化學預處理對蘆葦酶解糖化的影響

朱作華，蔡俠，嚴理，胡鎮(zhèn)修，李智敏，彭源德

(中國農業(yè)科學院麻類研究所，長沙410205)

生物乙醇是最有希望取代化石燃料用于交通運輸?shù)娜剂?，利用豐富而廉價的木質纖維素資源代替糧食生產燃料乙醇已經受到了越來越多的關注。酶水解條件溫和、無污染、副產物少，是最有前景的纖維素降解方式，但由于木質纖維素本身的理化特性及結構組成的復雜性，酶有效降解纖維素前必須經過預處理過程［1］。目前，比較有效的預處理方法包括利用酸、堿或者水作為催化劑在較高的溫度或壓力下進行處理［2－4］。酸預處理能夠溶解掉半纖維素，但易產生副產物;堿預處理或許可以更有效的去除掉木質素，但半纖維素可能變?yōu)殡y溶的聚合物;生物法也可以取得良好的預處理效果，但處理時間較長［5－7］。顯然，選擇什么樣的預處理過程，需要考慮原料的種類(木本、草本植物或者農業(yè)殘渣)、組分等，也要考慮五碳糖利用等問題，靈活的預處理技術能使原料得到更充分利用［8］。

蘆葦(Phragmites australis)是多年生草本植物，主要生長在溫帶和熱帶的濕地，具有重要的生態(tài)功能［9］。蘆葦分布廣泛、適應性強、生長快、產量高，不需要施肥，全世界種植面積約有1000萬公頃，我國現(xiàn)有14個蘆葦主產區(qū)，宜葦面積130萬公頃以上［10，11］。目前，蘆葦在農村主要用于牲畜的草料和草墊等，工業(yè)上主要用作造紙原料。蘆葦?shù)漠a量和質量主要取決于當?shù)氐纳L條件，每公頃干莖產量15－35噸，莖桿纖維素含量40%以上，半纖維素含量30%左右，用于燃料乙醇生產前景十分可觀，是一種很有潛力的可再生能源植物［9，10］。

目前，對蘆葦加工方面的研究主要針對蘆葦制漿［11，12］，作為能源植物只有少數(shù)進行濕式氧化預處理研究［9］。本研究對蘆葦進行稀硫酸、氫氧化鈉等預處理技術研究，對預處理及酶糖化效果進行了比較分析，以期獲得適合蘆葦高效糖化的預處理方法。

1 材料與方法

1.1 材料

蘆葦取自益陽市沅江洞庭湖區(qū)，經自然風干后剪碎。

1.2 試驗方法

1.2.1 蘆葦化學組分分析

蘆葦?shù)幕瘜W組分直接影響蘆葦預處理效果及酶解糖得率，試驗采用常規(guī)理化分析方法對蘆葦主要成分進行分析。

1.2.2 稀硫酸預處理

1.2.2.1 稀硫酸濃度對蘆葦酶糖化的影響

稱取10g蘆葦原料，放入300ml三角瓶中，分別加入一定量0.0%(對照，不經預處理直接酶解)、0.5%、1.0%、2.0%、4.0%、6.0%(v/v)的 H2SO4溶液，120℃反應 60min，調 pH 值 5.0，并用蒸餾水調成浴比1:15，然后進行酶解處理。

1.2.2.2 稀硫酸預處理正交試驗

在稀硫酸濃度試驗的基礎上，應用正交試驗設計優(yōu)化影響稀硫酸預處理效果的主要工藝，進行三因素三水平9組試驗，三因素為稀硫酸濃度(A)、反應時間(B)、反應溫度(C)，試驗設計表如表1

表1 稀硫酸正交試驗因素及水平Tab.1 Factors and levels of the H2SO4orthogonal tests

1.2.3 氫氧化鈉預處理

1.2.3.1 氫氧化鈉濃度對蘆葦酶糖化的影響

稱取10g蘆葦原料，放入300ml三角瓶中，加入濃度分別為0.0%(對照)、0.5%、1.0%、1.5%、2.0%、2.5%(w/v)的 NaOH 溶液，120℃反應60min，pH 值為5.0，并用蒸餾水調成浴比1:15，然后進行酶解。

1.2.3.2 氫氧化鈉預處理正交試驗

在氫氧化鈉濃度試驗的基礎上，應用正交試驗設計優(yōu)化影響氫氧化鈉預處理效果的主要工藝，進行三因素三水平9組試驗，三因素為氫氧化鈉濃度(A)、反應時間(B)、反應溫度(C)，試驗設計表如表2。

表2 NaOH正交試驗因素及水平Tab.2 Factors and levels of the NaOH orthogonal tests

1.2.4 幾種預處理方法的比較

選擇優(yōu)化后的幾組預處理條件，進行比較分析，預處理方式如表3。

表3 不同方法預處理實驗條件Tab.3 Factors and levels of different pretreatments

1.2.5 酶解

加入10%纖維素酶和5%木聚糖酶，于恒溫搖床中45℃，180rpm酶解糖化24h，糖液用于分析。

1.3 分析方法

1.3.1 糖化液分析

預處理及酶水解所得的糖化液，還原糖含量用DNS法測定［13］。

1.3.2 計算

預處理糖化率(%)=預處理液還原糖總量(g)/原料重量(g)×100%

酶解糖化率(%)=酶解液還原糖總量(g)/原料重量(g)×100%

2 結果與分析

2.1 蘆葦化學組分分析

由表4可以看出，蘆葦中纖維素和半纖維素含量占75.96%，纖維素和半纖維素在一定條件下能降解為可發(fā)酵糖，是一種優(yōu)良的乙醇生產原料。由于蘆葦?shù)陌肜w維素含量達35.36%，因此作為乙醇生產原料，五碳糖的利用也很有必要。

表4 蘆葦組分分析Tab.4 Component analysis of reed

2.2 稀硫酸預處理

2.2.1 稀硫酸濃度對蘆葦預處理及酶糖化的影響

圖1 硫酸濃度對蘆葦糖化的影響Fig.1 The effect of sulfuric acid concentration on reed saccharifaction

由圖1可以看出，添加硫酸進行預處理后，蘆葦?shù)念A處理糖化率與酶糖化率均得到了大幅度的提高。硫酸濃度為0.5% －2.0%(v/v)之間時，預處理液和酶糖化液還原糖濃度隨著硫酸濃度的增加呈增加的趨勢;酸濃度為2.0－4.0%(v/v)時，預處理液還原糖濃度略有增加，但酶糖化液還原糖濃度反而降低;當酸濃度為4.0% －6.0%(v/v)時，預處理液和酶糖化液還原糖濃度均降低;原因可能為，稀硫酸對半纖維素有良好的水解作用，對纖維素也有一定的降解作用，但當稀硫酸超過一定濃度后，會造成部分單糖的變性，產生某些抑制酶糖化的物質［1，14］，因此，預處理硫酸濃度以0.5% －2.0%(v/v)范圍較為合適。

2.2.2 稀硫酸預處理蘆葦正交優(yōu)化試驗

表5 稀硫酸預處理正交試驗結果與分析Tab.5 Design and results of orthogonal tests in dilute H2SO4solutions

表5極差分析結果顯示，3個因素對蘆葦預處理及酶解糖化率的影響程度依次為C＞A＞B，說明反應溫度是最重要的影響因素。方差分析顯示，在α=0.1水平上，反應溫度對蘆葦預處理及酶解糖化率有顯著影響，反應時間與硫酸濃度影響不顯著。根據(jù)正交試驗結果以及考慮酸對容器的腐蝕性、降低化學試劑的用量，減少抑制物的產生，優(yōu)化的稀硫酸預處理組合為A2B2C3，即硫酸濃度 1.0%(v/v)，反應溫度 120℃，反應時間 1.0h。

2.3 氫氧化鈉預處理

2.3.1 NaOH濃度對蘆葦預處理及酶解糖化的影響

由圖2可以看出，NaOH預處理液中還原糖含量很低，還原糖濃度均在1mg/ml以下，預處理后的蘆葦加酶降解，酶解液還原糖濃度及酶解糖化率有大幅度的提高。NaOH濃度在0.5% －1.5%(w/v)時，隨著NaOH濃度的增加，酶解還原糖濃度及糖化率呈增加的趨勢，NaOH濃度為1.5%(w/v)時達到最大，隨后開始略有降低，因此，NaOH濃度以1% －2%(w/v)較為合適。

圖2 氫氧化鈉濃度對蘆葦糖化的影響Fig.2 The effect of sodium hydroxide concentration on reed saccharifaction

2.3.2 NaOH預處理蘆葦正交試驗

表6極差分析結果顯示，與硫酸預處理相比，3個因素對蘆葦酶解糖化率的影響程度依次為C＞A＞B，反應溫度是最重要的影響因素。優(yōu)化的組合為A2B2C3，即NaOH濃度1.5%(w/v)，反應溫度120℃，反應時間1.0h。

表6 NaOH預處理正交試驗結果與分析Tab.6 Design and results of orthogonal tests in NaOH solutions

2.6 幾種預處理方法的比較分析

由圖3可以看出，與對照相比，3種預處理方式均能在一定程度上提高蘆葦預處理糖化率及酶解糖化率，從酶解糖化率來看，NaOH法＞稀H2SO4法＞熱水法＞對照，NaOH預處理后酶解糖濃度增幅最大，增加了近10倍，說明經氫氧化鈉預處理后的蘆葦更容易被酶降解，原因可能為NaOH預處理能較好的破壞木質素內部結構，從而使得纖維絲從木質素的包裹中釋放出來［15，16］，有利于酶解作用，也表明與稀H2SO4法相比，蘆葦預處理更適宜的方法為NaOH法。

圖3 不同預處理方法的比較分析Fig.3 Comparison among different pretreatments

3 小結

本研究采用的3種預處理方法均能在一定程度上提高蘆葦?shù)目山到庑?，其中稀硫酸預處理工藝為1%H2SO4(v/v)、120℃、處理1h;NaOH 法預處理工藝為1.5%NaOH(w/v)、120℃、處理1h。

從預處理糖化率來看，稀硫酸預處理效果較好;而從酶解糖化效果來看，NaOH法效果更好，酶解糖化率NaOH法＞稀H2SO4法＞熱水法＞對照，經NaOH預處理后，酶解酶解還原糖濃度大幅增加，蘆葦酶降解糖化率可達65.2%，這也表明NaOH法預處理后的蘆葦，更有利于酶的降解。

總體來說，蘆葦預處理，NaOH法是一種較好的方式，是否有更有效的預處理方法如汽爆預處理等還有待進一步研究，預處理及酶解糖化液的糖組分也還有待進一步分析。

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