不同脫毒方法對玉米秸稈水解液酒精發(fā)酵的影響

張 強(qiáng) ，Anders Thygesen，Anne Belinda Thomsen

（1長春理工大學(xué)生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院，吉林 長春 130022；2Biosystems Division，Ris? DTU，Technical University of Denmark，Denmark）

研究開發(fā)

不同脫毒方法對玉米秸稈水解液酒精發(fā)酵的影響

張 強(qiáng)1，Anders Thygesen2，Anne Belinda Thomsen2

（1長春理工大學(xué)生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院，吉林 長春 130022；2Biosystems Division，Ris? DTU，Technical University of Denmark，Denmark）

利用濕熱預(yù)處理（195 ℃，15 min）后的玉米秸稈水解液，考察了3種不同脫毒方法（中和法、飽和生石灰法和Na2SO3法）對水解液中的抑制劑的去除效果，研究了樹干畢赤酵母（Pichia stipitis58376）對脫毒后的水解液酒精發(fā)酵情況。結(jié)果表明：玉米秸稈水解液經(jīng)過 3種方法脫毒處理后，醛類抑制劑（糠醛和 5-羥甲基糠醛）平均減少41%，總酚類最高去除28.4%，酒精得率都得到明顯提高。最佳的脫毒方法是飽和生石灰法，理論酒精得率達(dá)到69.31%，對應(yīng)的酒精濃度和生產(chǎn)效率分別為12.2 g/L和0.056 g/(L·h)。飽和生石灰法是一種有效實(shí)用的脫毒方法。

玉米秸稈；濕熱預(yù)處理；脫毒；樹干畢赤酵母

世界原油儲量的日益下降，使得人們對探索新的可再生能源產(chǎn)生了極大的興趣。利用豐富廉價(jià)的玉米秸稈等纖維質(zhì)原料生產(chǎn)燃料酒精不但可緩解能源危機(jī)，而且可大大降低二氧化碳的排放，減輕環(huán)境污染[1-2]。

玉米秸稈主要由纖維素、半纖維素和木質(zhì)素構(gòu)成，結(jié)構(gòu)致密。濕熱預(yù)處理是一種有效的預(yù)處理方法，可使纖維素和半纖維素有效分離[3]。預(yù)處理后的水解液由于含有豐富的還原糖等營養(yǎng)物質(zhì)是酒精發(fā)酵很好的原料，但預(yù)處理過程中由于糖類及木質(zhì)素的降解，會釋放一些微生物生長的抑制劑，例如糠醛、5-羥甲基糠醛（5HMF）以及酚類等物質(zhì)，從而影響菌體發(fā)酵[4-5]，尤其樹干畢赤酵母（Pichia stipitis）對抑制劑非常敏感，往往不能夠進(jìn)行發(fā)酵。抑制劑的種類和數(shù)量與原料和預(yù)處理?xiàng)l件有關(guān)。因此發(fā)酵之前應(yīng)進(jìn)行必要的脫毒處理。目前使用的脫毒方法較多，其中飽和生石灰法和Na2SO3法是常用的有效的脫毒方法，廣泛應(yīng)用于各種水解液的脫毒處理[6-7]，而中和法是比較簡單易行的脫毒方法。但由于原料、預(yù)處理方式以及發(fā)酵微生物不同，各種脫毒方法之間難于進(jìn)行比較。

本文主要考察了3種脫毒方法——中和法、飽和生石灰法和 Na2SO3法對玉米秸稈水解液中抑制劑的去除效果，并利用樹干畢赤酵母（Pichia stipitis58376）對脫毒后的水解液酒精發(fā)酵進(jìn)行了研究。

1 材料與方法

1.1 菌種和細(xì)胞生物量

樹干畢赤酵母（Pichia stipitis58376）購買后保存在丹麥瑞素國家實(shí)驗(yàn)室。首先 30 ℃培養(yǎng)過夜，然后3000 r/min離心5 min，重新懸浮在無菌水中作為發(fā)酵種子備用。菌體離心，105 ℃干燥至恒重進(jìn)行細(xì)胞生物量測定[8]。

1.2 原料

玉米秸稈來自意大利，2004年7月份收獲，首先經(jīng)過氣流干燥，然后粉碎成粒徑為1 mm備用。

1.3 水解液樣品制備

濕熱預(yù)處理是在丹麥瑞素國家實(shí)驗(yàn)室環(huán)行高壓容器中進(jìn)行的。本實(shí)驗(yàn)所采用的實(shí)驗(yàn)條件是基于前期所做的玉米秸稈濕熱預(yù)處理的基礎(chǔ)上進(jìn)行的。195 ℃，預(yù)處理15 min是已報(bào)道的最佳條件[9]。將60 g玉米秸稈原料（絕干）與1 L水混合，195 ℃預(yù)處理15 min，反應(yīng)結(jié)束后，將預(yù)處理液過濾處理并添加適量葡萄糖作為水解液樣品。

1.4 脫毒方法

1.4.1 中和法

利用 Ca(OH)2將玉米秸稈水解液 pH值調(diào)到5.5，靜置1 h后過濾。

1.4.2 飽和生石灰法

采用飽和石灰石乳液與玉米秸稈水解液快速攪拌混合，首先將pH值調(diào)到10.0，靜置1 h后過濾，然后用濃H2SO4酸化到pH值5.5，靜置過濾。

1.4.3 Na2SO3法

將 1.4.2節(jié)處理好的水解液加入 Na2SO3（3 g/L），靜置1 h后過濾。

1.5 水解液的組成分析

水解液中醛類及還原糖（葡萄糖、木糖）由液相色譜（HPLC）測得。柱子為 Aminex HPX-87H（BIO-RAD），溫度63 ℃，流動相4 mol/L H2SO4，流速0.6 mL/min。檢測器為日本Shimadzu公司生產(chǎn)。

1.6 總酚類測定

采用普魯士藍(lán)法，具體參考文獻(xiàn)[10]。

1.7 發(fā)酵

發(fā)酵是在250 mL玻璃瓶中進(jìn)行的。100 mL水解液接入發(fā)酵種子使細(xì)胞干重達(dá)到 2 g/L，并加入0.2 mL（24%）的尿素溶液。配好發(fā)酵栓，發(fā)酵在30 ℃進(jìn)行。酒精生成量可以通過因 CO2的釋放引起瓶重變化監(jiān)測，發(fā)酵液中酒精濃度最終由 HPLC測得，試驗(yàn)重復(fù)3次。

1.8 計(jì)算

1 g葡萄糖理論上產(chǎn)生0.51 g酒精。酒精產(chǎn)量可以通過因CO2的釋放引起瓶重變化監(jiān)測[11]。酒精產(chǎn)量= CO2減少量× 1.045

2 結(jié)果和討論

2.1 預(yù)處理后玉米秸稈水解液抑制劑組成

玉米秸稈經(jīng)過預(yù)處理主要產(chǎn)生3類抑制劑——醛類、羧酸類和酚類?？啡┖?HMF 是主要的醛類抑制劑，由糖類降解生成。醛類物質(zhì)會抑制醇脫氫酶及糖酵解酶的活性，從而影響酒精發(fā)酵。乙酸和甲酸是主要的羧酸類抑制劑，乙酸是由半纖維素中乙酸根基團(tuán)水解形成，而甲酸是由糠醛和5HMF降解形成。由于 25 ℃乙酸的電離常數(shù)為4.76，未解離的乙酸與pH值有很大關(guān)系，會透過細(xì)胞膜影響細(xì)胞生長而產(chǎn)生抑制作用，研究表明維持相對較高的發(fā)酵pH值將會減輕乙酸的抑制作用。而酚類主要由木質(zhì)素降解形成，目前已鑒別出來的酚類物質(zhì)有幾十種，酚類物質(zhì)能將細(xì)胞膜分化，從而影響膜的完整性，是微生物酒精發(fā)酵中最重要的一類抑制劑[12]。抑制劑的種類主要與原料及預(yù)處理?xiàng)l件有關(guān)，表1顯示了玉米秸稈經(jīng)過濕熱預(yù)處理后水解液中主要抑制劑的含量。

2.2 脫毒后玉米秸稈水解液中抑制劑變化

采用中和法、飽和生石灰法和 Na2SO3法分別對玉米秸稈水解液進(jìn)行了脫毒處理。從表2可以看出，抑制劑的去除與使用的脫毒方法有關(guān)。所使用的脫毒方法可以使醛類平均減少41%，最高的是采用Na2SO3法，可使醛類物質(zhì)去除44.3%。而對于酚類物質(zhì)，采用飽和生石灰法可得到 28.4%去除率。而 Na2SO3法則沒有效果。有趣的是中和法和飽和生石灰法一樣，能夠有效改變水解液中的醛類和酚類物質(zhì)的含量。

表1 預(yù)處理后玉米秸稈水解液抑制劑組成

表2 脫毒方法對抑制劑的影響

2.3 不同脫毒方法對酒精發(fā)酵影響

利用樹干畢赤酵母（Pichia stipitis58376）對脫毒后的玉米秸稈水解液進(jìn)行了酒精發(fā)酵實(shí)驗(yàn)。以純葡萄糖和木糖組成的合成培養(yǎng)基（葡萄糖35 g/L，木糖0.5 g/L，24%尿素2 mL/L）作為空白對照。

表3展示了脫毒方法對酒精發(fā)酵的影響。受脫毒方法的影響，還原糖會有不同程度的損失。從圖1可以看到，3種脫毒方法都有效提高了酒精的得率。最佳的脫毒方法是飽和生石灰法，理論酒精得率達(dá)到69.31%，對應(yīng)的酒精濃度和生產(chǎn)效率分別為12.2 g/L和0.056 g/(L·h)。根據(jù)報(bào)道木質(zhì)素降解產(chǎn)物酚類更有毒性[13-14]，由于有效地去除了部分酚類物質(zhì)和醛類物質(zhì)，與其它方法相比，飽和生石灰法獲得了較高的菌體生物量，最終酒精含量較高。另外從圖2中也看到，盡管經(jīng)過脫毒處理，水解液中的還原糖都沒有被P. stipitis完全利用，利用率在80%～90%之間，主要由于脫毒部分移去了抑制劑的緣故。

表3 脫毒方法對酒精發(fā)酵的影響

圖1 脫毒方法對酒精形成的影響

圖2 脫毒方法對還原糖消耗的影響

3 結(jié) 論

（1）經(jīng)過濕熱預(yù)處理得到的玉米秸稈水解液，經(jīng)過中和法、飽和生石灰法和Na2SO3法脫毒處理，可以使水解液中糠醛和5HMF平均減少41%，最高的是采用Na2SO3法，醛類物質(zhì)去除率為44.3%。而對于酚類物質(zhì)，采用中和法和飽和生石灰法可分別得到10.6%和28.4%去除率，而Na2SO3法則沒有效果。

（2）利用樹干畢赤酵母（Pichia stipitis58376）對脫毒后的玉米秸稈水解液進(jìn)行酒精發(fā)酵，3種脫毒方法都有效提高了酒精的得率。最佳的脫毒方法是飽和生石灰法，理論酒精得率達(dá)到69.31%，對應(yīng)的酒精濃度和生產(chǎn)效率分別為 12.2 g/L和 0.056 g/(L·h)。

（3）飽和生石灰法是一種有效實(shí)用的脫毒方法。為提高酒精得率，還可以進(jìn)一步優(yōu)化發(fā)酵工藝條件。

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Effect of different detoxification methods on ethanol production from corn stover hydrolysate

ZHANG Qiang1，Anders Thygesen2，Anne Belinda Thomsen2
（1School of Life Science and Technology，Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022，Jilin，China；2Biosystems Division，Ris? DTU，Technical University of Denmark，Denmark）

The influence of three different detoxification methods（neutralization，overliming and Na2SO3addition）on inhibitors were evaluated by using corn stover hydrolysate prepared with hydrothermal pretreatment（195 ℃，15 min）. Ethanol fermentability of detoxified corn stover hydrolysate was investigated byPichia stipitis58376. The results showed that all the employed detoxification methods resulted in a 41% reduction in average total furans and highest 28.4% reduction in total phenols. Fermentation performance was greatly enhanced by employed detoxification methods.Ethanol yield of 69.31% of the theoretical value based on reducing sugar was obtained by overliming.The corresponding ethanol concentration and volumetric productivity were 12.2 g/L and 0.056 g/（L·h）.Overliming was the most efficient detoxification method.

corn stover；hydrothermal pretreatment；detoxification；Pichia stipitis

TK 6

A

1000-6613（2011）04-0739-04

2010-12-19；修改稿日期：2010-12-04。

吉林省教育廳科技項(xiàng)目（200623）。

及聯(lián)系人；張強(qiáng)（1969—），男，副教授，主要從事生物質(zhì)能源的研究。E-mail corn11@126.com。