專利名稱：一種農作物秸稈生物酶解產單糖能力的評價方法
技術領域：
本發(fā)明涉及可再生能源中生物質能的評價方法，特別提供了一種農作物秸桿生物酶解產單糖能力的評價方法。
背景技術：
隨著人類社會的快速發(fā)展，人類對于能源的需求日益增加。目前，我們所使用的化石原料(煤炭、石油、天然氣)是地球系統(tǒng)中植物通過吸收空氣中的CO2后，其遺骸經過上億年的沉降積累而形成的。人類對石油、煤炭、天然氣等資源的開發(fā)利用，一方面使得該部分資源的總量驟減，能源危機日益嚴重；另一方面地球的整體碳循環(huán)系統(tǒng)發(fā)生巨大的改變，經過固定化的地下碳被排放于大氣之中，破壞了整個生態(tài)系統(tǒng)，并伴有一系列嚴重的環(huán)境后果O·
全球每年形成植物類生物質約8666億噸，具有巨大的轉化利用潛力，對這些生物質的能源化利用不但可增加能源的使用量，其利用后所釋放的CO2也不會增加整體生態(tài)循環(huán)中的碳質，因此生物質的利用是既經濟又對環(huán)境友好的新型能源發(fā)展方向。我國是生物質資源大國，僅農作物秸桿每年理論資源量約為8. 2億噸。其轉化利用也是目前的研究重點。在當前農作物秸桿轉化利用的研究中，對環(huán)境友好的生物酶轉化方法是發(fā)展生物質能源的熱點研究方向。秸桿中的木質纖維素結構由纖維素、半纖維素和木質素組成，纖維素由葡萄糖殘基通過β -I, 4糖苷鍵相連接而形成，半纖維素是由五碳糖和六碳糖通過多種化學鍵連接而成的雜多糖，木質素由苯環(huán)單元組成的高分子芳香族化合物。由于不同種類的秸桿中這三種成分的含量差別較大，而且纖維素的結晶程度也不盡相同，其通過生物酶轉化成單糖而實現(xiàn)進一步應用的利用潛力也各不相同，找到一種適合的評價方法具有一定的實踐指導意義。

發(fā)明內容
本發(fā)明特別提供一種農作物秸桿生物酶解產單糖能力的評價方法，該方法可以簡便快速地分析農作物秸桿通過生物酶解轉化成單糖的能力，在生物質的生物轉化工藝中起到評價與指導作用，并且成本低，具有重大的經濟價值和社會價值。本發(fā)明所述農作物秸桿生物酶解產單糖能力的評價方法，包括以下步驟
1)將農作物秸桿Mg粗粉碎后進行清洗，除去秸桿中所含有的灰分等纖維雜質，然后將清洗后的秸桿放入烘箱，在105°C 120°C的溫度下燥2. O 2. 5小時，取出、20min后稱量其重量為ml ;再次放入烘箱，在105°C 120°C的溫度下燥2. O 2. 5小時，取出、20min后稱量其重量為m2 ;所述ml與m2之差不大于O. 1% ；
2)將干燥后的農作物秸桿樣品經粉碎機粉碎，用80目分子篩進行篩選；
3)農作物秸桿經步驟2)進行篩選后，采用范式測定纖維素含量法，測出秸桿樣品中纖維素的含量為A，半纖維素的含量為B，木質素的含量為C ;所述范式測定纖維素含量法的具體步驟如下(O中性洗滌纖維測定準確稱取Ig樣品，用40目篩進行篩選，然后置于粗纖維測定儀的玻璃坩堝中，向消煮管中加入IOOml中性洗滌劑和數(shù)滴十氫萘及O. 5g無水亞硫酸鈉，并使消煮管中的中性洗滌劑保持微沸60min ;煮沸完畢后，抽濾，并用沸水沖洗玻璃坩堝與殘渣，至濾液呈中性為止；用20 ml丙酮沖洗二次，抽濾；將玻璃坩堝置于105°C烘箱中烘2h后,在干燥器中冷卻30 min稱重，直稱至恒重Wl ；
(2)酸性洗滌纖維測定準確稱取Ig樣品，用40目篩進行篩選，然后置于粗纖維測定儀玻璃坩堝中，向消煮管中加入100 ml酸性洗滌劑和數(shù)滴十氫萘，并使消煮管中酸性洗滌劑保持微沸60min ;煮沸完畢后，抽濾，并用沸水反復沖洗玻璃坩堝及殘渣，至濾液呈中性為止；用少量丙酮沖洗殘渣至抽下的丙酮液呈無色為止，并抽凈丙酮；將玻璃坩堝置于105°C烘箱中烘2h后，在干燥器中冷卻30 min稱重，直稱至恒重Gl ；
(3)酸性洗滌木質素和酸不溶灰分(AIA)測定將酸性洗滌纖維加入72%硫酸，在20°C消化3h后過濾，并沖洗至中性；消化過程中溶解部分是纖維素，不溶解的殘渣是酸性洗滌木質素和酸不溶灰分(AIA)，將殘渣烘干(將殘渣置于105°C烘箱中烘2h)，直稱至恒重W3 ；然后灼燒灰化(置于500°C馬弗爐中l(wèi)h)，直稱至恒重W4 ;然后即可得出酸性洗滌木質素和·酸不溶灰分的含量。(4)計算纖維含量
中性洗滌纖維(NDF)含量的計算NDF (%)= (Wl — W2)/ WX100 %式中W1—玻璃坩堝和NDF重(g)；
W2—玻璃坩堝重(g)；
W一試樣重(g)；
酸性洗滌纖維(ADF)含量的計算ADF (%) = (Gl 一 G2) /GX 100%
式中G1—玻璃坩堝和ADF重(g)；
G2—玻璃坩堝重(g)；
G一試樣重(g)；
半纖維素含量的計算B=NDF (%) - ADF (%)
纖維素含量的計算A =ADF (%) - W3 (%)
木質素(ADL)含量的計算C =W3 (%) - W4 (硅酸鹽％)
4)采用X射線衍射，測定秸桿樣品中纖維素結晶度含量F(即纖維素中結晶區(qū)占整體纖維素的百分比)，測試條件為Cu Ka福射、λ =0. 15406nm,祀流40mA,祀壓40kV,掃描速度2° ·π η-1，掃描范圍5-50°，樣品的相對結晶度D采用ASTM標準計算得出；所述 ASTM 標準計算的具體步驟參見ASTM international. Standard Test Method forDetermination of Relative Crystallinity of Zeolite ZSM-5 by X-ray Diffraction.2000, Standards on DISC, 2000, 05.
5)根據公式AX(100%-D) +B計算得出生物酶解糖轉化量R。本發(fā)明所述農作物秸桿生物酶解產單糖能力的評價方法，其中，中性洗滌劑(3%十二烷基硫酸鈉)配置方法準確稱取18. 6g乙二胺四乙酸二鈉(EDTA，C1QH1408Na22H20，分析純)和6. 8g硼酸鈉(Na2B4O7IOH2O,分析純)放入燒杯中，加入少量蒸餾水，加熱溶解后，再加入30g十二烷基硫酸鈉(C12H25NaO4S,分析純)和IOml乙二醇乙醚(C4HltlO2，分析純)；再稱取4.56 g無水磷酸氫二鈉(Na2HPO4，分析純)置于另一燒杯中，加入少量蒸餾水微微加熱溶解后，倒入前一個燒杯中，在容量瓶中稀釋至1000ml，其中pH值約為6. 9^7. 1(ρΗ值一般勿需
調整)；
IN硫酸量取約27. 87 ml濃硫酸(分析純，比重I. 84，98%)，徐徐加入已裝有500ml蒸懼水的燒杯中，冷卻后注入IOOOml各量瓶定各，標定；
酸性洗滌劑(2%十六烷三甲基溴化銨)配置方法稱取20g十六烷三甲基溴化銨(CTAB，分析純)溶于IOOOmllN硫酸,必要時過濾。本發(fā)明所述農作物秸桿生物質酶解產單糖能力的評價方法，其中，秸桿中纖維素分為結晶區(qū)和無定形區(qū)，結晶區(qū)為分子高度聚合區(qū)域，這種高聚合度阻礙了生物蛋白酶的接觸，因此結晶區(qū)為生物酶不可降解區(qū)域，其余無定形區(qū)可由纖維素通過β -I, 4糖苷鍵的降解成為葡萄糖，因此纖維素通過酶解后的葡萄糖產量為纖維素總含量去掉纖維素結晶度；半纖維素是由五碳糖與六碳糖相連接的雜多糖結構，由于其本身的低聚合性而可被生物酶完全降解成五碳糖與六碳糖混合單糖，且主要以木聚糖為多數(shù)；木質素是由苯丙烷單元通過醚鍵和碳碳鍵連接而成的聚酚類三維網狀高分子芳香族化合物，可被真菌分泌的漆·酶等酶系降解，但降解后不能轉化為葡萄糖、木糖等可發(fā)酵的單糖類物質。最后，農作物秸桿可生物酶解產單糖的計算公式纖維素含量X (100%-纖維素結晶度)+半纖維素含量=生物酶解糖轉化量。
具體實施例方式本實施了所述農作物秸桿生物酶解產單糖能力的評價方法，包括以下步驟
1)將玉米秸桿IOg粗粉碎后進行清洗，除去秸桿中所含有的灰分等纖維雜質，然后將清洗后的稻桿放入烘箱，在105°C的溫度下燥2. O小時,取出、20min后稱量其重量為ml ;再次放入烘箱，在105°C的溫度下燥2. O小時，取出、20min后稱量其重量為m2 ;所述ml與m2之差不大于O. 1% ；
2)將干燥后的農作物秸桿樣品經粉碎機粉碎，用80目分子篩進行篩選；
3)農作物秸桿經步驟2)進行篩選后，采用范式測定纖維素含量法，測出秸桿樣品中纖維素的含量為A，半纖維素的含量為B，木質素的含量為C ;所述范式測定纖維素含量法的具體步驟如下
(O中性洗滌纖維測定準確稱取Ig樣品，用40目篩進行篩選，然后置于粗纖維測定儀的玻璃坩堝中，向消煮管中加入IOOml中性洗滌劑和數(shù)滴十氫萘及O. 5g無水亞硫酸鈉，并使消煮管中的中性洗滌劑保持微沸60min ;煮沸完畢后，抽濾，并用沸水沖洗玻璃坩堝與殘渣，至濾液呈中性為止；用20 ml丙酮沖洗二次，抽濾；將玻璃坩堝置于105°C烘箱中烘2h后，在干燥器中冷卻30 min稱重，直稱至恒重Wl為20. 9724g ；
(2)酸性洗滌纖維測定準確稱取Ig樣品，用40目篩進行篩選，然后置于粗纖維測定儀玻璃坩堝中，向消煮管中加入100 ml酸性洗滌劑和數(shù)滴十氫萘，并使消煮管中酸性洗滌劑保持微沸60min ;煮沸完畢后，抽濾，并用沸水反復沖洗玻璃坩堝及殘渣，至濾液呈中性為止；用少量丙酮沖洗殘渣至抽下的丙酮液呈無色為止，并抽凈丙酮；將玻璃坩堝置于105°C烘箱中烘2h后，在干燥器中冷卻30 min稱重，直稱至恒重Gl為20. 7657g ；
(3)酸性洗滌木質素和酸不溶灰分(AIA)測定將酸性洗滌纖維加入72%硫酸，在20°C消化3h后過濾，并沖洗至中性；消化過程中溶解部分是纖維素，不溶解的殘渣是酸性洗滌木質素和酸不溶灰分(AIA)，將殘渣烘干(將殘渣置于105°C烘箱中烘2h)，直稱至恒重W3為O. 2904g ;然后灼燒灰化(置于500°C馬弗爐中l(wèi)h)，直稱至恒重W4為O. 1493g ;然后即可得出酸性洗滌木質素和酸不溶灰分的含量。(4)計算纖維含量
中性洗滌纖維(NDF)含量的計算 NDF (%)= (ffl - W2)/ WX 100%= (20. 9724-20)/I X 100%=97· 24% 式中W1—玻璃坩
堝和NDF重(g)；
W2—玻璃坩堝重(g)；
W一試樣重(g)；
酸性洗滌纖維(ADF)含量的計算
ADF (%) = (Gl - G2) /GX 100%= (20. 7657-20) /I X 100%=76. 57%
式中G1—玻璃坩堝和ADF重(g)；
G2—玻璃坩堝重(g)；
G一試樣重(g)；
其中 W2=G2=20g ；
半纖維素含量的計算
B=NDF (%) - ADF (%) =97. 24%-76. 57%=20. 67%
纖維素含量的計算
A =ADF (%) — W3/(G1-G2) (%) =76. 57%-(O. 2904/0. 7657)%=38. 64%
木質素(ADL)含量的計算
C = W3/(G1-G2) (%)- W4/(G1-G2) (%)= (O. 2904/0. 7657)%- (O. 1493/0. 7657)%=18.
43%
4)采用X射線衍射，測定秸桿樣品中纖維素結晶度含量F(即纖維素中結晶區(qū)占整體纖維素的百分比)，測試條件為Cu K α輻射、λ =0. 15406nm,靶流40mA，靶壓40kV，掃描速度2° ·π η-1，掃描范圍5-50°，樣品的相對結晶度D采用ASTM標準計算為16. 51% ;所述 ASTM 標準計算的具體步驟參見ASTM international. Standard Test Method forDetermination of Relative Crystallinity of Zeolite ZSM-5 by X-ray Diffraction.2000, Standards on DISC, 2000, 05.
5)根據公式AX(100%-D) +B計算得出生物酶解糖轉化量R。通過以上所述計算公式對可酶解糖化量R進行計算，結果如下
權利要求
1.一種農作物秸桿生物酶解產單糖能力的評價方法，其特征在于所述評價方法包括以下步驟 1)將農作物秸桿Mg粗粉碎后進行清洗，除去秸桿中所含有的灰分等纖維雜質，然后將清洗后的秸桿放入烘箱，在105°C 120°C的溫度下燥2. O 2. 5小時，取出、20min后稱量其重量為ml ;再次放入烘箱，在105°C 120°C的溫度下燥2. O 2. 5小時，取出、20min后稱量其重量為m2 ； 2)將干燥后的農作物秸桿樣品經粉碎機粉碎，用80目分子篩進行篩選； 3)農作物秸桿經步驟2)進行篩選后，采用范式測定纖維素含量法，測出秸桿樣品中纖維素的含量為A，半纖維素的含量為B，木質素的含量為C ； 4)采用X射線衍射，測定秸桿樣品中纖維素結晶度含量F，測試條件為CuKa輻射、λ=0. 15406nm，靶流40mA，靶壓40kV，掃描速度2° ·π η_1，掃描范圍5-50°，樣品的相對結晶度D采用ASTM標準計算得出； 5)根據公式AX(100%-D) +B計算得出生物酶解糖轉化量R。
2.按照權利要求I所述農作物秸桿生物酶解產單糖能力的評價方法，其特征在于所述ml與m2之差不大于O. 1%。
全文摘要
一種農作物秸稈生物酶解產單糖能力的評價方法，包括以下步驟1)將農作物秸稈Mg粗粉碎后進行清洗，除去秸稈中所含有的灰分等纖維雜質，然后將清洗后的秸稈放入烘箱；2)將干燥后的農作物秸稈樣品經粉碎機粉碎，用80目分子篩進行篩選；3)農作物秸稈經步驟2)進行篩選后，采用范式測定纖維素含量法；4)采用X射線衍射，樣品的相對結晶度D采用ASTM標準計算得出；5)根據公式計算生物酶解糖轉化量R；本發(fā)明特別提供一種農作物秸稈生物酶解產單糖能力的評價方法，該方法可以簡便快速地分析農作物秸稈通過生物酶解轉化成單糖的能力，在生物質的生物轉化工藝中起到評價與指導作用，并且成本低，具有重大的經濟價值和社會價值。
文檔編號G01N5/04GK102954922SQ20111025474
公開日2013年3月6日 申請日期2011年8月31日 優(yōu)先權日2011年8月31日
發(fā)明者寇巍, 倫曉中, 閆昌國, 曲靜霞, 趙勇, 張大雷 申請人:遼寧省能源研究所