劉雯雯， 梁 龍， 沈葵忠,2*， 房桂干， 田慶文

(1. 中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院 林產(chǎn)化學(xué)工業(yè)研究所；生物質(zhì)化學(xué)利用國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室；國(guó)家林業(yè)局 林產(chǎn)化學(xué)工程重點(diǎn)開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)室；江蘇省 生物質(zhì)能源與材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 江蘇 南京 210042； 2. 中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院 林業(yè)新技術(shù)研究所， 北京 100091)

·研究報(bào)告——生物質(zhì)材料·

NaOH/AQ預(yù)處理對(duì)玉米秸稈脫木質(zhì)素及酶解性能的影響

劉雯雯1，2， 梁 龍1， 沈葵忠1,2*， 房桂干1， 田慶文1

(1. 中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院 林產(chǎn)化學(xué)工業(yè)研究所；生物質(zhì)化學(xué)利用國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室；國(guó)家林業(yè)局 林產(chǎn)化學(xué)工程重點(diǎn)開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)室；江蘇省 生物質(zhì)能源與材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 江蘇 南京 210042； 2. 中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院 林業(yè)新技術(shù)研究所， 北京 100091)

對(duì)玉米秸稈進(jìn)行氫氧化鈉/蒽醌(NaOH/AQ)去木質(zhì)化預(yù)處理，考察了預(yù)處理溫度、 時(shí)間和NaOH用量對(duì)玉米秸稈脫木質(zhì)素程度的影響，并探討了脫木質(zhì)素程度對(duì)提高預(yù)處理后物料酶解性能的影響。L9(34)正交試驗(yàn)得出較適宜預(yù)處理工藝條件為：溫度160 ℃，時(shí)間60 min，NaOH用量(以絕干原料質(zhì)量計(jì))2.8 %；其他條件為AQ用量0.05 %，固液比1∶5(g∶mL)，此時(shí)木質(zhì)素脫除率為75 %，酶解后聚糖轉(zhuǎn)化率達(dá)到73.79 %。隨著物料脫木質(zhì)素程度的提高，其酶解效率相應(yīng)增加；當(dāng)木質(zhì)素脫除率達(dá)到一定程度后，預(yù)處理后的聚糖轉(zhuǎn)化率達(dá)到最大值，繼續(xù)提高木質(zhì)素脫除率，聚糖轉(zhuǎn)化率反而降低。響應(yīng)面優(yōu)化的酶水解工藝條件為纖維素酶用量30 FPU/g，β-葡萄糖苷酶10 IU/g，反應(yīng)時(shí)間72 h，溫度50 ℃，底物質(zhì)量分?jǐn)?shù)2.5 %，此時(shí)還原糖得率為85.62 %。對(duì)酶解液進(jìn)行HPLC分析，酶解液中的葡萄糖質(zhì)量濃度為14.83 g/L，木糖質(zhì)量濃度為4.83 g/L。XRD分析顯示，預(yù)處理前后纖維素的晶型沒(méi)有變化，而結(jié)晶度由31.40 %提高至46.91 %，表明物料中木質(zhì)素和半纖維素發(fā)生了不同程度的溶出。

玉米秸稈；NaOH/AQ預(yù)處理；酶水解；聚糖轉(zhuǎn)化率

自然界中生物質(zhì)資源儲(chǔ)量豐富，地球上的植物每年通過(guò)光合作用所固定的碳可達(dá)到2×1011t，能量高達(dá)3×1021J[1]。生物質(zhì)原料通過(guò)物理法、 化學(xué)法、 生物酶解法等方法可轉(zhuǎn)化為低聚糖或可發(fā)酵糖，并可進(jìn)一步制備得到生物基材料或燃料乙醇等高附加值產(chǎn)品，減少人類(lèi)對(duì)化石燃料的依賴(lài)[2]。在生物質(zhì)的多種預(yù)處理方法中，生物酶解法由于具有高效、 低污染、 低能耗等優(yōu)勢(shì)而被廣泛研究和應(yīng)用[3]。生物質(zhì)原料主要由纖維素、 半纖維素、 木質(zhì)素和少量的果膠組成，其中，纖維素大分子是由葡萄糖通過(guò)β-1,4糖苷鍵聯(lián)結(jié)而成的線性高分子聚合物，常以結(jié)晶的聚集態(tài)存在；半纖維素與木質(zhì)素相互交聯(lián)形成致密的保護(hù)層，覆蓋于纖維素表面，加上生物質(zhì)的復(fù)雜結(jié)構(gòu)和天然不均一性，阻礙了生物酶對(duì)纖維素的可及性，構(gòu)成了生物質(zhì)酶解過(guò)程中的屏障，降低了生物質(zhì)原料酶解轉(zhuǎn)化效率[4-5]。為了提高生物質(zhì)原料的酶解轉(zhuǎn)化率，研究者們開(kāi)發(fā)出各種預(yù)處理方法，如稀酸預(yù)處理、 堿預(yù)處理和亞硫酸鹽預(yù)處理等，其中堿預(yù)處理在脫除木質(zhì)素、 增加孔隙率、 提高酶對(duì)纖維素的可及度、 減少酶解抑制物等方面具有明顯優(yōu)勢(shì)，成為有效的預(yù)處理方法之一，受到越來(lái)越多的關(guān)注[5-9]。堿預(yù)處理常用的試劑有氫氧化鈉、 碳酸鈉、 氨和石灰等[10]，其中，NaOH最為常用。影響NaOH脫木質(zhì)素的因素很多，主要有反應(yīng)溫度、 時(shí)間、 堿用量和固液比等，采用不同預(yù)處理?xiàng)l件，會(huì)使樣品的脫木質(zhì)素程度不同，進(jìn)而對(duì)后續(xù)酶解產(chǎn)生不同的影響。Wang等[11]研究了百慕大海草在不同NaOH用量(0.75 %～3 %)預(yù)處理前后結(jié)構(gòu)和化學(xué)組分的變化，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在NaOH用量1 %以上時(shí)實(shí)現(xiàn)了明顯的去木質(zhì)化作用。蒽醌(AQ)或蒽醌衍生物是目前使用最多的有機(jī)氧化助劑，在堿性溶液中可降低脫木質(zhì)素的活化能，提高脫木質(zhì)素速率并加深脫木質(zhì)素程度，在蔗渣清潔制漿中取得了良好的效果[12]。本研究使用氫氧化鈉/蒽醌(NaOH/AQ)對(duì)玉米秸稈進(jìn)行去木質(zhì)化預(yù)處理，以木質(zhì)素脫除率和聚糖轉(zhuǎn)化率為考察指標(biāo)，采用單因素和正交試驗(yàn)對(duì)預(yù)處理?xiàng)l件進(jìn)行了優(yōu)化，并探討了玉米秸稈NaOH/AQ預(yù)處理過(guò)程中木質(zhì)素脫除率對(duì)提高后續(xù)酶解效率的影響，旨在探索低成本、 高效率的堿預(yù)處理工藝，為生物質(zhì)大規(guī)模聯(lián)合利用提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 原料、試劑及儀器

玉米秸稈(山東日照)，全稈運(yùn)輸至南京實(shí)驗(yàn)室，去葉后按相應(yīng)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)分析原料組分，結(jié)果為水分9.96 %、 纖維素(硝酸乙醇法)36.51 %、 聚戊糖23.38 %、 酸不溶木質(zhì)素(Klason法)17.57 %、 酸溶木質(zhì)素1.95 %、 苯醇抽出物7.01 %、 灰分3.62 %。原料經(jīng)去葉洗滌、 切斷、 粉碎，篩選出粒徑0.18～0.85 mm的部分分裝保存于聚氯乙烯塑料袋中，于0～5 ℃冷藏保存，備用。3,5-二硝基水楊酸(DNS)、 酒石酸鉀鈉、 無(wú)水亞硫酸鈉、 苯酚、 葡萄糖，均為分析純。纖維素酶(Celluclast 1.5 L, 酶活127 FPU/mL)和β-葡萄糖苷酶(Novozyme 188,酶活350 IU/mL)來(lái)自Novozymes公司，酶活按文獻(xiàn)[13]提供的方法測(cè)定。

T6新世紀(jì)紫外分光光度計(jì)，北京普析通用儀器有限公司；Agilent 1100液相色譜儀，美國(guó)安捷倫公司；Aminex HPX-87P、 Aminex HPX-87H糖色譜柱，美國(guó)伯樂(lè)公司；D8-FOCUS型X射線衍射儀，德國(guó)布魯克公司。

1.2 NaOH/AQ預(yù)處理過(guò)程及優(yōu)化

先將樣品取出平衡水分并測(cè)定干度。然后取150 g絕干原料放入3 L蒸煮罐中，加入1.2 %～4.4 % NaOH(以絕干原料質(zhì)量計(jì))和0.05 %蒽醌(以絕干原料質(zhì)量計(jì))，并補(bǔ)充水分至絕干原料與水分固液比1∶5(g∶mL，下同),然后將蒸煮罐置于空氣浴中，加熱，由20 ℃經(jīng)60 min升至140～180 ℃，然后保溫15～120 min進(jìn)行反應(yīng)。反應(yīng)結(jié)束后轉(zhuǎn)移物料至37.4 μm濾袋中擠出并收集液體，供分析預(yù)處理液組分；洗滌預(yù)處理后固體物料(簡(jiǎn)稱(chēng)物料)至洗出液呈中性，固體物料經(jīng)離心并擠壓脫水、打散后放入聚乙烯袋中密封平衡水分，冷藏，供化學(xué)分析和酶水解使用。

在單因素試驗(yàn)基礎(chǔ)上，采用L9(34)正交試驗(yàn)進(jìn)行工藝條件優(yōu)化，選擇NaOH用量、 預(yù)處理時(shí)間和預(yù)處理溫度3個(gè)因素，固定固液比1∶5和AQ用量0.05 %。

1.3 酶水解實(shí)驗(yàn)及響應(yīng)曲面優(yōu)化

取NaOH/AQ預(yù)處理后的物料，采用纖維素酶(Celluclast 1.5 L)和β-葡萄糖苷酶(Novozyme 188)進(jìn)行酶解。分別取1 g絕干物料放入250 mL的錐形瓶中，按固液比1∶40加水，然后分別加入30 FPU/g纖維素酶(以絕干原料質(zhì)量計(jì)，下同)和10 IU/gβ-葡萄糖苷酶，用1 mol/L的乙酸-乙酸鈉緩沖溶液調(diào)節(jié)pH值至4.8。酶解實(shí)驗(yàn)在50 ℃恒溫培養(yǎng)振蕩器中進(jìn)行，在轉(zhuǎn)速130 r/min下振蕩72 h；酶解結(jié)束后，加熱試樣使酶失活，冷卻后放入高速離心機(jī)中離心5 min，過(guò)濾分離酶解液和殘?jiān)Ｃ附庖河脕?lái)測(cè)定還原糖得率、 糖組分和酸溶木質(zhì)素含量。

在前期實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，選取纖維素酶用量、 反應(yīng)時(shí)間、 反應(yīng)溫度作為Box-Behnken設(shè)計(jì)的自變量，聚糖轉(zhuǎn)化率為響應(yīng)值，采用3因素3水平的響應(yīng)面分析方法優(yōu)化酶解條件，進(jìn)行中心組合優(yōu)化試驗(yàn)。

1.4 分析表征

1.4.1 原料和物料的組分分析 原料和預(yù)處理后物料中的酸不溶木質(zhì)素、 酸溶木質(zhì)素及其他組分按照美國(guó)NREL方法進(jìn)行分析[14-15]。

1.4.2 木質(zhì)素脫除率 木質(zhì)素脫除率由預(yù)處理前后固體物料的總木質(zhì)素質(zhì)量分?jǐn)?shù)計(jì)算獲得，見(jiàn)式(1)：

(1)

式中：RL—木質(zhì)素脫除率，%；L1—原料中總木質(zhì)素質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；L2—預(yù)處理后物料中總木質(zhì)素質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%。

由于玉米秸稈為禾本科原料，含有較多酸溶木質(zhì)素，式中的原料和預(yù)處理后物料的總木質(zhì)素質(zhì)量分?jǐn)?shù)均包括酸不溶木質(zhì)素和酸溶木質(zhì)素。

1.4.3 糖組分及總糖轉(zhuǎn)化率的測(cè)定 采用Agilent 1100色譜儀以及Aminex HPX-87P色譜柱檢測(cè)酶解液的糖組分，主要是葡萄糖和木糖。原料中糖組分的分析按照文獻(xiàn)[14]的方法，預(yù)處理后物料酶解液中的糖組分分析按照文獻(xiàn)[15]的方法。 色譜檢測(cè)條件：柱溫80 ℃，流量為0.6 mL/min，進(jìn)樣量10～50 μL，HPLC級(jí)水作為流動(dòng)相，檢測(cè)器采用示差折光檢測(cè)器(RI)。

1.4.4 還原糖得率及聚糖轉(zhuǎn)化率的測(cè)定 按照文獻(xiàn)[16]的方法繪制還原糖質(zhì)量濃度標(biāo)準(zhǔn)曲線，經(jīng)擬合獲得還原糖質(zhì)量濃度和吸光度關(guān)系方程，見(jiàn)公式(2)，其中R2=0.995，并通過(guò)公式(3)計(jì)算還原糖得率。

A=1.753C+0.001

(2)

(3)

式中：C—還原糖質(zhì)量濃度，g/L；A—吸光度；YR—還原糖產(chǎn)率，%；m1—預(yù)處理后物料絕干質(zhì)量，g；V—水解液總體積，L；n—測(cè)定還原糖質(zhì)量濃度時(shí)稀釋的倍數(shù)。

聚糖轉(zhuǎn)化率是指原料的纖維素和半纖維素轉(zhuǎn)化成葡萄糖和木糖的轉(zhuǎn)化率，可以通過(guò)測(cè)定酶解后還原糖得率計(jì)算獲得[16]，具體計(jì)算公式見(jiàn)式(4)：

(4)

式中：YC—聚糖轉(zhuǎn)化率，%；y—預(yù)處理后物料得率，%；YT—還原糖的理論得率，%(針對(duì)纖維素水解得到葡萄糖時(shí)，YT=111.1 %，針對(duì)聚戊糖水解得到木糖時(shí)，YT=113.6 %，YT根據(jù)原料中葡萄糖和木糖的比例進(jìn)行取值)；yc—原料中的聚糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)為原料中纖維素和聚戊糖之和， 59.89 %。

1.4.5 結(jié)晶度分析 玉米秸稈原料和預(yù)處理后固體物料采用梯度乙醇逐級(jí)脫水，再進(jìn)行低溫真空干燥和研磨，所得樣品的結(jié)晶度用X 射線衍射儀采用分峰法測(cè)定。測(cè)試條件：用Cu的Kα譜線和Ni作為輻射源，λ=0.154 nm，電壓10 kV，測(cè)角儀的移動(dòng)速度為2(°)/min。結(jié)晶度計(jì)算見(jiàn)式(5)：

(5)

式中：ICr—結(jié)晶度指數(shù)，%；I002—002晶面的最大衍射強(qiáng)度；Iam—非結(jié)晶背景衍射的散射強(qiáng)度。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同預(yù)處理?xiàng)l件對(duì)木質(zhì)素脫除率和酶解的影響

圖 1 反應(yīng)時(shí)間對(duì)木質(zhì)素脫除率及酶解的影響Fig. 1 Effects of retention time on lignin removing rate and polysaccharide conversion rate

2.1.1 反應(yīng)時(shí)間 固定固液比1∶5，反應(yīng)溫度150 ℃，NaOH用量2.8 %，AQ用量0.05 %，探討了反應(yīng)時(shí)間(15、 30、 60、 90和120 min)對(duì)物料木質(zhì)素脫除率和聚糖轉(zhuǎn)化率的影響，結(jié)果如圖1所示。

從圖1可以看出，開(kāi)始階段，隨著反應(yīng)時(shí)間的增加，木質(zhì)素的脫除率增大，預(yù)處理后物料的得率相應(yīng)降低；反應(yīng)后期(≥60 min)，木質(zhì)素脫除率增加變緩，物料得率的下降趨勢(shì)也變緩。物料的聚糖轉(zhuǎn)化率隨反應(yīng)時(shí)間增加呈現(xiàn)先升高再降低的趨勢(shì)，當(dāng)反應(yīng)時(shí)間為60 min時(shí)，聚糖轉(zhuǎn)化率達(dá)到較高值，此后聚糖轉(zhuǎn)化率下降，這可能是因?yàn)殡S著反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)，碳水化合物開(kāi)始較多地發(fā)生降解，導(dǎo)致物料得率的下降，雖然脫木質(zhì)素程度提高，但聚糖轉(zhuǎn)化率呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。因此，反應(yīng)時(shí)間不宜過(guò)長(zhǎng)，過(guò)長(zhǎng)的反應(yīng)時(shí)間(≥90 min)會(huì)增加碳水化合物的降解，從而影響聚糖轉(zhuǎn)化率。綜合考慮，合適的反應(yīng)時(shí)間為60 min。

2.1.2 NaOH用量 固定反應(yīng)溫度160 ℃、 時(shí)間60 min、 固液比1∶5、 AQ用量0.05 %，探討了NaOH用量為1.2 %、1.6 %、2.4 %、2.8 %、3.2 %、3.6 %、4.0 %和4.4 %對(duì)木質(zhì)素脫除率及聚糖轉(zhuǎn)化率的影響，結(jié)果見(jiàn)圖2。

由圖2可以看出，隨著NaOH用量的增加，物料木質(zhì)素脫除率迅速增加，當(dāng)NaOH用量超過(guò)3.2 %時(shí)，木質(zhì)素脫除率增加變緩，表明進(jìn)入緩慢脫木質(zhì)素階段。與此同時(shí)，伴隨脫木質(zhì)素程度的增加，NaOH預(yù)處理后物料得率也較快下降。在NaOH用量為1.2 %時(shí)，物料得率為63.07 %；NaOH用量為4.4 %時(shí)，物料得率僅為38.48 %。

從圖2還可以看出，隨著NaOH用量的增加，物料的聚糖轉(zhuǎn)化率先增加，后期出現(xiàn)較快速的下降。這是因?yàn)椴捎幂^高的NaOH用量，雖然脫木質(zhì)素作用增加會(huì)提高物料的酶解率，但同時(shí)也因?yàn)槭ツ举|(zhì)素的保護(hù)作用，物料中碳水化合物的堿性降解增加，導(dǎo)致物料得率快速下降，物料酶解率的增加不足以抵消物料得率下降造成的損失。當(dāng)NaOH用量為2.4 %～3.6 %時(shí)，木質(zhì)素脫除率為62 %～87 %，物料的聚糖轉(zhuǎn)化率也較高，其中，NaOH用量為2.8 %時(shí)，聚糖轉(zhuǎn)化率達(dá)到極值。因此，選擇NaOH用量為2.8 %。

2.1.3 反應(yīng)溫度 溫度也是影響NaOH預(yù)處理的重要因素之一。固定固液比1∶5，反應(yīng)時(shí)間60 min， NaOH用量2.8 %，AQ用量0.05 %，探討了預(yù)處理溫度(140、 150、 160、 170和180 ℃)對(duì)木質(zhì)素脫除率和聚糖轉(zhuǎn)化率的影響，結(jié)果如圖3所示。

從圖3中可以看出，隨著反應(yīng)溫度的增加，脫木質(zhì)素化作用增加。當(dāng)反應(yīng)溫度從140 ℃增加到160 ℃時(shí)，木質(zhì)素脫除率快速增加，繼續(xù)增加反應(yīng)溫度，木質(zhì)素脫除率增加趨緩。另一方面，隨著反應(yīng)溫度的增加，預(yù)處理后物料得率持續(xù)下降，反應(yīng)溫度為140 ℃時(shí)，物料得率為73.57 %；當(dāng)溫度增加到180 ℃，物料得率下降到50.02 %，此時(shí)木質(zhì)素脫除率也僅為66.03 %，表明預(yù)處理溫度過(guò)高時(shí)，物料中的纖維素和半纖維素發(fā)生了較大程度的降解。因此，對(duì)于NaOH預(yù)處理，過(guò)高的預(yù)處理溫度并不能取得較好的預(yù)處理效果。

圖 2 NaOH用量對(duì)木質(zhì)素脫除率及酶解的影響 圖 3 溫度對(duì)木質(zhì)素脫除率及酶解的影響

Fig. 2 Effects of NaOH charges on lignin removing rate and polysaccharide conversion rate Fig. 3 Effects of temperature on lignin removing rate and polysaccharide conversion rate

物料的聚糖轉(zhuǎn)化率隨溫度升高呈先增加后降低的趨勢(shì)。較低溫度時(shí)，雖然物料得率較高，但由于物料去木質(zhì)化程度較低，導(dǎo)致物料的酶解率較低，最終物料的聚糖轉(zhuǎn)化率不高；較高反應(yīng)溫度(≥170 ℃)時(shí)，物料的木質(zhì)素脫除率增加，酶解率增加，但由于物料得率下降，導(dǎo)致最終物料的聚糖轉(zhuǎn)化率下降。聚糖轉(zhuǎn)化率最高值73.5 %出現(xiàn)在木質(zhì)素脫除率為64 %時(shí)，此時(shí)溫度為160 ℃。

2.2 NaOH/AQ預(yù)處理的正交試驗(yàn)優(yōu)化

確定L9(34)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)的反應(yīng)溫度(A)、 NaOH用量(B)和反應(yīng)時(shí)間(C)3個(gè)因素水平為：反應(yīng)溫度150、 160和170 ℃，NaOH用量1.6 %、 2.8 %和4.0 %，反應(yīng)時(shí)間30、 60和90 min。其他反應(yīng)條件為固液比1∶5，AQ用量0.05 %。正交試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

表 1 正交試驗(yàn)結(jié)果Table 1 Results of orthogonal experiment

由表1可知，試驗(yàn)3、 6和9木質(zhì)素脫除率均達(dá)到了85 %以上，說(shuō)明這3組試驗(yàn)對(duì)玉米秸稈的去木質(zhì)化效果均較好，但卻沒(méi)有取得與之相應(yīng)的聚糖轉(zhuǎn)化率；而試驗(yàn)2、 3和5的聚糖轉(zhuǎn)化率均達(dá)到70%以上，但其木質(zhì)素脫除率卻并不一致。這說(shuō)明雖然在一定范圍內(nèi)提高木素脫除率可顯著提高酶解的聚糖轉(zhuǎn)化率，但酶解效率不僅與脫木質(zhì)素總量有關(guān)，也會(huì)受到木質(zhì)素在物料中的分布位置和分布面積影響[13]。對(duì)取得較高聚糖轉(zhuǎn)化率的3組試驗(yàn)進(jìn)一步分析，試驗(yàn)2的木質(zhì)素脫除率只有50.17 %，而聚糖轉(zhuǎn)化率也低于試驗(yàn)3和5，表明在該條件下，脫木質(zhì)素程度還沒(méi)達(dá)到合適的范圍，酶解效率還有提升的空間。試驗(yàn)3和試驗(yàn)5的聚糖轉(zhuǎn)化率雖然相差不大，但試驗(yàn)3的木質(zhì)素脫除率達(dá)到87.53%，由于脫木質(zhì)素程度過(guò)高會(huì)加速物料中碳水化合物的降解，從而影響到酶解效率，因此初步確定試驗(yàn)5(A2B2C3)為較適宜的預(yù)處理?xiàng)l件。而通過(guò)極差分析可知，各因素對(duì)木質(zhì)素脫除率的影響次序?yàn)镹aOH用量>反應(yīng)時(shí)間>反應(yīng)溫度；對(duì)聚糖轉(zhuǎn)化率的影響次序?yàn)榉磻?yīng)時(shí)間>NaOH用量>反應(yīng)溫度，因此反應(yīng)時(shí)間對(duì)聚糖轉(zhuǎn)化率的影響比較顯著，為了進(jìn)一步優(yōu)化反應(yīng)時(shí)間，以A2B2C3和A2B2C2條件進(jìn)行驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，聚糖轉(zhuǎn)化率分別為72.31 %和73.79 %，表明在較短反應(yīng)時(shí)間條件下也能達(dá)到較好的預(yù)處理效果，最終確定最優(yōu)工藝條件為A2B2C2，即溫度160 ℃、 NaOH用量2.8 %、 反應(yīng)時(shí)間60 min，此時(shí)木質(zhì)素脫除率為75 %。

2.3 X射線衍射分析

圖4 樣品的X射線衍射圖Fig. 4 XRD patterns of samples

圖4為預(yù)處理前后玉米秸稈的XRD圖。從圖4可以看出，玉米秸稈預(yù)處理前后結(jié)晶度指數(shù)或多或少發(fā)生了改變，但纖維素的晶型沒(méi)有變化。結(jié)晶度由原料的31.40 %提高為預(yù)處理后物料的46.91 %，可能與物料中木質(zhì)素和半纖維素發(fā)生不同程度的溶出有關(guān)。

2.4 酶解條件的響應(yīng)曲面優(yōu)化

使用上述正交試驗(yàn)優(yōu)化的最佳試驗(yàn)條件制備的物料進(jìn)行酶解，對(duì)纖維素酶用量(X1)、 酶解時(shí)間(X2)以及酶解溫度(X3)進(jìn)行3因素3水平響應(yīng)面分析試驗(yàn)，試驗(yàn)過(guò)程中其他酶解條件為底物質(zhì)量分?jǐn)?shù)2.5 %，β-葡萄糖苷酶10 IU/g，pH值4.8，轉(zhuǎn)速130 r/min，試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果見(jiàn)表2。

表 2 響應(yīng)面試驗(yàn)結(jié)果Table 2 The results of the response surface optimization

表 3 回歸模型方差分析Table 3 Variance analysis of regression model

3 結(jié) 論

3.1 以玉米秸稈為原料探討NaOH/AQ預(yù)處理玉米秸稈過(guò)程中，不同工藝條件對(duì)原料木質(zhì)素脫除率和最終酶解效率的影響。經(jīng)正交試驗(yàn)分析，發(fā)現(xiàn)酶解不僅與物料的木質(zhì)素質(zhì)量分?jǐn)?shù)有關(guān)，也與木質(zhì)素的分布位置和分布面積有關(guān)。優(yōu)化的預(yù)處理工藝條件為：溫度160 ℃，反應(yīng)時(shí)間60 min，NaOH用量2.8 %，其他條件為AQ用量0.05 %，固液比1∶5(g∶mL)，此時(shí)木質(zhì)素脫除率為75 %，酶解后聚糖轉(zhuǎn)化率達(dá)到73.79 %。

3.2 對(duì)預(yù)處理前后玉米秸稈進(jìn)行XRD分析發(fā)現(xiàn)，預(yù)處理前后纖維構(gòu)型并沒(méi)有發(fā)生明顯的變化，結(jié)晶度由原料的31.40 %提高為預(yù)處理后物料的46.91 %，可能與物料中木質(zhì)素和半纖維素發(fā)生不同程度的溶出有關(guān)。

3.3 對(duì)預(yù)處理后物料的酶解條件進(jìn)行響應(yīng)面試驗(yàn)優(yōu)化，得到最佳工藝條件為：纖維素酶用量30 FPU/g，β-葡萄糖苷酶10 IU/g，反應(yīng)時(shí)間72 h，溫度50 ℃，底物質(zhì)量分?jǐn)?shù)2.5 %，此時(shí)還原糖得率為85.62 %。用HPLC對(duì)經(jīng)最佳酶解工藝條件處理的酶解液進(jìn)行分析，物料經(jīng)纖維素酶和β-葡萄糖苷酶水解后，葡萄糖質(zhì)量濃度為14.83 g/L，木糖質(zhì)量濃度為4.83 g/L。

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計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)器具 竭誠(chéng)歡迎使用檢定

松香色度標(biāo)準(zhǔn)塊

本產(chǎn)品具有國(guó)內(nèi)行業(yè)中質(zhì)量檢驗(yàn)的權(quán)威性
長(zhǎng)期、周到的售后服務(wù)讓客戶(hù)無(wú)后顧之憂

松香色度標(biāo)準(zhǔn)裝置(又名《松香顏色分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》玻璃比色塊)，是符合我國(guó)松香光學(xué)特性具有完整體系的松香顏色分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。1982年榮獲林業(yè)部科技成果二等獎(jiǎng)。1987年至今，被《脂松香》、《松香試驗(yàn)方法》國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)所采用，并多次經(jīng)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局復(fù)查考核合格。

Effects of NaOH/AQ Pretreatment on Delignification and Enzymatic Digestibility of Corn Stover

LIU Wenwen1,2, LIANG Long1, SHEN Kuizhong1,2, FANG Guigan1, TIAN Qingwen1

(1. Institute of Chemical Industry of Forest Products,CAF;National Engineering Lab. for Biomass Chemical Utilization;Key and Open Lab. of Forest Chemical Engineering,SFA;Key Lab. of Biomass Energy and Material,Jiangsu Province, Nanjing 210042, China; 2. Research Institute of Forestry New Technology,CAF, Beijing 100091, China)

The optimized conditions of NaOH/AQ pretreatment and the effects of the lignin removing rate on the enzymatic digestibility of the pretreated corn stover were investigated. The optimized conditions of the NaOH/AQ pretreatment obtained by the orthogonal experimental design were the reaction temperature 160 ℃,the reaction time 60 min, the NaOH dosage(based on the mass of dried material)2.8 %,the anthraquinone(AQ) dosage 0.05 % and the solid to liquor ratio 1∶5(g∶mL). Under these conditions,the lignin removing rate reached 75 % and the polysaccharides conversion rate of the enzymatic digestibility reached 73.79 %. The enzymatic efficiency of the pretreated samples improved with the increase of the lignin removing rate. The maximum polysaccharide conversion rate of the pretreated biomass could be obtained as the lignin removing rate reached some degree and then the polysaccharides conversion rate decreased with the continued increase of the lignin removing rate. The optimized conditions of enzymatic hydrolysis by using response surface experimental design were as follows:the temperature 50 ℃,the time 72 h,the substrate consistency 2.5 %, the cellulase dosage 30 FPU/g and the cellubiase enzyme dosage 10 IU/g. Then the reducing sugar yield was 85.62 %. The HPLC analyses showed that the glucose and xylose mass concentrations in the enzymatic hydrolyzates were 14.83 and 4.83 g/L,respectively. The results of XRD showed that the crystal form of cellulose before and after pretreatment didn′t change and the crystallinity of the pretreated corn stover was increased to 46.91 % from 31.40 % because of the dissolving of lignin and hemicellulose.

corn stover;NaOH/AQ pretreatment;enzymatic hydrolysis;polysaccharide conversion rate

聯(lián)系地址:210042 南京市鎖金五村16號(hào)中國(guó)林科院林產(chǎn)化學(xué)工業(yè)研究所電 話:(025)85482449,85482448聯(lián)系人:譚衛(wèi)紅傳 真:(025)85482450

2016-04-21

江蘇省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(BK20160151)；江蘇省生物質(zhì)能源與材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目(JSBEM2014012) 作者簡(jiǎn)介：劉雯雯(1991— )，女，江蘇淮安人，碩士生，研究方向?yàn)橹茲{造紙及生物質(zhì)預(yù)處理技術(shù)；E-mail:wenwenready@163.com

10.3969/j.issn.1673-5854.2017.04.006

TQ35

A

1673-5854(2017)04-0039-08

*通訊作者：沈葵忠，研究員，研究領(lǐng)域?yàn)橹茲{造紙新技術(shù)及生物質(zhì)預(yù)處理技術(shù)；E-mail:shenkuizhong@aliyun.com。