堿聯(lián)合超高壓預(yù)處理對(duì)筍殼酶解效率的影響

王延云，胡強(qiáng)，龔衛(wèi)華，王燕，吳蔚

（1 樂山師范學(xué)院竹類病蟲防控與資源開發(fā)四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 樂山 614000；2 樂山師范學(xué)院生命科學(xué)學(xué)院，四川 樂山 614000；3 吉首大學(xué)杜仲綜合利用技術(shù)國家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，湖南 吉首 416000；4 樂山市產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)所，四川 樂山 614000）

筍殼是竹筍加工或成竹后脫落下來的副產(chǎn)品，占竹筍量的50%以上。目前對(duì)筍殼的利用主要是作為垃圾丟棄于環(huán)境中，或提取其中的二元醇和黃酮類物質(zhì)等活性物質(zhì)，但后者的利用率不高，因此對(duì)筍殼的綜合利用，提高其附加值是目前研究的重點(diǎn)問題。前期的研究表明，筍殼是纖維素、半纖維素等多糖類物質(zhì)含量豐富的木質(zhì)纖維資源，來源廣且可再生，是理想的生物乙醇制備的原料。但是由于組分中木質(zhì)素的存在，通過共價(jià)鍵和非共價(jià)鍵與纖維素和半纖維形成緊密的結(jié)構(gòu)，缺乏吸附酶和被微生物降解的能力，使得纖維素難以高效酶解。因此想要高效利用纖維素，對(duì)木質(zhì)纖維原料進(jìn)行預(yù)處理，是解除木質(zhì)素阻礙和提高酶解效率最關(guān)鍵的一步。

近年來，各種預(yù)處理方法得到了發(fā)展，包括生物、化學(xué)和物理方法，以及這些方法的組合。在生物預(yù)處理過程中，褐腐菌、白腐菌和軟腐菌等微生物被用來降解木質(zhì)素和半纖維素，但降解率通常很低且時(shí)間較長?；瘜W(xué)法主要是采用強(qiáng)酸和強(qiáng)堿預(yù)處理木質(zhì)纖維原料，有效破壞其致密結(jié)構(gòu)，增加酶與底物接觸機(jī)會(huì)，提高糖化效率，但是對(duì)設(shè)備有一定的腐蝕性。物理方法主要有蒸汽爆破、自水解、微波輔助等，物理手段通常與生物或者化學(xué)方法聯(lián)用，以達(dá)到更好破壞木質(zhì)素纖維素的結(jié)構(gòu)，降低纖維素結(jié)晶度的目的。

超高壓已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于食品、化工、醫(yī)藥等領(lǐng)域，通過有效破壞微生物的細(xì)胞壁和甲基纖維素的結(jié)構(gòu)，達(dá)到保鮮和殺菌的目的。近年來，超高壓技術(shù)被應(yīng)用于木質(zhì)纖維素的預(yù)處理，研究表明效果良好。Chen等發(fā)現(xiàn)超高壓預(yù)處理甘蔗渣能減小顆粒的尺寸，降低纖維素的結(jié)晶指數(shù)，增加可及的表面積，從而提高酶解甘蔗渣的效果。Jiang等采用NaOH聯(lián)合超高壓共同預(yù)處理竹子，研究發(fā)現(xiàn)在100MPa 的條件下，木質(zhì)素的含量大幅地降低，獲得95.1%的理論乙醇得率。在超高壓預(yù)處理割草、玉米芯、梓鋸末和松木屑過程中，發(fā)現(xiàn)能顯著提高割草和玉米芯酶解還原糖的量，但是對(duì)梓鋸末和松木屑預(yù)處理的效果不明顯，這可能和木質(zhì)纖維素的結(jié)構(gòu)有關(guān)。而有些研究發(fā)現(xiàn)，單獨(dú)超高壓處理對(duì)木質(zhì)素降解及含量的影響較小，對(duì)酶解的效果影響不明顯。因此，在本研究中探討單獨(dú)超高壓、聯(lián)合堿預(yù)處理及不同處理順序、單獨(dú)堿預(yù)處理四種不同預(yù)處理方法對(duì)筍殼酶解效率的影響，并首次報(bào)道了筍殼作為生物能源應(yīng)用的材料，系統(tǒng)研究不同預(yù)處理?xiàng)l件對(duì)樣品的化學(xué)組成、顆粒大小、晶體結(jié)構(gòu)、表面形貌以及酶解率的影響規(guī)律，以期為筍殼的高值化利用提供一個(gè)新的方向。

1 實(shí)驗(yàn)材料和方法

1.1 原料及試劑

1.1.1 原料

慈竹筍殼采集于四川省樂山市安谷鎮(zhèn)。首先將筍殼用蒸餾水洗凈，自然陰干，粉碎，過40目篩，60℃過夜烘干，然后采用索式抽提器抽提10h（循環(huán)5～6 次/h），提取液為乙醇/水（7∶3，體積比），抽提物60℃過夜烘干后，備用。

1.1.2 試劑

纖維素酶Ctec2，諾維信（中國）生物技術(shù)有限公司；木糖，葡萄糖，德國DrEhrenstorfer GmbH公司；氫氧化鈉、乙醇、鹽酸、硫酸、乙酸及乙酸鈉均為分析純。

1.2 預(yù)處理

1.2.1 單獨(dú)超高壓處理（UHP）

準(zhǔn)確稱取2g慈竹筍殼粉于包裝袋（尼龍+聚丙烯耐高溫復(fù)合材料，下同）中，加入20g/L NaOH溶液，料液比為1∶20，密封并采用超高壓處理，設(shè)置壓強(qiáng)為150～600MPa，溫度為室溫，時(shí)間為10min，超高壓處理結(jié)束后采用玻璃砂芯坩堝（G4）過濾，并用超純水多次洗滌至中性，收集固體樣品冷凍干燥后，備用。

1.2.2 單獨(dú)氫氧化鈉熱處理（AH）

準(zhǔn)確稱取2g 慈竹筍殼粉于玻璃耐壓管中，加入20g/L NaOH溶液，料液比為1∶20，在高壓滅菌鍋中以121℃條件下水解2h。水解結(jié)束后，自然冷卻水解液至室溫，采用玻璃砂芯坩堝（G4）過濾，并用超純水多次洗滌至中性，收集固體樣品冷凍干燥后，備用。

1.2.3 超高壓后氫氧化鈉熱處理（UHP+AT）

準(zhǔn)確稱取2g 慈竹筍殼于包裝袋中，加入20g/L NaOH 溶液，料液比為1∶20，密封并采用超高壓處理，設(shè)置壓強(qiáng)為150～600MPa，溫度為室溫，時(shí)間為10min，經(jīng)不同超高壓處理后的慈竹筍殼在高壓滅菌鍋中121℃水解2h，水解結(jié)束后，自然冷卻水解液至室溫，采用玻璃砂芯坩堝（G4）過濾，并用超純水多次洗滌至中性，收集固體樣品冷凍干燥后，備用。

1.2.4 氫氧化鈉加熱后超高壓處理（AT+UHP）

準(zhǔn)確稱取2g 慈竹筍殼于包裝袋中，加入20g/L NaOH 溶液，料液比為1∶20，高壓滅菌鍋中以121℃條件下水解2h。自然冷卻水解液至室溫后倒入包裝袋中，密封并采用超高壓處理，設(shè)置壓強(qiáng)為150～600MPa，溫度為室溫，時(shí)間為10min。超高壓處理結(jié)束后采用玻璃砂芯坩堝（G4）過濾，并用超純水多次洗滌至中性，收集固體樣品冷凍干燥后，備用。所有實(shí)驗(yàn)平行3組。

1.3 酶水解

稱取200mg 經(jīng)UHP、AH、UHP+AT、AT+UHP預(yù)處理樣品于10mL離心管中，加入37μL纖維素酶Ctec2（30 酶活單位/mL），用乙酸鈉-乙酸緩沖溶液補(bǔ)齊至整個(gè)酶解體系總體積為5mL，在酶解液中加入0.02%NaN，以防止細(xì)菌感染。將離心管放置在震蕩培養(yǎng)箱中，50℃、160r/min、酶解48h。取0.5mL 酶解液，沸水浴10min 以滅活酶活性，取出后冷卻至室溫，離心（6000r/min，5min），上清液經(jīng)0.45μm 濾膜過濾，備用。用于測定還原糖的含量。

1.4 組分測定

木質(zhì)纖維素的組分根據(jù)美國可再生能源實(shí)驗(yàn)室（NREL）所推薦的方法測定。

1.5 表征方法

1.5.1 掃描電鏡（SEM）分析

用碳導(dǎo)電膠帶粘取1.2 節(jié)預(yù)處理后的凍干樣品（粉末），置于離子濺射儀（GVC-2000，北京格微科技有限公司）中，對(duì)樣品表面進(jìn)行噴金處理，然后采用掃描電鏡（S-3000N，日本日立儀器有限公司），加速電壓為3.0kV 下，攝取不同放大倍數(shù)（10000倍和50000倍）的照片。

1.5.2 結(jié)晶度（CrI）分析

采用X射線衍射儀（D8 Advance X，德國布魯克公司）測定條件為輻射源Cu K；管壓40kV，管流40mA；2掃描范圍10°～90°，掃描速度6°/min，步長0.02°，樣品的結(jié)晶指數(shù)按照文獻(xiàn)[27]計(jì)算。

1.5.3 紅外光譜（FTIR）分析

采用傅里葉紅外光譜儀（Perkin Elmer 2000，美國鉑金埃爾默股份公司）KBr壓片法，樣品均勻分散于KBr 中，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%。掃描波數(shù)范圍4000～400cm，掃描次數(shù)設(shè)為32次，分辨率4cm。

1.5.4 比表面積和孔結(jié)構(gòu)測定

參考文獻(xiàn)[28]方法，采用低溫氮?dú)馕锢砦絻x（ASAP2020，美國麥克儀器有限公司），進(jìn)樣前將樣品置于特制密封樣品盒中，以5mmHg/s 的抽氣速率60℃真空脫氣12h。儀器自動(dòng)進(jìn)樣后，得到樣品的N吸附脫附等溫線曲線和孔徑分布，用BET方程計(jì)算比表面積，用-Plot方法測定微孔體積。

1.6 還原糖的測定

采用二硝基水楊酸（DNS）法測定水解液中的還原糖。取樣品水解液用蒸餾水稀釋10 倍后取0.1mL于10mL比色管中，加入1.4mL DNS試劑并混合均勻，沸水浴5min 后迅速冷卻至室溫，加入6.5mL 蒸餾水搖勻。取200μL 于酶標(biāo)板（Spectra-Max190，美國分子儀器公司）中，540nm測定光密度值（OD），以葡萄糖含量為橫坐標(biāo)，光密度值為縱坐標(biāo)繪制葡萄糖溶液標(biāo)準(zhǔn)曲線。根據(jù)葡萄糖標(biāo)準(zhǔn)曲線計(jì)算樣品中還原糖的產(chǎn)量。按式(1)計(jì)算筍殼中酶水解后的還原糖產(chǎn)率。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 預(yù)處理對(duì)筍殼化學(xué)組分的影響

未處理和不同預(yù)處理方法對(duì)慈竹筍殼化學(xué)組分的變化見表1。不同預(yù)處理的筍殼與未處理的原料相比，都表現(xiàn)出一定的脫木質(zhì)素的效果。但是單獨(dú)超高壓脫木質(zhì)素的效果不明顯，在不同壓力條件下，脫木質(zhì)素的效果無明顯差異，高靜等單獨(dú)超高壓處理水稻秸稈后木質(zhì)素的脫除率僅為10.9%，說明單獨(dú)超高壓對(duì)木質(zhì)素脫除的影響比較小。而單獨(dú)AH、AT+UHP 和UHP+AT 三種預(yù)處理結(jié)果是木質(zhì)素含量顯著減少，纖維素的含量則明顯增多。由表1可以看出，超高壓聯(lián)合堿加熱其纖維素的含量相較未處理樣品都顯著增加，而脫木質(zhì)素效果AT+UHP 處理方式作用更明顯，這與后面的酶解效率有一定的相關(guān)性。對(duì)比分析不同壓力條件對(duì)木質(zhì)纖維的影響發(fā)現(xiàn)，在壓強(qiáng)為600MPa 時(shí)，對(duì)木質(zhì)素的脫除效果為最差，這可能是因?yàn)閴簭?qiáng)過大反而影響木質(zhì)素的溶解。

表1 預(yù)處理前后筍殼的化學(xué)組分分析

2.2 掃描電鏡分析

通過掃描電鏡可以觀察筍殼預(yù)處理前后表面微觀形態(tài)的變化，壓強(qiáng)設(shè)置為450MPa。由圖1所示，在1000倍和50000倍條件下，未處理和處理的筍殼樣品的表面發(fā)生了較大的改變。未處理的樣品結(jié)構(gòu)緊密，微觀表面相對(duì)平滑，這種天然的結(jié)構(gòu)是抵抗外界微生物或酶攻擊的有力屏障，可以阻止纖維素酶進(jìn)入筍殼內(nèi)部，降低酶的可及性。因此直接酶解效率很低，與后面筍殼原料酶水解效率低的結(jié)果一致。經(jīng)過單獨(dú)超高壓處理（450MPa）處理，原料的完整形態(tài)被破壞，表面形成不規(guī)則的片狀，這說明在超高壓處理下，筍殼原料被強(qiáng)大的外力作用，在擠壓過程中結(jié)構(gòu)受到破壞。單獨(dú)堿處理和堿聯(lián)合超高壓預(yù)處理后，筍殼樣品表面變得更松散、雜亂無序，呈現(xiàn)為極度粗糙和高度不規(guī)則的形態(tài)，結(jié)構(gòu)嚴(yán)重被破壞，結(jié)構(gòu)的改變主要是由大量木質(zhì)素和部分半纖維素移除，以及預(yù)處理過程中纖維呈現(xiàn)不同程度的碎化，纖維之間的結(jié)合變得松弛引起的。與徐紹華等采用高溫?zé)崴A(yù)處理后原料結(jié)構(gòu)的改變較為相似，基本都呈現(xiàn)出結(jié)構(gòu)松散，改善后續(xù)纖維素酶的可及性，提高酶解效率。

圖1 預(yù)處理前后筍殼樣品的掃描電鏡圖

2.3 結(jié)晶度分析

由圖2可以看出，未處理和預(yù)處理后的筍殼的X衍射譜圖比較相似，每個(gè)樣品在2=22.4°和18.2°各有一個(gè)主要峰和次要峰，與纖維素Ⅰ的特征衍射峰位置一致，說明預(yù)處理的樣品與未處理樣品的微晶結(jié)構(gòu)未發(fā)生改變，都是纖維素Ⅰ型晶體結(jié)構(gòu)。但從圖2可以發(fā)現(xiàn)，不同樣品的結(jié)晶指數(shù)發(fā)生了改變。未處理筍殼原料的結(jié)晶度指數(shù)為53.3%，而單獨(dú)超高壓處理后樣品的結(jié)晶度指數(shù)下降為51.2%，說明超高壓對(duì)破壞木質(zhì)纖維素的微晶結(jié)構(gòu)有一定的作用。與高靜等采用超高壓處理水稻秸稈的結(jié)果一致，在單獨(dú)超高壓處理下，水稻秸稈的結(jié)晶度指數(shù)由54.9%下降到51.2%。而單獨(dú)堿處理和堿聯(lián)合超高壓處理，筍殼樣品的結(jié)晶度指數(shù)都呈現(xiàn)不同程度升高，主要?dú)w因于脫除筍殼中的無定形、非纖維素物質(zhì)，如半纖維素和木質(zhì)素。然而Mansikkam?ki等發(fā)現(xiàn)較高的堿濃度（7%～8%）加強(qiáng)了纖維素在堿溶液中的溶解性，從纖維素Ⅰ變?yōu)槔w維素Ⅱ，結(jié)晶度降低。

圖2 預(yù)處理前后筍殼樣品晶體結(jié)構(gòu)的變化

2.4 紅外光譜分析

紅外光譜分析用來檢測預(yù)處理前后竹筍殼結(jié)構(gòu)的變化，由圖3所示，預(yù)處理后筍殼的特征峰強(qiáng)度有所變化，說明預(yù)處理后慈竹筍殼的結(jié)構(gòu)發(fā)生了不同程度的改變。1734cm對(duì)應(yīng)的是半纖維素乙?；纳炜s振動(dòng)，1600cm和1508cm處的吸收峰對(duì)應(yīng)的是木質(zhì)素芳環(huán)的特征峰，經(jīng)堿加熱處理和堿與超高壓聯(lián)合處理后，與未處理樣品相比，該對(duì)應(yīng)的三個(gè)峰減弱明顯，說明半纖維素和木質(zhì)素在預(yù)處理中發(fā)生了降解，與后面成分分析的結(jié)果一致，而單獨(dú)超高壓處理峰形改變不明顯，說明超高壓對(duì)半纖維素木質(zhì)素的降解效果不明顯。在纖維素的無定形區(qū)，β-1,4-糖苷鍵中C—O—C 伸縮振動(dòng)在898cm處的有特征吸收峰，在所有的紅外譜圖中均有所體現(xiàn)，但譜線AH、UHP+AT、AT+UHP 中此峰的強(qiáng)度加強(qiáng)，說明經(jīng)過經(jīng)過單獨(dú)堿和堿聯(lián)合超高壓處理，樣品中的纖維素含量增加，與前面成分分析結(jié)果一致。

圖3 預(yù)處理前后筍殼樣品紅外光譜圖

2.5 比表面積和孔結(jié)構(gòu)分析

由表2可以看出，未處理的樣品比表面積及孔體積都較小，其比表面積為0.821m2/g，孔體積為0.003cm3/g，說明慈竹筍殼結(jié)構(gòu)本身致密，纖維素酶很難進(jìn)入筍殼結(jié)構(gòu)內(nèi)部和纖維素形成有效的接觸，酶解效率低。另外，無論采用哪種預(yù)處理方法，預(yù)處理后樣品的比表面積及孔體積都變大，說明經(jīng)過預(yù)處理后樣品的基質(zhì)結(jié)構(gòu)都被不同程度地破壞，引起比表面積以孔體積增加，纖維素酶和纖維素接觸反應(yīng)機(jī)會(huì)增多，酶解效率增加。與未處理樣品相比，單獨(dú)NaOH熱處理后樣品的表面積和孔體積增大，比表面積為1.385m2/g，孔體積為0.006cm3/g，表明NaOH 預(yù)處理可以脫除部分的半纖維素，半纖維素的移除導(dǎo)致的樣品結(jié)構(gòu)松動(dòng)，樣品表面出現(xiàn)多孔且有碎片剝離出來（可從圖1中得到證實(shí)），酶進(jìn)入內(nèi)部的通道增多，比表面積和孔體積增加，酶解效率增加。UHP 預(yù)處理后，樣品的表面積和孔體積有所增大，分別為0.892m2/g 和0.004cm3/g，樣品表面孔數(shù)量增多、表面形貌變得不規(guī)則（圖1）。UHP+AT和AT+UHP預(yù)處理后，樣品比表面積和孔體積增加得更多，在AT+UHP條件下達(dá)到最大，比表面積為2.590m2/g，孔體積為0.010cm3/g，原因是木質(zhì)素和部分半纖維素的脫出，木質(zhì)素是細(xì)胞壁支撐結(jié)構(gòu)，木質(zhì)素的移除可以導(dǎo)致細(xì)胞壁坍塌，再加上部分半纖維素的移除，樣品表面孔數(shù)量增多、表面形貌變得不規(guī)則（圖1），因此經(jīng)預(yù)處理后樣品的比表面積和孔體積增大。但AT+UHPE 預(yù)處理后，更多的纖維素暴露出來（圖1），酶解效率最高。

表2 預(yù)處理前后筍殼樣品比表面積和孔體積

2.6 酶水解效率

綜上所述，堿聯(lián)合超高壓預(yù)處理是一種對(duì)木質(zhì)纖維素生物質(zhì)的有效預(yù)處理方法。木質(zhì)素含量、結(jié)晶度、比表面積、粒徑等影響酶解效率。表3 對(duì)比分析了未處理、單獨(dú)堿處理、單獨(dú)超高壓預(yù)處理、AT+UHP 和UHP+AT 預(yù)處理4 種方法對(duì)筍殼纖維素的酶解效率，并進(jìn)一步對(duì)比分析了不同壓力條件對(duì)酶解效率的影響。在纖維素酶水解48h后，未處理樣品的酶解效率僅為13.51%，單獨(dú)堿處理和單獨(dú)超高壓預(yù)處理的樣品酶解效率均有所提高，分別為75.35%和49.13%～53.74%。單獨(dú)堿處理筍殼的酶解效率與Jiang 等單獨(dú)堿處理竹筍和兩年生竹樣品的結(jié)果相似，因?yàn)閴A處理在一定程度上會(huì)降低木質(zhì)素的含量，破壞筍殼原料的完整性，使結(jié)構(gòu)松散、多孔，從而提高酶解效率。而單獨(dú)超高壓處理對(duì)木質(zhì)素降解的效率比較低，與Yang 等的研究結(jié)果一致，但是超高壓會(huì)破壞木質(zhì)纖維原料的完整結(jié)構(gòu)，使其表面呈現(xiàn)出不規(guī)則碎片，降低纖維素的結(jié)晶性，都能在一定程度上增加纖維素酶對(duì)底物的可及性。

由表3 可以看出，無論是AT+UHP 還是UHP+AT預(yù)處理，都能很大程度上提高樣品的酶解效率，明顯高于單獨(dú)堿處理和單獨(dú)超高壓處理。AT+UHP在450MPa的條件下酶解效率高達(dá)97.89%，與Jiang等等聯(lián)合處理竹筍和兩年生竹子的酶解效率相似。而UHP+AT 預(yù)處理在450MPa 的條件下酶解效率為96.94%，說明堿和超高壓處理先后順序?qū)γ附庑实挠绊懖幻黠@。也進(jìn)一步說明堿和超高壓聯(lián)合預(yù)處理是一種高效的預(yù)處理方法，顯著提高樣品的酶解效率。

不同壓力對(duì)酶解效率的影響可由表3看出，隨著壓強(qiáng)的增加，不同預(yù)處理樣品的酶解效率在不斷提高。但是當(dāng)壓強(qiáng)超過450MPa 以后，進(jìn)一步增加壓強(qiáng)反而會(huì)讓樣品的酶解效率呈現(xiàn)稍微下降，原因可能是當(dāng)壓強(qiáng)達(dá)到450MPa 以后，木質(zhì)纖維素結(jié)構(gòu)的改變已經(jīng)達(dá)到極限，隨后外界壓強(qiáng)的增加反而會(huì)稍微覆蓋前面已經(jīng)形成的多孔結(jié)構(gòu)，從而導(dǎo)致酶解效率有一定程度的下降。

表3 未處理和預(yù)處理后筍殼樣品酶解效率

3 結(jié)論

采用UHP、AH、UHP+AT 和AT+UHP 四種方法預(yù)處理后的樣品，與未處理的筍殼原料相比，酶解效率均有大幅度提高。采用UHP （150MPa、300MPa、450MPa 和600MPa）預(yù)處理樣品時(shí)，壓力的變化會(huì)影響樣品的酶解效率；UHP 預(yù)處理樣品的酶解效率（49.13%～53.74%）均低于AH 預(yù)處理樣品的酶解效率（75.35%）。UHP（450MPa）+AT 和AT+UHP（450MPa）預(yù)處理樣品，在50℃酶解48h 的條件下，其酶解效率分別可達(dá)96.94%和97.89%，說明堿加熱和超高壓處理順序?qū)γ附庑视绊懖幻黠@，但堿聯(lián)合超高壓處理能顯著提高酶解效率，主要是因?yàn)樵陬A(yù)處理過程中降低了樣品中的木質(zhì)素和半纖維的含量，碎化纖維之間的連接，破壞樣品表面的微觀結(jié)構(gòu)，使其結(jié)構(gòu)松散、粗糙和多孔，提高纖維酶和底物的可及率，從而提高酶解效率。另外，堿聯(lián)合超高壓預(yù)處理樣品時(shí)，洗脫濾液可進(jìn)一步通過調(diào)節(jié)pH、濃縮、沉淀等步驟，分離、利用堿溶性半纖維素、木質(zhì)素和回收堿液。通過本研究，期望堿聯(lián)合超高壓預(yù)處理可以成為一種潛在的生物質(zhì)預(yù)處理方法。