堿預(yù)處理對麥草秸稈酶解的影響

羅 清， 趙 登， 張安龍， 王光艷

(1.陜西科技大學(xué) 輕工與能源學(xué)院 陜西省造紙技術(shù)及特種紙品開發(fā)重點實驗室, 陜西 西安 710021； 2.南京林業(yè)大學(xué) 江蘇省制漿造紙科學(xué)與技術(shù)重點實驗室， 江蘇 南京 210037)

0 引言

木質(zhì)纖維素原料作為豐富而廉價的可再生資源，已經(jīng)逐漸成為制取生物乙醇的有效途徑.但由于木質(zhì)纖維原料的生物構(gòu)造和化學(xué)組成等原因，必須經(jīng)過有效的預(yù)處理以提高酶水解轉(zhuǎn)化效率[1,2].草類原料結(jié)構(gòu)較木材疏松，灰分和二氧化硅含量較高，不宜采用強烈的預(yù)處理條件.

木聚糖酶是能催化降解木聚糖的一類半纖維素酶，應(yīng)用木聚糖酶處理麥草漿料，其直接作用就是降解漿中的木聚糖，使?jié){中半纖維素的含量降低，并使纖維素細胞壁結(jié)構(gòu)變得松弛，同時使?jié){中殘余木素連接的半纖維素降解，破壞了LCC，形成脫木素或有利于脫木素的狀態(tài)[3,4].因此本文就不同堿用量和溫度的條件下，對麥草秸稈的化學(xué)組成和木聚糖酶的酶解效率進行了研究，為實現(xiàn)生物質(zhì)精煉理念在制漿造紙行業(yè)中的應(yīng)用提供參考.

1 實驗部分

1.1 實驗原料、儀器和試劑

(1)原料：實驗所用麥草取自陜西某造紙廠.堿處理、酶處理和纖維形態(tài)分析使用時，將自然風干的麥草切成2～3 cm；纖維化學(xué)成分分析檢測時，將麥草用植物粉碎機粉碎，篩出40～60目的部分.

(2)儀器：電熱恒溫水浴鍋(HH-Z)；電熱蒸煮鍋(ZQS1)；電子分析天平(BL310)；電熱恒溫鼓風干燥箱(DHG-9053A)；纖維質(zhì)量分析儀(LDA02).

(3)主要試劑：上海丹尼悅生物科技有限公司的商業(yè)用酸性木聚糖酶，該產(chǎn)品呈米色，粉末狀，酶活力為12 000 IU·g-1，適宜pH為5～6，適宜溫度為50 ℃～60 ℃，使用時需適當稀釋.

1.2 實驗方法

1.2.1 麥草秸稈的堿處理

分別稱取一定量實驗1.1中的麥草原料置于250 mL具塞磨口錐形瓶中，按照質(zhì)量分數(shù)為1%、3%、5%、7%加入NaOH溶液，固液比1∶10，待試樣充分濕潤后，置于(50±0.5) ℃恒溫水浴振蕩器中，轉(zhuǎn)速140 r/min，1 h后，對麥草進行抽濾分離處理，將試樣殘渣用去離子水洗滌至中性，干燥至恒重.取樣對聚戊糖含量和麥草得率進行檢測分析.

1.2.2 麥草秸稈的酶處理

取一定量按章節(jié)1.2.1所述方法堿處理后的原料置于100 mL碘量瓶中，加入蒸餾水后微沸30 min，冷卻到室溫，用稀HCl調(diào)pH為5.5左右，加入酸性木聚糖酶用量600 IU·g-1，補加蒸餾水至反應(yīng)體系的總體積為60 mL，搖勻置于(50±0.5) ℃恒溫水浴振蕩器中，轉(zhuǎn)速為165 r/min下酶解作用120 min.反應(yīng)結(jié)束后微沸30 min進行酶滅火處理，冷卻至室溫后用去離子水洗滌處理試樣至中性，105 ℃下干燥至恒重，取樣進行聚戊糖含量和麥草得率檢測.

1.3 檢測方法

麥草原料水分含量、灰分含量、綜纖維素含量、木素含量和聚戊糖含量的測定方法均按國標(GB/T2677.2-1993)、(GB/T2677.3-1993)、(GB/T2677.10-1995)、(GB/T2677.8-1994)、(GB/T2677.9-1994)進行檢測；纖維質(zhì)量分析儀采用奧普泰斯特(Optest)觀察纖維形態(tài).

1.4 聚戊糖得率的計算

聚戊糖得率指原料經(jīng)預(yù)處理后未被降解的聚戊糖占原料中聚戊糖總量的質(zhì)量百分比，計算方法為：

聚戊糖含量=

2 結(jié)果與討論

2.1 麥草原料的化學(xué)成分

實驗所用麥草原料按國標進行檢測分析，主要化學(xué)成分如表1所示.

表1 麥草原料主要化學(xué)成分含量

2.2 用堿量對酶處理前后聚戊糖得率的影響

不同用堿量對麥草漿進行堿預(yù)處理和酶后處理，用堿量對酶處理前后聚戊糖含量的影響見圖1所示.

圖1 用堿量對聚戊糖含量的影響

由圖1可知，酶處理前后聚戊糖的含量隨著用堿量的增加均在減少，且聚戊糖含量在酶處理后下降趨勢明顯.在堿預(yù)處理條件下聚戊糖含量下降較平緩，而在用堿量為7%時，酶處理后聚戊糖含量有較大的下降趨勢，聚戊糖含量減少了近50%.聚戊糖含量下降說明堿預(yù)處理中堿液與纖維原料反應(yīng)后脫除一定量的半纖維素[5-7]；酶處理后麥草秸稈聚戊糖含量下降明顯，說明NaOH預(yù)處理提高了木聚糖酶與底物的可及度，提高了酶解效率，促進了麥草秸稈的酶解，聚戊糖含量下降.因此，用堿量在7%時聚戊糖含量下降較快，即酶解糖量及糖化率較大.

2.3 用堿量對酶處理前后麥草漿得率的影響

不同用堿量對麥草進行堿預(yù)處理和酶后處理，用堿量對酶處理前后麥草漿得率的影響見圖2.

圖2 用堿量對麥草漿得率的影響

由圖2可知，隨著用堿量的增加，酶處理前后麥草漿的得率均在減少，且麥草漿得率在酶處理后明顯小于酶處理前的.在不同堿預(yù)處理條件下，酶處理后比酶處理前麥草漿得率少5%左右.說明在堿預(yù)處理過程中，適當提高氫氧化鈉溶液的濃度有助于漿料中半纖維素及低分子質(zhì)量纖維素的溶解,有利于纖維素的充分潤脹[8]；當較多的半纖維素溶出后，添加木聚糖酶使水解達到較高的反應(yīng)速率，半纖維素的酶解速度加快，麥草漿得率下降.因此，結(jié)合聚戊糖含量和麥草漿得率的綜合考慮，用堿量在7%時較好.

2.4 反應(yīng)溫度對聚戊糖含量的影響

在堿用量為7%時，不同溫度下對麥草進行堿預(yù)處理和酶后處理.反應(yīng)溫度對酶處理前后聚戊糖含量的影響見圖3.

圖3 反應(yīng)溫度對酶處理前后 聚戊糖含量的影響

由圖3可知，酶處理前隨著溫度的升高，聚戊糖含量先下降較快，在溫度大于50 ℃時，聚戊糖含量的減少趨勢基本比較平緩；酶處理后麥草聚戊糖含量一直減少，在80 ℃時酶處理后麥草秸稈聚戊糖含量減少了近50%.說明半纖維素在相對溫和的條件下就有較快的溶出，這因為麥草纖維結(jié)構(gòu)較為疏松，半纖維素與木素纖維素的結(jié)合力較弱，這也說明了麥草的脫木素選擇性差.當溫度大于50 ℃時，堿處理過程對聚戊糖降解的促進作用極為有限，聚戊糖含量的減少趨勢基本比較平緩.因此，綜合考慮酶處理前后，反應(yīng)溫度為50 ℃時為最佳條件.

2.5 反應(yīng)溫度對麥草得率的影響

在堿用量為7%時，不同溫度下對麥草進行堿預(yù)處理和酶后處理.反應(yīng)溫度對酶處理前后麥草漿得率的影響見圖4.

圖4 反應(yīng)溫度對酶處理前后 麥草漿得率的影響

由圖4可知，隨著反應(yīng)溫度的增加，酶處理前后麥草漿的得率均在減少，且麥草漿得率在酶處理后明顯小于酶處理前的.隨著溫度的升高，堿預(yù)處理過程中麥草漿得率的下降趨勢比較緩和，麥草漿得率下降了5%，可以看出溫度升高，堿預(yù)處理漿得率逐漸下降，可能木質(zhì)素脫除并未顯著增加；酶處理后麥草漿得率下降較明顯，而且溫度越高麥草漿得率下降越快，但得率下降并不都是聚戊糖酶解作用造成的，木聚糖酶處理在酸性條件作用下也會除去灰份、鐵質(zhì)，因為酸能夠溶解鐵質(zhì)，還可以去除灰份，酸處理中的H+將Mg2+或Ca2+交換掉，重新變成-COOH(羧基)，即降低了成品的灰份[9-12]，麥草漿得率下降.考慮到麥草漿得率不能太低，溫度應(yīng)該在50 ℃時酶處理前后麥草漿得率都相對較好.

2.6 酶處理前后麥草纖維形態(tài)分析

在堿用量為7%，反應(yīng)溫度為50 ℃時，用奧普泰斯特纖維質(zhì)量分析儀觀察處理后漿料的纖維形態(tài).原料和酶處理前后麥草漿纖維的形態(tài)分析如表2所示.

表2 酶處理前后纖維形態(tài)分析

由表2的數(shù)據(jù)可知，酶處理前后麥草漿料的纖維重均長度均減少，酶處理后比酶處理前的重均長度相對減少了14.45%；酶處理前后的細小纖維含量、卷曲半徑、扭結(jié)指數(shù)和總扭結(jié)角度相對麥草原料均有所增加.原因可能是堿處理和酶處理后使得纖維的碳水化合物聚合度降低，降解后產(chǎn)生部分纖維碎片，導(dǎo)致重均纖維長度降低和細小纖維含量增加.另一方面，堿處理和酶處理使得纖維細胞壁的化學(xué)成分溶出，提高了纖維細胞壁的通透性，纖維吸水潤張能力增加，使得卷曲指數(shù)和扭結(jié)指數(shù)增加[13-15].即酶處理前后和麥草原料比較，重均長度減少，細小纖維含量增加，卷曲指數(shù)增加，扭結(jié)程度增大.

3 結(jié)論

(1)堿預(yù)處理和酶后處理過程中，隨著用堿量的增加麥草漿的得率和聚戊糖含量都呈下降趨勢.在堿預(yù)處理用堿量7%，反應(yīng)溫度50 ℃，反應(yīng)時間60 min和酶后處理時pH=5.5，木聚糖酶用量600 IU·g-1，反應(yīng)溫度50 ℃，酶解時間120 min的條件下，處理后麥草漿聚戊糖含量有較好的降解效果，同時麥草漿得率達到了最佳效果.

(2)用纖維質(zhì)量分析儀觀察纖維形態(tài)，酶處理前后和麥草原料比較，纖維重均長度減少，細小纖維含量、卷曲指數(shù)和扭結(jié)程度均增加.

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