玉米芯水熱預(yù)處理酶解糖化

孫軍濤 張智超 肖付剛 蘭天璐 詹靜 宋啟偉 胡錦輝 郅文莉

摘要：優(yōu)化玉米芯超微粉碎后水熱預(yù)處理工藝，用掃描電鏡和高效液相色譜儀分別對水熱預(yù)處理后的玉米芯組織結(jié)構(gòu)和酶解糖化組分進行分析。結(jié)果表明：水熱預(yù)處理溫度為190℃、時間60 min時，提取液中總糖含量最高（314 mg/g）;玉米芯水熱預(yù)處理后結(jié)構(gòu)呈卷曲狀，隨著溫度升高卷曲越明顯，結(jié)構(gòu)越疏松，表面呈現(xiàn)微孔結(jié)構(gòu);水熱預(yù)處理溫度190℃、時間60 min時，提取液中葡萄糖、木二糖、木三糖和木四糖的得率分別為0.001 mg/g、16. 740mg/g、4.306 mg/g和3.164 mg/g，提取液酶解后組分中葡萄糖、木二糖、木三糖和木四糖的得率分別為4.774 mg/g、64. 437 mg/g、6.853 mg/g和1.835 mg/g。

關(guān)鍵詞：水熱預(yù)處理;玉米芯;木聚糖酶;酶解糖化

中圖分類號：TS209

文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1000-4440（ 2019） 03-0696-05

將木質(zhì)纖維素原料高效地轉(zhuǎn)化為單糖或低聚糖，進一步發(fā)酵成酒精，對開發(fā)新能源，保護環(huán)境具有非常重要的現(xiàn)實意義，是實現(xiàn)社會可持續(xù)發(fā)展的重要途徑[1-3]。中國是一個農(nóng)業(yè)大國，玉米是中國三大糧食作物之一。據(jù)統(tǒng)計，2017年中國玉米總產(chǎn)量約為2.16x108 t，按照3 kg玉米產(chǎn)1 kg玉米芯計算，2017年可產(chǎn)生0.72x108 t左右的玉米芯。玉米芯木質(zhì)纖維素是潛在的生物質(zhì)資源，可作為生產(chǎn)乙醇和功能性低聚糖的原料。

水熱預(yù)處理方法（ Hydrothermal pretreatment）是在高溫條件下（160 - 240℃）水自電離產(chǎn)生氧離子形成水合離子，使得對酸不穩(wěn)定的糖苷鍵斷裂，從而使半纖維素解聚并且從生物質(zhì)基質(zhì)中溶解出來，并使部分纖維素水解，以消除對纖維素酶的空間阻礙，從而提高酶解效率[4]。在眾多的預(yù)處理方法中，由于水熱預(yù)處理方法不需要添加任何化學(xué)試劑，水解產(chǎn)物中抑制乙醇發(fā)酵的因素極少等優(yōu)點[5-8]，此作為一種新興的綠色環(huán)保處理技術(shù)已成為近年來研究的熱點。

本研究選擇玉米芯為原料，通過對水熱預(yù)處理工藝條件的優(yōu)化，以及結(jié)構(gòu)分析和酶解糖化后組分分析，為玉米芯木質(zhì)纖維素資源的全組分高值化利用奠定理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 主要材料與儀器

玉米芯取自河南省許昌縣。木聚糖酶購自上海源葉生物科技有限公司，3，5-二硝基水楊酸購自國藥集團化學(xué)試劑有限公司，葡萄糖（純度>98%）、木糖（純度>98%）和木二糖（純度>98%）購自上?；砂l(fā)展有限公司，木三糖和木四糖購自上海甄準(zhǔn)生物科技有限公司，其余試劑均為國產(chǎn)分析純。

掃描電子顯微鏡（ EVO LS15），英國蔡司公司產(chǎn)品;傅里葉變換紅外光譜儀（FTIR-650），天津市港東科技發(fā)展股份有限公司產(chǎn)品;分析天平（ FA1004B），上海佑科儀器儀表有限公司產(chǎn)品;紫外分光光度計（T6），北京普析通用儀器有限責(zé)任公司產(chǎn)品;超微粉碎機（NLD-6DI），濟南納力德超微粉碎技術(shù)公司產(chǎn)品;高效液相色譜儀（ 1260 infinity），安捷倫科技（中國）有限公司產(chǎn)品;反應(yīng)釜，上海予華科技儀器設(shè)備產(chǎn)品。

1.2 測定方法

1.2.1 還原糖含量的測定還原糖含量的測定采用DNS法[9]。

1.2.2 總糖含量的測定 向待測液中加入終質(zhì)量濃度為72 g/L的濃硫酸，沸水浴2h，用6 mol/L氫氧化鈉溶液中和至中性。按還原糖的測定方法測定待測液中總糖含量[iO]。

1.3 水熱預(yù)處理玉米芯

超微粉碎后的玉米芯，按照1：6（質(zhì)量體積比）的料液比加水后置于高壓反應(yīng)釜中，在150 -190℃下分別處理20 min、40 min、60 min、80 min和100nun。過濾后得到提取液，并將濾渣烘干備用。

1.4 酶解糖化

將150 -190℃水熱預(yù)處理60 min后的提取液添加1%的木聚糖酶（質(zhì)量體積比），50℃水浴酶解30 min。然后置于90℃下滅酶10 min，冷卻，得到酶解液[ll]。

1.5 玉米芯組織結(jié)構(gòu)掃描電鏡分析

采用掃描電子顯微鏡（ SEM）分別對超微粉碎后的玉米芯、水熱預(yù)處理后玉米芯和酶解后的玉米芯的微觀結(jié)構(gòu)進行分析，研究不同處理條件下玉米芯組織結(jié)構(gòu)變化。

1.6 玉米芯水熱預(yù)處理和酶解糖化組分分析

1.6.1 薄層層析分析層析板為硅膠板，展開劑為乙腈和水（體積比85：15），顯色劑為甲醇和5%硫酸（體積比為95：5）。分別對水熱預(yù)處理提取液和酶解糖化液組分進行定性分析[12]。

1.6.2 高效液相色譜分析 色譜柱為Hi-Plex Na（300.0 mmx7.7 mm，ioILm），流動相為水，流速為0.2 ml/min，柱溫78℃。分別對水熱預(yù)處理提取液和酶解糖化液組分進行定量分析[13]。

2 結(jié)果與分析

2.1 溫度對水熱預(yù)處理玉米芯的影響

150℃水熱預(yù)處理玉米芯不同時間對還原糖、總糖的影響如圖1所示。隨著時間延長，還原糖的含量變化不明顯，總糖含量先增加再減少最后又增加。在高溫條件下木聚糖脫乙酰形成乙酸，降低了體系的pH，阿拉伯糖的主鏈和側(cè)鏈都發(fā)生了水解，木聚糖從原來的組織結(jié)構(gòu)中游離出來，聚合度降低，溶解度提高，導(dǎo)致總糖含量增加。

在160℃水熱預(yù)處理中，隨著時間的延長，還原糖和總糖的含量均呈現(xiàn)增加的趨勢，其中還原糖含量增加緩慢，總糖含量增加明顯（圖2）。說明延長預(yù)處理時間，可以大幅度提高總糖的得率。木聚糖水解生成低聚木糖，低聚木糖的得率大于單糖。

170 ℃水熱預(yù)處理中，隨著時間的增加，水解液中還原糖和總糖含量均呈現(xiàn)增加趨勢，并且其含量比160℃水熱預(yù)處理的含量高出很多（圖3）。說明增加溫度，有助于纖維素和半纖維素的水解，使水解液中還原糖含量增加。

180 ℃水熱預(yù)處理中，隨著處理時間的增加，還原糖、總糖含量呈上升趨勢（圖4）。隨著溫度和處理時間的增加，玉米芯中纖維素、半纖維素和木質(zhì)素結(jié)構(gòu)遭到破壞[14]，使得水解液中還原糖和總糖含量增加。

190 ℃水熱預(yù)處理中，隨著處理時間的延長，還原糖、總糖的含量先上升后下降，在60 min時還原糖、總糖含量達到了最高值（圖5）。在此處理條件下，纖維素，木質(zhì)素和半纖維素之間的化學(xué)鍵斷裂，各自水解成相應(yīng)的單糖。

2.2 不同溫度水熱預(yù)處理下玉米芯的組織結(jié)構(gòu)變化

圖6為超微粉碎玉米芯和水熱預(yù)處理不同條件下玉米芯的掃描電鏡圖。未經(jīng)處理的玉米芯結(jié)構(gòu)完整，組織形態(tài)細(xì)密，表面光滑;水熱預(yù)處理的玉米芯片狀變?yōu)榫砬鸂?，溫度越高卷曲越明顯，原來較為完整致密的玉米芯大塊組織被撕裂成小塊組織，形成了許多微孔，使原料結(jié)構(gòu)疏松。與150 - 170 ℃ 60mm處理相比，180 ℃ 60 min和190℃60 min處理的玉米芯組織變得更為零散，組織結(jié)構(gòu)微細(xì)化，存在大量碎片和塊狀組織，組織表面已經(jīng)由處理前的平面結(jié)構(gòu)變成蜂窩狀結(jié)構(gòu)。因為水熱預(yù)處理后玉米芯組織結(jié)構(gòu)受到破壞，表面積與體積比增大，部分結(jié)構(gòu)分解，產(chǎn)生了低聚合度的糖類物質(zhì)[15]。

2.3 玉米芯水熱預(yù)處理提取液及酶解液組分分析

薄層層析分析結(jié)果（圖7）和高效液相色譜分析結(jié)果（表1）表明，在190℃水熱預(yù)處理60 min的提取液中木二糖含量較高，葡萄糖、木二糖、木三糖、木四糖的得率分別為0.001 mg/g、16. 940 mg/g、4.304mg/g、3.164 mg/g;提取液經(jīng)木聚糖酶酶解后，葡萄糖、木二糖、木三糖、木四糖的得率分別為4. 771mg/g、64.437 mg/g、6.853 mg/g、1.835 mg/g。

3 結(jié)論

通過不同溫度下水熱預(yù)處理玉米芯后提取液組分糖含量變化分析可知，預(yù)處理溫度越高，水解液中還原糖和總糖的含量越高，同一溫度下處理時間的長短也會影響其含量。掃描電子顯微鏡分析結(jié)果顯示，未處理的玉米芯原料組織結(jié)構(gòu)為片狀，經(jīng)過水熱預(yù)處理后，組織結(jié)構(gòu)受到破壞，由片狀變?yōu)榫砬鸂?，溫度越高卷曲越明顯;處理后的玉米芯變得疏松多孔，呈蜂窩狀結(jié)構(gòu)。

水熱預(yù)處理玉米芯提取液經(jīng)木聚糖酶酶解后，組分主要含有葡萄糖、木二糖、木三糖、木四糖。水熱預(yù)處理的溫度和時間為190℃和60 min時提取液中糖得率較高，其中木二糖的得率最高，為16.940mg/g，此條件下提取液經(jīng)木聚糖酶酶解后木二糖得率達到64. 437 mg/g。

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