低共熔溶劑和次氯酸鈉組合預(yù)處理秸稈及在丁醇發(fā)酵中的應(yīng)用

李浩，邢婉茹，許國超，倪曄

（江南大學(xué)生物工程學(xué)院，江蘇無錫214122）

木質(zhì)纖維素生物質(zhì)在農(nóng)業(yè)和林業(yè)中廣泛分布[1]。由于其可再生性、豐富性，易于獲得和廉價(jià)性，是微生物發(fā)酵生產(chǎn)生物燃料（如乙醇、丁醇、甲烷和氫氣）、大宗化學(xué)品（如檸檬酸和乳酸）和高附加值精細(xì)化學(xué)品的原料[2]。水稻秸稈（簡稱稻稈）是收割稻米后殘留在田間的植物殘?jiān)?，每收獲1kg 稻米可生產(chǎn)0.41～3.96kg 稻稈[3]。因?yàn)榈久资鞘澜缟系谌匾墓阮愖魑铮缘径捠鞘澜缟献钬S富的木質(zhì)纖維素生物質(zhì)之一[4]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國年產(chǎn)稻稈約1.8×108t[5]。由于稻稈在土壤中降解緩慢，并且?guī)в械厩o病菌和高礦物質(zhì)含量，所以大部分稻稈被露天焚燒，僅有小部分稻稈被用作飼料[6-7]。然而，這種做法導(dǎo)致了諸如CO2、CO、NOx和SO2等污染物的排放[8-10]，嚴(yán)重危害環(huán)境安全和公共衛(wèi)生[11]。實(shí)際上，稻稈中纖維素和半纖維素含量較高，可作為生產(chǎn)生物燃料的重要原料[3]。因此，稻稈的綜合利用已經(jīng)引起越來越多的關(guān)注。

盡管稻稈可以作為生產(chǎn)再生能源的原料，但由于纖維素和半纖維素被木質(zhì)素層緊密地包裹，因此纖維素和半纖維素的可及性受到嚴(yán)重限制[12]。為了提高生物質(zhì)中纖維素對纖維素酶的可及性，需要對稻稈進(jìn)行預(yù)處理以去除半纖維素和木質(zhì)素，從而使纖維素暴露出來。理想的預(yù)處理方法應(yīng)既能有效去除木質(zhì)素和半纖維素，又具有較高的成本效益和能源效率，以及高度的生物相容性[1,13]。木質(zhì)纖維素生物質(zhì)預(yù)處理的方法有多種，包括堿、酸、離子液體和有機(jī)溶劑等[3,14]。其中，酸性預(yù)處理方法的研究較為深入，具有低成本、高效率破壞生物質(zhì)頑抗性等顯著優(yōu)勢[15-16]。但是，酸對木質(zhì)素去除效果不佳，而木質(zhì)素含量是影響纖維素酶對秸稈水解效率的主要因素。堿性的次氯酸鈉等對秸稈中的木質(zhì)素（尤其是酸不溶木質(zhì)素）具有良好的去除效果，如易守連[17]發(fā)現(xiàn)用次氯酸鈉溶液在75℃下處理玉米芯2h后，玉米芯中木質(zhì)素去除率達(dá)到41.36%。離子液體是有前景的預(yù)處理試劑，具有低熔點(diǎn)、低蒸氣壓、可回收利用和良好的生物相容性等優(yōu)點(diǎn)[18]。由氫鍵受體和氫鍵供體組成的低共熔溶劑（deep eutectic solvent,DES）是具有與傳統(tǒng)離子液體相似特性和更低價(jià)格的一類新型離子液體[19-20]。事實(shí)證明，DES可以有效地預(yù)處理各種木質(zhì)纖維素生物質(zhì)，例如玉米秸稈、玉米芯和稻稈等[21-23]。在木質(zhì)纖維素生物質(zhì)的綜合利用中，開發(fā)新型DES或改善DES預(yù)處理效果對生物質(zhì)的利用和環(huán)境保護(hù)具有重大意義。

考慮到酸性試劑對木質(zhì)纖維素生物質(zhì)的有效性，基于弱酸的DES 是用于木質(zhì)纖維素生物質(zhì)預(yù)處理的良好試劑之一。在前期研究中，本文作者課題組合成了基于乙胺鹽酸鹽（EaCl） 和乳酸（LAC）的新型DES。為改善該酸性DES 在預(yù)處理稻稈時(shí)木質(zhì)素去除率不高的問題，本文建立并優(yōu)化了DES 與堿性氧化劑的組合預(yù)處理方式，采用Clostridium saccharobutylicum DSM13864菌株利用稻稈水解液進(jìn)行丁醇發(fā)酵，評估了其在生物丁醇發(fā)酵中的應(yīng)用潛力。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

水稻秸稈購買于山東澤生生物科技有限公司，經(jīng)粉碎后過40目篩子，放置在4℃冰箱中備用。乙胺鹽酸鹽和乳酸購買于上海泰坦化學(xué)有限公司。纖維素酶來自青島蔚藍(lán)生物股份有限公司。丁醇發(fā)酵菌株Clostridium saccharobutylicum DSM13864購買于德國DSMZ微生物菌種保藏中心。

發(fā)酵培養(yǎng)基：硫酸銨2g/L，玉米漿干粉10g/L，碳酸鈣4g/L，一水合硫酸錳0.01g/L，無水磷酸氫二鉀0.5g/L，葡萄糖60g/L，pH 調(diào)至6.5，115℃滅菌20min。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 EaCl∶LAC處理水稻秸稈及預(yù)處理?xiàng)l件優(yōu)化

按照文獻(xiàn)[22]的方法合成低共熔溶劑EaCl∶LAC。

將50mL EaCl∶LAC 和5g 水稻秸稈加入到250mL 三口圓底燒瓶中，130℃油浴加熱，并機(jī)械攪拌處理2h。真空過濾收集處理后的水稻秸稈，并用自來水洗滌幾次，以除去殘留的EaCl∶LAC。處理后的水稻秸稈在60℃烘箱中烘干備用。

采用上述方法對預(yù)處理?xiàng)l件進(jìn)行優(yōu)化。對于預(yù)處理時(shí)間的優(yōu)化，在130℃下分別預(yù)處理0.5h、1h、2h 和3h；對于秸稈加載量，僅通過將EaCl∶LAC添加量改為30mL、40mL和60mL來優(yōu)化。

為了循環(huán)利用EaCl∶LAC，通過真空抽濾分離得到EaCl∶LAC，并將其在80℃下進(jìn)行真空旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)以除去殘留水分，如上操作可回收約90%的EaCl∶LAC，對于下一批次預(yù)處理，在此回收基礎(chǔ)上再補(bǔ)加10%的新鮮EaCl∶LAC 以保持每批次的體積相同。

1.2.2 EaCl:LAC和NaClO組合處理水稻秸稈

用NaClO對經(jīng)EaCl∶LAC預(yù)處理的稻稈進(jìn)行組合處理。將50mL 5g/L NaClO 添加到250mL 三口燒瓶中并加熱至30℃。然后向上述裝置中添加5.0g處理過的稻稈，避光浸泡24h。此步處理過的稻稈同樣用自來水洗滌幾遍后將其烘干備用。

為了達(dá)到更好的處理效果，在30℃下，將EaCl∶LAC 處理過的稻稈分別按照1∶8、1∶10、1∶12 和1∶15 的固體加載量，分別浸泡在0、1g/L、5g/L、10g/L、20g/L 和50g/L 的NaClO 溶液中，浸泡6h、12h、24h、48h 和72h，洗凈、烘干之后用于后續(xù)酶解反應(yīng)。

1.2.3 稻稈的纖維素酶酶解

將1g經(jīng)預(yù)處理的稻稈添加到50mL具塞錐形瓶中，并與10mL檸檬酸鹽緩沖液（pH4.8，50mmol/L）、100mg/L 氨芐青霉素以及50FPU/g 纖維素酶混合。將上述混合物在50℃和120r/min 下溫育24h。按照不同時(shí)間間隔從酶解液中取300μL 樣品，以12000r/min 離心10min，用HPLC 檢測上清液中還原性糖的濃度。其檢測條件如下：色譜柱型號為Hi-Plex H（300mm×7.7mm）柱，示差檢測器的溫度為25℃，進(jìn)樣量為10μL，流動相為蒸餾水，流速為0.6mL/min，柱溫為65℃。

1.2.4 稻稈的結(jié)構(gòu)表征及理化性質(zhì)分析

對預(yù)處理前后稻稈中纖維素、半纖維素和木質(zhì)素等含量變化按之前報(bào)道方法[22]進(jìn)行測定。用掃描電子顯微鏡（5.0kV，×1200 Hitachi S-4800，日本）觀察預(yù)處理前后稻稈的表面形態(tài)變化。預(yù)處理前后稻稈的結(jié)晶度變化是通過射線源為銅靶的X射線衍射儀（XRD）在40kV 電壓和40mA 電流下進(jìn)行檢測的，其中2θ 角的掃描范圍為5°～80°，步長為0.02°。

1.2.5 稻稈水解液的丁醇發(fā)酵

將梭菌發(fā)酵培養(yǎng)基中的葡萄糖替換為稻稈水解液，其余成分的含量保持不變，向發(fā)酵培養(yǎng)基中接種10%（體積分?jǐn)?shù)）已傳代活化的C.saccharobutylicum DSM13864，設(shè)置3 個(gè)平行樣，將厭氧發(fā)酵小瓶置于干燥器中，抽真空（0.065MPa）后放于37℃培養(yǎng)箱中靜置厭氧發(fā)酵。發(fā)酵液中丙酮、乙醇和丁醇采用氣相色譜法測定，方法如下：色譜柱為PEG-2M 毛細(xì)管色譜柱，檢測器為FID，載氣為氮?dú)猓M(jìn)樣量1μL，分流比為90∶1，以異丁醇作為內(nèi)標(biāo)進(jìn)行測定。

2 結(jié)果與討論

2.1 EaCl∶LAC處理稻稈及處理?xiàng)l件優(yōu)化

采用乙胺鹽酸鹽和乳酸組成的新型低共熔溶劑EaCl∶LAC處理稻稈后，經(jīng)酶解后產(chǎn)生的總還原糖濃度為29.7g/L，明顯高于未經(jīng)處理稻稈酶解后的糖濃度（9.3g/L）。經(jīng)EaCl∶LAC 處理后，酶解效率提高約219%。采用氯化膽堿型Foraceline[23]處理稻稈，經(jīng)酶解48h后總糖濃度為21.5g/L，其處理效果同樣低于EaCl∶LAC。因此，EaCl∶LAC表現(xiàn)出了非常好的稻稈預(yù)處理效果。

為了得到最優(yōu)的預(yù)處理效果，考察了時(shí)間與固液比對稻稈預(yù)處理效果的影響。分別將稻稈用EaCl∶LAC 在130℃下處理0.5～3h，處理后的稻稈進(jìn)一步酶解得到水解液。經(jīng)分析可知，酶解液中總還原糖濃度從18.03g/L （0.5h） 增加到32.10g/L（2.0h）[見圖1(a)]。進(jìn)一步延長處理時(shí)間至3.0h時(shí)，總還原糖濃度略降至31.39g/L。這是由于在一定時(shí)間范圍內(nèi)，隨處理時(shí)間增加，木質(zhì)素與半纖維素被逐漸破壞，從而提高了纖維素的可及性，最終使得總還原糖濃度隨時(shí)間延長而增加。但處理時(shí)間過長將導(dǎo)致稻稈中的纖維素結(jié)構(gòu)的破壞和總還原糖濃度的下降。進(jìn)一步考察了1∶6、1∶8、1∶10 和1∶12等固液比（稻稈/EaCl∶LAC）對稻稈預(yù)處理效果的影響[見圖1(b)]。當(dāng)固液比為1∶12時(shí)得到最高總還原糖濃度33.04g/L，略高于固液比為1∶10時(shí)的糖濃度（32.1g/L），遠(yuǎn)高于固液比為1∶6 和1∶8 時(shí)的糖濃度[見圖1(b)]。雖然提高EaCl∶LAC添加量有利于脫除木質(zhì)素，但綜合考慮糖濃度及經(jīng)濟(jì)成本，選擇固液比為1∶10 進(jìn)行后續(xù)研究。綜上，最終確定EaCl∶LAC 處理稻稈的條件為固液比1∶10，130℃處理2.0h。

圖1 EaCl∶LAC預(yù)處理水稻秸稈的條件優(yōu)化

為了進(jìn)一步提高EaCl∶LAC 的應(yīng)用潛力，通過過濾分離EaCl∶LAC，再經(jīng)蒸發(fā)去除殘留水分后進(jìn)行新一批次預(yù)處理。在上述最佳條件下進(jìn)行了6輪重復(fù)使用，總糖濃度如圖1(c)所示。在第二批處理時(shí)，總糖濃度減少至30.91g/L，僅比新鮮EaCl∶LAC 處理時(shí)低3.7%，證明了EaCl∶LAC 回收利用的可行性。在第6批處理時(shí)，總糖濃度降至26.11g/L，比新鮮的EaCl∶LAC 低18.7%，仍能達(dá)到新鮮EaCl∶LAC處理效果的80%，故EaCl∶LAC可以被回收和重復(fù)使用，大大降低了其使用成本。

2.2 組合預(yù)處理水稻秸稈

為了提高木質(zhì)纖維素生物質(zhì)的處理效果，組合預(yù)處理常被認(rèn)為是一種有效的方法，即引入另外一種具有協(xié)同作用的試劑來促進(jìn)木質(zhì)素或半纖維素的脫除。堿性試劑具有易脫除木質(zhì)素的效果，使用NaOH 和Na2CO3可進(jìn)一步提高[Bmim]Cl 和DES 的處理效果[23-24]。因此，本研究引入氧化劑H2O2和NaCIO進(jìn)行稻稈的組合預(yù)處理。首先，將新鮮的稻稈在30℃用H2O2（1%，體積分?jǐn)?shù)）和NaClO（5g/L）溶液浸泡，經(jīng)此處理后稻稈酶解液中總糖濃度分別為9.81g/L和23.07g/L[見圖2(a)]。NaClO在對稻稈的預(yù)處理中更為有效，不僅可以用作氧化劑，而且還具有堿性。雙重作用使NaClO 具有破壞酯鍵的能力，有利于去除木質(zhì)素和改善木質(zhì)纖維素生物質(zhì)的孔隙率。本實(shí)驗(yàn)還探索了EaCl∶LAC 和H2O2或NaClO 預(yù)處理順序?qū)︻A(yù)處理效果的影響。在EaCl∶LAC 和H2O2或NaClO 的處理順序研究中，EaCl∶LAC/H2O2和H2O2/EaCl∶LAC 處理后的稻稈酶解液中總還原糖濃度分別為33.57g/L 和32.95g/L。與EaCl∶LAC單獨(dú)處理相比，H2O2組合預(yù)處理并沒有提高總糖濃度。然而，采用EaCl∶LAC/NaClO處理的稻稈酶解液中總糖濃度顯著增加至50.96g/L[圖2(a)]。更換處理順序，NaClO/EaCl∶LAC 預(yù)處理稻稈的總糖量為36.21g/L，僅比EaCl∶LAC單獨(dú)處理時(shí)高4.1g/L。結(jié)果表明：先用EaCl∶LAC 處理、再用NaClO浸泡的組合預(yù)處理方式具有最高的酶解效率，NaClO能夠進(jìn)一步去除稻稈中未被EaCl∶LAC 破壞掉的木質(zhì)素，使纖維素結(jié)構(gòu)更好地暴露，提高了纖維素在酶解中的可及性。

圖2 EaCl∶LAC和NaClO對稻稈預(yù)處理的條件優(yōu)化

對影響EaCl∶LAC/NaClO組合預(yù)處理的各種因素進(jìn)行了優(yōu)化。首先，采用1～5g/L等不同的NaClO添加量。隨著NaClO添加量的增加，酶解液中總糖濃度逐漸增加，當(dāng)NaClO濃度為5g/L時(shí)，可獲得最高的總糖濃度62.78g/L[見圖2(b)]。在10g/L NaClO下，總糖濃度為60.52g/L，僅比50g/L NaClO 時(shí)低2.26g/L。較高的NaClO加載量會增加反應(yīng)器的腐蝕和預(yù)處理成本。因此，10g/L NaClO 的加載量也可滿足組合預(yù)處理要求，其總還原糖濃度滿足丁醇發(fā)酵對糖濃度的要求。其次，通過不同時(shí)間間隔取樣來優(yōu)化NaClO 浸泡處理的時(shí)間。如圖2(c)所示，當(dāng)處理12h 時(shí)酶解液中總糖濃度達(dá)到60g/L，此后隨著時(shí)間的延長，總糖濃度并沒有增加，因此選擇NaClO 處理時(shí)間為12h。最后，優(yōu)化固體（經(jīng)EaCl∶LAC 預(yù)處理的稻稈）與液體（NaClO 溶液）的比例，考察其對處理效果的影響。當(dāng)固液比為1∶8時(shí)，總糖濃度為52.70g/L。進(jìn)一步增加固液比為1∶10、1∶12 和1∶15 時(shí)，總糖濃度分別為59.05g/L、60.46g/L和60.42g/L。因此，選擇固液比為1∶12。綜上，NaClO 處理的最佳條件是將稻稈（經(jīng)EaCl∶LAC預(yù)處理）用10g/L NaClO在固液比為1∶12的條件下浸泡12h。

2.3 組合處理稻稈的結(jié)構(gòu)表征及理化性質(zhì)分析

表1總結(jié)了EaCl∶LAC和NaClO 預(yù)處理前后稻稈組成成分的變化。對于用EaCl∶LAC 和NaClO單獨(dú)處理的稻稈纖維素質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別從31.5%增至50.9%和39.9%。當(dāng)用NaClO/EaCl∶LAC和EaCl∶LAC/NaClO 處理稻稈后，其纖維素質(zhì)量分?jǐn)?shù)進(jìn)一步增至64.9%和76.1%。這表明經(jīng)過組合處理，尤其是經(jīng)過EaCl∶LAC/NaClO 處理后的稻稈中纖維素質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著增加。稻稈經(jīng)EaCl∶LAC/NaClO處理后，半纖維素去除率高達(dá)94.9%，遠(yuǎn)高于經(jīng)EaCl∶LAC 和NaClO 單獨(dú)處理稻稈的66.0%和51.9%。稻稈經(jīng)EaCl∶LAC/NaClO 處理后，酸溶木質(zhì)素質(zhì)量分?jǐn)?shù)從2.5%降低到0.5%，該效果略優(yōu)于EaCl∶LAC 和NaClO 單獨(dú)處理時(shí)的效果（降低至0.9%）；EaCl∶LAC對酸不溶木質(zhì)素沒有明顯的去除效果，NaClO 對酸不溶木質(zhì)素有一定的處理效果（質(zhì)量分?jǐn)?shù)從27.5%降低至21.4%），而經(jīng)兩者組合處理后，酸不溶木質(zhì)素質(zhì)量分?jǐn)?shù)從27.5%降低至15.3%，這極大地彌補(bǔ)了EaCl∶LAC 對酸不溶木質(zhì)素去除效果不佳的劣勢。經(jīng)EaCl∶LAC/NaClO 預(yù)處理后，稻稈中總木質(zhì)素質(zhì)量分?jǐn)?shù)從未處理的30%降至15.8%，脫除了約80.2%的木質(zhì)素，木質(zhì)素去除率遠(yuǎn)高于EaCl∶LAC 單獨(dú)處理時(shí)的43.1%。從此結(jié)果可知，EaCl∶LAC/NaClO 組合預(yù)處理方式可彌補(bǔ)兩者單獨(dú)處理時(shí)半纖維素與木質(zhì)素去除效果不佳的情況，從而使得稻稈中纖維素結(jié)構(gòu)更易與纖維素酶作用。用EaCl∶LAC/NaClO 處理的稻稈的CrI 為60.2%，該數(shù)值為所有測試樣品中最高值（見表1）。結(jié)晶度（CrI）值增加可能是由于去除了半纖維素和木質(zhì)素等無定形組分，這些成分的去除有利于提高纖維素含量[25]。預(yù)處理前后稻稈化學(xué)成分分析表明， 用EaCl∶LAC 和NaClO 組合預(yù)處理可以通過減少半纖維素和木質(zhì)素，顯著增加酶水解中纖維素的可及性，這也與用EaCl∶LAC/NaClO 預(yù)處理的稻稈酶解液中較高的總糖含量一致。

表1 不同方法處理后的水稻秸稈各組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)

通過SEM 分析探討了稻稈預(yù)處理前后的物理性質(zhì)變化。與未處理的稻稈相比，用EaCl∶LAC處理的稻稈表面變得粗糙和皺縮。這是由于部分半纖維素和木質(zhì)素的去除破壞了稻稈表面的立體結(jié)構(gòu)，并暴露出內(nèi)部結(jié)構(gòu)。經(jīng)NaClO處理的稻稈變得疏松，具有更大的比表面積。采用EaCl∶LAC/NaClO 組合處理的稻稈中，表面變得更加疏松多孔，使纖維素更多暴露出來[26]。組合處理前后稻稈表面的差異同樣揭示了半纖維素和木質(zhì)素的高效去除，這有利于增強(qiáng)纖維素的可及性。

圖3 水稻秸稈的SEM圖

2.4 利用稻稈水解液進(jìn)行丁醇發(fā)酵

探索了EaCl∶LAC/NaClO處理后稻稈的高糖酶解液在生物丁醇生產(chǎn)中的應(yīng)用潛力。以Clostridium saccharobutylicum DSM13864 為發(fā)酵菌種，發(fā)酵培養(yǎng)基見2.1 節(jié)，其中實(shí)驗(yàn)組以總糖濃度為60.46g/L的酶解液為碳源，對照組以60.46g/L的葡萄糖為碳源。如圖4所示，發(fā)酵過程中監(jiān)測了溶劑、殘?zhí)呛腿樗犭S發(fā)酵時(shí)間的變化。 以殘?zhí)潜硎綜. saccharobutylicum DSM13864 菌體在發(fā)酵初期的生長情況。在對照組中，發(fā)酵初期菌體快速生長。從12h 開始，菌體開始快速生產(chǎn)丁醇、丙酮和乙醇，直至48h 為止。發(fā)酵72h 后，發(fā)酵液中殘留8.64g/L葡萄糖，共消耗46.98g/L葡萄糖。發(fā)酵過程中產(chǎn)生約10.23g/L 丁醇，產(chǎn)率為0.22g/gglucose，時(shí)空產(chǎn)率為0.14g/(L·h)，總?cè)軇舛冗_(dá)到16.87g/L，產(chǎn)率為0.36g/gglucose，時(shí)空產(chǎn)率為0.23g/(L·h)。對于實(shí)驗(yàn)組，菌體生長在最初12h內(nèi)存在一定的抑制情況。在發(fā)酵初始階段，對照組中監(jiān)測到含有1.92g/L乳酸，并在12h內(nèi)被逐漸消耗；然而在實(shí)驗(yàn)組中乳酸含量為3.69g/L，這可能是菌體生長存在延滯的原因。不過，在發(fā)酵培養(yǎng)12h時(shí)，實(shí)驗(yàn)組中乳酸也被逐漸消耗。從12h開始，實(shí)驗(yàn)組中菌體開始快速生長，并在24h 開始大量產(chǎn)生丁醇、丙酮和乙醇。發(fā)酵72h 后共消耗了約46.73g/L 總糖，發(fā)酵液中丁醇濃度為10.16g/L，產(chǎn)率為0.22g/gtotalsugar，時(shí)空產(chǎn)率為0.14g/(L·h)。同時(shí)，發(fā)酵過程中產(chǎn)生了16.09g/L總?cè)軇?，產(chǎn)率為0.34g/gtotalsugar，時(shí)空產(chǎn)率為0.22 g/(L·h)。丁醇產(chǎn)量高于本文作者課題組前期用[Bmim][Cl]處理的玉米秸稈水解液發(fā)酵水平（7.4g/L）[24]；同時(shí)，總?cè)軇┊a(chǎn)量優(yōu)于Cai 等[27]經(jīng)NaOH 處理后玉米芯水解液發(fā)酵效果（12.2g/L）。綜上，盡管殘留的乳酸對C. saccharobutylicum DSM13864 的生長具有一定的抑制作用，但乳酸可被梭菌利用并解除該抑制作用，利用稻稈酶解液進(jìn)行發(fā)酵產(chǎn)丁醇的濃度和產(chǎn)率與葡萄糖培養(yǎng)基中相似。因此本實(shí)驗(yàn)開發(fā)的EaCl∶LAC/NaClO處理方式，無需外源添加碳源和脫毒處理，可以直接應(yīng)用于丁醇發(fā)酵。本研究通過組合酸性DES EaCl∶LAC和堿性NaClO處理稻稈的方式，極大地提高了稻稈中木質(zhì)素的去除率；在充分發(fā)揮酸堿性在預(yù)處理中佛如優(yōu)勢的同時(shí)，彌補(bǔ)了實(shí)際應(yīng)用中強(qiáng)酸或強(qiáng)堿對于處理設(shè)備強(qiáng)腐蝕性的缺點(diǎn)；EaCl∶LAC的循環(huán)利用極大地降低了預(yù)處理試劑的成本。本研究獲得的稻稈酶解液不需脫毒和添加外源碳源即可用于梭菌發(fā)酵并獲得了較高的丁醇濃度。在實(shí)際應(yīng)用中，可通過選育具有更高丁醇耐受性的菌株以實(shí)現(xiàn)更高的丁醇發(fā)酵濃度。

圖4 C.sacchrobutylicum DSM13864丁醇發(fā)酵

3 結(jié)論

本實(shí)驗(yàn)開發(fā)了一種新的EaCl∶LAC/NaClO組合預(yù)處理方式用于水稻秸稈的預(yù)處理。經(jīng)該方式處理后，稻稈的半纖維素和木質(zhì)素去除率分別高達(dá)94.9%和80.2%。根據(jù)物理表征可知經(jīng)處理后的稻稈表面變得粗糙皺縮和疏松多孔，稻稈內(nèi)部的纖維素更好地暴露出來，處理后稻稈經(jīng)酶解后總糖濃度可高達(dá)60.46g/L，該處理方式極大地增加了稻稈中纖維素在酶解中的可及性。稻稈酶解液可作為Clostridium saccharobutylicum DSM13864發(fā)酵生產(chǎn)丁醇的碳源，最終丁醇濃度為10.16g/L，產(chǎn)率0.22g/gtotalsugar，時(shí)空產(chǎn)率0.14 g/(L·h)，與葡萄糖為碳源的培養(yǎng)基水平相當(dāng)。本實(shí)驗(yàn)為木質(zhì)纖維素生物質(zhì)的綜合利用提供了一種高效的預(yù)處理方式，所獲得的水解液總糖濃度較高，且無需脫毒處理可直接用于丁醇發(fā)酵。