一种利用笋壳制备可发酵糖的方法及其应用

本发明属于生物质高值化利用，具体涉及一种利用笋壳制备可发酵糖的方法及其应用。

背景技术：

1、利用可再生生物质资源生产能源、材料和化学品，是实现“双碳”目标的重要途径之一。竹笋是我国的生物质资源，每年产生的笋壳约2000万吨。由于竹笋加工过程集中在各加工企业，与秸秆等生物质资源相比，笋壳资源集中，收集成本低，在原料成本上有明显的优势，因此，有望突破其高值化应用经济瓶颈，实现大规模应用。

2、秸秆、笋壳、芒草等的生物质主要由纤维素、半纤维素和木质素等组分组成。其中纤维素是由葡萄糖经β-1,4糖苷键连接成的高聚物，水解后生产葡萄糖可用于微生物发酵生产生物基能源、材料和化合物，半纤维素主要由木糖、阿拉伯糖聚合而成，水解得到木糖和阿拉伯糖也可用于微生物发酵，而木质素主要由芳香类化合物聚合而成，目前主要用于制备各种功能材料和航空燃料等。虽然生物质纤维素、半纤维素和木质素组分都有广泛的用途，但很难实现产业化应用，主要原因是天然生物质各组分相互缠绕，形成紧密的结构，难以分离和降解。要实现生物质的高值利用，往往需要对其进行预处理，打破其天然的紧密结构，利于后续的酶解发酵和分级利用。

3、生物质预处理方法有酸碱预处理、汽爆预处理、有机溶剂预处理、离子液体预处理、微波预处理、生物预处理等，受预处理效率、成本和工程放大等因素的限制，大部分预处理方法只能停留在实验室理论研究阶段，无法规模化应用。酸碱预处理和汽爆预处理是较实用的预处理方法，但酸碱预处理不仅消耗酸碱试剂，增加环保压力，部分纤维素和半纤维素在预处理过程中降解，产生糖以及一些有毒物质如糠醛等，需要水洗脱毒以及中和预处理过的生物质物料，该操作将消耗大量的水，产生大量污水，而且会损失预处理过程纤维素和半纤维素降解产生的糖。汽爆预处理过程纤维素、半纤维素和木质素也会部分降解，产生糖以及糠醛、有机酸和芳香类化合物，为提高后续的酶解发酵效率，也需要对汽爆处理后的生物质进行水洗，去除有毒物质，同时纤维素和半纤维素降解产生的糖液随之流失，无法有效利用。

4、因此开发一种高效低成本的利用笋壳制备可发酵糖的方法具有十分广阔的应用前景。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种利用笋壳制备可发酵糖的方法及其应用。

2、为达到此发明目的，本发明采用以下技术方案：

3、第一方面，本发明提供一种利用笋壳制备可发酵糖的方法，所述方法包括以下步骤：

4、(1)将笋壳原料浸泡于浓度为5g/l以下的碱溶液或酸溶液中处理；

5、(2)调节ph并加入酶制剂酶解，固液分离，收集上清液，得到可发酵糖；

6、所述可发酵糖包括葡萄糖、木糖和阿拉伯糖。

7、所述5g/l以下，可以选择5g/l、4.5g/l、4g/l、3.5g/l、3g/l、2.5g/l、2g/l、1.5g/l、1g/l、0.5g/l等，该数值范围内的其他具体点值均可选择，在此便不再一一赘述。

8、本发明涉及的利用笋壳制备可发酵糖的方法，根据笋壳组分和结构特征，创造性地使用超低浓度酸或碱进行预处理，不需要水洗，只需调节ph就可用于酶解，该过程使用非常少量的酸、碱试剂，不产生或只产生少量的抑制物，纤维素酶解率达到75-99％，不需要脱毒，没有糖损失，是一种高效低成本的可发酵糖制备方法，在发酵工业中具有广泛的应用前景。

9、优选地，步骤(1)所述笋壳原料为粉碎成尺寸不大于0.5-15mm(例如0.5mm、1mm、1.5mm、2mm、3mm、4mm、5mm、6mm、7mm、8mm、9mm、10mm、11mm、12mm、13mm、14mm、15mm等)的颗粒或细丝的笋壳，该数值范围内的其他具体点值均可选择，在此便不再一一赘述。

10、优选地，步骤(1)所述碱包括氢氧化钠和/或氢氧化钾。

11、优选地，所述酸包括盐酸和/或硫酸。

12、优选地，步骤(1)所述处理的温度为40-80℃(例如40℃、42℃、45℃、50℃、55℃、60℃、65℃、70℃、75℃、80℃等)，所述处理的时间为1-12h(例如1h、2h、4h、6h、8h、10h、12h等)，上述数值范围内的其他具体点值均可选择，在此便不再一一赘述。

13、优选地，步骤(1)所述笋壳原料和所述溶液的固液比为1:(7-20)g/ml，例如1:7g/ml、1:8g/ml、1:9g/ml、1:10g/ml、1:11g/ml、1:13g/ml、1:15g/ml、1:18g/ml、1:20g/ml等，该数值范围内的其他具体点值均可选择，在此便不再一一赘述。

14、优选地，步骤(2)所述酶制剂包括纤维素酶。

15、优选地，所述酶制剂还包括果胶酶和木聚糖酶。

16、优选地，所述酶制剂为纤维素酶、果胶酶和木聚糖酶的组合。

17、本技术创造性地发现仅使用纤维素酶就能达到很好的酶解率和糖得率，使用纤维素酶、果胶酶和木聚糖酶的组合相比于单独的纤维素酶，在相同条件下能进一步提升笋壳的酶解率和糖得率。在达到相同酶解率和糖得率时，使用纤维素酶、果胶酶和木聚糖酶组合相比于使用单独的纤维素酶需要的总酶量更少，在工业应用中能大大降低成本。

18、优选地，所述酶制剂的添加量以笋壳原料的重量计为5-20u/g，例如5u/g、6u/g、7u/g、8u/g、9u/g、10u/g、12u/g、14u/g、16u/g、18u/g、20u/g等，该数值范围内的其他具体点值均可选择，在此便不再一一赘述。

19、优选地，所述纤维素酶、果胶酶和木聚糖酶的酶活比为(5-30):(0.5-8):1，其中(5-30)可以选择5、6、7、8、9、10、11、12、13、15、17、20、25、30等，(0.5-8)可以选择0.5、0.6、0.8、1、1.2、2、3、4、5、6、7、8等，上述数值范围内的其他具体点值均可选择，在此便不再一一赘述。

20、本发明还创造性地发现，采用特定酶活比的纤维素酶、果胶酶和木聚糖酶能进一步提升笋壳的酶解率和糖得率。

21、优选地，步骤(2)所述酶解包括一步酶解法或分步酶解法。

22、优选地，所述一步酶解法包括如下步骤：

23、步骤(1)所述处理后，将ph调至4.8-5.5(例如4.8、4.9、5、5.1、5.2、5.3、5.4、5.5等)，加入纤维素酶，在50-55℃(例如50℃、51℃、52℃、53℃、54℃、55℃等)下酶解24-72h(24h、28h、32h、36h、40h、45h、48h、50h、55h、60h、65h、70h、72h等)，上述数值范围内的其他具体点值均可选择，在此便不再一一赘述。

24、优选地，所述分步酶解法包括如下步骤：

25、步骤(1)所述处理后，将ph调至3.5-5.5(例如3.5、3.6、3.7、3.8、3.9、4、4.1、4.2、4.5、4.8、5、5.2、5.5等)，加入果胶酶，在45-52℃(例如45℃、46℃、47℃、48℃、49℃、50℃、51℃、52℃等)下酶解1-4h(例如1h、1.5h、2h、3h、4h等)，后，将ph调至4.5-6.0(例如4.5、4.6、4.8、5、5.1、5.3、5.5、5.7、5.8、6等)，加入纤维素酶和木聚糖酶，在48-60℃(例如48℃、50℃、52℃、54℃、56℃、58℃、60℃等)下酶解24-72h(例如24h、26h、28h、30h、32h、34h、36h、38h、40h、45h、50h、55h、60h、65h、70h、72h等)，上述数值范围内的其他具体点值均可选择，在此便不再一一赘述。

26、本发明创造性地发现，当采用纤维素酶、果胶酶和木聚糖酶的组合作为酶制剂时，分步酶解法能进一步提升笋壳的酶解率和糖得率，分步酶解法中酶的添加顺序也是十分重要的。

27、优选地，所述固液分离包括过滤或离心，去除笋壳残渣。

28、第二方面，本发明提供一种根据第一方面所述的利用笋壳制备可发酵糖的方法制得的可发酵糖在发酵工业中的应用。

29、优选地，所述可发酵糖在发酵工业中的应用为将可发酵糖制备成发酵培养基。

30、与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

31、本发明所涉及的利用笋壳制备可发酵糖的方法，根据笋壳组分和结构特征，创造性地使用超低浓度酸或碱进行预处理，不需要水洗，只需调节ph就可用于酶解，该过程仅非常少量的酸、碱试剂，不产生或只产生少量的抑制物，纤维素酶解率达到75-99％，不需要脱毒，没有糖损失，是一种高效低成本的可发酵糖制备方法，在发酵工业中具有广泛的应用前景。