玉米秸稈纖維素降解處理方法研究

張玲秀 董社琴

摘 要：為了充分利用農業(yè)玉米秸稈資源用于飼料和食品等工業(yè)，該文采用物理處理法（微波、超聲波），化學處理法（硫酸、氫氧化鈉），生物處理法（纖維素酶、粗糙脈胞霉）對玉米秸稈纖維素進行降解處理。結果表明，不同處理方法葡萄糖量增加分別為：微波處理11.92%、超聲波處理12.85%、酸處理（pH=2）86.94%、堿處理（pH=10）37.97%、纖維素酶處理333.50%，粗糙脈胞霉處理116.32%。綜合考慮各方法的能源消耗、環(huán)境污染、成本等問題，利用粗糙脈胞處理是可行的，通過進一步優(yōu)化預處理和發(fā)酵條件有望用于工業(yè)實踐中。

關鍵詞：玉米秸稈；纖維素降解；粗糙脈胞霉；預處理

中圖分類號 S216.2 文獻標識碼 A 文章編號 1007-7731（2018）03-04-0014-3

Abstract： In order to make full use of agricultural corn stalk resources in the feed and food industry，this paper adopted the physical treatment method，microwave，ultrasonic），chemical processing method （sulfuric acid，sodium hydroxide），biological treatment （cellulose enzyme，Neurospora crassa） for degradation of corn straw stalk fiber respectively.As a result of glucose，the different processing methods are： microwave treatment，ultrasonic treatment，11.92% and 12.85% ，86.94% （pH = 2），acid treatment，alkali treatment （pH = 10） were 37.97%，333.50% cellulase treatment，116.32% Neurospora crassa processing，considering the method of energy consumption，environmental pollution，the problem such as cost，Neurospora crassa process is feasible，through further optimization of pretreatment and fermentation conditions is expected to be used in industrial practice.

Key words： Straw；Cellulose degradation；Aspergillus aspergillus；Pretreatment

當今，不可再生資源日益減少，開發(fā)和利用新型可再生資源具有重要意義，其中生物可再資源主要為地球上每年產生的植物秸稈，由于其具有的熱量低，回收利用成本高的缺陷，一直沒有得到足夠的重視。我國為農業(yè)大國，每年產生的秸稈不僅沒有得到很好的利用，而且被隨意焚燒引起環(huán)境污染[1]。農業(yè)秸稈可利用的用途很多，如造紙、沼氣等，但如果將其纖維素降解為葡萄糖即可用于食品、飼料等產業(yè)，可能具有更大的利用價值[2]。為此，本實驗以先玉335玉米秸稈為材料，利用物理、化學、酶法、粗糙脈胞霉法分別進行降解處理，比較各處理方法的利弊。

1 材料與方法

1.1 材料 （1）玉米秸稈（山西省忻州市忻府區(qū)）、粗糙脈胞霉（本實驗室篩選保存）。（2）玉米秸稈培養(yǎng)基：玉米秸稈粉末2g；NaNO3 0.3g；K2HPO4 0.1g；MgSO4·7H2O 0.5g；KCl 0.05g；FeSO4·7H2O 0.001g，蒸餾水定容至100mL；分裝后在1×105Pa條件下滅菌30min[3]。（3）3，5-二硝基水楊酸試劑（DNS試劑）：將6.3g 3，5-二硝基水楊酸和262mL 2mol/L NaOH溶液，加到500mL含有185g酒石酸鉀鈉的熱水溶液中，再加5g苯酚和5g Na2SO3，攪拌溶解。冷卻后加蒸餾水定容至1000mL，貯于棕色瓶中備用。

1.2 方法

1.2.1 葡萄糖標準曲線的測定 標準曲線的制作：取25mL刻度試管，按下表配制一系列不同濃度的葡萄糖標準液。將各管搖勻，在沸水浴中加熱5min，取出后立即冷卻至室溫，再以蒸餾水定容至25mL，混勻。在540nm波長下，用0號管調零，分別讀取1～6號管的OD值。以OD值為縱坐標，葡萄糖含量（mg）為橫坐標，繪制標準曲線。

1.2.2 物理處理法 （1）微波處理法：稱1g的秸稈粉末放入含有25mL的80%乙醇的燒杯里，把燒杯放入微波爐（600W）里進行處理，5min后取出，冷卻至室溫后過濾，把所得的濾液用80%乙醇定容到35mL。（2）超聲處理法：稱1g的秸稈粉末放入含有25mL的80%乙醇的塑料離心管里，把塑料管放入超聲波（21KHz）里進行降解，間隔0.2s，5min后取出，過濾，將濾液用80%乙醇定容至35mL。

1.2.3 化學處理法 （1）酸處理方法：把6個燒杯編號為1～6，分別往燒杯里加入1g秸稈粉末和25mL的80%乙醇，然后用pH計和1mol/L的硫酸滴定pH分別為1、2、3、4、5、6的溶液。（2）堿處理方法：把7個燒杯編號為1～7，分別往燒杯里加入1g秸稈粉末和25mL的80%乙醇，然后用1mol/L的氫氧化鈉分別滴定，并同時用pH計測定其pH，最終分別為8、9、10、11、12、13、14。以上2方法所得溶液在70°C下進行水浴加熱30min，取出，過濾，將過濾后的液體用80%乙醇都定容至15mL。

1.2.4 生物處理法 （1）纖維素酶法：往裝有1g秸稈粉末的燒杯加入1.5g的纖維素酶[4]、22mL的蒸餾水和3mL檸檬酸緩沖液（pH=4.8），然后在50°C下水浴震蕩加熱2h，取出過濾，用80%乙醇定容至40mL。（2）粗糙脈胞霉處理法：菌種在PDA試管斜面活化3次后，接種于玉米秸稈培養(yǎng)基中，在25°C振蕩培養(yǎng)7d，取發(fā)酵液用于葡萄糖含量測定。

1.2.5 葡萄糖含量測定 以上不同秸稈處理后濾液各取2mL分別加到含有1.5mL DNS的試管中，然后沸水浴5min后立即取出冷卻至室溫，再用蒸餾水定容到25mL，混勻，在紫外分光光度計540mm波長下測OD值，按以下公式計算其產量。計算公式如下：

葡萄糖產量=提取液濃度（mg/mL）×稀釋倍數(shù)×提取液體積

2 結果與分析

2.1 葡萄糖標準曲線 由圖1可知，標準曲線線性良好，R2大于99%，可用于以下葡萄糖測定。

2.2 物理處理 微波誘導粒子移動或者旋轉，導致極性粒子產生偏振現(xiàn)象，使分子間發(fā)生摩擦，產生熱量，分子轉變?yōu)樽杂苫?，使纖維素生成葡萄糖。高能量超聲波作用于液體時會產生空化作用，在負壓的作用下液體中會產生微小氣泡。超聲波處理可以使大分子發(fā)生解聚，空化作用能夠打斷聚合物的分子之間的連接。超聲波降解方法使纖維素物質的聚合度、結晶度降低，比表面積增大。如表2所示，經過微波處理降解玉米秸稈所得的葡萄糖量為31.54mg，而對照組所得葡萄糖量為28.18mg，相比對照組多了11.92%。超聲波處理葡萄糖量為31.8mg，比對照組多3.62mg，相對于對照組多了12.85%。

2.3 化學處理 纖維素中的1，4-β-苷鍵具有縮醛鍵的性質，對酸敏感，當酸作用于纖維素時，纖維素苷鍵容易斷裂，聚合度降低。堿性試劑會引起溶脹作用，增加了纖維素的比表面積，降低了纖維素的聚合度和結晶度，切斷木質素結構。所以利用酸堿環(huán)境下，玉米秸稈會一定程度降解為葡萄糖等。如圖2所示，隨著pH的降低，葡萄糖含量呈增加趨勢，pH=2時所降解的葡萄糖量最多，為52.68mg，而對照組為28.18mg，相對于對照組多了86.9%。因此，用酸降解玉米秸稈纖維素最適合的pH值為pH=2。如圖3所示，pH 8～10所得的葡萄糖量的基本趨勢是上升的，而pH 10～14趨勢是下降，所以降解纖維素最適pH值是10。在pH=10時降解纖維素所得的葡萄糖量為38.88mg，相對于對照組多38%。因此，堿降解玉米秸稈纖維素最適合的pH值為10。

2.4 生物處理 纖維素酶是能夠將纖維素降解為葡萄糖的一系列酶的總成，降解纖維素需要多組分纖維素酶的協(xié)同作用。如表3所示，用纖維素酶降解纖維素所得的葡萄糖總含量為122.16mg，比對照組降解所得的葡萄糖總含量多93.98mg，相對于對照組多333.50%。粗糙脈胞霉是一種產纖維素酶真菌，所產酶具內切型葡聚糖酶、外切型葡聚糖酶和β-葡聚糖苷酶的活性，因而具有很高的開發(fā)潛能，其處理后葡萄糖量增加了116.32%。

3 討論

目前，國內外針對秸稈纖維素的降解處理方法研究很多，但針對不同來源植物秸稈纖維由于其所含成分的不同，效果不同。本文針對忻州地區(qū)玉米秸稈降解開展了研究，通過物理、化學和生物的方法分別對其進行處理，旨在開發(fā)環(huán)保、節(jié)能方法對其再利用。

物理方法如微波和超聲波降解具有操作簡易，反應時間快的優(yōu)點，但是該法突出的缺點是獲得率低，且需要較高的能量和助力，增加生產的成本。

化學酸堿法法最大的優(yōu)點是水解完全，反應速率高，但是由于酸水解對反應設備腐蝕性大，同時產生的酸廢水，對環(huán)境污染嚴重。如果水解條件苛刻（高溫、高酸濃度），大部分的糖會被水解成其他產物，如糠醛、5-羥甲基糠醛和焦油，不利于糖產物的回收[5]，在pH14時，幾乎沒有葡萄糖產物降解纖維素，其可能是在強堿條件下葡萄糖被水解成其他產物了，這還需要進一步驗證。

纖維素酶降解方法的優(yōu)點是能源消耗低，是專一性很強的催化劑，但酶分子體積龐大，很難越過半纖維素和木質素的障礙，與纖維素緊密結合，所以進行該方法的反應時間長，且纖維素酶價格較貴，目前還不能應用于實踐。

產纖維素霉菌（如粗糙脈胞霉）降解方法的優(yōu)點是能源消耗小，儀器設備需求低，可常溫開展發(fā)酵，不僅可以獲得葡萄糖、乙醇等產物，而且還可以通過菌種基因改造產其他有益產物，如生物油、優(yōu)質蛋白等。可見其具有很好的應用和研究前景。

參考文獻

[1]楊林麗.纖維素降解菌篩選及混合菌種纖維素降解能力測定[D].楊凌：西北農林科技大學，2013.

[2]Masohiro N，Masahiro G，Hirofumi O，et al.L-Sorbose induces cellulase gene trasciption in the cellulolytic fungus Triboderm a reesei[J].Curr Genet，2001，38：329-334.

[3]張玲秀，溫雪梅，鄭小妹，張薇.降解玉米秸稈纖維素真菌的篩選及產油特性的研究[J].安徽農學通報，2012，18（17）：47-49.

[4]Rizzatti AcS，Jorge J A，Terenzi H F，et al.Purificationand properties of a themostable extracellular β-d-xylosidase produced by a thermotolerant Aspergillus phoenicis[J].Jorunal of Industrial Microbiology and Biotechnology，2001，26：156-160.

[5]袁麗，陳振華，劉選明.球磨結合稀酸真菌和超聲處理法降解木質纖維素的研究[D].長沙：湖南大學，2012：12-16.

（責編：張宏民）