化學(xué)預(yù)處理提高生物酶解糖化效率

全球性的能源危機(jī)使國內(nèi)外市場對于乙醇、丁醇、生物油等液體燃料的需求量巨大，另外木質(zhì)素產(chǎn)品如混凝土減水劑、酚醛樹脂的商業(yè)應(yīng)用前景廣闊。因此，發(fā)展資源豐富、綠色環(huán)保的生物質(zhì)能源成為近年來能源領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。所以大力發(fā)展秸稈的高值化綜合利用具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

迄今為止，為改進(jìn)玉米秸稈酶解效率已經(jīng)進(jìn)行了大量的預(yù)處理實(shí)驗(yàn)，比如堿預(yù)處理、稀酸預(yù)處理、氨纖維爆破預(yù)處理、離子液體預(yù)處理等。但大部分的堿預(yù)處理方式并未在防止半纖維素大量溶出從而提高總糖收率方面給予一定的關(guān)注和研究。本次研究采用NaOH、NaOH+AQ、NaOH+Na2SO3（堿性、中性）、H2SO4+ Na2SO3、NaOH+Na2S及H2SO4七種不同的工藝組合對玉米秸稈預(yù)處理，比較以上不同的處理方式和預(yù)處理?xiàng)l件對物料得率、聚糖保留率、聚糖酶解效率，以及總糖得率變化的影響。

秸稈原料與生物酶制劑

原料為玉米秸稈，產(chǎn)自山東省青島地區(qū)。原料風(fēng)干后采用FZ102型粉碎機(jī)破碎，選取5-40目的篩分，封入塑料袋中平衡水分后備用。經(jīng)檢測，秸稈原料的聚葡萄糖含量為35.0%，聚木糖含量為19.9%，木質(zhì)素含量為22.5%，抽出物含量為18.4%。纖維素酶和β-葡糖苷酶均來自Novozymes公司，酶活分別為117 FPU/ml和426 IU/ml。

化學(xué)預(yù)處理

化學(xué)預(yù)處理采用帶有攪拌裝置的Parr 4560型反應(yīng)釜（Parr Instrument Company, Moline, Illinois, USA）。反應(yīng)釜容積為300mL，預(yù)處理時(shí)每次裝入15g秸稈原料（以絕干重量計(jì)），固液比為1:10（w/v）。按照表1所示的試驗(yàn)方案加入化學(xué)藥品，攪拌轉(zhuǎn)速設(shè)定為200r/min。預(yù)處理程序?yàn)椋荷郎?0min，最高溫度下保溫30min。然后冷卻至80℃后迅速取出試樣，去離子水洗滌至pH值為中性，以備檢測分析用。

生物酶水解

取化學(xué)預(yù)處理后的絕干試樣400mg置入具塞瓶，固液比2%（w/v），在0.05 M檸檬酸鈉緩沖液（pH=4.8）中分別加入纖維素酶20 FPU/g和β-葡糖苷酶10IU/g預(yù)處理秸稈，以及0.01g/g預(yù)處理秸稈的抑菌劑疊氮化鈉。具塞瓶放入50℃恒溫水浴振蕩器內(nèi)，在160rpm轉(zhuǎn)速下振蕩進(jìn)行酶解反應(yīng)48h，酶解結(jié)束后迅速對酶解樣品升溫使生物酶失活，隨后冷卻，離心分離得到酶解液。

化學(xué)預(yù)處理及成分分析

提高處理溫度或者增加用堿量，物料得率均呈現(xiàn)降低趨勢。在相同溫度和用堿量條件下，除堿性亞硫酸鈉法和稀酸法外，其它處理方式所得物料均高于僅用氫氧化鈉處理時(shí)的得率。其中，以酸性亞硫酸鈉法預(yù)處理的原料得率為最高。

采用堿性或中性亞硫酸鈉法預(yù)處理時(shí)，在140℃條件下增加用堿量可以提高聚葡萄糖的保留率。增加化學(xué)藥品用量時(shí)，除采用酸性亞硫酸鈉法具有較高的聚木糖保留率外，其它處理方式后的聚木糖保留率均降低。

生物酶解處理

酶解效率

采用NaOH、NaOH+AQ、NaOH+Na2SO3預(yù)處理均能獲得較好的后續(xù)生物酶解效果。其中，堿性亞硫酸鈉法原料的酶解效率最高，經(jīng)過160℃及用堿量10%的化學(xué)預(yù)處理后，聚葡萄糖和聚木糖酶解效率可以達(dá)到89.5%和86.1%，分別提高了13.5%和3.6%，對于酸性亞硫酸鈉法，提高預(yù)處理溫度有利于改善酶解效率。

總糖得率

在相同溫度和總用堿量條件下，NaOH+AQ和NaOH+Na2SO3預(yù)處理后再經(jīng)生物酶降解，總糖得率均高于單一NaOH預(yù)處理。其中，經(jīng)過溫度140℃及用堿量10%的堿性亞硫酸鈉法預(yù)處理，聚葡萄糖和聚木糖保留率分別為94.7%和70.3%，經(jīng)過生物酶作用后的酶解效率分別為84.7%和81.1%，最終其總糖得率為0.44g/g 初始秸稈，比同樣條件下的單一NaOH處理提高了13.5%。

相比不同方式的化學(xué)預(yù)處理，酸性亞硫酸鈉法的原料得率最高，在溫度140℃及用堿量7%時(shí)達(dá)到76.1%。在相同溫度和用堿量時(shí)，亞硫酸鈉法預(yù)處理有利于提高物料得率以及聚糖保留率。

提高溫度或者增加用堿量均有利于木質(zhì)素的脫除。在相同溫度和總用堿量時(shí)，中性亞硫酸鈉法脫除木質(zhì)素的效果最好，在溫度160℃及用堿量10%時(shí)可達(dá)到91.9%。

加入蒽醌可以提高碳水化合物保留率。對于堿性或中性亞硫酸鈉法，聚葡萄糖保留率在140℃處理時(shí)隨著增加用堿量會有所提高，但在160℃時(shí)則會降低。提高預(yù)處理溫度或者增加總用堿量會使聚木糖保留率降低。

在相同處理溫度下增加化學(xué)藥品用量，可改善原料在后續(xù)生物酶處理時(shí)的酶解效率。對于溫度160℃及用堿量10%的中性亞硫酸鈉法預(yù)處理酶解效率最高，聚葡萄糖和聚木糖轉(zhuǎn)化率分別達(dá)到89.5%和86.1%。

在相同處理?xiàng)l件下，NaOH+AQ、NaOH+Na2SO3和NaOH+Na2S處理后的原料總糖得率均高于NaOH處理的結(jié)果。其中，采用溫度140℃及用堿量10%的堿性亞硫酸鈉法預(yù)處理后酶解的總糖得率最高，約為0.44g/g 初始秸稈。酸性亞硫酸鈉法預(yù)處理后總糖得率最低，僅為0.12——0.22g/g 初始秸稈。

責(zé)任編輯：葛鴻燕