氨水浸泡稻草秸稈對(duì)纖維素酶解產(chǎn)糖的影響

孫憲迅，孫憲猛，韓 雪，孫齊英

（1.江漢大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，湖北 武漢430056；2.湖北省豆類(lèi)（蔬菜）植物工程技術(shù)研究中心，湖北 武漢430056；3.湖北國(guó)有林場(chǎng)工作站，湖北 武漢430056）

隨著石油資源日益枯竭，人們將目光轉(zhuǎn)向可再生能源——纖維乙醇［1－4］。稻草秸稈是一種重要的生物資源，主要由纖維素、半纖維素和木質(zhì)素組成，其中木質(zhì)素對(duì)纖維素的包覆作用以及結(jié)晶纖維素的致密結(jié)構(gòu)使纖維素酶解嚴(yán)重受限，不經(jīng)預(yù)處理時(shí)糖化率很低，一般理論得率在20%以下［4］。國(guó)內(nèi)外開(kāi)展了稻草秸稈預(yù)處理研究，包括粉碎、酸、堿、蒸汽爆破、超聲等多種預(yù)處理方法［5－8］，但這些預(yù)處理方法往往需要高溫高壓，能耗大，成本高。目前，針對(duì)玉米秸稈和大麥秸稈的研究較多，對(duì)稻草秸稈研究較少，其中氨水預(yù)處理對(duì)稻草秸稈后續(xù)酶解的影響報(bào)道更少［9－10］。作者在此研究常壓下稻草秸稈粉粒度、氨水質(zhì)量分?jǐn)?shù)、預(yù)處理時(shí)間、預(yù)處理溫度、液固比等因素對(duì)稻草秸稈酶解糖化的影響，以期為稻草秸稈乙醇化工藝提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 材料

稻草秸稈取自武漢郊區(qū)農(nóng)田，風(fēng)干，粉碎，備用。稻草秸稈組成：纖維素42.1%，半纖維素27.9%，木質(zhì)素5.96%。

1.2 稻草秸稈的預(yù)處理

取烘干粉碎后的稻草秸稈粉1g裝入燒杯，加適量氨水與稻草秸稈粉充分混勻，于一定條件下進(jìn)行預(yù)處理。分別考察稻草秸稈粉粒度（20目、40目、60目、80目、100目、120目）、氨水質(zhì)量分?jǐn)?shù)（8%、10%、12%、14%、16%、18%）、液固比（3∶1、5∶1、7∶1、9∶1、11∶1、13∶1）、預(yù)處理溫度（30℃、40℃、50℃、60℃、70℃、80℃）、預(yù)處理時(shí)間（10h、15h、20h、25h、30h、35h、40h、45h）等5個(gè)因素對(duì)稻草秸稈酶解糖化的影響。預(yù)處理后的稻草秸稈加入200mL去離子水充分混勻，過(guò)濾，濾餅用去離子水反復(fù)洗至中性，烘干至恒質(zhì)量。

1.3 酶解反應(yīng)

為了檢驗(yàn)不同的預(yù)處理?xiàng)l件對(duì)纖維素酶降解稻草秸稈過(guò)程所產(chǎn)生的影響，進(jìn)行酶解反應(yīng)。

稱(chēng)取1.0g預(yù)處理后稻草秸稈粉，按25FPU·（g試樣）－1加入纖維素酶溶液和pH值為4.8的0.05 mol·L－1檸檬酸鈉緩沖溶液，使底物濃度為5%，于50℃水浴振蕩器內(nèi)反應(yīng)48h，過(guò)濾，濾液經(jīng)適當(dāng)稀釋后測(cè)定還原糖含量。

1.4 分析與檢測(cè)

還原糖含量采用3，5－二硝基水楊酸法（DNS法）測(cè)定［11］，按下式計(jì)算糖化率：

纖維素、半纖維素含量測(cè)定方法見(jiàn)文獻(xiàn)［11－12］。

2 結(jié)果與討論

2.1 稻草秸稈粉粒度對(duì)酶解糖化的影響

取粉碎后稻草秸稈粉分別過(guò)20～120目篩子，各取1g稻草秸稈粉直接用纖維素酶水解，結(jié)果如圖l所示。

圖1 稻草秸稈粉粒度對(duì)酶解糖化的影響Fig.1 Effect of size of rice straw powder on rice straw enzymatic saccharification

由圖1可知，隨著稻草秸稈粉碎程度的增大，糖化率逐漸升高。稻草秸稈粉粒度從20目增加到60目時(shí)，糖化率明顯上升，而從60目增加到120目時(shí)，糖化率升幅緩慢。稻草秸稈粉碎時(shí)部分破壞了晶體纖維素和木質(zhì)素的結(jié)構(gòu)，使纖維素能與酶接觸，充分酶解。隨著稻草秸稈粉碎程度的增大，酶與底物接觸面積增大，因此，后續(xù)酶解液中還原糖含量逐漸增加，但過(guò)小的顆粒會(huì)增加能耗，考慮到加工成本，選擇稻草秸稈粉粒度為60目。

2.2 氨水質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)稻草秸稈酶解糖化的影響

取過(guò)60目篩的稻草秸稈粉分別用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8%、10%、12%、14%、16%、18%的氨水按液固比9∶1處理35h后進(jìn)行酶解，結(jié)果如圖2所示。

圖2 氨水質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)稻草秸稈酶解糖化的影響Fig.2 Effect of aqueous ammonia mass fraction on rice straw enzymatic saccharification

由圖2可知，隨著氨水質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大，糖化率先升高后降低，氨水質(zhì)量分?jǐn)?shù)為14%時(shí)糖化率最高。氨水能破壞生物質(zhì)中木質(zhì)素和晶體纖維素的結(jié)構(gòu)，使纖維素和半纖維素能與酶充分接觸，提高糖化率，同時(shí)又會(huì)引起纖維素及半纖維素部分分解破壞，使得后續(xù)酶解液中還原糖含量減少，造成糖化率降低。因此，選擇適宜的氨水質(zhì)量分?jǐn)?shù)為14%。

2.3 預(yù)處理時(shí)間對(duì)稻草秸稈酶解糖化的影響

取過(guò)60目篩的稻草秸稈粉經(jīng)14%氨水處理不同時(shí)間后進(jìn)行酶解，結(jié)果如圖3所示。

圖3 預(yù)處理時(shí)間對(duì)稻草秸稈酶解糖化的影響Fig.3 Effect of pretreatment time on rice straw enzymatic saccharification

由圖3可知，稻草秸稈糖化率隨預(yù)處理時(shí)間的延長(zhǎng)而逐漸上升；但超過(guò)35h后，酶解糖化率反而下降。其原因可能是氨水預(yù)處理時(shí)間過(guò)長(zhǎng)會(huì)引起纖維素及半纖維素部分分解破壞，使得后續(xù)酶解液中還原糖含量逐漸減少，造成糖化率降低。因此，選擇適宜的氨水預(yù)處理時(shí)間為35h。

2.4 預(yù)處理溫度對(duì)稻草秸稈酶解糖化的影響

取過(guò)60目篩的稻草秸稈粉，用14%氨水按液固比9∶1在不同溫度下預(yù)處理35h后進(jìn)行酶解，結(jié)果如圖4所示。

圖4 預(yù)處理溫度對(duì)稻草秸稈酶解糖化的影響Fig.4 Effect of pretreatment temperature on rice straw enzymatic saccharification

由圖4可知，稻草秸稈糖化率隨預(yù)處理溫度的上升先升高后降低；當(dāng)溫度升到50℃時(shí)，糖化率達(dá)到最高，之后反而有所下降。其原因可能是預(yù)處理溫度過(guò)高會(huì)引起纖維素及半纖維素部分分解破壞，使得后續(xù)酶解液中還原糖含量減少，造成糖化率降低。因此，選擇適宜的預(yù)處理溫度為50℃。

2.5 液固比對(duì)稻草秸稈酶解糖化的影響

取過(guò)60目篩的稻草秸稈粉，用14%氨水分別按液固比3∶1、5∶1、7∶1、9∶1、11∶1、13∶1于50℃預(yù)處理35h后進(jìn)行酶解，結(jié)果如圖5所示。

由圖5可知，液固比從3∶1上升到9∶1時(shí)，稻草秸稈的酶解糖化率上升明顯；從9∶1上升到13∶1時(shí)，糖化率基本不變。說(shuō)明加大氨水的量，氨水與稻草秸稈中的木質(zhì)素作用更完全，有利于后續(xù)的酶解作用，但氨水過(guò)量時(shí)效果不明顯。因此，選擇適宜的液固比為9∶1。

2.6 預(yù)處理對(duì)稻草秸稈組成及酶解糖化的影響

取60目稻草秸稈粉用14%氨水按液固比9∶1在50℃處理35h后洗滌干燥，測(cè)定其組成并進(jìn)行酶解反應(yīng)，并與未處理時(shí)進(jìn)行比較，結(jié)果見(jiàn)表1。

圖5 液固比對(duì)稻草秸稈酶解糖化的影響Fig.5 Effect of liquid－solid ratio on rice straw enzymatic saccharification

表1 稻草秸稈預(yù)處理前后的組成及酶解糖化比較Tab.1 The comparison of composition and enzymatic sacharification of rice straws before and after pretratment

氨水預(yù)處理的目的主要是通過(guò)氨水去除稻草秸稈中部分木質(zhì)素，同時(shí)部分破壞纖維素的晶體結(jié)構(gòu)，增加稻草秸稈粉的纖維素含量和孔隙度，從而有利于后續(xù)的酶解。稻草秸稈粉未處理時(shí)，酶解糖化液中還原糖含量只有221.53mg·g－1、糖化率只有29.32%；經(jīng)氨水預(yù)處理后酶解糖化液中還原糖含量高達(dá)608.88mg·g－1、糖化率達(dá)到61.42%，是未處理的2倍多。但氨水預(yù)處理稻草秸稈粉也造成了纖維素和半纖維的少量損失。

3 結(jié)論

（1）氨水預(yù)處理稻草秸稈對(duì)其化學(xué)成分及結(jié)構(gòu)有一定的影響，能除去部分木質(zhì)素，使纖維素含量提高、結(jié)晶成分減少、纖維素與物料接觸面積增大，有利于稻草秸稈的酶解產(chǎn)糖。

（2）適宜的氨水預(yù)處理?xiàng)l件為：稻草秸稈粉碎至60目，用14%氨水按液固比9∶1在50℃處理35h，糖化率達(dá)61.42%。

（3）本方法是在室溫常壓下對(duì)稻草秸稈進(jìn)行預(yù)處理，與報(bào)道的高溫氨爆、加溫浸泡相比，具有能耗小、設(shè)備要求低、環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)。

［1］GOH C S，TAN K T，LEE K T，et al.Bio－ethanol from lignocellulose：Status，perspectives and challenges in Malaysia［J］.Bioresour Technol，2010，101（13）：4834－4841.

［2］WYMAN C E，DALE B E，ELANDER R T，et al.Coordinated development of leading biomass pretreatment technologies［J］.Bioresour Technol，2005，96（18）：1959－1966.

［3］CARVALHEIRO F，DUARTE L C，GIRIO F M.Hemicellulose biorefineries：A review on biomass pretreatments［J］.J Sci Ind Res，2008，67（11）：849－864.

［4］VELMURUGAN R，MUTHUKUMAR K.Utilization of sugarcane bagasse for bioethanol production：Sono－assisted acid hydrolysis approach［J］.Bioresour Technol，2011，102（14）：7119－7123.

［5］KUMAR P，BARRETT D M，DELWICHE M J，et al.Methods for pretreatment of lignocellulosic biomass for efficient hydrolysis and biofuel production［J］.Ind Eng Chem Res，2009，48（8）：3713－3729.

［6］BAK J S，KO J K，HAN Y H，et al.Improved enzymatic hydrolysis yield of rice straw using electron beam irradiation pretreatment［J］.Bioresour Technol，2009，100（3）：1285－1290.

［7］BINOD P，SINDHU R，SINGHANIA R R，et al.Bioethanol production from rice straw：An overview［J］.Bioresour Technol，2010，101（13）：4767－4774.

［8］KARIMI K，KHERADMANDINIA S，TAHERZADEH M J.Conversion of rice straw to sugars by dilute－acid hydrolysis［J］.Biomass Bioenergy，2006，30（3）：247－253.

［9］KIM J W，KIM K S，LEE J S，et al.Two－stage pretreatment of rice straw using aqueous ammonia and dilute acid［J］.Bioresour Technol，2011，102（19）：8992－8999.

［10］KO J K，BAK J S，JUNG M W，et al.Ethanol production from rice straw using optimized aqueous－ammonia soaking pretreatment and simultaneous saccharification and fermentation processes［J］.Bioresour Technol，2009，100（19）：4374－4380.

［11］ZHONG C，LAU M W，BALAN V，et al.Optimization of enzymatic hydrolysis and ethanol fermentation from AFEX－treated rice straw［J］.Appl Microbiol biotechnol，2009，84（4）：667－676.

［12］ZHANG Y H P，SCHELL D J，MCMILLAN J D.Methodological analysis for determination of enzymatic digestibility of cellulosic materials［J］.Biotechnol Bioeng，2007，96（1）：188－194.