一种从竹加工剩余物生产多种单糖的方法 【技术领域】，具体涉及一种从竹加工剩余物生产多种单糖的方 法。 [0002] 中国竹林面积已达480万公顷，年产竹子30亿支，在南方地区已形成了竹地板、竹 家具和竹木复合材料的竹材加工产业。竹加工产业每年产生的竹加工剩余物（竹屑）高达 4600万吨，这些废弃物除部分被利用外，大量废弃物被丢弃，不仅污染了环境，而且造成生 物质资源的浪费。 [0003] 木质纤维素中的纤维素和半纤维素可在酶催化下降解成单糖，单糖经微生物发酵 可生产乙醇、丁醇等生物能源以及乳酸、富马酸、丁二酸、丙酸等平台化合物。因此，木质纤 维素糖基平台的建立是木质纤维素生物炼制体系中的关键节点。由于天然植物纤维原料中 纤维素、半纤维素和木质素形成的致密结构，未经预处理的植物纤维原料在经纤维素酶水 解时原料中纤维素、半纤维素对酶的可及度低，酶水解得率低。因此，木质纤维素经酶水解 前必须经过预处理，以实现原料中纤维素、半纤维素和木质素的有效分离，提高纤维素和半 纤维素对酶的可及度，从而提高酶水解得率。 [0004] 竹子是一种高木质素含量的木质纤维素，常规的以降解、溶解半纤维素为目的实 现原料中纤维素、半纤维素和木质素有效分离的稀酸预处理、蒸汽爆破预处理方法对促进 毛竹纤维素糖化效果不大。以脱木质素为目的的碱性预处理方法在多数植物纤维原料的预 处理中已取得良好的效果，但这些预处理方法在脱木质素时仅断裂木质素分子中的a -芳 基醚键、a-烷基醚键、甲基芳醚键和Y-脂键等，而对芳基醚键的断裂作用较小。多 年生毛竹组织结构紧密且木质素含量高，木质素酚型单元中70 %以上为不能被碱性降解的 3 _芳基醚键，脱木质素效果较差，常规的碱性预处理方法预处理竹加工剩余物难以取得理 想的效果。 [0005] 硫酸盐法蒸煮植物纤维原料是造纸工业制浆过程的常用方法，制浆过程中硫酸 盐法蒸煮植物纤维原料具有良好的脱木质素效果，蒸煮液中的Na 2S产生亲核性强的S2_和 HS、能使植物纤维原料中木质素的大部分芳基醚键断裂和95%木质素溶出。但常规的 硫酸盐法蒸煮植物纤维原料生产纸浆过程中，碱用量一般在25%以上，植物纤维原料在此 条件下蒸煮，在脱除绝大部分木质素的同时，部分纤维素和半纤维素的剥皮反应和碱性水 解也加剧，纤维素和半纤维素在蒸煮过程中损失大，因此常规的用于纸浆生产的硫酸盐蒸 煮法不适宜作为木质纤维素生物炼制的预处理方法。
[0006] 与多数农业废弃物、木材不同，竹子类木质纤维素有以下特点，一是木质素含量 高，一般竹子中木质素含量在30%以上，而多数农业废弃物、木材中木质素含量在20%左 右；二是与秸杆半纤维素一样，竹子半纤维素主要是阿拉伯糖基木聚糖，但竹子半纤维素中 阿拉伯糖基含量远高于秸杆等农业废弃物半纤维素中阿拉伯糖基的含量，竹子半纤维素中 阿拉伯糖基含量占半纤维素糖基中的比例在10-30%之间，有的甚至高达40%以上。竹子 的高木质素含量和富含阿拉伯糖基的特性决定了竹子木质纤维素中大量存在木质素与半 纤维素碳水化合物的化学结合，即木质素碳水化合物复合体（LCC)的存在。LCC结构很难在 硫酸盐法蒸煮和磨浆过程中被破坏，成为制约竹子木质纤维素糖化的关键因子。



[0007] 发明目的：针对竹加工剩余物木质素含量高、存在大量LCC结构的特点以及高碱 用量硫酸盐法预处理竹加工剩余物存在纤维素、半纤维素损失大的问题，本发明提出一种 从竹加工剩余物高效生产多种单糖的方法。
[0008] 技术方案：为了实现上述发明目的，本发明采用的技术方案为：
[0009] -种从竹加工剩余物生产多种单糖的方法：竹加工剩余物经碱用量为2-10%的 硫酸盐法蒸煮预处理，预处理物料经磨浆、水洗和专用酶制剂糖化，高效生产葡萄糖、木糖 和阿拉伯糖；所述的专用酶制剂组成为：5_45FPU/g纤维素的纤维素酶，3-30U/g纤维素的 3 -葡萄糖苷酶，15_150U/g纤维素的木聚糖酶，0. 3-2. lU/g纤维素的阿拉伯糖苷酶。
[0010] 所述的硫酸盐法蒸煮预处理具体为：竹加工剩余物按固液比1:5与含NaOH和 Na 2S、硫化度为20%、有效碱用量为2-10%的蒸煮液混合，在8(rC下预浸20min后，以2°C/ min的速率升温至160°C，保温lh。
[0011] 所述的磨浆具体为：蒸煮物中加入水，调节固形物浓度为5%后，在3000转/分的 盘磨机中磨浆30分钟，固液分离。
[0012] 所述的专用酶制剂糖化具体为：固体渣与竹加工剩余物糖化专用酶制剂混合，力口 入水，pH缓冲液或酸、碱，混合至底物浓度5-10%，控制pH值在4. 80,于50°C条件下酶解反 应 48h。
[0013] 所述的专用酶制剂酶用量为30FPU/g纤维素的纤维素酶、21U/g纤维素的葡萄 糖苷酶、120U/g纤维素的木聚糖酶和1. 2U/g纤维素的阿拉伯糖苷酶。
[0014] 所述的从竹加工剩余物生产多种单糖的方法，包括以下步骤：
[0015] 1)竹加工剩余物按固液比1:5与含NaOH和Na2S、硫化度为20%、有效碱用量为 2-10%的蒸煮液混合，在80°C下预浸20min后，以2°C /min的速率升温至160°C，保温lh ; 获得蒸煮物；
[0016] 2)在蒸煮物中加入水，调节固形物浓度为5%后，在3000转/分的盘磨机中磨浆 30分钟，固液分离；获得固体渣；
[0017] 3)用水将固体渣用洗涤至中性；
[0018] 4)将洗涤后的固体渣与竹加工剩余物糖化专用酶制剂混合，加入7jC，pH缓冲液或 酸、碱，混合至底物浓度5-10%，控制pH值在4. 80,于50°C条件下酶解反应48h ;
[0019] 其中，专用酶制剂组成为：30FPU/g纤维素的纤维素酶，21U/g纤维素的葡萄糖 苷酶，120U/g纤维素的木聚糖酶和1. 2U/g纤维素的阿拉伯糖苷酶。
[0020] 5)酶水解反应结束后，水解物固液分离，清夜即为含葡萄糖、木糖和阿拉伯糖的糖 液。
[0021] 所述的从竹加工剩余物生产单糖的方法：所述的竹加工剩余物为竹屑，绝干竹屑 经碱用量为10%的硫酸盐蒸煮预处理、磨浆、洗涤后，采用用量为30FPU/g纤维素的纤维素 酶、21U/g纤维素的0 -葡萄糖苷酶、120U/g纤维素的木聚糖酶和1. 2U/g纤维素的阿拉伯 糖苷酶，在底物浓度5%、pH4. 8、50°C条件下协同水解48h，获得葡萄糖、木糖和阿拉伯糖。
[0022] 有益效果：与现有技术相比，本发明的竹加工剩余物经低碱用量硫酸盐法蒸煮预 处理，破坏木质素中的3 -芳基醚键并部分脱除木质素；经低碱用量硫酸盐蒸煮后的预处 理物料在盘磨机中进行纤维疏解、分丝帚化预处理，进一步实现纤维素、半纤维素和木质素 组分的有效分离，提高纤维素和半纤维素对酶的可及度；然后在糖化专用酶制剂的作用下 高效水解成葡萄糖、木糖和阿拉伯糖。经试验证实，l〇〇〇g绝干竹屑经碱用量为10%的硫 酸盐蒸煮预处理、磨浆、洗涤后，采用用量为30FPU/g纤维素的纤维素酶、21U/g纤维素的 3 _葡萄糖苷酶、120U/g纤维素的木聚糖酶和1. 2U/g纤维素的阿拉伯糖苷酶在底物浓度 5%、pH4. 8、50°C条件下协同水解48h，可获得317g葡萄糖、112g木糖和10g阿拉伯糖，具有 很好的实用性。




[0023] 图1是纤维素酶用量对预处理竹屑酶水解的影响结果图；
[0024] 图2是0-葡萄糖苷酶用量对预处理竹屑酶水解的影响结果图；
[0025] 图3是木聚糖酶用量对预处理竹屑酶水解的影响结果图；
[0026] 图4是阿拉伯糖苷酶用量对预处理竹屑酶水解的影响结果图；
[0027] 图5是纤维素酶、0_葡萄糖苷酶、木聚糖酶和阿拉伯糖苷酶协同水解预处理竹屑 反应历程结果图。


[0028] 下面结合具体实施例对本发明作进一步的说明。
[0029] 以下实施例中，葡萄糖浓度、木糖浓度、阿拉伯糖浓度和纤维二糖浓度均采用高效 液相色谱法（HPLC)测定。色谱条件如下：色谱仪:AgillentllOO高效液相色谱仪；色谱柱 ： Bio-Rad Aminex HPX-87H ;流动相：0? 005mol/L 硫酸，流速：0? 6mL/min ;柱温：55°C ;检测 器：示差折光检测器；进样量：10uL。外标法测定。
[0030] 实施例1
[0031] l〇〇g绝干竹屑装入1L不锈钢管式蒸煮器中，按固液比1:5加入含NaOH和Na2S、 硫化度为20%、碱用量为2-10% (指Na0H+Na2S含量，以Na20计）的蒸煮液。在80°C下预 浸20min后，以2°C /min的速率升温至160°C，保温lh。反应结束后立即将蒸煮器取出浸 于冷水中，在蒸煮物中加入蒸馏水调节固形物浓度为5%，在盘磨机中以3000转/分磨浆 30min，固液分离，用蒸馏水洗涤固体渣至中性。固体渣装入密封袋中，于4°C冰箱中平衡水 分2d，测定物料中纤维素、木聚糖和木质素含量，并计算纤维素回收率、木聚糖回收率和木 质素脱除率，所获得的结果见表1。
[0032] 表1低碱用量下竹屑蒸煮预处理碳水化合物回收率和木质素脱除率结果
[0033]