纤维素微纤丝制造技术

描述了使用酶组合物从草本植物材料生产纤维素微纤丝的方法，从所述方法获得的纤维素微纤丝和其用途及包含所述纤维素微纤丝的组合物。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】专利
本专利技术涉及用于从草本植物材料生产纤维素微纤丝的方法，从所述方法获得的纤维素微纤丝和其用途及包含所述纤维素微纤丝的组合物。专利技术背景本专利技术涉及来自植物材料的纤维素微纤丝的生产。在过去的20年，对在低于完整的细胞壁规模提取和利用纤维素存在增加的兴趣。植物细胞壁内的天然纤维素以微纤丝的形式存在，其通常具有在2-20纳米范围的横向尺寸和从几十纳米到若干微米的纵向尺寸，例如100-4000nm的长度。纤维素微纤丝完全由β-1,4-连接的葡聚糖链构成，其形成结晶的区域及被称为无定型区域的较无序的延伸段。纤维素微晶非常强但也非常短；对于许多用途例如在高性能复合物中是太短的。为了充分利用纤维素的高强度，用尽可能大的纵横比和用不受损的无定型区域释放微纤丝变得重要。由于β-1,4-连接的葡聚糖残基在紧密粘附到纤维素且应被移除的半纤维素聚合物和应被保持完整的无定型区域二者中，是酶或微生物可接近的，这不是无价值的。已知许多用于从多种来源的天然纤维素释放微纤丝和用于从多种来源的天然纤维素生产微纤化纤维素的技术。通常，木浆被用作微纤化纤维素的来源。然而，通常从木浆获得微纤化纤维素的方法可包括苛刻的化学处理方案和/或高能机械处理，并且可具有可量测性(scalability)问题。纤维素微纤丝可以发现于自然界中除了严重木质化的“木质”组织之外的多种来源。例如，US5964983公开了用于从含有纤维素、果胶、半纤维素、蛋白质和矿物质材料的初级壁植物浆料(pulp)制备微纤化纤维素的方法，该方法包括多步化学处理，涉及在60℃至100℃对浆料的酸或碱水解，高机械剪切处理，随后高压匀浆。此外，如果需要脱色的产品，包括另外的漂白步骤。从草本材料释放纤维素微纤丝的现有技术，以WO2006056737中描述的技术为代表。方法包括通过微生物的联合对初级植物细胞壁的更易于消化的部分进行控制发酵。该技术还具有一些主要缺陷：其是慢的；由于微生物群体的动态性质，再现性低；呈漂白剂形式的显著量的碱被用于使材料灭菌并移除已通过发酵使得更可溶但不被消化的基质多糖；并且过量的能量被用于机械缩小和材料的最终微纤化。存在对提供用于从植物材料生产纤维素微纤丝的方法的需要，其是：已知方法的替代物；环境友好的；包括较少的方法步骤因此更易于执行；其中单独的漂白步骤不是强制的；能量密集度较低(lessenergyintensive)；其中无定型区域被更少地破坏，且，当需要时，纤维素微纤丝表面更有效地剥离强附着的生物聚合物。现有技术中，在US2012/0316330中更清楚地提出，植物生物质的酶介导的消化产生例如可转化成生物燃料的可发酵糖的上清液和在多种材料、薄膜、复合材料等中有用的固体纤维素残留物二者。然而，如在US2012/0316330中公开的，化学处理的浆料的内切葡聚糖酶处理还导致纤维素微纤丝的无定型区域的消化，如由随着纤维素微纤丝的释放聚合程度的快速下降表明的。具有部分降解的无定型区域的纤维素微纤丝比未被破坏的纤丝弱。具有完全降解的无定型区域的微纤丝完全地由结晶的区域构成，虽然这些非常强，它们也是更短的，因此在高性能材料中具有更少的应用。纤维素微纤丝无定型区域被纤维素酶所属的家族的多糖水解酶消化，非穷举的列表包括CAZy家族：GH5、GH6、GH7、GH8、GH9、GH12、GH44、GH48。惊人的是，将释放纤维素微纤丝同时保持其完整，特别是无定型区域完整的方法，还必须包括来自这些家族的一个或更多个酶。专利技术概述根据本专利技术的第一方面，提供了用于从草本植物材料制备纤维素微纤丝的方法，方法包括：使草本植物的生物质与包含至少一种内切葡聚糖酶；和一种或更多种来自内切聚半乳糖醛酸酶、阿拉伯呋喃糖苷酶、果胶裂解酶、果胶酸裂解酶(pectatelyase)、果胶甲基酯酶、内切阿拉伯聚糖酶、内切半乳聚糖酶、半乳糖苷酶、鼠李糖半乳糖醛酸聚糖水解酶、鼠李糖半乳糖醛酸聚糖裂解酶或木聚糖酶的多糖水解酶的酶组合物接触以形成酶处理的生物质；和机械加工酶处理的生物质以产生纤维素微纤丝。根据本专利技术的第二方面，提供了用于从草本植物材料制备纤维素微纤丝的方法，方法包括：使草本植物材料与包含以下的酶组合物接触：i)至少一种内切葡聚糖酶、ii)至少一种溶果胶酶和iii)至少一种选自由以下组成的组的酶：内切阿拉伯聚糖酶(endo-arabinanase)、阿拉伯呋喃糖苷酶、内切半乳聚糖酶、半乳糖苷酶、鼠李糖半乳糖醛酸聚糖水解酶、鼠李糖半乳糖醛酸聚糖裂解酶、鼠李糖半乳糖醛酸聚糖乙酰酯酶和木聚糖酶。第一和第二方面的方法提供了纤维素微纤化的材料，其中保留了无定型纤维素的区域和相关的机械性质，使得材料适合用于在高性能复合材料中使用。纤维素微纤化的材料还以保留一种或更多种基质多糖为特征。因此，根据本专利技术的第三方面，提供了包含纤维素微纤丝和一种或更多种选自以下的基质多糖的微纤化的纤维素材料：同聚半乳糖醛酸、(1→4)-β-D-(半乳)甘露聚糖、(1→4)-β-D-(半乳)(葡萄糖)甘露聚糖、(1→4)-β-D-(葡萄糖)甘露聚糖、(1-4)-β-D-半乳聚糖、木葡聚糖、(1-4)-β-D-木聚糖和(1-4)-β-D-阿拉伯糖基木聚糖。另外的方面涉及微纤化的纤维素材料作为增强剂的用途，例如在树脂复合材料中、混凝土中、或在水泥组合物(cementitiouscomposition)中。还另一方面涉及包含微纤化的纤维素材料的组合物。附图简述图1示出了已用根据实施例1的酶试验2的酶混合物处理的胡萝卜材料的SEM图像；图2示出了已用根据实施例1的酶试验5的酶混合物处理的胡萝卜材料的SEM图像；图3示出了已用根据实施例1的酶试验9的酶混合物处理的胡萝卜材料的SEM图像；图4示出了已用根据实施例2的酶混合物处理的马铃薯材料的SEM图像；和图5示出了已用根据实施例3的酶混合物处理的甜菜材料的SEM图像。专利技术详述除非另外说明，本文对纤维素微纤丝和微纤化的纤维素材料的提及应解释为诸如产生于本文描述的方法的任何含有纤维素的材料，并且其在形式上是纤维状的，并且具有在2-900纳米范围的横向尺寸和从几十纳米到高达几十微米的纵向尺寸，例如100-4000nm，或100nm到高达100μm的长度。然而，此类提及不应被解释为排除任何其他材料，而是所述材料含有或包含如描述的纤维素。除非另外说明，本文对葡萄糖之外的单糖的可提取含量的提及，指可通过纤维素微纤丝或起始植物材料的乙醇不溶部分在至少100℃与2M三氟乙酸接触持续4小时时水解提取的所陈述的单糖的量。除非另外说明，本文对葡萄糖的可提取含量的提及，指可通过纤维素微纤丝或起始植物材料的乙醇不溶部分在120℃与72％(w/v)硫酸接触持续4小时时水解提取的葡萄糖的量。除非另外说明，wt％值指酸水解后从颗粒材料的已知的干燥的质量分离的指定化合物的可提取量。除非另外说明，绝对％值指酸水解后从颗粒材料分离的特定化合物的可提取量作为酸水解后从起始植物材料分离的特定化合物的可提取量的百分比。除非另外说明，本文对起始植物材料的提及指在本专利技术的方法中使用的草本植物材料。对起始植物材料的提及还指已被匀浆成浆料但在任何化学处理之前的植物材料。除非另外说明，本文对基质多糖的提及还指那些蛋白多糖，显著本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于从草本植物材料制备纤维素微纤丝的方法，所述方法包括：使所述草本植物的生物质与包含至少一种内切葡聚糖酶；和一种或更多种选自内切聚半乳糖醛酸酶、阿拉伯呋喃糖苷酶、果胶裂解酶、果胶酸裂解酶、果胶甲基酯酶、内切阿拉伯聚糖酶、内切半乳聚糖酶、半乳糖苷酶、鼠李糖半乳糖醛酸聚糖水解酶、鼠李糖半乳糖醛酸聚糖裂解酶或木聚糖酶的多糖水解酶的酶组合物接触，以形成酶处理的生物质；和机械加工所述酶处理的生物质以产生纤维素微纤丝。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.05.21 GB 1409047.61.一种用于从草本植物材料制备纤维素微纤丝的方法，所述方法包括：使所述草本植物的生物质与包含至少一种内切葡聚糖酶；和一种或更多种选自内切聚半乳糖醛酸酶、阿拉伯呋喃糖苷酶、果胶裂解酶、果胶酸裂解酶、果胶甲基酯酶、内切阿拉伯聚糖酶、内切半乳聚糖酶、半乳糖苷酶、鼠李糖半乳糖醛酸聚糖水解酶、鼠李糖半乳糖醛酸聚糖裂解酶或木聚糖酶的多糖水解酶的酶组合物接触，以形成酶处理的生物质；和机械加工所述酶处理的生物质以产生纤维素微纤丝。2.根据权利要求1所述的方法，其中所述酶组合物包含至少一种内切葡聚糖酶、内切聚半乳糖醛酸酶、阿拉伯呋喃糖苷酶、果胶裂解酶、果胶甲基酯酶、果胶酸裂解酶和鼠李糖半乳糖醛酸聚糖水解酶。3.根据权利要求1所述的方法，其中所述酶组合物包含至少一种内切葡聚糖酶、内切聚半乳糖醛酸酶、阿拉伯呋喃糖苷酶、果胶裂解酶、果胶甲基酯酶、果胶酸裂解酶、鼠李糖半乳糖醛酸聚糖水解酶、内切阿拉伯聚糖酶、内切半乳聚糖酶、和半乳糖苷酶。4.根据权利要求1所述的方法，其中所述酶组合物包含至少一种内切葡聚糖酶、内切聚半乳糖醛酸酶、阿拉伯呋喃糖苷酶、果胶裂解酶、果胶甲基酯酶、果胶酸裂解酶、鼠李糖半乳糖醛酸聚糖水解酶、内切阿拉伯聚糖酶、内切半乳聚糖酶、半乳糖苷酶和木聚糖酶。5.一种用于从草本植物材料制备纤维素微纤丝的方法，包括使所述草本植物的生物质与包含以下的酶组合物接触：i)至少一种内切葡聚糖酶；ii)至少一种溶果胶酶；和iii)至少一种选自由以下组成的组的酶：内切阿拉伯聚糖酶、阿拉伯呋喃糖苷酶、内切半乳聚糖酶、半乳糖苷酶、鼠李糖半乳糖醛酸聚糖水解酶、鼠李糖半乳糖醛酸聚糖裂解酶、鼠李糖半乳糖醛酸聚糖乙酰基酯酶和木聚糖酶。6.根据权利要求5所述的方法，其中所述溶果胶酶包含聚半乳糖醛酸酶、果胶裂解酶和果胶酸裂解酶中的一种或更多种。7.根据权利要求5或权利要求6所述的方法，其中所述溶果胶酶包含一种或更多种辅助酶。8.根据权利要求7所述的方法，其中所述一种或更多种辅助酶包含果胶甲基酯酶和/或果胶乙酰基酯酶。9.根据权利要求1或权利要求5所述的方法，其中所述酶组合物还包含α-淀粉酶。10.根据前述权利要求任一项所述的方法，其中所述内切葡聚糖酶包含β-1,4-内切-葡聚糖酶和/或β-1,3:1,4-内切-葡聚糖酶。11.根据前述权利要求任一项所述的方法，其中所述酶组合物基本无任何纤维素酶。12.根据前述权利要求任一项所述的方法，其中所述草本植物材料在与所述酶组合物接触前被热和/或机械加工。13.根据前述权利要求任一项所述的方法，所述方法还包括在与所述草本植物材料接触后移除所述酶组合物。14.根据权利要求10所述的方法，其中在与所述草本植物材料接触后移除所述酶组合物包括热失活所述酶处理的生物质和洗涤。15.根据前述权利要求任一项所述的方法，其中所述至少一种内切葡聚糖酶以至少10mg/kg草本植物材料干物质的量存在。16.根据前述权利要求任一项所述的方法，其中所述至少一种内切葡聚糖酶以至少30mg/kg草本植物材料干物质的量存在。17.根据前述权利要求任一项所述的方法，其中所述果胶裂解酶以至少5mg/kg草本植物材料干物质的量存在。18.根据前述权利要求任一项所述的方法，其中所述果胶裂解酶以至少20mg/kg草本植物材料干物质的量存在。19.根据前述权利要求任一项所述的方法，其中所述果胶酯酶以至少40mg/kg草本植物材料干物质的量存在。20.根据前述权利要求任一项所述的方法，其中所述果胶酯酶以至少50mg/kg草本植物材料干物质的量存在。21.根据前述权利要求任一项所述的方法，其中所述内切聚半乳糖醛酸酶以至少15mg/kg草本植物材料干物质的量存在。22.根据前述权利要求任一项所述的方法，其中所述内切聚半乳糖醛酸酶以至少30mg/kg草本植物材料干物质的量存在。23.根据前述权利要求任一项所述的方法，其中所述内切木聚糖酶以至少10mg/kg草本植物材料干物质的量存在。24.根据前述权利要求任一项所述的方法，其中所述内切木聚糖酶以至少20mg/kg草本植物材料干物质的量存在。25.根据前述权利要求任一项所述的方法，其中所述草本植物材料包含未加工的农作物，来自糖、淀粉或油制造的浆废料，来自生物炼制的废料流。26.根据前述权利要求任一项所述的方法，其中所述草本植物材料包含胡萝卜、甜菜或马铃薯生物质。27.根据前述权利要求任一项所述的方法，其中所述草本植物材料包含以体积计大于30％的薄壁细胞材料。28.根据前述权利要求任一项所述的方法，其中所述草本植物材料包含少于约10wt％的木质纤维素。29.根据前述权利要求任一项所述的方法，其中所述草本植物材料包含少于约5wt％的木质纤维素。30.根据前述权利要求任一项所述的方法，其中机械加工所述酶处理的生物质包括使所述酶处理的生物质经历以至少5000rpm的剪切速率的均质化。31.通过前述权利要求任一项所述的方法可获得的微纤化的纤维素材料。32.一种微纤化的纤维素材料，...

【专利技术属性】
技术研发人员：D·赫普沃斯，E·惠尔，比约恩·L·P·A·卡斯兰德，H·伦德，L·卡鲁姆，彼得·尤尔弗斯科夫，博迪尔·约根森，
申请(专利权)人：塞鲁康普有限公司，诺维信公司，哥本哈根大学，
类型：发明
国别省市：英国;GB