本發(fā)明屬于生物質資源利用技術領域，具體涉及一種光催化-自由基氧化預處理劍麻渣制備還原糖水解物的方法。

背景技術：

近幾年能源緊缺與環(huán)境污染問題日益突出，生物質燃料以可再生、環(huán)境友好的優(yōu)點逐漸受到人們的重視。劍麻渣是重要的生物質燃料資源，在劍麻工業(yè)中，有用的劍麻纖維只占劍麻的4％，剩余96％左右為劍麻渣，這些劍麻渣通常作有機肥料、動物飼料或對其進行廢料處理，不僅造成了環(huán)境污染也造成了生物質資源浪費。因此，以劍麻渣為原料進行生物質資源的開發(fā)與利用，可降低環(huán)境污染，避免生物質資源浪費，實現(xiàn)資源的高質化利用。

劍麻渣的主要成分是木質纖維素，主要由纖維素、半纖維素與木質素三種成分組成。其中纖維素分子是由β-d-葡萄糖通過β-1,4-糖苷鍵結合而成的高聚物；半纖維素是由木糖、甘露糖、半乳糖和阿拉伯糖等幾種單糖構成的異質多聚體；木質素則是由苯基丙烷結構單元通過醚鍵和碳碳鍵聯(lián)結而成的芳香族高分子聚合物。纖維素與半纖維素經(jīng)水解后可以得到葡萄糖、木糖等還原糖，可用于發(fā)酵生產(chǎn)乙醇燃料和多種平臺化合物，然而木質素結構相對復雜，與纖維素、半纖維素緊密結合，在纖維素與半纖維素周圍形成保護層，使纖維素與半纖維素不易水解，阻礙了木質纖維素的開發(fā)利用。因此，在生物質資源化利用工藝中，通常需要對木質素進行預處理，破壞木質素與纖維素的緊密結構，除去部分木質素，增加纖維素的比表面積與反應位點，進而提高生物質資源制備還原糖水解物的效率。

當前對木質纖維素的預處理方法有物理法(機械粉碎、輻照等)，化學法(酸處理、堿處理、氧化處理、有機溶劑、離子液等)，物理化學法(蒸汽爆破、水熱處理、中氨法爆破等)，生物酶法等。傳統(tǒng)的預處理法木質素脫除率較低，一些預處理方法還會產(chǎn)生糠醛、羥甲基糠醛和酚類化合物等發(fā)酵抑制產(chǎn)物。專利文獻“超聲波堿處理雙酶降解蔗渣的方法”(公開號：cn105838753a)公開了一種超聲波與堿共同預處理蔗渣原料，再在纖維素酶與木聚糖酶的協(xié)同作用下酶解生產(chǎn)還原糖的方法，該法所需的堿液濃度較高，存在環(huán)境污染與化學回收成本高的問題。專利文獻“一種利用可再生離子液體水溶液預處理木質纖維素的方法”(公開號：cn103045700a)公開了一種以膽堿、氨基酸離子液體的水溶液為預處理溶劑處理木質纖維素的方法，該法具有環(huán)境友好、可再生、成本低、能耗低等優(yōu)點，但離子液體水溶液較常規(guī)分子型溶液粘度高，對溶解木質纖維素的條件要求更高，還存在著離子液的有效去除的問題。

利用堿液+過氧化氫預處理木質纖維素是一種較為有效的方法，其原理在于：利用堿對木質纖維素的皂化與溶脹作用，破壞半纖維素與木質素間的醚鍵，使半纖維素與木質素更易溶解，同時，過氧化氫分解產(chǎn)生的羥基自由基，氧化降解木質素，從而脫除木質素，增加纖維素與酶的結合位點。但是，單純利用堿性過氧化氫處理木質纖維素需要的過氧化氫與堿液濃度較高，造成原料成本高、堿液回收成本增加等問題。

技術實現(xiàn)要素：

針對以上現(xiàn)有技術存在的缺點和不足之處，本發(fā)明的目的在于提供一種光催化-自由基氧化預處理劍麻渣制備還原糖水解物的方法。

本發(fā)明目的通過以下技術方案實現(xiàn)：

一種光催化-自由基氧化預處理劍麻渣制備還原糖水解物的方法，包括如下制備步驟：

(1)將劍麻渣粉碎篩分、脫蠟或不脫蠟、干燥，作為原料備用；

(2)將步驟(1)所得劍麻渣原料與堿性溶液和過氧化氫溶液混合，紫外光照處理3～7h后，固液分離，固體物洗滌至中性、干燥，得到預處理后的劍麻渣；

(3)將步驟(2)所得預處理后的劍麻渣與緩沖溶液混合，加入纖維素酶進行酶解，得到酶解液；

(4)步驟(3)的酶解液經(jīng)滅酶處理，固液分離，所得上清液即為還原糖水解物。

本發(fā)明所使用的劍麻渣是劍麻廠的廢棄物，由劍麻經(jīng)過抽取纖維絲后剩余物組成，劍麻渣中纖維素52.8％，半纖維素19.8％，木質素13.5％，是一種高纖維素、低木質素的生物質原料，十分適合于用作生產(chǎn)生物能源用還原糖的原料，其化學組成優(yōu)于當前常用的甘蔗渣、秸稈等。

優(yōu)選地，步驟(1)中所述的篩分是指采用20～40目分樣篩篩分；所述脫蠟是指采用石油醚或正己烷70～80℃下脫蠟處理6～8h。

優(yōu)選地，步驟(2)中所述的堿性溶液是指氫氧化鈉、氫氧化鈣、氫氧化鉀、碳酸鈉或氨水溶液，堿性溶液的質量分數(shù)為0.01％～0.1％，堿性溶液的加入量為50～100ml/g劍麻渣原料。相較于現(xiàn)有技術中的方法，堿液用量降低50～70％。

優(yōu)選地，步驟(2)中所述過氧化氫溶液的質量分數(shù)為30％，過氧化氫溶液的加入量為0.1～0.5ml/g劍麻渣原料。相較于現(xiàn)有技術中的方法，過氧化氫溶液用量降低70～80％。

優(yōu)選地，步驟(2)中所述紫外光照處理的功率為500w，波長為365nm。

優(yōu)選地，步驟(3)中所述緩沖溶液為ph4.8～6的檸檬酸-檸檬酸鈉緩沖溶液，緩沖溶液的加入量為10～50ml/g預處理后的劍麻渣。

優(yōu)選地，步驟(3)中所述纖維素酶的添加量為0.03～0.12g/g預處理后的劍麻渣。

優(yōu)選地，步驟(3)中所述酶解的溫度為40～50℃，酶解時間為24～72h。

優(yōu)選地，步驟(3)中所述滅酶處理為沸水浴10～20min；所述固液分離采用離心分離法，離心轉速為4000～5000r/min，時間為10～20min。

本發(fā)明原理為：采用劍麻渣為原料，經(jīng)紫外光照與堿性過氧化氫共同預處理后，在纖維素酶的作用下酶解反應制備還原糖水解物。本發(fā)明設計原理是基于光催化與自由基氧化協(xié)同作用，具體是利用堿對木質纖維素的皂化作用與溶脹作用，使木質纖維素內部結構變得疏松，比表面積增大，增加酶的作用位點，同時利用紫外光催化過氧化氫，使其釋放出大量的自由基，氧化去除抑制木質纖維素水解的木質素，提高劍麻渣的酶解效率，有利于還原糖水解物的制備。

本發(fā)明的制備方法具有如下優(yōu)點及有益效果：

(1)本發(fā)明提出利用紫外光供給能量，激發(fā)過氧化氫分解產(chǎn)生羥基自由基的速率，在紫外光輻射下，羥基自由基的生成量極大提高，因此，能夠在較短時間內更大量且更加有效去除木質素，從而提高后續(xù)酶解還原糖的產(chǎn)率，同時顯著減少堿液用量和過氧化氫溶液用量，低濃度的堿性溶液有利于進一步的回收利用，過氧化氫溶液添加量的減少降低了預處理成本。

(2)本發(fā)明以農(nóng)業(yè)廢棄資源劍麻渣作為原料進行還原糖的生產(chǎn)，緩解了環(huán)境壓力，降低了生物質資源浪費，實現(xiàn)了資源化利用。

(3)本發(fā)明的預處理過程對環(huán)境無污染，符合綠色化學發(fā)展策略。

(4)本發(fā)明將紫外光催化與化學氧化法結合預處理劍麻渣，去除了大部分的木質素，提高了木質素的脫除率與還原糖產(chǎn)率。

附圖說明

圖1是本發(fā)明實施例1～6與比較例2～3中經(jīng)預處理后的的木質素脫除率比較圖。

圖2是本發(fā)明實施例1～6與比較例1～3中酶解后的還原糖含量比較圖。

具體實施方式

下面結合實施例及附圖對本發(fā)明作進一步詳細的描述，但本發(fā)明的實施方式不限于此。

實施例1

(1)將劍麻渣粉碎并進行篩分(20目)，石油醚75℃下脫蠟6h，干燥，得到劍麻渣原料。

(2)稱取1.0g劍麻渣原料，加入質量分數(shù)為0.02％的naoh溶液100ml與質量分數(shù)為30％的h2o2溶液0.2ml，紫外光照處理4h(功率為500w，波長為365nm)，過濾分離，將濾渣用蒸餾水沖洗至濾液呈中性，40℃下烘干，得到預處理后的劍麻渣。

(3)稱取上述預處理后的劍麻渣0.5g，加入0.04g纖維素酶，然后加入ph4.8的0.05mol/l檸檬酸-檸檬酸鈉緩沖溶液10ml，在50℃，轉速為150r/min條件下，酶解72h，得到酶解液。

(4)沸水浴滅酶10min，在轉速為4000r/min的條件下離心10min，所得上清液即為還原糖水解物。

本實施例經(jīng)預處理后的劍麻渣的木質素脫除率為70.3％；采用3,5-二硝基水楊酸法測定上清液中還原糖含量。酶解后還原糖含量為32.46mg/ml。

實施例2

(1)將劍麻渣粉碎并進行篩分(20目)，石油醚80℃下脫蠟6h，干燥，得到劍麻渣原料。

(2)稱取1.0g劍麻渣原料，加入質量分數(shù)為0.05％的naoh溶液100ml與質量分數(shù)為30％的h2o2溶液0.2ml，紫外光照處理5h(功率為500w，波長為365nm)，過濾分離，將濾渣用蒸餾水沖洗至濾液呈中性，40℃下烘干，得到預處理后的劍麻渣。

(3)稱取上述預處理后的劍麻渣0.5g，加入0.04g纖維素酶，然后加入ph4.8的0.05mol/l檸檬酸-檸檬酸鈉緩沖溶液10ml，在50℃，轉速為150r/min條件下，酶解72h，得到酶解液。

(4)沸水浴滅酶10min，在轉速為4000r/min的條件下離心10min，所得上清液即為還原糖水解物。

本實施例經(jīng)預處理后的劍麻渣的木質素脫除率為71.5％；采用3,5-二硝基水楊酸法測定上清液中還原糖含量。酶解后還原糖含量為33.12mg/ml。

實施例3

(1)將劍麻渣粉碎并進行篩分(20目)，石油醚75℃下脫蠟6h，干燥，得到劍麻渣原料。

(2)稱取1.0g劍麻渣原料，加入質量分數(shù)為0.02％的naoh溶液100ml與質量分數(shù)為30％的h2o2溶液0.3ml，紫外光照處理5h(功率為500w，波長為365nm)，過濾分離，將濾渣用蒸餾水沖洗至濾液呈中性，40℃下烘干，得到預處理后的劍麻渣。

(3)稱取上述預處理后的劍麻渣0.5g，加入0.04g纖維素酶，然后加入ph4.8的0.05mol/l檸檬酸-檸檬酸鈉緩沖溶液10ml，在50℃，轉速為150r/min條件下，酶解72h，得到酶解液。

(4)沸水浴滅酶10min，在轉速為4000r/min的條件下離心10min，所得上清液即為還原糖水解物。

本實施例經(jīng)預處理后的劍麻渣的木質素脫除率為75.3％；采用3,5-二硝基水楊酸法測定上清液中還原糖含量。酶解后還原糖含量為35.48mg/ml。

實施例4

(1)將劍麻渣粉碎并進行篩分(20目)，石油醚80℃下脫蠟6h，干燥，得到劍麻渣原料。

(2)稱取1.0g劍麻渣原料，加入質量分數(shù)為0.02％的naoh溶液100ml與質量分數(shù)為30％的h2o2溶液0.5ml，紫外光照處理4h(功率為500w，波長為365nm)，過濾分離，將濾渣用蒸餾水沖洗至濾液呈中性，40℃下烘干，得到預處理后的劍麻渣。

(3)稱取上述預處理后的劍麻渣0.5g，加入0.04g纖維素酶，然后加入ph4.8的0.05mol/l檸檬酸-檸檬酸鈉緩沖溶液10ml，在50℃，轉速為150r/min條件下，酶解72h，得到酶解液。

(4)沸水浴滅酶10min，在轉速為4000r/min的條件下離心10min，所得上清液即為還原糖水解物。

本實施例經(jīng)預處理后的劍麻渣的木質素脫除率為78.6％；采用3,5-二硝基水楊酸法測定上清液中還原糖含量。酶解后還原糖含量為37.78mg/ml。

實施例5

(1)將劍麻渣粉碎并進行篩分(20目)，石油醚75℃下脫蠟6h，干燥，得到劍麻渣原料。

(2)稱取1.0g劍麻渣原料，加入質量分數(shù)為0.05％的naoh溶液100ml與質量分數(shù)為30％的h2o2溶液0.5ml，紫外光照處理3h(功率為500w，波長為365nm)，過濾分離，將濾渣用蒸餾水沖洗至濾液呈中性，40℃下烘干，得到預處理后的劍麻渣。

(3)稱取上述預處理后的劍麻渣0.5g，加入0.04g纖維素酶，然后加入ph4.8的0.05mol/l檸檬酸-檸檬酸鈉緩沖溶液10ml，在50℃，轉速為150r/min條件下，酶解72h，得到酶解液。

(4)沸水浴滅酶10min，在轉速為4000r/min的條件下離心10min，所得上清液即為還原糖水解物。

本實施例經(jīng)預處理后的劍麻渣的木質素脫除率為72.4％；采用3,5-二硝基水楊酸法測定上清液中還原糖含量。酶解后還原糖含量為33.83mg/ml。

實施例6

(1)將劍麻渣粉碎并進行篩分(20目)，石油醚80℃下脫蠟6h，干燥，得到劍麻渣原料。

(2)稱取1.0g劍麻渣原料，加入質量分數(shù)為0.02％的naoh溶液100ml與質量分數(shù)為30％的h2o2溶液0.2ml，紫外光照處理6h(功率為500w，波長為365nm)，過濾分離，將濾渣用蒸餾水沖洗至濾液呈中性，40℃下烘干，得到預處理后的劍麻渣。

(3)稱取上述預處理后的劍麻渣0.5g，加入0.04g纖維素酶，然后加入ph4.8的0.05mol/l檸檬酸-檸檬酸鈉緩沖溶液10ml，在50℃，轉速為150r/min條件下，酶解72h，得到酶解液。

(4)沸水浴滅酶10min，在轉速為4000r/min的條件下離心10min，所得上清液即為還原糖水解物。

本實施例經(jīng)預處理后的劍麻渣的木質素脫除率為73.8％；采用3,5-二硝基水楊酸法測定上清液中還原糖含量。酶解后還原糖含量為34.41mg/ml。

比較例1(未經(jīng)任何預處理)

(1)將劍麻渣粉碎并進行篩分(20目)，石油醚75℃下脫蠟6h，干燥，得到劍麻渣原料。

(2)稱取劍麻渣原料0.5g，加入0.04g纖維素酶，然后加入ph4.8的0.05mol/l檸檬酸-檸檬酸鈉緩沖溶液10ml，在50℃，轉速為150r/min條件下，酶解72h，得到酶解液。

(3)沸水浴滅酶10min，在轉速為4000r/min的條件下離心10min，所得上清液即為還原糖水解物。

采用3,5-二硝基水楊酸法測定上清液中還原糖含量。酶解后還原糖含量為5.04mg/ml。

比較例2(不施加紫外)

(1)將劍麻渣粉碎并進行篩分(20目)，石油醚75℃下脫蠟6h，干燥，得到劍麻渣原料。

(2)稱取1.0g劍麻渣原料，加入質量分數(shù)為0.1％的naoh溶液100ml與質量分數(shù)為30％的h2o2溶液0.2ml，30℃下反應5h，過濾分離，將濾渣用蒸餾水沖洗至濾液呈中性，40℃下烘干，得到預處理后的劍麻渣。

(3)稱取上述預處理后的劍麻渣0.5g，加入0.04g纖維素酶，然后加入ph4.8的0.05mol/l檸檬酸-檸檬酸鈉緩沖溶液10ml，在50℃，轉速為150r/min條件下，酶解72h，得到酶解液。

(4)沸水浴滅酶10min，在轉速為4000r/min的條件下離心10min，所得上清液即為還原糖水解物。

本比較例經(jīng)預處理后的劍麻渣的木質素脫除率為50.1％；采用3,5-二硝基水楊酸法測定上清液中還原糖含量。酶解后還原糖含量為13.65mg/ml。

比較例3(文獻中條件：堿液濃度0.5％、過氧化氫添加量1.5ml/g、不施加紫外)

(1)將劍麻渣粉碎并進行篩分(20目)，石油醚75℃下脫蠟6h，干燥，得到劍麻渣原料。

(2)稱取1.0g劍麻渣原料，加入質量分數(shù)為0.5％的naoh溶液100ml與質量分數(shù)為30％的h2o2溶液1.5ml，30℃下反應4h，過濾分離，將濾渣用蒸餾水沖洗至濾液呈中性，40℃下烘干，得到預處理后的劍麻渣。

(3)稱取上述預處理后的劍麻渣0.5g，加入0.04g纖維素酶，然后加入ph4.8的0.05mol/l檸檬酸-檸檬酸鈉緩沖溶液10ml，在50℃，轉速為150r/min條件下，酶解72h，得到酶解液。

(4)沸水浴滅酶10min，在轉速為4000r/min的條件下離心10min，所得上清液即為還原糖水解物。

本比較例經(jīng)預處理后的劍麻渣的木質素脫除率為52.7％；采用3,5-二硝基水楊酸法測定上清液中還原糖含量。酶解后還原糖含量為15.62mg/ml。

以上實施例1～6與比較例2～3中經(jīng)預處理后的的木質素脫除率比較圖如圖1所示；實施例1～6與比較例1～3中酶解后的還原糖含量比較圖如圖2所示。由圖1和圖2的結果可以看出，本發(fā)明采用紫外光輻射下，可以在較少堿液用量和過氧化氫溶液用量的條件下，達到較高的木質素脫除率和酶解后還原糖含量。極大的提高了生產(chǎn)效率并降低了生產(chǎn)成本。

上述實施例為本發(fā)明較佳的實施方式，但本發(fā)明的實施方式并不受上述實施例的限制，其它的任何未背離本發(fā)明的精神實質與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應為等效的置換方式，都包含在本發(fā)明的保護范圍之內。