本发明属于生物化工与生物质能源领域，具体涉及一种香蕉秆纤维素水解糖化的方法。
背景技术：
能源是社会和经济发展的重要物质基础，生物质能是世界第四大能源，利用生物质制备燃料乙醇对我国经济和社会的持续发展意义重大，而木质纤维素是地球上最丰富的可再生生物质，但该资源的当前利用率极低，除了传统的直接燃烧产热产汽外，只有极少量用于生产燃料乙醇。一直以来，如何有效地低成本地将木质纤维素转化成燃料乙醇都是科学家们面对的巨大难题和极大挑战。
香蕉是我国南方广泛种植的水果，每年的产量均在1000万吨以上，产生香蕉秆高达1500万吨。而目前香蕉秆除极少量用于提取香蕉纤维素外，其它均废弃或直接还田，经济效益低，造成资源的极大浪费。虽然香蕉秆纤维素原料供应十分充足，但要真正利用这些纤维素生物质资源生产燃料乙醇，把资源优势转化为经济优势，还存在诸多技术瓶颈问题有待解决,如原料的收集、水解成本高、五碳糖的发酵、废液处理等问题，均严重制约了该纤维素原料的再生利用。在香蕉秆的处理利用方面，检索到相关的文献如：
1、申请号为201020596836.X的中国专利公开了一种香蕉秆脱水装置。通过该装置，能将香蕉秆脱掉大部分水分，并将纤维切碎，可直接用作食用菌的培养基或发酵后用作肥料和饲料等。该装置投资少，运营成本低，脱水效率高，连续处理量大，可实现香蕉秆原料的机械化收集工作。但是，香蕉秆纤维收集后，只能用于食用菌或肥料，应用面较窄，用途与用量有限。
2、申请号为201110461656.X的中国专利公开了一种利用汽爆技术制备香蕉秆纤维素纳米纤维的方法。该方法是将香蕉粗纤维剪切成长度为2～10cm 的短纤维后在NaOH 溶液中浸泡，水洗至中性，进行汽爆处理，漂白液漂洗后洗涤至中性即得到香蕉纳米纤维，得率在60％以上。该发明以蕉园废弃的香蕉茎秆粗纤维为主要原料，采用化学处理和汽爆技术相结合的方法，解决了传统纳米纤维制备方法成本高、工序复杂、污染环境的缺陷，大大缩短了纳米纤维的生产周期，提高效率，具有工艺简单、生产成本低、碱液和漂洗液均可循环使用等特点。该技术发明属纳米材料领域，实现了操作简单，绿色环保，快速高效的制备纳米纤维的方法。但纳米纤维素的生产过程一般由两部分组成，该发明专利仅涉及原料预处理的第一步，利用汽爆技术以大量蒸汽获取纯度优异的纤维素为目的，需消耗大量的蒸汽能源，且还需进行第二步的深加工。而第二步的处理深加工，涉及到纤维素转化为微纤维素或纳米原纤化纤维素，整个制作过程涉及机械、化学和生物酶作用。整个纳米纤维素的生产过程能耗极大，虽说已由原来开发初期的每吨纳米纤维素能耗30000 kWh，目前已下降到2000 kWh，但纳米晶纤维素成本之高仍是市场所不能接受因素之一。而国内纳米纤维素研究尚处在起步阶段，目前只在制浆造纸行业有较多的投入，限制了该技术的进一步应用。
我国香蕉秆纤维素原料资源丰富但是香蕉秆生物质资源的综合利用率不高，造成资源的极大浪费，而利用香蕉秆纤维素生物质资源生产燃料乙醇，把资源优势转化为经济优势，则还存在诸多技术瓶颈问题有待解决,因此如何开展香蕉秆的综合利用，延长香蕉产业链，增加产品的附加值对香蕉产业的发展起着重要作用。
技术实现要素：
本发明的目的在于针对目前香蕉秆利用率不高而提供的一种简单有效、生产成本低、应用前途广的香蕉秆纤维素水解糖化的方法，采用该方法能大大提高香蕉秆纤维素水解糖化速度，提高香蕉秆生物质资源的综合利用率，实现经济效益与社会效益的双赢。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种香蕉秆纤维素水解糖化的方法，包括如下步骤：
（1）原料收集：将香蕉秆原料秆径剥离，用水洗净，晾干，打包收集，卷成筒状，贮存备用；
（2）稀酸预处理：将香蕉秆纤维进行粉碎剪切成长度为0.5～5cm的粗纤维，
在常温下用质量浓度为0.5～10%的稀酸溶液进行浸泡2～18小时，得到含稀酸物料；
（3）挤压爆破：将步骤（2）得到的含稀酸物料进行过滤滤去水分后，放入挤压爆破机中，于温度140-170℃，压力4-20Mpa条件下进行连续挤压爆破，得到爆破物料；
（4）酶解水解：用碱剂将步骤（3）得到的爆破物料的pH调节至3.5-5.5，然后加入一定量的纤维素酶和木聚糖酶混合酶后置于酶解器中于转速为80-200rpm、温度为40-55℃下水解糖化48-72小时，即得到香蕉秆纤维素水解糖化液。
上述的香蕉秆纤维素水解糖化的方法，步骤（2）中，所述的稀酸溶液为磷酸、盐酸和硫酸中的一种或几种。
上述的香蕉秆纤维素水解糖化的方法，步骤（4）中，所述的碱剂为质量浓度为10-20%的氨水溶液。在传统的纤维素水解糖化的生产方法中，通常用NaOH等片碱或碱液来调节爆破物料的pH值，然而，由于在酶解过程中碱会被大量消耗，引起pH波动较大，从而导致酶解过程的不稳定。在本发明中，用氨水替代传统的NaOH，可以对挤爆物料的酸碱度起到有效的缓冲，从而使整个水解过程处于一个较为稳定的pH环境中，保证了纤维素酶与木聚糖酶的活性，同时，氨水中的氮也可以为作为本发明后续的乙醇发酵提供氮源，既降低了生产成本，又易于操作。
上述的香蕉秆纤维素水解糖化的方法，步骤（4）中，所述的纤维素酶（外文名称：Cellulase）和木聚糖酶（外文名称：Pentopan Mono）混合酶的用量为每100g爆破物料加入0.05-0.5g的纤维素酶和木聚糖酶混合酶。其中，所述的纤维素酶和木聚糖酶混合酶的制备方法为：①在温度25～32℃、pH4～6的条件下，按50 mL的装液量分别将初选培养基、产孢培养基以及产酶培养基装入250mL 的三角瓶中，以草酸青霉（拉丁名：Penicillium oxalicum）和黑曲霉（学名：Aspergillus niger）作为出发菌株，接种至初选培养基后置于摇床中，于180-300 rpm的转速下培养3-5d；②在与上述相同的培养条件下，将初选培养基培养得到的菌株接种于产孢培养基中培养3-5d；③在与上述相同的培养条件下，将产孢培养基中得到的菌株接种于产酶培养基中培养3-5d，分离提纯后得到纤维素酶和木聚糖酶混合酶。
所述的初选培养基的组成为：硝酸钠0.5-1.0g，磷酸氢二钾1.0-2.0g，七水合硫酸镁 0.5-1.0g，微量元素0.1-0.2ml，蒸馏水1000ml；所述的产孢培养基为PDA培养基：马铃薯200g，蔗糖20g，琼脂16g，水1000ml；所述的产酶培养基组成为：磷酸二氢钾4-6g、硫酸铵4-6g、七水合硫酸镁0.6-1.2g、无水氯化钙0.6-1.2g、酵母粉0.04-0.4g，吐温80 2-4 mL、微晶纤维素10-20g、麦麸40-60g、微量元素 0.1-0.2ml，其中所述微量元素含有以下成分mg/L：FeSO4·7H2O,5.0；MnSO4，1.6；ZnSO4·7H2O，1.4；CoCl2，2.0。
本发明的有益效果为:
1、本发明以蕉园废弃的香蕉茎秆资源为主要原料，资源十分丰富、成本低，而且本发明工艺简单，工艺周期短。
2、本发明采用稀酸低温的挤压爆破工艺，与普通的蒸汽爆破技术相比，无需消耗大量的蒸汽，而且可以连续生产，可大大提高香蕉秆纤维素水解糖化速度，缩短降解的时间，同时大幅度减少了副产物与影响后续发酵乙醇的有害物质的产生，减少能源消耗，提高原料利用率，大大降低了生产成本。
3、本发明所用的碱剂采用氨水替代氢氧化钠，可使整个水解过程处于一个较为稳定的pH环境中，还可以在保证香蕉秆纤维素顺利水解糖化的同时，减少了碱类用量，显著降低生产操作难度和减少对环境的污染。
4、本发明一种香蕉秆纤维素水解糖化的方法，采用该方法能大大提高香蕉秆纤维素水解糖化的速度，而且水解后的香蕉秆纤维素水解糖化液中纤维素转化率达到84%以上；采用该方法对香蕉秆进行处理后得到的香蕉秆纤维素水解糖化液可用于生产燃料乙醇，提高了香蕉秆生物质资源的综合利用率，提高了经济效益与社会效益。
具体实施方式
本发明公开了一种香蕉秆纤维素水解糖化的方法，本领域技术人员可以借鉴本文内容，适当改进工艺参数实现。特别需要指出的是，所有类似的替代和改动对本领域技术人员来说是显而易见的，它们都被视为包括在本发明。
本发明提供的香蕉秆纤维素水解糖化方法中所用原料或辅料均可由市场购得，草酸青霉菌株来源自中国微生物菌种保藏中心。下面结合实施例，对本发明的具体实施方式作进一步的详细描述。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
实施例1
一种香蕉秆纤维素水解糖化的方法，包括如下步骤：
（1）原料收集：将香蕉秆原料秆径剥离，进行捶打其树皮，用水洗净，这
样可除去大部分杂质，不易霉变，容易保存，然后采用日晒的方式进行晾干后，打包收集，卷成筒状，贮存备用；
（2）稀酸预处理：取5000g香蕉秆纤维进行粉碎剪切成长度为0.5cm的粗纤维，在常温下用质量浓度为0.5%的硫酸进行浸泡18小时，得到含稀酸物料；
（3）挤压爆破：将步骤（2）得到的含稀酸物料进行过滤滤去水分后，放入挤压爆破机中，于温度140℃，压力20Mpa条件下进行挤压爆破，得到爆破物料；挤压爆破是连续进行的，挤压爆破机每分钟放入含稀酸物料4-6L；在挤压爆破之前进行酸泡处理，可以使得香蕉秆木质纤维素内部坚韧的组织松动，容易于下一步的水解，并除去部分难以水解的胶体物质；
（4）酶解水解：用质量浓度为10%的氨水溶液喷淋步骤（3）得到的爆破物料将其pH调节至3.5，然后按照每100g爆破物料加入0.05g纤维素酶和木聚糖酶混合酶的比例加入纤维素酶和木聚糖酶混合酶后置于酶解器中于转速为80rpm、温度为40℃下水解糖化72小时，得到纤维素转化率为85.4%的香蕉秆纤维素水解糖化液；该糖化液经适当保存后可用于后续的发酵乙醇用途。
步骤（4）中，所述的纤维素酶和木聚糖酶混合酶的制备方法为：①在温度25℃、pH4的条件下，按50 mL的装液量分别将初选培养基、产孢培养基以及产酶培养基装入250mL 的三角瓶中，以草酸青霉（拉丁名：Penicillium oxalicum）和黑曲霉（学名：Aspergillus niger）作为出发菌株，接种至初选培养基后置于摇床中，于180rpm的转速下培养5d；②在与上述相同的培养条件下，将初选培养基培养得到的菌株接种于产孢培养基中培养5d；③在与上述相同的培养条件下，将产孢培养基得到的菌株接种于产酶培养基中培养5d，分离提纯后得到纤维素酶和木聚糖酶混合酶。所述的初选培养基的组成为：硝酸钠0.5g，磷酸氢二钾1.0g，七水合硫酸镁 0.5g，微量元素0.1ml，蒸馏水1000ml；所述的产孢培养基为PDA培养基：马铃薯200g，蔗糖20g，琼脂16g，水1000ml；所述的产酶培养基组成为：磷酸二氢钾4g、硫酸铵4g、七水合硫酸镁0.6g、无水氯化钙0.6g、酵母粉0.04g，吐温80 2mL、微晶纤维素10g、麦麸40g、微量元素，0.1ml，其中微量元素含有以下成分mg/L：FeSO4·7H2O,5.0；MnSO4，1.6；ZnSO4·7H2O，1.4；CoCl2，2.0。
实施例2
一种香蕉秆纤维素水解糖化的方法，包括如下步骤：
（1）原料收集：将香蕉秆原料秆径剥离，进行捶打其树皮，用水洗净，这
样可除去大部分杂质，不易霉变，容易保存，然后采用暖风干燥的方式进行晾干后，打包收集，卷成筒状，贮存备用；
（2）稀酸预处理：取15 Kg香蕉秆纤维进行粉碎剪切成长度为3cm的粗纤维，在常温下用质量浓度为6%的盐酸进行浸泡10小时，得到含稀酸物料；
（3）挤压爆破：将步骤（2）得到的含稀酸物料进行过滤滤去水分后，放入挤压爆破机中，于温度155℃，压力12Mpa条件下进行挤压爆破，得到爆破物料；挤压爆破是连续进行的，挤压爆破机每分钟放入含稀酸物料4-6L；在挤压爆破之前进行酸泡处理，可以使得香蕉秆木质纤维素内部坚韧的组织松动，容易于下一步的水解，并除去部分难以水解的胶体物质；
（4）酶解水解：用质量浓度为15%的氨水溶液喷淋步骤（3）得到的爆破物料将其pH调节至5，然后按照每100g爆破物料加入0.25g纤维素酶和木聚糖酶混合酶的比例加入纤维素酶和木聚糖酶混合酶后置于酶解器中于转速为130rpm、温度为50℃下水解糖化60小时，得到纤维素转化率为86.5%的香蕉秆纤维素水解糖化液；该糖化液经适当保存后可用于后续的发酵乙醇用途。
步骤（4）中，所述的纤维素酶和木聚糖酶混合酶的制备方法为：①在温度30℃、pH为5的条件下，按50 mL的装液量分别将初选培养基、产孢培养基以及产酶培养基装入250mL 的三角瓶中，以草酸青霉和黑曲霉作为出发菌株，接种至初选培养基后置于摇床中，于250 rpm的转速下培养4d；②在与上述相同的培养条件下，将初选培养基培养得到的菌株接种于产孢培养基中培养4d；③在与上述相同的培养条件下，将产孢培养基中得到的菌株接种于产酶培养基中培养4d，分离提纯后得到纤维素酶和木聚糖酶混合酶。所述的初选培养基的组成为：硝酸钠0.7g，磷酸氢二钾1.5g，七水合硫酸镁 0.8g，微量元素0.15ml，蒸馏水1000ml；所述的产孢培养基为PDA培养基：马铃薯200g，蔗糖20g，琼脂16g，水1000ml；所述的产酶培养基组成为：磷酸二氢钾5g、硫酸铵5g、七水合硫酸镁1g、无水氯化钙0.9g、酵母粉0.2g，吐温80 3 mL、微晶纤维素15g、麦麸50g、微量元素0.15ml，其中微量元素含有以下成分（mg/L）：FeSO4·7H2O,5.0；MnSO4，1.6；ZnSO4·7H2O，1.4；CoCl2，2.0。
实施例3
一种香蕉秆纤维素水解糖化的方法，包括如下步骤：
（1）原料收集：将香蕉秆原料秆径剥离，进行捶打其树皮，用水洗净，这
样可除去大部分杂质，不易霉变，容易保存，然后采用日晒的方式进行晾干后，打包收集，卷成筒状，贮存备用；
（2）稀酸预处理：取30 Kg香蕉秆纤维进行粉碎剪切成长度为5cm的粗纤维，在常温下用质量浓度为10%的磷酸进行浸泡2小时，得到含稀酸物料；
（3）挤压爆破：将步骤（2）得到的含稀酸物料进行过滤滤去水分后，放入挤压爆破机中，于温度170℃，压力4Mpa条件下进行挤压爆破，得到爆破物料；挤压爆破是连续进行的，挤压爆破机每分钟放入含稀酸物料4-6L；在挤压爆破之前进行酸泡处理，可以使得香蕉秆木质纤维素内部坚韧的组织松动，容易于下一步的水解，并除去部分难以水解的胶体物质；
（4）酶解水解：用质量浓度为20%的氨水溶液喷淋步骤（3）得到的爆破物料将其pH调节至5.5，然后按照每100g爆破物料加入0.5g纤维素酶和木聚糖酶混合酶的比例加入纤维素酶和木聚糖酶混合酶后置于酶解器中于转速为200rpm、温度为55℃下水解糖化48小时，得到纤维素转化率为87.2%的香蕉秆纤维素水解糖化液；该糖化液经适当保存后可用于后续的发酵乙醇用途。
步骤（4）中，所述的纤维素酶和木聚糖酶混合酶的制备方法为：①在温度32℃、pH为6的条件下，按50 mL的装液量分别将初选培养基、产孢培养基以及产酶培养基装入250mL 的三角瓶中，以草酸青霉和黑曲霉作为出发菌株，接种至初选培养基后置于摇床中，于300 rpm的转速下培养3d；②在与上述相同的培养条件下，将初选培养基培养得到的菌株接种于产孢培养基中培养3d；③在与上述相同的培养条件下，将产孢培养基中得到的菌株接种于产酶培养基中培养3d，分离提纯后得到纤维素酶和木聚糖酶混合酶。所述的初选培养基的组成为：硝酸钠1.0g，磷酸氢二钾2.0g，七水合硫酸镁1.0g，微量元素0.2ml，蒸馏水1000ml；所述的产孢培养基为PDA培养基：马铃薯200g，蔗糖20g，琼脂16g，水1000ml；所述的产酶培养基组成为：磷酸二氢钾6g、硫酸铵6g、七水合硫酸镁1.2g、无水氯化钙1.2g、酵母粉0.4g，吐温80 4 mL、微晶纤维素20g、麦麸60g、微量元素 0.2ml，其中所述微量元素含有以下成分mg/L：FeSO4·7H2O,5.0；MnSO4，1.6；ZnSO4·7H2O，1.4；CoCl2，2.0。
实施例4
一种香蕉秆纤维素水解糖化的方法，包括如下步骤：
（1）原料收集：将香蕉秆原料秆径剥离，进行捶打其树皮，用水洗净，这
样可除去大部分杂质，不易霉变，容易保存，然后采用日晒的方式进行晾干后，打包收集，卷成筒状，贮存备用；
（2）稀酸预处理：取10Kg香蕉秆纤维进行粉碎剪切成长度为0.5-2cm的粗纤维，在常温下用质量浓度都为3%的磷酸、盐酸以及硫酸的混合溶液进行浸泡3小时，得到含稀酸物料；
（3）挤压爆破：将步骤（2）得到的含稀酸物料进行过滤滤去水分后，放入挤压爆破机中，于温度140℃，压力10Mpa条件下进行挤压爆破，在挤压爆破机内，物料在螺秆的旋转推动下向前运动，同时被剪切、挤压，当物料从机头喷嘴处喷出时，由于压力突然降低，物料体积迅速膨胀，纤维素晶体结构被破坏，得到爆破物料；挤压爆破是连续进行的，挤压爆破机每分钟放入含稀酸物料4-6L；在挤压爆破之前进行酸泡处理，可以使得香蕉秆木质纤维素内部坚韧的组织松动，容易于下一步的水解，并除去部分难以水解的胶体物质；
（4）酶解水解：用质量浓度为12%的氨水溶液喷淋步骤（3）得到的爆破物料将其pH调节至5.0，然后按照每100g爆破物料加入0.05g纤维素酶和木聚糖酶混合酶的比例加入纤维素酶和木聚糖酶混合酶后置于酶解器中，于转速为110rpm、温度为50℃下水解糖化72小时，得到纤维素转化率为84.3%的香蕉秆纤维素水解糖化液；该糖化液经适当保存后可用于后续的发酵乙醇用途。
步骤（4）中，所述的纤维素酶和木聚糖酶混合酶的制备方法为：①在温度25～32℃、pH为5的条件下，按50 mL的装液量分别将初选培养基、产孢培养基以及产酶培养基装入250mL 的三角瓶中，以草酸青霉和黑曲霉作为出发菌株，接种至初选培养基后置于摇床中，于200 rpm的转速下培养5d；②在与上述相同的培养条件下，将初选培养基培养得到的菌株接种于产孢培养基中培养5d；③在与上述相同的培养条件下，将产孢培养基中得到的菌株接种于产酶培养基中培养5d，分离提纯后得到纤维素酶和木聚糖酶混合酶。所述的初选培养基的组成为：硝酸钠0.8g，磷酸氢二钾1.2g，七水合硫酸镁 0.6g，微量元素0.18ml，蒸馏水1000ml；所述的产孢培养基为PDA培养基：马铃薯200g，蔗糖20g，琼脂16g，水1000ml；所述的产酶培养基组成为：磷酸二氢钾5.5g、硫酸铵4g、七水合硫酸镁0.9g、无水氯化钙0.7g、酵母粉0.3g，吐温80 2mL、微晶纤维素14g、麦麸52g、微量元素0.1ml，其中微量元素含有以下成分mg/L：FeSO4·7H2O,5.0；MnSO4，1.6；ZnSO4·7H2O，1.4；CoCl2，2.0。
实施例5
一种香蕉秆纤维素水解糖化的方法，包括如下步骤：
（1）原料收集：将香蕉秆原料秆径剥离，进行捶打其树皮，用水洗净，这
样可除去大部分杂质，不易霉变，容易保存，然后采用日晒的方式进行晾干后，打包收集，卷成筒状，贮存备用；
（2）稀酸预处理：取35Kg香蕉秆纤维进行粉碎剪切成长度为0.5-5cm的粗纤维，在常温下用质量浓度都为5%的盐酸和硫酸的混合溶液进行浸泡7小时，得到含稀酸物料；
（3）挤压爆破：将步骤（2）得到的含稀酸物料进行过滤滤去水分后，放入挤压爆破机中，于温度170℃，压力15Mpa条件下进行挤压爆破，在挤压爆破机内，物料在螺秆的旋转推动下向前运动，同时被剪切、挤压，当物料从机头喷嘴处喷出时，由于压力突然降低，物料体积迅速膨胀，纤维素晶体结构被破坏，得到爆破物料；挤压爆破是连续进行的，挤压爆破机每分钟放入含稀酸物料4-6L；在挤压爆破之前进行酸泡处理，可以使得香蕉秆木质纤维素内部坚韧的组织松动，容易于下一步的水解，并除去部分难以水解的胶体物质；
（4）酶解水解：用质量浓度为10%的氨水溶液喷淋步骤（3）得到的爆破物料将其pH调节至4.5，然后按照每100g爆破物料加入0.1g纤维素酶和木聚糖酶混合酶的比例加入纤维素酶和木聚糖酶混合酶后置于酶解器中，于转速为150rpm、温度为55℃下水解糖化55小时，得到纤维素转化率为88%的香蕉秆纤维素水解糖化液；该糖化液经适当保存后可用于后续的发酵乙醇用途。
步骤（4）中，所述的纤维素酶和木聚糖酶混合酶的制备方法为：①在温度25～32℃、pH为4的条件下，按50 mL的装液量分别将初选培养基、产孢培养基以及产酶培养基装入250mL 的三角瓶中，以草酸青霉和黑曲霉作为出发菌株，接种至初选培养基后置于摇床中，于260 rpm的转速下培养4d；②在与上述相同的培养条件下，将初选培养基培养得到的菌株接种于产孢培养基中培养4d；③在与上述相同的培养条件下，将产孢培养基中得到的菌株接种于产酶培养基中培养4d，分离提纯后得到纤维素酶和木聚糖酶混合酶。所述的初选培养基的组成为：硝酸钠0.6g，磷酸氢二钾1.8g，七水合硫酸镁 0.8g，微量元素0.2ml，蒸馏水1000ml；所述的产孢培养基为PDA培养基：马铃薯200g，蔗糖20g，琼脂16g，水1000ml；所述的产酶培养基组成为：磷酸二氢钾5g、硫酸铵4g、七水合硫酸镁1.2g、无水氯化钙0.8g、酵母粉0.25g，吐温80 3mL、微晶纤维素17g、麦麸48g、微量元素0.2ml，其中微量元素含有以下成分（mg/L）：FeSO4·7H2O,5.0；MnSO4，1.6；ZnSO4·7H2O，1.4；CoCl2，2.0。