不同處理方法對白酒丟糟降解組分與結(jié)構(gòu)的影響

張習(xí)超 林宜錦 歐夢瑩 陳克保 焦士蓉 關(guān)統(tǒng)偉 張家旭 趙小林 李智強

摘要? ? 為了探究不同處理對白酒丟糟降解組分、結(jié)構(gòu)的影響，采用化學(xué)組（H2SO4、NaOH和H2O2）、物理組（微波和超聲波）和生物組（綠色木霉、黃孢原毛平革菌和米曲霉）處理白酒丟糟。結(jié)果表明，化學(xué)處理使半纖維素含量減少，其中30% H2SO4處理將全部半纖維素去除，而纖維素含量持續(xù)增加;微波處理使木質(zhì)素含量降低，纖維素含量先上升后下降;黃孢原毛平革菌處理使木質(zhì)素含量從27.71%降至15.27%，而綠色木霉和米曲霉處理持續(xù)增加?；瘜W(xué)和微波處理丟糟的最高比表面積在32.13～36.85 m2/g之間變化。隨著溶劑濃度增加，化學(xué)處理后丟糟纖維結(jié)晶度持續(xù)增加，在25% H2SO4、25% NaOH和10% H2O2處理時趨于平穩(wěn);超聲波處理使丟糟纖維結(jié)晶度從27.52%降至23.45%，而微波處理則升至37.03%;綠色木霉和米曲霉處理使丟糟纖維結(jié)晶度先增加后降低，黃孢原毛平革菌處理表現(xiàn)為持續(xù)增加。綜上所述，化學(xué)預(yù)處理對白酒丟糟的降解在化學(xué)組分和比表面積方面表現(xiàn)較好，但持續(xù)增加的纖維結(jié)晶度可能對丟糟利用不利，單獨使用超聲波處理效果不佳，更適宜于作為一種輔助手段處理白酒丟糟。

關(guān)鍵詞? ? 白酒丟糟;化學(xué)組成;比表面積;纖維結(jié)晶度

中圖分類號? ? TS262.3? ? ? ? 文獻標識碼? ? A? ? ? ? 文章編號? ?1007-5739（2019）11-0219-04

白酒丟糟是以高粱、小麥、玉米、谷物等為原料經(jīng)過固態(tài)發(fā)酵、蒸餾提取酒精后的殘留物。據(jù)統(tǒng)計，我國白酒釀造行業(yè)每年產(chǎn)生約2 500萬t白酒丟糟[1]。白酒丟糟水分含量高、酸度高、有機物豐富，不及時處理極易腐敗變質(zhì)，在造成資源浪費的同時也對生態(tài)環(huán)境造成了污染[2]。丟糟可用于飼料生產(chǎn)和纖維素轉(zhuǎn)化乙醇[3]，但飼料成品要求木質(zhì)纖維素含量低于12%，而白酒丟糟木質(zhì)纖維素含量高于60%，不利于飼料生產(chǎn);在纖維素轉(zhuǎn)化乙醇方面，國內(nèi)外集中于秸稈的研究，對白酒丟糟的降解轉(zhuǎn)化研究少;限制白酒丟糟利用的主要原因是，木質(zhì)纖維素是由植物細胞形成的復(fù)合體，主要由聚合碳水化合物（纖維素和半纖維素）和纏繞在一起的芳香族聚合物木質(zhì)素組成，具有復(fù)雜的結(jié)構(gòu)[4]，木質(zhì)纖維素的復(fù)雜層次和頑固性質(zhì)致使丟糟的轉(zhuǎn)化過程中受到極大阻礙。本試驗研究了化學(xué)、物理和生物預(yù)處理對白酒丟糟組分和物理性狀的影響，以期為白酒丟糟生物質(zhì)的循環(huán)利用提供參考。

1? ? 材料與方法

1.1? ? 試驗材料與儀器

試驗材料：白酒丟糟（成都蜀之源酒業(yè)有限公司提供），烘干后過20目篩備用;黃孢原毛平革菌和綠色木霉（購自CGMCC）;米曲霉（西華大學(xué)食品與生物工程學(xué)院提供）。

試驗儀器：JP 0205型超聲波清洗儀（深圳潔盟清洗設(shè)備公司），P70D20TL-D4型微波爐（廣東格蘭仕微波生活電器制造公司），WFJ 7200型可見分光光度計（上海尤尼柯儀器公司），OSB-2200型水浴鍋（上海愛郞儀器公司），RAY-RAN型密度梯度儀（上海昂然實業(yè)公司）。

1.2? ? 試驗方法

1.2.1? ? 化學(xué)處理。在分別含有5%、10%、15%、20%、25%、30% H2SO4 100 mL的錐形瓶中加入5 g干燥白酒丟糟樣品;在分別含有5%、10%、15%、20%、25%、30% NaOH 100 mL的錐形瓶中加入5 g干燥白酒丟糟樣品;在分別含有2%、4%、6%、8%、10%、12% H2O2 100 mL的錐形瓶中加入5 g干燥白酒丟糟樣品，均進行40 ℃水浴加熱處理6 h。

1.2.2? ? 物理處理。將6份分別含有5 g白酒丟糟按照料水比1∶25（g/mL）混勻進行20、40、60、80、100、120 min超聲波處理;再選取6份同樣的樣品分別進行1、3、5、7、9、11 min微波處理。

1.2.3? ? 生物處理。將綠色木霉、黃孢原毛平革菌和米曲霉進行活化，配置成3×108 cfu/mL菌懸液，采用7%（mL/g）接種量，加入到濕度65%的丟糟中并混勻，在37 ℃下分別培養(yǎng)2、4、6、8、10 d。

1.2.4? ? 組合處理。化學(xué)組中選擇25% NaOH處理，物理組選擇超聲波處理120 min，生物組選擇綠色木霉生長8 d，形成先化學(xué)后生物（HS）、先物理后生物（WS）、先物理和化學(xué)后生物（HWS）3種組合處理方式。生物處理前將殘渣和水解液調(diào)至中性，然后將其進行混合并干燥至濕度65%，再次進行生物處理。以上處理重復(fù)3次，結(jié)果取平均值。

1.3? ? 測定方法

將經(jīng)過化學(xué)、物理和生物處理的丟糟，冷卻至室溫進行過濾，采用去離子水洗滌固體殘渣以達到pH值7，在烘箱中進行70 ℃干燥并進一步分析化學(xué)組成、比表面積和纖維結(jié)晶度?；瘜W(xué)組分中纖維素、半纖維素、木質(zhì)素和NDF（中性洗滌纖維）測定參照范式法[5]，比表面積測定參照亞甲基藍測定法[6]，纖維結(jié)晶度測定采用密度梯度法[7]，蛋白質(zhì)的測定采用凱氏定氮法。

1.4? ? 數(shù)據(jù)處理

所得數(shù)據(jù)采用SPSS 13.0及Excel軟件進行統(tǒng)計分析和圖表制作。采用最小顯著法（LSD）檢驗試驗數(shù)據(jù)的差異顯著性水平（P<0.05）。

2? ? 結(jié)果與分析

2.1? ? 不同處理對白酒丟糟組分的影響

2.1.1? ? 化學(xué)處理。由表1可知，隨著溶劑濃度的增加，3組處理中纖維素含量均呈上升的趨勢，以12% H2O2處理最高（69.43%）;半纖維素含量逐漸下降，其中30% H2SO4處理將其全部降解;木質(zhì)素降解方面，隨著處理濃度的增加，木質(zhì)素含量從27.71%上升至39.51%，NaOH和H2O2處理下木質(zhì)素含量持續(xù)下降;最高處理濃度下，H2SO4、NaOH和H2O2處理將丟糟NDF分別降至36.01%、30.05%和32.04%。

酸預(yù)處理隨機破壞糖苷鍵，去除半纖維素，同時增加生物質(zhì)的纖維素含量[8]。3組處理中，H2SO4處理對半纖維素的降解優(yōu)于NaOH和H2O2，但是30% H2SO4處理導(dǎo)致纖維素含量下降，說明極端酸處理下會加速纖維素的降解，H2SO4預(yù)處理過程木質(zhì)素比例持續(xù)上升，究其原因是半纖維素的降低致使木質(zhì)素比例升高。

隨著溶劑濃度升高，NaOH較H2O2去除更多木質(zhì)素，30% NaOH處理丟糟木質(zhì)素含量最低，為11.84%。在使用纖維素酶分解木質(zhì)纖維素時，木質(zhì)素不僅在物理上限制了纖維素酶對纖維素的可接近性，而且還通過其功能基團（例如木質(zhì)素酚羥基）進行非生物性地結(jié)合纖維素酶，從而降低酶的水解效率，木質(zhì)素的減少將使纖維素酶解能力增強[9]。由于NaOH處理具有高保留纖維素和較好去除木質(zhì)素的能力，以化學(xué)處理作為生物發(fā)酵提供能量來源方面看，NaOH較H2O2和H2SO4處理更具優(yōu)勢。

2.1.2? ? 物理處理。由表2可知，隨著處理時間的增加，超聲波處理使纖維素含量從丟糟原料47.11%增至59.15%，半纖維素含量從21.42%降至18.46%，木質(zhì)素含量從27.71%降至19.21%。微波處理則出現(xiàn)不同的結(jié)果，處理1～7 min，纖維素含量升至64.25%，半纖維素降至14.32%;處理7～11 min，纖維素降至58.15%，半纖維素升至15.08%，木質(zhì)素含量則持續(xù)降低至17.41%。

微波處理白酒丟糟纖維素含量先增加后減少，而半纖維素含量變化則相反，說明微波處理時間過長對纖維素的保留不利，而對半纖維素含量的提升有積極作用。超聲波和微波處理后木質(zhì)素含量均呈持續(xù)降低的趨勢，但微波處理木質(zhì)素較超聲波處理更具優(yōu)勢，因為在更短的處理時間內(nèi)實現(xiàn)了大量木質(zhì)素的去除，在兩者最長處理時間范圍內(nèi)，微波處理后剩余52.03% NDF，而超聲波處理剩余58.02% NDF。微波通過將電磁能直接轉(zhuǎn)換成熱量，在分子水平上引發(fā)熱量，能量在整個體系中通過膨脹和碎裂作用破壞木質(zhì)纖維素結(jié)構(gòu)[10]。因此，微波處理對丟糟的總體降解作用優(yōu)于超聲波。

將超聲波與氨相結(jié)合預(yù)處理甘蔗渣，纖維素回收率為95.78%，木質(zhì)素去除58.14%，而單一超聲波處理則對纖維素和木質(zhì)素含量影響小[11];通過超聲輔助鉀錳酸鹽預(yù)處理咖啡殘渣，纖維素回收率為98%，木質(zhì)素去除46%，而單一超聲波處理效果不佳[12]，說明超聲波預(yù)處理更適為一種輔助手段去降解木質(zhì)纖維素，單一處理不適于木質(zhì)纖維素的預(yù)處理。

2.1.3? ? 生物處理。由表3可知，隨著處理時間的增加，黃孢原毛平革菌處理使木質(zhì)素含量降至最低（15.27%），而綠色木霉和米曲霉處理分別增至30.48%和36.75%。半纖維素方面，黃孢原毛平革菌和米曲霉處理均分別降至17.22%和15.54%，綠色木霉處理后6 d升至25.24%，然后第10天降至20.64%。米曲霉和綠色木霉處理對纖維素含量的影響表現(xiàn)一致，分別降至39.02%和39.22%，黃孢原毛平革菌處理在第6天降至45.68%，而到第10天時增至49.12%。

生物處理組中，綠色木霉和米曲霉處理組分的木質(zhì)素比例持續(xù)升高，而黃孢原毛平革菌則明顯相反，這是因為米曲霉和綠色木霉生長過程中缺少木質(zhì)素分解酶系。3種組分中無定形區(qū)域可以更容易被酶水解，從而綠色木霉和米曲霉優(yōu)先攻擊無定形的非結(jié)晶纖維素和半纖維素，通過菌絲延伸，穿透木質(zhì)纖維素?zé)o定形區(qū)域并進行水解，導(dǎo)致整體半纖維素比例降低。綠色木霉處理丟糟木質(zhì)素的含量僅增加了2.77%，較米曲霉（9.04%）低得多，說明綠色木霉對木質(zhì)素的分解能力比米曲霉強。

2.2? ? 不同處理對丟糟比表面積的影響

2.2.1? ? 化學(xué)處理。由圖1可知，在低濃度下（5% H2SO4和5% NaOH），比表面積有一個緩慢增加的過程，但2% H2O2處理由丟糟原料10.82%降低至10.01%，隨后，3組處理隨著溶劑濃度增加比表面積持續(xù)增加。25% H2SO4處理比表面積在3組中達到最高（38.48%），而后出現(xiàn)急劇下降。10%～15% NaOH處理的比表面積呈緩慢增加的過程后，25% NaOH處理時快速增加至36.77%，而30% NaOH處理時僅增加0.08%。低濃度（5% H2SO4、5% NaOH、2% H2O2）化學(xué)處理對白酒丟糟比表面積影響較小，隨著濃度增加3種處理整體比表面積上升。由于化學(xué)處理優(yōu)先攻擊木質(zhì)纖維素的非定形區(qū)域，致使表面破裂多孔，但25% H2SO4處理時比表面積出現(xiàn)急劇下降，過大H2SO4處理導(dǎo)致不定形半纖維素的急劇分解，從而比表面積出現(xiàn)下降，這點由表1中25% H2SO4處理時半纖維素比例急劇降低可得到驗證。通過H2O2預(yù)處理過程去除非纖維素組分導(dǎo)致形成更粗糙的表面和更好的微纖維暴露，這增強了纖維素的可接近性[13]，證實H2O2處理可增加物料的比表面積。早期研究已經(jīng)證實，在NaOH水解木質(zhì)纖維素過程中去除大量半纖維素，其原理是堿溶液滲透到纖維細胞壁結(jié)構(gòu)中使纖維溶脹，隨著濃度增大將半纖維素溶解在細胞壁結(jié)構(gòu)內(nèi)，隨后將溶解的半纖維素擴散到NaOH溶液中[14]，從而隨著HaOH濃度的變化比表面積出現(xiàn)了從增加到減小的變化趨勢，使用NaOH預(yù)處理秸稈可得到同樣的效果[15]。

2.2.2? ? 物理處理。由圖2可知，隨著處理時間的增加，微波處理使丟糟比表面積增至35.13%，超聲波處理使比表面積增至17.82%。超聲波和微波處理丟糟后比表面積都隨時間的增加而增加，在設(shè)定的時間范圍內(nèi)，超聲波處理對白酒丟糟比表面積的影響明顯弱于微波處理，原因是超聲振動能量太低而只能較小改變原料生物質(zhì)顆粒的表面結(jié)構(gòu)[16]。分析可知，超聲波處理白酒丟糟比表面積的僅增加7%，而微波處理增加了22.4%，說明超聲波相對微波處理對物料比表面積的影響不大。微波處理耗時少和降解性能好的特性是超聲波處理無法比擬的。在半纖維素降解中發(fā)現(xiàn)，超聲波和微波能量的組合提供了內(nèi)部加熱生物質(zhì)的更有效方法，可快速水解半纖維素[17]，因而將超聲波和微波進行結(jié)合處理可能是一個較好的方法。

2.2.3? ? 生物處理。由圖3可知，整個生長過程3種微生物處理比表面積均呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢，在前4 d綠色木霉和米曲霉處理使比表面積從原料10.80%分別降低至8.44%和7.73%，而后在第10天分別增加到17.1%和12.99%。黃孢原毛平革菌在第6天降至8.49%，從第6天開始持續(xù)增加。在前期下降過程中，米曲霉和綠色木霉在前4 d、黃孢原毛平革菌在前6 d對白酒丟糟比表面積的影響表現(xiàn)為持續(xù)下降。通過試驗觀察發(fā)現(xiàn)，在前4 d黃孢原毛平革菌生長情況明顯弱于另外2種菌，說明黃孢原毛平革菌對環(huán)境的適應(yīng)需要更長時間，從而對木質(zhì)纖維素的降解較慢。后期白酒丟糟比表面積均呈現(xiàn)上升趨勢，由于前期對木質(zhì)纖維素的降解，供給了菌體的生長所需能量，產(chǎn)生更多的降解酶破壞木質(zhì)纖維素表面，從而比表面積上升。米曲霉和綠色木霉處理的白酒丟糟在第8天時對比表面積的影響趨于緩和，不同的是，黃孢原毛平革菌處理第6天后的白酒丟糟比表面積持續(xù)上升。由于黃孢原毛平革菌具有強大的木質(zhì)素分解能力，在適當條件下，菌絲優(yōu)先用其超細纖維素酶溶解材料的蠟質(zhì)表面，然后菌絲進入內(nèi)部，分泌酶系降解木質(zhì)素和纖維素[18]，黃孢原毛平革菌對木質(zhì)素的持續(xù)降解，造成白酒丟糟表面坍塌，從而能提供持續(xù)增加的比表面積。

2.3? ? 不同處理對纖維結(jié)晶度的影響

2.3.1? ? 化學(xué)處理。纖維結(jié)晶度（木質(zhì)纖維素生物質(zhì)中結(jié)晶纖維素的比例）是木質(zhì)纖維素處理后廣泛測量的參數(shù)之一，與木質(zhì)纖維素的生物轉(zhuǎn)化有關(guān)[19]。由圖4可知，隨著處理溶劑濃度增加纖維結(jié)晶度持續(xù)增加，12% H2O2處理使纖維結(jié)晶度從原料27.52%增加至最高（46.32%）。H2O2處理對丟糟的纖維結(jié)晶度增加較H2SO4和NaOH快速，10% H2O2處理時纖維結(jié)晶度趨于穩(wěn)定，H2SO4和NaOH處理同在濃度25%時纖維結(jié)晶度達到穩(wěn)定。結(jié)果表明，高濃度化學(xué)處理丟糟時不會導(dǎo)致纖維結(jié)晶度持續(xù)增加，處理過程中纖維素的結(jié)晶區(qū)域不易受到破壞，因而纖維結(jié)晶度呈先增加后穩(wěn)定的趨勢。

2.3.2? ? 物理處理。由圖5可知，超聲波處理白酒丟糟隨著時間增加纖維結(jié)晶度緩慢降低，微波處理則明顯相反。11 min微波處理使纖維結(jié)晶度升至37.03%，而超聲波處理纖維結(jié)晶度則降至23.45%。超聲波可以打開纖維素的結(jié)晶區(qū)域，同時分解木質(zhì)素，改善纖維素的可接近性和化學(xué)反應(yīng)性，但它對纖維素結(jié)構(gòu)的破壞是有限的[20]。超聲波處理對丟糟纖維結(jié)晶度只有較小的變化，而微波處理對纖維結(jié)晶度影響較大。表2表明，微波較超聲波處理能降解更多的不定形半纖維素和木質(zhì)素組分，從而增加纖維結(jié)晶度。

2.3.3? ? 生物處理。由圖6可知，綠色木霉處理在第6天使丟糟纖維結(jié)晶度升至36.58%，第10天降至33.12%。米曲霉處理在第8天升至37.89%，第10天降至34.22%。黃孢原毛平革菌處理在第6天增至37.33%，第10天緩慢增至39.72%。3種微生物處理在前4 d纖維結(jié)晶度有一個快速增加的過程，因為3種微生物能產(chǎn)生纖維素酶，破壞易分解的非結(jié)晶區(qū)域，從而產(chǎn)生了逐漸增高的纖維結(jié)晶度。綠色木霉和米曲霉后期纖維結(jié)晶度呈現(xiàn)下降趨勢，可能是米曲霉在第8天和綠色木霉在第6天所產(chǎn)生的纖維素酶對白酒丟糟的纖維結(jié)晶區(qū)域開始攻擊，導(dǎo)致纖維結(jié)晶度開始下降。黃孢原毛平革菌處理較綠色木霉和米曲霉不同的是，它能產(chǎn)生豐富的木質(zhì)素分解酶系，具有較強的木質(zhì)素分解能力，黃孢原毛平革菌在后期生長中產(chǎn)生了大量木質(zhì)素酶系，而木質(zhì)素屬于無定形區(qū)域，對木質(zhì)素的急劇分解，使黃孢原毛平革菌處理產(chǎn)生了持續(xù)增加的纖維結(jié)晶度。

2.4? ? 組合處理對蛋白質(zhì)含量的影響

超聲波輔助綠色木霉處理WS使丟糟NDF降至44.01%，較單獨超聲波（58.02%）和綠色木霉處理S（54.02%）下降明顯，但是WS處理在組合處理中蛋白質(zhì)含量最少，可能是超聲波處理產(chǎn)生了不利于綠色木霉生長的化學(xué)物質(zhì)。在3組處理中，物理、化學(xué)和生物的綜合處理產(chǎn)生了最大的蛋白質(zhì)含量和最低的NDF，對白酒丟糟的轉(zhuǎn)化效果最好，由此說明物理結(jié)合化學(xué)處理后進行生物降解的重要性，三者的復(fù)合處理極大增加了丟糟的可利用程度，因為復(fù)合處理能破壞更多的木質(zhì)纖維素中的復(fù)雜化學(xué)鍵[21]，從而為生物發(fā)酵提供較多可利用的纖維素和半纖維素能量來源，產(chǎn)生大量的菌體蛋白。

3? ? 結(jié)論

本試驗采用化學(xué)、物理和生物處理白酒丟糟，比較不同處理方法對白酒丟糟降解組分、結(jié)構(gòu)的影響，為白酒丟糟資源化利用提供參考。結(jié)果表明，化學(xué)處理對丟糟NDF的降解是物理和生物方式所不能比擬的，其中30% NaOH處理使丟糟NDF從原料67.02%降至最低（30.05%）?；瘜W(xué)處理產(chǎn)生了持續(xù)增加的比表面積，為微生物生長提供了可靠的附著點;先化學(xué)后生物處理的組合方式中，其蛋白質(zhì)含量顯著高于單獨生物處理，說明化學(xué)處理降解丟糟NDF產(chǎn)生了更多可供微生物直接利用的化學(xué)物質(zhì)。超聲波處理120 min時，NDF含量僅降低了9%，同時丟糟比表面積僅增加7.02%，超聲波處理對丟糟的整體影響較小，更適宜作為一種輔助手段處理丟糟。利用綠色木霉生產(chǎn)蛋白質(zhì)的組合處理中，先物理、化學(xué)處理后生物處理的方式產(chǎn)生了最高的蛋白質(zhì)含量，說明生物處理生產(chǎn)菌體蛋白前的物理、化學(xué)處理十分重要。

4? ? 參考文獻

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基金項目? ?成都市科技惠民項目（2016-HM01-00289-SF）;成都市產(chǎn)學(xué)研聯(lián)合實驗室資助項目（2015-YF04-00052-JH）;廢棄物生物有機肥開發(fā)項目（16205224）。

*通信作者

收稿日期? ?2019-02-18