一种提高木质纤维素生物质酶解效率的方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于生物质处理技术领域。更具体地，涉及一种提高木质纤维素生物质酶 解效率的方法。
【背景技术】
[0002] 近年来，随着石油、煤炭等不可再生的石化资源总量的日趋减少，木质纤维素材料 的重要性日益显著。因此，以木质纤维素为原料制备乙醇是生物质能源化利用的研究热点， 该技术是利用农业秸杆、城市垃圾等木质纤维素原料进行加工得到乙醇等清洁燃料。但是 由于纤维素本身是由大量葡萄糖基构成的链状高分子化合物，其结构复杂且存在大量结晶 区，再加上木质素和半纤维素的包裹作用，使其很难溶于水和一般的有机溶剂，传统的预处 理体系有铜氨溶液体系、二硫化碳/氢氧化钠体系蒸汽爆破、高温热解、酸碱法、生物降解 等，虽然处理效果好，但由于其消耗量大，难以回收，而且污染严重。因此急需找到一种绿色 且有效的处理技术。
[0003] 近年来，离子液体以其独特的优势，成为生物质前处理体系的优良选择。与传统的 化学溶剂相比，离子液体具有不挥发性、热稳定性和化学稳定性高、溶解性好、性能可调、易 于分离、易回收和循环使用等特点。
[0004] 但随着研究的开展和深入，其体系的弊端也逐渐展露，例如成本低的离子液体溶 解效果不好，溶解效果好的离子液体成本较高等，且离子液体处理纤维素材料后在洗涤过 程中会导致纤维素重结晶。
【发明内容】
[0005] 本发明要解决的技术问题是克服现有生物质能源处理技术的缺陷和不足，提供一 种表面活性剂耦合离子液体预处理技术，利用表面活性剂具有降低表面张力和表面自由能 的作用，在离子液体处理木质纤维素的过程中，添加表面活性剂可以降低离子液体表面张 力，能够克服单一体系中显露的弊端，从而提高离子液体对木质纤维素材料的溶解能力，提 高酶解产糖率，减少离子液体用量，获得一种绿色且高效的预处理木质纤维素材料方法，可 减少成本与降低环境污染。
[0006] 本发明的目的是提供一种提高木质纤维素生物质酶解效率的方法。
[0007] 本发明另一目的是提供上述方法在提高木质纤维素生物质酶解效率方面的应用， 尤其是在提高木质纤维素酶解效率方面的应用。
[0008] 本发明上述目的通过以下技术方案实现： 一种提高木质纤维素生物质酶解效率的方法，是采用表面活性剂耦合离子液体对木质 纤维素生物质进行预处理后，再进行酶解。
[0009] 具体地，上述提高木质纤维素生物质酶解效率的方法包括如下步骤： 51. 木质纤维素生物质原料干燥、粉碎、研磨得到粉末； 52. 将处理木质纤维素生物质所用的离子液体在100~150 °C下加热20~60min，并 不断搅拌； 53. 称取步骤SI的粉末，加入步骤S2处理后的离子液体和表面活性剂，在70~130 °C 条件下搅拌0.5~4 h;其中，粉末与离子液体的重量比为1 :10,表面活性剂的重量为粉末 的0· 1~2% ; 54. 加入去离子水，以7000 r/min高速离心15 min后分离出上层清液，储存；取下层 沉淀物，用去离子水反复清洗，去除离子液体，在60 °C干燥18~30h，用于酶解。
[0010] 其中，优选地，步骤S2所述离子液体为氯化-1- 丁基-3-甲基咪唑（[BM頂]Cl)或 1-烯丙基-3-甲基咪唑氯盐（[AMnOCl )。
[0011] 优选地，步骤S2是在120 °C下加热30 min。
[0012] 优选地，步骤S3所述表面活性剂为十二烷基硫酸钠（SDS)或十六烷基三甲基溴化 铵（CTAB)0
[0013] 优选地，步骤S3所述表面活性剂的重量为粉末的1%。
[0014] 优选地，步骤S3所述搅拌的条件为110 °C搅拌I h。
[0015] 优选地，步骤S3所述酶解的方法如下： 按照2.5 w/v %的比例，取预处理后的木质纤维素生物质加入0.1 M pH4. 8的柠檬酸钠 缓冲溶液和〇. 02%叠氮化钠溶液中，摇匀，再添加50 FPU/g纤维素酶（Novozyme NS22086) 和40 CBU/g葡萄糖苷酶（Novozyme NS22118)，于50±0.5°C恒温条件下，150 r/min进行 糖化12~72h，反应完毕后13500 rpm离心得酶水解液。
[0016] 另外，上述提高木质纤维素生物质酶解效率的方法在处理木质纤维素生物质方面 的应用，也在本发明的保护范围之内。具体是在提高木质纤维素酶解效率方面的应用。
[0017] 本发明通过大量研究发现，离子液体处理纤维素材料后在洗涤过程中，会导致纤 维素重结晶，从而影响纤维素酶解的效果，添加表面活性剂可以降低离子液体的张力，有利 于处理过程中离子液体与底物更充分的接触，增加离子液体的溶解能力，提高纤维转化率。 研究显示，表面活性剂耦合离子液体预处理稻杆与未处理的稻杆相比，酶解还原糖产量可 提高50%~54% ;与单独离子液体处理稻杆相比，酶解还原糖产量可提高8%~15%。
[0018] 本发明具有以下有益效果： 1、与传统的二硫化碳/氢氧化钠体系蒸汽爆破、高温热解、酸碱法等方法比较，本发 明方法处理效率高、反应条件温和、对设备无腐蚀且对环境冲击较小，不会产生污染。
[0019] 2、与单一体系的离子液体预处理相比，克服了单一离子液体预处理体系的各种弊 端，本发明通过添加表面活性剂，降低表面张力和表面自由能的作用，有利于处理过程中离 子液体与底物更充分的接触，增加离子液体的溶解能力，提高纤维转化率，提高了木质纤维 材料的酶解效率。
【附图说明】
[0020] 图1为不同预处理方式处理后的稻杆SEM图；其中，各组处理方式分别为：a为 Untreated rice straw，b 为 1% SDS，c 为 1% CTAB，d 为 BM頂Cl，e 为 BM頂Cl+1% SDS，f 为 BM頂Cl+1% CTAB。
[0021] 图2为不同预处理方式对稻杆酶解效果的影响。
[0022] 图3为[BM頂]Cl与表面活性剂添加比例对稻杆酶解效果的影响。
[0023] 图4为表面活性剂耦合离子液体（[AM頂]Cl)对稻杆酶解效果的影响。
【具体实施方式】
[0024] 以下结合说明书附图和具体实施例来进一步说明本发明，但实施例并不对本发明 做任何形式的限定。除非特别说明，本发明采用的试剂、方法和设备为本技术领域常规试 剂、方法和设备。
[0025] 除非特别说明，本发明所用试剂和材料均为市购。
[0026] 实施例1 1、木质纤维素样品的采集 本次实验的木质纤维素原料为稻草秸杆。稻草秸杆收集之后进行风干处理，粉碎后研 磨成粉，即为本次实验的样品。将稻草秸杆储存在密封的塑料袋中，于干燥处室温保存。
[0027] 2、表面活性剂耦合离子液体预处理稻杆粉末 (1)预处理稻杆粉末前，将离子液体(氯化-1- 丁基-3-甲基咪唑，[BMHOCl)在120 °C 下加热30 min并不断搅拌，目的是去除离子液体中的水分。
[0028] (2)称取0. 5 g稻杆粉末于带螺旋塞的瓶子中，加入5 g离子液体及1%的表面 活性剂(十二烷基硫酸钠（SDS)或十六烷基三甲基溴化铵（CTAB))，置于磁力搅拌器上，在 70~130 °C条件下搅拌0. 5~4 h后，加入45 mL去离子水，将混合液置于50 mL的离心 管中，以7000 r/min高速离心15 min后分离。移出上层清液，储存。
[0029] (3)取下层沉淀物，用去离子水反复清洗，去除离子液体，在60 °C干燥至少18 h， 取出称重，保存样品以进行下一步的酶解试验。
[0030] 3、预处理前后的木质纤维素样品酶解糖化 取2.5% (w/v)预处理前后稻杆粉末试样分别置于50 mL锥形瓶中，加入0.1 M pH 4.8的柠檬酸钠缓冲溶液和100 μ L 0.02%叠氮化钠溶液，摇匀，再添加50 FPU/g纤维 素酶（Novozyme NS22086)及 40 CBU/g 葡萄糖昔酶（Novozyme NS22118)，置于 50±0. 5 °C 恒温水浴振荡器中，转速为150 r/min下糖化0，3，6，12，24，48，72 h。反应完毕，在 13500 rpm离心得酶水解液，取样用DNS测定法分析还原糖含量。
[0031] 4、纤维素酶活的测定 (1)采用国际理论和应用化学协会（IUPAC)推荐的标准方法测定，一个滤纸酶活力国际 单位等于酶促反应中每分钟生成I Mfflol葡萄糖（以还原糖表示)所需的酶量。试管中放入 卷成筒状的whatman No. 1滤纸条（1X6 cm)，加入0.5 mL稀释50倍后的纤维素酶 液和1.5 mL柠檬酸缓冲液（pH 4. 8)于50 °C水浴20 min，反应结束后用DNS法测定所得 的还原糖含量。
[0032] (2)利用葡萄糖标准曲线换算酵素活性反应还原糖量。一个酵素活性单位U定义 为在此分析条件下，每分钟每毫升释出Iymole葡萄糖酵素量（ymole/min. mL)。
[0033] U= (WXNX5. 56)/