酶解纤维素的方法
【技术领域】
[0001]本发明属于生物质应用的领域，且涉及一种改进的酶解(enzymatic hydrolysis)纤维素的方法。
【背景技术】
[0002]生物质，尤其是木质纤维素生物质(lignocellulosic b1mass)，是生产(生物)燃料、化学品、高性能产品和能源的宝贵资源。木质纤维素是陆地上最丰富的可再生生物质，因此也相对廉价。其主要包括纤维素、半纤维素和木质素。许多研宄都立志于开发将生物质，尤其是木质纤维素生物质低成本地转变为有价值的化合物的方法。其中一个例子是将纤维素转变为葡萄糖，葡萄糖可转而作为‘第二代’生物乙醇(通过葡萄糖发酵)的前体，因此适用于制备生物燃料。
[0003]将纤维素酶解成葡萄糖还未商业应用，因为其还不能与由第一代生物质资源(淀粉、蔗糖等)生产的葡萄糖相媲美，由于需要高成本的大量纤维素酶。纤维素酶解的其他替代方式，如浓缩的酸处理，对环境并不理想，并且还会产生更多的糖降解反应副产物。因此，目前研宄的一个挑战是寻找能够降低纤维素酶解成本的方法，从而使其能够工业应用，例如通过增强酶活性和降低所需的酶量的方式。
[0004]生物质的预处理是指将纤维素大分子制成更易于被水解酶接近的过程。未进行预处理的情况下，木质纤维素生物质内的纤维素难以被水解酶接近，因为它们被木质素和半纤维素遮挡(shield) 了。预处理则可破坏(通常是部分地除去)木质素和半纤维素的遮挡，并瓦解纤维素的晶体结构，甚至可以降低纤维素的聚合度。预处理可以包括瓦解生物质的微孔结构(cellular structure)以及可以除去生物质中的木质素和/或半纤维素，这取决于预处理的类型。本领域公知不同类型的预处理(如Zheng et al., Int.J.Agric.&B1l.Eng.2009, 2，51-68等中的预处理方法，将其通过引用全部并入本文)。这些类型大致可分为化学的或机械的预处理。化学的预处理包括催化蒸汽爆破(catalysed steamexplos1n)、酸预处理、喊预处理、氨纤维/冷冻爆破(ammonia fibre/freeze explos1n)、有机溶剂预处理(organosolv)、水热裂解(aquathermolysis)、pH-调控液态热水预处理(pH-controlled liquid hot water pretreatment)以及离子液体预处理。物理的预处理包括非催化蒸汽爆破、机械粉碎(mechanical comminut1n)和高能福射。
[0005]通过预处理得到的含纤维素的产品(有时称为浆柏(pulp))通常含有大量的非纤维素成分。即便预处理包括除去(大部分的)半纤维素和木质素，这些成分仍然在一定程度上存在于含纤维素的产品中。在提高的温度下采用能与水混溶的有机溶剂进行处理，即所谓的“有机溶剂预处理”处理，例如将木质素和半纤维素从纤维素浆柏中分离(参见:Wildschut et al.B1resource Technology, 135(2013), 58-66,将其通过引用全部并入本文)。然而，以生物质中原有的木质素总含量为基准，这种纤维素产品含有近10-30wt.%的木质素。这部分在木质纤维素生物质中存在的木质素对脱木质化(delignificat1n)有较高的耐受性。富纤维素浆柏中的杂质在酶解过程中会阻碍酶进入纤维素。而且，水解酶将不可逆地吸附于木质素上，从而引起酶失活。
[0006]有人提出在纤维素酶解中采用商购的纯化蛋白来中和生物质副产物的抑制作用，例如玉米稻杆蛋白质(Han and Chen, B1chemical EngineeringJournal, 48(2010)218-224)、牛血清白蛋白(Yang and Wyman, B1technology andB1engineering, 94(2006),611-617 或 Pan et al., Applied B1chemistry and Biotechnolgy, 121-124(2005)，1069-1079)。但这仍然不能得到商业上可行的方法，原因在于商购的纯化蛋白的成本。从生物质提取蛋白质已被Bals和Dale (B1technologyand B1engineering, 198(2011), 530-537)以及 Chiesa 和 Gnansounou(B1resourceTechnology, 102 (2011)，427-436)所描述，将它们通过引用全部并入到本文中。
[0007]至今，并未得到商业上可行的方法以中和残余的木质素引起的失活作用。本申请将提供这样的方法满足本领域的需求。
【发明内容】
[0008]出人预料的是，本发明的发明人发现，当在酶解过程中加入来自生物质的含水提取物时，尤其是含蛋白质的提取物时，纤维素酶解过程中的酶活性可以得到显著的增强。如此，在酶解步骤中的酶用量将显著降低，且不会对葡萄糖的产量造成负面影响。出人预料的是，适用于增强水解酶活性的富蛋白的含水生物质提取物可以有效地由水洗生物质并随后过滤混合物而制得。不需要进一步的纯化步骤来显著提高酶解过程中的酶活性。在水提取(aqueous extract1n)过程中，同时从生物质中提取出来的其他成分不会在纤维素酶解过程中抑制水解酶(纤维素酶)，或者这种抑制更多地被根据本发明的方法引起的活性增高所补偿。来自生物质本身的蛋白质组成了相对廉价的且容易获得的蛋白源。因为随着所需酶的减少，本发明将满足降低纤维素酶解成本的需求。
[0009]不受理论的限制，本发明的发明人假定来自含水提取物的蛋白质将被纤维素底物中的木质素所吸附。因此，被释放的木质素吸附导致失活的水解酶的量将降低。
【具体实施方式】
[0010]本发明涉及生物质中所含纤维素的酶解方法，该方法包括:
[0011](a)采用含水液体提取含有蛋白质和纤维素的生物质以得到提取后的生物质和含水提取物；
[0012](b)对含纤维素的生物质进行机械预处理、化学预处理和/或热预处理；以及
[0013](c)将步骤(b)中预处理后的生物质与以下物质接触:
[0014](i)能够水解纤维素的酶；和
[0015](ii)步骤(a)中得到的含水提取物。
[0016]所述含水提取物通常将含有至少部分来自生物质的蛋白质，并且以下也称作含蛋白质的提取物。
[0017]适用于根据本发明的方法的生物质包括木质纤维素生物质，例如林业残余物(forestry residues)、农业残余物(agricultural residues)、园林废物(yard waste)、动物和人类废物。这样的生物质通常含有40-80wt.%的碳水化合物(以干物质为基准)，是生物质精炼(b1refinery)的宝贵原材料。优选采用的含纤维素的生物质还含有大量的蛋白质；否则，在采用木质生物质的情况下，用于提取蛋白质的生物质将不同于用于纤维素水解的生物质。优选地，根据本发明的方法采用的是草本生物质(herbaceous b1mass)。更优选地，所述草本生物质是(农业)残余物形式的，如稻杆(straw)和草(grass)。
[0018]在优选的实施方式中，将所述方法的步骤(a)中得到的提取后的生物质用作步骤(b)中的含纤维素的生物质。
[0019]预提取(Pre-extract1n)
[0020]在优选的实施方式中，根据本发明的方法包括在预处理前