[发明专利]用于改良纤维素的酶法水解的酶组合物和方法

说明书

技术领域

本发明涉及用于水解纤维素的酶，以及使用该酶的方法。更具体地，本发明涉及用于酶法水解纤维素以从预处理的木质纤维素原料产生含葡萄糖的水解产物的纤维素酶和β-葡萄糖苷酶。

背景技术

燃料乙醇目前是由诸如玉米淀粉、甘蔗以及甜菜的原料生产的。然而，由于大部分适合生产这些作物的农田已用作人食物的来源，由这些原料生产乙醇的可行性是有限的。再者，由于在转化过程中使用的化石燃料会产生二氧化碳和其他副产物，由这些原料生产乙醇对环境有负面影响。

由含纤维素的原料(如农业废料、草及林业废料)生产乙醇近年来已受到诸多关注。其中的原因是这些原料可大量获得且很廉价，并且将它们用于乙醇的生产提供了除燃烧或填埋木质纤维废料之外的又一途径。而且，纤维素转化的副产品——木质素——可用作燃料，替代化石燃料为该过程提供动力。多项研究已得出这样结论，即当考虑整个生产和消费的循环时，使用由纤维素生产的乙醇产生的温室气体近乎为零。

最有希望用于乙醇生产的木质纤维素原料包括(1)农业废料例如玉米秸、玉米芯、玉米纤维、小麦秆、大麦秆、燕麦秆、燕麦壳、稻秆、稻壳、菜籽秆和大豆秸；(2)草例如柳枝稷(switch grass)、芒属(miscanthus)、大米草(cord grass)、黑麦草(rye grass)和草芦(reed canary grass)；(3)林业废料例如回收的木浆纤维、软木、硬木和锯屑；以及(4)糖加工过程残渣例如甘蔗渣和甜菜废粕。

将木质纤维素原料转化成乙醇的第一个加工步骤涉及使纤维素材料断裂以从所述原料中释放糖单体如葡萄糖，用以在随后的发酵步骤中转化成乙醇。所述两个主要过程为酸水解，它们涉及使用单步骤的酸处理对所述原料的水解，以及酶法水解，后者涉及酸处理及随后的纤维素酶水解。

在所述酸水解过程中，在足以使纤维素水解为葡萄糖且使半纤维素成为木糖和阿拉伯糖的某一温度、酸浓度及时长下，将所述原料经过蒸汽和强酸如硫酸处理。在使用硫酸的情况下，由所述原料所在的酸化水性溶液重量中的酸重量来判定，所述酸可以是浓的(25-80％w/w)或稀的(3-8％w/w)。然后使用酵母将葡萄糖发酵成乙醇，并通过蒸馏回收并纯化所述乙醇。

在所述酶法水解过程中，选择比酸水解过程中更温和的蒸汽温度、酸浓度和处理时间，使得随着所述木质纤维素原料转化成泥质大大地增大所述纤维素的表面积，但很少有纤维素转化为葡萄糖。然后，在随后使用纤维素酶的步骤中将所述预处理的纤维素水解成葡萄糖，所述蒸汽/酸处理在这种情况下被称为预处理。在添加酶之前，将所述酸性原料的pH调节至适合于所述酶法水解反应的值。具体地，这涉及添加碱至约4至约6的pH，这是纤维素酶的最佳pH范围，但如果使用嗜碱性纤维素酶，所述pH可更高。

在一种类型的预处理中，由所述蒸汽产生的压力通过喷发减压快速地下降，这被称为蒸汽喷发(steam explosion)。Foody(美国专利4,461,648)描述了在蒸汽喷发预处理中使用的装置和条件。在pH0.4至2.0下添加硫酸的蒸汽喷发已经成为标准的预处理方法有20年了。它产生均一的预处理材料，并且与其他预处理工艺相比需要更少的纤维素酶来水解纤维素。

纤维素酶催化所述原料中的纤维素(β-1、4-D-葡聚糖键)的水解以产生诸如葡萄糖、纤维二糖及其他纤维寡糖产物。概括性术语纤维素酶表示包括外切纤维二糖水解酶(exo-cellobiohydrolase)(CBH)、内切葡聚糖酶(EG)和β-葡萄糖苷酶(βG)的多酶混合物，这些酶可以由许多的植物和微生物产生。纤维素酶可协同地起作用，以将纤维素水解成葡萄糖。CBHI和CBHII通常作用于纤维素微纤维中葡萄糖聚合物的末端，释放纤维二糖(Teeri andKoivula，Carbohydr.Europe，1995，12：28-33)，而所述内切葡聚糖酶作用于纤维素上的随机位置。总之，这些酶将纤维素水解成更小的纤维寡糖——主要是纤维二糖。纤维二糖被β-葡萄糖苷酶水解成葡萄糖。在现有技术中已经知道，大多数的外切纤维二糖水解酶(CBH)和内切葡聚糖酶(EG)通过糖结合模块(CBM)如纤维素结合域(CBD)与所述原料中的纤维素结合，而包括木霉β-葡萄糖苷酶和曲霉β-葡萄糖苷酶在内的大多数β-葡萄糖苷酶不具有这种结合模块，因此被留在溶液中。纤维素酶可包含将所述催化域与所述糖结合模块连接的连接区。所述连接区被认为有利于所述催化活性域的活性。