻干燥的木質纖維素樣品用導電膠固定于樣品臺，進行噴金操作使其導電，樣品置于測試臺上，使用掃描電鏡確定X射線能量色散譜分析方法的掃描區域，選擇測定元素為碳元素和氧元素，選擇掃描方式為面掃描，掃描面積為視野中全部生物質，不包含導電膠部分。能譜測定后可得到碳原子含量和氧原子含量，氧碳原子比即為氧原子數量與碳原子數量的比值。為減小偶然誤差，同一樣品取不少于3個視野進行測試得到不同的氧碳原子比值，取其平均值作為該樣品的氧碳原子比值。

2)根據測定得到的氧碳原子比，快速評估預處理后生物質酶解產糖能力：