稻草生物質(zhì)的預(yù)處理及其發(fā)酵產(chǎn)酶與酶解效果研究

沈江濤，段學(xué)輝，鄭希帆，張倩，牛書(shū)操

（南昌大學(xué) 食品科學(xué)與技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 食品學(xué)院，江西 南昌 330047）

稻草生物質(zhì)的預(yù)處理及其發(fā)酵產(chǎn)酶與酶解效果研究

沈江濤，段學(xué)輝，鄭希帆，張倩，牛書(shū)操

（南昌大學(xué) 食品科學(xué)與技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 食品學(xué)院，江西 南昌 330047）

采用稀酸、稀堿、高溫稀堿、亞硫酸鹽法（SPORL法）和稀酸-亞硫酸鹽法（稀酸SPORL法）對(duì)粉碎稻草秸稈預(yù)處理，考察不同預(yù)處理方法對(duì)稻草基質(zhì)多菌發(fā)酵產(chǎn)纖維素酶的影響，分析預(yù)處理前后稻草基質(zhì)主要成分的變化，酶水解液中糖組分的含量。結(jié)果表明：稀酸SPORL法處理的稻草粉在固態(tài)發(fā)酵產(chǎn)酶和酶解糖化都具有較好的效果，所得羧甲基纖維素酶（CMCase酶）和β-葡萄糖苷酶（β-G）比酶活分別達(dá)到21 511.22和51 508.41 U/g，同時(shí)酶水解率達(dá)到84.99%。除SPORL法外，其他預(yù)處理方式所得酶活均出現(xiàn)了不同程度的下降。稀酸預(yù)處理對(duì)稻草基質(zhì)中的半纖維素去除效果較好，含量由20.77%下降到7.34%；稀堿高溫處理對(duì)木質(zhì)素脫除效果較好，Klason木質(zhì)素含量由12.47%下降到7.58%。通過(guò)酶解糖化實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，未處理稻草粉酶水解率僅為17.82%，稀堿高溫法效果最好，稻酶水解率達(dá)到91.66%。稀酸和稀酸SPORL法處理后，稻草粉基質(zhì)的酶解糖化液中，戊聚糖占總糖相對(duì)含量較低，分別為7.38%和6.92%。

纖維素酶；混合菌發(fā)酵；預(yù)處理；SPORL；酶解糖化

纖維素是自然界中十分豐富的資源，如麥稈、稻草、甘蔗渣等，都是纖維素的來(lái)源［1］。將生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為乙醇需經(jīng)過(guò)一系列復(fù)雜的工藝，主要包括原料預(yù)處理、（半）纖維素酶水解和戊糖己糖發(fā)酵等步驟。其中纖維素酶水解的成本占整個(gè)轉(zhuǎn)化工藝的60%［2］。由于生物質(zhì)中木質(zhì)素對(duì)纖維素的包覆作用及其剛性結(jié)構(gòu)，使得酶水解效果不理想，所以預(yù)處理是酶水解生物質(zhì)原料和制取生物乙醇的必經(jīng)過(guò)程［3］。采用何種有效的預(yù)處理技術(shù)來(lái)破壞生物質(zhì)中纖維素的結(jié)晶結(jié)構(gòu)，增加纖維素酶的可及性和提高酶解產(chǎn)糖率是該領(lǐng)域主要的技術(shù)難點(diǎn)［4-8］。纖維素酶固態(tài)發(fā)酵具有成本低、產(chǎn)出高、耗能低等優(yōu)勢(shì)。合理的預(yù)處理方式不僅要考慮酶解糖化階段提高酶水解率，還應(yīng)有利于微生物發(fā)酵生產(chǎn)纖維素酶，如許憲松等［9］研究報(bào)道，經(jīng)過(guò)微波、超聲波處理的稻殼生物質(zhì)能夠得到微生物更好的利用和發(fā)酵產(chǎn)酶，同時(shí)也有著較好的酶水解效果。一種合理的預(yù)處理方式將固態(tài)發(fā)酵產(chǎn)酶和酶水解糖化整合在一起，在降低經(jīng)濟(jì)成本和資源的合理利用中，具有著重要的意義。

本研究中，筆者采用稀酸、稀堿、稀堿高溫、亞硫酸鹽法（SPORL法）和稀酸SPORL方法對(duì)稻草生物質(zhì)進(jìn)行預(yù)處理，將處理前后的原料進(jìn)行三菌固態(tài)發(fā)酵產(chǎn)酶及酶解糖化，以期探索出一種合理的、適于廣泛應(yīng)用的預(yù)處理方法，以獲得高活力纖維素酶，同時(shí)又能提高底物的酶水解糖化效果，從而為稻草秸稈預(yù)處理工藝的改進(jìn)及高效轉(zhuǎn)化利用打下實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 菌種

發(fā)酵菌為白腐菌White-rot fungi NS75，黑曲霉Aspergillus niger NS83和絮凝酵母 Saccharomyces cerevisiae SP5，篩選保藏于筆者所在實(shí)驗(yàn)室。白腐菌和黑曲霉移接在馬鈴薯、瓊脂斜面上，絮凝酵母接在YEPD、瓊脂斜面上，30℃下培養(yǎng)3 d后，于冰箱中保存?zhèn)溆谩?/p>

1.2 試劑

葡萄糖、尿素、肌醇、（NH4）2SO4、H2SO4、NaOH、MgSO4·7H2O和KH2PO4均為分析純；酵母浸粉、牛肉膏和蛋白胨均為生物試劑。

稻草取自南昌市郊區(qū)蔣巷鄉(xiāng)稻田，烘干、粉碎保存，麩皮為市售。

纖維素酶：采用實(shí)驗(yàn)室多菌固態(tài)發(fā)酵制得的纖維素酶，CMCase糖化酶活力，纖維二糖酶活力分別為30、62 U/mg。

1.3 培養(yǎng)基

PDA培養(yǎng)基（g/L）：葡萄糖20，瓊脂20，馬鈴薯100。

固體發(fā)酵培養(yǎng)基：將8 g經(jīng)過(guò)預(yù)處理的稻草粉、2 g麩皮和20mL Mandels營(yíng)養(yǎng)液混合。

Mandels［10］營(yíng)養(yǎng)液（g/L）：KH2PO42.0，（H2N）2CO 0.3，ZnSO4·7H2O 0.001 4，CaCl20.3，MnSO4·H2O 0.001 6，MgSO4·7H2O 0.3，（NH4）2SO41.4，F(xiàn)eSO4· 7H2O 0.005，CoCl20.002。

1.4 原料預(yù)處理

1.4.1 稀酸預(yù)處理

粉碎過(guò)孔徑0.60 mm篩網(wǎng)的稻草粉，與質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.5%、1%和2%的H2SO4溶液均勻混合，固液比設(shè)定為1∶5（g/mL），于130℃下反應(yīng)60min。

1.4.2 稀堿預(yù)處理

粉碎過(guò)孔徑0.60 mm篩網(wǎng)的稻草粉，與質(zhì)量分?jǐn)?shù)2%、3%和4%的NaOH溶液均勻混合，固液比設(shè)定為1∶5（g/mL），于26℃常壓處理24 h，再于110℃下反應(yīng)30min。

1.4.3 稀堿高溫預(yù)處理

將粉碎過(guò)孔徑0.60 mm篩網(wǎng)的稻草粉先于140℃蒸汽處理5 h，再與質(zhì)量分?jǐn)?shù)3%的NaOH溶液混合，固液比設(shè)定為1∶5（g/mL），于室溫26℃常壓處理24 h，再于130℃下反應(yīng)30min。

1.4.4 SPORL法預(yù)處理

取粉碎過(guò)孔徑0.60 mm篩網(wǎng)稻草50 g，與質(zhì)量分?jǐn)?shù)4%、8%和12%Na2SO3混合，固液比設(shè)定為1∶5（g/mL），將料液充分混合后升溫至130℃，保溫1 h完成Na2SO3預(yù)處理。

1.4.5 稀酸SPORL法預(yù)處理

取粉碎過(guò)孔徑0.60 mm篩網(wǎng)稻草粉50 g，預(yù)處理液為0.5%H2SO4和8%Na2SO3，固液比設(shè)定為1∶5（g/mL），將料液充分混合后升溫至130℃，保溫1 h完成預(yù)處理。將經(jīng)過(guò)預(yù)處理的稻草粉原料過(guò)濾收集，用固液比1∶15（g/L）的蒸餾水分5次洗滌、抽濾后，自然晾干，稱質(zhì)量計(jì)算預(yù)處理回收率，于保鮮袋中儲(chǔ)藏。

1.5 預(yù)處理稻草粉原料固態(tài)發(fā)酵產(chǎn)酶

種子培養(yǎng)：將在試管斜面培養(yǎng)基上培養(yǎng)3 d的黑曲霉菌、白腐菌和絮凝酵母菌分別制成孢子或細(xì)胞懸浮液，各取1mL分別接于50mL液體種子培養(yǎng)基中，于30℃、200r/min培養(yǎng)24 h。

固態(tài)發(fā)酵產(chǎn)酶培養(yǎng)：10 g固體發(fā)酵培養(yǎng)基中接入總量為6mL的種子培養(yǎng)液，其中白腐菌、黑曲霉和絮凝酵母按1∶2∶1.5的體積比接種，然后攪拌均勻，30℃恒溫培養(yǎng)7 d（絮凝酵母于黑曲霉、白腐菌接入生長(zhǎng)48 h后接種），檢測(cè)纖維素酶酶活。

1.6 預(yù)處理稻草粉原料的酶解糖化

分別準(zhǔn)確稱取1 g（干質(zhì)量）稀酸預(yù)處理、稀堿預(yù)處理、稀堿高溫預(yù)處理、SPORL法預(yù)處理和稀酸SPORL法處理的稻草粉原料，加入裝有20mL pH 5.0的檸檬酸緩沖液的50mL三角瓶中，1 g底物添加一定量纖維素酶（50 mg），于50℃恒溫水浴振蕩器中，180r/min轉(zhuǎn)速條件下酶解糖化，酶解60 h后離心分離，取上清液（糖化液）進(jìn)行糖濃度分析。

1.7 測(cè)定酶活及組分分析檢測(cè)

1.7.1 CMCase酶活測(cè)定

CMCase酶活測(cè)定參照文獻(xiàn)［11-12］。取1mL的粗提酶液加入到2mL羧甲基纖維素鈉（CMCNa）溶液中，50℃水浴保溫反應(yīng)30min，再用DNS法測(cè)定還原糖含量。

β-G酶活測(cè)定方法參照文獻(xiàn)［13-14］。取1mL的粗提酶液加入到2mL 1%的水楊苷檸檬酸緩沖液中，50℃水浴保溫反應(yīng)30min，采用3，5-二硝基水楊酸（DNS）法測(cè)定還原糖含量［15］。

酶活單位定義：在一定反應(yīng)條件下，1min水解底物生成1μg葡萄糖的酶量定義為1個(gè)酶活單位，換算成每克干物料含有的酶活，以U/g表示。

1.7.2 預(yù)處理前后稻草粉成分分析

分別取處理前后的稻草粉，采用凡式法（VanSoest法）［16-17］對(duì)樣品中的纖維素、半纖維素和木質(zhì)素質(zhì)量分?jǐn)?shù)進(jìn)行測(cè)定。

式中：w（NDF）為中性洗滌纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)，w（ADF）為酸性洗滌纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)，w（ADL）為酸不溶木質(zhì)素質(zhì)量分?jǐn)?shù)，w（AIA）為灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

1.7.3 稻草粉酶解液中糖含量測(cè)定

稻草粉酶解后酶解液中還原糖濃度采用DNS法進(jìn)行測(cè)定［15］。

戊聚糖濃度采用間苯三酚法（Douglas法）顯色法測(cè)定［19］

戊聚糖相對(duì)含量=酶水解液中戊聚糖質(zhì)量/酶水解液中還原糖總質(zhì)量。

2 結(jié)果與討論

2.1 預(yù)處理后原料組成成分變化

稻草粉經(jīng)過(guò)不同預(yù)處理方法處理后，主要組成成分的含量分析結(jié)果如表1所示。

表1 不同預(yù)處理后稻草組分分析Table 1 Chemical composition of pretreated rice straw by various methods %

從表1可以看出：經(jīng)過(guò)預(yù)處理的稻草粉原料半纖維素含量都有所降低。稀酸、稀堿和SPORL法預(yù)處理后的基質(zhì)中，半纖維素含量都隨處理濃度的增加而減少，其中酸處理對(duì)半纖維素的溶出效果最為明顯，這和張木明等［20］的研究結(jié)果類似。2%稀酸處理下，基質(zhì)中半纖維素含量相比對(duì)照組下降了64.7%；稀堿處理則主要削弱稻草粉基質(zhì)中纖維素、半纖維素間的氫鍵，皂化木質(zhì)素和半纖維素的酯鍵，在半纖維素的溶出效果上遜于稀酸處理。而稀酸SPORL法處理也有較好的半纖維素溶出效果，處理后基質(zhì)中半纖維素含量下降到13.09%。

酸不溶木質(zhì)素又稱Klason木質(zhì)素，是由Klason提出的用于表征木質(zhì)素含量的指標(biāo)。從表1中可以看出，稀堿、稀堿高溫、SPORL法處理的基質(zhì)中木質(zhì)素含量都有下降，而稀酸和稀酸SPORL法處理的基質(zhì)中，木質(zhì)素含量則上升。Torget等［21］研究認(rèn)為，在酸處理作用下，木質(zhì)素會(huì)發(fā)生聚合作用而形成改性的木質(zhì)素。堿法預(yù)處理的主要目的是去除基質(zhì)中木質(zhì)素，提高稻草粉原料中纖維素多聚糖的降解可及性。從表1中也可以看出：高溫稀堿對(duì)Klason木質(zhì)素的溶出效果較好，處理后原料中剩余的Klason木質(zhì)素減少了約 40%；SPORL法和稀酸SPORL法處理的結(jié)果有些不同，因?yàn)橄∷酳PORL法以脫除木質(zhì)素、分離部分半纖維素和保留纖維素為主要目的，而SPORL法的目的則是水解溶出半纖維素，磺化、溶出部分木質(zhì)素，保留纖維素并增強(qiáng)原料可水解性。同時(shí)，SPORL法處理過(guò)程中，隨著Na2SO3用量增大，促進(jìn)了木質(zhì)素的磺化反應(yīng)，木質(zhì)素大分子上引入更多親水性的磺酸基，增強(qiáng)木質(zhì)素的溶出。

從表1中還可以看出：經(jīng)過(guò)預(yù)處理的稻草粉基質(zhì)中，纖維素相對(duì)含量都有所上升。稀酸和SPORL法預(yù)處理的基質(zhì)中，纖維素的含量隨處理液濃度增加而上升；3%質(zhì)量分?jǐn)?shù)稀堿處理時(shí)，基質(zhì)中纖維素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)相對(duì)較高，其中稀堿高溫和12%亞硫酸鹽預(yù)處理效果較好，處理基質(zhì)中纖維素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別達(dá)到49.01%和49.91%。

2.2 預(yù)處理方式對(duì)稻草粉固態(tài)發(fā)酵產(chǎn)酶的影響

將不同預(yù)處理方法處理的稻草粉作為多菌固態(tài)發(fā)酵的培養(yǎng)基，白腐菌、黑曲霉和絮凝酵母按體積比1∶2∶1.5接種，接種總量保持在每10 g培養(yǎng)基中接種6mL菌液。發(fā)酵時(shí)間為7 d，檢測(cè)CMCase和β-G酶活。蔡晶晶等［22］研究發(fā)現(xiàn)，混合菌中的黑曲霉和白腐菌各自所生產(chǎn)纖維素酶系具有互補(bǔ)作用，發(fā)酵所得的纖維素酶活高于2種菌單菌發(fā)酵酶活，于2種霉菌生長(zhǎng)2 d后接入酵母，有利于消除混合發(fā)酵體系中水解的還原糖對(duì)發(fā)酵產(chǎn)酶形成的反饋抑制，同時(shí)酵母分泌的少量蛋白類活性物質(zhì)等可能對(duì)白腐菌和黑曲霉的生長(zhǎng)、代謝及發(fā)酵產(chǎn)酶具有潛在的促進(jìn)作用，因此，預(yù)處理效果檢測(cè)實(shí)驗(yàn)采取多菌發(fā)酵方法，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。

圖1 預(yù)處理方式對(duì)發(fā)酵產(chǎn)CMC酶活及β-G酶活的影響Fig.1 Effects of pretreatment methods on the production of CMCase and β-G

從圖1可以看出：稀酸處理的稻草粉原料作為主要固態(tài)發(fā)酵培養(yǎng)基，發(fā)酵產(chǎn)纖維素酶活力都稍低于未處理組，由于經(jīng)過(guò)稀酸預(yù)處理之后，稻草粉原料中的纖維素、半纖維素和木質(zhì)素的組成發(fā)生變化，大部分半纖維素被脫除，影響微生物的生長(zhǎng)和代謝產(chǎn)酶；同時(shí)稀酸處理水解反應(yīng)會(huì)產(chǎn)生一些抑制性物質(zhì)，如糠醛、羥甲基糠醛以及小分子酸等，這些物質(zhì)對(duì)發(fā)酵微生物的活性也會(huì)產(chǎn)生影響。在2%稀酸處理后，所產(chǎn) β-G酶比酶活大幅下降，僅為26 242.85 U/g。從表1中看出，2%稀酸處理后，半纖維素被大量脫除，質(zhì)量分?jǐn)?shù)只有7.34%，而β-G酶又主要由半纖維素誘導(dǎo)產(chǎn)生，所以高濃度的酸處理對(duì)于微生物產(chǎn)β-G酶有著較大影響。蔡晶晶等［22］研究發(fā)現(xiàn)，混菌發(fā)酵體系中，黑曲霉Aspergillus niger NS83產(chǎn)β-G酶能力相對(duì)較強(qiáng)，產(chǎn)CMCase酶較弱，而互補(bǔ)的白腐菌 White-rot fungi NS75產(chǎn)CMCase能力較強(qiáng)，產(chǎn)β-G酶能力較弱，由圖1結(jié)果可以得出，稻草粉原料的稀酸預(yù)處理對(duì)于黑曲霉的發(fā)酵產(chǎn)酶活性有著更大的影響。

從圖1中顯示的稀堿及稀堿高溫預(yù)處理的稻草粉原料固態(tài)發(fā)酵產(chǎn)酶情況，可以看出堿處理后的稻草粉基質(zhì)所產(chǎn)纖維素酶酶活降低更為明顯，其原因可能是稀堿處理不僅破壞了稻草粉的纖維結(jié)構(gòu)，同時(shí)還破壞了稻草粉基質(zhì)中本有的氨基酸、核酸結(jié)構(gòu)組成，其中的氮以NO3-_N和NH4+_N的形式釋放流失，導(dǎo)致微生物發(fā)酵過(guò)程中能夠利用的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)減少。同時(shí)，預(yù)處理原料中殘留的堿很難洗凈，造成混菌發(fā)酵后期體系培養(yǎng)基的pH升高，抑制微生物代謝產(chǎn)纖維素酶。雖然稀堿處理可以溶解稻草粉中的部分木聚糖和木質(zhì)素，使稻草粉基質(zhì)變得疏松多孔，更加有利于纖維素酶水解糖化，但總體來(lái)說(shuō)，堿處理并不是一種適合發(fā)酵產(chǎn)酶的預(yù)處理方式。

從圖1觀察SPORL法及稀酸SPORL法處理的稻草粉原料發(fā)酵產(chǎn)酶情況，可以看出亞硫酸鹽預(yù)處理比未處理原料發(fā)酵產(chǎn)纖維素酶酶活有一定提高，8%亞硫酸鹽預(yù)處理的稻草粉基質(zhì)發(fā)酵產(chǎn)酶最佳，發(fā)酵產(chǎn)CMCase和β-G酶比酶活分別達(dá)到25 748.32和52 684.8 U/g。與酸堿預(yù)處理結(jié)果相比，SPORL法處理的原料產(chǎn)酶效果明顯提高，這可能因?yàn)橹行詠喠蛩猁}相對(duì)于酸堿預(yù)處理反應(yīng)溫和，降解基質(zhì)原料中的營(yíng)養(yǎng)碳水化合物較少，也不會(huì)產(chǎn)生糠醛類和有機(jī)酸等抑制微生物生長(zhǎng)的小分子物質(zhì)。比較酸處理的稻草粉基質(zhì)產(chǎn)酶可以發(fā)現(xiàn)，酸濃度越大，對(duì)誘導(dǎo)產(chǎn)β-G酶越不利。因此，稀酸SPORL法選擇0.5%的酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)，CMCase比酶活達(dá)到21 511.22 U/g，與未處理相比，沒(méi)有降低；β-G酶活達(dá)到51 508.41 U/g，比未處理組有一定提升。因此，SPORL法及稀酸SPORL法處理過(guò)的稻草粉基質(zhì)比稀酸、稀堿處理更加適合微生物發(fā)酵產(chǎn)酶。

2.3 預(yù)處理方式對(duì)稻草粉基質(zhì)酶解糖化效果的影響

分別經(jīng)過(guò)5種不同方法預(yù)處理后，稻草粉基質(zhì)進(jìn)行酶解產(chǎn)糖，檢測(cè)結(jié)果如圖2所示。由圖2可以看出，稀堿高溫處理后的稻草粉基質(zhì)酶水解率高，達(dá)到91.66%。說(shuō)明時(shí)間較長(zhǎng)的高溫處理能使緊密的稻草粉纖維束結(jié)構(gòu)變得松散，并一定程度破壞組分之間的氫鍵，有利于纖維素酶的催化水解；其次是稀堿處理后的酶水解率達(dá)到86.79%。2種堿處理后，稻草粉基質(zhì)的酶水解還原糖含量較高，是由于原料中的木質(zhì)素經(jīng)NaOH處理后得到有效脫除，同時(shí)，NaOH還能引起纖維原料潤(rùn)脹，纖維底物的持水性增強(qiáng)，從而顯著提高稻草粉的酶解效果。

在酒精發(fā)酵過(guò)程中，大部分酵母菌不能利用纖維素酶解糖化液中生成的木糖，因此，水解液中的戊糖含量較低會(huì)更利于發(fā)酵產(chǎn)醇。從圖2中可以看出，稀酸處理后的稻草粉基質(zhì)酶解得到的戊聚糖含量明顯低于其他方法，水解液中質(zhì)量濃度僅為2.17 g/L。這是由于酸處理的主要作用是脫除半纖維素，在預(yù)處理過(guò)程中就水解成木糖，但酸處理對(duì)于稻草粉基質(zhì)的酶水解率提高不大，是因?yàn)樗崽幚韺?duì)于木質(zhì)素的脫除效果不明顯。SPORL法對(duì)木質(zhì)素具有較好的磺化作用，能夠增加木質(zhì)素親水性，使木質(zhì)素部分溶出，同時(shí)，未溶出的木質(zhì)素也有相當(dāng)程度的磺化，使得酶水解底物具有較好的親水性，有利于提高基質(zhì)的酶水解率。從圖2中可以看出，與SPORL法相比，稀酸SPORL法酶解糖化效果更好，處理稻草粉基質(zhì)的酶水解率達(dá)到84.99%，水解液中產(chǎn)生的戊聚糖質(zhì)量濃度為3.47 g/L。同時(shí)，此法處理后的基質(zhì)在混菌發(fā)酵產(chǎn)酶階段沒(méi)有使纖維素酶活降低。因此，綜合考慮發(fā)酵產(chǎn)酶和酶水解糖化效果，稀酸SPORL法是更合適的預(yù)處理方法。

圖2 預(yù)處理方法對(duì)稻草粉酶解的影響Fig.2 Effects of pretreatment methods on batch enzymatic hydrolysis of straw powder

3 結(jié)論

不同預(yù)處理方法對(duì)稻草基質(zhì)的組成影響不同。稀酸處理對(duì)稻草基質(zhì)中的半纖維素去除效果較好，含量由20.77%下降到7.34%；稀堿高溫處理對(duì)木質(zhì)素脫除效果最好，Klason木質(zhì)素由12.47%下降到7.58%；SPORL法和稀酸SPORL法預(yù)處理反應(yīng)較為溫和，預(yù)處理后的回收率和組分中纖維素含量相對(duì)較高。稀酸SPORL法處理過(guò)的稻草粉生物質(zhì)在發(fā)酵產(chǎn)酶和酶解糖化中均具有較好的效果，發(fā)酵所得CMCase酶和 β-G酶活分別達(dá)到 21 511.22和51 508.41 U/g，酶水解率達(dá)到84.99%。

結(jié)合發(fā)酵產(chǎn)酶效果和酶解糖化效果分析發(fā)現(xiàn)，酸處理原料的酶水解液中戊聚糖含量較少，僅為2.17 g/L，利于酵母發(fā)酵產(chǎn)醇，但生成一些糠醛類和有機(jī)酸，對(duì)發(fā)酵產(chǎn)酶代謝具有抑制性作用；堿處理能夠降低稻草基質(zhì)中的木質(zhì)素含量和提高其酶水解效率，稀堿高溫處理的酶水解率就達(dá)到91.66%，但使基質(zhì)中的營(yíng)養(yǎng)成分溶出過(guò)多并影響基質(zhì)發(fā)酵后期的環(huán)境pH，導(dǎo)致發(fā)酵產(chǎn)酶效果明顯降低。

SPORL法預(yù)處理反應(yīng)較為溫和，對(duì)稻草基質(zhì)中的纖維素結(jié)晶結(jié)構(gòu)和木質(zhì)素具有破壞和磺化作用，有利于發(fā)酵微生物降解和利用纖維素，8%亞硫酸鹽預(yù)處理稻草基質(zhì)發(fā)酵產(chǎn)CMCase和β-G酶酶活分別達(dá)到25 748.32和52 684.8 U/g，比未處理稻草基質(zhì)發(fā)酵產(chǎn)酶效果有一定提高，但在水解糖化效果方面則遜于稀酸SPORL法。綜合考慮預(yù)處理方法對(duì)稻草基質(zhì)固態(tài)發(fā)酵產(chǎn)酶和酶水解糖化的效果，稀酸SPORL法兼具同樣發(fā)酵產(chǎn)酶效果和較高的酶水解率以及較低的戊聚糖得率，是一種更加合適的預(yù)處理方法。

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（責(zé)任編輯 管 珺）

Production and characterization of cellulase from straw biomass pretreated with different methods

SHEN Jiangtao，DUAN Xuehui，ZHENG Xifan，ZHANG Qian，NIU Shucao
（College of Food Science and Food Engineering，State Key Laboratory of Food Science and Technology，Nanchang University，Nanchang 330047，China）

Straw powder was pretreated by diluted acid，diluted alkali，high temperature with diluted alkali，sulfite pretreatment（SPORL），sulfite pretreatment with diluted acid（SPORL with diluted acid）. The effects of pretreatment on the cellulases production by solid state fermentation and the yield of fermentable sugars hydrolyzed were studied.Results showed when the straw substrate pretreated by diluted acid with SPORL for cellulase fermentation，carboxymethyl cellulase（CMCase）and β-glucosidase（β-G）activities reached 21 511.22 U/g and 51 508.41 U/g，respectively.The hydrolyze rate of cellulases reached 84.99%.The cellulase activities decreased in different degrees excluding SPORL.The diluted acid method was better to remove hemicelluloses，and the content of hemicelluloses decreased from 20.77%to 7.34%in pretreated straw substrate.The high temperature with dilute alkali had a significant effect on klason lignin removal.The content of klason lignin decreased from 12.47%to 7.58%in straw substrate.Further cellulose enzymolysis experiment showed that the enzymatic hydrolysis conversion rate of untreated straw powder was only 17.82%，while the high temperature with dilute alkali pretreatment was the best method，the hydrolyze rate of pretreated straw powder could reach 91.66%.In the enzymolysisliquid of straw substrate pretreated by dilute acid or SPORL with dilute acid，the content of pentosan was relative low，only 7.38%and 6.92%，respectively.

cellulase；mixed fermentation；pretreatment；SPORL；enzymatic saccharification

TQ353

A

1672-3678（2015）05-0061-06

10.3969/j.issn.1672-3678.2015.05.012

2014-09-04

沈江濤（1990—），男，四川攀枝花人，碩士研究生，研究方向：生物催化與應(yīng)用；段學(xué)輝（聯(lián)系人），教授，E-mail：xhduan@ncu.edu.cn