麥稈鹽酸預(yù)處理對(duì)酶解產(chǎn)糖的影響

李巖巖 孫德鋒 朱宜航 楊甜珍 宮貴貞

摘? ?要：以不同濃度的鹽酸對(duì)小麥秸稈進(jìn)行預(yù)處理，探究酸預(yù)處理秸稈的酸濃度、溫度對(duì)小麥秸稈酶解糖化率的影響，并用DNS比色法測(cè)定還原糖。結(jié)果表明，酸預(yù)處理的酸濃度越大和預(yù)處理過程中的溫度越高，產(chǎn)糖效果越好，0.8 mol/L HCl在80 ℃高溫下處理小麥秸稈1 h，木質(zhì)素去除率可達(dá)71.8%。酶解后溶液中還原糖質(zhì)量濃度顯著提高，達(dá)5.667 g/L。

關(guān)鍵詞：麥稈;預(yù)處理;酶解;還原糖

隨著時(shí)代的變遷、社會(huì)的日益發(fā)展，人類對(duì)能源的需求量進(jìn)一步增大。我國雖領(lǐng)土遼闊，但油氣和煤炭一類的礦物能源儲(chǔ)存量并不豐富，能源的短缺成為我國經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的一大短板。我國是農(nóng)業(yè)大國，小麥資源尤其豐富，小麥?zhǔn)崭詈螽a(chǎn)生的秸稈產(chǎn)量巨大，但在國內(nèi)的利用效率低下。目前，我國小麥秸稈的綜合利用途徑主要有5種：（1）就地焚燒秸稈還田。（2）秸稈飼料。（3）作為生物質(zhì)能源。（4）作為工業(yè)原料。（5）秸稈基質(zhì)。木質(zhì)纖維素是秸稈細(xì)胞細(xì)胞壁的主要成分，也是生產(chǎn)生物質(zhì)能源的主要材料。木質(zhì)纖維素的主要組成有纖維素、半纖維素和木質(zhì)素，其中，因?yàn)槔w維素本身具有晶體結(jié)構(gòu)，木質(zhì)素在外形成保護(hù)屏障，致使酶接近纖維素表面產(chǎn)生障礙，發(fā)生化學(xué)反應(yīng)效率不高。故生物質(zhì)原料的高效利用，首先需要通過預(yù)處理去除其中的木質(zhì)素[1-3]，進(jìn)一步打破纖維素的晶體結(jié)構(gòu)，增加其可觸面[4]。本課題以鹽酸為預(yù)處理劑，對(duì)麥稈進(jìn)行預(yù)處理，并考察預(yù)處理?xiàng)l件對(duì)酶解產(chǎn)糖的影響。

1? ? 實(shí)驗(yàn)

1.1? 材料與試劑

小麥秸稈采自江蘇泰興農(nóng)田，用去離子水洗凈，自然風(fēng)干，經(jīng)粉碎機(jī)粉碎后過60目篩。再將試樣置于真空干燥箱中，于85 ℃干燥至恒重，保存于樣品瓶備用，所用試劑均為市售分析純?cè)噭?/p>

1.2? 儀器與設(shè)備

所用主要儀器設(shè)備是上海亞榮生化儀器廠生產(chǎn)的RE52CS-1型旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀，山東鄄城華魯電熱儀器有限公司生產(chǎn)的DHT型攪拌調(diào)溫電熱套，上海賀德實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司生產(chǎn)的DZF6020型真空干燥箱，紫外可見分光光度計(jì)。

1.3? 方法

實(shí)驗(yàn)流程如圖1所示。

1.3.1? 預(yù)處理

準(zhǔn)確稱取幾份干燥的小麥秸稈原料1.00 g，放置于200 mL燒杯中，分別加入濃度為0.2～0.8 mol/L的100 mL HCl，用超聲波超聲30 min后，將其置于數(shù)顯恒溫水浴鍋中，于30～80 ℃下攪拌反應(yīng)1 h，反應(yīng)完畢抽濾，棄去濾液，濾渣稱重分析成分后，留待下步酶解反應(yīng)。

1.3.2? 纖維素酶水解

取適量經(jīng)過預(yù)處理的纖維素濾渣，置于250 mL碘量瓶中，配制成質(zhì)量濃度為0.08 g/L的溶液，用0.1 mol/L醋酸-醋酸鈉緩沖液調(diào)節(jié)至pH=4.8，酶質(zhì)量濃度為39 FPU/g（底物），在60 ℃下水解，反應(yīng)6 h，用冰水浴降溫，離心脫色后，稀釋酶解液采用DNS比色法測(cè)還原糖質(zhì)量濃度。

1.3.3? 還原糖質(zhì)量濃度的測(cè)定

還原糖質(zhì)量濃度使用UV751GD型紫外可見分光光度計(jì)測(cè)定。取6支25 mL試管，配制不同葡萄糖質(zhì)量濃度的溶液。依次充分搖勻，在100 ℃水浴中加熱至顏色出現(xiàn)，用冰水冷卻，并使用去離子水稀釋至刻度25 mL，再次搖晃均勻。使用UV751GD型紫外可見分光光度計(jì)在540 nm下比色，以0號(hào)管作為對(duì)照，并調(diào)零，測(cè)出1—6號(hào)試管的吸光度數(shù)值。以葡萄糖質(zhì)量濃度為橫坐標(biāo)，吸光度值為縱坐標(biāo)繪制葡萄糖標(biāo)準(zhǔn)曲線。

分別取2 mL待測(cè)液于兩支25 mL刻度試管中，然后各加3，5-二硝基水楊酸1.5 mL。其余操作與制作葡萄糖標(biāo)準(zhǔn)曲線時(shí)相同。測(cè)定各管吸光度。以上述還原糖待測(cè)液的吸光度平均值，在標(biāo)準(zhǔn)曲線上查出相應(yīng)的還原糖毫克數(shù)。按下式計(jì)算樣品中還原糖的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

還原糖=[取樣體積（mL）/樣品質(zhì)量（mg）]×100%

2? ? 結(jié)果與分析

2.1? 鹽酸濃度對(duì)麥稈預(yù)處理的影響

圖2為鹽酸濃度對(duì)麥稈預(yù)處理的影響。鹽酸濃度分別為0.2 mol/L、0.4 mol/L、0.6 mol/L、0.8 mol/L，于80 ℃水浴中反應(yīng)1 h，測(cè)定麥稈中纖維素、半纖維素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)及木質(zhì)素的脫出率。從圖2可知，隨著鹽酸濃度的增加，麥稈中的纖維素和半纖維素逐漸減少，而木質(zhì)素的脫除率逐漸上升，0.8 mol/L時(shí)木質(zhì)素脫出率達(dá)71.9%。鹽酸主要使麥稈中的木質(zhì)素發(fā)生分解，生成小分子，進(jìn)入水中被去除。對(duì)纖維素和半纖維素破壞不大，保留率較高。

2.2? 溫度對(duì)麥稈預(yù)處理的影響

圖3為鹽酸濃度為0.8 mol/L，超聲30 min后，分別在30 ℃、60 ℃、80 ℃水浴中繼續(xù)反應(yīng)1 h，麥稈中3種主要組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)情況。

從圖3可知，溫度對(duì)小麥秸稈的預(yù)處理效果顯著。隨著溫度的升高，小麥秸稈的木質(zhì)素脫除率逐漸增加，半纖維素和纖維素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸減少。即隨著溫度的升高，纖維素和半纖維素也發(fā)生了不同程度的分解，使之在麥稈中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低。

2.3? 鹽酸濃度和處理溫度對(duì)小麥秸稈產(chǎn)糖的影響

鹽酸濃度分別為0.2 mol/L、0.4 mol/L、0.6 mol/L、0.8 mol/L，圖4為超聲30 min后分別在30 ℃、60 ℃、80 ℃水浴中處理1 h，再經(jīng)酶解制備還原糖的情況。

從圖4可知，隨著反應(yīng)溫度的升高和預(yù)處理所用鹽酸濃度的增大，所得還原糖的量也增大，在預(yù)處理時(shí)，鹽酸濃度為0.8 mol/L，在反應(yīng)溫度為80 ℃下進(jìn)行的酶解所得產(chǎn)糖率達(dá)5.667 g/L。由濃度的影響和溫度的影響可知，在預(yù)處理時(shí)鹽酸濃度越大和反應(yīng)溫度越高，木質(zhì)素脫除率越高，秸稈結(jié)構(gòu)破壞越嚴(yán)重，酶解時(shí)纖維素更易于發(fā)生反應(yīng)，故產(chǎn)糖率越高。

3? ? 結(jié)語

用鹽酸對(duì)麥稈進(jìn)行預(yù)處理，考察了鹽酸濃度和溫度對(duì)預(yù)處理的影響，發(fā)現(xiàn)鹽酸濃度的增大和溫度的升高對(duì)纖維素、半纖維的保留率和木質(zhì)素的脫除率影響愈加明顯，用0.8 mol/L HCl在80 ℃高溫下處理小麥秸稈1 h，木質(zhì)素的去除率可達(dá)71.8%，酶解后溶液中還原糖質(zhì)量濃度顯著提高，達(dá)5.667 g/L。

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