農(nóng)作物秸稈酶解制糖研究進(jìn)展

劉海燕等

摘要：制糖是農(nóng)作物秸稈生產(chǎn)燃料乙醇、化工醇等工業(yè)產(chǎn)品的關(guān)鍵步驟，其中采用酶解法實(shí)現(xiàn)農(nóng)作物秸稈有效糖化是該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。簡單介紹了酶解機(jī)理，并對(duì)直接酶解與預(yù)處理酶解的研究進(jìn)展進(jìn)行了綜述。

關(guān)鍵詞：農(nóng)作物秸稈；酶解制糖；有效糖化

中圖分類號(hào)： TQ914.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A 文章編號(hào)：1002-1302（2014）03-0010-03

我國是農(nóng)業(yè)大國，每年可產(chǎn)生農(nóng)作物秸稈7億多t，近年來，隨著我國農(nóng)村能源結(jié)構(gòu)的變化與集約化生產(chǎn)的發(fā)展，秸稈逐步成為一種無用的負(fù)擔(dān)物，秸稈就地焚燒日趨嚴(yán)重，產(chǎn)生的煙霧已成為一大社會(huì)公害[1]。每年有大量的秸稈被就地燃燒，既污染環(huán)境，又浪費(fèi)資源[2]。秸稈的主要成分為纖維、半纖維和木質(zhì)素，以其為原料，通過酸解或酶解法結(jié)合生物轉(zhuǎn)化法制備2，3-二丁醇、乙醇、甘油三酯、化工醇等工業(yè)產(chǎn)品原料，既可避免環(huán)境污染，又可實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)能源的高效利用，帶來較大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益[3]。然而，無論利用農(nóng)作物秸稈生產(chǎn)何種產(chǎn)品，纖維原料制糖（包括葡萄糖和木糖）率都是影響整條工藝生產(chǎn)線的重要因素[4]。只有當(dāng)木質(zhì)纖維素通過酶解作用轉(zhuǎn)化為葡萄糖、木糖等單糖后，才能通過發(fā)酵過程轉(zhuǎn)化為各種生物能源。因此，在木質(zhì)纖維素轉(zhuǎn)化能源的過程中，纖維素的酶解糖化是最關(guān)鍵的步驟，也是木質(zhì)纖維素能源化轉(zhuǎn)化過程中的限制性步驟。目前，纖維素水解糖化的主要途徑有化學(xué)法水解和酶法水解。酶法水解因其工藝條件溫和、設(shè)備要求簡單、能耗低、副產(chǎn)物較少、對(duì)環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)得到廣泛的應(yīng)用[5]，如何采用酶解方式實(shí)現(xiàn)玉米秸稈有效糖化仍然是該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[6]。

1 酶解機(jī)理

玉米秸稈、麥類秸稈、水稻秸稈等均屬木質(zhì)纖維類生物質(zhì)，主要成分為纖維素（約占40%）、木質(zhì)素（20%～30%）和半纖維素（20%～30%），這3種成分的重量占植物纖維質(zhì)原料總重量的80%～95%[7]。纖維素降解木質(zhì)纖維素的酶主要有降解纖維素的纖維素酶、降解半纖維素的木聚糖酶和降解木質(zhì)素的漆酶[1]。

纖維素酶是將纖維素降解為葡萄糖過程中起作用的幾個(gè)酶的總稱，包括內(nèi)切葡聚糖酶（1，4-β-D-glucan glucanohydrolase，EC 3.2.1.4）、外切葡聚糖酶（1，4-β-D-glucan cellobiohydrolase，EC 3.2.1.91）和纖維二糖酶（1，4-β-D-glucosidase，EC 3.2.1.21）。纖維素酶水解纖維素的機(jī)制至今尚不十分清楚，普遍認(rèn)為是3 種酶組分的協(xié)同作用的結(jié)果，但各組分是如何作用的，尤其是對(duì)C1、Cx的作用方式，許多專家學(xué)者持有不同的看法。一種觀點(diǎn)是改進(jìn)的C1-Cx假說：C1酶首先作用于纖維素的結(jié)晶區(qū)，使其膨脹變成無定型纖維素，再由Cx分解無定型纖維素為纖維二糖，最后由β-葡萄糖苷酶分解為葡萄糖；另一種觀點(diǎn)是順序作用的Cx-C1假說：首先由Cx酶在纖維素的非結(jié)晶區(qū)部位切割，產(chǎn)生帶有非還原性末端的小纖維素分子，再由C1酶以纖維二糖為單位，從末端進(jìn)行切割，最后由β-葡萄糖苷酶水解為葡萄糖[8]。

半纖維素的主要組成成分是木聚糖，半纖維素成分的復(fù)雜結(jié)構(gòu)也決定它們的降解需要多種酶的協(xié)同作用。降解酶包括內(nèi)切酶 β-木聚糖酶（1，4-β-D-xylanxylanohydrolase，EC 3.2.1.8）、β-甘露聚糖酶（1，4-β-D-mannanmannohydrolase，EC 32178），主要水解半纖維素中的甘露聚糖；β-木糖苷酶，主要作用于木聚糖，屬于外切酶，是一個(gè)多功能的酶，木二糖是β-木糖苷酶的最佳底物。首先由內(nèi)切β-木聚糖酶隨機(jī)短裂聚糖骨架，產(chǎn)生木聚糖，降低聚合度，然后由外切β-木糖苷酶將木寡糖和木二糖分解為木糖；在降解過程中同時(shí)也需要α-L-α-阿拉伯糖苷酶、α-D-葡萄糖醛酸酶、乙酸脂酶以及阿魏酸脂酶的協(xié)同作用，解除側(cè)鏈取代基對(duì)木聚糖酶的抑制作用[8]。

木質(zhì)素的降解酶系是個(gè)非常復(fù)雜的系統(tǒng)，其中最主要也是研究最透的木質(zhì)素降解酶有3 種，即木質(zhì)素過氧化物酶（EC 1.11.1.14，LiP）、錳過氧化物酶（EC 1.11.1.13，MnP）和漆酶（EC 1.10.3.2，Lac）[1]。一般認(rèn)為，木質(zhì)素過氧化物酶、錳過氧化物酶、漆酶 和H2O2 產(chǎn)生系統(tǒng)構(gòu)成降解木質(zhì)素的主要成分。木質(zhì)素過氧化物酶直接與木質(zhì)素的芳環(huán)底物反應(yīng)，從芳環(huán)上取得電子，使木質(zhì)素形成陽離子自由基，從而發(fā)生一系列的裂解反應(yīng)。

2 農(nóng)作物秸稈酶解研究進(jìn)展

2.1 直接酶解

在對(duì)秸稈進(jìn)行轉(zhuǎn)化時(shí)，為了提高糖化率，一般要對(duì)秸稈進(jìn)行預(yù)處理，但是預(yù)處理工藝存在處理成本高、環(huán)境污染嚴(yán)重等缺點(diǎn)，因此直接對(duì)秸稈進(jìn)行糖化是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)問題。為了減少環(huán)境污染，目前對(duì)秸稈不經(jīng)預(yù)處理直接轉(zhuǎn)化成糖的首選方法是酶解，然而對(duì)于酶解糖化秸稈的研究主要集中在用單一纖維素酶進(jìn)行酶解糖化，個(gè)別添加半纖維素酶，因而存在糖化效率低的問題。宋安東等利用雙酶（纖維素酶、木聚糖酶）對(duì)秸稈直接糖化的條件進(jìn)行研究，在優(yōu)化條件下，作用 72 h 的秸稈糖化率達(dá)到10.815%[9]。易錦瓊等研究發(fā)現(xiàn)，纖維素酶酶解玉米秸稈的最佳條件為：反應(yīng)時(shí)間48 h，酶解溫度為55 ℃，底物濃度20 g/L，速度130 r/min，酶用量為 200 U/g[10]。有研究發(fā)現(xiàn)，水稻秸稈最佳酶解工藝為：酶用量150 U/g，固液比1 g ∶ 20 mL，酶解時(shí)間48 h，酶解溫度 50 ℃[11]。有學(xué)者采用響應(yīng)面分析法對(duì)秸稈酶解條件進(jìn)行優(yōu)化，得到最佳工藝條件，糖化率可達(dá)到42.15%[12]、還原糖最大產(chǎn)率為42.97%[13]。

2.2 預(yù)處理酶解

近年來，酶解工藝發(fā)展迅速，但由于天然纖維素結(jié)構(gòu)復(fù)雜的特性，降低了纖維素酶系與纖維素的有效接觸，增加了酶解的難度，未經(jīng)處理的玉米秸稈直接進(jìn)行酶解的效率很低，纖維素酶解得率為24.18%，半纖維素酶解得率為14.76%，總糖得率僅為20.20%，因此需要在酶解之前進(jìn)行必要的預(yù)處理，以改變天然纖維素的結(jié)構(gòu)，降低結(jié)晶度，脫去木質(zhì)素，從而提高酶解效率[14]。

2.2.1 物理方法 物理處理將部分半纖維素從生物質(zhì)秸稈中分離、降解，從而增加酶對(duì)纖維素的可觸及性，提高纖維素的酶解轉(zhuǎn)化率，目前研究較多的有蒸汽爆破、膨化、射線輻照、微波等方法。蒸汽爆破法是一種有效的預(yù)處理方法，其能耗低，對(duì)環(huán)境影響小。植物纖維素原料經(jīng)過蒸汽爆破，半纖維素降解，結(jié)構(gòu)遭到破壞，纖維素酶分子與底物的接觸位點(diǎn)增加，能顯著提高酶解效率[15-17]。黃之文采用蒸汽爆破法對(duì)玉米秸稈進(jìn)行預(yù)處理，結(jié)果表明，酸法汽爆固形物酶解72 h后，酶解率為77.0%；而直接汽爆法為68.3%[18]。李彬等的結(jié)果表明，原始水稻秸稈最大酶解還原糖產(chǎn)量約為9.7%，蒸汽爆破水稻秸稈最大酶解還原糖產(chǎn)量約為34.3%，蒸汽爆破預(yù)處理能夠顯著提高水稻秸稈的酶解還原糖產(chǎn)量，并縮短酶解反應(yīng)時(shí)間[19]。寧欣強(qiáng)等對(duì)玉米秸稈進(jìn)行蒸汽爆破預(yù)處理，酶解24 h的試驗(yàn)結(jié)果表明，與未處理秸稈相比，汽爆處理樣品的還原糖產(chǎn)率提高了97%，化學(xué)與物理分析結(jié)果表明，處理后的物料半纖維素及可溶性物質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)減小，纖維素質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加29.7%，X射線衍射儀（XRD）和掃描電鏡（SEM）結(jié)果表明纖維素致密結(jié)構(gòu)被破壞[20]。

寇巍等采用膨化技術(shù)對(duì)玉米秸稈木質(zhì)纖維素進(jìn)行預(yù)處理，結(jié)果玉米秸稈的纖維素受到破壞，木質(zhì)素包裹作用減弱，纖維素酶的空間作用面積提高，有部分半纖維素和少量木質(zhì)素水解，纖維素結(jié)晶度降低了12.68%，與未處理的相比，膨化處理后原料酶解時(shí)間可縮短16 h，未經(jīng)膨化處理的原料還原糖酶解產(chǎn)率為13.48%，膨化處理后的原料還原糖酶解產(chǎn)率可達(dá)2491%[21]。倫曉中等的試驗(yàn)結(jié)果表明，在酶解最佳工藝條件下，還原糖轉(zhuǎn)化率達(dá)到28.98%，膨化后的玉米秸稈纖維素酶解充分[22]。

不同輻照劑量處理對(duì)玉米秸稈水解及酶解還原糖產(chǎn)量的影響結(jié)果表明，輻照后玉米秸稈易酶解，隨著輻照劑量的增大，酶解產(chǎn)糖量顯著增加，在較高劑量下，輻照-酶解復(fù)合降解玉米秸稈效果優(yōu)于單一的輻照處理和單一酶處理，輻照后的玉米秸稈和酶解后的玉米葉處理的還原糖含量均有所增加，提高了纖維素原料的利用率[23-24]。輻照-酶解復(fù)合降解能有效破壞稻草的纖維組織結(jié)構(gòu)，特別是稻草表面硅晶結(jié)構(gòu)和纖維結(jié)構(gòu)[25]。

2.2.2 化學(xué)方法 化學(xué)處理可使纖維素、半纖維素和木質(zhì)素膨脹并破壞其結(jié)晶性，使天然纖維素溶解，從而增加其降解率，化學(xué)預(yù)處理研究開展的時(shí)間早，且一直研究的有酸處理、堿處理，最近大多采用稀酸水解處理技術(shù)，該方法可高效破壞植物纖維結(jié)構(gòu)，提高木聚糖轉(zhuǎn)化成木糖的轉(zhuǎn)化率；堿處理可以移除玉米秸稈中的木質(zhì)素，破壞天然纖維素復(fù)雜的剛性結(jié)構(gòu)，從而有益于酶解效率的提高和糖的利用[26]。化學(xué)方法雖然存在弊端，但取得了較好的處理效果和研究進(jìn)展。

宋安東等用稀鹽酸預(yù)處理玉米秸稈，總糖產(chǎn)率達(dá)485%，纖維素和半纖維素的轉(zhuǎn)化率達(dá)80.8%[27]。在稀硫酸法-酶法結(jié)合處理小麥秸稈的最優(yōu)條件下，水解12 h，葡萄糖得率為34.5%，比未經(jīng)酸處理直接酶解葡萄糖的得率高50%[28]，木糖得率達(dá)到84.90%，酶水解率達(dá)到91.71%[29]。曾青蘭首先在常壓溫和條件下用磷酸對(duì)小麥秸稈進(jìn)行預(yù)處理，結(jié)果表明，在最優(yōu)條件下，小麥秸稈酶解50 min時(shí)，糖化率從未經(jīng)預(yù)處理的25.4%提高到預(yù)處理的70.3%；SEM分析結(jié)果表明，經(jīng)磷酸預(yù)處理后的小麥秸稈崩解為碎片[30]。然后曾青蘭等采用磷酸-丙酮對(duì)水稻秸稈進(jìn)行預(yù)處理的研究，預(yù)處理的水稻秸稈纖維素酶水解糖化率從未經(jīng)處理的18.6% 提高到預(yù)處理后的65.4%；SEM分析結(jié)果表明，經(jīng)磷酸-丙酮預(yù)處理的水稻秸稈晶狀結(jié)構(gòu)遭到破壞，并崩解為碎片，從而使后續(xù)的纖維素酶水解糖化率顯著提高[31]。

李輝勇等對(duì)水稻秸稈弱堿性過氧化預(yù)處理?xiàng)l件進(jìn)行了優(yōu)化，結(jié)果表明，在最優(yōu)預(yù)處理?xiàng)l件下，水稻秸稈的酶解糖化率達(dá)到了83.23%；而在相同酶解條件下，經(jīng)氫氧化鈉處理后的水稻秸稈的酶解糖化率為70.38%，弱堿性過氧化預(yù)處理水稻秸稈的糖化率明顯高于堿性預(yù)處理水稻秸稈的糖化率[32]。歐陽嘉等研究了堿法-酶法制糖工藝，結(jié)果表明，水解48 h后纖維素酶解得率從24.18%上升至71.29%，半纖維素酶解得率達(dá)到78.85%，整個(gè)工藝總糖得率為66.86%，較未處理樣品提高46.66%[4]。

2.2.3 多種方法聯(lián)合 物理、化學(xué)預(yù)處理方法各有利弊，因此，有學(xué)者將其中2種或更多方法結(jié)合起來對(duì)秸稈進(jìn)行酶解前的預(yù)處理，以彌補(bǔ)單一預(yù)處理方法的缺陷。柯靜等初步比較了不同化學(xué)方法在促進(jìn)玉米秸稈酶解糖化方面的效果，得到最佳預(yù)處理方案，產(chǎn)糖量提高了83.51%，此時(shí)的木質(zhì)素降解量也最大，達(dá)到了49.8%[33]。宋安東等用鹽酸、亞硫酸、甲酸、氫氧化鈉、雙氧水與氫氧化鈉混合液、硫化鈉與碳酸氫鈉混合液對(duì)玉米秸稈進(jìn)行預(yù)處理，結(jié)果表明，在最優(yōu)條件下，糖化48 h后玉米秸稈的總糖產(chǎn)率達(dá)48.5%，纖維素和半纖維素的轉(zhuǎn)化率達(dá)80.8%[27]，并能有效除去包裹在纖維素基質(zhì)外面的木質(zhì)素和半纖維素，提高基質(zhì)的酶解糖化效率[34]。

3 研究展望

農(nóng)作物秸稈纖維素的利用已經(jīng)成為國內(nèi)外一個(gè)熱門的研究課題，無論是用來生產(chǎn)燃料乙醇，還是用來生產(chǎn)生物化工醇，都會(huì)對(duì)工業(yè)生產(chǎn)、農(nóng)民收入、環(huán)境保護(hù)等帶來多方面的顯著效益，對(duì)能源的戰(zhàn)略發(fā)展也會(huì)是一個(gè)質(zhì)的飛躍。如何采用多種預(yù)處理方法相結(jié)合，最大化提高糖化率，降低生產(chǎn)成本，簡化生產(chǎn)工藝，是農(nóng)作物秸稈酶解制糖技術(shù)所要解決的問題，也是未來研究發(fā)展的趨勢。

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