不同預處理對猴頭菇菌渣及水稻秸稈水解性能的影響

任桂英　張凱　董毛村　王冰　雷云輝

摘要 以猴頭菇菌渣和水稻秸稈為原料，以纖維素酶和表面活性劑為水解劑，研究了添加水解劑對還原糖含量、CMC酶活性、底物回收率等的影響。結果表明，添加表面活性劑的纖維素酶降解秸稈纖維素產(chǎn)糖的效率高于未添加表面活性劑的降解產(chǎn)糖效率， 纖維素酶降解試驗底物回收率大小順序為TU2>TU1>CK>HOU2>HOU1;猴頭菇菌渣降解率遠遠高于堿處理水稻秸稈，在酶解試驗中產(chǎn)糖量大小順序為HOU2>TU2>TU1>CK>HOU1。菌渣中酶和加入的酶液共同降解底物產(chǎn)糖效率高于其他組，在酶解試驗中酶活性大小順序為HOU1>TU2>TU1>HOU2>CK。纖維素酶降解純菌渣CMC酶活性最高。

關鍵詞 猴頭菇菌渣;水稻秸稈;纖維素酶;表面活性劑;水解

中圖分類號 X 712文獻標識碼 A

文章編號 0517-6611（2020）16-0198-03

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2020.16.056

Effects of Different Pre-treatments on Hydrolysis of Hericium erinaceus Residue and Rice Straw

REN Gui-ying1， ZHANG Kai2， DONG Mao-cun2 et al

（1.Chongqing Academy of Agricultural Sciences， Chongqing 401329;2.Agricultural Waste Recycling Technology and Equipment R&D Chongqing Key Laboratory， Chongqing 401329）

Abstract In this study， we used Hericium erinaceous residue and rice straw as raw materials， used cellulase and surfactant as hydrolyzers， the effects of adding hydrolyzers on reducing sugar， CMC enzyme activity and substrate recovery rate were studied.The results showed that the sugar-producing efficiency of cellulase with adding surfactant was higher than that without surfactant in the degradation of straw cellulose.The order of substrate recovery rate in cellulase degradation experiment was TU2 >TU1>CK>HOU2 > HOU1.The degradation rate of H.erinaceus residue was much higher than that of alkali-treated rice straw.In the enzymolysis experiment， the order of sugar production was HOU2> TU2>TU1>CK>HOU1.The sugar-producing efficiency of common degradation substrate of enzyme in the bacterial residue and the added enzyme solution was higher than that of other groups.In the enzymatic hydrolysis experiment， the enzyme activity order was HOU1> TU2> TU1> HOU2>CK.CMC enzyme activity of pure bacterial residue degraded by cellulase was the highest.

Key words Hericium erinaceus residue;Rice straw;Cellulase;Surfactant;Hydrolysis

基金項目 農(nóng)業(yè)部農(nóng)村可再生能源開發(fā)利用重點實驗室開放課題基金資助項目（2018014）;重慶市技術創(chuàng)新與應用示范項目（cstc2018jscx-zdyfxmX0009）;重慶市人力資源和社會保障局2019年留創(chuàng)計劃創(chuàng)新類項目（cx2019057）。

作者簡介 任桂英（1971—），女，重慶人，正高級工程師，從事農(nóng)業(yè)機械研究與固體廢棄物處理工作。*通信作者，研究員，碩士，從事沼氣工程產(chǎn)品設計和控制系統(tǒng)開發(fā)。

收稿日期 2019-12-30

食用菌因含高蛋白、低脂肪、低能量且富含礦物元素和維生素等，已成為人們?nèi)粘Ｊ巢?。我國是食用菌生產(chǎn)大國，但隨著食用菌產(chǎn)業(yè)的日益發(fā)展，食用菌菌渣產(chǎn)量逐漸提升，即食用菌栽培收獲后剩下的培養(yǎng)基廢料[1]。我國是食用菌生產(chǎn)大國，食用菌產(chǎn)量占世界總產(chǎn)量的70%以上[2]，若菌渣不能妥善處理，容易造成環(huán)境污染和能源浪費[3-8]。近年來，食用菌菌渣作為一種新能源被廣泛重視，其循環(huán)再利用研究成為農(nóng)業(yè)、環(huán)保等學科研究的重點課題，其利用方式也逐步多樣化，如菌渣厭氧發(fā)酵制取沼氣、好氧發(fā)酵生產(chǎn)有機肥等[9]。此外，我國也是水稻種植大國，水稻秸稈的產(chǎn)量約占我國秸稈總量的33%[10]。秸稈的再利用方式多樣化，如直接還田、厭氧產(chǎn)沼氣、青貯飼料等，但因秸稈組分和結構的特殊性，導致其在厭氧發(fā)酵過程中的發(fā)酵效率受到嚴重制約。在厭氧發(fā)酵過程中，有機物首先被水解酸化，為加快菌渣和秸稈的水解速率，需要通過一定的預處理手段。筆者以猴頭菇菌渣和水稻秸稈為研究對象，對比研究了和氏璧酶（纖維素酶的一種）和表面活性劑吐溫80對其水解性能的影響。

1 材料與方法

1.1 試驗材料 水稻秸稈、猴頭菇菌渣、表面活性劑吐溫80、和氏璧酶粉。

1.2 儀器 pH計、純水儀、電子天平、電子爐、恒溫振蕩箱、恒溫水浴鍋、冷凍離心機、紫外可見光分光光度計。

1.3 試驗方法

1.3.1 預試驗。水稻秸稈采自重慶市白市驛鎮(zhèn)九里村皇田，采集后用清水洗凈，自然風干后，將其剪短至3～5 cm，經(jīng)粉碎機粉碎，過40目篩備用。用2%稀氫氧化鈉，固液比1∶15（mg/mL），室溫浸泡48 h。水稻秸稈經(jīng)2%氫氧化鈉堿性溶液預處理后，破壞秸稈內(nèi)部組織結構使生物酶更大程度地降解。猴頭菇菌渣樣取自于璧山區(qū)菌菇養(yǎng)殖場，風干后經(jīng)研缽過40目篩備用。

1.3.2 酶液制備。

和氏璧酶（纖維素酶的一種）粉經(jīng)研磨后稱取1.000 g溶于pH 4.8的醋酸-醋酸鈉緩沖溶液中并定容至25 mL，充分攪拌后過濾，取濾液置于4 ℃冰箱中保存?zhèn)溆谩?/p>

1.3.3 纖維素酶配合表面活性劑的水解試驗。①對照組（CK）：稱取0.5 g 堿預處理秸稈原料，加入1 mL纖維素酶液，用pH 4.8的醋酸-醋酸鈉緩沖溶液定容至25 mL。30 ℃恒溫振蕩，分別水解0、24、48、72 h，測定還原糖含量、纖維素酶活和pH。②表面活性劑處理試驗1組（TU1）：稱取0.5 g堿預處理秸稈原料，加入1 mL纖維素酶液，用pH 4.8 的醋酸-醋酸鈉緩沖溶液定容至25 mL。秸稈及表面活性劑按1∶0.05（m/m）加入;30 ℃恒溫振蕩，分別水解0、24、48、72 h，測定還原糖含量、纖維素酶活和pH。③表面活性劑處理試驗2組（TU2）：稱取0.5 g堿預處理秸稈原料，加入1 mL纖維素酶液，用pH 4.8的醋酸-醋酸鈉緩沖溶液定容至25 mL。秸稈及表面活性劑按1∶0.5（m/m）加入;30 ℃恒溫振蕩，分別水解0、24、48、72 h，測定還原糖含量、纖維素酶活和pH。④猴頭菇菌渣水解試驗1組（HOU1）：稱取0.5 g猴頭菇原料，加入1 mL纖維素酶液，用pH 4.8的醋酸-醋酸鈉緩沖溶液定容至25 mL;30 ℃恒溫振蕩，分別水解0、24、48、72 h，測定還原糖含量、纖維素酶活和pH。⑤猴頭菇菌渣水解試驗2組（HOU2）：稱取0.5 g堿預處理水稻秸稈原料，加入1 mL纖維素酶液，用pH 4.8的醋酸-醋酸鈉緩沖溶液定容至25 mL。秸稈及猴頭菇按1∶0.5（m/m）加入。30 ℃恒溫振蕩，分別水解0、24、48、72 h，測定還原糖含量、纖維素酶活和pH。水解試驗參數(shù)設置具體見表1。

2 結果與分析

2.1 水稻秸稈酶解產(chǎn)糖量的變化 纖維素酶降解水稻秸稈過程中產(chǎn)糖量隨時間的變化見圖1。從圖1可以看出，在反應初始階段還原糖含量明顯增加，隨著降解過程反應的進行，24 h后酶解液中的還原糖含量呈現(xiàn)明顯上升趨勢。HOU2酶解液中還原糖含量在72 h時高達42.7 mg/mL。其次，TU2纖維素酶降解堿處理秸稈加吐溫80酶解液中還原糖含量高于其他對照組。添加表面活性劑提高了纖維素轉(zhuǎn)化率，這與Da Costa Nogueira等[11]對綠色椰殼進行稀堿預處理并添加3%（m/m）吐溫80的研究結果相一致。在酶解試驗中各處理產(chǎn)糖量從高到低依次為HOU2、TU2、TU1、CK、HOU1。

2.2 酶解過程中CMC酶活性的變化

纖維素酶降解水稻秸稈過程中CMC酶活性的變化見圖2。從圖2可以看出，降解反應各組酶解液中初始CMC酶活性最高。隨著時間的延長，CMC酶活性逐漸降低，48 h CMC酶活性達到最低。隨著降解試驗的進行，各處理CMC酶活性開始逐漸增大。HOU1處理CMC酶活性變化量較CK、TU1、TU2、HOU2處理小。在酶解試驗中，各處理CMC酶活性從大到小依次為HOU1、TU2、TU1、HOU2、CK。

2.3 酶降解過程中pH的變化

纖維素酶降解水稻秸稈過程中pH的變化見圖3。從圖3可以看出，在反應初始階段pH明顯升高，隨著降解過程反應的進行，24 h時對照組（CK）酶解液pH升高最快，48 h后酶解液中的pH升至4.83左右，趨于穩(wěn)定。TU2處理pH達到最大值（4.83）。纖維素酶降解堿處理秸稈TU2酶解液中pH與初始值變化最大。各處理酶解液中pH大小順序為TU2>CK=TU1=HOU2>HOU1。

2.4 秸稈及菌渣的降解與回收

以堿處理水稻秸稈、猴頭菇菌渣作為底物，纖維素酶降解試驗底物回收率見圖4。從圖4可以看出，纖維素酶加高濃度表面活性劑底物秸稈回收率最高，達85.02%;纖維素酶降解猴頭菇菌渣底物菌渣回收率僅為59.2%。各處理纖維素酶降解試驗底物回收率從高到低依次為TU2、TU1、CK、HOU2、HOU1。

3 結論

筆者研究了在恒溫（30 ℃）下纖維素酶添加表面活性劑降解堿預處理水稻秸稈及猴頭菇菌渣為底物的產(chǎn)糖及酶活性試驗，對酶解液中還原糖含量、CMC酶活性、pH、底物回收率進行了初步測定。結果表明，隨著降解反應的進行，還原糖含量先增加后趨于穩(wěn)定，CMC酶活性先降低后逐漸增加，pH增加并趨于穩(wěn)定;添加表面活性劑降解試驗的底物回收率最高;纖維素酶降解秸稈纖維是一個產(chǎn)糖的過程，并且環(huán)境pH較為穩(wěn)定。

（1）隨著反應的進行，各處理反應酶解液還原糖逐漸增大，猴頭菇菌渣CMC初始酶活性高于其他組，說明食用菌菌渣中含有分解纖維的酶。由于加入表面活性劑酶活性要比對照組低，說明吐溫80表面活性劑對纖維素酶有較好的吸附作用。當酶解液中還原糖濃度達到一定濃度后對CMC酶活性產(chǎn)生一定的抑制作用，進而影響秸稈纖維降解的速度。

（2）纖維素酶降解底物纖維產(chǎn)物對環(huán)境pH的影響不大。

（3）添加表面活性劑的纖維素酶降解水稻秸稈纖維素產(chǎn)糖效率高于未添加表面活性劑的降解產(chǎn)糖效率;各處理纖維素酶降解試驗底物回收率從大到小依次為TU2、TU1、CK、HOU2、HOU1。猴頭菇菌渣降解率遠遠高于堿處理水稻秸稈降解率，在酶解試驗中產(chǎn)糖量從高到低依次為HOU2、TU2、TU1、CK、HOU1。菌渣中含有的酶與試驗加入的酶液具有協(xié)同作用，共同降解底物產(chǎn)糖效率高于其他組。在酶解試驗中酶活性從高到低依次為HOU1、TU2、TU1、HOU2、CK，纖維素酶降解純菌渣其CMC酶活性最高。

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