蒸汽爆破木质纤维原料可溶性低聚糖同步酶解制取单糖的方法

摘要

将木质纤维原料进行蒸汽爆破预处理，经常温水洗、浓缩、分离去除不溶物，取上清液并调节控制浓缩液中糖类物质的总浓度和pH值后，再在浓缩液中添加木聚糖酶、纤维素酶和β－葡萄糖苷酶后进行同步酶解。由于采用水洗浓缩、控制浓度和添加组合酶后同步酶解的新方法，木低聚糖、纤维寡糖和阿拉伯糖基的水解得率分别为99.2％、100.0％和81.2％，大大提高了将纤维素和半纤维素水解生成葡萄糖和木糖的效率。

说明书

一、技术领域

本发明属于生物工程中的木质纤维原料酶解技术领域，特别涉及经蒸汽爆破预处理后的木质纤维原料可溶性低聚糖同步酶解制备单糖的方法。

二、背景技术

纤维素和半纤维素可以水解生成葡萄糖和木糖，被称为糖平台化合物，是生物化工的基础原料。

木质纤维原料是自然界最丰富的生物质原料，主要由纤维素、半纤维素和木质素构成，分别约占干重的45％、30％和25％左右。其中，纤维素是由数千至上万个β-D-(+)葡萄糖单元通过β-1，4糖甙键结合而成的线形葡聚糖链，具有紧密的周期性晶格分子束结构，分子大小为6000～12000个残基；半纤维素是木质纤维中非纤维素的碳水化合物，是一种具有高度分枝结构的不均一多聚糖，分子大小为50～400个残基，主链分别为β-D-(1，4)木聚糖苷链和葡甘聚糖链，主要为木糖基，尤其在农林废弃木质纤维资源中的含量十分丰富。

在天然木质纤维原料中，纤维素和半纤维素均不溶于水和一般有机溶剂，它们和木质素相互粘合形成紧密的交联结构，导致纤维素和半纤维素难以生物降解。因此，采用适当的预处理技术破坏木质纤维原料的天然结构，解除木质素的包裹作用和降低纤维素与半纤维素的聚合度是它们高效水解的前提。

木质纤维原料的预处理技术主要有物理法(如机械研磨法、辐射法和蒸汽法)化学法(如酸法、碱法、氧化法和有机溶剂法)、生物法(微生物腐朽法、酶处理法)和联合法(如高温机械磨碎法、碱-机械磨碎法、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，蒸汽爆破法被公认为是目前最为经济和清洁的木质纤维原料预处理技术。在蒸汽爆破的过程中，通过高温、高压蒸汽的作用纤维素和半纤维素发生部分降解，导致结晶度和聚合度下降，同时木质素横向连结强度下降，甚至部分软化可塑；然后，当物料骤然减压喷放时，木质纤维孔隙中的高压蒸汽瞬间剧烈膨胀，将原料撕裂成细小纤维，同时部分剥离木质素，从而有效地破坏细胞结构，暴露纤维素和半纤维素，提高它们的水解效率。经过蒸汽爆破预处理后，木质纤维原料中约30％的半纤维素、10％的纤维素和部分木质素降解成为水溶性的木低聚糖、纤维寡糖、少量的单糖和多种发酵抑制物，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质素衍生物，所以洗涤分离对于提高固体原料在后续工序中的利用效率是十分必要的，同时充分利用洗涤液中水溶性的糖组分，尤其是木低聚糖，是木质纤维原料生物加工商业化生产的关键环节之一。

可采用酸水解法或酶水解法将木低聚糖和纤维寡糖水解成木糖和葡萄糖而加以生物利用，如CN 1629321《利用秸秆植物提取制乙醇用葡萄糖和/或木糖的方法》等，但是酸水解法需要强烈的无机酸和高温条件，不仅对设备和工艺操作条件要求高，而且新生成大量的发酵抑制物，严重地影响后续的发酵和废水处理工序。与之相比，利用酶水解法，如添加纤维素酶和木聚糖酶等，反应条件温和，也不生成新的抑制物，因而具有显著的优势，是目前发展的方向。

CN 1884569《木糖的酶法制备方法》和CN 1952162A《蒸汽爆破与超微粉碎协同预处理提高稻草酶解率的方法》等主要涉及利用单一的酶产品对单一木聚糖或者固体原料部分的酶水解。

由于在蒸汽爆破木质纤维原料的水溶物中同时含有木低聚糖和纤维寡糖，再加上酶解过程中存在着木糖和葡萄糖等显著的产物抑制作用，所以，如何解决蒸汽爆破木质纤维原料的高效酶解问题，是产业化过程中的一个重要课题。迄今为止，未见此类专利技术的相关报道。

三、发明内容

本发明的目的是针对蒸汽爆破木质纤维原料水溶物中糖类的组成特点，根据木聚糖酶、纤维素酶和糖苷酶的协同作用机理，提供一种高效、清洁的蒸汽爆破木质纤维原料水溶性低聚糖类同步酶解制取单糖的方法。

本发明的技术解决方案如下：

一种蒸汽爆破木质纤维原料可溶性低聚糖同步酶解制取单糖的方法，将木质纤维原料进行蒸汽爆破预处理，经常温水洗后进行同步酶解，其特征是：

a.将水洗液浓缩、分离去除不溶物，取上清液并调节控制浓缩液中糖类物质的总浓度为1.0～3.0％和pH值为4.5～5.5后进行同步酶解；

b.在浓缩液中添加3.0～6.0U/mL木聚糖酶、0.05～0.5FPU/mL纤维素酶和0.4～1.0U/mLβ-葡萄糖苷酶后进行同步酶解。

如上所述，其特征是同步酶解在50±1℃和80～150rpm的条件下进行48～72h。

如上所述，其特征是木聚糖酶和纤维素酶的生产菌株为里氏木霉(Trichoderma reesei)Rut C30；

如上所述，其特征是β-葡萄糖苷酶的生产菌株为黑曲霉(Aspergillusniger)。

具体制取过程及工艺参数参见实施例。

四、附图说明

图1为不同的酶组合方式酶解蒸汽爆破木质纤维原料水溶性低聚糖的比较结果，反应条件是：总糖浓度为6～8％，酶的用量分别为3.0～6.0U/mL木聚糖酶，用“X”表示；0.08～0.8FPU/mL纤维素酶，用“C”表示；1.0～1.6U/mLβ-葡萄糖苷酶，用“BG”表示。50℃±1和80～150rpm振荡酶解48～72h；

图2为不同用量的组合酶酶解蒸汽爆破木质纤维原料水溶性低聚糖的比较结果，反应条件是：总糖类浓度为6～8％，组合酶的用量分别为2×、1×、0.5×或0.2×(3.0～6.0U/mL木聚糖酶+0.08～0.8FPU/mL纤维素酶+1.0～1.6U/mL β-葡萄糖苷酶)，50℃±1和80～150rpm振荡酶解48～72h；

图3为组合酶水解不同浓度的蒸汽爆破木质纤维原料水溶性低聚糖的比较结果，反应条件是：糖类的总浓度在0.4～8.0％的范围变化，酶的用量为3.0～6.0U/mL木聚糖酶+0.08～0.8FPU/mL纤维素酶+0.4～1.0U/mL β-葡萄糖苷酶，50℃±1和80～150rpm振荡酶解48～72h；

图4为蒸汽爆破木质纤维原料水溶性低聚糖同步酶水解的典型反应历程，反应条件是：糖类的总浓度为1.0～3.0％，酶的用量为3.0～6.0U/mL木聚糖酶+0.08～0.8FPU/mL纤维素酶+0.4～1.0U/mLβ-葡萄糖苷酶，50℃±1和80～150rpm振荡酶解96h，间隔一定时间取样0.5mL进行高效液相色谱分析。

五、具体实施方式

将木质纤维原料，如玉米秸秆等破碎至2～3cm，控制含水率为30％，将原料加入蒸汽爆破器，于1.40～1.70MPa的高压蒸汽压力下保压5～10min，通过自控系统自动开启爆破阀快速喷放物料至旋转分离器得蒸汽爆破木质纤维原料，总固形物得率为初始原料的85～95％；

常温水洗涤所得到的蒸汽爆破木质纤维原料，总固液比为1∶5，分三次洗涤压榨后合并水洗液，在绝对压力为0.02MPa和水浴温度为67℃的条件下减压蒸发得到浓缩液。得到的水溶性木低聚糖和纤维寡糖的得率分别占原料中木聚糖和纤维素的25～35％和5～10％。

蒸汽爆破木质纤维原料水洗液及其浓缩液的组成及变化如表1所示。

表1蒸汽爆破木质纤维原料水洗液及其浓缩液的组成和变化

  测定项目  水洗液  (g/L)  典型的浓缩液¹⁾  (g/L)  在浓缩过程中的损  失率¹⁾(％)  低聚糖  木低聚糖  纤维寡糖   2.72±0.06  0.64.±0.01   46.20±0.02  11.46±0.01  单糖  木糖  阿拉伯糖  阿拉伯糖基  葡萄糖   0.70±0.00  0.18±0.00  0.13±0.01  0.17±0.00   12.37±0.00  3.25±0.00  2.13±0.00  2.99±0.00  抑制物  甲酸  乙酸  乙酰丙酸  糠醛  羟甲基糠醛   0.59±0.01  0.99±0.01  0.09±0.00  0.30±0.01  0.02±0.00   9.15±0.00  10.43±0.00  1.56±0.01  4.39±0.08  0.25±0.01   11.9±0.0  40.1±0.0  1.5±0.6  16.9±1.5  29.0±2.8  总固形物²⁾  11.6±0.2  204.6±0.6

1)根据水洗液浓缩前后的体积比计算得浓缩比为17.6，以此为基准计算得各组分的损失率；

2)105℃烘干至恒重。

表1结果表明，经过蒸汽爆破预处理后，木质纤维原料水洗液中的糖类物质主要为低聚糖，木低聚糖和纤维寡糖分别约占总糖的60％和14％。在减压蒸发条件下浓缩蒸汽爆破木质纤维原料的水洗液，木低聚糖、纤维寡糖和单糖几乎不损失，但是可以有效地脱除部分抑制物。当总糖浓度由0.4％增浓到7.8％时，可脱除11.9～40.1％的挥发性抑制物。

采用饱和的石灰乳中和浓缩液至pH值4.5～5.5，4000rpm离心10min分离去除不溶物，取上清液并调节糖类物质的总浓度。

由附图1可知，同时加入3.0～6.0U/mL木聚糖酶+0.08～0.8FPU/mL纤维素酶+1.0～1.6U/mL β-葡萄糖苷酶三种酶的组合酶可以同步酶解木低聚糖和纤维寡糖，并且采用上述三种酶的组合优于它们单一或两者组合的使用效果，其中对于木低聚糖酶解的影响尤为显著，可以由32.6～48.2％提高到53.3％，增幅达到10.6～63.4％；

由附图2可知，当总糖浓度为7.6％时，在3.0～6.0U/mL木聚糖酶+0.08～0.8FPU/mL纤维素酶+1.0～1.6U/mL β-葡萄糖苷酶的基础上增加组合酶的用量和减少纤维素酶和β-葡萄糖苷酶用量一倍对酶解的影响也不大，但是减少木聚糖酶的用量会导致木低聚糖和阿拉伯糖基的酶解得率显著下降，因此适宜的组合酶用量为3.0～6.0U/mL木聚糖酶+0.08～0.8FPU/mL纤维素酶+0.4～1.0U/mL β-葡萄糖苷酶；

由附图3和附图4可知，以3.0～6.0U/mL木聚糖酶+0.08～0.8FPU/mL纤维素酶+0.4～1.0U/mL β-葡萄糖苷酶的组合酶同步酶解蒸汽爆破木质纤维可溶性低糖的最适总糖浓度为1.0～3.0％，酶解时间为48～72h，木低聚糖、纤维寡糖和阿拉伯糖基的水解得率分别为99.2％、100.0％和81.2％，其中木低聚糖和纤维寡糖同步酶解的得率超过99.0％。

组合酶中各成分的制取方法：

木聚糖酶和纤维素酶的生产菌株为里氏木霉(Trichoderma reesei)Rut C30，采用液体发酵方法制取获得；

β-葡萄糖苷酶的生产菌株为黑曲霉(Aspergillus niger)，采用液体或固体发酵方法制取获得。

木聚糖酶、纤维素酶和β-葡萄糖苷酶的酶活力测定方法采用国际纯化学与应用化学联合会的测定方法(GHOSE，T.K.and BISARIA V.S.，(1987)Pure & Appl.Chem.，59(12)，1739-1752；GHOSE，T.K.and BISARIA V.S.，(1987)Pure & Appl.Chem.，59(2)，257-268)；

所述的低聚糖、单糖和抑制物的测定均采用高效液相色谱(HPLC)分析，色谱仪的系统和操作条件为：Agilent 1100色谱仪及工作站，糖柱Bio-RadAminex HPX-87H，柱温55℃，流动相为0.5mmol/L H₂SO₄，流速0.6mL/min，检测器为差示折光检测器(RID)。

所述的糖酶水解得率计算公式如下：

有益效果：由于采用了水洗浓缩、控制浓度和添加合适的组合酶及用量进行同步酶解的新方法，木低聚糖、纤维寡糖和阿拉伯糖基的水解得率分别为99.2％、100.0％和81.2％，其中木低聚糖和纤维寡糖同步酶解的得率超过99.0％，满足了将纤维素和半纤维素水解生成葡萄糖和木糖的工业化生产要求。