CN110714041A

CN110714041A - 一种利用废弃烟杆高效率直接产生葡萄糖的方法

Info

Publication number: CN110714041A
Application number: CN201911137074.9A
Authority: CN
Inventors: 胡彬彬; 巩江世琪; 张琦; 兰星; 杨鹏; 邹聪明; 陈颐; 赵高坤; 姜永雷; 蔺忠龙; 李军营; 晋艳
Original assignee: Yunnan Academy of Tobacco Agricultural Sciences
Current assignee: Yunnan Academy of Tobacco Agricultural Sciences
Priority date: 2019-11-19
Filing date: 2019-11-19
Publication date: 2020-01-21

Abstract

本发明公开一种利用废弃烟杆高效率直接产生葡萄糖的方法，包括将废弃烟杆洗净晒干后切段，然后粉碎成末并过筛得到烟杆粉末备用；将烟杆粉末加入浓度为0.3～5%的H₂SO₄溶液中混匀，反应后过滤分离并洗涤至pH=7±0.5后干燥得到滤渣Ⅰ；将滤渣Ⅰ加入浓度为0.5～10%的NaOH溶液中混匀，反应后过滤分离并洗涤至pH=7±0.5后干燥得到滤渣Ⅱ，将滤渣Ⅱ粉碎后过筛，得到预处理粉末；将预处理粉末加入柠檬酸缓冲液中并加入纤维素酶进行发酵，得到葡萄糖溶液。本发明通过物理化学方法联合处理废弃烟杆，使之直接转化成葡萄糖，能够有效提高纤维素酶降解废弃烟杆的转化率，为大规模工业化利用废弃烟杆奠定基础。

Description

一种利用废弃烟杆高效率直接产生葡萄糖的方法

技术领域

本发明属于烟草技术领域，具体涉及一种操作简便、转化率高、生产成本低的利用废弃烟杆高效率直接产生葡萄糖的方法。

背景技术

目前，人们对能源安全和气候变化的日益关注，使得生物质作为清洁和可再生能源的潜在来源变得更具吸引力。例如以木质纤维素（Lignocellulosic biomass）生物质为原料发酵生产生物燃料，可以减少温室气体的排放。因为木质纤维素生物质所含单糖组成部分成为可发酵糖，但需利用预处理方法将其组分中的刚性结构破坏并释放出可发酵糖。由于纤维素嵌入木质素和半纤维素相互结合的紧密复合结构中，并被一层半纤维素覆盖，使得原料预处理成为木质纤维素生物质生产醇类物质或糖类物质的主要工艺挑战。目前，不同的预处理方法已被研究开发，包括热水预处理法、蒸汽爆破法等。例如磷酸预浸玉米秸秆经不同温度（190℃~210℃）蒸汽爆破预处理后可生产纤维素乙醇，最佳处理温度为190℃，酶水解可获得的葡萄糖产量为0.331g/g原料。由于较高的预处理温度，导致工业化规模预处理木质纤维素仍然是昂贵的工艺，而没有合适的预处理方法使得木质纤维素原料很难规模化利用。为节约预处理开支，现有技术中大多使用糖蜜和可食用农作物作为发酵清洁能源的糖原，这加大了发酵清洁能源的原料成本。

烟草（Nicotiana tabacuml）为双子叶植物纲茄科一年生草本植物。烟草中有数百种化合物，包括木质纤维素、烟碱、糖类、蛋白质、多酚、有机酸和氨基酸等物质。我国是烟草生产大国，每年烟叶产量200多万吨，也相应产生大量废弃烟草。中国烟草种植面积及产量均居世界之首，在烟草的采收过程中，大量烟杆被焚烧或丢弃。在烟草的贮运和卷烟过程中也产生大量废弃物。并且由于对烟叶的利用方式比较单一，至今仍沿袭传统的生产模式，专用于制作卷烟，没有充分发挥其多种功效的生物学特性，这导致我国每年产生数十万吨的废弃烟草，这既是资源的浪费，也造成环境污染。由于废弃烟草逐年增加，因此对废弃烟叶的综合利用也提出了更高的要求，如何再利用这些废弃烟草，成为烟草行业迫切需要研究解决的课题。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种操作简便、转化率高、生产成本低的利用废弃烟杆高效率直接产生葡萄糖的方法。

本发明是这样实现的：包括前处理、硫酸处理、碱处理、酶解发酵步骤，具体步骤如下：

A、前处理：将废弃烟杆洗净晒干后切段，然后粉碎成末并过筛，得到烟杆粉末备用；

B、硫酸处理：将烟杆粉末加入浓度为0.3～5%的H₂SO₄溶液中混匀，反应后过滤分离，将分离的滤渣洗涤至pH=7±0.5后干燥得到滤渣Ⅰ；

C、碱处理：将滤渣Ⅰ加入浓度为0.5～10%的NaOH溶液中混匀，反应后过滤分离，将分离的滤渣洗涤至pH=7±0.5后干燥得到滤渣Ⅱ，滤渣Ⅱ粉碎后过筛，得到预处理粉末；

D、酶解发酵：将预处理粉末加入柠檬酸缓冲液中并加入纤维素酶进行发酵，得到葡萄糖溶液。

本发明的有益效果为：本发明利用废弃烟杆先进行物理粉碎，然后通过酸碱连续化学处理以破坏其中的木质纤维素形成化工原料，使用最小的预处理能耗、价格低廉的预处理化学品和尽可能少的用量，最后通过生物技术酶解直接将废弃烟杆转化成葡萄糖，不仅能够有效提高纤维素酶降解废弃烟杆的转化率，而且也为医药、生物农药等产品开发以及食用菌栽培、微生物发酵等清洁能源提供优质原料。本发明从预处理废弃烟杆进行研究，探索了废弃烟杆的综合利用技术，为揭示提高生产葡萄糖机制提供了参考，也为大规模工业化利用废弃烟杆奠定基础。

附图说明

图1为葡萄糖标准曲线图；

图2为先酸后碱和先碱后酸预处理烟杆粉后酶解产糖时间曲线图；

图3为单独H₂SO₄和单独NaOH预处理烟杆粉后酶解产糖量；

图4为最优条件预处理酶解产糖时间曲线图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步的说明，但不以任何方式对本发明加以限制，基于本发明教导所作的任何变更或改进，均属于本发明的保护范围。

本发明包括前处理、硫酸处理、碱处理、酶解发酵步骤，具体步骤如下：

所述A步骤中的废弃烟杆粉碎成末后过80～120目筛。

所述B步骤中烟杆粉末与H₂SO₄溶液的固液质量体积比为1：5～20。

所述B步骤中烟杆粉末与H₂SO₄溶液混匀后放入90～100℃的水浴锅中反应25～35min后取出。

所述B或C步骤中滤渣采用蒸馏水反复冲洗至pH=7±0.5，然后烘干至含水率小于5%。

所述B步骤中烘干后的滤渣Ⅰ粉碎成末并过80～120目筛。

所述C步骤中滤渣Ⅰ与NaOH溶液的固液质量体积比为1：5～20。

所述C步骤中滤渣Ⅰ与NaOH溶液混匀后放入85～95℃的水浴锅中反应2～3h后取出，反应过程中每0.5h搅拌一次。

据权利要求7所述利用废弃烟杆高效率直接产生葡萄糖的方法，其特征在于所述C步骤中滤渣Ⅱ粉碎后过80～120目筛，得到预处理粉末。

所述D步骤中预处理粉末与柠檬酸钠缓冲液的固液质量体积比为1：20～30，所述柠檬酸钠缓冲液的pH值为4.5～5.0。

所述D步骤中预处理粉末与柠檬酸钠缓冲液搅拌均匀后加入25～35 FPU/g的酸性纤维素酶，所述酸性纤维素酶的加入量为10～15μL/mL。

所述D步骤中酸性纤维素酶加入混匀后在50～60℃、转速180rpm的条件下摇床酶解至少24h。

实施例1

S100：将废弃烟杆洗净晒干后切成小段，然后用打粉机粉碎成末，过100目筛，得到烟杆粉末备用。

S200：将浓硫酸溶于水中得到1%的H₂SO₄溶液，取10g烟杆粉末加入100mL浓度为1%的H₂SO₄溶液中混匀，混匀后放入115℃的灭菌水浴锅内反应30min后用真空抽滤泵将滤渣滤出，最后采用蒸馏水反复冲洗滤渣至冲洗液pH=7±0.5，将滤渣置于55℃的烘箱内过夜烘干至恒重，得到滤渣Ⅰ，然后将滤渣Ⅰ用打粉机粉碎成末，过100目筛，得到滤渣Ⅰ粉末。

S300：将氢氧化钠溶于水中得到3%NaOH溶液，取5g滤渣Ⅰ粉末加入55mL浓度为3%的NaOH溶液中混匀，混匀后放入80℃的灭菌水浴锅内反应3h，反应过程中每0.5h搅拌一次，反应结束后用真空抽滤泵将滤渣滤出，最后采用蒸馏水反复冲洗滤渣至冲洗液pH=7±0.5，将滤渣置于55℃的烘箱内过夜烘干至恒重，得到滤渣Ⅱ，然后将滤渣Ⅱ用打粉机粉碎成末，过100目筛得到粉末1号。

S400：将氢氧化钠溶于水中得到3%NaOH溶液，取10g烟杆粉末加入100mL浓度为3%的NaOH溶液中混匀，混匀后放入80℃的灭菌水浴锅内反应3h，反应过程中每0.5h搅拌一次，反应结束后用真空抽滤泵将滤渣滤出，最后采用蒸馏水反复冲洗滤渣至冲洗液pH=7±0.5，将滤渣置于55℃的烘箱内过夜烘干至恒重，然后将滤渣用打粉机粉碎成末并过100目筛备用。

S500：将浓硫酸溶于水中得到1%的H₂SO₄溶液，取S400得到的滤渣粉末5g加入50mL浓度为1%的H₂SO₄溶液中混匀，混匀后放入115℃的灭菌水浴锅内反应30min后取出用真空抽滤泵将滤渣滤出，最后采用蒸馏水反复冲洗滤渣至冲洗液pH=7±0.5，将滤渣置于55℃的烘箱内过夜烘干至恒重，然后将滤渣用打粉机粉碎成末并过100目筛，得到粉末2号。

S600：取烟杆粉末1、2号各0.2g，分别加入pH=4.8的柠檬酸缓冲液各5ml中，搅拌均匀后分别加入30FPU/g的酸性纤维素酶64μL，混匀后放入55℃的摇床，在180rpm转速下震荡酶解2h、4h、8h、12h、24h、36h、48h、72h，然后分别取出200μl酶解液，迅速放入沸水浴中终止酶解。用DNS方测量酶解液中葡萄糖含量，测量酶解液OD₅₄₀的吸光度，将吸光度带入到葡萄糖标准曲线中（图1），测得酶解液中葡萄糖的含量如图2。

实施例2

S200：将浓硫酸溶于水中得到0.5%的H₂SO₄溶液，取10g烟杆粉末加入100mL浓度为0.5%的H₂SO₄溶液中混匀，混匀后放入95℃的灭菌水浴锅内反应30min后用真空抽滤泵将滤渣滤出，最后采用蒸馏水反复冲洗滤渣至冲洗液pH=7±0.5，将滤渣置于55℃的烘箱内过夜烘干至恒重，得到滤渣Ⅰ，然后将滤渣Ⅰ用打粉机粉碎成末，过100目筛，得到粉末3号。

S300：将氢氧化钠溶于水中得到1%NaOH溶液，取6g烟杆粉末加入100mL浓度为1%的NaOH溶液中混匀，混匀后放入90℃的灭菌水浴锅内反应2.5h，反应过程中每0.5h搅拌一次，反应结束后用真空抽滤泵将滤渣滤出，最后采用蒸馏水反复冲洗滤渣至冲洗液pH=7±0.5，将滤渣置于55℃的烘箱内过夜烘干至恒重，得到滤渣Ⅱ，然后将滤渣Ⅱ用打粉机粉碎成末，过100目筛，得到粉末4号。

S400：取烟杆粉末3、4号各0.2g，分别加入pH=4.8的柠檬酸缓冲液各5ml中，搅拌均匀后分别加入30FPU/g的酸性纤维素酶64μL，混匀后放入55℃的摇床，在180rpm转速下震荡酶解72h后取出200μl酶解液，迅速放入沸水浴中终止酶解。用DNS方测量酶解液中葡萄糖含量，测量酶解液OD₅₄₀的吸光度，将吸光度带入到葡萄糖标准曲线中（图1），测得酶解液中葡萄糖的含量如图3。

实施例3

S200：将浓硫酸溶于水中得到0.5%的H₂SO₄溶液，取10g烟杆粉末加入100mL浓度为0.5%的H₂SO₄溶液中混匀，混匀后放入95℃的灭菌水浴锅内反应30min后用真空抽滤泵将滤渣滤出，最后采用蒸馏水反复冲洗滤渣至冲洗液pH=7±0.5，将滤渣置于55℃的烘箱内过夜烘干至恒重，得到滤渣Ⅰ，然后将滤渣Ⅰ用打粉机粉碎成末，过100目筛，得到滤渣Ⅰ粉末。

S300：将氢氧化钠溶于水中得到1%NaOH溶液，取6g烟杆粉末加入100mL浓度为1%的NaOH溶液中混匀，混匀后放入90℃的灭菌水浴锅内反应2.5h，反应过程中每0.5h搅拌一次，反应结束后用真空抽滤泵将滤渣滤出，最后采用蒸馏水反复冲洗滤渣至冲洗液pH=7±0.5，将滤渣置于55℃的烘箱内过夜烘干至恒重，得到滤渣Ⅱ，然后将滤渣Ⅱ用打粉机粉碎成末，过100目筛，得到粉末5号。

S400：取烟杆粉末5号0.2g加入5ml且pH=4.8的柠檬酸缓冲液中，搅拌均匀后分别加入30FPU/g的酸性纤维素酶64μL，混匀后放入55℃的摇床，在180rpm转速下震荡酶解72h后取出200μl酶解液，迅速放入沸水浴中终止酶解。用DNS方测量酶解液中葡萄糖含量，测量酶解液OD₅₄₀的吸光度，将吸光度带入到葡萄糖标准曲线中（图1），测得酶解液中葡萄糖的含量如图4。

Claims

1.一种利用废弃烟杆高效率直接产生葡萄糖的方法，其特征在于包括前处理、硫酸处理、碱处理、酶解发酵步骤，具体步骤如下：

2.根据权利要求1所述利用废弃烟杆高效率直接产生葡萄糖的方法，其特征在于所述A步骤中的废弃烟杆粉碎成末后过80～120目筛。

3.根据权利要求1所述利用废弃烟杆高效率直接产生葡萄糖的方法，其特征在于所述B步骤中烟杆粉末与H₂SO₄溶液的固液质量体积比为1：5～20。

4.根据权利要求3所述利用废弃烟杆高效率直接产生葡萄糖的方法，其特征在于所述B步骤中烟杆粉末与H₂SO₄溶液混匀后放入90～100℃的水浴锅中反应25～35min后取出。

5.根据权利要求1所述利用废弃烟杆高效率直接产生葡萄糖的方法，其特征在于所述B或C步骤中滤渣采用蒸馏水反复冲洗至pH=7±0.5，然后烘干至含水率小于5%。

6.根据权利要求1至5任意一项所述利用废弃烟杆高效率直接产生葡萄糖的方法，其特征在于所述C步骤中滤渣Ⅰ与NaOH溶液的固液质量体积比为1：5～20。

7.根据权利要求6所述利用废弃烟杆高效率直接产生葡萄糖的方法，其特征在于所述C步骤中滤渣Ⅰ与NaOH溶液混匀后放入85～95℃的水浴锅中反应2～3h后取出，反应过程中每0.5h搅拌一次。

8.根据权利要求6所述利用废弃烟杆高效率直接产生葡萄糖的方法，其特征在于所述D步骤中预处理粉末与柠檬酸钠缓冲液的固液质量体积比为1：20～30，所述柠檬酸钠缓冲液的pH值为4.5～5.0。

9.根据权利要求8所述利用废弃烟杆高效率直接产生葡萄糖的方法，其特征在于所述D步骤中预处理粉末与柠檬酸钠缓冲液搅拌均匀后加入25～35 FPU/g的酸性纤维素酶，所述酸性纤维素酶的加入量为10～15μL/mL。

10.根据权利要求9所述利用废弃烟杆高效率直接产生葡萄糖的方法，其特征在于所述D步骤中酸性纤维素酶加入混匀后在50～60℃、转速180rpm的条件下摇床酶解至少24h。