微波前處理對(duì)水稻秸稈酶解性能的影響

沈潔 陸筑鳳 于建興 葉小梅 李加友 常志洲

摘要 [目的]利用微波預(yù)處理破壞秸稈中半纖維素、纖維素和木質(zhì)素復(fù)合物，改善秸稈質(zhì)地和結(jié)構(gòu)，提高其生物降解效率，為秸稈生物質(zhì)能開發(fā)創(chuàng)造條件。[方法]通過Box-Behnken設(shè)計(jì)和響應(yīng)面法對(duì)水稻秸稈進(jìn)行微波預(yù)處理優(yōu)化試驗(yàn)，并通過秸稈結(jié)構(gòu)表征比對(duì)來考察微波處理對(duì)水稻秸稈酶解性能的影響。[結(jié)果]利用響應(yīng)面法得到微波前處理的最佳操作參數(shù)：功率（MI）700 W，反應(yīng)時(shí)間（IT）28 min，固液比（SC）75 g/L。在最優(yōu)條件下，秸稈的還原糖收率為11.86%，比未處理時(shí)增長(zhǎng)了47.33%，與秸稈結(jié)構(gòu)的FTIR、電鏡等表征結(jié)果相符。[結(jié)論]微波預(yù)處理會(huì)破壞秸稈表面的蠟質(zhì)和硅化細(xì)胞，還可以部分分解木質(zhì)素與半纖維素復(fù)合物，提高了水稻秸稈的生物降解性能，具有良好的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞 微波前處理；水稻秸稈；響應(yīng)面分析；還原糖收率

中圖分類號(hào) S181.3；X703.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼

A 文章編號(hào) 0517-6611（2014）26-09088-03

Effect of Microwave Pretreatment on Enzymatic Saccharification of Rice Straw

SHEN Jie， LI Jia-you et al （College of Biological and Chemical Engineering， Jiaxing University， Jiaxing， Zhejiang 314001）

Abstract [Objective] Microwave pretreatment was used to disrupt the lignin-hemicellulose complex and enhance enzymatic saccharification of rice straw. [Method] In this study， Box-Behnken design and response surface methodology were employed to plan experiments and optimize the microwave pretreatment of rice straw. [Result] According to regression equation to determine， the best microwave pretreatment conditions were as follow： microwave intensity （MI） 700 W， irradiation time （IT） 28 min and substrate concentration （SC） 75 g/L. Under the optimal conditions， the maximal recover of reducing sugar was 11.86%， increased by 47.33% compared with untreated straw. The physicochemical surface characteristics analysis of straw further confirmed the perspective. [Conclusion] Microwave pretreatment could disrupt the silicified waxy surface， break down the lignin-hemicellulose complex and partially remove silicon and lignin， largely enhance enzymatic saccharification of rice straw.

Key words Microwave pretreatment； Rice straw； Response surface analysis； Reducing sugar yield

我國(guó)秸稈資源豐富，年產(chǎn)量達(dá)7億t，秸稈中纖維素和半纖維素含量超過50%，是非常優(yōu)良的發(fā)酵原料。但是，由于秸稈獨(dú)特的天然結(jié)構(gòu)，纖維素酶和半纖維素酶很難對(duì)其直接作用，酶解效率很低。建立高效經(jīng)濟(jì)、環(huán)境友好的前處理方法，破壞秸稈的天然抗性屏障，已成為秸稈資源化利用的關(guān)鍵^[1]。蒸汽爆破、熱水、超聲波、NaOH等物理和化學(xué)方法都可以在一定程度上改變秸稈結(jié)構(gòu)，促進(jìn)酶的可及性，提高纖維素和半纖維素的酶解效率^[2-5]。微波處理操作方便，環(huán)境友好，處理效率高，受到廣泛關(guān)注^[6]。該研究利用專業(yè)的微波合成儀對(duì)秸稈進(jìn)行前處理，基于相同的工藝條件，通過與文獻(xiàn)中常用的家用微波爐輔助處理進(jìn)行比較，為微波輔助前處理方法的實(shí)際應(yīng)用提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料與主要儀器

試驗(yàn)材料：水稻秸稈，來自嘉興市市郊。取新鮮水稻秸稈，去根及穗后風(fēng)干，剪成5 cm左右的短桿備用。主要儀器：MAS II 型常壓微波輔助合成反應(yīng)儀（上海新儀微波化學(xué)科技有限公司）、日立hitachi S-4800掃描電鏡（日本HITACHI公司）、傅立葉變換紅外光譜儀（德國(guó)Bruker公司）。

1.2 試驗(yàn)流程 圖1為該試驗(yàn)的操作流程。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 微波預(yù)處理。

秸稈經(jīng)粉碎機(jī)粉碎，過篩，準(zhǔn)確稱取1 g秸稈材料，加一定量的水混合均勻，在一定的微波功率下處理一定的時(shí)間。預(yù)處理后的樣品經(jīng)過濾分離，濾餅在40 ℃下烘干備用，濾液用來測(cè)定葡萄糖在微波預(yù)處理過程中的增加量。

1.3.2 酶解。在100 ml錐形瓶中加入預(yù)處理好的秸稈，適量纖維素酶和0.02 mol/L pH 4.8醋酸緩沖液，使體系中秸稈含量為12.5 g/L，酶活為2 000 U/ml，于50 ℃下、100 r/min的恒溫振蕩箱中反應(yīng)24 h。取反應(yīng)液2 ml經(jīng)10 000 r/min離心10 min，收集上清液測(cè)定還原糖的含量。每個(gè)樣品重復(fù)3次。

1.3.3 工藝條件的優(yōu)化。選擇微波功率（MI）、微波處理時(shí)間（IT）、秸稈材料與水的固液比（SC）作為考察的3個(gè)變量，利用Box-Behnken設(shè)計(jì)方法對(duì)所選因子進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)（表1），以還原糖收率為響應(yīng)值對(duì)試驗(yàn)進(jìn)行響應(yīng)面分析并建立二次響應(yīng)面回歸模型，確定其最優(yōu)工藝參數(shù)水平。

1.3.4 秸稈結(jié)構(gòu)表征。

掃描電鏡分析：將未處理的秸稈和經(jīng)微波輻射處理的秸稈進(jìn)行掃描電鏡檢測(cè)，觀察秸稈纖維表面形態(tài)和微細(xì)結(jié)構(gòu)。 紅外光譜分析：將未處理的秸稈和經(jīng)微波輻射處理的秸稈進(jìn)行紅外光譜分析。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 工藝條件的優(yōu)化結(jié)果

利用Box-Behnken設(shè)計(jì)考察試驗(yàn)中的微波功率、處理時(shí)間、固液比3個(gè)因素對(duì)水稻秸稈酶解的影響強(qiáng)度、交互作用情況（表2）。試驗(yàn)數(shù)據(jù)利用軟件Design Expert 7.0進(jìn)行分析，擬合出微波功率（A）、處理時(shí)間（B）、固液比（C）與水稻秸稈酶解后還原糖收率Y之間的二次多項(xiàng)回歸方程：Y=36.605+2.438A-0.318B+0.322C-1.137AB-0.062AC +0.506BC-1.369A2-1.230B2-2.360C2。

由表3可知，A和C2對(duì)結(jié)果均有顯著影響，模型的P值<0.05，表示該模型顯著；模型的R2=0.913 0，表示模型參數(shù)具有高度的相關(guān)性；失擬誤差P值為0.004 68，說明響應(yīng)面模型對(duì)試驗(yàn)擬合的情況較好，試驗(yàn)誤差小，且可很好地對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析和預(yù)測(cè)。

對(duì)于水稻秸稈酶解糖化的模型的3D響應(yīng)面圖和2D等高線圖如圖2～4所示。為考察兩因素間的交互作用，保持另一因素不變。當(dāng)?shù)雀呔€呈圓形時(shí)，表明其交互作用明顯，而當(dāng)其等高線為橢圓或其他形狀時(shí)，則表明其交互作用不顯著。因此，可知該試驗(yàn)中底物濃度和微波處理時(shí)間之間有較好的交互作用，而底物濃度和微波功率或微波功率和處理時(shí)間之間的交互作用均不是很明顯。

微波預(yù)處理的最佳條件由Design Expert軟件通過圖形優(yōu)化來得到?？紤]到成本和效率，最佳操作參數(shù)確定為A=700 W，B=28 min，C=75 g/L。在該條件下，重復(fù)5次驗(yàn)證試驗(yàn)，實(shí)際測(cè)得的CS值與預(yù)測(cè)值基本一致，微波輻射后秸稈的CS值達(dá)到了11.86%，而未處理秸稈的CS值為8.05%，增長(zhǎng)率為47.33%。

2.2 秸稈結(jié)構(gòu)表征試驗(yàn)結(jié)果

2.2.1 秸稈超微結(jié)構(gòu)（掃描電鏡分析）。

掃描電鏡（SEM）觀察結(jié)果如圖5所示。通過微波處理前后樣品的掃描電鏡圖發(fā)現(xiàn)，微波處理后秸稈結(jié)構(gòu)明顯破壞，呈無規(guī)則形態(tài)。由于部分半纖維素、木質(zhì)素的去除，表面變得疏松，秸稈致密結(jié)構(gòu)已遭到破壞且具有部分微孔。這種結(jié)構(gòu)可以更加有利于纖維素酶作用于秸稈。由此可知，微波作用可以改變秸稈致密結(jié)構(gòu)，降低結(jié)晶度，這樣有利于纖維分子鏈間氫鍵斷裂和水分子滲透到纖維素非結(jié)晶區(qū)及結(jié)晶區(qū)表面，進(jìn)而移除更多木質(zhì)素，使纖維素、半纖維素更容易被酶解。掃描電鏡表征的結(jié)果與秸稈的酶法轉(zhuǎn)化結(jié)果相符。

3 結(jié)論

該項(xiàng)研究對(duì)秸稈微波預(yù)處理的條件優(yōu)化使用了Box-Behnken設(shè)計(jì)和響應(yīng)面分析。試驗(yàn)得到的最優(yōu)條件如下： MI 700 W，IT 28 min和SC 75 g/L。在最優(yōu)條件下，還原糖收率達(dá)到11.86%，并且相對(duì)于原材料秸稈具有47.33%的增長(zhǎng)量?？梢?，微波輻射在提高水稻秸稈生物降解率方面是一種有效的預(yù)處理方法。微波預(yù)處理可以破壞表面硅化蠟質(zhì)，分解木質(zhì)素、半纖維素復(fù)合物，除去部分硅和木質(zhì)素，并更容易將纖維素表面暴露于纖維素酶中，大大增強(qiáng)水稻秸稈的酶解糖化能力。但不同的微波反應(yīng)裝置對(duì)處理的效率有較大的差別，相對(duì)于文獻(xiàn)中提到的利用家用微波爐，在相當(dāng)?shù)臈l件下處理水稻秸稈后，還原糖收率提高了3～4倍^[7-8]。

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