甘蔗渣酸堿結(jié)合法預(yù)處理的研究

趙志剛，楊　誠(chéng)，程可可，張建安 （.安徽工業(yè)大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院，安徽馬鞍山4300；.清華大學(xué)核能與新能源技術(shù)研究院，北京00084）

甘蔗渣酸堿結(jié)合法預(yù)處理的研究

趙志剛1，楊誠(chéng)1，程可可2，張建安2 2
（1.安徽工業(yè)大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院，安徽馬鞍山243002；2.清華大學(xué)核能與新能源技術(shù)研究院，北京100084）

研究用酸法、堿法、先酸后堿和先堿后酸4種預(yù)處理方法對(duì)甘蔗渣組分及酶解率的影響。結(jié)果表明：堿法預(yù)處理對(duì)甘蔗渣中的木質(zhì)素具有較好的去除效果，而酸法預(yù)處理效果較差；經(jīng)過(guò)堿法預(yù)處理后，甘蔗渣中的半纖維素更易發(fā)生水解，水解率比直接酸解法提高20%以上；先酸后堿法既可以充分利用半纖維素酸解得到的糖，也有利于纖維素后續(xù)的酶解，是一種較好的預(yù)處理方法。

甘蔗渣；預(yù)處理；酸解；酶解

甘蔗渣是制糖工業(yè)的副產(chǎn)物，也是一種重要的木質(zhì)纖維素資源，可以通過(guò)生物化學(xué)作用轉(zhuǎn)化為酒精作為燃料乙醇的原料［1］。木質(zhì)纖維素原料生產(chǎn)乙醇的關(guān)鍵是將原料高效地分解為葡萄糖等可溶性還原糖，然后利用微生物將戊糖和己糖發(fā)酵得到乙醇［2］。但甘蔗渣等木質(zhì)纖維素原料結(jié)構(gòu)致密復(fù)雜，其中木質(zhì)素與半纖維素形成牢固的結(jié)合層，將纖維素包裹在其中，阻礙了纖維素酶解時(shí)與酶接觸。因此，必須對(duì)原料進(jìn)行預(yù)處理，以增加纖維素與酶接觸的有效面積，提高纖維素酶解率［3］。木質(zhì)纖維素原料預(yù)處理有多種方法，如物理法［4-5］、化學(xué)法和生物法［6］。其中稀酸和稀堿預(yù)處理是兩種常用的方法［7-8］。酸法預(yù)處理可以將木質(zhì)纖維素原料中大部分的半纖維素水解為木糖等可溶性糖［9-10］。同時(shí)剩余原料的表面積增大，纖維素的結(jié)晶度降低，有利于纖維素酶解作用的進(jìn)行。但是酸法預(yù)處理對(duì)木質(zhì)素的去除效果較差，對(duì)纖維素水解的促進(jìn)作用有限［11］。堿法可以除去木質(zhì)纖維素原料中大部分的木質(zhì)素，顯著提高纖維素的酶解效率［12-14］。但堿法預(yù)處理對(duì)半纖維素也有較強(qiáng)的溶解作用，會(huì)造成原料水解率的損失［15-16］。

本文將酸法與堿法結(jié)合對(duì)甘蔗渣進(jìn)行預(yù)處理，以研究不同方法對(duì)甘蔗渣預(yù)處理及酶解特性的影響，為木質(zhì)纖維素原料的預(yù)處理提供新的思路。

1　實(shí)驗(yàn)部分

1.1實(shí)驗(yàn)原料

甘蔗渣，粒徑為0.4～0.8 mm，購(gòu)自廣西省某制糖廠(chǎng)，在105℃烘干至恒重，化學(xué)組成質(zhì)量分?jǐn)?shù)見(jiàn)表1。

表1　甘蔗渣原料的化學(xué)組成（w/%）Tab.1 Chemical compositions of bagasse（w/%）

1.2實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1堿預(yù)處理

預(yù)處理液為NaOH與H2O2的混合溶液，NaOH質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.0%，H2O2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.6%，預(yù)處理液與甘蔗渣的質(zhì)量比為25∶1，錐形瓶中混合均勻后在20℃水浴鍋中反應(yīng)20 h。將處理過(guò)的甘蔗渣用去離子水洗滌至中性并抽濾，然后將甘蔗渣在鼓風(fēng)干燥箱中105℃烘干至恒重，在干燥器中冷卻至室溫備用。

1.2.2酸預(yù)處理

預(yù)處理液為稀硫酸溶液，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.2%，溶液與甘蔗渣的質(zhì)量比為10∶1，在錐形瓶中混合均勻放于123℃的反應(yīng)器中處理時(shí)間2.6 h。反應(yīng)結(jié)束后，將水解液用去離子水定容至250 mL，用高效液相色譜（HPLC）分析其成分。甘蔗渣經(jīng)去離子水洗滌后干燥至恒重，冷卻至室溫備用。

1.2.3酸堿結(jié)合法預(yù)處理

按照1.2.1和1.2.2的方法對(duì)甘蔗渣進(jìn)行堿法預(yù)處理或酸法預(yù)處理，然后將殘?jiān)^(guò)濾洗滌烘干，再進(jìn)行第二步處理（酸法預(yù)處理或堿法預(yù)處理）。

1.2.4酶解

在100 mL磨口錐形瓶中加入1 g甘蔗渣，30 mL去離子水，0.1 mL質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的Novozymes纖維素酶和濃度為0.05 mol/L的1mL檸檬酸緩沖液。然后將錐形瓶放入轉(zhuǎn)速為140 r/min，溫度為50℃的搖床中，定時(shí)取樣測(cè)定錐形瓶中酶解液的還原糖濃度。酶解結(jié)束后用沙芯漏斗過(guò)濾酶解液，在105℃鼓風(fēng)干燥箱中將殘?jiān)娓芍梁阒亍?/p>

1.2.5分析計(jì)算

預(yù)處理后甘蔗渣纖維素得率X按式（1）計(jì)算。

其中：m為甘蔗渣試樣預(yù)處理前的質(zhì)量，g；n為甘蔗渣試樣預(yù)處理后的質(zhì)量，g；a為甘蔗渣試樣預(yù)處理后纖維素質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

半纖維素得率Y按式（2）計(jì)算。

其中b為甘蔗渣試樣預(yù)處理后半纖維素質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

木質(zhì)素得率Z按式（3）計(jì)算。

其中c為甘蔗渣試樣預(yù)處理后木質(zhì)素質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

實(shí)驗(yàn)所用的纖維素酶會(huì)將甘蔗渣中的纖維素和半纖維素酶解，而木質(zhì)素不發(fā)生水解。因此，可以用酶解后中甘蔗渣質(zhì)量的減少與酶解前甘蔗渣中綜纖維素量的比值來(lái)計(jì)算甘蔗渣的酶解率。

其中：X為甘蔗渣的酶解率，%；m0為甘蔗渣樣品酶解前的質(zhì)量，g；m1為甘蔗渣樣品酶解后的質(zhì)量，g；β為甘蔗渣樣品酶解前綜纖維素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%。

2　結(jié)果與討論

2.1不同預(yù)處理方法對(duì)甘蔗渣組成的影響

圖1為用不同方法預(yù)處理后甘蔗渣各組分的得率。由圖1可知，經(jīng)堿法預(yù)處理后甘蔗渣中纖維素的得率最高，超過(guò)95%。因?yàn)槔w維素在稀硫酸溶液中會(huì)發(fā)生部分水解，導(dǎo)致其得率降低。經(jīng)過(guò)兩步法預(yù)處理后纖維素的得率與經(jīng)過(guò)一步法預(yù)處理相比降低了10%以上，先酸后堿法預(yù)處理后甘蔗渣纖維素得率最低，僅為74.2%；大部分的半纖維素會(huì)在稀硫酸液中發(fā)生水解，而經(jīng)過(guò)堿法處理后半纖維素仍殘余50%以上；酸法預(yù)處理對(duì)甘蔗渣中的木質(zhì)素沒(méi)有明顯的去除效果，其得率仍到80%左右。甘蔗渣在另外3種預(yù)處理方法中都經(jīng)過(guò)了堿處理的過(guò)程，木質(zhì)素的去除率均在70%以上。

圖1預(yù)處理后甘蔗渣各組分得率Fig.1 Yield of bagasse after pretreatment

圖2為甘蔗渣經(jīng)過(guò)不同方法預(yù)處理后各組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)?？梢钥闯鼋?jīng)過(guò)預(yù)處理后，甘蔗渣中纖維素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高，達(dá)到60%以上。經(jīng)過(guò)先堿后酸或先酸后堿兩步法預(yù)處理后纖維素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過(guò)了80%；甘蔗渣經(jīng)過(guò)堿法處理后半纖維素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高，經(jīng)過(guò)另外3種方法處理后其質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低，不足3%；甘蔗渣中木質(zhì)素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)經(jīng)過(guò)堿法處理后最低，經(jīng)過(guò)酸法預(yù)處理后最高。

圖2　預(yù)處理后甘蔗渣各組分Fig.2 Composition of bagasse after pretreatment

2.2一步法與兩步法對(duì)甘蔗渣水解的影響

甘蔗渣中的半纖維素可以在稀酸溶液中水解得到木糖、葡萄糖和阿拉伯糖等單糖以及纖維二糖，經(jīng)過(guò)處理后也可以發(fā)酵得到乙醇。表2為將甘蔗渣原料直接在稀硫酸中水解和先堿法預(yù)處理再酸水解所得水解液各成分的質(zhì)量濃度。

表2　水解液中各成分（g/L）Tab.2 Composition of hydrolysate（g/L）

由表2可知，經(jīng)過(guò)堿法預(yù)處理后，甘蔗渣中半纖維素的水解率與直接酸解相比提高了20%以上。說(shuō)明甘蔗渣中半纖維素和木質(zhì)素之間的共價(jià)鍵在堿法預(yù)處理過(guò)程中遭到了破壞，使半纖維素更容易進(jìn)行酸解。但在堿法預(yù)處理過(guò)程中部分半纖維素會(huì)被溶解，因此與直接酸解相比先進(jìn)行堿處理再酸解會(huì)使酸解液中糖的得率降低。

2.3不同預(yù)處理對(duì)甘蔗渣酶解的影響

圖3　預(yù)處理方法對(duì)甘蔗渣酶解率的影響Fig.3 Effectofpretreatmenton enzymolysisyieldofbagasse

將經(jīng)過(guò)不同預(yù)處理方法得到的甘蔗渣進(jìn)行酶解，比較預(yù)處理對(duì)甘蔗渣酶解的影響，結(jié)果見(jiàn)圖3。由圖3可知，預(yù)處理方法對(duì)甘蔗渣酶解率的影響非常大。經(jīng)過(guò)堿法預(yù)處理甘蔗渣的酶解率最高可達(dá)80%以上。經(jīng)過(guò)先酸后堿與先堿后酸兩步法處理的甘蔗渣酶解率在40%左右。僅經(jīng)過(guò)稀硫酸水解的甘蔗渣酶解率最低，只有19.1%。甘蔗渣中木質(zhì)素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)與甘蔗渣的酶解率有顯著的相關(guān)性。甘蔗渣木質(zhì)素質(zhì)量分?jǐn)?shù)越低，其酶解率越高。兩步法處理過(guò)的甘蔗渣酶解率不及經(jīng)過(guò)堿法處理過(guò)的甘蔗渣，因所用纖維素酶會(huì)使甘蔗渣中纖維素和半纖維素均發(fā)生水解，且半纖維素的水解易于纖維素。經(jīng)過(guò)堿法處理的甘蔗渣中仍殘留50%左右的半纖維素，而兩步法經(jīng)過(guò)了酸處理的過(guò)程，95%以上的半纖維素都被水解了。

3　結(jié)　論

利用減法、酸法、先酸后堿和先堿后酸4種方法對(duì)甘蔗渣進(jìn)行了預(yù)處理，分析不同方法對(duì)甘蔗渣預(yù)處理及酶解的影響，得到以下結(jié)論：

1）甘蔗渣中的木質(zhì)素經(jīng)過(guò)堿法預(yù)處理后質(zhì)量分?jǐn)?shù)最低，去除效果較好；經(jīng)過(guò)酸法預(yù)處理后質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高，無(wú)明顯的去除效果；

2）甘蔗渣中的半纖維素經(jīng)過(guò)堿法預(yù)處理后質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高，其水解率比原料直接酸解法提高20%以上；

3）甘蔗渣經(jīng)過(guò)堿法預(yù)處理后的酶解率最高，其次為兩步法預(yù)處理過(guò)的甘蔗渣，稀硫酸水解過(guò)的甘蔗渣酶解率最低；

4）先酸后堿法不僅對(duì)甘蔗渣的木質(zhì)素具有較好的去除效果，而且可以充分利用半纖維素的酸解產(chǎn)物，是一種較好的木質(zhì)纖維素原料預(yù)處理方法。

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責(zé)任編輯：丁吉海

AStudy ofAcid andAlkaline Pretreatment of Bagasse

ZHAO Zhigang1，YANG Cheng1，CHENG Keke2，ZHANG Jian'an2
（1.School of Chemistry and Chemical Engineering，Anhui University of Technology，Ma'anshan 243002，China；2.Institute of Nuclear and New Energy Technology，Tsinghua University，Beijing 100084，China）

Bagasse was pretreated with methods of acid，alkaline，alkaline after acid and acid after alkaline，and the effects of different pretreatment methods on composition and enzymatic hydrolyzation of bagasse was studied. The results show that the pretreatment of bagasse with alkaline is efficient in removing lignin，while the pretreatment with acid shows no obvious effect on lignin removal.The hemicellulose of bagasse is easier to be hydrolyzed after pretreated by alkaline，and the hydrolysis rate is increased by 20%compared with that without pretreatment.The pretreatment of bagasse by alkaline after acid can not only make full use of the sugar obtained by the acidolysis of hemicellulose，but also improve the enzymolysis of the cellulose of the bagasse.Therefore，the pretreatment by alkaline after acid is a good choice for the bagasse.

bagasse；pretreatment；hydrolysis；enzymolysis

TQ35

Adoi：10.3969/j.issn.1671-7872.2016.02.007

1671-7872（2016）02-0126-04

2016-01-05

安徽省教育廳高校自然科學(xué)研究項(xiàng)目（KJ2015A108）

趙志剛（1981-），男，山東濱州人，博士，講師，主要研究方向?yàn)槟茉椿ぁ?br/>

張建安（1964-），男，山西太原人，副教授，博士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)樯锬茉磁c生物化工。