本发明涉及植物纤维组分分离纯化领域，具体提供一种辣根过氧化物酶处理除去植物纤维预水解液中木素的方法。
背景技术：
自水解，也叫预水解，就是在植物纤维原料水解过程中只采用热水进行水解的过程。在自水解过程中纤维原料中的乙酰基发生脱乙酰反应产生乙酸，乙酸会催化半纤维素的水解和溶出，因此自水解被认为是一种环境友好的提取半纤维素的有效方法，也是硫酸法生产溶解浆过程中从原料中除去半纤维素的重要方法。在自水解过程中，纤维原料中的半纤维素溶解到预水解液中。溶解到预水解液中的半纤维素大多以低聚糖的形式存在，少量以单糖形式存在。这些低聚糖在食品、医药和化工行业中有很重要的应用价值，水解液中的糖也可以用来进行发酵生产燃料如乙醇等。在预水解过程中，还会有部分木素溶解于预水解液中，预水解液中还含有糠醛、羟甲基糠醛和乙酸等小分子杂质。为了利用纤维原料预水解液中的半纤维素糖，需要对预水解液进行分离纯化。膜过滤是除去水解液中小分子杂质如乙酸、糠醛的重要方法，也是浓缩水解液的重要步骤。但预水解液中的木素会导致膜的堵塞，使膜过滤的生产效率降低，同时也导致过滤膜寿命的缩短。另外，在利用预水解液中的半纤维素糖发酵生产燃料时，水解液中的木素也对酶解和发酵过程有害。因此，除去预水解液中的主要杂质-木素，对预水解液中半纤维素糖的分离纯化和利用有重要的意义。
目前已有很多方法从水解液中除去其中的木素，这些方法包括絮凝、吸附、萃取、酸化等方法。絮凝采用高分子聚合物包括阳离子如聚丙烯酰胺、聚二烯丙基二甲基氯化铵和非离子聚合物如聚氧化乙烯絮凝处理；吸附法采用活性炭、生石灰、沸石和大孔树脂等。另外，还有采用生物酶处理或生物酶处理结合阳离子絮凝等方法除去水解液中木素的方法。为了达到高的去除率，在实际中一般采用多种方法结合的工艺来除去预水解液中的木素。
目前已有许多技术公开从植物纤维原料水解液除去木素，如，中国专利文献201610865111.8公开了一种采用果胶酶预处理结合阳离子聚合物絮凝处理来除去水解液中木素的方法。该方法包括以下步骤：(1)向木质纤维水解液中加入果胶酶进行酶处理，果胶酶用量为20－1000g/吨水解液，酶处理温度20℃－70℃，处理时间1h－48h，pH 3.0－8.0，得酶处理后水解液；(2)酶处理后水解液采用阳离子絮凝剂进行处理，处理后的水解液静置或离心除去沉淀后得纯化后水解液。
中国专利文献2017111938442公开了一种采用辣根过氧化物酶结合阳离子聚合物絮凝处理除去植物纤维水解液中木素的方法，改方法包括以下步骤：(1)向植物纤维水解液中加入辣根过氧化物酶进行酶处理，辣根过氧化物酶用量为5000-20000U/L水解液，过氧化氢用量为4.0-12g/L水解液，酶处理温度15℃－45℃，时间4h－12h，pH 3.5－7.0，酶处理后除去沉淀，得酶处理后水解液；(2)向酶处理后水解液加入阳离子絮凝剂聚二烯丙基二甲基氯化铵、聚乙烯亚胺和聚胺中的一种或其中两种的混合物进行处理，然后静置或离心除去沉淀得纯化后水解液。
中国专利文献201811148745.7公布了一种生产溶解浆过程中产生的水解液提取木糖和木质素的方法。该方法包括以下步骤：(1)水解液的提取；(2)将水解液用碳酸钙中和至pH为2.8-3.2，然后加活性炭脱色至透光30％，通过阳-阴离子树脂交换，将水解液pH调节至4.0-7.0，通过真空蒸发将水解液折光浓缩至16-20，调温至28-30℃；(3)将步骤(2)的水解液过滤得滤液和滤渣，滤渣于60-65℃下烘干得木质素，滤液用阳-阴离子树脂脱色得脱色液；(4)脱色经过多效蒸发至折光55-60，后经过单效蒸发至折光为80-84的糖膏；(5)糖膏采用阶梯降温的方式进行结晶；(6)木糖晶体于60-70℃下进一步烘干得到成品干木糖。
中国专利文献201810299860.8公布了一种桉木热水预水解液中木糖的超声波辅助纯化方法，该纯化方法在于采用氢氧化钙协同超声波处理、二段活性炭吸附和漆酶协同超声波处理的物理、化学、生物相结合的方法，处理桉木水热预水解液，过量氢氧化钙颗粒的吸附作用，最大限度地分离脱除预水解液中木糖之外的木素、糠醛等可溶性有机物及杂质，提高预水解液中木糖的纯度。
中国专利文献201310554290.X公开了一种从植物原料预水解液中提取低聚糖的方法，步骤如下：(1)向植物原料预水解液中加入聚电解质，所述的聚电解质为聚氯化铝、聚硫酸铝、聚氯化铝铁、聚硫酸铝铁、聚硅酸铝铁、聚氯化铁、聚硫酸铁之一或组合，聚电解质加入量为0.01-10g/L，搅拌5-20分钟，静置80-150分钟，分离得到上层清液；(2)用膜分离的方法过滤上层清液，得低聚糖浓缩液；(3)蒸发结晶低聚糖浓缩液，经干燥后得低聚糖。
目前从水解液中分离除去木素，提高半纤维素糖纯度的各种技术中，单一的处理方法木素去除率较低，因此一般采用两种或更多方法结合的工艺。在采用含有阳离子聚合物絮凝处理或酸化如硫酸处理处理除去预水解液中木素的流程中，阳离子聚合物或酸对环境和后续处理有潜在的有害影响。采用活性炭和交换树脂吸附等方法，就要对吸附剂进行再生回用，再生过程中可能会产生二次污染问题。另外，处理步骤越多，操作越繁琐，并且水解液中糖的损失也越多。
针对现有植物纤维原料预水解液除去杂质存在的问题：单一的去除方法除杂效果差，不能有效地将木素去除，仍有杂质残留；当采用多种方法结合处理时，虽然木素去除增加，但糖的损失量大，也就是木素去除选择性较差，操作也变得繁琐，并且有可能引入其他有潜在危害的杂质。因此，有必要研发一种木素去除率高，操作简单、糖损失率低并且环保的处理方法。对于预水解液中半纤维素糖的纯化和后续利用具有重要的意义。
技术实现要素：
本发明是针对现有植物纤维原料水解液提取低聚糖过程中，主要杂质木素去除效率较低且选择性差，低聚糖损失率大的问题，提供一种木素去除率高，低聚糖的损失少的辣根过氧化物酶处理除去植物纤维预水解液中木素的方法。
本发明所述植物纤维预水解液是以热水对植物纤维原料进行自水解处理得到的预水解液。所述的植物纤维原料可以是阔叶木及竹子、麦草、稻草、芦苇非木材原料中的一种。自水解处理温度为140-190℃，自水解时间为30-180min，水与植物纤维原料的质量比为：4:1-20:1。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：辣根过氧化物酶处理除去植物纤维预水解液中木素的方法，包括：
S1.对植物纤维原料预水解液进行探头式超声处理；
S2.在超声处理后的预水解液加入可溶性钙盐，然后再采用辣根过氧化物酶和过氧化氢进行酶处理；
S3.处理后的水解液去沉淀后得纯化后预水解液。
上述方法中，预水解液中的木素先经过高强度的探头式超声处理，超声处理过程中发生自由基反应，产生更多的酚羟基和醇羟基。超声处理后的预水解液进行续辣根过氧化物酶处理，在过氧化氢存在下，一方面，酚羟基在辣根过氧化物酶催化引发苯氧自由基，进而木素发生聚合作用，使木素分子量增大变为不溶木素而析出；另一方面，辣根过氧化物酶会导致也会导致木素的氧化降解，在氧化过程中，醇羟基和酚羟基也会被氧化为在羧基，在钙离子存在下，木素中的羧基与钙离子形成复合物，变为不溶性木素析出，进而有效提高木素的去除率，并且减少低聚糖的损失。
为了进一步提升处理后水解液的糖含量，步骤S3得到的纯化后预水解液还可以经过阴离子交换树脂柱处理，得到木素去除率大于94％，糖纯度大于95％的高纯度预水解液。
步骤S1中探头式超声处理的处理时间优选为25-90分钟，最佳处理时间为30-60分钟；温度优选为10-45℃，最佳为20-40℃；功率优选为150-400W，最佳为200W-300W；预水解液优选pH为3.0-9.0，最佳为pH4.0-8.0。
步骤S2中，所述可溶性钙盐优选为硝酸钙和/或氯化钙，以钙离子计，钙离子浓度优选为0.5-2.5g/L预水解液，最佳为1.0-2.0g/L预水解液。
辣根过氧化物酶用量优选为1000-5000U/L预水解液，最佳为1000-4000U/L预水解液。
过氧化氢用量优选为0.5-5g/L预水解液，最佳为1.0-3.0g/L预水解液。
步骤S2中酶处理温度优选为15℃－45℃，最佳为20-40℃；时间优选为2－12h，最佳为4-10h；优选为pH 3.5－7.0，最佳为pH5.0－7.0。
步骤S3中，处理后的水解液静置4-12小时或在2000-3000转/分钟下离心去沉淀后得纯化后预水解液。
和现有技术相比，本发明的辣根过氧化物酶处理除去植物纤维预水解液中木素的方法具有以下突出的有益效果：
首先，超声处理为后续的辣根过氧化物酶处理提供了更多的酚羟基和醇羟基，有利于木素聚合反应和氧化反应的进行，从而改善酶处理效果。而酶处理过程中钙离子可以随时与生成的具有羧基的木素形成不溶性木素复合物而析出，促进了反应的进行。因此，该发明方法可以显著提高木素的去除率，并且低聚糖的损失很少。经过本发明方法初步处理后，植物纤维原料预水解液中木素的去除率高达70-85％，糖的损失只有6-9％。再经过进一步的阴离子交换树脂柱处理后，木素的去除率高达94％以上，糖纯度高达95％以上。
其次，本发明方法采用了超声物理处理方法结合生物酶处理的方法，引入的物质有钙离子和极少量的辣根过氧化物酶，加入的过氧化氢在反应后基本可以消耗。因此，本发明方法流程中引入的少量物质对环境和后续处理不会产生有害的影响，且处理只需要超声处理和酶处理两步，是一种环保而简单的处理流程。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为对本发明的限定。
【术语说明】
总糖损失率：预水解液处理过程中总糖减少量与水解液中总糖质量的百分比，以百分数表示。
木素去除率：指预水解液中木素在处理前后质量减少的百分数。
糠醛、羟甲基糠醛总去除率：指预水解液中糠醛和羟甲基糠醛的总质量在处理前后减少的百分数。
预水解液中糖纯度：预水解液中总糖的质量与预水解液中除水以外总物质质量的比值。
辣根过氧化物酶酶活：在20℃，pH 6.0时，20秒内催化焦性没食子酸生成1.0mg的红棓酚的酶量为一个酶活单位。
如无特别说明，下述所用各成分的含量为质量百分比含量。
【实施例1】
辣根过氧化物酶处理除去植物纤维预水解液中木素的方法：
所述植物纤维预水解液为杨木自水解后的预水解液，总糖含量14.5g/L，木素含量5.9g/L。
步骤处理：
(1)采用探头式超声(超声波细胞粉碎机，型号SEIENTZ-Ⅱ)处理，处理条件：处理时间45分钟，温度30℃，功率200W，pH为6.0；
(2)向步骤1处理过的预水解液中加入氯化钙，采用辣根过氧化物酶和过氧化氢处理，氯化钙用量4.0g/L，酶处理条件为：酶用量1500U/L，H2O2用量2.0g/L，温度30℃，时间6h，pH 6.0。
(3)步骤2处理后的水解液静置10h，倾析除去沉淀，得到上层纯化后预水解液。
对处理后预水解液进行检测，木素去除率为85％，总糖损失率为7.5％。
【对照例1】
处理方法同实施例1的方法，不同之处在于：该对照例不经步骤(1)探头式超声处理，直接将杨木自水解后的预水解液进行步骤(2)(3)处理，且在处理过程中不加入钙离子。
经检测，对照例1处理后，木素去除率为35％，预水解液中总糖损失率为5.2％。
【对照例2】
处理方法同实施例1的方法，不同之处在于：该对照例不经步骤(1)探头式超声处理，直接将杨木自水解后的预水解液进行步骤(2)(3)处理。
经检测，经对照例2处理后，木素去除率为66％，预水解液总糖损失率为7.0％。
【实施例2】
辣根过氧化物酶处理除去植物纤维预水解液中木素的方法：
所述植物纤维预水解液为桉木自水解后的预水解液，总糖含量13.2g/L，木素含量5.3g/L。
处理步骤：
(1)预水解液首先采用探头式超声(超声波细胞粉碎机，型号SEIENTZ-Ⅱ)处理，处理条件：处理时间30分钟，温度20℃，功率150W，pH为7.0；
(2)预水解液超声处理后，加入氯化钙，采用辣根过氧化物酶和过氧化氢处理，氯化钙用量5.0g/L，酶处理条件为：酶用量2000U/L，H2O2用量2.0g/L，温度25℃，时间8h，pH 6.5。
(3)辣根过氧化物酶处理后的水解液静置10h，倾析除去沉淀，得到上层纯化后预水解液。
对处理后预水解液进行检测，木素去除率83％，总糖损失率8.0％。
【对照例3】
处理方法同实施例2的方法，不同之处在于：该方法不经步骤(1)探头式超声处理，直接将自水解后的预水解液进行步骤(2)(3)处理，且在处理过程中不加入钙离子。
经检测，对照例3处理后，木素去除率为32％，预水解液中总糖损失率为5.2％。
【对照例4】
处理方法同实施例2的方法，不同之处在于：该方法不经步骤(1)探头式超声处理，直接将自水解后的预水解液进行步骤(2)(3)处理。
经检测，对照例4处理后，木素去除率为66％，预水解液中总糖损失率为7.0％。
【实施例3】
辣根过氧化物酶处理除去植物纤维预水解液中木素的方法：
所述植物纤维预水解液为麦草自水解后的预水解液，总糖含量14.2g/L，木素含量5.6g/L。
步骤如下：
(1)预水解液首先采用探头式超声(超声波细胞粉碎机，型号SEIENTZ-Ⅱ)处理，处理条件：处理时间45分钟，温度25℃，功率250W，pH为6.0；
(2)预水解液超声处理后，加入硝酸钙，采用辣根过氧化物酶和过氧化氢处理，硝酸钙用量5.0g/L，酶处理条件为：酶用量2500U/L，H2O2用量2.5g/L，温度20℃，时间8h，pH 6.0。
(3)辣根过氧化物酶处理后的水解液静置10h，倾析除去沉淀，得到上层纯化后预水解液。
对处理后预水解液进行检测，木素去除率80％，总糖损失率8.5％。
【对照例5】
处理方法同实施例3的方法，不同之处在于：该方法不经步骤(1)探头式超声处理，直接将自水解后的预水解液进行步骤(2)(3)处理，且在处理过程中不加入钙离子。
经对照例5处理后，木素去除率为35％，预水解液中总糖损失率为5.0％。
【对照例6】
处理方法同实施例3的方法，不同之处在于：该方法不经步骤(1)探头式超声处理，直接将自水解后的预水解液进行步骤(2)(3)处理。
经对照例6处理后，木素去除率为71％，预水解液中总糖损失率为7.3％。
【实施例4】
将实施例1所得的预水解液再经过阴离子交换树脂柱处理，得到提纯后的预水解液。
经过上述步骤处理后，预水解液中木素的总去除率达到95.0％，同时经过以上步骤处理后，预水解液中杂质糠醛、羟甲基糠醛总去除率95.2％，最后得到预水解液中糖纯度为97.1％，总糖的损失为9.5％。
【实施例5】
将如实施例2所得的预水解液再经过阴离子交换树脂柱处理，得到提纯后的预水解液，经过上述步骤处理后，预水解液中木素的总去除率达到94.2％，同时经过以上步骤处理后，糠醛、羟甲基糠醛总去除率94.8％，最后得到提纯后预水解液中糖纯度为95.4％，总糖的损失为9.8％。
【实施例6】
同实施例1所述的辣根过氧化物酶处理除去植物纤维预水解液中木素的方法，所不同的是采用的探头式超声处理的温度为20℃。
对处理后预水解液进行检测，木素去除率82％，总糖损失率7.4％。
【实施例7】
同实施例1所述的辣根过氧化物酶处理除去植物纤维预水解液中木素的方法，所不同的是辣根过氧化物酶处理时过氧化氢的用量为1.0g/L。
对处理后预水解液进行检测，木素去除率78％，总糖损失率7.2％。
【实施例8】
同实施例2所述的辣根过氧化物酶处理除去植物纤维预水解液中木素的方法，所不同的是辣根过氧化物酶处理时所用的酶用量为3000U/L,过氧化氢用量为1.5g/L。
对处理后预水解液进行检测，木素去除率81％，总糖损失率7.8％。
【实施例9】
同实施例1所述的辣根过氧化物酶处理除去植物纤维预水解液中木素的方法，所不同的是处理的预水解液为竹子自水解后得到的水解液。
未处理前预水解液中总糖浓度为13.5g/L,木素浓度为4.6g/L。
经同实施实例1所述的方法处理，对处理后预水解液进行检测，木素去除率为79％，总糖损失为8.4％。