热化学处理与微生物发酵和酶解联合降解和糖化农作物秸秆的新工艺的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于农作物秸杆处理技术领域，具体涉及一种热化学处理与微生物发酵和 酶解联合降解和糖化农作物秸杆的新工艺。
【背景技术】
[0002] 秸杆木质纤维素作为结构碳水化合物是自然界存在的数量巨大的可再生资源。然 而，因缺乏有效的处理方法，大部分秸杆资源都作为废弃物被焚烧或埋置于农田。秸杆主要 是由纤维素、半纤维素和木质素组成，通过微生物发酵和酶解能将纤维素和半纤维素转化 成葡萄糖单体、乙醇、糠醛、动物饲料、能量和其它化学原料。但是木质素复杂的三维高分子 网状芳香类聚合物阻碍纤维素酶接近纤维素聚合物。因此，怎样去分解木质素以提高纤维 素聚合物酶解效率至关重要。
[0003]目前，"人畜争粮"矛盾日益激烈，特别是在世界人口迅速增长的今天，如何解决这 个矛盾变得越来越重要。将秸杆中纤维素和半纤维素作为结构性碳水化合物转变成葡萄 糖替代动物饲料中的能量原料是可行的。Chang等（2012)和Guo等（2013)报道玉米秸杆 通过物理处理和微生物发酵可以转变成动物饲料，这将有助于解决畜牧生产中饲料短缺问 题。
[0004] 关于木质素裂解和提高秸杆实用性的方法很多，比如酸、碱、蒸汽爆破和有机溶剂 处理已经用于秸杆以提高酶解效率。通常高浓度化学处理(强酸、强碱）效果优于低浓化学 处理(弱酸、弱碱)。但是秸杆作为动物饲料开发，高浓度化学处理不仅会损害动物的健康， 还因需要大量的水冲洗处理产物，造成了环境污染和成本增加。前人报道了关于酸和碱处 理秸杆生产乙醇的研究并取得显著成就，但是因化学离子（Na +，Ca2+和C1 )超出动物营养 标准不适用于饲料生产。二甲基亚砜、N，N-二甲基甲酰胺和1，3-二甲基-2-咪唑烷酮等 有机溶剂可作为共溶剂来处理秸杆，但是这些处理因有毒有害化学物质加入对动物健康有 害。
【发明内容】
[0005] 本发明目的在于克服现有技术缺陷，提供一种热化学处理与微生物发酵和酶解联 合降解和糖化农作物秸杆的新工艺。
[0006] 为实现上述目的，本发明采用如下技术方案： 一种热化学处理与酶解联合降解和糖化农作物秸杆的新工艺，其包括如下步骤： 1) 将粉碎过的农作物秸杆与浸泡液按固液比lg :9 - 13ml混合后，于70 - 90°C保温 处理6 - 18h，保温处理结束后添加浸泡液体积3%的双氧水于50°C保持6 - 18h，取出，烘 干；所述浸泡液为含有氢氧化钠的石灰上清液，氢氧化钠用量为农作物秸杆重量的2%，石 灰为农作物猜杆重量的5 - 15% ; 2) 以5g秸杆添加100ml蒸馏水计，将步骤1)所得秸杆转入到蒸馏水中，然后加入纤 维素酶20 - 60 FPU/g猜杆和木聚糖酶300 - 600 U/g猜杆，调整pH至4 一 5,然后于在 45 - 50°C摇床酶解24 - 48 h，酶解结束后100°C处理30 min以终止酶解反应，酶解产物 烘干，粉碎，即得。
[0007] -种热化学处理与微生物发酵联合降解和糖化农作物秸杆的新工艺，其包括如下 步骤： 1) 将粉碎过的农作物秸杆与浸泡液按固液比lg :9 - 13ml混合后，于70 - 90°C保温 处理6 - 18h，保温处理结束后添加浸泡液体积3%的双氧水于50°C保持6 - 18h，取出，烘 干；所述浸泡液为含有氢氧化钠的石灰上清液，氢氧化钠用量为农作物秸杆重量的2%，石 灰用量为农作物猜杆重量的5 - 15% ; 2) 取5g步骤1)所得秸杆，加入10 mL、1 X 106- 1 X 10 7 CFU/ml康宁木霉孢子悬浮液， 28 - 32°C发酵培养5 - 7天.，发酵培养产物烘干，粉碎，即得。
[0008] 较好的，一种热化学处理与微生物发酵和酶解联合降解和糖化农作物秸杆的新工 艺，其包括如下步骤： 1) 将粉碎过的农作物秸杆与浸泡液按固液比lg :9 - 13ml混合后，于70 - 90°C保温 处理6 - 18h，保温处理结束后添加浸泡液体积3%的双氧水于50°C保持6 - 18h，取出，烘 干；所述浸泡液为含有氢氧化钠的石灰上清液，氢氧化钠用量为农作物秸杆重量的2%，石 灰用量为农作物猜杆重量的5 - 15% ; 2) 取5g步骤1)所得秸杆，加入10 mL、1 X 106- 1 X 10 7 CFU/ml康宁木霉孢子悬浮液， 28 - 32°C发酵培养5 - 7天.，发酵培养产物烘干，粉碎； 3) 以5g秸杆添加100ml蒸馏水计，将步骤2)所得秸杆转入到蒸馏水中，然后加入纤 维素酶20 - 60 FPU/g猜杆和木聚糖酶300 - 600 U/g猜杆，调整pH至4 一 5,然后于在 45 - 50°C摇床酶解24 - 48 h，酶解结束后100°C处理30 min以终止酶解反应，酶解产物 烘干，粉碎，即得。
[0009] 所述农作物秸杆可以是玉米秸杆、小麦秸杆等。本申请以玉米秸杆为例进行研究。
[0010] 为了避免现有处理方法中存在的弊端，本申请根据NRC (1994)动物营养标准要 求，选择低浓度氢氧化钠和石灰来处理玉米秸杆。因为Ca2+和Na +是动物必需的矿物元素， 动物营养标准中关于家禽对Ca2+和Na+需求分别为0. 8 - 2. 0%和0. 12 - 0. 2%。化学处 理秸杆中残留的Ca2+和Na +可以被动物吸收，以减少饲粮配方中石粉和食盐的添加。高温 处理（> 10(TC )对设备要求严格，部分纤维素和半纤维素分解成还原糖，会进一步转化成 糠醛、甲酸和丙酸等副产物，不仅影响动物健康，还对酶解产生抑制作用，因此本申请选择 处理温度<l〇〇°C。本申请通过响应面设计获得最优的石灰浓度和处理条件，并对石灰、氢氧 化钠和双氧水进行单一和复合对比分析。此外，为更进一步提高秸杆的降解率和糖化率，对 微生物发酵和酶解的条件也进行了研究。结果表明，玉米秸杆以液固比13:1 (mL/g)浸泡 在15% (w/w)石灰上清液和2% (w/w)氢氧化钠组成的混合溶液中，在83. 92°C条件下保持 6 h;随后添加3% (v/v) H202,在50°C条件下保持2 h;最后添加纤维素酶（32. 3 FPU/g干 物质）和木聚糖酶（550 U/g干物质），50°C摇床酶解48 h，得到最大还原糖产量为348. 77 mg/g。与原始的酶解秸杆相比，化学处理后再酶解的秸杆中还原糖产量提高126. 42% (P〈 0. 05)，纤维素，半纤维素和木质素降解率分别提高40. 08% (P〈 0. 05)，45. 71% (P〈 0. 05) 和52. 01%(P〈 0.05)。秸杆经化学处理后，再经微生物发酵和酶解联合处理，可进一步提 高秸杆的降解率和还原糖产量（442.85 mg/g，P〈 0.05)。
【附图说明】
[0011] 图1为不同玉米秸杆样品的扫描电镜图像；图中，（A)未处理玉米秸杆；⑶化学 处理（15%Ca0+2%Na0H+3%H 202)玉米秸杆；（C)化学处理+康宁木霉发酵+酶解联合处理秸 杆。
【具体实施方式】
[0012] 以下结合实施例对本发明的技术方案作进一步地详细介绍，但本发明的保护范围 并不局限于此。 实施例
[0013] 1?材料与方法 1. 1材料 自然风干玉米秸杆经锤片式粉碎机粉碎，过筛1 _，室温保存。纤维素酶和木聚糖酶购 于山东泽生生物技术有限公司。根据美国可再生能源实验室（NREL)纤维素酶测定方法测 定纤维素酶活和木聚糖酶活分别为323 FPU/g和5500 U/g。康宁木霉购自中国普通微生物 菌种保藏管理中心，菌种编号CGMCC 3. 4262。
[0014] 1. 2最佳化学处理条件响应面设计 利用Design-Expert 8.0.5软件，采用Box-Behnken设计用于试验设计，模型拟合和 数据分析。试验取15g玉米秸杆装入500 ml烧杯中用锡箱纸密封，用水浴锅进行保温处 理。响应面优化基于前期单因素处理结果，各因素选择范围为处理温度70-90°C ;处理时间 6-18 h ;石灰上清液的浓度5 - 15% (w/w，石灰/猜杆);液固比为9:1-13:1，试验因素及水 平表见表1。在石灰处理的同时添加2%氢氧化钠（w/w，氢氧化钠/秸杆)，氢氧化钠浓度的 选择是根据动物营养标准中家禽对N