一种光酶催化分离植物秸秆纤维组分的工艺的制作方法

本发明涉及一种光酶催化分离植物秸秆纤维组分的工艺，属于生物科学。

背景技术：

1、植物秸秆包括小麦秸秆、稻草秸秆、玉米秸秆、棉花秸秆、甘蔗渣、芦苇等，是重要的生物质资源，也是木质纤维素的主要来源之一。它们在组分及结构上相似，主要由纤维素、半纤维素和木质素组成。纤维素形成微纤维，被半纤维素和木质素包裹并通过共价键和氢键等相互交联。纤维素是秸秆细胞壁的骨架，木质素作为顽抗的外壳包裹在最外层，半纤维素作为基质填充于其中，使得秸秆具有难降解性。

2、纤维素主要由重复的纤维二糖单元组成，是一种由β-d-葡萄糖通过糖苷键连接形成的均质长链聚合物，分为结晶区和无定形区。纤维素链通过氢键、范德华力和共价键等连接，形成结晶区纤维素；无定形区纤维素链结构较为疏松，易于降解。

3、半纤维素主要由几种不同类型的单糖构成，包括戊糖(如木糖、阿拉伯糖)、己糖(如半乳糖、甘露糖、葡萄糖)和糖醛酸(如半乳糖醛酸等)，是一种异质多糖。禾本科植物秸秆半纤维素主要由聚阿拉伯糖-4-o-甲基葡萄糖醛酸木糖构成，其中，β-d-吡喃木糖通过糖苷键连接形成骨架，支链包括阿拉伯糖、葡萄糖醛酸、半乳糖、乙酸等通过木糖的c-2或c-3位连接。半纤维素的分子量比纤维素低，短侧链的分支相对容易被水解成单糖。

4、木质素是由苯丙烷单元通过碳碳键和醚键形成的三维网状高分子芳香族化合物。组成木质素的三种单体分别为愈创木基丙烷、紫丁香基丙烷和对羟基苯基丙烷，这三种单体通过共价键连接，形成复杂的三维网状结构。连接的共价键包括七类：β-o-4、α-o-4、4-o-5、β-5、β-1、5-5和β-β’。其中，β-o-4是木质素分子中含量最多的键。木质素通过阿魏酸和对香豆酸与半纤维素紧密连接，部分木质素通过化学键与纤维素连接，形成秸秆细胞壁结构，对植物起到保护作用，同时也因为该复杂结构限制了秸秆生物质的有效利用。

5、由于秸秆中这三个组分的特殊紧密结构，工业上对秸秆利用最有效的方式是高温强碱蒸煮的秸秆制浆工艺和高温强酸蒸煮的木糖(糠醛)生产工艺，但这两种工艺存在严重的黑液污染问题，生产企业严格受到国家环保政策的限制。

6、然而自然界中存在一些微生物在代谢中形成的生物酶，可以有效地分解秸秆组分，不产生污染物，对环境友好，利用生物酶解催化分离秸秆纤维素组分替代传统化学制浆是工业创新的重要的方向。如利用具有木质素降解能力的木质素过氧化物酶、锰过氧化物酶、漆酶等，降解半纤维素的木聚糖酶、木糖苷酶、阿拉伯糖苷酶、半乳糖苷酶、葡萄糖醛酸酶、甘露聚糖酶、甘露糖苷酶、乙酰木聚糖酯酶和阿魏酸酯酶等酶制剂，以替代化学品使用的清洁生产工艺。

7、由于生物酶在酶解秸秆中对环境友好，采用酶解分离秸秆组分的技术发展较快，应用中将会存在一些缺陷，需要工艺技术的不断完善。如专利文献cn 104631176 a一种黄麻纤维素的制备方法，包括以下步骤：纤维预处理→碱处理→酸处理→超声波协同生物酶处理→水洗→烘干→黄麻纤维素，所述生物酶为组分a与组分b按1:1-5的比例配置而成，组分a选自木质素过氧化物酶、锰过氧化物酶、漆酶中的一种或几种，组分b为木聚糖酶。该工艺在制备纤维素的过程中涉及碱处理和酸处理，依然产生制浆黑液，技术的应用和推广受到环保政策的限制。

8、本发明基于上述工艺问题及技术原理，通过对酶学性质和秸秆组分连接方式的研究，发明了一种光酶催化分离植物秸秆纤维素组分的绿色工艺，实现了秸秆纤维素与其他组分的有效分离。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明提供了一种光酶催化分离植物秸秆纤维组分的工艺。本发明利用生物酶具有专一性及协同作用的属性，按照秸秆的结构特点，设计光酶催化酶解秸秆的木质素和半纤维素组分，以获得秸秆纤维素为目的的工艺，工艺中以绿色生产、高值化为目标，成为一条具有显著效益可推广的绿色生产工艺。

2、为实现上述目的，本发明采用技术方案为：

3、一种光酶催化分离植物秸秆纤维组分的工艺，包括如下步骤：

4、(1)秸秆预处理：秸秆去除杂质后，经切割、洗涤后得到秸秆原料净片；

5、(2)光酶催化：将步骤(1)得到秸秆原料净片置于光酶催化反应器中，按照秸秆原料净片干重与水的质量比为1：5-8的比例加入水，加热到45-95℃，调节ph为7.5-9.0，按照秸秆原料净片干重与过氧化氢的质量比为1：0.030-0.090的比例加入过氧化氢，过氧化氢折纯计算；加入组合酶和光催化剂，光照条件下催化反应2-8小时，得秸秆浆料；

6、所述组合酶包括：裂解多糖单加氧酶(lpmo)，加入量≥5000u/kg秸秆原料净片干重；木质素过氧化物酶，加入量≥800u/kg秸秆原料净片干重；漆酶，加入量≥600u/kg秸秆原料净片干重；木聚糖酶，加入量≥6000u/kg秸秆原料净片干重；糖化酶，加入量为≥8000u/kg秸秆原料净片干重；

7、(3)将步骤(2)得到的秸秆浆料进行磨浆处理后，固液分离，所得固体部分为秸秆纤维组分，所得液体部分为酶解液，经过浓缩、干燥得黄腐酸产品。

8、优选的，步骤(1)中切割成2-6cm长短的草片，经过1-2道洗涤得到秸秆原料净片。

9、优选的，步骤(1)中所述秸秆原料净片还经过疏解或揉搓预处理。在本发明优选的技术方案中，使用疏解机对秸秆原料净片进行轻度的疏解预处理，或者使用秸秆揉丝机在切割秸秆的同时进行揉搓预处理。疏解或揉搓预处理破坏了秸秆外面的保护层，更利于酶解反应。

10、优选的，步骤(2)中所述光催化剂包括氮化碳(c3n4)。

11、优选的，步骤(2)中所述光催化剂的加入量与秸秆原料净片中木质素的质量比为1:1400-1600。

12、优选的，步骤(2)中所述秸秆原料净片干重与水的质量比为1：5.5-6。

13、优选的，步骤(2)中秸秆原料净片干重与过氧化氢的质量比为1：0.045-0.065。

14、优选的，步骤(2)中所述组合酶中裂解多糖单加氧酶的加入量为5000-10000u/kg秸秆原料净片干重；木质素过氧化物酶的加入量为800-1200u/kg秸秆原料净片干重；漆酶的加入量为600-1200u/kg秸秆原料净片干重；木聚糖酶的加入量为6000-12000u/kg秸秆原料净片干重；糖化酶的加入量为8000-15000u/kg秸秆原料净片干重。

15、优选的，步骤(2)中加热到65-75℃。

16、优选的，步骤(2)中调节ph为7.5-8.5。

17、优选的，步骤(2)中以氢氧化钾或氨水或液氨调节ph。

18、优选的，步骤(2)中所述催化反应的时间为3-5小时。

19、优选的，步骤(2)中所述催化反应的光照条件为30-50mw/cm2。

20、按照上述工艺制备得到的秸秆纤维组分在配抄本色生活纸、文化用纸、瓦楞原纸、纸塑包装或纸塑餐具中的应用。

21、按照上述工艺制备得到的黄腐酸产品在制备有机肥料中应用。

22、在分离秸秆组分时，降解木质素是关键的步骤。在木质素降解酶中，漆酶是一种能氧化多种酚类和非酚类化合物的酚氧化酶。而木质素过氧化物酶在h2o2存在时可以氧化各种酚类芳香底物、非酚类木质素以及一系列氧化还原电位高于1.4v的化合物，被认为是木质素降解最高效的酶。

23、在微生物代谢途径中同时还存在一些辅助酶与降解植物秸秆组分相关，如裂解多糖单加氧酶(lpmo)、糖化酶等。lpmo在秸秆组分分离中发挥了重要的作用。lpmo是一类铜依赖性加氧酶，在外部电子供体存在下可催化多糖中糖苷键的氧化裂解，在反应体系中可以协同半纤维素酶发挥作用，阻止木质素氧化酶氧化木质素分子后的再次聚合。lpmo在催化底物过程中除了铜离子和氧之外，还需要2个电子，在反应体系中木质素小分子和效能高的光催化剂在光的作用下激发电子作为lpmo的电子来源，可见光除了激发光催化剂释放电子外，还可以直接催化木质素底物产生h2o2，促进木质素过氧化物酶对木质素的降解，使酶的催化效率提高几十到几百倍。

24、有益效果：

25、1、绿色生产无污染工艺。采用生物酶技术，不产生传统高温强碱化学制浆过程中的黑液，为绿色生产技术。

26、2、产品收率高。采用光酶催化酶解，并通过裂解多糖单加氧酶、木质素过氧化物酶、漆酶、木聚糖酶和糖化酶之间的有效配合，定向切割不同的秸秆组分，可以有目的的保留纤维素目标产品，使纤维素保留完整，纤维得率(或称为得浆率)高，效益显著。

27、3、产品高值化。秸秆原料经光酶催化分离纤维产品后，剩余酶解液中主要含有半纤维和木质素的酶解产物，可以直接生产液体黄腐酸和固体黄腐酸产品，副产品附加值明显。

28、4、光酶反应效率高。单一酶解反应效率较低，光酶催化反应可以提高酶反应效率几倍到几百倍，并使产品质量提高。