专利名称：秸秆漆酶组合预处理脱木质素的方法
技术领域：
本发明属于木质纤维素生物质原料预处理技术领域，特别涉及到秸秆漆酶组合预处理脱除木质素的方法。
背景技术：
石油和天然气等不可再生的化石资源构成了当今世界燃料和化学工业的基石。但自21世纪以来，由于化石燃料的不可再生性，以及化石燃料使用所引起的温室效应、酸雨、 粉尘污染等环境问题，从可再生植物资源特别是木质生物质生产高附加值化工产品成为许多国家的重要发展领域和科学研究的热点。木质纤维生物质大量存在于自然界，是地球上最丰富、最廉价，且符合可持续发展要求的可再生资源。然而，木质纤维素原料的高效经济转化一直是国内外学者致力于解决的难题。这主要是由于秸秆等木质纤维素原料结构异常复杂，木质素和半纤维素形成牢固的结合层，包裹在纤维素的外面，任一种组分的降解都必然受到其他组分的制约。其中半纤维素较易于水解，可通过适当的方法降解成可发酵糖类物质。但是木质素是一种非常难以被生物降解的物质，它的存在不仅对纤维素酶等生物催化剂具有毒害作用，而且对纤维素酶和半纤维素酶降解天然纤维素原料中的碳水化合物具有空间阻碍作用，致使许多纤维素分解菌不能侵袭完整的天然纤维素原料。因此，秸秆等木质纤维素原料的预处理成为必需和关键的环节。目前，对木质纤维素原料的预处理方法的研究主要有物理法预处理(蒸汽爆破、 机械粉碎、微波、辐射等)，化学预处理(酸、碱、氧化、有机溶剂、超临界萃取等)，生物预处理(直接生物处理和生物酶处理等)。但是大量研究表明，由于秸秆等木质纤维素原料自身结构的复杂和不均一性，仅仅依靠单一技术难以实现其高效清洁转化。因此，近些年出现了不同预处理方法的组合处理技术，如南京工业大学黄和等公布了一种木质纤维素的联合预处理方法及其系统，但是该方法仍然是化学预处理法的组合，预处理过程中需要使用酸碱， 存在较大的环境污染问题，增加了后续处理难度O00810020226. 2)。生物预处理法具有作用条件温和、专一性强、有利于环保和成本较低等优点，但是目前也存在直接生物法处理时间长、纤维素和半纤维素损失、酶活性较低、酶成本高等问题。但是从环保和成本等方面综合考虑，采用生物预处理是今后发展的方向。从生物法降解木质纤维素原料的机理上分析都要归结于对木质素、半纤维素等具有降解性能的酶类。目前已报道的可降解木质素的代表性酶主要有木质素过氧化物酶、锰过氧化物酶和漆酶。漆酶是一种含铜的多酚氧化酶，它广泛存在于自然界的多种植物和菌类的分泌物中。它是目前公认的木质素分解酶之一，可以直接从底物吸收电子，使之形成自由基，在没有H2A和其他次级代谢产物存在下，催化Α直接变成水，而自身脱去羟基上的电子或质子形成自由基。该自由基不稳定，可进一步发生聚合或解聚反应。利用这一特性，已有将漆酶用于造纸工业中协同漂白及改善纤维结构等的研究。中科院过程工程研究所陈洪章等提供了一种利用漆酶协同纤维素酶提高汽爆秸秆酶解效率的方法O00710179839. 6)，但是其目的在于以漆酶作为纤维素酶的助剂，形成纤维素酶-漆酶的协同酶解体系，达到提高纤维素酶解效率的目的，但是由于大量的木质素仍然对纤维素酶有显著的无效吸附作用，造成纤维素酶用量高，后续发酵成本高等问题。
发明内容
本发明的目的针对秸秆等木质纤维素原料物理汽爆预处理法木质素含量仍然较高，而单一的酶法预处理用酶量大、酶与原料可及性较低等问题，本发明结合酶处理的温和、专一特点和物理法的快速、高效特点，提供一种秸秆漆酶组合预处理脱木质素的方法， 以期实现秸秆高效预处理，为秸秆中纤维素、半纤维素和木质素之间的有效清洁分离和定向高值转化奠定基础。本发明的构思秸秆细胞壁中纤维素、半纤维素和木质素相互之间缠绕形成致密的三维网状空间结构。汽爆物理预处理法可以将半纤维素从秸秆中分离出来，仍然存在大量木质素，为了脱除木质素现有的方法主要是碱处理、有机溶剂处理等，存在高污染、高成本、低效率等问题；漆酶能够特异性地降解木质素，但是未经任何处理的秸秆原料结构致密，因此酶的可及性非常低，从而造成漆酶脱木质素的时间长、酶用量大、木质素脱除率低等问题。本发明结合汽爆处理的优势，即汽爆后秸秆表面形成大量孔隙，大大增强了酶对秸秆的可及性；为漆酶预处理秸秆提供了有利条件，从而有可能显著降低汽爆后原料中的木质素和后续漆酶预处理中酶用量，缩短漆酶脱除木质素的时间。本发明的技术方案本发明提供的秸秆漆酶组合预处理脱木质素的方法，包括以下步骤1)汽爆秸秆固液分离以螺旋挤压机对汽爆处理后的秸秆进行固液分离，第一次挤压分离得到的秸秆汽爆处理固体残渣(含水量30% )，称量湿重，再按照固体残渣湿重与水的固液比2 1 1 3 (w/v，g/ml)加水浸泡进行第二次挤压，所得到的固体残渣(含水量30%)烘干即为汽爆秸秆；2)汽爆原料漆酶组合预处理脱木质素将汽爆秸秆与酶处理体系按照固液比(w/ v)l 15 1 30混合均勻，进行生物预处理，汽爆秸秆按照干重计。本发明提供的秸秆漆酶组合预处理脱木质素的方法，其特征在于秸秆原料首先经过蒸汽爆破处理，使原料中的半纤维素大部分降解成可溶性糖类。可溶性糖类物质与固态残渣之间的分离采用螺旋挤压机实现，经挤压后得到富含可溶性糖的水洗液和富集纤维素和木质素的固体残渣，此固体残渣即为汽爆秸秆。由于蒸汽爆破作用的蒸煮和剪切力作用， 秸秆中大部分半纤维素降解，纤维素发生溶胀，因此汽爆秸秆整体结构变得松散，比表面积增大。但是木质素仍然残留在汽爆秸秆中，从而使得汽爆秸秆中仍然存在着对纤维素酶的无效吸附、空间屏蔽作用等，为了提高预处理的效果必须进一步提高木质素的脱除率。因此，本发明的特征在于还包括将汽爆秸秆与漆酶进行组合预处理脱木质素，以提高秸秆原料预处理后木质素脱除率。本发明所述的秸秆酶法组合预处理的方法，其特征在于，将秸秆粗切至10 50mm 后，置于蒸汽爆破装置在0. 8 2. OMPa的蒸汽压力下维持2 lOmin，进行蒸汽爆破处理。本发明所述的汽爆秸秆固液分离是通过螺旋挤压机实现的。通过第一次挤压获得的固体残渣按照固液比2 1 1 2 (w/v)加水浸泡后，进行第二次挤压，所得固体残渣即为汽爆秸秆，挤压液体合并即为水洗液。
本发明所述的漆酶预处理方法包括漆酶和漆酶介体体系。本发明提供的秸秆酶法组合预处理的效果，以原料中各组分的脱除率来表示，各组分的降解率按照以下公式计算
木质素降解率二 m0x务遷χ100%
m0 χ Α%式中Hitl为处理前物料质量；A为处理前木质素含量，％ ;md为处理后物料质量；B 为处理后木质素含量，％。
纤维素降解率=mO X C% - X D% X1QOO/0
m0 χ C%式中Hkl为处理前物料质量；C为处理前纤维素含量，％ ;md为处理后物料质量；D 为处理后纤维素含量，％。
半纤维素降解率=moxE%-m,xFo/o χ 100%
m0 χ Ε%式中Hitl为处理前物料质量；E为处理前半纤维素含量，％ ;md为处理后物料质量； F为处理后半纤维素含量，％。本发明的优点采用本发明所提供的秸秆酶法组合预处理的方法，其优点在于1)汽爆作用改善了秸秆原料中纤维素的润张能力，增加了纤维素的吸附性能及比表面积，从而为后续漆酶预处理奠定了良好的基础；2)酶法预处理体系中漆酶可以选择性地氧化降解木质素，不仅避免了传统生物法处理对纤维素的破坏作用，而且木质素脱除率较高，为实现高效的秸秆原料预处理奠定了基石出；3)本发明所提供的秸秆漆酶组合预处理脱除木质素方法，避免了木质素脱除过程中大量碱及有机溶剂的大量使用造成的高污染问题，具有无污染、高效率等优势。
附图1汽爆秸秆经漆酶、漆酶介体体系处理后红外光谱分析，A为原汽爆麦草，B为漆酶处理汽爆麦草，C为漆酶-ABTS介体体系处理汽爆麦草。经漆酶及漆酶介体体系处理后的原料，1607cm—1处木质素苯环特征吸收振动明显减弱甚至消失，说明漆酶主要是催化木质素中苯环降解。具体实施方法实施例1将玉米秸秆(水分13. 42 %，纤维素33. 24 %，半纤维素26. 43 %，木质素14. 58 %， 灰分7. 24% )切成IOmm长度块状，置于蒸汽爆破装置中，于1.5MI^下维持压力5min，突然释压，得到的汽爆物料采用螺旋挤压机进行固液分离，分别得到水洗液和固体残渣，此固体残渣按照固液比1 2加水浸泡后，进行第二次挤压，固体残渣置于60°C烘箱中烘干，得到汽爆秸秆。测定汽爆秸秆中纤维素、半纤维素和木质素的含量分别为45.观％， 10. 21%和18. 43%。取此汽爆秸秆20g，粉碎后按照漆酶添加浓度0. 55U/g底物加入担子菌1^(^11必切1^1化漆酶溶液，调节反应溶液？!1为6.5，然后加水调节固液比为1 20，混勻后置于30°C水浴中反应4h，反应结束后过滤，滤渣烘干后称重为17. 6g，测定纤维素、半纤维素和木质素的含量分别为50. 28%, 10. 85%和16. 68%。汽爆处理后纤维素、半纤维素和木质素的降解率分别为2. 4%，71. 6%和7. 2%。经过漆酶处理的汽爆秸秆纤维素、半纤维素和木质素的降解率分别为4. 3%，6. 5%和20. 3%。实施例2将玉米秸秆(水分13. 42 %，纤维素33. 24 %，半纤维素26. 43 %，木质素14. 58 %， 灰分7. )切成20mm长度块状，置于蒸汽爆破装置中，于2. OMPa下维持压力％iin，突然释压，得到的汽爆物料采用螺旋挤压机进行固液分离，分别得到水洗液和固体残渣，此固体残渣按照固液比2 1加水浸泡后，进行第二次挤压，固体残渣置于60°C烘箱中烘干，得到汽爆秸秆，测定汽爆秸秆中纤维素、半纤维素和木质素的含量分别为48. 41%，7. 04%和 19. 17% ；取此汽爆秸秆20g，粉碎后按照漆酶添加浓度2. OU/g底物加入杂色云芝漆酶溶液，调节反应溶液PH为4. 5，然后加水调节固液比为1 20，混勻后置于30°C水浴中反应 6h，反应结束后过滤，滤渣烘干后称重为17. 9g，测定纤维素、半纤维素和木质素的含量分别为52. 32%,7. 43%和17. 93%。汽爆处理后纤维素、半纤维素和木质素的降解率分别为 2. 2%,81. 7%和9. 7%。经过漆酶处理的汽爆秸秆纤维素、半纤维素和木质素的降解率分别为 3. 3%,5. 5%和 16. 3%。实施例3将小麦秸秆(水分12. 62%，纤维素32. 16%，半纤维素25. 63%，木质素10. 36%， 灰分6. 52 % )切成50mm长度，置于蒸汽爆破装置中，于1. 2MPa下维持压力6min，突然释压，得到的汽爆物料采用螺旋挤压机进行固液分离，分别得到水洗液和固体残渣，此固体残渣按照固液比1 2加水浸泡后，进行第二次挤压，固体残渣置于60°C烘箱中烘干，得到汽爆秸秆，测定汽爆秸秆中纤维素、半纤维素和木质素的含量分别为40. 38%,9. 12%和 9.72%。取此汽爆秸秆20g，粉碎后按照漆酶添加浓度1. OU/g底物加入担子菌Mycelia Merilia漆酶溶液，调节反应溶液pH为8.0，然后加水调节固液比为1 15，混勻后置于 30°C水浴中反应4h，反应结束后过滤，滤渣烘干后称重为17. 31g，测定纤维素、半纤维素和木质素的含量分别为44. 63%,9. 58%和8. 73%。秸秆经汽爆处理后纤维素、半纤维素和木质素的降解率分别为2. 3%，71. 9%和7. 9%。经漆酶处理的汽爆秸秆纤维素、半纤维素和木质素的降解率分别为4. 3%，9. 08%和22. 3%。实施例4将小麦秸秆(水分12. 62%，纤维素32. 16%，半纤维素25. 63%，木质素10. 36%， 灰分6. 52 % )切成40mm长度，置于蒸汽爆破装置中，于1. 2MPa下维持压力6min，突然释压，得到的汽爆物料采用螺旋挤压机进行固液分离，分别得到水洗液和固体残渣，此固体残渣按照固液比1 2加水浸泡后，进行第二次挤压，固体残渣置于60°C烘箱中烘干，得到汽爆秸秆，测定汽爆秸秆中纤维素、半纤维素和木质素的含量分别为40. 38%,9. 12%和 9. 72% ；取此汽爆秸秆20g，粉碎后按照漆酶添加浓度10U/g底物加入杂色云芝漆酶溶液， 0.2mMABTS溶液，调节反应溶液pH为5.0，然后加水调节固液比为1 20，混勻后置于45°C水浴中反应6h，反应结束后过滤，滤渣烘干后称重为18. 12g，测定纤维素、半纤维素和木质素的含量分别为42. 51%，9. 82%和8. 96%。汽爆处理后纤维素、半纤维素和木质素的降解率分别为2. 3%,71. 9%和7. 9%。经过漆酶处理的汽爆秸秆纤维素、半纤维素和木质素的降解率分别为4. 62%，6. 8%和20. 2%。
权利要求
1.秸秆漆酶组合预处理脱木质素的方法，其特征在于包括以下步骤1)汽爆秸秆固液分离以螺旋挤压机对汽爆处理后的秸秆进行固液分离，第一次挤压分离得到的秸秆汽爆处理固体残渣，称量湿重，再按照固体残渣湿重与水的重量比为 2 1 1 3加水浸润后，进行第二次挤压，所得到的固体残渣烘干即为汽爆秸秆；2)汽爆秸秆漆酶组合预处理脱木质素将汽爆秸秆与漆酶处理体系按照重量(以干重计，g)与体积(ml)比为1 15 1 30混合均勻，进行生物预处理。
2.根据权利要求1所述的秸秆漆酶组合预处理脱木质素的方法，其特征在于，所述的秸秆汽爆处理是指将秸秆粗切至10 50mm后，置于蒸汽爆破装置在0. 8 2. OMPa的蒸汽压力下维持2 IOmin。
3.根据权利要求1所述的秸秆漆酶组合预处理脱木质素的方法，其特征在于，包括漆酶和漆酶介体体系。
全文摘要
秸秆漆酶组合预处理脱木质素的方法，属于木质纤维素生物质原料预处理技术领域，其特征在于将秸秆汽爆物理预处理与漆酶预处理组合脱除原料中的木质素，提高预处理效果。本发明中，汽爆作用改善了秸秆原料中纤维素的润张能力，增加了纤维素可及性，可以显著降低后续汽爆秸秆漆酶预处理的用酶量；而漆酶可以选择性地降解木质素，既能避免传统生物法处理对纤维素的破坏作用，又可缩短漆酶降解木质素的周期。本发明提供的秸秆漆酶组合预处理脱木质素的过程中，无需使用碱或有机溶剂等，具有无污染、高效率等优势。
文档编号D21B1/02GK102234948SQ20101015679
公开日2011年11月9日 申请日期2010年4月27日 优先权日2010年4月27日
发明者邱卫华, 陈洪章 申请人:中国科学院过程工程研究所