使用化學預處理方法提高生物酶解糖化效率的研究

全球性的能源危機使國內外市場對于乙醇、丁醇、生物油等液體燃料的需求量巨大，另外木質素產品如混凝土減水劑、酚醛樹脂的商業應用前景廣闊。因此，發展資源豐富、綠色環保的生物質能源成為近年來能源領域的研究熱點。所以大力發展秸稈的高值化綜合利用具有重要的現實意義。

迄今為止，為改進玉米秸稈酶解效率已經進行了大量的預處理實驗，比如堿預處理、稀酸預處理、氨纖維爆破預處理、離子液體預處理等。但大部分的堿預處理方式并未在防止半纖維素大量溶出從而提高總糖收率方面給予一定的關注和研究。本次研究采用NaOH、NaOH+AQ、NaOH+Na2SO3（堿性、中性）、H2SO4+ Na2SO3、NaOH+Na2S及H2SO4七種不同的工藝組合對玉米秸稈預處理，比較以上不同的處理方式和預處理條件對物料得率、聚糖保留率、聚糖酶解效率，以及總糖得率變化的影響。

秸稈原料與生物酶制劑

原料為玉米秸稈，產自山東省青島地區。原料風干后采用FZ102型粉碎機破碎，選取5-40目的篩分，封入塑料袋中平衡水分后備用。經檢測，秸稈原料的聚葡萄糖含量為35.0%，聚木糖含量為19.9%，木質素含量為22.5%，抽出物含量為18.4%。纖維素酶和β-葡糖苷酶均來自Novozymes公司，酶活分別為117 FPU/ml和426 IU/ml。

化學預處理

化學預處理采用帶有攪拌裝置的Parr 4560型反應釜（Parr Instrument Company, Moline, Illinois, USA）。反應釜容積為300mL，預處理時每次裝入15g秸稈原料（以絕干重量計），固液比為1:10（w/v）。按照表1所示的試驗方案加入化學藥品，攪拌轉速設定為200r/min。預處理程序為：升溫20min，最高溫度下保溫30min。然后冷卻至80℃后迅速取出試樣，去離子水洗滌至pH值為中性，以備檢測分析用。

生物酶水解

取化學預處理后的絕干試樣400mg置入具塞瓶，固液比2%（w/v），在0.05 M檸檬酸鈉緩沖液（pH=4.8）中分別加入纖維素酶20 FPU/g和β-葡糖苷酶10IU/g預處理秸稈，以及0.01g/g預處理秸稈的抑菌劑疊氮化鈉。具塞瓶放入50℃恒溫水浴振蕩器內，在160rpm轉速下振蕩進行酶解反應48h，酶解結束后迅速對酶解樣品升溫使生物酶失活，隨后冷卻，離心分離得到酶解液。

化學預處理及成分分析

提高處理溫度或者增加用堿量，物料得率均呈現降低趨勢。在相同溫度和用堿量條件下，除堿性亞硫酸鈉法和稀酸法外，其它處理方式所得物料均高于僅用氫氧化鈉處理時的得率。其中，以酸性亞硫酸鈉法預處理的原料得率為最高。

采用堿性或中性亞硫酸鈉法預處理時，在140℃條件下增加用堿量可以提高聚葡萄糖的保留率。增加化學藥品用量時，除采用酸性亞硫酸鈉法具有較高的聚木糖保留率外，其它處理方式后的聚木糖保留率均降低。

生物酶解處理

酶解效率

采用NaOH、NaOH+AQ、NaOH+Na2SO3預處理均能獲得較好的后續生物酶解效果。其中，堿性亞硫酸鈉法原料的酶解效率最高，經過160℃及用堿量10%的化學預處理后，聚葡萄糖和聚木糖酶解效率可以達到89.5%和86.1%，分別提高了13.5%和3.6%，對于酸性亞硫酸鈉法，提高預處理溫度有利于改善酶解效率。

總糖得率

在相同溫度和總用堿量條件下，NaOH+AQ和NaOH+Na2SO3預處理后再經生物酶降解，總糖得率均高于單一NaOH預處理。其中，經過溫度140℃及用堿量10%的堿性亞硫酸鈉法預處理，聚葡萄糖和聚木糖保留率分別為94.7%和70.3%，經過生物酶作用后的酶解效率分別為84.7%和81.1%，最終其總糖得率為0.44g/g 初始秸稈，比同樣條件下的單一NaOH處理提高了13.5%。

相比不同方式的化學預處理，酸性亞硫酸鈉法的原料得率最高，在溫度140℃及用堿量7%時達到76.1%。在相同溫度和用堿量時，亞硫酸鈉法預處理有利于提高物料得率以及聚糖保留率。

提高溫度或者增加用堿量均有利于木質素的脫除。在相同溫度和總用堿量時，中性亞硫酸鈉法脫除木質素的效果最好，在溫度160℃及用堿量10%時可達到91.9%。

加入蒽醌可以提高碳水化合物保留率。對于堿性或中性亞硫酸鈉法，聚葡萄糖保留率在140℃處理時隨著增加用堿量會有所提高，但在160℃時則會降低。提高預處理溫度或者增加總用堿量會使聚木糖保留率降低。

在相同處理溫度下增加化學藥品用量，可改善原料在后續生物酶處理時的酶解效率。對于溫度160℃及用堿量10%的中性亞硫酸鈉法預處理酶解效率最高，聚葡萄糖和聚木糖轉化率分別達到89.5%和86.1%。

在相同處理條件下，NaOH+AQ、NaOH+Na2SO3和NaOH+Na2S處理后的原料總糖得率均高于NaOH處理的結果。其中，采用溫度140℃及用堿量10%的堿性亞硫酸鈉法預處理后酶解的總糖得率最高，約為0.44g/g 初始秸稈。酸性亞硫酸鈉法預處理后總糖得率最低，僅為0.12——0.22g/g 初始秸稈。