堿預(yù)處理秸稈同步糖化發(fā)酵生產(chǎn)丁二酸*

孔德城，鄭璞，董晉軍，倪曄，孫志浩

(工業(yè)生物技術(shù)教育部重點實驗室;江南大學(xué)生物工程學(xué)院，江蘇無錫，214122)

堿預(yù)處理秸稈同步糖化發(fā)酵生產(chǎn)丁二酸*

孔德城，鄭璞，董晉軍，倪曄，孫志浩

(工業(yè)生物技術(shù)教育部重點實驗室;江南大學(xué)生物工程學(xué)院，江蘇無錫，214122)

研究了堿預(yù)處理秸稈及用琥珀酸放線桿菌Actinobacillus sucinogenes同步糖化發(fā)酵秸稈生產(chǎn)丁二酸。結(jié)果表明:用1.0%NaOH溶液于120℃分別預(yù)處理玉米、小麥和水稻3種秸稈2 h，其木質(zhì)素的脫除率、纖維素與半纖維素的總保留率均在85%以上。以3種堿預(yù)處理后的秸稈為原料，在補(bǔ)加纖維素酶與纖維二糖酶的條件下，A.sucinogenes F3-21搖瓶厭氧發(fā)酵72 h，產(chǎn)丁二酸濃度分別為30.74 g/L、24.98 g/L和26.57 g/L;在7 L罐中厭氧發(fā)酵72 h，丁二酸濃度分別達(dá)到40.21 g/L，30.06 g/L和39.07 g/L，每克預(yù)處理秸稈產(chǎn)丁二酸分別為0.50 g、0.38 g和0.49 g。并用鈣鹽法對玉米秸稈同步糖化發(fā)酵液進(jìn)行提取，得到純度為99.98%的丁二酸結(jié)晶。說明了玉米、小麥和水稻3種秸桿為原料進(jìn)行同步糖化發(fā)酵生產(chǎn)丁二酸的可行性。

秸稈，丁二酸，同步糖化發(fā)酵，琥珀酸放線桿菌，提取酵產(chǎn)丁二酸的可行性，為農(nóng)作物秸稈的高值化利用提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 菌株

琥珀酸放線桿菌(A.succinogenes F3－21)，本實驗室保藏［6］;里氏木霉(Trichoderma reesei SW09－1)，本實驗室保存菌種。

1.1.2 原料

玉米秸稈(產(chǎn)地河北)，水稻秸稈(產(chǎn)地常州)，小麥秸稈(產(chǎn)地常州)，風(fēng)干粉碎成40目，烘干備用。

1.1.3 培養(yǎng)基

活化培養(yǎng)基(g/L):TSB 25。

種子培養(yǎng)基(g/L):葡萄糖10，酵母膏 5，玉米漿5，NaH2PO4·2H2O 9.6，K2HPO4· 3H2O 20.3，滅菌后加入膜濾NaHCO3。

同步糖化發(fā)酵培養(yǎng)基按文獻(xiàn)［7］配制。

1.1.4 試劑和儀器

纖維素酶按文獻(xiàn)［8］的方法生產(chǎn);黑曲霉纖維二糖酶購自Sigma公司;其余試劑均為國產(chǎn)分析純或生化試劑。

7 L攪拌式發(fā)酵罐:BIOFLO 110，美國New Brunswick Scientific公司產(chǎn)品;高效液相色譜儀:Waters;RI檢測器:Waters;Aminex HPX－87H離子色譜柱:300 mm ×7.8 mm，9μm，Bio－ Rad;FT-IR SPECTROMETER:Thermo。

1.2 方法

隨著石油、煤炭等不可再生資源的日益減少，將農(nóng)作物秸稈轉(zhuǎn)化為生物質(zhì)材料，并替代逐漸減少的石油基材料備受關(guān)注。丁二酸(又稱琥珀酸)主要應(yīng)用于化工、食品和醫(yī)藥等領(lǐng)域，是重要的C4平臺化合物，12種優(yōu)先發(fā)展的化學(xué)品之一［1］。目前商業(yè)化產(chǎn)品主要從石化原料馬來酸酐催化還原制備，以農(nóng)作物秸稈等纖維素為原料通過微生物發(fā)酵生產(chǎn)丁二酸，可以使丁二酸的制備擺脫對石化原料和糧食原料的依賴。2004年韓國的Kim等［2］報道了用木質(zhì)素纖維原料生產(chǎn)丁二酸的研究，用木材水解液為原料發(fā)酵可積累11.7 g/L丁二酸;南京工業(yè)大學(xué)姜珉等［3］以酸水解的玉米皮纖維為原料，微生物發(fā)酵產(chǎn)丁二酸濃度35.8 g/L;合肥工業(yè)大學(xué)李興江等［4］采用堿解和酶解處理秸稈水解液為原料，通過對金屬離子和維生素的濃度、CO2和H2的比例，以及加入氟乙酸濃度的響應(yīng)面試驗，丁二酸產(chǎn)量提高約25%。本實驗室［5］以玉米秸稈水解液為原料，在5L發(fā)酵罐上采用補(bǔ)料分批發(fā)酵，丁二酸濃度為53.2 g/L，生產(chǎn)強(qiáng)度1.21 g/(L·h)。上述報道均是以秸稈或木材的水解液為原料，先用纖維素酶水解制備還原糖，再以其為原料進(jìn)行發(fā)酵，發(fā)酵過程受到水解原料來源的制約，需要水解設(shè)備的投入。

本實驗以玉米、小麥和水稻秸桿3種秸稈為原料，通過考察堿預(yù)處理及其同步糖化發(fā)酵(SSF)發(fā)酵生產(chǎn)丁二酸和產(chǎn)物提取的情況，探討秸稈同步糖化發(fā)

1.2.1 秸稈預(yù)處理的預(yù)處理

取一定量烘干粉碎后的秸稈，按固液比1∶15(g∶mL)的比例加入不同濃度的NaOH溶液，于120℃下處理2 h，抽濾得殘渣，水洗至中性，烘干后粉碎至40目備用。

1.2.2 發(fā)酵方法

A.sucinogenes F3－21種子按10%接種量接入裝有50 mL同步糖化發(fā)酵培養(yǎng)基的搖瓶中，加入纖維素酶和纖維二糖酶，通入100%CO2，37℃靜置培養(yǎng)。纖維素酶與纖維二糖酶的添加量分別按每克預(yù)處理秸桿加入纖維素酶20 FPU和纖維二糖酶10 CBU［9］。

7 L發(fā)酵罐上中裝同步糖化發(fā)酵培養(yǎng)基3 L，滅菌后，接入A.sucinogenes F3-21種子，并同時加入纖維素酶和纖維二糖酶，溫度37℃，發(fā)酵前通入100%CO2，轉(zhuǎn)速200 r/min，發(fā)酵過程中用MgCO3調(diào)節(jié)pH。

1.2.3 丁二酸提取方法［10］

發(fā)酵液煮沸5 min后，離心得到清液，清液經(jīng)CaCl2溶液鈣化、H2SO4酸解與活性炭脫色、過732陽離子交換樹脂與陰離子交換樹脂后，75℃下真空旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)濃縮，冷卻結(jié)晶。流程如圖1所示。

圖1 鈣鹽法提取發(fā)酵液中丁二酸的工藝流程圖

1.2.4 分析方法

(1)還原糖的測定［11］:采用 DNS 法。

(2) 秸稈成分的測定［12］:采用 Van Soest測定法。

(3)纖維素酶活和纖維二糖酶活的測定［13］:纖維素酶活按照濾紙酶活測定，纖維二糖酶活按照文獻(xiàn)測定。

(4)有機(jī)酸測定:采用離子排斥HPLC法分析葡萄糖及丁二酸、乙酸、乳酸和甲酸等發(fā)酵產(chǎn)物［14］。美國Waters高效液相色譜儀，Waters 2414 RI檢測器，Breeze色譜工作站;Aminex HPX－87H離子色譜柱(300 mm ×7.8 mm，9 μm;美國 Bio－Rad);流動相5 mmol/L H2SO4;柱溫55℃;流速0.5 mL/min;進(jìn)樣量10 μL。

2 結(jié)果與討論

2.1 玉米、小麥和水稻3種秸稈主要成分比較

作物秸稈分布廣泛，種類繁多，雖然因產(chǎn)地和品種不同。秸稈的物質(zhì)組成和理化性質(zhì)等存在差異，但秸稈在成分組成上主要是糖類，且以纖維素、半纖維素和木質(zhì)素為主，其中C、H、O的總含量達(dá)70% ～90%，同時含有一定量的粗蛋白、粗脂肪和氮、磷、鉀、鈣等礦物質(zhì)［15］。

從表1可知，實驗用玉米、小麥和水稻秸稈中纖維素和半纖維素的總含量分別是61.52%、59.87%和56.18%，其中玉米秸稈的含量最高。3種秸稈木質(zhì)素的含量，以小麥秸稈為最高，水稻秸稈次之，玉米秸稈最低。3種秸稈灰分的含量相差不大，約為5%。

表1 3種秸稈的主要化學(xué)成分

2.2 不同濃度NaOH預(yù)處理對3種秸稈成分的影響

從圖2～圖4可以看出，隨著NaOH溶液濃度的增加，玉米、小麥和水稻秸稈的重量逐步減少，木質(zhì)素脫除率逐漸增加，纖維素與半纖維素的含量也相應(yīng)略有減少。用1.0%的NaOH與5%的NaOH溶液預(yù)處理秸稈時，玉米秸稈的木質(zhì)素的脫除率92.4%和96.8%，纖維素和半纖維素的總含量分別是87.7%與88.8%;小麥秸稈的木質(zhì)素脫除率分別為84.6%和92.6%，纖維素和半纖維素總含量分別是87.8%和87.4%;而水稻秸稈的木質(zhì)素的除率分別是86.5%和93.4%，纖維素和半纖維素的總含量是82.8%和82.3%。說明1.0%與5.0%濃度的NaOH溶液預(yù)處理秸稈，3種秸稈中纖維含量的保留率與木質(zhì)素脫除率都達(dá)到85%以上?？紤]到處理后秸稈的洗滌水用量，選擇1.0%NaOH溶液預(yù)處理。

用1%NaOH溶液預(yù)處理后的，玉米、小麥和水稻秸稈，其木質(zhì)素含量分別為 1.08%、4.21%和3.68%，含量明顯低于預(yù)處理前的含量。

2.3 三種預(yù)處理秸稈原料搖瓶發(fā)酵產(chǎn)丁二酸

3種預(yù)處理秸稈搖瓶發(fā)酵產(chǎn)酸的情況如表2所示，玉米秸稈產(chǎn)丁二酸最高，其次是水稻秸稈，小麥秸稈最低。三者副主要的產(chǎn)物都是乙酸，且濃度接近。預(yù)處理玉米秸稈和小麥秸桿中的纖維素和半纖維素的總含量都是87%，但兩者的丁二酸濃度差別較大，其原因可能是預(yù)處理玉米秸稈中木質(zhì)素含量較小麥與水稻的低。但玉米秸稈發(fā)酵后的殘?zhí)禽^小麥和水稻秸稈的明顯較高，說明其搖瓶發(fā)酵沒有完全。

表2 三種秸稈原料搖瓶同步糖化發(fā)酵結(jié)果

圖2 不同NaOH濃度預(yù)處理對玉米秸稈主成分含量的影響

圖3 不同NaOH濃度預(yù)處理對小麥秸稈主成分含量的影響

圖4 不同NaOH濃度預(yù)處理對水稻秸稈主成分含量的影響

2.4 三種預(yù)處理秸稈在7 L發(fā)酵罐上發(fā)酵產(chǎn)酸比較

進(jìn)一步在7 L發(fā)酵罐上考察3種預(yù)處理秸稈同步糖化發(fā)酵的產(chǎn)酸過程，如圖5～圖7。由圖可以看出，3種秸稈原料同步糖化發(fā)酵生產(chǎn)丁二酸的過程相似，主要副產(chǎn)物是乙酸、甲酸和乳酸，其中乙酸的濃度較高。其發(fā)酵過程中還原糖變化趨勢為:發(fā)酵4 h左右，還原糖濃度積累達(dá)到最大，同時A.succinogenes F3-21結(jié)束調(diào)整期，隨著 A.sucinogenes F3-21的生長，秸稈水解產(chǎn)生的還原糖快速被菌體利用，發(fā)酵液中還原糖的濃度維持在1.0～3.0 g/L。7 L發(fā)酵罐上，還原糖的利用比其在搖瓶中的利用好，其原因是發(fā)酵罐中存在攪拌，傳質(zhì)效果好。3種秸稈在發(fā)酵前50 h左右時，產(chǎn)丁二酸的速率都較快，隨后產(chǎn)酸速率下降，發(fā)酵72 h，丁二酸濃度分別為40.21 g/L、30.06 g/L和39.07 g/L。與搖瓶 SSF相比，分別提高了30.85%、20.34%和47.05%。并且，玉米秸稈的產(chǎn)酸速率相對較高，水稻秸稈次之，小麥秸稈在其整個發(fā)酵過程中，產(chǎn)酸速率較低且平緩。3種秸桿產(chǎn)酸速率的不同可能與其在成分上的差異有關(guān)。

比較3種秸稈原料SSF產(chǎn)丁二酸的發(fā)酵特征，如表3，玉米秸稈在發(fā)酵過程中，其還原糖的維持濃度稍高于其他2種秸稈，這樣使得玉米秸稈在SSF過程中，A.succinogenes F3-21能夠利用的還原糖較多，其生產(chǎn)強(qiáng)度和丁二酸的產(chǎn)量也最高，其次是水稻和小麥秸稈。同時，丁二酸產(chǎn)量的高低與預(yù)處理秸稈的成分有關(guān)，在7 L發(fā)酵罐上產(chǎn)酸情況與搖瓶發(fā)酵結(jié)果相似，預(yù)處理后玉米秸稈的纖維素和半纖維素含量相對較高，木質(zhì)素含量相對低，故其產(chǎn)酸濃度最高，預(yù)處理小麥秸稈中的木質(zhì)素含量相對較高，產(chǎn)酸最低。

圖5 7 L發(fā)酵罐中預(yù)處理玉米秸稈同步糖化發(fā)酵過程曲線

圖6 7 L發(fā)酵罐中預(yù)處小麥秸稈同步糖化發(fā)酵過程曲線

圖7 7 L發(fā)酵罐水稻秸稈同步糖化發(fā)酵過程曲線

表3 三種秸稈原料SSF產(chǎn)丁二酸特性比較

2.5 鈣鹽法提取丁二酸

以玉米秸稈發(fā)酵液為例，鈣鹽法提取丁二酸。200 mL發(fā)酵液一次結(jié)晶得到4.63 g丁二酸結(jié)晶，HPLC測定純度為99.98%。其中各步提取的收率如表4，操作損失主要在鈣化這一步，損失率約為15.19%，其余步驟丁二酸的損失相對較小。

表4 鈣鹽法提取丁二酸收率計算表

3 結(jié)論

(1)以不同濃度NaOH預(yù)處理玉米、小麥和水稻秸稈，1.0%NaOH溶液預(yù)處理能夠較好地脫除秸稈中的木質(zhì)素，并保留纖維素和半纖維素。

(2)比較3種預(yù)處理秸稈在搖瓶和發(fā)酵罐上SSF生產(chǎn)丁二酸，玉米秸稈產(chǎn)量最高，其次是水稻，小麥。其中在7 L發(fā)酵罐上產(chǎn)丁二酸濃度分別達(dá)到40.21 g/L，30.06 g/L 和 39.07 g/L，說明玉米、小麥和水稻3種秸桿都能作為微生物發(fā)酵生產(chǎn)丁二酸的原料，其中玉米秸稈的產(chǎn)丁二酸效率最高，每克預(yù)處理秸稈可產(chǎn)丁二酸0.50 g。

(3)用鈣鹽法提取玉米秸稈SSF發(fā)酵液中的丁二酸，得到純度為99.98%的丁二酸晶體，結(jié)晶前收率為77.22%，反映了秸稈進(jìn)行同步糖化發(fā)酵生產(chǎn)丁二酸的可行性。

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Succinic Acid Production from Alkali Pretreated Stalk by Simultaneous Saccharification and Fermentation

Kong De-cheng，Zheng Pu，Dong Jin-jun，Ni Ye，Sun Zhi-hao
(The Key Laboratory of Industrial Biotechnology，Ministry of Education，School of Biotechnology，Jiangnan University，Wuxi 214122，China)

In this paper，alkali pretreatment of corn，wheat and rice three stalks，as well as succinc acid(SA)production by simultaneous saccharification and fermentation(SSF)from the pretreated stalks were investigated.Results showed that when corn，wheat and rice stalks were pretreated with 1.0%NaOH concentration at 120℃ for 2 h，the rates of both lignin removal and cellulose-hemicellulose remains were more than 85%.In the conditions of cellulose and cellobiase added，30.74 g/L，24.98 g/L and 26.57 g/L SA were achieved using the corn，wheat and rice pretreated stalks as stuff respectively，when SSF were performed 72 h by Actinobacillus sucinogenes F3－21 in 150 mL flask.While in a 7 L stirred bioreactor，SA concentration were obtained 40.21 g/L，30.06 g/L and 39.07 g/L in 72 h，and its yields of each per gram of pretreated stalks reached 0.50 g，0.38 g and 0.49 g correspondingly.Moreover the extraction of SA by precipitation from the broth of corn stalk SSF was attempted.SA crystal with a purity of 99.89%was obtained.The results suggest the feasibility of SA production by SSF from corn，wheat and rice stalks.

stalk，succinc acid，saccharification and fermentation(SSF)，Actinobacillus sucinogenes，extraction

碩士研究生(鄭璞教授為通訊作者)。

*本課題受國家863項目支持(2006AA027235)

2011－05－17，改回日期:2011－06－25