甜菜渣纖維素乙醇研究進展與展望

李丹，苑琳，李猛，李冠華

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甜菜渣纖維素乙醇研究進展與展望

李丹，苑琳，李猛，李冠華

內(nèi)蒙古大學 生命科學學院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010021

纖維素乙醇具有清潔、安全、可再生等優(yōu)點，是新能源發(fā)展的重要方向，受到各國政府、企業(yè)的廣泛關(guān)注。論文首先介紹了甜菜生物學特性，隨后重點闡述甜菜及其副產(chǎn)物甜菜渣在三代生物乙醇開發(fā)中的優(yōu)越性及應(yīng)用進展。在此基礎(chǔ)上提出了甜菜渣纖維素轉(zhuǎn)化乙醇及組分分離綜合利用的研究思路，認為甜菜渣將會作為一種重要原料在纖維素乙醇開發(fā)中發(fā)揮作用。

生物能源，纖維素乙醇，甜菜渣，組分分離

能源分為傳統(tǒng)化石能源和可再生能源。傳統(tǒng)化石能源不可再生，大量使用化石能源會引起溫室效應(yīng)，造成環(huán)境污染，且儲存量已不能滿足人類經(jīng)濟社會發(fā)展的需求，因此可再生能源逐漸受到人類的重視。根據(jù)美國可再生燃料標準 (RFS) 要求，2022年美國可再生燃料使用量需達1.4×1011L，其中生物質(zhì)燃料使用量應(yīng)達到60%左右[1]。

生物質(zhì)燃料是指以生物質(zhì)為原料轉(zhuǎn)化制備得到生物乙醇、沼氣、氫氣、生物柴油等化工產(chǎn)品[2]。生物乙醇以其辛烷值高[3](表1)、安全性好，可作為含氧添加劑替代甲基叔丁基醚、乙基叔丁基醚，也可完全替代汽油作為燃料而備受關(guān)注。隨著各國社會經(jīng)濟的快速發(fā)展及能源結(jié)構(gòu)調(diào)整，生物乙醇開發(fā)成為當前科學研究的熱點。

表1 幾種不同燃料的能源含量對比

Table 1 Energy content of some fuels compared with ethanol

生物乙醇的研究應(yīng)用擁有著悠久的歷史，中國早在2 000多年前就利用固態(tài)發(fā)酵技術(shù)以谷類物質(zhì)為原料制備乙醇，隨后的幾千年中乙醇始終作為酒品供人類飲用。直到1925年，Henry Ford首次提出乙醇可以作為未來主流能源為人類服務(wù)，同時大膽預(yù)測乙醇生產(chǎn)原料將會由谷類物質(zhì)轉(zhuǎn)變成果殼、秸稈、鋸屑、蘋果渣等廉價易得的生物質(zhì)原料，由此開始了生物乙醇作為能源的研究。近年來美國、歐盟、巴西等國家和地區(qū)紛紛頒布相關(guān)法案，發(fā)展本國生物乙醇產(chǎn)業(yè)，先后發(fā)展出了以糖或淀粉為原料的“第一代生物乙醇”技術(shù)和以農(nóng)林廢棄物為原料的“第二代生物乙醇”技術(shù)[4]。由于“第一代生物乙醇”發(fā)展面臨著“與人爭糧，與糧爭地”的爭議，因此發(fā)展以農(nóng)林廢棄物等非糧作物為原料轉(zhuǎn)化制備纖維素乙醇的“第二代生物乙醇”技術(shù)成為各國研究的重要方面。

甜菜屬為植物界被子植物門雙子葉植物綱，其栽培種有4個變種：糖用甜菜、葉用甜菜、根用甜菜和飼用甜菜[5]。甜菜適宜生長在溫帶地區(qū)，平均重量為0.5?1.0 kg。甜菜葉片繁茂，葉片長度能達35 cm，通過葉片進行光合作用生成糖，儲存在根中。甜菜塊根含有高濃度的蔗糖，是目前主要的制糖原料之一[6]。甜菜的含糖量高達16%，而甘蔗的含糖量只有12%?13%。2009年，甜菜產(chǎn)糖量占全球食糖總產(chǎn)量的20%，并呈逐年上升趨勢[7]。

1 甜菜渣轉(zhuǎn)化生物乙醇的優(yōu)越性及不足

1.1 甜菜渣轉(zhuǎn)化生物乙醇的優(yōu)越性

1.1.1 甜菜渣產(chǎn)量大

全球甜菜種植總面積達8×106hm2，在世界農(nóng)產(chǎn)品總產(chǎn)量中排名第10，約占糖料作物的48%，次于甘蔗而居第2位。2009?2013年世界甜菜主產(chǎn)區(qū)的產(chǎn)量見表2。

表2 2009–2013年甜菜產(chǎn)量排名前十的國家

Table 2 Top ten sugar beet producer during 2009 to 2013

Source: FAOSTAT

我國甜菜年產(chǎn)量高于世界平均水平，甜菜工業(yè)生產(chǎn)后會得到大量的甜菜渣。甜菜渣是甜菜提取蔗糖后的剩余廢棄物，有許多綜合利用前景。由加工副產(chǎn)物系數(shù)取值[8]，計算可知我國2010–2014年的甜菜渣產(chǎn)量分別為4.65×108、5.37×108、5.87×108和4.63×108kg。

1.1.2 甜菜渣木質(zhì)素含量低

甜菜渣干物質(zhì)組成為：纖維素26%、半纖維素28%、木質(zhì)素3%、果膠28%、蛋白5%、灰分3%、其他27%[9]。木質(zhì)素作為胞間層膠黏物質(zhì)起到加固木質(zhì)化植物組織的作用。高含量木質(zhì)素的存在提高植物組織的生物穩(wěn)定性和對各種化學試劑作用的穩(wěn)定性。木質(zhì)素阻礙纖維素酶對纖維素的接觸，或者與纖維素不可逆結(jié)合而阻礙纖維素水解[10]。表3可知，與其他木質(zhì)纖維素原料相比，甜菜渣中纖維素含量較高，而木質(zhì)素含量較低，是制備纖維素乙醇的理想原料。

表3 常見木質(zhì)纖維素原料及其3種組分含量[9]

Table 3 Common lignocellulosic biomass feedstock and their components[9]

1.1.3 甜菜渣集中堆放，易于收集且成本低廉

秸稈等農(nóng)林廢棄物分布分散，產(chǎn)量隨季節(jié)波動大，因此原料收集和運輸困難，成本較高，制約著纖維素乙醇的發(fā)展。甜菜渣是糖廠利用甜菜榨糖后的剩余副產(chǎn)物，大量集中堆放便于收集利用?；诖耍鸩嗽氖占杀竞瓦\輸成本顯著降低[11]。建立甜菜制糖和甜菜渣制纖維素乙醇一體化現(xiàn)代制糖模式成為當前研究熱點。

1.1.4 甜菜渣持續(xù)利用有利于糖業(yè)可持續(xù)發(fā)展

甜菜渣的傳統(tǒng)利用方式中除少量用為動物飼料供給周邊農(nóng)戶外，大部分就地堆放，處理不當會引起積壓與霉爛，造成資源浪費的同時嚴重污染周邊環(huán)境。甜菜渣含有26%的纖維素，將其轉(zhuǎn)化制備為生物乙醇，能夠?qū)崿F(xiàn)資源充分利用，提高企業(yè)經(jīng)濟效益，減少環(huán)境污染，有利于糖業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

1.2 甜菜渣轉(zhuǎn)化生物乙醇的不足

與其他木質(zhì)纖維素原料相比，甜菜渣果膠含量高達28%，果膠的大量存在使其具有更高強度的黏性和彈性[12]，相鄰細胞黏接在一起，影響纖維素酶的作用效率。預(yù)處理階段果膠分解生成半乳糖醛酸及其衍生物，上述物質(zhì)的存在會對酶解與發(fā)酵產(chǎn)生抑制作用[13]。新鮮甜菜渣水分含量可達90%以上，處理不及時引起霉菌、酵母菌等微生物生長，導(dǎo)致甜菜渣腐敗。烘干是脫除甜菜渣水分的常用方法，規(guī)?；瘧?yīng)用時對設(shè)備和工藝都有較高要求。青貯也是存放甜菜渣的方法，但研究發(fā)現(xiàn)青貯過程中添加微生物抑制劑等會影響纖維素轉(zhuǎn)化乙醇的效 率[14]?；谔鸩嗽厥庑越⑾嚓P(guān)配套技術(shù)是開發(fā)甜菜渣纖維素乙醇的前提。

2 甜菜及甜菜渣在生物乙醇中的應(yīng)用

2.1 甜菜在第一代生物乙醇中的應(yīng)用

第一代生物乙醇的生產(chǎn)原料主要是淀粉類物質(zhì) (小麥、玉米、土豆和木薯) 和糖物質(zhì) (甘蔗汁和糖蜜)，原料成本占乙醇生產(chǎn)總成本70%?80%[15]。美國和巴西已成功實現(xiàn)了第一代生物乙醇產(chǎn)業(yè)化，二者根據(jù)本國國情分別建立了以玉米和甘蔗糖為原料的生物乙醇生產(chǎn)線。巴西生產(chǎn)生物乙醇的原料，69%來自甘蔗和甜菜[16]。

甜菜富含蔗糖，在第一代生物乙醇中得到廣泛應(yīng)用。2005年，荷蘭首先利用甜菜蔗糖轉(zhuǎn)化制備乙醇[17]；Dodi?等提出甜菜原汁生產(chǎn)乙醇的動力學模型，對糖廠進行改造，建立產(chǎn)糖與乙醇發(fā)酵生產(chǎn)線[18]；Juan等開發(fā)了甜菜原汁保存方法，結(jié)果表明23 ℃，蔗糖汁存放24周后，可用于發(fā)酵生產(chǎn)乙醇的蔗糖仍高達99%，為甜菜規(guī)模化生產(chǎn)乙醇打下基礎(chǔ)[19]。以甜菜作為原料制取生物乙醇的效益日益得到大家的肯定。

2.2 甜菜渣在第二代生物乙醇中的應(yīng)用

第二代生物乙醇以農(nóng)林廢棄物為主要原料，采用酶解-發(fā)酵相結(jié)合的模式制備生物乙醇。纖維素乙醇的生產(chǎn)是一個復(fù)雜的過程：纖維素 (半纖維素) 首先酶解生成葡萄糖 (木糖和阿拉伯糖)，微生物轉(zhuǎn)化單糖生成乙醇。據(jù)估計，全球每年大約產(chǎn)生51億t (干重) 農(nóng)業(yè)廢棄物和501萬t (干重) 林業(yè)廢棄物[20]。學者以第一代生物乙醇生產(chǎn)技術(shù)為基礎(chǔ)，重點研究將農(nóng)林和市政廢棄物轉(zhuǎn)化為乙醇的第二代生物乙醇技術(shù)[21]。

加拿大的Iogen公司擁有先進的纖維素乙醇制備技術(shù)，早在1982年建立了纖維素乙醇中試裝置，每天能處理1萬t木質(zhì)纖維素原料；2004年，建成商業(yè)銷售的纖維素乙醇示范工廠，隨著技術(shù)升級，實現(xiàn)纖維素乙醇規(guī)?；a(chǎn)；2014年，Iogen公司在巴西開展一個價值30億美元的纖維素乙醇項目，開始建立商業(yè)化纖維素乙醇工廠[22]。瑞典獲得歐盟委員會5 460萬歐元的撥款，建立了以造紙廢棄物為原料的纖維素乙醇生產(chǎn)企業(yè)[23]。美國能源部國家可再生能源實驗室 (NREL) 開展了多個纖維素乙醇生產(chǎn)項目[24]。中國山東澤生公司利用Chen等研究的秸稈纖維素固態(tài)酶解技術(shù)，建立了年產(chǎn)3 000 t秸稈纖維素乙醇生產(chǎn)示范工程[25]。國際能源機構(gòu)指出，隨著研究的不斷深入纖維素乙醇將逐步取代傳統(tǒng)燃料，成為人類賴以生存的新能源。

甜菜制糖和甜菜渣制纖維素乙醇的一體化現(xiàn)代制糖企業(yè)新模式，因甜菜渣獨特的優(yōu)越性，具有重要的應(yīng)用前景。工藝路線包括：甜菜蔗糖提取、固液分離、糖液濃縮制糖、甜菜渣干燥貯藏、甜菜渣預(yù)處理、甜菜渣纖維素酶解、單糖發(fā)酵和乙醇蒸餾等工藝。但目前上述研究仍多處于實驗室研究階段。Foster等氨爆預(yù)處理甜菜渣，利用纖維素酶、半纖維素酶和果膠酶協(xié)同酶解，顯著提高纖維素的酶解率，但處理后半纖維素酶和果膠酶用量增加，表明氨爆處理促進了纖維素的降解，對半纖維素和果膠的降解沒有作用[26]。Kühnel等考察了甜菜渣經(jīng)過不同預(yù)處理后酶解率差異，發(fā)現(xiàn)140 ℃水中熱處理15 min能夠溶解60% (/) 的總碳水化合物，顯著除去果膠，另一方面劇烈條件會破壞溶液中的糖，生成糖降解產(chǎn)物糠醛、羥甲基糠醛、乙酸和甲酸[12]。Zheng等研究發(fā)現(xiàn)青貯不僅可以實現(xiàn)甜菜渣貯藏，而且青貯期間破壞甜菜渣理化結(jié)構(gòu)，促進酶解[27]。甜菜渣為原料，采用基因工程菌株，同步糖化發(fā)酵乙醇。大腸埃希氏菌突變株M. KO11能有效轉(zhuǎn)化阿拉伯糖和半乳糖醛酸為乙醇[28]。Rorick等對比KO11和釀酒酵母H. YSC2轉(zhuǎn)化甜菜渣為乙醇的效率，分別得到乙醇產(chǎn)量0.144 g/g (乙醇/甜菜渣干重) 和0.092 g/g (乙醇/甜菜渣干重)[29]。Zheng等發(fā)現(xiàn)稀酸預(yù)處理雖然會生成發(fā)酵抑制物，但甜菜渣的乙醇產(chǎn)量仍會提高，甜菜渣所含蛋白質(zhì)量較少，不足以支持KO11生長，所以在發(fā)酵過程中需補充酵母提取物和蛋白胨[30]。Yücel等用樹干畢赤酵母P. 發(fā)酵甜菜渣的水解液生產(chǎn)乙醇，并利用活性炭吸附乙酸，解除發(fā)酵抑制[31]。Bellido等用拜氏梭菌D. 發(fā)酵甜菜渣酶解液生產(chǎn)丙酮-丁醇-乙醇，發(fā)現(xiàn)預(yù)處理時pH值和固液比對終產(chǎn)物產(chǎn)率影響較大[32]。

對甜菜渣進行預(yù)處理是其制備纖維素乙醇必要的步驟，包括化學處理和生物處理等[33-34]。甜菜渣富含果膠，使其與農(nóng)業(yè)廢棄物、木材等其他木質(zhì)纖維素原料具有顯著不同的組成和結(jié)構(gòu)特征?；谔鸩嗽⑿碌念A(yù)處理方法和酶解工藝是當前研究的重要方面。生物法預(yù)處理是利用微生物或微生物產(chǎn)生的酶破壞生物質(zhì)結(jié)構(gòu)的方法。具有條件溫和、能耗低、抑制物少等優(yōu)點。但是生物預(yù)處理時間長、效率低、不適宜工業(yè)應(yīng)用。本課題組以生物預(yù)處理為核心建立了組合預(yù)處理工藝，實驗發(fā)現(xiàn)建立的汽爆耦合真菌協(xié)同預(yù)處理是一種有效組合預(yù)處理方法。汽爆破壞玉米秸稈的剛性結(jié)構(gòu)，增大表面孔徑和孔隙，暴露纖維素結(jié)晶結(jié)構(gòu)，提高真菌作用效率[35]。目前，我們正嘗試建立一種液氨低溫預(yù)浸協(xié)同硬毛粗蓋孔菌預(yù)處理甜菜渣的工藝[36]，預(yù)處理過程條件相對溫和、發(fā)酵抑制物生成少、化學腐蝕性小、價格低，是預(yù)處理甜菜渣的理想方法。

2.3 甜菜渣在第三代生物乙醇中的應(yīng)用

第三代生物乙醇有兩種：一種是指以海藻油為原料生產(chǎn)乙醇，海藻培養(yǎng)和海藻油的萃取是核心步驟[37]。另一種通過現(xiàn)代分子生物學技術(shù)構(gòu)建基因工程菌株，將生物質(zhì)預(yù)處理，纖維素酶解，乙醇發(fā)酵通過同一微生物在單一的工藝步驟中實現(xiàn)[38-39]。第三代生物乙醇處于實驗階段，能否成功開發(fā)第三代生物乙醇，很大程度上取決于對纖維素分解菌新陳代謝的了解程度。這個生產(chǎn)系統(tǒng)包括了菌種代謝、基因重組、酶解反應(yīng)以及熱力學機制這些復(fù)雜過程。

研究改造乙醇生產(chǎn)菌株，使其可以集預(yù)處理、酶解及發(fā)酵為一體，是發(fā)展第三代生物乙醇的前提。Shahbazi等誘變里氏木霉S.，突變菌株NRCAM5能夠產(chǎn)生外切葡聚糖酶、內(nèi)切葡聚糖酶、纖維二糖脫氫酶等，這些酶共同作用，提高甜菜渣酶解糖化率[40]。Li等用紫外照射休哈塔假絲酵母B.&U.，獲得突變體Cs3512。Cs3512對生物質(zhì)進行預(yù)處理，還可將葡萄糖和木糖轉(zhuǎn)化為乙醇[41]。Fernández-Sandoval等通過代謝工程，成功將MG1655改造為乙酸耐受菌株MS04用于生產(chǎn)乙醇[42]。Nakamura等重組，使其表達BGL基因，實現(xiàn)木糖/纖維二糖高效共發(fā)酵[43]。中糧集團構(gòu)建的工程菌株424A (LNH-ST) 可以同時轉(zhuǎn)化六碳糖和五碳糖生成乙醇，總糖利用率超過85.0%，成功實現(xiàn)500 t/y的纖維素乙醇中試規(guī)模[44]。以甜菜渣為底物生產(chǎn)第三代生物乙醇研究較少，但上述乙醇生產(chǎn)菌株的成功改造，相信可以更好地發(fā)揮甜菜渣的優(yōu)越性。

3 甜菜渣組分分離及綜合利用

甜菜富含蔗糖、纖維素、半纖維素和果膠等。在建立甜菜制糖和甜菜渣制備纖維素乙醇一體化的基礎(chǔ)上，應(yīng)進一步對甜菜其他組分進行分離與利用。

圖1可知，甜菜渣中能夠獲得果膠、粗多糖、纖維、甲烷、丙二醇等多種物質(zhì)[45-46]。如甜菜渣中半乳糖醛酸和阿拉伯糖進一步轉(zhuǎn)化為酰胺或增塑劑等高價值化學品或材料；乳酸還原生產(chǎn)丙二醇；酶解甜菜渣與酒糟混合生產(chǎn)甲烷[47-50]。Ward等從甜菜渣水解液中分離單糖，再將其轉(zhuǎn)化為更高價值的化學品和醫(yī)藥中間 體[51]。組分分離及綜合利用提高甜菜渣資源利用率的同時可以分擔乙醇生產(chǎn)成本，提高纖維素乙醇市場競爭力，促進產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。

圖1 甜菜各組分及用途

4 展望

甜菜渣產(chǎn)量大，纖維素含量高，易于收集且成本低廉，是制備纖維素乙醇的理想原料。甜菜渣纖維素轉(zhuǎn)化制備乙醇的同時，對甜菜渣其他組分進行分級分離，各個組分的綜合利用，可以實現(xiàn)效益的最大化。甜菜渣轉(zhuǎn)化纖維素乙醇及組分綜合利用涉及原料預(yù)處理技術(shù)、纖維素酶解發(fā)酵技術(shù)、組分分離及轉(zhuǎn)化等。相關(guān)技術(shù)深入研究的同時，應(yīng)進一步開展集成創(chuàng)新的工作，從工程層面實現(xiàn)各工藝的最優(yōu)。隨著新理論的提出與技術(shù)的革新，甜菜渣制備纖維素乙醇方面將會獲得更快發(fā)展。

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Progress on cellulosic ethanol produced from beet pulp

Dan Li, Lin Yuan, Meng Li, and Guanhua Li

School of Life Sciences, Inner Mongolia University, Hohhot 010021, Inner Mongolia, China

Cellulosic ethanol, with the advantages of renewable resource, cleanliness and safety, is the mainstream of new energy development and has obtained extensive attention worldwide. In this review, the biological characteristics of beets were introduced, and then the superiority and application progress of beets and its by-product sugar beet pulp in the bioethanol production were stated. At last, cellulosic ethanol production coupled with the component separation and comprehensive utilization of beet pulp was proposed.

bioenergy, cellulosic ethanol, sugar beet pulp, fractionation

September 10, 2015; Accepted: December 21, 2015

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Li D, Yuan L, Li M, et al. Progress on cellulosic ethanol produced from beet pulp. Chin J Biotech, 2016, 32(7): 880–888.

Supported by: Desconstruction of Recalcitrance to Enzymatic Hydrolysis of Sugar-beet Pulp: Technology and Mechanism (No. 2015BS0201), Solid State Fermentation of Cellulase (No. 21400-5145138).

Corresponding author: Guanhua Li. Tel/Fax: +86-471-4992476; E-mail: liguanhua1984@126.com

內(nèi)蒙古自治區(qū)自然科學基金項目 (No. 2015BS0201)，內(nèi)蒙古大學2014年博士引進科研啟動經(jīng)費 (No. 21400-5145138) 資助。

網(wǎng)絡(luò)出版時間：2016-01-07 網(wǎng)絡(luò)出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/11.1998.Q.20160107.1444.002.html

(本文責編 陳宏宇)