微波辅助处理酶解塔拉剩余物生产低聚可溶纤维素的方法.pdf

1、(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201510641257.X (22)申请日 2015.10.08 C12P 19/14(2006.01) C12P 19/04(2006.01) (71)申请人 东北林业大学 地址 150040 黑龙江省哈尔滨市香坊区和兴 路 26 号 申请人 祖元刚 (72)发明人 路祺 祖元刚 张莹 杨磊 杨逢建 赵修华 祖柏实 (54) 发明名称 微波辅助处理酶解塔拉剩余物生产低聚可溶 纤维素的方法 (57) 摘要 本发明提供了微波辅助处理酶解塔拉剩余物 生产低聚可溶纤维素的方法。 具体地， 本发明提供 一种塔拉废渣制备低聚可溶纤维素的方法， 它

2、包 括步骤 ： 对塔拉废渣进行洗涤脱碱、 微波处理和 酶解， 从而生产低聚可溶纤维素。 采用本发明技术 生产的低聚可溶纤维素， 具有处理时间短、 转化率 高、 环保等特点。 (51)Int.Cl. (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书1页 说明书4页 CN 105543307 A 2016.05.04 CN 105543307 A 1.一种微波辅助处理酶解塔拉剩余物生产低聚可溶纤维素的方法， 其特征在于， 包括： (a)脱碱： 用50温水洗涤塔拉废渣， 从而使得残留碱与塔拉废渣分离， 离心得到脱碱 中性的塔拉废渣； (b)微波处理： 对脱碱后的塔拉废渣进行微波

3、处理， 从而获得经过微波处理的塔拉废 渣； (c)酶解塔拉废渣： 对经过微波处理的塔拉废渣进行酶解， 从而生产低聚可溶纤维素。 2.如权利要求1所述的方法， 其特征在于， 步骤(a)中所述的脱碱是在50温水洗涤塔 拉废渣， 每次时间0.5-1h， 洗涤3次， 洗涤后塔拉废渣pH值6.5-7.5。 3.如权利要求1所述的方法， 其特征在于， 步骤(b)中所述的微波处理塔拉废渣， 改变塔 拉废渣中纤维晶区结构， 从而获得经过微波处理的塔拉废渣。 4.如权利要求1所述的方法， 其特征在于， 步骤(c)中用纤维素酶对塔拉废渣进行降解 制备低聚可溶纤维素。 5.如权利要求4所述的方法， 其特征在于， 纤

4、维素酶的浓度5-10wt， pH值为4-7， 温度 为50-60， 酶解时间36-72h。 6.如权利要求4所述的方法， 其特征在于， 步骤(c)加入的纤维素酶活性为20000U/g。 权利要求书 1/1 页 2 CN 105543307 A 2 微波辅助处理酶解塔拉剩余物生产低聚可溶纤维素的方法 所属技术领域： 0001 本发明涉及生物质纤维废渣资源化利用领域， 涉及一种对塔拉生产没食子酸剩余 物(塔拉废渣)酶解生产低聚可溶纤维素的新方法。 背景技术： 0002 塔拉(Caesalpiniaspiosa)又称刺云实、 蓝苏木， 属苏木科云实属， 主要分布于南 美洲西北部的秘鲁、 厄瓜多尔、

5、哥伦比亚等国家， 为灌木或小乔木， 一般35m， 在湿润、 肥沃 和光照充足的地方， 可长到810m； 有10个变种； 根系发达， 主根明显； 雌雄同花， 自花授粉； 果荚呈扁平状， 成熟时红棕色， 一般长815cm， 宽1.52.1cm， 内有种子210粒； 种子千粒 重306.8g； 实生树3a即可开花结果， 盛果期10a， 高产树每株可结荚100400kg。 塔拉正常生 长的自然地理条件是， 海拔4003000m， 年平均气温827， 适应性很强。 0003 我国于90年代初首次从南美洲引种并栽培成功， 目前已形成一定规模， 种植面积 已超过100hm2。 塔拉粉含水812， 总抽出物7

6、580， 不溶物35， 单宁4755， 非 单宁1927。 0004 塔拉果荚经粉碎后， 提取再经浓缩干燥即可得到单宁。 倍酸又名五倍子酸、 没食子 酸， 作为一种有机化工原料， 可用于药品、 食品添加剂、 染料、 涂料、 墨水等的制造。 我国以及 日本、 法国、 秘鲁等国都开展了用塔拉单宁制造倍酸的方法研究。 0005 1980年日本Dainippon制药股份有限公司在含有塔拉单宁的培养基上培养黄青 霉， 在3750条件下可制备没食子酸。 1984年法国Deschamps和Pourrat等用生物技术水 解塔拉单宁生产没食子酸的可行性研究， 并确认克雷伯氏菌属的Pneumonia、 棒状杆菌属

7、和 黑曲霉的菌株， 可使纯塔拉单宁或从塔拉荚果粉中萃取的原液在几个小时内分解， 其没食 子酸产率可达3050。 我国的邓厚璋等人成功地开发出黑曲霉水解塔拉生产倍酸的工 艺。 1988年秘鲁Reategui等报道了生产没食子酸的两种方法： 一种为酸水解， 即用14mol/ L的硫酸在100对塔拉萃取物水解1.54.0h， 可获纯度95.64、 产率11.40的没食子 酸， 我国也有一些厂家采用酸水解法生产没食子酸， 其产品约占塔拉粉的23； 另一种方法 为碱水解， 即用氢氧化钠水解单宁1h， 然后加盐酸中和， 可生产纯度为98.60、 产率为 19.27的没食子酸。 1995年我国的陈笳鸿报道了

8、塔拉粉直接用碱水解制备没食子酸的工 艺流程， 其最佳条件为： 料液比1:25， 回流反应1h， 产率可达33。 该工艺产率高， 过程简便， 投资少， 已成功地应用于工业生产。 1991年我国的肖乾勇在专利说明书中， 介绍了在100 110条件下， 经碱水解塔拉粉12h生产没食子酸的方法。 0006 各种水溶性纤维素均可用作颜料与填料的胶黏剂、 增稠剂或稳定剂等， 相关的行 业有油墨、 纺织印花等。 在陶瓷工业中， 羧甲基纤维素、 乙基纤维素、 羟乙基纤维素、 甲基纤 维素可用作胶黏剂、 彩色上釉配合剂等。 在制药与食品工业和农业中， 甲基纤维素、 羟乙基 纤维素、 羧甲基纤维素也是有用的胶黏剂

9、、 胶囊剂以及植物种子粘接保护剂。 在纺织业中， 乙二醛适当改性的羧甲基纤维素可用作无纺布的胶黏剂， 在淀粉上浆剂中添加少量可增大 其黏度， 改善洗脱性， 从而有利于环保。 在冶金工业中， 羧甲基纤维素作为铸模型芯胶黏剂， 说明书 1/4 页 3 CN 105543307 A 3 具有用量少、 干燥温度低、 热强度好、 分解温度低等优点。 因此水溶性纤维素具有广泛的应 用领域。 0007 工业生产过程中所产生的纤维素类废弃物是一种良好的纤维素生物质资源。 我国 森林资源匮乏， 随着人们环保意识的增强， 将工业生产所产生的纤维素类废弃物通过生物 法转化为水溶性纤维素， 不仅可以拓展制备水溶性纤维

10、素原料种类， 而且可在很大程度上 减轻工业废弃物对生态环境造成的污染， 具有重要的经济和生态意义。 0008 利用塔拉废渣原料生产水溶性纤维素的关键， 是纤维素水解过程。 纤维素是植物 细胞壁中最主要的成分， 是由800012000个 -D-吡喃葡萄糖单体以 -1,4-糖苷键连接而 成的线性长链大分子， 其葡萄糖亚基排列紧密。 同时， 存在分子间排列不整齐的无定形区 域。 纤维素通常被半纤维素和木质素包围， 形成更难分解的复合物。 因此， 通常纤维素不溶 于水， 难以水解。 0009 水解纤维素通常采用生物和化学法。 生物酶水解法具有反应条件温和、 副产物少 和环保等特点。 最近几十年， 酶法

11、生产水溶性纤维素作为一种环保的制备方式， 得到各国学 者的关注。 直接生物转化工业纤维素类废弃物制备水溶性纤维素， 因其工艺成本低、 设备简 单以及环保特点而具有良好的发展前景。 0010 纤维素酶解可以是单一酶解过程， 也可以是多种酶协同完成。 正是由于纤维素结 构的复杂性， 目前还没有任何一种酶能将纤维素彻底水解。 不论是真菌体内还是纤维素酶 复合体中， 纤维素降解都需要多种酶的协同作用。 0011 纤维素酶主要有 -葡萄糖苷酶、 外切葡聚糖酶和内切葡聚糖酶， 其酶解机制是协 同作用机制。 外切葡聚糖酶从纤维素分子链一端开始， 连续水解并释放可溶性纤维二糖； 内 切葡聚糖酶随机水解纤维素分

12、子链内部 -葡萄糖苷键， 形成新的链端； -葡萄糖苷酶将中 间产物纤维二糖和纤维寡糖水解成小分子糖， 从而解除它们对内切和外切葡聚糖酶的抑制 作用。 0012 由于天然纤维素原料结构复杂， 高度结晶纤维素和木质化阻碍了酶与纤维素的接 触， 使其难被生物降解。 因此， 对大多数天然纤维素原料来说， 没有经过适当预处理， 直接酶 解， 一般酶解率都非常低。 0013 因此， 利用工业纤维素类废弃物开发简便、 高效、 环保的水溶性纤维素具有重要的 经济效益和社会效益。 发明内容 0014 本发明提供一种简洁、 高效的微波辅助预处理酶解塔拉生产没食子酸剩余物(塔 拉废渣)生产低聚可溶纤维素的方法， 包

13、括步骤： 0015 (a)脱碱： 用50温水洗涤塔拉废渣， 从而使得残留碱与塔拉废渣分离， 离心得到 脱碱中性的塔拉废渣； 0016 (b)微波处理： 对脱碱后的塔拉废渣进行微波处理， 从而获得经过微波处理的塔拉 废渣； 0017 (c)酶解塔拉废渣： 对经过微波处理的塔拉废渣进行酶解， 从而生产低聚可溶纤维 素； 0018 在另一优选例中， 步骤(a)中所述的脱碱是在50温水洗涤塔拉废渣， 每次时间 说明书 2/4 页 4 CN 105543307 A 4 0.5-1h， 洗涤3次， 洗涤后塔拉废渣pH值6.5-7.5。 0019 在另一优选例中， 步骤(b)中所述的微波处理塔拉废渣， 改变

14、塔拉废渣中纤维晶区 结构， 从而获得经过微波处理的塔拉废渣。 0020 在另一优选例中， 步骤(c)中用纤维素酶对塔拉废渣进行降解制备低聚可溶纤维 素。 0021 在另一优选例中， 纤维素酶的浓度5-10wt， pH值为4-7， 温度为50-60， 酶解时 间36-72h。 0022 在另一优选例中， 步骤(c)加入的纤维素酶活性为20000U/g。 具体实施方式 0023 本发明人通过大量实验， 广泛深入的研究， 拓展原料， 改进工艺， 从而提供了适合 工业化利用的塔拉废渣酶解生产低聚可溶纤维素的方法。 本发明方法包括对塔拉废渣进行 脱碱和微波物理预处理， 再经过酶催化水解生成低聚可溶纤维素

15、。 经过预处理的塔拉废渣 采用纤维素酶水解36-72h， 即可将70-85的纤维素转化为低聚可溶纤维素。 与现有塔拉废 渣弃置相比， 本发明具有变废为宝， 不仅解决塔拉废渣处理的难题， 也为生产低聚可溶纤维 素提供新的可行方法， 其经济效益和社会效益不言而喻。 0024 具体而言， 本发明人针对塔拉废渣纤维素底物特点， 采用物理方法和酶催化技术 相结合， 提供一种物理方法预处理和酶催化水解生成低聚可溶纤维素的生产方法。 0025 本发明先通过用50温水洗涤塔拉废渣， 从而使得残留碱与塔拉废渣分离， 离心 得到脱碱中性的塔拉废渣为后期酶解提供适宜的pH值， 便于酶解； 再通过微波处理， 使得纤

16、维束之间的连接键部分打断， 降低和改变纤维素结晶区结构， 易于纤维素酶水解作用； 纤维 素酶催化水解作用， 将塔拉废渣纤维素降解成低聚可溶纤维素。 0026 脱碱步骤： 0027 在本发明中， 脱碱通常是用50-60温水洗涤塔拉废渣， 每次洗涤时间0.5-1h， 洗 涤3次， 从而使得残留碱与塔拉废渣分离， 离心得到脱碱中性的塔拉废渣。 也可在更高的温 度下进行脱碱， 从节省能源角度考虑50-60效果较好。 0028 脱碱时水的用量没有特别的限制， 可以浸没塔拉废渣即可。 水洗的次数也没有特 别的限制， 考虑到节约用水和成本， 采用3次洗涤。 0029 微波处理步骤 0030 经过脱碱处理的塔

17、拉废渣采用微波设备直接进行微波处理， 从而获得微波处理的 塔拉废渣。 0031 微波处理可以采用常规微波设备， 微波处理条件以塔拉废渣纤维原料结晶度改变 来衡量， 塔拉废渣含水率为50以上， 微波累计处理时间0.5-1h。 微波可以使得纤维束之间 的连接键部分打断， 降低和改变纤维素结晶区结构， 显著提高纤维原料对酶作用的敏感性。 0032 酶解步骤 0033 经本发明脱碱和微波处理步骤所获得的塔拉废渣纤维原料， 可用酶解法生产低聚 可溶纤维素。 0034 用于本发明的纤维素酶没有特别的限制， 本领域中常规使用的各种纤维素酶。 0035 纤维素酶(cellulase)也称纤维素酶系， 是由多种

18、组分组成的复杂酶系， 是水解纤 说明书 3/4 页 5 CN 105543307 A 5 维素及其衍生物的一组酶的总称。 0036 根据纤维素酶的底物、 作用位点和释放产物， 纤维素酶分为三类： 内切- -1,4-葡 聚糖酶、 外切- -1,4-葡聚糖酶(或称纤维二糖水解酶)和 -1,4-葡聚糖酶。 0037 酶的用量没有特别限制， 通常可以是5-10wt， pH值为4-7， 温度为50-60， 酶解 时间36-72h。 0038 本发明的主要优点在于： 0039 .本发明以工业纤维素类废弃物塔拉废渣作为原料， 变废为宝， 不仅解决塔拉废 渣处理的难题， 也为生产低聚可溶纤维素提供新的可行方法

19、， 具有较高的经济效益和社会 效益。 0040 .本发明方法操作简便， 处理时间短， 转化率高， 整体效率高， 成本较低。 0041 下面结合具体实施例， 进一步阐述本发明。 这些实施例仅用于说明本发明而不用 于限制本发明的范围。 0042 方法和原料 0043 纤维素酶： 标准酶活力单位(内切纤维素酶)： 20000u/g(购于北京盛世嘉明科技开 发有限公司) 0044 低聚可溶纤维素转化率1(所得固形剩余物绝干质量原料所含木质素质 量)/(原料绝干质量底物的纤维素含量)100 0045 实施例1 0046 1、 原料： 10kg塔拉废渣， 调节含水率80。 0047 2、 脱碱： 50温水

20、洗涤塔拉废渣， 洗涤3次， 每次时间0.5h， 洗涤后塔拉废渣pH值7。 0048 3、 微波处理： 密闭防止原料中水分过度蒸发， 微波处理条件为800W、 45min。 0049 4、 纤维素酶水解： 纤维素酶的浓度5wt， pH值为7， 温度为50， 酶解时间60h， 从 而获得酶解低聚可溶纤维素。 0050 经过上述工艺处理后， 塔拉废渣的低聚可溶纤维素转化率为75。 0051 实施例2 0052 1、 原料： 15kg塔拉废渣， 调节含水率85。 0053 2、 脱碱： 50温水洗涤塔拉废渣， 洗涤3次， 每次时间0.5h， 洗涤后塔拉废渣pH值7。 0054 3、 微波处理： 密闭防

21、止原料中水分过度蒸发， 微波处理条件为800W、 50min。 0055 4、 纤维素酶水解： 纤维素酶的浓度7wt， pH值为7， 温度为50， 酶解时间72h， 从 而获得酶解低聚可溶纤维素。 0056 经过上述工艺处理后， 塔拉废渣的低聚可溶纤维素转化率为80。 0057 实施例3 0058 1、 原料： 20kg塔拉废渣， 调节含水率85。 0059 2、 脱碱： 50温水洗涤塔拉废渣， 洗涤3次， 每次时间0.5h， 洗涤后塔拉废渣pH值7。 0060 3、 微波处理： 密闭防止原料中水分过度蒸发， 微波处理条件为800W、 60min。 0061 4、 纤维素酶水解： 纤维素酶的浓度10wt， pH值为7， 温度为50， 酶解时间72h， 从 而获得酶解低聚可溶纤维素。 0062 经过上述工艺处理后， 塔拉废渣的低聚可溶纤维素转化率为85。 说明书 4/4 页 6 CN 105543307 A 6