本发明属于生物质资源与农业废弃物高效利用相结合的技术领域，涉及一种采用机械预处理实现高效酶水解的方法，尤其是一种强化玉米芯及玉米芯残渣高效酶水解的预处理方法。
技术背景
生物质酶水解是一种新型、绿色的能源利用方式，即通过对木质纤维原料进行酶水解并将得到的可发酵糖应用于发酵工艺可生产丁醇、丙酮和乙醇等有机化工原料和生物质燃料，也可用于生产饲料、食品以及药物等，给生物质精炼工艺提供了示范。多数情况下进行生物酶水解的原料为经过筛选的木质纤维，在进行酶水解时投入成本较高，不利于工业化生产且最终水解葡萄糖的转化率不高。因此，寻求一种可以提高葡萄糖转化率且降低酶水解投入成本的方法显得尤为重要。
相关研究表明，机械预处理可以使纤维原料的物理尺寸、粒径、结晶度以及聚合度等显著降低，从而导致其比表面积和润胀性能明显提高，使得纤维原料的可酶解性得到很大程度的改善。据报道，这些作用可使纤维原料在酶水解时总的糖产量提高5％～25％，同时也使酶水解的时间降低了23％～59％(根据纤维原料的种类、机械预处理方式及预处理程度的不同而有所差异)。同时，机械法预处理无需使用过多的化学品，对环境污染小，是一种清洁的预处理方式。相较于采用原料直接进行酶水解，不但可以降低生物酶的使用量，且有利于提高葡萄糖的转化效率使其尽可能多的得到葡萄糖并将其应用于不同的领域。
玉米芯是我国主要的农业废弃物之一，年均产量可达约4.0×107t，目前国内外都在研究和实施对玉米芯的综合开发利用，多数是利用玉米芯来进行水解提取具有高附加值的产品。而对于提取剩余的部分—玉米芯残渣，通常是作为燃料直接燃烧或者直接丢弃在野外，这不仅是对资源的浪费，同时也造成了一系列环境污染问题。若将玉米芯及玉米芯残渣进行机械预处理后再进行酶水解，不但强化了玉米芯及玉米芯残渣的酶水解效率同时使得葡萄糖的提取率有所提高。此外，利用玉米芯残渣作为原料进行酶水解制备可发酵糖，进而应用于后续发酵生产燃料乙醇等方面，具有良好的经济价值和应用前景，玉米芯残渣的应用价值得以体现。
目前，尚未发现有关利用机械预处理实现酶高效水解的方法。
通过检索，尚未发现与本发明专利申请相关的专利公开文献。
技术实现要素：
本发明的目的在于克服现有技术的不足之处，提供一种强化玉米芯及玉米芯残渣高效酶水解的预处理方法，该方法利用机械预处理方法处理玉米芯和玉米芯残渣，从而使得原料的物理尺寸降低，结晶度降低，提高原料的比表面积和润涨性能，进而提高其酶水解效率，最终获得较高的葡萄糖浓度与葡萄糖转化率；该方法可以使玉米芯及玉米芯残渣得到高值化利用，同时降低酶水解的投入成本，提高酶水解效率，并为后续的加工利用或生产高附加值产品提供原料基础，拓展玉米芯及玉米芯残渣的应用领域和范围。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种强化玉米芯及玉米芯残渣高效酶水解的预处理方法，步骤如下：
⑴浆料准备：将玉米芯或玉米芯残渣原料经风干、粉碎、筛选，得处理后玉米芯或玉米芯残渣原料，并将处理后玉米芯或玉米芯残渣原料装入密封袋内以备后续使用；
⑵机械预处理：称取步骤⑴中处理后玉米芯或玉米芯残渣原料，加水稀释配制成质量浓度为0.5％～12.0％的悬浮液，置于研磨机中，在转速为500～3000rpm下对原料进行研磨5～90min，然后收集研磨后的玉米芯或玉米芯残渣，抽滤脱水以达到浓缩的目的，得浓缩后玉米芯或玉米芯残渣，并置于低温条件2～10℃下储存以便后续使用；
⑶酶水解：称取步骤⑵中浓缩后玉米芯或玉米芯残渣作为酶水解底物放入反应釜中，加入hac–naac缓冲溶液使其质量浓度为2.0％～30.0％，搅拌使原料均匀分散；再向反应釜中加入酶液，使整个水解体系中纤维素酶的用量为5～40fpu/g底物；再向反应釜内补加蒸馏水，控制整个酶水解体系中的酶水解底物浓度为1.0％～15.0％(质量分数)，最后用保鲜膜封住瓶口，置于恒温条件下不断搅拌进行酶水解处理，得水解液，即完成强化玉米芯及玉米芯残渣高效酶水解；
其中，所述恒温条件下酶水解处理的条件为：水解温度为45～60℃，水解时间为30～120h，转速为100～500rpm。
而且，所述步骤⑴中筛选为用40目筛进行筛选。
而且，所述步骤⑶中所述hac–naac缓冲溶液的ph为4.5～5.0，其配制方法为：称取无水乙酸钠固体并加入冰乙酸使其固液比为1:2～3:1，加水不断搅拌使之溶解，控制整个体系的ph在4.5～5.0。
而且，所述步骤⑶中水解液中葡萄糖的浓度采用高效液相色谱仪进行检测。
而且，所述高效液相色谱仪检测水解液中葡萄糖浓度的具体操作条件为：采用液相柱子为bioradaminexhpx-87hcolumn，300mm×7.8mm，流动相为5mmol/lh2so4，流速为0.6ml/min，柱温为55℃，进样量为10μl，采用示差检测器进行检测，检测器温度为55℃。
本发明取得的优点和积极效果是：
1、本发明方法以一种机械预处理方式对玉米芯或玉米芯残渣进行处理且进行了高效的酶水解，获得了较高的水解转化率，在生物质资源的高效利用方面具有重要意义。
2、本发明中的原料为玉米芯及玉米芯残渣，以此为原料进行生物酶水解提取葡萄糖，降低了生物酶水解的投入成本，降低了环境污染的负荷，缓解了人们对于化石能源的需求，符合绿色可持续发展的理念。
3、本发明方法在降低酶水解投入成本的前提下，实现了原料的高效水解糖化目的，水解得率高，具有很大的经济效益。
4、本方法利用机械预处理方法处理玉米芯和玉米芯残渣，从而使得原料的物理尺寸降低，结晶度降低，提高原料的比表面积和润涨性能，进而提高其酶水解效率，最终获得较高的葡萄糖浓度与葡萄糖转化率；该方法可以使玉米芯及玉米芯残渣得到高值化利用，同时降低酶水解的投入成本，提高酶水解效率，并为后续的加工利用或生产高附加值产品提供原料基础，拓展玉米芯及玉米芯残渣的应用领域和范围。
具体实施方式
下面结合实施例，对本发明进一步说明；下述实施例是说明性的，不是限定性的，不能以下述实施例来限定本发明的保护范围。
本发明中所使用的原料，如无特殊说明，均为常规的市售产品；本发明中所使用的方法，如无特殊说明，均为本领域的常规方法。
实施例1
一种强化玉米芯及玉米芯残渣高效酶水解的预处理方法，步骤如下：
[1]浆料准备：将玉米芯原料经风干、粉碎，用40目筛进行筛选，并将得到的原料装入密封袋内以备后续使用；
[2]机械预处理：称取一定绝干质量经上述处理的玉米芯原料，加水稀释配制成质量浓度为4.0％的原料悬浮液，放入研磨机中，在转速为1000rpm时，对原料进行处理5min，然后收集研磨后的玉米芯，抽滤脱水以达到浓缩的目的，并置于低温条件(2～10℃)下储存以便后续使用；
[3]酶水解：称取一定绝干质量经过上述处理的玉米芯作为酶水解底物放入反应釜中，加入hac–naac缓冲溶液使其质量浓度10.0％左右，搅拌使原料均匀分散。再向反应釜中加入一定体积的酶液，使整个水解体系中纤维素酶的用量为11fpu/g底物。再向反应釜内补加一定量的蒸馏水，控制整个酶水解体系中的酶水解底物浓度为5.0％(质量分数)，最后用保鲜膜封住瓶口，置于恒温条件下不断搅拌进行酶水解处理，得水解液，即完成强化玉米芯及玉米芯残渣高效酶水解；
其中，所述恒温条件下酶水解处理的条件为：水解温度为50℃，水解时间为59h，转速为180rpm；
其中，所述hac–naac缓冲溶液的ph为4.5～5.0，其配制方法为：称取一定量无水乙酸钠固体并加入冰乙酸使其固液比为4:3，加水不断搅拌使之溶解，控制整个体系的ph在4.5～5.0左右；
[4]水解得率检测：采用高效液相色谱仪检测水解液中葡萄糖浓度。
高效液相色谱仪检测水解液中葡萄糖浓度的具体操作条件为：采用液相柱子为bioradaminexhpx-87hcolumn，300mm×7.8mm，流动相为5mmol/lh2so4，流速为0.6ml/min，柱温为55℃，进样量为10μl，采用示差检测器进行检测，检测器温度为55℃。
检测结果：在上述酶水解条件下，水解液中葡萄糖的浓度为226.25g/l，底物的葡萄糖转化率为78.94％。
实施例2
一种强化玉米芯及玉米芯残渣高效酶水解的预处理方法，步骤如下：
[1]浆料准备：将玉米芯原料经风干、粉碎，用40目筛进行筛选，并将得到的原料装入密封袋内以备后续使用；
[2]机械预处理：称取一定绝干质量经上述处理的玉米芯原料，加水稀释配制成质量浓度为4.0％的原料悬浮液，置于研磨机中，在转速为1000rpm下对原料进行研磨10min，然后收集研磨后的玉米芯，抽滤脱水以达到浓缩的目的，并置于低温条件(2～10℃)下储存以便后续使用；
[3]酶水解：称取一定绝干质量经过上述处理的玉米芯作为酶水解底物放入反应釜中，加入hac–naac缓冲溶液使其质量浓度10.0％左右，搅拌使原料均匀分散。再向反应釜中加入一定体积的酶液，使整个水解体系中纤维素酶的用量为15fpu/g底物。再向反应釜内补加一定量的蒸馏水，控制整个酶水解体系中的酶水解底物浓度为5.0％(质量分数)，最后用保鲜膜封住瓶口，置于恒温条件下不断搅拌进行酶水解处理，得水解液，即完成强化玉米芯及玉米芯残渣高效酶水解；
其中，所述恒温条件下酶水解处理的条件为：水解温度为50℃，水解时间为59h，转速为200rpm；
其中，所述hac–naac缓冲溶液的ph为4.5～5.0，其配制方法为：称取一定量无水乙酸钠固体并加入冰乙酸使其固液比为4:3，加水不断搅拌使之溶解，控制整个体系的ph在4.5～5.0左右；
[4]水解得率检测：采用高效液相色谱仪检测水解液中葡萄糖浓度。
检测方法同实施例1。
检测结果：在上述酶水解条件下，水解液中葡萄糖的浓度为27.56g/l，底物的葡萄糖转化率为83.50％。
实施例3
一种强化玉米芯及玉米芯残渣高效酶水解的预处理方法，步骤如下：
[1]浆料准备：将玉米芯残渣原料经风干、粉碎，用40目筛进行筛选，并将得到的原料装入密封袋内以备后续使用；
[2]机械预处理：称取一定绝干质量经上述处理的玉米芯残渣原料，加水稀释配制成质量浓度为4.0％的原料悬浮液，置于研磨机中，在转速为2000rpm下对原料进行研磨30min，然后收集研磨后的玉米芯残渣，抽滤脱水以达到浓缩的目的，并置于低温条件(2～10)℃下储存以便后续使用；
[3]酶水解：称取一定绝干质量经过上述处理的玉米芯残渣作为酶水解底物放入反应釜中，加入hac–naac缓冲溶液使其质量浓度10.0％左右，搅拌使原料均匀分散。再向反应釜中加入一定体积的酶液，使整个水解体系中纤维素酶的用量为20fpu/g底物。再向反应釜内补加一定量的蒸馏水，控制整个酶水解体系中的酶水解底物浓度为5.0％(质量分数)，最后用保鲜膜封住瓶口，置于恒温条件下不断搅拌进行酶水解处理，得水解液，即完成强化玉米芯及玉米芯残渣高效酶水解；
其中，所述恒温条件下酶水解处理的条件为：水解温度为50℃，水解时间为60h，转速为200rpm；
其中，所述hac–naac缓冲溶液的ph为4.5～5.0，其配制方法为：称取一定量无水乙酸钠固体并加入冰乙酸使其固液比为4:3，加水不断搅拌使之溶解，控制整个体系的ph在4.5～5.0左右；
[4]水解得率检测：采用高效液相色谱仪检测水解液中葡萄糖浓度。
检测方法同实施例1。
检测结果：在上述酶水解条件下，水解液中葡萄糖的浓度为29.62g/l，底物的葡萄糖转化率为89.11％。
实施例4
一种强化玉米芯及玉米芯残渣高效酶水解的预处理方法，步骤如下：
[1]浆料准备：将玉米芯残渣原料经风干、粉碎，用40目筛进行筛选，并将得到的原料装入密封袋内以备后续使用；
[2]机械预处理：称取一定绝干质量经上述处理的玉米芯残渣原料，加水稀释配制成质量浓度为2.0％的原料悬浮液，置于研磨机中，在转速为1500rpm时，对原料进行研磨45min，然后收集研磨后的玉米芯残渣，抽滤脱水以达到浓缩的目的，并置于低温条件(2～10)℃下储存以便后续使用；
[3]酶水解：称取一定绝干质量经过上述处理的玉米芯残渣作为酶水解底物放入反应釜中，加入hac–naac缓冲溶液使其质量浓度10.0％左右，搅拌使原料均匀分散。再向反应釜中加入一定体积的酶液，使整个水解体系中纤维素酶的用量为20fpu/g底物。再向反应釜内补加一定量的蒸馏水，控制整个酶水解体系中的酶水解底物浓度为5.0％(质量分数)，最后用保鲜膜封住瓶口，置于恒温条件下不断搅拌进行酶水解处理，得水解液，即完成强化玉米芯及玉米芯残渣高效酶水解；
其中，所述恒温条件下酶水解处理的条件为：水解温度为50℃，水解时间为46h，转速为150rpm；
其中，所述hac–naac缓冲溶液的ph为4.5～5.0，其配制方法为：称取一定量无水乙酸钠固体并加入冰乙酸使其固液比为4:3，加水不断搅拌使之溶解，控制整个体系的ph在4.5～5.0左右；
[4]水解得率检测：采用高效液相色谱仪检测水解液中葡萄糖浓度。
检测方法同实施例1。
检测结果：在上述酶水解条件下，水解液中葡萄糖的浓度为29.91g/l，底物的葡萄糖转化率为90.10％。
实施例5
一种强化玉米芯及玉米芯残渣高效酶水解的预处理方法，步骤如下：
[1]浆料准备：将玉米芯残渣原料经风干、粉碎，用40目筛进行筛选，并将得到的原料装入密封袋内以备后续使用；
[2]机械预处理：称取一定绝干质量经上述处理的玉米芯残渣原料，加水稀释配制成质量浓度为4.0％的原料悬浮液，置于研磨机中，在转速为2000rpm时，对原料进行研磨45min，然后收集研磨后的玉米芯残渣，抽滤脱水以达到浓缩的目的，并置于低温条件(2～10)℃下储存以便后续使用；
[3]酶水解：称取一定绝干质量经过上述处理的玉米芯残渣作为酶水解底物放入反应釜中，加入hac–naac缓冲溶液使其质量浓度25.0％左右，搅拌使原料均匀分散。再向反应釜中加入一定体积的酶液，使整个水解体系中纤维素酶的用量为15fpu/g底物。再向反应釜内补加一定量的蒸馏水，控制整个酶水解体系中的酶水解底物浓度为12.5％(质量分数)，最后用保鲜膜封住瓶口，置于恒温条件下不断搅拌进行酶水解处理，得水解液，即完成强化玉米芯及玉米芯残渣高效酶水解；
其中，所述恒温条件下酶水解处理的条件为：水解温度为50℃，水解时间为50h，转速为200rpm；
其中，所述hac–naac缓冲溶液的ph为4.5～5.0，其配制方法为：称取一定量无水乙酸钠固体并加入冰乙酸使其固液比为4:3，加水不断搅拌使之溶解，控制整个体系的ph在4.5～5.0左右；
[4]水解得率检测：采用高效液相色谱仪检测水解液中葡萄糖浓度。
检测方法同实施例1。
检测结果：在上述酶水解条件下，水解液中葡萄糖的浓度为57.62g/l，底物的葡萄糖转化率为71.68％。