一种提升甘蔗渣酶解生产葡萄糖的处理方法

1.本发明属于农林有机废弃物处理的技术领域，具体涉及一种提升甘蔗渣酶解生产葡萄糖的处理方法。


背景技术：

2.现有的文献研究表明：纤维素等组分可通过酶解发酵产生葡萄糖，而葡萄糖可作为平台分子进一步转化成为生物乙醇等高值化学品。但值得注意的是：纤维素、半纤维素和木质素高度交联裹覆，且木质素对生物酶具有较强的吸附特性，这严重地限制了生物酶对纤维素和半纤维素的可触性，导致生物质直接水解发酵效率较低，严重影响葡萄糖的产率。近年来，为了提高生物质酶解发酵葡萄糖的产率，生物质的预处理技术受到了前所未有的重视。
3.甘蔗是一种富含糖分、水分和微量维生素、脂肪、蛋白质等对人体新陈代谢有益物质的热带农作物，且是制糖的主要原料。甘蔗渣是一种典型的天然农业有机固体废弃物，具有产量大、可再生、易收集等优点。目前，制糖过程所产生甘蔗渣多以焚烧的方式被处置，这不仅会带来严重的空气污染和其它环境问题，大大降低了甘蔗渣的利用价值，同时对资源也是一种极大的浪费。通过预处理提升甘蔗渣酶解产葡萄糖，是实现其高值化利用的关键。


技术实现要素：

4.针对上述问题，本发明的目的在于提供一种提升甘蔗渣酶解生产葡萄糖的处理方法。
5.本发明的技术内容如下：
6.本发明提供了一种提升甘蔗渣酶解生产葡萄糖的处理方法，包括如下步骤：
7.1)热活化过硫酸钠预处理：取甘蔗渣，加入去离子水和过硫酸钠，混合均匀，于密封环境中进行水热反应，反应结束后进行固液分离获得残渣；
8.所述甘蔗渣为甘蔗提取出蔗糖后的固体残渣部分，可购于制糖厂，将其风干、粉碎后使用；
9.所述去离子水由碱(naoh)和酸(h2so4)调节，调至ph为3
±
0.3；
10.所述过硫酸钠的添加量为甘蔗渣的3～10％(w/v)；
11.所述步骤1)中甘蔗渣与去离子水、过硫酸钠的混合溶液的固液比为1:20g/ml；
12.所述水热反应的温度为75～150℃，时间为2～10h；
13.所述固液分离为采用真空抽滤或沉淀的方式；
14.所述对甘蔗渣采用过硫酸钠预处理，可以脱除包裹在纤维素表面的半纤维素，破坏由木质素所构成的严密的细胞壁结构，使纤维素表面产生气孔，纤维素暴露面积增大，提高纤维素酶对纤维素的可触性，从而促进酶解糖化的效率；
15.2)清洗干燥：将步骤1)获得的残渣进行洗涤，至上清液的ph为中性，收集残渣固体进行干燥；
16.3)酶解糖化：将步骤2)中干燥后的固体在缓冲液中进行酶解，即获得葡萄糖，取酶解液进行hplc测定酶解液中的葡萄糖浓度；
17.所述缓冲液为ph4.8的乙酸-乙酸钠缓冲溶液；
18.所述酶解包括采用纤维素酶，其用量大于30fpu/g，优选为30-100fpu/g；
19.所述酶解的固体负载量为2％，在恒温培养箱中50℃温度下反应72h。
20.本发明的有益效果如下：
21.本发明的提升甘蔗渣酶解生产葡萄糖的处理方法，采用热活化过硫酸钠预处理甘蔗渣，破坏或改变蔗渣的天然的物理化学结构，并去除部分半纤维素和木质素，提高纤维素的疏松性和暴露面积，以此扩大酶与纤维素的接触面积，进行提升纤维素酶解产糖效率，提高葡萄糖产率，从而实现甘蔗渣的高值化利用，提高甘蔗渣资源化利用过程中的经济附加值，预处理方法对环境友好、节约成本，具有良好的应用前景。
附图说明
22.图1为甘蔗渣预处理前后的扫描电镜图谱(sem)；
23.图2为甘蔗渣预处理前后的傅里叶变换红外光谱(ftir)。
具体实施方式
24.以下通过具体的实施案例以及附图说明对本发明作进一步详细的描述，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本技术所附权利要求所限定。
25.若无特殊说明，本发明的所有原料和试剂均为常规市场的原料、试剂。
26.实施例1
27.一种提升甘蔗渣酶解生产葡萄糖的处理方法
28.1)热活化过硫酸钠预处理：称取2.5
±
0.01g甘蔗渣于聚四氟乙烯内胆中，加入8％(w/v)的过硫酸钠，加入50ml ph3的去离子水，用玻璃棒混合均匀，置于超声清洗器中超声10min，将内胆放入水热合成反应釜内密封完整，放入烘箱中在75℃下反应5h，反应结束后立即取出反应釜并将其冷却至室温，采用真空抽滤的方法分离获得残渣；
29.2)清洗干燥：取残渣用去离子水洗涤至中性，再次采用真空抽滤的方法分离获得残渣，进行酶解糖化；
30.3)酶解糖化：取0.2
±
0.001g预处理后的甘蔗渣，加入30～100fpu/g纤维素酶液、10ml 0.05mol/l ph4.8的乙酸-乙酸钠缓冲溶液，置于恒温培养箱中在50℃条件下反应72h；
31.反应结束后，取酶解液在水浴锅中进行100℃、5min灭活处理，之后将酶解液进行。
32.实施例2
33.与实施例1的区别在于步骤1)的反应条件为100℃下反应5h，其它步骤和条件同实施例1。
34.实施例3
35.与实施例1的区别在于步骤1)的反应条件为125℃下反应5h，其它步骤和条件同实施例1。
36.实施例4
37.与实施例1的区别在于步骤1)的反应条件为150℃下反应5h，其它步骤和条件同实施例1。
38.如图1、图2所示，分别为甘蔗渣预处理前后(实施例4)的电镜扫描图谱和傅里叶变换红外光谱图，由图2可见，与未经预处理的甘蔗渣原料相比，预处理后的甘蔗渣孔隙率和孔隙度增大，增加了纤维素酶对纤维素的可触性，提高酶解产糖的效率；
39.在ftir图谱中，甘蔗渣中1733cm-1
处的吸收带对应于半纤维素乙酰基中的c-o拉伸振动。预处理甘蔗渣中1733cm-1
峰的消失表明半纤维素被有效水解。1251cm-1
处的吸收带对应于木质素芳香环的愈创木基环的c-o拉伸振动，该吸收峰在空白蔗渣样品中明显存在。然而，经预处理的甘蔗渣的该峰值强度显著降低，这意味着通过预处理去除了部分木质素。
40.实施例5
41.与实施例1的区别在于步骤1)的反应条件为150℃下反应2h，其它步骤和条件同实施例1。
42.实施例6
43.与实施例1的区别在于步骤1)的反应条件为150℃下反应10h，其它步骤和条件同实施例1。
44.实施例7
45.与实施例4的区别在于步骤1)中过硫酸钠的用量为3％(w/v)，其它步骤和条件同实施例4。
46.实施例8
47.与实施例4的区别在于步骤1)中过硫酸钠的用量为6％(w/v)，其它步骤和条件同实施例4。
48.实施例9
49.与实施例4的区别在于步骤1)中过硫酸钠的用量为10％(w/v)，其它步骤和条件同实施例4。
50.对比例1
51.与实施例3的区别在于步骤1)不采用过硫酸钠预处理甘蔗渣，其它步骤和条件同实施例3。
52.对比例2
53.与实施例4的区别在于步骤1)不采用过硫酸钠预处理甘蔗渣，其它步骤和条件同实施例4。
54.对比例3
55.与实施例5的区别在于步骤1)中过硫酸钠的用量为12％(w/v)，其它步骤和条件同实施例5。
56.将实施例1～6处理方法获得的预处理后的甘蔗渣成分进行测定，以及对灭菌后获得的酶解液进行hplc测定酶解液中的葡萄糖浓度以及得率，其中，甘蔗渣成分以及葡萄糖浓度为直接测得，得率(即纤维素的转化率)为通过以下公式：
[0057][0058]
式中，0.9为葡萄糖换算为纤维素的脱水系数。
[0059]
结果如下表所示：
[0060]
表1甘蔗渣预处理后的成分和葡萄糖产率
[0061][0062][0063]
由表1可见，将实施例4、实施例7和实施例8的预处理和酶解效果做对比，当过硫酸钠的添加量在8％(w/v)时，可以很好地促进去除半纤维素和提高酶解产糖用量，同时纤维素的含量增加较为理想，而当过硫酸钠的添加量偏低或偏高，难以有效去除半纤维素；
[0064]
相比实施例1和2，采用125～150℃的水热反应条件，可以更为有效地去除半纤维素，增加纤维素的含量，破坏甘蔗渣的细胞结构，提高甘蔗渣的酶解产糖量；
[0065]
综上可见，从甘蔗渣中分离纤维素和木质素，去除半纤维素的优选条件为，采用8％(w/v)的过硫酸钠，水热反应的温度为125～150℃，时间为5h。

技术特征：
1.一种提升甘蔗渣酶解生产葡萄糖的处理方法，其特征在于，包括如下步骤：1)热活化过硫酸钠预处理：取甘蔗渣，加入去离子水和过硫酸钠，混合均匀，于密封环境中进行水热反应，反应结束后进行固液分离获得残渣；2)清洗干燥：将步骤1)获得的残渣进行洗涤，至上清液的ph为中性，收集残渣固体进行干燥；3)酶解糖化：将步骤2)中干燥后的固体在缓冲液中进行酶解，即获得葡萄糖，取酶解液进行hplc测定酶解液中的葡萄糖浓度。2.根据权利要求1所述的提升甘蔗渣酶解生产葡萄糖的处理方法，步骤1)所述甘蔗渣为甘蔗提取出蔗糖后的固体残渣部分，将其风干、粉碎后使用。3.根据权利要求1所述的提升甘蔗渣酶解生产葡萄糖的处理方法，步骤1)所述过硫酸钠的添加量为甘蔗渣的3～10％(w/v)。4.根据权利要求1所述的提升甘蔗渣酶解生产葡萄糖的处理方法，步骤1)所述过硫酸钠的添加量为甘蔗渣的8％(w/v)。5.根据权利要求1所述的提升甘蔗渣酶解生产葡萄糖的处理方法，步骤1)所述甘蔗渣与去离子水、过硫酸钠的混合溶液的固液比为1:20g/ml。6.根据权利要求1所述的提升甘蔗渣酶解生产葡萄糖的处理方法，步骤1)所述水热反应的温度为75～150℃，时间为2～10h。7.根据权利要求1所述的提升甘蔗渣酶解生产葡萄糖的处理方法，步骤1)所述固液分离为采用真空抽滤或沉淀的方式。8.根据权利要求1所述的提升甘蔗渣酶解生产葡萄糖的处理方法，其特征在于，步骤3)所述缓冲液为ph4.8的乙酸-乙酸钠缓冲溶液。9.根据权利要求1所述的提升甘蔗渣酶解生产葡萄糖的处理方法，其特征在于，步骤3)所述酶解包括采用纤维素酶，其用量为35fpu/g。10.根据权利要求1所述的提升甘蔗渣酶解生产葡萄糖的处理方法，其特征在于，步骤3)所述酶解的固体负载量为2％，ph为4.8，在恒温培养箱中50℃温度下反应72h。

技术总结
本发明属于农林有机废弃物处理的技术领域，具体涉及一种提升甘蔗渣酶解生产葡萄糖的处理方法。采用热活化过硫酸钠预处理甘蔗渣，破坏或改变蔗渣的天然的物理化学结构，并去除部分半纤维素和木质素，提高纤维素的疏松性和暴露面积，以此扩大酶与纤维素的接触面积，进行提升纤维素酶解产糖效率，提高葡萄糖产率，从而实现甘蔗渣的高值化利用，提高甘蔗渣资源化利用过程中的经济附加值，预处理方法对环境友好、节约成本，具有良好的应用前景。具有良好的应用前景。具有良好的应用前景。


技术研发人员：陈晓娟 卢开红 李宁 宋宪强 徐颂 陈忻
受保护的技术使用者：佛山科学技术学院
技术研发日：2023.04.23
技术公布日：2023/9/11