[发明专利]一种获取可转化底物的木质纤维素原料预处理方法

说明书

技术领域

本发明涉及微生物技术领域，具体地说，涉及一种由木质纤维素原料获取能够用于多种产物转化的可转化底物的生物预处理方法。

背景技术

随着化石资源日益枯竭，寻找新的替代能源及自非石油路线获取生物炼制及轻化工原料成为研究热点，以生物质能源为主导的生物炼制、生物化工以其清洁、环保倍受重视。目前主要以淀粉类生物质如陈化粮、玉米、小麦、薯类为生物炼制、生物化工、生物医药及食品发酵、生物饲料等的主要生产原料。长期以粮食为原料涉及与人争粮争地、成本居高不下等问题，且已经危及国家粮食安全，急需寻求廉价的原料来源。因此从廉价木质纤维素原料中获取生物炼制、生物质能源、生物化工、生物医药、食品加工、生物肥料及饲料转化产物所需的可转化底物成为研究重点。

可转化底物获取主要包括两个步骤：①农、林、食品加工、制药等工农业废弃生物质中的纤维素、半纤维素的释放及酶解获取可转化糖类；②农、林、食品加工、制药等工农业废弃生物质经生物降解、改性及转化后产生的可转化底物。其中木质素、半纤维素的选择性可控降解与可转化底物廉价产生与释放、酶作用效率提高及用量减少是降低成本的关键。

农、林、食品加工、制药等工农业废弃生物质中的主要成分是木质纤维素，其结构特征对复合纤维素酶作用有十分重要的影响。研究证明，生物质木质素含量、结构多孔性(可利用的表面积)及纤维素的结晶性、是影响纤维素酶对纤维素降解的三大因素。原料中木质纤维素结构破坏、多孔性的增加和纤维素结晶度的降低可以大大增加纤维素酶的酶解效率，从而提高可转化糖的获得率。因此担子菌对木质素的降解、改性及纤维素的解聚过程是获取可转化底物的关键。通常采用理化技术来获取可发酵糖等其他底物。如物理预处理、化学预处理、物理化学预处理等，其中碱和酸预处理是应用较多的预处理方法。酸处理的作用是水解木质纤维素中的半纤维素，增加基质的多孔性，但对于纤维素水解过程中的最大屏障“木质素”作用很小且对乙醇发酵具有抑制性；相对高浓度、高温条件下的碱处理能够去除原料中部分木质素，降低纤维素水解的屏障，但存在耗能，污染及能源底物流失等不足，难以满足规模化及节能减排的需求。因此寻求一种高选择性、处理廉价便利、环境友好的生物预处理技术是获取可转化底物的关键，利用担子菌选择性降解木质素、半纤维素的特性有可能改变这一现状。担子菌预处理技术反应条件温和，不产生污染，不仅是一种环境友好技术，而且可以降低下一步反应的能耗，更为重要的是，该技术具有选择性降解秸秆组分及减少乙醇发酵抑制因子的能力，从而使生物预处理过程中可发酵糖流失及抑制乙醇发酵的问题得到解决。

担子菌生物制浆技术在造纸工业中已得到广泛的应用。研究发现，木质纤维素基质经担子菌处理后，其物理特性和化学特性显著改变，结果导致机械制浆的能耗和化学制浆的试剂用量降低。但是利用担子菌预处理减少生物质对纤维素酶反应的抗性，促进生物炼制、生物质能源等可转化底物产生却少见报道。一些饲料研究表明，经过微生物发酵后的秸秆饲料在瘤胃中更容易被消化，说明微生物处理木质纤维素原料能够改变纤维素酶反应特性。因此，担子菌对木质素的降解与对纤维素的解聚作用有可能应用于木质纤维素原料预处理获取生物燃油及生物炼制所需的可转化底物中。

发明内容

本发明的目的在于提供一种获取供生物炼制、生物能源、生物医药、生物材料、食品加工、轻化工产品、生物饲料及肥料生产所需可转化底物的木质纤维素原料的预处理方法。

本发明方法采用具有选择性破坏木质纤维素结构的担子菌株或菌群在开放条件下对木质纤维素原料进行固体发酵连续生物预处理。经预处理后可直接或简单提取获得可转化底物，或者结合理化、生物质白腐菌降解体系复合酶法处理后获取可转化底物。该方法以生物降解、改性与转化生物质为主导，部分结合理化、酶法处理技术，具有可操作性强、应用范围广泛等优点。

具体的木质纤维素原料包括：农作物秸秆类、林木屑及竹碎屑、藤蔓类、果壳类、植物中草药及农副产品加工后残渣类及杂草类。其中农作物秸秆类，包括稻草、玉米秸秆、小麦秸秆、高粱秸秆、棉花秸秆、木薯秸秆、黄豆秸秆、葵花秸秆、芝麻秸秆、花生秸秆及油菜秸秆；林木屑及竹碎屑；藤蔓类，包括薯藤、葛藤、南瓜藤、冬瓜藤、黄瓜藤；果壳类，包括玉米苞衣、麸皮、花生壳、板栗壳及谷壳；植物中草药及农副产品加工后残渣，包括中药渣、风眼莲渣、甘蔗渣、红薯渣、土豆渣、木薯渣、莲藕渣、花生渣及果渣；杂草类。