李曉娟, 董紅麗, 張宏森, 宋安東, 聶文喜, 王風芹

(1.河南農(nóng)業(yè)大學生命科學學院,河南 鄭州 450046; 2.河南省鄉(xiāng)村產(chǎn)業(yè)發(fā)展服務中心,河南 鄭州 450002)

丁醇是重要的化工原料和可再生生物能源,與乙醇相比具有能量密度高、燃燒值高、蒸氣壓低、與汽油配伍性好及能以任意比例和汽油混合等多種優(yōu)良特性,現(xiàn)已成為僅次于乙醇的第二代可再生生物能源[1-2]。傳統(tǒng)的丁醇發(fā)酵以玉米淀粉和甘薯淀粉等為原料,原料成本占總成本的30%以上,且存在“與人爭糧,與糧爭地”的突出問題,不利于丁醇發(fā)酵工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展[3]。以木質(zhì)纖維素為原料生產(chǎn)丁醇,既可以實現(xiàn)資源的高效高值轉(zhuǎn)化,還可以減輕過度使用化石能源導致的能源危機、環(huán)境污染和溫室效應。

秸稈等木質(zhì)纖維素資源是豐富的生物質(zhì)資源,中國僅玉米秸稈的年產(chǎn)量就達到2.7億t[4-5]。以秸稈等木質(zhì)纖維素為原料生產(chǎn)生物能源和生物基化學品是資源高效利用的重要途徑[6]。木質(zhì)纖維素主要由纖維素、半纖維素和木質(zhì)素組成,三者之間存在復雜的化學鍵連接,形成類似鋼筋混凝土式堅實致密的結(jié)構(gòu)。因此,在木質(zhì)纖維素轉(zhuǎn)化利用過程中,首先要通過物理、化學或生物等預處理技術(shù)打破細胞壁抗降解屏障,脫除部分半纖維素、木質(zhì)素以打散細胞壁結(jié)構(gòu),增加底物的孔隙率,降低纖維素結(jié)晶度,提高酶對纖維素的可及性,進而提高纖維素酶解效率和生物轉(zhuǎn)化效率[7-9]。

蒸汽爆破預處理具有設備投資少、環(huán)境污染小、能耗低等優(yōu)點,被認為是最具工業(yè)化應用潛力的預處理技術(shù)之一[10],已被廣泛應用于農(nóng)作物秸稈、林業(yè)廢棄物和能源作物等預處理研究。然而,單獨的蒸汽爆破預處理仍然存在木質(zhì)纖維素酶解效率偏低的問題,近年來聯(lián)合預處理技術(shù)逐漸興起。覃錦程等[11]經(jīng)離子液體和蒸汽爆破兩步預處理后,葡萄糖酶解效率提高到90%以上。LIU等[12]以3種離子液體聯(lián)合蒸汽爆破預處理水稻秸稈,葡萄糖產(chǎn)率均達到70%。甘油作為高沸點(290 ℃)有機溶劑,能夠有效去除半纖維素和木質(zhì)素,選擇性地保留纖維素[13],且甘油自身對纖維素酶的抑制作用小于離子液體[14]。此外,甘油可被微生物利用進行生物轉(zhuǎn)化,減少了回收的難度和成本。WANG等[15]利用甘油協(xié)同蒸汽爆破預處理技術(shù),將玉米秸稈和甘油按照m(玉米秸稈)∶m(甘油)=1∶0.5進行混合預浸后再進行蒸汽爆破預處理,預處理玉米秸稈殘渣中纖維素的酶解效率較單獨蒸汽爆破提高28.2%,該預處理體系甘油的用量較傳統(tǒng)的甘油預處理下降90%以上。

巴氏梭菌(Clostridiumpasteurianum)CICC10391是一株可以同時利用葡萄糖和甘油生產(chǎn)丁醇的細菌。本研究首先比較單獨蒸汽爆破、水浸潤蒸汽爆破、甘油協(xié)同蒸汽爆破和水提-甘油協(xié)同蒸汽爆破對玉米秸稈三素組成和酶解效率的影響。在此基礎上,通過巴氏梭菌CICC10391對水提-甘油協(xié)同蒸汽爆破預處理玉米秸稈水解液進行厭氧瓶發(fā)酵生產(chǎn)丁醇,同時研究玉米漿對丁醇發(fā)酵的影響,進而進行5 L發(fā)酵罐擴大發(fā)酵試驗,以期為甘油和玉米秸稈高效轉(zhuǎn)化生物丁醇的工業(yè)生產(chǎn)提供支撐。

1 材料與方法

1.1 材料與菌種

玉米秸稈(corn stover, CS):取自河南省鞏義市;未處理玉米秸稈的三素組分:纖維素質(zhì)量分數(shù)為31.1%±0.36%,半纖維素質(zhì)量分數(shù)為17.6%±0.27%,木質(zhì)素質(zhì)量分數(shù)為14.9%±0.9%。玉米秸稈粉碎后過0.25 mm篩,45 ℃烘干至恒質(zhì)量后密封室溫(25 ℃)保存?zhèn)溆谩７治黾兗壐视?≥99.7%)和商業(yè)纖維素酶(120 FPU·mL-1)分別購自天津富宇精細化工有限公司和諾維信(中國)生物科技有限公司;無菌去纖維蛋白羊血、對氨基苯甲酸、生物素和維生素B1購自北京索萊寶科技有限公司;其余試劑購自天津市大茂化工試劑廠。

巴氏梭菌(Clostridiumpasteurianum)CICC10391,購自中國工業(yè)微生物菌種保藏管理中心。

1.2 儀器設備

QBS-200B蒸汽爆破機(鶴壁正道有限公司);SHG-Ⅲ循環(huán)水真空泵(鞏義市英峪儀器廠);ZQLY-80A恒溫振蕩培養(yǎng)箱(上海知楚儀器有限公司);Shimadzu LC-20AD高效液相色譜儀(日本島津公司);Agilent 7890A氣相色譜儀(美國安捷倫科技公司)。

1.3 培養(yǎng)基

活化培養(yǎng)基(1 L):胰蛋白胨15 g,大豆蛋白胨5 g,NaCl 5 g,121 ℃滅菌15 min,冷卻后加入質(zhì)量分數(shù)5%無菌去纖維蛋白羊血。

強化梭菌培養(yǎng)基(reinforced clostridial medium,RCM)(1 L):胰蛋白胨10 g,酵母浸粉3 g,葡萄糖5 g,氯化鈉5 g,半胱氨酸鹽酸鹽0.5 g,牛肉膏10 g,可溶性淀粉1 g,121 ℃滅菌15 min。

1.4 玉米秸稈水解液的制備

1.4.1 玉米秸稈水提方法 玉米秸稈45 ℃烘干后,按照m(玉米秸稈/g)∶V(去離子水/L)=1∶20加入去離子水,在95 ℃水浴鍋中水提2 h,過程中不斷攪拌,反應完成后稱質(zhì)量,把蒸發(fā)掉的水補上,達到與反應前的質(zhì)量一致,然后用循環(huán)水真空泵抽濾固液混合物,使固液分離后,用高效液相色譜測定液體中糖含量,固體再經(jīng)充分水洗后在45 ℃烘箱中烘至恒質(zhì)量備用。

1.4.2 玉米秸稈預處理 預處理條件分為蒸汽爆破(SE)、水浸潤蒸汽爆破(WSSE)、甘油協(xié)同蒸汽爆破(GASE)和水提-甘油協(xié)同蒸汽爆破(WE-GASE)4種,具體條件見表1。將玉米秸稈與水混合或甘油水溶液混合后室溫放置12 h,然后在2.0 MPa、保壓時間150 s條件下進行蒸汽爆破。取一部分爆破后的玉米秸稈用自來水洗至液體無色,2層紗布過濾得到水洗后的固體殘渣,45 ℃烘干后根據(jù)美國國家可再生能源實驗室(National Renewable Energy Laboratory,NREL)制定的標準程序進行玉米秸稈的組分分析[16]。

表1 玉米秸稈預處理條件Table 1 Pretreatment conditions of corn stover

1.4.3 預處理玉米秸稈的非水洗纖維素酶解 分別用1.4.2預處理后的玉米秸稈直接進行纖維素酶解(酶解前未經(jīng)過水洗處理),纖維素酶添加量為20 FPU·g-1,用5 mol·L-1NaOH調(diào)pH值至4.8,于48 ℃、180 r·min-1恒溫振蕩培養(yǎng)箱中酶解48 h。采用循環(huán)水真空泵抽濾收集液體,取0.1 mL用去離子水稀釋10倍,利用高效液相色譜測定水解液中糖和甘油含量,并計算纖維素酶解效率。

1.5 菌種活化與種子液制備

購買的巴氏梭菌CICC10391菌株保存在凍干管中,將其接入到RCM培養(yǎng)基中,37 ℃厭氧培養(yǎng)2 d,然后按體積分數(shù)10%的接種量接入到RCM培養(yǎng)基中,連續(xù)傳代培養(yǎng)。將培養(yǎng)2 d的巴氏梭菌CICC10391菌株培養(yǎng)液以體積分數(shù)10%接種量再次轉(zhuǎn)接入RCM培養(yǎng)基,37 ℃厭氧培養(yǎng)1 d后的培養(yǎng)液作為發(fā)酵培養(yǎng)基的種子液。

1.6 含甘油玉米秸稈水解液丁醇發(fā)酵試驗

1.6.1 水解液制備與活性炭脫毒 按照1.4.2的方法對玉米秸稈進行水提-甘油協(xié)同蒸汽爆破預處理,按照1.4.3的方法對預處理后的玉米秸稈進行酶解,過濾后得到水解液,然后在水解液中加入質(zhì)量分數(shù)4%的活性炭,50 ℃水浴鍋中攪拌反應1 h,反應結(jié)束后抽濾,得到脫毒水解液,用5 mol·L-1NaOH將脫毒水解液pH值調(diào)至6.5,用于發(fā)酵培養(yǎng)基制備。

1.6.2 發(fā)酵培養(yǎng)基制備 在脫毒水解液中加入酵母浸粉1 g·L-1,碳酸鈣7.5 g·L-1,以每瓶45 mL分裝入?yún)捬跗恐?總?cè)莘e65 mL),115 ℃滅菌15 min,冷卻至室溫(25 ℃)后,加入經(jīng)0.22 μm微孔濾膜過濾的緩沖液、維生素儲存液和礦質(zhì)元素儲存液(stock solutions)各1 mL。緩沖液含有磷酸二氫鉀25 g·L-1、磷酸氫二鉀25 g·L-1、硫酸銨250 g·L-1;維生素儲存液含有對氨基苯甲酸0.5 mg·L-1、生物素0.05 mg·L-1、維生素B10.5 mg·L-1;礦質(zhì)元素儲存液含有七水硫酸鎂10 g·L-1、七水硫酸亞鐵5 g·L-1[17]。發(fā)酵初始pH值為6.5。

1.6.3 厭氧瓶發(fā)酵試驗 種子液按體積分數(shù)10%接種量接入到玉米秸稈水解液發(fā)酵培養(yǎng)基中,37 ℃厭氧發(fā)酵70 h,每隔10 h取樣1 mL,10 000 r·min-1、離心10 min后取上清液于-20 ℃保存,待發(fā)酵結(jié)束后測定發(fā)酵上清液中底物和產(chǎn)物質(zhì)量濃度,計算底物利用率和丁醇產(chǎn)生速率。

1.6.4 添加玉米漿對丁醇發(fā)酵的影響 玉米秸稈水解液發(fā)酵培養(yǎng)基中額外添加2.5 g·L-1玉米漿,按體積分數(shù)10%加入種子液,厭氧瓶中發(fā)酵96 h,每隔24 h取樣1 mL,上清液于-20 ℃保存,待發(fā)酵結(jié)束后測定發(fā)酵上清液中底物和產(chǎn)物質(zhì)量濃度,計算底物利用率和丁醇產(chǎn)生速率。

1.6.5 5 L發(fā)酵罐擴大發(fā)酵試驗 每個發(fā)酵罐中裝2.5 L玉米秸稈水解液發(fā)酵培養(yǎng)基,按體積分數(shù)10%加入種子液,轉(zhuǎn)速50 r·min-1,用2 mol·L-1H2SO4和5 mol·L-1NaOH調(diào)節(jié)發(fā)酵液pH值為6,37 ℃發(fā)酵60 h,每隔10 h用移液管取樣5 mL。-20 ℃保存,待發(fā)酵結(jié)束測定發(fā)酵上清液中底物和產(chǎn)物質(zhì)量濃度,計算底物利用率和丁醇產(chǎn)生速率。

1.7 測定方法

1.7.1 殘?zhí)?、甘油及酸的含量測定 發(fā)酵過程中殘留的葡萄糖、木糖和甘油,以及產(chǎn)生的乙酸、丁酸的含量均采用高效液相色譜儀進行測定,RID-10A折射率檢測器,Aminex HPX-87H柱,柱溫65 ℃,洗脫液為5 mmol H2SO4,流速0.6 mL·min-1,保留時間25 min。

1.7.2 乙醇、丁醇產(chǎn)量的測定 發(fā)酵產(chǎn)生的溶劑(乙醇、丁醇)產(chǎn)量使用氣相色譜儀進行測定,ZB-WAX Plus色譜柱;FID檢測器,溫度250 ℃;載氣為N2,流速為1.5 L·min-1,H2流速為30 mL·min-1,空氣流速為350 mL·min-1,分流比為20∶1;進樣量為0.2 μL,進樣口溫度為200 ℃;柱溫箱的起始溫度為45 ℃,保持1 min后以10 ℃·min-1的速率升至55 ℃并保持1 min,再以15 ℃·min-1的速率升至80 ℃并保持0.5 min,最后以20 ℃·min-1的速率升至120 ℃并保持1 min。

1.8 計算方法

γc=m2/m1×100%

(1)

γh=m4/m3×100%

(2)

γl=m6/m5×100%

(3)

kc= 0.9w/m2×100%

(4)

η=(ρ1-ρ2)/ρ1×100%

(5)

vb=ρb/t×100%

(6)

式中:m1、m3、m5分別為預處理前玉米秸稈中纖維素、半纖維素、木質(zhì)素的質(zhì)量;m2、m4、m6分別為預處理后玉米秸稈殘渣中纖維素、半纖維素、木質(zhì)素的質(zhì)量;γc、γh、γl分別為纖維素、半纖維素、木質(zhì)素回收率;kc為纖維素酶解效率;w為酶解葡萄糖產(chǎn)量;η為底物利用率;ρ1為初始底物質(zhì)量濃度;ρ2為殘留底物質(zhì)量濃度;vb為丁醇產(chǎn)生速率;ρb為丁醇質(zhì)量濃度;t為發(fā)酵時間。

1.9 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2019和SPSS Statistics 29.0軟件進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析,結(jié)果以平均值±標準差表示,p<0.05表示差異顯著,采用GraphPad Prism v8.0 進行繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同預處理條件對玉米秸稈固體殘渣三素組成及纖維素酶解效率的影響

2.1.1 不同預處理條件對玉米秸稈固體殘渣中纖維素、半纖維素和木質(zhì)素組成的影響 比較單獨蒸汽爆破(SE)、水浸潤蒸汽爆破(WSSE)和甘油協(xié)同蒸汽爆破(GASE)預處理對玉米秸稈固體殘渣中纖維素、半纖維素和木質(zhì)素組成的影響,結(jié)果如表2所示。在3種預處理條件下,預處理固體殘渣中纖維素質(zhì)量分數(shù)為39.2%～39.9%,回收率為76.8%～78.5%,三者之間沒有顯著差異;GASE預處理條件下,固體殘渣中半纖維素質(zhì)量分數(shù)為10.4%,回收率為36.1%,顯著低于SE和WSSE預處理。SE和GASE預處理條件下木質(zhì)素的回收率均超過100%,推測是在蒸汽爆破過程中固體物料表面有偽木質(zhì)素沉積[18]。

表2 不同預處理對玉米秸稈固體殘渣組成及其回收率的影響

為了降低偽木質(zhì)素對纖維素酶解產(chǎn)生的不利影響,首先對玉米秸稈進行水提,再進行甘油協(xié)同蒸汽爆破預處理(WE-GASE)。在該預處理條件下固體殘渣中纖維素質(zhì)量分數(shù)達到43.6%,顯著高于未水提的處理,但是由于水提過程的物料損失,纖維素的回收率降低為73.2%;固體殘渣中木質(zhì)素質(zhì)量分數(shù)由28.6%下降為24.7%,木質(zhì)素的回收率由117.3%下降為86.5%;二者的顯著降低表明水提能夠?qū)⑺苄蕴窍闯?能有效防止可溶性糖在蒸汽爆破預處理過程中轉(zhuǎn)化和凝結(jié)在生物質(zhì)表面形成偽木質(zhì)素。

2.1.2 不同預處理條件對玉米秸稈纖維素酶解的影響 如表3所示,玉米秸稈經(jīng)SE預處理后進行酶解,酶解效率僅為53.1%,酶解葡萄糖產(chǎn)量為165.4 g·kg-1秸稈。經(jīng)WSSE和GASE預處理后,玉米秸稈纖維素的酶解效率分別提高到59.6%和78.1%,葡萄糖的產(chǎn)量分別達到179.8和237.2 g·kg-1秸稈,表明GASE可以更有效地提高纖維素的酶解效率和葡萄糖的產(chǎn)量。玉米秸稈經(jīng)WE-GASE預處理后纖維素酶解效率進一步顯著提高,達到了89.7%,水解液葡萄糖產(chǎn)量254.7 g·kg-1秸稈,較SE預處理分別提高了68.9%和54.5%;水提過程中葡萄糖產(chǎn)量26.1 g·kg-1秸稈,WE-GASE預處理玉米秸稈酶解葡萄糖產(chǎn)量為254.7 g·kg-1秸稈,總葡萄糖產(chǎn)量280.8 g·kg-1秸稈,較SE提高了69.8%。水提-甘油協(xié)同蒸汽爆破預處理玉米秸稈效果最好,以該方法對玉米秸稈進行預處理,預處理后的玉米秸稈進行非水洗酶解制備含甘油玉米秸稈水解液開展丁醇發(fā)酵研究。

表3 不同預處理對玉米秸稈纖維素酶解效率及葡萄糖產(chǎn)量的影響

2.2 含甘油玉米秸稈水解液的丁醇發(fā)酵研究

2.2.1 含甘油玉米秸稈水解液的厭氧瓶丁醇發(fā)酵 將WE-GASE預處理玉米秸稈水解液經(jīng)質(zhì)量分數(shù)4%的活性炭脫毒后進行丁醇發(fā)酵。由圖1-A可知,巴氏梭菌CICC10391可以利用水解液中的葡萄糖和甘油,但不能利用木糖。發(fā)酵結(jié)束后葡萄糖質(zhì)量濃度由初始的28.2降低到7.4 g·L-1,甘油質(zhì)量濃度由27.3降低到15.5 g·L-1,利用率分別達到73.9%和43.1%。由圖1-B可知,發(fā)酵70 h后丁醇和乙醇的質(zhì)量濃度分別為6.3 和0.6 g·L-1,丁醇產(chǎn)生速率0.09 g·L-1·h-1,乙酸和丁酸的質(zhì)量濃度分別為3.6和5.6 g·L-1。丁醇發(fā)酵產(chǎn)生速率較低,推測與發(fā)酵過程中丁酸的質(zhì)量濃度過高有關(guān),丁酸積累過多,使菌株生長受到抑制,同時抑制丁酸轉(zhuǎn)化為丁醇。

A:底物利用質(zhì)量濃度;B:產(chǎn)物生成質(zhì)量濃度。下同。

2.2.2 玉米漿對含甘油玉米秸稈水解液丁醇發(fā)酵的影響 在上述研究基礎上,在WE-GASE預處理玉米秸稈水解液中額外添加質(zhì)量濃度為2.5 g·L-1的玉米漿干粉,探究玉米漿對丁醇發(fā)酵的影響。由圖2-A可知,發(fā)酵96 h,葡萄糖質(zhì)量濃度由初始的29.8降低到3.8 g·L-1,利用率達到87.2%;木糖質(zhì)量濃度由7.9降低到6.0 g·L-1,利用率為24.1%;甘油質(zhì)量濃度由34.3 g·L-1降低到16.7 g·L-1,利用率為51.3%。由圖2-B可知,發(fā)酵72 h時丁醇和乙醇的質(zhì)量濃度分別達到了8.2 和2.1 g·L-1,丁醇產(chǎn)生速率0.11 g·L-1·h-1,乙酸和丁酸質(zhì)量濃度分別為3.1 和5.1 g·L-1,相比未添加玉米漿的發(fā)酵碳源利用率和丁醇質(zhì)量濃度均顯著提高,而乙酸丁酸維持較高水平。

圖2 玉米漿對含甘油玉米秸稈水解液丁醇發(fā)酵過程中底物利用與產(chǎn)物生成的影響

2.2.3 含甘油玉米秸稈水解液的發(fā)酵罐丁醇發(fā)酵 WE-GASE預處理玉米秸稈水解液發(fā)酵中產(chǎn)酸較多會導致發(fā)酵液pH值失衡。為有效控制發(fā)酵液pH,采用5 L發(fā)酵罐進行含甘油玉米秸稈水解液丁醇發(fā)酵。水解液經(jīng)活性炭脫毒且玉米漿添加量為2.5 g·L-1,發(fā)酵pH值控制在6.0。由圖3-A可知,發(fā)酵50 h葡萄糖消耗完畢,木糖質(zhì)量濃度由8.8降低到7.9 g·L-1,基本無變化,甘油質(zhì)量濃度由30.8降低到6.5 g·L-1,葡萄糖和甘油的利用率進一步提高,分別達到100.0%和78.9%,且發(fā)酵周期明顯縮短。由圖3-B可知,此時產(chǎn)物中丁醇和乙醇的質(zhì)量濃度分別達到7.3 和1.2 g·L-1,丁醇的產(chǎn)生速率為0.15 g·L-1·h-1,乙酸和丁酸的質(zhì)量濃度分別為4.0和2.4 g·L-1。

圖3 5 L發(fā)酵罐中含甘油玉米秸稈水解液丁醇發(fā)酵的底物利用和產(chǎn)物生成情況

3 結(jié)論與討論

為避免出現(xiàn)“與人爭糧”等問題,以木質(zhì)纖維素材料作為發(fā)酵底物生產(chǎn)丁醇成為近年來研究的熱點。復雜的木質(zhì)素和半纖維素交聯(lián)結(jié)構(gòu)阻止了微生物直接利用纖維素,因此利用秸稈等作為發(fā)酵原料時需要對其進行預處理[19-20]。XU等[21]運用離子液體經(jīng)兩步法先后將氫氧化膽堿C5H15NO2和1-乙基-3-甲基咪唑二甲基苯酚([Emin][DMP])用于預處理玉米秸稈,最終木質(zhì)素脫除率77.28%,纖維素溶解度達到52.14%。HU等[22]將乙?；x子液體用于竹子的半纖維素溶解,發(fā)現(xiàn)溶解度受溫度影響很大,隨溫度升高溶解度增大。雖然使用離子液體進行預處理的研究較多,但仍需要進一步探索條件及優(yōu)化效果,且成本較高[23],限制了其在工業(yè)生產(chǎn)中的應用。

本研究首先對比了不同預處理條件下進行蒸汽爆破對玉米秸稈酶解的影響,與單獨蒸汽爆破預處理后纖維素酶解效率53.1%、葡萄糖產(chǎn)量165.4 g·kg-1秸稈相比,玉米秸稈經(jīng)過水提并按照m(秸稈/g)∶m(甘油/g)∶v(水/L)=1∶0.4∶0.1進行甘油協(xié)同蒸汽爆破后,纖維素的酶解效率達到89.7%,葡萄糖產(chǎn)量254.7 g·kg-1,較單獨蒸汽爆破預處理分別提高68.9%和54.5%,這表明水提-甘油協(xié)同蒸汽爆破可以有效提高纖維素的酶解效率和葡萄糖的產(chǎn)量。WANG等[15]按照m(秸稈)∶m(甘油)=1∶0.5進行甘油協(xié)同蒸汽爆破時,酶解效率為68.1%,相比之下,本研究進一步減少了甘油的用量,且纖維素酶解效率有一定提高。甘油協(xié)同蒸汽爆破預處理過程中甘油的回收率為70%。甘油回收率低的原因主要有兩個:一是因為甘油協(xié)同蒸汽爆破預處理后物料中甘油和水含量較高,回收過程中甘油隨液體流失;二是蒸汽爆破過程中甘油與小分子糖類尤其是木糖發(fā)生糖苷化反應,生成甘油葡萄糖苷或甘油木糖苷[24],但殘留的甘油與糖共同被微生物利用生產(chǎn)生物燃料和生物基化學品,如1,3-丙二醇[25-26]、乙醇、2,3-丁二醇和微生物油脂等[27],有效避免了有機溶劑回收難、環(huán)境污染重等問題。

玉米秸稈經(jīng)水提和甘油協(xié)同蒸汽爆破預處理的水解液中含有大量木質(zhì)纖維素降解副產(chǎn)物,如糠醛、5-HMF、有機酸和酚類等有毒物質(zhì),不利于菌株的生長代謝[28],需要通過物理化學方法(如活性炭吸附、overliming、水洗等[29])對預處理水解液進行脫毒以降低水解液中有毒物質(zhì)的含量。有研究報道玉米漿能夠提高微生物菌株對有毒物質(zhì)的耐受能力[30]。本研究在利用活性炭對水解液脫毒后添加玉米漿進行丁醇發(fā)酵,發(fā)酵72 h產(chǎn)物丁醇和乙醇的質(zhì)量濃度分別為8.2和2.0 g·L-1,但發(fā)酵液中乙酸和丁酸濃度較高,容易引發(fā)“酸崩潰”[31]。在5 L發(fā)酵罐中進行含甘油玉米秸稈水解液丁醇發(fā)酵,控制發(fā)酵液pH值為6.0,實現(xiàn)了水提-甘油協(xié)同蒸汽爆破預處理玉米秸稈水解液高效生產(chǎn)丁醇,經(jīng)50 h發(fā)酵后葡萄糖和甘油利用率分別達到100.0%和78.9%,丁醇質(zhì)量濃度達到7.3 g·L-1。

本研究通過水提顯著提高了玉米秸稈甘油協(xié)同蒸汽爆破預處理效果,實現(xiàn)了預處理玉米秸稈的高效酶解,水解液中甘油和葡萄糖同時被微生物菌株利用生產(chǎn)丁醇,解決了預處理過程中甘油回收難、成本高等難題,為玉米秸稈和生物柴油副產(chǎn)物甘油的高值轉(zhuǎn)化提供了新的思路。