1.本发明属于化学漂白预处理技术领域，具体涉及一种基于生物酶预处理漂白泡桐的方法。
背景技术：
2.桐木作为重要的工业用材，广泛用于室内建筑装修及家具和工业建筑等行业。桐木的生产利用已经得到越来越多国家的青睐，但是实际生产中，泡桐易变色的问题会使材色品质降低，因此进行桐木漂白研究对于提升桐木附加值及提高桐木品质具有重要意义。当前的木质材料漂白大部分采用化学试剂法及物理蒸煮法，些传统的漂白法为丰富环保型木材漂白剂品类、优化木材漂白工艺提供一定基础。但传统含氯漂白剂在漂白过程中会产生污染(二噁英)。对于试剂脱色处理相关机理研究还有待于进一步深入研究，尤其对于温度和ph值条件下不同脱色方法研究较少。
3.现有技术存在不够绿色环保以及生物质材料预处理研究少，为了解决该问题，从预处理时间、温度和预处理化学品的选择等方面考虑。提高木质纤维素的预处理效率，降低预处理的经济成本，对常见的木材泡桐用不同的方法进行预处理，并通过对主要化学成分和结构特征的分析，设计最佳的预处理方案，对提高桐木漂白工艺提供了有益的参考。
4.有鉴于此，有必要提供一种基于生物酶预处理漂白泡桐的方法。
技术实现要素：
5.本发明的目的在于克服传统技术中存在的上述问题，提供一种基于生物酶预处理漂白泡桐的方法。
6.为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明是通过以下技术方案实现：
7.一种基于生物酶预处理漂白泡桐的方法，包括以下步骤：
8.1)以纤维素二代复合酶为预处理介质来配置5fpu/ml的酶溶液，用酸或碱调节剂调节其ph至3-7，得到预处理酶溶液；
9.2)取适量泡桐材料木块体作为样品，经绝干处理后放置于容器中，按照料液比1:8-12加入步骤1)得到的预处理酶溶液，抽真空；
10.3)将载有样品的容器置于30-70℃的水浴锅加热，每隔一段时间摇匀一次，直至反应60-105min后取出试管，进行抽滤；
11.4)抽滤完成后用蒸馏水冲洗样品，放于玻璃培养皿内烘至绝干，干燥后放入密封袋中，即可得到已预处理漂白的泡桐材料。
12.进一步地，如上所述基于生物酶预处理漂白泡桐的方法，调节酶溶液的ph至7，将载有样品的容器置于50℃的水浴锅加热。
13.进一步地，如上所述基于生物酶预处理漂白泡桐的方法，采用可见光分光测色仪cs-820，照明光源为脉冲氙灯，测量波长范围400-700nm，波长间隔10nm，反射测量d/8结构，操作温度15-32℃，相对湿度不超过80％，反射测量孔径为中孔径1.5cm，每块样品由边缘向
中心取三个测量点，结果取平均值。
14.进一步地，如上所述基于生物酶预处理漂白泡桐的方法，采用cielab表色系统，使用分光测色仪测量预处理前后样品表面的明度值l*、红绿轴色品指数a*、黄蓝轴色品指数b*；各参数的变化用脱色处理前后参数的差值表示，得到δl*、δa*、δb*、色差δe*。
15.进一步地，如上所述基于生物酶预处理漂白泡桐的方法，δl*、δa*、δb*、色差δe*的计算如式(i)-(iv)所示：
16.δl*＝l*t-l*u
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ(i)17.δa*＝a*t-a*u
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(ii)
18.δb*＝b*t-b*u
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(iii)
19.δe*＝(
△
l*^2
△
a*^2
△
b*^2)^0.5
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(iv)
20.式中，t表示脱色处理后的试样，u表示未处理的试样。
21.进一步地，如上所述基于生物酶预处理漂白泡桐的方法，样品中纤维素、木质素、木聚糖的含量是依据nrel标准方法来测定的；同时做三份平行样品测定，取平均值作为测定值；
22.进一步地，如上所述基于生物酶预处理漂白泡桐的方法，通过热重分析、扫描电子显微镜、x-射线衍射对预处理样品进行结构表征，分析样品预处理前后纤维素、半纤维素、木质素含量的变化。
23.进一步地，如上所述基于生物酶预处理漂白泡桐的方法，热重分析选择tga/dsc3型热重热差分析仪，用氮气当做保护气体，保护气流量设置为20ml/min，升温速率10/min，热解反应温度的范围是50～600℃。
24.进一步地，如上所述基于生物酶预处理漂白泡桐的方法，扫描电子显微镜为s3400型扫描电镜，工作电压为5.00kv物镜距离为9.0mm放大至2000倍后开始观察并调焦，找到合适的目标后点击保存。
25.进一步地，如上所述基于生物酶预处理漂白泡桐的方法，x射线衍射仪的型号为d8 advance a25，操作电压40kv，电流40ma，扫描角度2θ，范围5-50
°
，铜靶，用于测定泡桐样品的纤维素结晶度。
26.本发明的有益效果是：
27.1、本发明采用以速生泡桐为主要材料，利用二代纤维素酶在常温条件下对原料进行预处理，采用nrel方法测定其主要组分，并通过热重分析、扫描电镜、x射线衍射等化学和物理方法验证预处理材料的化学组分、热稳定性变化规律以及微观结构特性变化特征，并通过温度梯度和ph梯度和时间点变化进行组分结构特性研究，预处理泡桐的较优预处理条件参数。本发明方法提高了木质纤维素的预处理效率，降低预处理的经济成本，设计出了最佳的预处理方案，对提高桐木材料的漂白效果，提高泡桐的附加值提供了有益的参考。
28.2、本发明以纤维素二代复合酶为预处理介质，采用不同的热处理温度和ph环境：温度梯度设置为30℃、50℃、70℃，预处理ph条件梯度为3、5、7，处理时间为60min、75min、90min、105min。对泡桐预处理前后的白度及主要化学组分进行研究，通过热重分析扫描电子显微镜以及x射线衍射协同检验处理前后桐木化学组分的变化。结果表明：(1)ctec2生物酶预处理后的泡桐木材化学组分发生明显变化，在50℃，ph为7的预处理条件下，纤维素由49.11％增加至59.87％，半纤维素由18.58％减少至于7.45％，酸溶木质素由7.12％减少至
4.07％，酸不溶木质素由24.64％减少至20.42％，抽提物由3.24％减少至2.09％。(2)在使用ctec2酶进行预处理进行漂白脱色时，处理温度为50℃，ph值为7，时间为105min时的漂白效果最好，明度值达到最大。(3)预处理后的桐木热稳定性有所提高(处理条件为70℃和ph为7变化不明显)，不同温度条件处理的样品热稳定性为：30℃》50℃》70℃，不同ph值条件处理的样品热稳定性为：3》5》7，与对照原料相比，不同温度和ph处理后的最大质量损失速率对应的温度都有所提升，说明预处理增加了达到最大质量损失速率的时间，不利于提高后续的酶水解效率。
29.3、本发明利用水浴锅进行协同纤维素二代复合酶预处理泡桐，加热温度稳定可控，且可获得较高纤维素含量和酶解过程葡萄糖收率的预处理效果，操作简便、安全，其特征在于纤维素回收率高、成本低，经济环保。
30.当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上的所有优点。
附图说明
31.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
32.图1是实施例中泡桐样品在不同预处理条件下的x射线衍射图。
具体实施方式
33.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
34.本发明充分利用绿色有机介质进行木质生物质材料预处理，并采用有效的溶剂结合提高预处理效果，是木质生物材料高效利用的主要方向。
35.本发明提供的基于生物酶预处理漂白泡桐的方法包括以下步骤：
36.s101：配置5fpu/ml浓度的酶溶液，使用柠檬酸和naoh调节ph为3，5，7。每块样品质量约15g，料液比1:10。木块经绝干处理后放置于试管中，并加入已配置完成的酶溶液摇匀，抽真空。水浴锅设定其温度分别为30℃，50℃，70℃。放入加热，每15分钟摇匀一次，直至反应60min，75min，90min，105min后取出试管，进行抽滤。抽滤完成后用蒸馏水冲洗，放于玻璃培养皿内烘至绝干，干燥后放入密封袋中。设置一组未经预处理的平行试验。
37.s102：采用可见光分光测色仪，cs-820，照明光源为脉冲氙灯，测量波长范围400-700nm，波长间隔10nm，反射测量d/8结构，操作温度15-32℃，相对湿度不超过80％，反射测量孔径为中孔径1.5cm，每块样品由边缘向中心取三个测量点，结果取平均值。
38.采用cielab表色系统，使用分光测色仪测量预处理前后泡桐木材木试样表面的明度值l*、红绿轴色品指数a*、黄蓝轴色品指数b*。各参数的变化用脱色处理前后参数的差值表示，得到δl*、δa*、δb*、色差δe*，计算如式(i)-(iv)所示：
39.δl*＝l*t-l*u
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ(i)40.δa*＝a*t-a*u
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(ii)
41.δb*＝b*t-b*u
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(iii)
42.δe*＝(
△
l*^2
△
a*^2
△
b*^2)^0.5
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(iv)
43.式中，t表示脱色处理后的试样，u表示未处理的试样。
44.s103：样品中纤维素、木质素、木聚糖的含量是依据美国能源部的(nrel)的标准方法来测定的；同时做三份平行样品测定，取平均值作为测定值。
45.s104：通过热重分析、扫描电子显微镜、x射线衍射对预处理样品进行结构表征，分析样品预处理前后纤维素、半纤维素、木质素含量的变化。
46.下面结合试验对本发明的应用原理做详细的说明。
47.试验原料：本实验所用主要原料为泡桐，经洗净，干燥后剪切成5
×5×
0.5cm的小块烘干，低温烘干使含水率保持在10％以下，装入自封袋封口，储存于冰箱冷藏待用。
48.主要试剂:纤维素二代复合酶(ctec2)、柠檬酸、氢氧化钠。
49.实验器材:高速万能粉碎机，电热干燥箱，电子天平，高温高压灭菌锅。
50.处理样品的制备：预处理试剂的配置，根据实验设置的条件，配置5fpu/ml浓度的酶溶液，使用柠檬酸和naoh调节ph值，泡桐与酶溶液料液比为1：10。
51.泡桐预处理过程：称取干燥的泡桐木块约15g，放到150ml的反应釜中，用量桶称量酶溶液。加入已配置完成的酶溶液摇匀，用柠檬酸和naoh调节ph值为3、5、7，抽真空。水浴锅设定其温度分别为30℃、50℃、70℃。放入加热，每15分钟摇匀一次，直至反应60min，75min，90min，105min后取出试管，进行抽滤。抽滤完成后用蒸馏水冲洗，放于玻璃培养皿内烘至绝干，干燥后放入密封袋中。设置一组未经预处理的平行试验。
52.样品中纤维素、木质素、木聚糖的含量是依据美国能源部的(nrel)的标准方法来测定的。同时做三份平行样品测定，取其平均值作为测定值。
53.颜色测定数据采集
54.可见光分光测色仪，cs-820，照明光源为脉冲氙灯，测量波长范围400-700nm，波长间隔10nm，反射测量d/8结构，操作温度15-32℃，相对湿度不超过80％，反射测量孔径为中孔径1.5cm，每块样品由边缘向中心取三个测量点，结果取平均值。
55.采用cielab表色系统，使用分光测色仪测量预处理前后泡桐木材木试样表面的明度值l*、红绿轴色品指数a*、黄蓝轴色品指数b*。各参数的变化用脱色处理前后参数的差值表示，得到δl*、δa*、δb*、色差δe*，计算如式(i)-(iv)所示：
56.δl*＝l*t-l*u
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ(i)57.δa*＝a*t-a*u
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(ii)
58.δb*＝b*t-b*u
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(iii)
59.δe*＝(
△
l*^2
△
a*^2
△
b*^2)^0.5
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(iv)
60.式中，t表示脱色处理后的试样，u表示未处理的试样。
61.预处理前后颜色分析，预处理后试样颜色参数如表1所示：
62.表1颜色参数
63.[0064][0065]
通过表1可以看出经不同温度、ph值、处理时间预处理后的泡桐与未经预处理的泡桐相比，明度值l*、红绿轴色品指数a*、黄蓝轴色品指数b*都有了提高，证明生物酶预处理泡桐可以有效提高其白度。从温度分析可知，50℃预处理条件下试样明度值l*最大，红绿轴色品指数a*、黄蓝轴色品指数b*随温度的升高而降低。再对ph值进行分析可知，当ph值为7时明度值l*最大，红绿轴色品指数a*、黄蓝轴色品指数b*随ph值升高而降低。随着处理时间的增长明度值l*越来越高，红绿轴色品指数a*、黄蓝轴色品指数b*越来越低。由于明度值l*是色差的主要影响因素，色差值在50℃，ph值为7，处理时间为105min时明度值l*达到最大。由此可知在温度-ph值-时间为50-7-105的预处理条件下脱色效果达到最佳。
[0066]
预处理前后泡桐的主要组分分析：经过不同的处理介质和处理温服预处理后，泡桐的主要学组分变化如表2所示。
[0067]
表2不同预处理条件下样品的化学组分变化
[0068][0069]
从表2可以看出，泡桐预处理前后主要化学组分发生了显著变化，且不同的处理方式得到的各成分含量有所不同，相同点是处理后纤维素的含量有显著增加趋势，木质素含量减少，半纤维素的含减少，其中在不同预处理条件下，在预处理条件为50℃，ph为7时化学组分相对含量变化最大，预处理效果最好。
[0070]
预处理泡桐的x射线衍射分析：
[0071]
泡桐三大组成成分纤维素，半纤维素和木质素，在经过预处理后成分的含量发生了变化，因此会在不同的波段显示出一定变化的衍射谱图，如图1所示。
[0072]
纤维素是由d-葡萄糖基构成的直链性高分子化合物，具有较高的聚合度，结晶度高；纤维素在c4上有一个自由羟基，具有特殊的x射线图谱。半纤维素是两种或两种以上的单糖组成的不均一聚糖，其属于无定形区域，聚合度较低，木质素本基苯烷通过醚键和碳-碳键连接而成的芳香族高分子化合物，其分子中含有甲氧基ch2o，羟基、羰基c＝o，双键c＝o和苯环等多种红外线敏感基团，也属于无定形区域。
[0073]
由于预处理的目的是通过化学分解使得植物细胞壁中的木质素尽可能多的去除，使得半纤维素发生糖化转变，纤维素含量即葡糖糖苷键稳定性变化。这里通过热重分析、扫描电镜和x射线衍射来分析半纤维素、木质素及纤维素的含量在预处理前后变化的情况。
[0074]
由图1可以得出泡桐预处理前后结晶度衍射强度发生了变化，且不同的处理方式变化的程度有所不同，由图可知经过预处理后，101峰无明显变。但经预处理后，50℃预处理条件下，002峰衍射强度明显增强，说明此时半纤维素，木质素等无定形区降解效率最高。
[0075]
预处理泡桐的热重分析：在主要热解阶段由于ph值的变化，导致泡桐的热解温度和速率发生了变化，最大质量损失速率都有所降低，预处理材的最大质量损失速率对应的温度有所增加。这主要是由于ph值的不同会导致化学成分在热解过程和成分转化过程中产生差异。ph为3与ph为5条件下预处理过后样品热解失重峰温度升高，热稳定性都有所上升，不同ph预处理样品的热解温度由大到小依次是：3，5，7。ph为7预处理与未处理样品热解温度差别不大，这可能与酶最适ph有关，较高的ph环境使酶活性降低，对木质纤维破坏的程度降低。综上，不同ph值条件处理的样品热稳定性为：3》5》7。
[0076]
预处理后主要热解阶段最大质量损失速率都有所降低，预处理材的最大质量损失速率对应的温度有所增加，说明预处理加快了达到最大质量损失速率的时间。且在主要热解阶段，30℃与50℃条件下预处理过后样品热解失重峰温度升高，热稳定性都有所上升，不
同温度预处理样品的热解温度由大到小依次是：30℃，50℃，70℃。其中70℃处理样品与未处理样品热解温度差别不大，这可能与酶最适温度有关，高温使酶活性降低，从而对木质纤维的破坏程度降低。综上，不同温度条件处理的样品热稳定性为：30℃》50℃》70℃。
[0077]
预处理泡桐的扫描电镜分析：未处理品表面无明显的结构破坏，木质纤维较为完整。在30℃不同ph处理下木质纤维表层结构遭到了破坏，木质纤维素开始解体，纤维素互相分离。随着ph值增高，结构的变化也更加明显。经过50℃不同ph的条件下预处理的样品结构发生的变化更加明显，木质纤维素解体更加严重，纤维素之间的分离也更明显，随着ph的升高，结构变化也更明显。在70℃不同ph的条件下木质纤维变化趋势与30℃与50℃处理变化一致，随着ph值的升高，结构变化愈加明显，但经过70℃的条件下预处理的样品结构变化不如50℃时明显。综上，证实复合生物酶能有效的降解木质纤维组分，破坏木质纤维结构。
[0078]
以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。