KANEZA PASCAL,楊林青,孫付保*,肖志紅,劉汝寬,孫海彥
1(糖化學(xué)與生物技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(江南大學(xué)),江蘇 無(wú)錫,214122)2(江南大學(xué) 生物工程學(xué)院,江蘇 無(wú)錫,214122)3(湖南省林業(yè)科學(xué)院生物能源研究所,湖南 長(zhǎng)沙,410004)4(中國(guó)熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院 熱帶生物技術(shù)研究所,海南 ???,571101)
利用豐富的木質(zhì)纖維素生物質(zhì)可再生資源生產(chǎn)纖維素乙醇可有效緩解當(dāng)前能源危機(jī)。然而,目前過(guò)高的生產(chǎn)成本嚴(yán)重阻礙了纖維素乙醇的商業(yè)化進(jìn)程。WINGREN等[1]研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)基質(zhì)濃度每提高3%,相應(yīng)的操作成本會(huì)降低 19%。而當(dāng)基質(zhì)濃度從 20%上升到 30%時(shí),燃料乙醇的成本能降低 0.1美元/加侖。因此,高基質(zhì)濃度(濃醪)酶解工藝相比于低基質(zhì)濃度酶解工藝,其在經(jīng)濟(jì)效益方面的優(yōu)勢(shì)非常巨大??梢?jiàn),纖維素生物質(zhì)原料生產(chǎn)燃料乙醇的一個(gè)關(guān)鍵在與如何實(shí)現(xiàn)高基質(zhì)濃度的酶解產(chǎn)糖。
針對(duì)此問(wèn)題[2],不少研究者圍繞糖化發(fā)酵工藝和改進(jìn)辦法進(jìn)行了不懈探索,如添加輔助酶及添加劑、分批補(bǔ)料和改變濃醪混合方式等。ZHANG等[3]在酶解實(shí)驗(yàn)中分別添加150 mg/g干基BSA和Tween 80后,酶解24 h時(shí)葡萄糖產(chǎn)率較對(duì)照組(22.7%)分別提高至61.6%和62.2%。趙曉斌在10 FPU/g干基和20%基質(zhì)濃度條件下以甲酸預(yù)處理甘蔗渣為底物進(jìn)行批次酶解和分批補(bǔ)料實(shí)驗(yàn),酶解144 h后分批補(bǔ)料方式的葡萄糖產(chǎn)量比批次酶解提高15%。余恒以預(yù)處理后玉米秸稈為基質(zhì),采用圓底燒瓶和機(jī)械攪拌方式進(jìn)行20%濃度的基質(zhì)酶解,葡萄糖產(chǎn)量達(dá)到120.7 g/L,較搖床振蕩水解(葡萄糖產(chǎn)量96.4 g/L)提高25%。這些結(jié)果顯示,采用輔助水解策略,如添加劑、輔助酶、機(jī)械攪拌和分批補(bǔ)料等,有可能改善纖維基質(zhì)濃醪水解黏度大和傳質(zhì)傳熱困難等不足,實(shí)現(xiàn)木質(zhì)纖維素基質(zhì)在低酶載條件下的高效濃醪水解糖化。
基于此,本文以實(shí)驗(yàn)室已有的堿催化常壓甘油有機(jī)溶劑預(yù)處理甘蔗渣為原料,嘗試開(kāi)展低酶載量(6 FPU/g DM)下基質(zhì)濃醪(350 g/L)水解糖化的研究。
甘蔗渣(廣西壯族自治區(qū))過(guò)篩,篩選尺寸5 mm×1 mm左右的甘蔗渣,烘干后存于塑封袋備用。使用前測(cè)定其3大主要組分含量:纖維素43.3%、半纖維素27.6%、木質(zhì)素21.5%。工業(yè)甘油(純度99.5%),購(gòu)自無(wú)錫化工站;纖維素酶Cellic CTecⅡ?yàn)V紙酶活140 FPU/mL,來(lái)自諾維信(中國(guó))生物技術(shù)有限公司;溶菌酶,來(lái)自國(guó)藥集團(tuán);木聚糖酶蛋白(含量158 mg/g),來(lái)自青島蔚藍(lán)生物有限公司饋贈(zèng)。高效液相色譜儀,日本HITACHI公司;SBA-40E 生物傳感分析儀,山東省科學(xué)院生物研究所;HYG-A全溫?fù)u瓶柜,江蘇太倉(cāng)實(shí)驗(yàn)設(shè)備廠。
1.2.1 甘蔗渣的堿催化常壓甘油有機(jī)溶劑預(yù)處理
準(zhǔn)確稱量150 g篩選好的絕干甘蔗渣放入5 000 mL三口燒瓶中,隨后緩緩加入1 500 g工業(yè)甘油,接著添加4.45 g NaOH。將上述裝置放入恒溫加熱套中,設(shè)定預(yù)處理溫度257 ℃,待溫度上升至257 ℃后開(kāi)始計(jì)時(shí)18 min。反應(yīng)結(jié)束后,首先將1 500 mL自來(lái)水倒入燒瓶?jī)?nèi)使基質(zhì)充分解離后用G1砂芯漏斗進(jìn)行過(guò)濾,接著用2 000 mL自來(lái)水對(duì)上步濾餅先后洗滌2次并用G1砂芯漏斗進(jìn)行過(guò)濾,最終所獲濾餅即為al-AGOP甘蔗渣基質(zhì)。預(yù)處理后將基質(zhì)自然晾至水分含量為50%,存于塑封袋并置于4 ℃層析柜備用。
1.2.2 酶解
(1)搖瓶振蕩酶解
在250 mL錐形瓶中準(zhǔn)確加入9.5 g甘蔗渣基質(zhì),按5 FPU/g干基質(zhì)添加纖維素酶,加入相應(yīng)的添加劑和輔酶后添加50 mL檸檬酸緩沖液(pH 4.8)。將錐形瓶置于全溫?fù)u瓶柜中進(jìn)行酶解,條件設(shè)定為50 ℃,180 r/min,分別于6、12、24、36、48、60和72 h取樣并測(cè)定葡萄糖濃度。
(2)機(jī)械攪拌酶解
準(zhǔn)確稱量相應(yīng)質(zhì)量甘蔗渣基質(zhì)放入250 mL圓底燒瓶中,加入適量的pH 4.8檸檬酸緩沖液至總體積為45 mL,加入6 FPU/g干基纖維素酶和適量添加劑或輔酶,接著將帶有橡膠塞的雙葉攪拌槳放入圓底燒瓶中并與機(jī)械攪拌(轉(zhuǎn)速150 r/min)裝置固定于50 ℃恒溫水浴鍋中進(jìn)行酶解。高濃酶解采取分批補(bǔ)料方式,在所需補(bǔ)料時(shí)間點(diǎn)暫停機(jī)械攪拌補(bǔ)入相應(yīng)補(bǔ)料量后繼續(xù)進(jìn)行機(jī)械攪拌酶解,并在6、12、24、36、48、60和72 h取樣并檢測(cè)樣品中的葡萄糖濃度。
濾紙酶活(FPA)依照國(guó)際理論和應(yīng)用化學(xué)協(xié)會(huì)(IUPAC)推薦的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)法測(cè)定[4]。通過(guò)高效液相色譜(HPLC)法(色譜柱BioRad Aminex HPX-87H,300 mm×7.8 mm)檢測(cè)組分含量中葡萄糖、木糖濃度,流動(dòng)相為5 mmol/L H2SO4,流速為0.6 mL/min,柱溫60 ℃,示差檢測(cè)器(日立HITACHI)。酶水解過(guò)程中葡萄糖濃度采用SBA-40E 生物傳感分析儀法確定。所有實(shí)驗(yàn)均重復(fù)3次并取平均值且標(biāo)準(zhǔn)偏差小于2%。
2.1.1 單因素實(shí)驗(yàn)
相關(guān)文獻(xiàn)顯示[5-6],添加劑可以通過(guò)疏水作用和氫鍵作用于木質(zhì)素,阻止纖維素酶和木質(zhì)素之間無(wú)效吸附,進(jìn)而促進(jìn)纖維素酶解進(jìn)程。因此,本實(shí)驗(yàn)考察了3種添加劑(牛血清白蛋白(bovine albumin,BSA)、Tween 20、茶皂素)對(duì)預(yù)處理后甘蔗渣的酶解影響。首先通過(guò)單因素實(shí)驗(yàn)確定BSA、Tween 20、茶皂素相對(duì)較優(yōu)的濃度,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。
圖1 單因素實(shí)驗(yàn)優(yōu)化添加劑濃度Fig.1 Single factor experiment of additive concentration
如圖1所示,隨著B(niǎo)SA添加量的增大,al-AGO預(yù)處理甘蔗渣酶解產(chǎn)葡萄糖濃度呈現(xiàn)先增長(zhǎng)后降低的趨勢(shì)。當(dāng)BSA質(zhì)量濃度達(dá)到30 mg/g干基時(shí),葡萄糖質(zhì)量濃度達(dá)到最高為96 g/L,比對(duì)照組(80 g/L)提高了20%。因此,實(shí)驗(yàn)選擇BSA添加量為30 mg/g干基。添加茶皂素時(shí),葡萄糖濃度隨著茶皂素添加量也呈先增加后降低的趨勢(shì)。當(dāng)茶皂素添加量為10 mg/g干基時(shí),葡萄糖質(zhì)量濃度達(dá)到最大為89.0 g/L,相較于空白組(78.0 g/L)提高了14%。因此,選擇10 mg/g干基茶皂素用于后續(xù)實(shí)驗(yàn)。添加Tween 20時(shí),葡萄糖質(zhì)量濃度隨著Tween 20添加量的增加呈先上升后降低的趨勢(shì)。當(dāng)Tween 20 添加量低于20 mg/g干基時(shí),葡萄糖濃度均隨著Tween 20添加量的增大而增大;添加量為20 mg/g干基時(shí)葡萄糖質(zhì)量濃度達(dá)到最高為89.0 g/L,較對(duì)照組(80 g/L)提高了約11%。因此,選擇添加量為20 mg/g干基Tween 20用于后續(xù)實(shí)驗(yàn)。
2.1.2 正交實(shí)驗(yàn)優(yōu)化
經(jīng)過(guò)上述對(duì)添加劑的單因素優(yōu)化后,本實(shí)驗(yàn)最終確定添加劑種類及質(zhì)量濃度為:30 mg/g干基BSA、10 mg/g干基茶皂素、20 mg/g干基Tween 20。為了進(jìn)一步考察各因素之間對(duì)酶解作用的相互影響,實(shí)驗(yàn)接著使用軟件minitab針對(duì)BSA、茶皂素和Tween 20三個(gè)參數(shù)進(jìn)行L9(34)正交試驗(yàn),實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果如表1所示。
表1 糖化條件因素水平正交試驗(yàn)分析Table 1 Orthogonal analysis of saccharification conditions
經(jīng)過(guò)軟件分析,3個(gè)參數(shù)對(duì)基質(zhì)酶解糖化影響大小的排秩順序?yàn)椋翰柙硭亍ween 20、BSA。最優(yōu)組合為A2D2C3B1,即:10 mg/g干基茶皂素、25 mg/g干基Tween 20、10 mg/g干基BSA。結(jié)果表明,在此條件下酶解60 h時(shí)葡萄糖質(zhì)量濃度達(dá)95.0 g/L。
2.2.1 溶菌酶最適濃度的確定
有文獻(xiàn)報(bào)道[7],在纖維素酶解過(guò)程中添加適量溶菌酶可以減少木質(zhì)素的無(wú)效吸附,進(jìn)而促進(jìn)酶解。因此,本實(shí)驗(yàn)在酶解開(kāi)始時(shí)添加10、20、30、40 mg/g干基的溶菌酶,考察溶菌酶添加量對(duì)酶解效果的影響。結(jié)果如圖2所示,添加不同濃度的溶菌酶,對(duì)酶解并沒(méi)有促進(jìn)效果,各實(shí)驗(yàn)組與對(duì)照組葡萄糖濃度基本持平,因此,本實(shí)驗(yàn)不采用溶菌酶作為額外輔酶使用。
圖2 溶菌酶對(duì)酶解的影響Fig.2 The influence of lysozyme on hydrolysis
2.2.2 木聚糖酶最適濃度的確定
一些報(bào)道顯示[1,8],預(yù)處理后木質(zhì)纖維原料的細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)破碎,使得纖維素暴露于外部,但在細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)中仍存在部分半纖維素纏繞在纖維素外部,還有部分半纖維素可經(jīng)纖維素孔延伸至原纖維絲中阻礙纖維素酶吸附纖維素。因此,本實(shí)驗(yàn)在酶解初始時(shí)添加0.3、0.6、0.9、1.2、1.5、1.8 mg/g干基的內(nèi)切木聚糖酶(endoxylanase,EX),考察其對(duì)基質(zhì)酶解的影響。結(jié)果如圖3所示,在EX存在下纖維素和半纖維素的酶解能力均有明顯提高。隨著EX添加量增大,酶解過(guò)程中葡萄糖和木糖濃度也隨之增大;但當(dāng)添加量超過(guò)0.6 mg/g干基時(shí)增幅變緩,產(chǎn)糖量基本持平。因此,后續(xù)實(shí)驗(yàn)按0.6 mg/g干基添加EX。在此條件下酶解60 h后葡萄糖質(zhì)量濃度為97.4 g/L,相較于空白組(80.0 g/L)提高了21.8%;木糖質(zhì)量濃度為39.1 g/L,相較于空白組(28.2 g/L)提高了38.7%。
圖3 木聚糖酶對(duì)酶解的影響Fig.3 The influence of xylanase on hydrolysis
根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道[9-10],當(dāng)基質(zhì)質(zhì)量濃度大于150 g/L時(shí),可認(rèn)定為高基質(zhì)濃度。但在實(shí)際生產(chǎn)中,基質(zhì)質(zhì)量濃度高于150 g/L時(shí),酶水解液將變得非常黏稠,使其難以在搖瓶中搖勻和高效酶解。同時(shí),高質(zhì)量濃度基質(zhì)水解液中自由水含量較低,影響微粒的潤(rùn)滑特性,阻礙纖維素酶與甘蔗渣基質(zhì)有效結(jié)合。因此,本實(shí)驗(yàn)為了實(shí)現(xiàn)高濃基質(zhì)的酶解糖化,采用機(jī)械攪拌和全濕基分批補(bǔ)料方式進(jìn)行酶解以促進(jìn)纖維素酶與甘蔗渣基質(zhì)的有效結(jié)合。
2.3.1 初始基質(zhì)濃度的選擇
本實(shí)驗(yàn)在總基質(zhì)質(zhì)量濃度保持在350 g/L不變的情況下,考察不同初始基質(zhì)濃度對(duì)批次酶解(酶載量6 FPU/g干基)產(chǎn)糖的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示,葡萄糖濃度隨著初始基質(zhì)濃度的增大而提高,在基質(zhì)質(zhì)量濃度大于190 g/L時(shí),葡萄糖濃度增幅變緩。在基質(zhì)質(zhì)量濃度為190 g/L時(shí),葡萄糖濃度最高,達(dá)到 94.7 g/L。據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道,在進(jìn)行分批補(bǔ)料過(guò)程中若初始基質(zhì)濃度偏低,則導(dǎo)致后期補(bǔ)料量過(guò)高,酶解過(guò)程中醪液黏度增大不利于糖化;若初始基質(zhì)濃度偏高,醪液過(guò)于黏稠影響傳質(zhì),導(dǎo)致纖維素酶和基質(zhì)難以有效接觸,基質(zhì)無(wú)法徹底液化從而無(wú)法進(jìn)行補(bǔ)料。因此,本實(shí)驗(yàn)選擇190 g/L作為初始基質(zhì)質(zhì)量濃度。
圖4 初始基質(zhì)濃度的選擇Fig.4 The selection of initial substrate concentration
2.3.2 補(bǔ)料方式的確定
根據(jù)一些資料報(bào)道[1,11],在補(bǔ)料過(guò)程中若單次補(bǔ)料量過(guò)高(高于10%),會(huì)短時(shí)間內(nèi)造成醪液過(guò)于黏稠,對(duì)后期補(bǔ)料造成困難;若單次補(bǔ)料量過(guò)少,則需要補(bǔ)料多次,纖維素酶酶活不足以支撐整個(gè)補(bǔ)料過(guò)程??梢?jiàn),整個(gè)補(bǔ)料過(guò)程受到補(bǔ)料次數(shù)和補(bǔ)料量?jī)烧呦嗷プ饔玫挠绊?。因此,本?shí)驗(yàn)在前期實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上,以190 g/L為初始基質(zhì)濃度,設(shè)計(jì)5種不同的補(bǔ)料量、補(bǔ)料次數(shù),初步選擇最適合本實(shí)驗(yàn)的補(bǔ)料方式,具體設(shè)計(jì)方案及結(jié)果如表2所示。
表2 分批補(bǔ)料次數(shù)選擇Table 2 The selection of feeding time
注:2%、4%、8%表示單次補(bǔ)料量(W/W)。
如表2所示,第1、2種補(bǔ)料方式,無(wú)論是葡萄糖濃度還是酶解率均相差不大;第3種補(bǔ)料方式的葡萄糖產(chǎn)量和酶解率在酶解全程均顯著高于其他實(shí)驗(yàn)組,說(shuō)明補(bǔ)料次數(shù)偏少影響酶解效果,補(bǔ)料3次的方式最適宜;第4、5種補(bǔ)料方式均為補(bǔ)料5次,但是第5種補(bǔ)料方式的葡萄糖產(chǎn)量和酶解率相對(duì)較高,說(shuō)明第5種補(bǔ)料量相對(duì)合理,首次補(bǔ)料量不宜過(guò)高。因此,實(shí)驗(yàn)初步選擇第3種補(bǔ)料方式,即分別在12、20和22 h補(bǔ)料8%、4%和4%。
在確定了3次補(bǔ)料方式為最優(yōu)補(bǔ)料次數(shù)后,實(shí)驗(yàn)在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步考察不同時(shí)間點(diǎn)、補(bǔ)料量的3次補(bǔ)料模式,以期縮短補(bǔ)料時(shí)間。因此實(shí)驗(yàn)考察在第7、10和13 h分別補(bǔ)料6%、5%和5%;第12、18和21 h分別補(bǔ)料8%、4%和4%;第13、17和20 h分別補(bǔ)料7%、5%和4%三種補(bǔ)料模式。實(shí)驗(yàn)條件為:酶載量6 FPU/g干基,酶解起始添加0.6 mg/g干基EX、10 mg/g干基茶皂素、25 mg/g干基Tween 20、10 mg/g干基BSA,補(bǔ)料最終濃度35%。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3所示。
補(bǔ)料方式1,由于補(bǔ)料時(shí)間較為集中且最終補(bǔ)料在13 h結(jié)束,因此在12 h基質(zhì)尚未液化無(wú)法檢測(cè),但后期酶解液液化時(shí)間充足,在24 h時(shí)基質(zhì)已液化可檢測(cè),在48 h時(shí)葡萄糖質(zhì)量濃度及酶解率分別為160.6 g/L和76.5%;補(bǔ)料方式2的初始補(bǔ)料時(shí)間相對(duì)較晚(推遲5 h),因此在初始補(bǔ)料時(shí)體系中葡萄糖質(zhì)量濃度較高(86.3 g/L),較補(bǔ)料方式1(76.9 g/L)高出約12%,但是在48 h時(shí)葡萄糖質(zhì)量濃度(147.8 g/L)和酶解率(70.4%)相對(duì)補(bǔ)料方式1實(shí)驗(yàn)組較低,可能的原因是該補(bǔ)料方式補(bǔ)料時(shí)間偏后,導(dǎo)致纖維素酶酶活在后期削弱與基質(zhì)的結(jié)合能力變差;補(bǔ)料方式3在10 h時(shí)初始基質(zhì)已液化并檢測(cè)到葡萄糖質(zhì)量濃度79.3 g/L,該實(shí)驗(yàn)組48 h葡萄糖質(zhì)量濃度及酶解率分別為141.3 g/L和67.3%,明顯低于補(bǔ)料方式1。因此,補(bǔ)料方式1不論是補(bǔ)料時(shí)間還是單次補(bǔ)料量相對(duì)是較好的。因此,實(shí)驗(yàn)最終選定補(bǔ)料方式1,即在7、10和13 h分別補(bǔ)料6%、5%和5%。
表3 3種不同補(bǔ)料方式對(duì)酶解的影響Table 3 The influence of feeding method on hydrolysis
實(shí)驗(yàn)確定濃醪酶解條件為:在纖維素酶酶載量6 FPU/g干基、初始基質(zhì)質(zhì)量濃度190 g/L條件下,于酶解初始時(shí)一次性添加0.6 mg/g干基EX、10 mg/g茶皂素、10 mg/g BSA和25 mg/g干基Tween 20,接著于7、10和13 h分別補(bǔ)料6%、5%和5%,至最終質(zhì)量濃度為350 g/L。在此條件下,運(yùn)行濃醪酶解糖工藝全程,最終結(jié)果如下:預(yù)酶解48 h時(shí),葡萄糖質(zhì)量濃度高達(dá)160.7 g/L,酶解率為76.5%;木糖質(zhì)量濃度達(dá)到58.7 g/L,半纖維素水解率為57.8%。工藝運(yùn)行全程糖濃度變化如圖5所示。
圖5 濃醪酶解全程糖濃度變化Fig.5 The change of glucose concentrations during the high concentration hydrolysis
DAVID等[12]在加酶量為 10.7 FPU/g纖維素的條件下,通過(guò)分批補(bǔ)料的方式使基質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到 25%,240 h的水解液中的葡萄糖質(zhì)量濃度將近 140 g/L,本實(shí)驗(yàn)相較其不僅提高了基質(zhì)濃度,且酶解時(shí)間縮短了192 h。該結(jié)果與我們實(shí)驗(yàn)室前期工作相比也取得了明顯進(jìn)步:王亮[13]曾以自催化常壓甘油有機(jī)溶劑預(yù)處理麥草,基質(zhì)在30 FPU/g干基條件下進(jìn)行半同步濃醪發(fā)酵(基質(zhì)質(zhì)量濃度350 g/L),24 h時(shí)葡萄糖質(zhì)量濃度為58.2 g/L;本實(shí)驗(yàn)酶載量?jī)H為6 FPU/g,24 h葡萄糖質(zhì)量濃度達(dá)到123.8 g/L,約為其2倍。洪嘉鵬[14]以堿催化常壓甘油有機(jī)溶劑預(yù)處理后甘蔗渣為基質(zhì),在6 FPU/g干基條件下進(jìn)行半同步濃醪發(fā)酵(基質(zhì)質(zhì)量濃度350 g/L),預(yù)酶解72 h,葡萄糖質(zhì)量濃度為132 g/L,本實(shí)驗(yàn)相比其不僅酶解時(shí)間縮短了24 h,且葡萄糖質(zhì)量濃度提高了約22%??梢?jiàn),本文確定的輔助酶和添加劑的種類、濃度和分批補(bǔ)料模式可顯著提高高基質(zhì)濃度體系的酶解產(chǎn)糖量,為后續(xù)實(shí)現(xiàn)高濃度纖維素乙醇發(fā)酵提供可能。
堿催化常壓甘油有機(jī)溶劑預(yù)處理甘蔗渣在6 FPU/g干基酶載量條件下,通過(guò)分批補(bǔ)料方式(初始基質(zhì)質(zhì)量濃度190 g/L)達(dá)到濃醪(350 g/L)酶解,使用添加劑(10 mg/g茶皂素、10 mg/g BSA、25 mg/g Tween 20)和木聚糖酶(0.6 mg/g干基)酶解48 h,可發(fā)酵性糖高達(dá)220 g/L,其中葡萄糖和木糖產(chǎn)量分別為160.7和58.7 g/L,具有明顯的工業(yè)意義。分批補(bǔ)料方式是實(shí)現(xiàn)木質(zhì)纖維素基質(zhì)濃醪水解糖化的有效途徑,添加劑和輔助酶不但有助于底物的常規(guī)酶解糖化,在濃醪基質(zhì)糖化過(guò)程中仍具有積極作用。