促进木质纤维素酶催化水解的方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及生物质化工领域，特别涉及促进木质纤维素酶催化水解的方法。
【背景技术】
[0002] 木质纤维素是自然界含量最丰富的生物质之一，世界上每年有超过4000万吨木质 纤维素原料产生，占全球生物质总量的50%，包括农林业废弃物、废纸、能源作物等，其中大 部分未加利用而丢弃。木质纤维素组成中碳水化合物含量高达75%，可作为可发酵糖的重 要来源用于生产液体燃料和其它化学品。近年来随着化石能源的不断消耗和环境问题的日 益突出，生物质转化生产能源和化学品的开发受到了全球各界的广泛关注。
[0003] 木质纤维素的主要化学组成包括纤维素(35-55wt.%)、半纤维素（20-35wt.%)和 木质素(5_30wt. % )。三种主要组分的相对含量随原料的不同而不同。纤维素是由D-吡喃型 葡萄糖通过β-1，4-糖苷键连接形成的具有结晶结构的多糖聚合物，含有300-15000个葡萄 糖基。半纤维素是由不同单糖(木糖、阿伯糖、甘露糖和半乳糖等)构成的异质多糖，半纤维 素支链较多，分子链中含有游离氢键，具有亲水性能，且不存在结晶结构。木质素是由苯丙 烷单元通过碳碳键、醚键连接形成的一类复杂的芳香族高分子聚合物。木质纤维素主要存 在于植物细胞壁中，是一种在微、纳米尺度上具有复杂结构的物质。纤维素首先构成微细纤 维素，构筑了细胞壁的骨架结构，半纤维素和木质素作为"填充剂"包裹在纤维素外。因此， 木质纤维素往往需要预处理来破坏这种结构以提高纤维素的酶催化水解特性。但预处理后 的木质纤维素基质中仍然存在木质素，而木质素对纤维素酶的无效吸附会导致纤维素酶解 效率降低。为降低纤维素在纤维素酶上的无效吸附，人们发现在酶解过程中添加表面活性 剂能够提高提高木质纤维素酶解的转化率，降低木质素对酶的无效吸附，从而降低纤维素 酶的用量。已有的研究表明，对酶解促进作用最显著的是非离子型表面活性剂，而大部分离 子型表面活性剂对酶解没有促进作用。常用的促进预处理后木质纤维素酶解的非离子型表 面活性剂为PEG和Tween系列，但这些非离子型表面活性剂往往价格昂贵，且对于后续发酵 生产过程中的微生物具有抑制作用。
[0004] 因此，有必要寻找降低木质素对纤维素酶无效吸附的廉价方法。
【发明内容】
[0005] 本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明的一个目的 在于提出一种成本低廉，能够有效降低木质素对纤维素酶无效吸附，促进木质纤维素酶催 化水解，提高纤维素的糖化效率的方法。
[0006] 根据本发明的一个方面，本发明提供了一种促进木质纤维素酶催化水解的方法。 根据本发明的实施例，该方法包括以下步骤：
[0007] (1)将所述木质纤维素与pH调节溶液混合，以便获得第一液固混合物，其中所述木 质纤维素预先经过预处理，所述pH调节溶液的pH值为4.0-10.0;
[0008] (2)向所述第一液固混合物中添加金属盐溶液，并反应预定时间，以便获得第二液 固混合物；
[0009 ] (3)从所述第二液固混合物中分离得到固体；
[0010] (4)利用纤维素酶使所述固体进行酶催化水解。
[0011] 发明人惊奇地发现，利用该方法能够有效降低木质素对纤维素酶无效吸附，促进 木质纤维素酶催化水解，提高纤维素的糖化效率，并且该方法成本低廉，易于推广使用。
[0012] 根据本发明的实施例，在步骤(1)中，所述预处理为稀酸预处理、蒸汽爆破预处理、 碱处理或有机溶剂预处理。
[0013]根据本发明的实施例，在步骤⑴中，所述pH调节溶液的pH值为4.5-7.0。
[0014] 根据本发明的实施例，所述pH调节溶液为硫酸溶液或盐酸溶液。
[0015] 根据本发明的实施例，所述木质纤维素与所述pH调节溶液的质量体积比为1:5-1: 30。由此，可提高后续木质纤维素的酶催化水解效率。
[0016] 根据本发明的实施例，在步骤(2)中，所述金属盐溶液中的金属离子为三价和/或 二价金属离子。
[0017] 根据本发明的实施例，所述金属离子为选自铝离子、铁离子、亚铁离子、猛离子、钴 离子、铜离子、钙离子、镁离子、镍离子和钡离子的至少一种。
[0018] 根据本发明的实施例，所述金属离子为选自钙离子、镁离子、钴离子和镍离子的至 少一种。由此，可提高后续木质纤维素的酶催化水解效率。
[0019] 根据本发明的实施例，在步骤(2)中，向所述第一液固混合物中添加金属盐溶液， 并于20°C_80°C下反应0.1-3小时。由此，可提高后续木质纤维素的酶催化水解效率。
[0020] 根据本发明的实施例，在步骤(2)中，所述金属盐溶液的添加量为使所述第二液固 混合物中液相金属盐浓度为〇.〇l-lg/L，优选0.1g/L。由此，可提高后续木质纤维素的酶催 化水解效率。
[0021] 根据本发明的实施例，在步骤(3)中，通过过滤或离心从所述第二液固混合物中分 离得到固体。
[0022]根据本发明的实施例，在步骤(4)中，于pH 4.5-5.5的条件下进行所述酶催化水 解。由此，可提高木质纤维素的酶催化水解效率。
[0023]根据本发明的实施例，利用无机酸溶液调节步骤(4)中的酶催化水解体系的pH值 至4.5-5.5。由此，可避免已吸附到木质素上的金属离子发生脱附。
[0024]根据本发明的一些优选实施例，所述无机酸溶液为硫酸溶液或盐酸溶液。
[0025]根据本发明的实施例，在步骤(4)中，所述纤维素酶的使用量为5_40FPU/g固体，优 选 5-15FPU/g固体。
[0026] 根据本发明的实施例，在步骤(4)中，在梯度升温条件下进行所述酶催化水解。由 此，可避免由于温度快速变化带来的已吸附到木质素上的金属离子发生脱附。
[0027] 根据本发明的实施例，所述梯度升温为阶梯式升温。
[0028] 根据本发明的一些优选实施例，所述阶梯式升温为温度每升高5°C后保温2小时， 直至温度升至50°C后保持温度不变。由此，可减少由于温度快速变化带来的已吸附到木质 素上的金属离子发生脱附的现象。
[0029] 根据本发明的实施例，进一步包括：向步骤(4)中的酶催化水解体系中补充添加所 述金属盐溶液。根据本发明的一些实施例，所述金属盐溶液与步骤（2)中的金属盐溶液相 同。
[0030] 需要说明的是，本发明的方法是依据木质素对金属离子具有吸附作用的原理来实 现的。预处理后的木质纤维素固体往往还残留木质素，这部分木质素对纤维素酶具有不可 逆的无效吸附作用。而采用相对廉价的金属离子来屏蔽木质素对纤维素酶的吸附位点可降 低纤维素酶损失。因此，本发明公开的方法主要用以促进预处理后仍然含有木质素的固体 的酶催化水解，特别是常用的稀酸预处理、蒸汽爆破预处理，由于大部分木素仍然残留在固 体中，因而金属离子的促进作用更为显著。pH是影响木质素吸附金属离子的一个重要因素。 本发明提供的方法将金属离子处理与纤维素酶解过程相分离，即在酶解前进行金属离子处 理，因而可以根据需要调节pH值。优选地，金属离子处理的pH为4.0-10.0,进一步优选为 4.5-7.0。在微酸性或中性条件下进行处理，可以保证木质素表面带有足够的负电荷以与金 属离子进行配位结合。所采用的金属离子对木质素吸附位点的屏蔽具有重要影响。虽然木 质素对重金属离子，例如Pb 2+，Gd2+等具有最强的吸附力，但本发明提供的方法优选使用非 重金属离子，因为重金属离子往往会造成后续酶解过程中蛋白的失活。可选的金属离子包 括，铝离子、铁离子、亚铁离子、锰离子、钴离子、铜离子、钙离子、镁离子、镍离子、钡离子中 的一种或多种混合;优选地，所述优选的金属离子为二价金属离子;进一步优选地，所述金 属离子为钙离子、镁离子、钴离子和镍离子。这是由于这些金属离子一方面不会造成纤维素 酶失活，另一方面，如这些金属离子在酶解过程中发生解吸释放到酶解液中，其还可作为后 续微生物发酵过程中微生物生长所需的微量矿物元素。由于不同金属离子对于木质素吸附 位点的屏蔽能力不同，因此，其最优的浓度也不同。本发明提供的方法中优选金属离子浓度 为0.01-lg/L，过高的金属离子浓度反而会抑制纤维素的酶解。
[0031] 进而，根据本发明的另一些实施例，在本发明的方法的步骤(4)中，进行纤维素酶 催化水解时应避免使用有机酸缓冲液。这是因为，通常纤维素的酶解在pH4.8的醋酸或梓檬 酸缓冲液中进行，但有机酸往往对于金属离子具有一定的螯合能力，在缓冲液中进行酶解， 会导致已经吸附在木质素上的金属离子发生部分脱附，从而降低或消除了金属离子对木质 素活性位点的屏蔽作用。并且，如前所述，于pH 4.5-5.5的条件下进行所述酶催化水解，且 所述酶催化水解在非有机酸缓冲溶液中进行;优选地，所述pH 4.5-5.5是通过硫酸或盐酸 调节的，由此，可以避免使用有机酸缓冲溶液带来的负面影响。
[0032] 需要说明的是，术语"第一"、"第二"仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相 对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有"第一"、"第二"的特征可以 明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。进一步地，在本发明的描述中，除非另有说 明，"多个"的含义是两个或两个以上。
[0033]本发明的附加方面和优点将在下面的描述