一种玉米芯的生物预处理方法与流程

本发明涉及一种玉米芯的生物预处理方法，属于生物。

背景技术：

1、玉米芯是玉米经脱穗处理后的常见农副产品，其成分主要是大量的纤维素、半纤维素、木质素、葡萄糖和淀粉，还含有少量的粗蛋白质、粗脂肪、矿物质等。由于玉米芯富含半纤维素、纤维素及木质素，成为了造纸及生物制糖工业中不可或缺的原材料。基于玉米芯主要成分为纤维素，且富含各种微量元素及营养物质的生物特性，使得玉米芯可作为饲料预混料，一方面其中的纤维素可促进动物肠道的蠕动，提高动物的消化能力；另一方面，玉米芯当中的蛋白质、粗脂肪、矿物质可以成为优质的动物生长促进因子。与此之外，以玉米芯为原料还可以制作胶水、水泥砖、火药、包装材料等。制作橡胶产品时加入适量玉米芯可增大橡胶的韧性及使用寿命。玉米芯在防垢缓蚀方面也具有广泛的应用，将其用于工业容器和管道中，可减缓管道的腐蚀速度。

2、截至目前，我国的玉米芯产量超过4590万吨/年，但绝大多数玉米芯作为农家燃料被焚烧，玉米芯中的营养物质完全被浪费，且对环境造成了不利的影响。以玉米芯为原料进行酶解糖化，不仅可以综合利用农产品资源，保护环境，同时也可以增加农民收入，同时玉米芯已成为工业生产木糖、低聚木糖、木糖醇和糠醛等产品的重要原料。目前，化学法、物理法、生物法是玉米芯常用的预处理方法。物理法通常为高温加热法，较高的反应温度及压力对设备的耐受能力是极大的考验，且能耗过大。化学法通常采用酸处理法，在酸处理工艺中使用的反应设备易被腐蚀，选择耐腐蚀性的反应设备无疑增大了生产成本，且在反应过程中容易产生甲酸、乙酸、糠醛、5-羟甲基糠醛等副产物。生物法通常采用微生物及其酶对玉米芯进行生物预处理，具有反应条件温和、副产物少，能耗低等优点，且微生物中富含玉米芯水解相关的酶，采用纤维素水解酶可将玉米芯中的纤维素水解为低聚葡萄糖及葡萄糖；采用半纤维素水解酶可将玉米芯中的半纤维素水解为木糖、低聚木糖、阿拉伯糖和甘露糖。近年来，微生物共培养或复合菌群的使用也越来越受到人们的关注，微生物共培养可以避免单一菌株引起的反馈调节，即代谢物抑制问题，可以最大限度的提高玉米芯的生物预处理效率。

3、cn117737312a公开了一种玉米芯水解制备木糖的生产工艺，该工艺包括清洗除杂、酸预处理、酸浸泡、高固液比水解、釜外清洗、固液分离等步骤，虽然提高了固液比并缩短了反应周期，但该工艺水解过程中需使用大量蒸汽，能耗高且步骤较为繁琐。

4、cn107384976a公开了一种采用玉米芯水解液为起始物料，以高耐受性酵母为载体的微生物发酵法生产木糖醇和阿拉伯糖的成套设备，该发明使用玉米芯酸水解液为原料，对菌体酸耐受力要求过高。

5、cn104473034a公开了一种玉米芯水解液的制备方法，该方法通过玉米芯研磨、加酶拌料等繁琐的步骤制备了玉米芯水解液，虽然该方法得到了水解较为彻底的玉米芯水解液，但该方法需要在浓缩后使用大量naoh回调水解液的ph，且需要加入大量的纤维素水解酶，成本过高。

6、cn102994655a公开了一种玉米芯水解得到木糖水解液的方法，该方法通过粗玉米芯研磨、细玉米芯酸浸、固体物料120-150℃进行气相水解反应等步骤获得了12-15％的木糖水解液。但该方法需要将固体物料120-150℃进行气相水解反应，能耗过高。

7、可见，虽然上述专利中公开了多种玉米芯的水解方式，但是处理过程复杂，运行成本过高，因此急需一种可以降低能耗、降低原料成本，简化繁琐步骤的同时且可以有效水解玉米芯中纤维素、半纤维素的生物预处理方式。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种玉米芯的生物预处理方法。该生物预处理方法采用的菌株为一色齿毛菌gc.u01及子囊菌as.01，两者在pda培养基上无拮抗作用且能够以玉米芯为唯一碳源生长。使用这两种菌株玉米芯固态共发酵7天后再水解，然后采用纤维素酶及半纤维素酶酶解的方式，可以高效的从有效成分为纤维素和半纤维素的玉米芯中，生产葡萄糖、木糖、阿拉伯糖及低聚糖。

2、本发明首先自玉米秸秆中分离到子囊菌(ascomycetes sp.)as.01，该菌株于2024年7月22日保藏于中国典型培养物保藏中心(保藏地址为：中国.武汉.武汉大学)，保藏编号为cctccno：m 20241660。一色齿毛菌gc.u01(保藏编号为cgmcc no.40863)及子囊菌as.01共培养过程中产生的酶具有协同水解玉米芯的作用，在较短时间内对玉米芯结构起到松散作用，以利于下一步水解。

3、本发明还提供了一色齿毛菌gc.u01和子囊菌as.01二者共培养，在玉米芯生物预处理中的应用，该应用为：从玉米芯中水解纤维素、半纤维素，生产葡萄糖、木糖、阿拉伯糖、低聚糖。

4、本发明还提供了一种玉米芯的生物预处理方法，其特征是，包括以下步骤：

5、1)种子液制备

6、将一色齿毛菌gc.u01和子囊菌as.01分别在pda平板上进行活化，然后分别转移至pda液体培养基中，26-30℃振荡培养6-8天，分别得到一色齿毛菌gc.u01及子囊菌as.01的种子液；

7、2)固态发酵

8、取一色齿毛菌gc.u01和子囊菌as.01种子液，接种至玉米芯固态培养基中进行共发酵，26-30℃静态发酵6-8天；

9、3)水解

10、向步骤2)的发酵产物中加入水，40-60℃下水解；

11、4)酶解

12、向步骤3)的水解产物中加入纤维素酶和半纤维素酶，40-60℃下进行酶解。

13、进一步的，上述固态发酵采用的种子液的制备方法还可以为：取一色齿毛菌gc.u01和子囊菌as.01平板菌丝块，分别接种至pda液体培养基中26-30℃振荡培养6-8天，制得种子液。

14、玉米芯固态培养基组成(重量比)：nacl 0.4％，nh4cl 0.5％，nah2po4 0.86％，kh2po40.09％，mgso4 0.00044％，mnso4 0.0003％，nano3 0.00034％，feso4 0.00005％，cacl20.0018％，ph 5.2±0.2。按照每15-20ml培养基加入15g玉米芯的比例进行配制。

15、本发明的技术效果是：

16、1、本发明所提供的子囊菌as.01及一色齿毛菌gc.u01能够以玉米芯为唯一碳源生长，两者在pda培养基上无拮抗作用，且在玉米芯固态发酵时有着较好的互生作用且较快的生长速度。

17、2、本发明提供一种玉米芯的生物预处理方式，通过子囊菌as.01及一色齿毛菌gc.u01的协同水解作用，可以快速有效的水解玉米芯中的木质素、纤维素、半纤维素，生产葡萄糖、木糖、阿拉伯糖、低聚糖。相比子囊菌as.01及一色齿毛菌gc.u01单菌固态发酵后水解，采用两菌固态发酵后协同水解的方式，其葡萄糖产率分别提高5.734倍及1.796倍，低聚糖产率分别提高1.138倍及2.296倍。相比单菌固态发酵后水解再酶解的方式相比，采用两菌固态发酵后协同水解再酶解的方式，葡萄糖产率分别提高2.964倍及3.946倍，阿拉伯糖产率分别提高1.354倍及1.720倍，低聚糖产率分别提高1.400倍及1.505倍。

18、3、与物理法及化学法相比，使用本发明的玉米芯生物预处理方式，可以显著提高玉米芯水解工艺中葡萄糖、木糖及低聚糖的产率，在降低能耗，减少罐体腐蚀的同时，极大的提高了玉米芯生物预处理效率，降低了生产成本。在玉米芯生物处理及玉米芯制糖工业等方面具有良好的应用前景。