超聲輔助有機(jī)酸預(yù)處理玉米芯制取生物乙醇的工藝優(yōu)化

于德涵, 朱穎怡, 黎 莉, 武海玲

(綏化學(xué)院 食品與制藥工程學(xué)院, 黑龍江 綏化 152061)

0 引言

【研究意義】能源是推動(dòng)世界各國社會(huì)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基礎(chǔ)動(dòng)力,尤其是在石油緊缺現(xiàn)狀下能源問題已成為影響世界安全穩(wěn)定的重要因素。燃料乙醇是現(xiàn)階段廣泛使用的生物質(zhì)燃料,普遍添加于多種石油制品中。利用微生物將木質(zhì)纖維素中的纖維素成分分解成單糖或寡糖用于發(fā)酵被認(rèn)為是燃料乙醇最經(jīng)濟(jì)、最環(huán)保的生產(chǎn)方式。我國是世界第二大玉米種植和生產(chǎn)國,每年玉米加工會(huì)產(chǎn)生超過7 000萬t的玉米芯,這些玉米芯大多數(shù)被當(dāng)作廢棄物丟棄或者燃燒,利用率不足年產(chǎn)量的20%[1]。玉米芯是典型的木質(zhì)纖維素原料,其能量密度較玉米秸稈和柳枝稷更高,能達(dá)到5 000 kJ/m3[2],在燃料乙醇生產(chǎn)方面更具優(yōu)勢。利用玉米芯發(fā)酵生產(chǎn)乙醇,不僅能夠緩解我國的能源壓力,還能減少因玉米芯的不當(dāng)處理造成的環(huán)境污染,大幅提高玉米芯的附加值?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】玉米芯中纖維素被半纖維素和木質(zhì)素緊密包裹和覆蓋,導(dǎo)致纖維素酶可及性差[3],纖維素的糖轉(zhuǎn)化率低,這成為制約利用玉米芯發(fā)酵生產(chǎn)燃料乙醇的技術(shù)瓶頸。打破瓶頸的關(guān)鍵是采用一些方法對(duì)玉米芯預(yù)先進(jìn)行處理,消除纖維素表面的物理或化學(xué)屏障,使微生物產(chǎn)生的纖維素酶能夠和底物結(jié)合,水解糖化后進(jìn)行發(fā)酵[4]。目前,對(duì)木質(zhì)纖維素預(yù)處理的方法主要有使用硫酸或硝酸酸處理法、使用氫氧化鈉溶液的堿處理法和物理法。酸、堿處理法對(duì)設(shè)備的耐腐蝕要求高,且強(qiáng)酸、強(qiáng)堿對(duì)環(huán)境污染嚴(yán)重,環(huán)境治理成本高;物理法即蒸汽爆破法,此法需要專用設(shè)備且能量消耗大,不利于擴(kuò)大生產(chǎn)?！狙芯壳腥朦c(diǎn)】有機(jī)酸是目前較受歡迎的用于預(yù)處理木質(zhì)纖維素的試劑。有機(jī)酸法既不需要蒸汽爆破法高能耗的大型機(jī)械設(shè)備,更沒有像采用強(qiáng)酸、強(qiáng)堿預(yù)處理時(shí)對(duì)設(shè)備高耐腐蝕性的要求,對(duì)環(huán)境相對(duì)友好,也不會(huì)在預(yù)處理后產(chǎn)生對(duì)后續(xù)發(fā)酵有抑制作用的化合物[5-6]。目前,超聲輔助有機(jī)酸預(yù)處理玉米芯木質(zhì)纖維素的研究鮮見報(bào)道?！緮M解決的關(guān)鍵問題】選擇酸性相對(duì)較低的檸檬酸輔以超聲對(duì)玉米芯進(jìn)行預(yù)處理,并采用酶和微生物共同分解的方式發(fā)酵生產(chǎn)乙醇,以期開發(fā)出一種處理效果好、乙醇產(chǎn)量高的玉米芯預(yù)處理工藝,為玉米芯的綜合應(yīng)用和燃料乙醇產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

玉米芯(先玉335),采自黑龍江省綏化市北林區(qū);纖維素酶(食品級(jí)),河南俊一生物科技有限公司提供;釀酒酵母(干),由綏化學(xué)院發(fā)酵實(shí)驗(yàn)室保藏;其他試劑皆為國產(chǎn)分析純。

UV-759型分光光度計(jì),上海精密科學(xué)儀器有限公司;JY92-IIDN型超聲波儀,寧波新芝生物科技股份有限公司;FW100型粉碎機(jī),天津市泰斯特儀器有限公司;HH-M6型恒溫水浴鍋,江蘇春蘭科學(xué)儀器有限公司;PHSJ-5型酸度計(jì),上海儀電科學(xué)儀器股份有限公司;TDL-60B型臺(tái)式離心機(jī),上海安亭科學(xué)儀器廠;LS-50HD型數(shù)顯立式滅菌器,山東博科控股集團(tuán)有限公司;SX2-1-12TP型馬弗爐,上海卓的儀器設(shè)備有限公司。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 玉米芯前處理 將清洗干凈的玉米芯烘干,粉碎過40目篩,粉末干燥至恒重,密封保存?zhèn)溆谩?/p>

1.2.2 玉米芯纖維素、半纖維素和木質(zhì)素含量測定 稱取1.0 g玉米芯粉末與50 mL蒸餾水混勻,在沸水浴中保溫30 min,抽濾去濾液,濾渣用丙酮清洗后再用蒸餾水清洗;濾渣加入50 mL 2 mol/L鹽酸溶液沸水浴中保溫40 min后抽濾,濾液測半纖維素質(zhì)量;濾渣用蒸餾水洗滌至pH 7.0左右,加入5 mL濃度為72%的硫酸溶液于25 ℃水解3 h,加水45 mL混勻后抽濾,濾液測纖維素質(zhì)量[7-8];殘?jiān)?0 ℃烘干后稱重記為W,再用馬弗爐于550 ℃灰化后測定殘余灰分質(zhì)量W1,測定木質(zhì)素質(zhì)量。

C1=(m葡萄糖×0.9/m樣品×1 000)×100%

C2=(m木糖×0.88/m樣品×1 000)×100%

C3=(W-W1)/m樣品×100%

式中,C1為纖維素比率(%),C2為半纖維素比率(%),C3為木質(zhì)素比率(%),m葡萄糖為標(biāo)準(zhǔn)曲線法測得葡萄糖含量(mg),m木糖為標(biāo)準(zhǔn)曲線法測得木糖含量(mg),m樣品為樣品質(zhì)量(g),0.9為葡萄糖轉(zhuǎn)化為纖維素的轉(zhuǎn)化系數(shù),0.88為木糖轉(zhuǎn)化為半纖維素的轉(zhuǎn)化系數(shù),下同。

1.2.3 超聲輔助有機(jī)酸預(yù)處理 稱取1.0 g玉米芯粉末于50 mL三角瓶中與10 mL濃度為5%檸檬酸溶液混合均勻,超聲處理(60 ℃、200 W、20 min)后,1 000 r/min離心10 min,上清液測木糖含量,計(jì)算半纖維素脫除率;沉淀用蒸餾水沖洗2次,加入一定量pH 4.8緩沖液和纖維素酶于50 ℃水解24 h,測定葡萄糖含量,計(jì)算纖維素還原糖轉(zhuǎn)化率。

R半纖維素=(m1木糖×0.88/m樣品×1 000)×100%

T=(m1葡萄糖×0.9/m樣品×1 000)×100%

式中,R半纖維素為半纖維脫除率(%),T為纖維素還原糖轉(zhuǎn)化率(%),m1木糖為上清液中木糖質(zhì)量(mg),m1葡萄糖為酶解液中葡萄糖質(zhì)量(mg)。

1.2.4 預(yù)處理?xiàng)l件單因素試驗(yàn) 以檸檬酸濃度(1%、2%、5%、10%和15%)、液料比(10∶1、15∶1、20∶1、25∶1和30∶1,液料單位為mL/g)、超聲功率(100 W、200 W、300 W、400 W和500 W)、超聲溫度(50 ℃、60 ℃、70 ℃、80 ℃和90 ℃)和超聲處理時(shí)間(5 min、10 min、20 min、30 min和40 min)為試驗(yàn)因子開展單因素試驗(yàn),考察各因子的適宜水平。進(jìn)行單一因素的不同水平試驗(yàn)時(shí),其他因素水平和操作同1.2.3。

1.2.5 預(yù)處理工藝優(yōu)化 根據(jù)1.2.4試驗(yàn)結(jié)果及其顯著性分析,以還原糖轉(zhuǎn)化率為響應(yīng)值(Y),選擇合適的響應(yīng)因素和水平進(jìn)行Box-Behnken設(shè)計(jì),采用響應(yīng)面分析確定最佳預(yù)處理工藝。具體響應(yīng)因素和水平見表1。

表1 Box-Behnken試驗(yàn)因素設(shè)計(jì)與編碼

1.2.6 酶解操作優(yōu)化 1.0 g玉米芯粉末經(jīng)最優(yōu)預(yù)處理?xiàng)l件處理后,取沉淀物加入一定量的纖維素酶(10 FPU/g、20 FPU/g、30 FPU/g、40 FPU/g和50 FPU/g)和20 mL、pH 4.8的緩沖液,于50 ℃水解72 h,中途于不同時(shí)間取樣8次,分別測定水解液中還原糖含量。纖維素酶活測定參照GHOSE[9]的方法。

1.2.7 不同發(fā)酵方式對(duì)乙醇產(chǎn)量的影響試驗(yàn)

1) 酵母活化。將干酵母和2%麥芽糖溶液以1∶20比例加入碘量瓶中混勻,在37 ℃水浴中保溫30 min。此溶液用于發(fā)酵接種,接種量為5%,接種前搖勻。

2) 分步發(fā)酵。10.0 g玉米芯經(jīng)預(yù)處理和酶解后,上清液中加入1 g蛋白胨,高溫滅菌(108 ℃、15 min),接種后于30 ℃、150 r/min振蕩發(fā)酵,測定發(fā)酵液中乙醇含量。

3) 半同步發(fā)酵。10.0 g玉米芯經(jīng)預(yù)處理后加入1 g蛋白胨,高溫滅菌后用無菌Ca(OH)2溶液調(diào)pH 4.8,加纖維素酶于50 ℃水解4 h,接種,發(fā)酵操作同上。

4) 同步發(fā)酵。10.0 g玉米芯經(jīng)預(yù)處理后加入1 g蛋白胨,高溫滅菌后調(diào)溶液pH 4.8,接入纖維素酶和酵母液,發(fā)酵操作同上。

上述每種發(fā)酵方式單次試驗(yàn)4個(gè)平行同時(shí)進(jìn)行,從發(fā)酵60 h起,每間隔12 h測定1個(gè)發(fā)酵瓶中乙醇含量,并計(jì)算乙醇得率。乙醇含量測定參考徐繡艷等[10]的方法。

Y乙醇=(D乙醇×V/m樣品×C1×1.11×0.51)×100%

式中,Y乙醇為乙醇產(chǎn)率(%),D乙醇為乙醇質(zhì)量濃度(g/L),V為發(fā)酵液體積(L),C1為纖維素比率(%),1.11為纖維素轉(zhuǎn)化為葡萄糖的轉(zhuǎn)化系數(shù),0.51為乙醇轉(zhuǎn)化為葡萄糖的轉(zhuǎn)化系數(shù)。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS 16.0和Microsoft office excel 2016進(jìn)行單因素試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理,Design expert 8.0.6進(jìn)行響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)與分析。所有試驗(yàn)數(shù)據(jù)均取3次重復(fù)的平均值。

2 結(jié)果與分析

2.1 玉米芯主要成分

由圖1可知,玉米芯3種主要組成成分中,纖維素占比最高,達(dá)37.55%;其次是半纖維素,占29.03%;木質(zhì)素含量最低,占26.10%;另外玉米芯中還含有4.36%的灰分和2.96%的其他物質(zhì)。

圖 1 玉米芯主要成分比例

2.2 玉米芯預(yù)處理各因素適宜水平的選擇

通過半纖維素脫除率和纖維素糖轉(zhuǎn)化率評(píng)價(jià)各因素不同水平對(duì)玉米芯預(yù)處理的效果(圖2)。

2.2.1 檸檬酸濃度 檸檬酸濃度在1%～10%范圍內(nèi),半纖維素脫除率和纖維素糖轉(zhuǎn)化率隨檸檬酸濃度升高而升高,在檸檬酸濃度達(dá)10%時(shí),二者均達(dá)最高值,但與檸檬酸濃度5%時(shí)相比無顯著提升;檸檬酸酸濃度15%時(shí)纖維素糖轉(zhuǎn)化率小幅度降低。這是因?yàn)殡S酸濃度增加,半纖維素的酸水解作用加強(qiáng),木質(zhì)素、半纖維素和纖維素之間的化學(xué)鍵在酸作用下斷裂,破壞木質(zhì)纖維素結(jié)構(gòu)[11],有助于纖維素酶與纖維素接觸,從而提升還原糖轉(zhuǎn)化率;但酸濃度過高,少部分纖維素在預(yù)處理時(shí)分解,導(dǎo)致后續(xù)酶解時(shí)還原糖量減少。另外,檸檬酸濃度大,成本較高,且不利于后續(xù)對(duì)檸檬酸的回收或轉(zhuǎn)化。因此,玉米芯預(yù)處理選擇5%作為檸檬酸適宜濃度。

2.2.2 液料比 在低液料比[(10∶1)～(20∶1)]條件下,半纖維素脫除率和纖維素還原糖轉(zhuǎn)化率隨液料比增加而升高,當(dāng)液料比為20∶1時(shí),半纖維素脫除率最高,達(dá)29.22%;繼續(xù)提高液料比,半纖維素脫除率無顯著變化;纖維素還原糖轉(zhuǎn)化率也在液料比20∶1時(shí)達(dá)最大值,但此值相較于液料比15∶1處理其纖維素還原糖轉(zhuǎn)化率無顯著差異。雖然較高液料比的預(yù)處理有助于半纖維素分解后生成的木糖、寡聚木糖等成分溶解,使內(nèi)部的纖維素成分暴露出來易于酶解,液料比達(dá)15∶1時(shí),半纖維素即使還有部分未水解,但水解部分已經(jīng)能給纖維素酶和纖維素的結(jié)合提供足夠的通道和位置[12],此時(shí)纖維素能充分酶解,糖轉(zhuǎn)化率高;液料比繼續(xù)增大糖轉(zhuǎn)化率無顯著提升。因此,結(jié)合半纖維素脫除率和纖維素還原糖轉(zhuǎn)化率,選擇20∶1作為最佳液料比。

注:同一指標(biāo)不同字母表示差異顯著(P<0.05)。

2.2.3 超聲功率 超聲波主要利用空化效應(yīng)和熱效應(yīng)作用于木質(zhì)纖維素,其不但能促進(jìn)半纖維素的水解,還能使木質(zhì)素分子間的結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,暴露出被覆蓋的纖維素,增強(qiáng)酶與纖維素的接觸和作用;另外,超聲對(duì)維持纖維素內(nèi)結(jié)晶結(jié)構(gòu)的化學(xué)鍵產(chǎn)生破壞作用,使纖維素結(jié)構(gòu)松散,更易于其在內(nèi)部結(jié)合纖維素酶,促進(jìn)酶解效果[13]。半纖維素脫除率和纖維素還原糖轉(zhuǎn)化率隨超聲功率的增大呈先升后趨平穩(wěn)再緩降趨勢,均在功率為400 W時(shí)達(dá)到峰值。這是由于低超聲功率時(shí),其超聲作用不強(qiáng);增強(qiáng)超聲功率后,對(duì)木質(zhì)纖維素的破壞能力隨之加強(qiáng),故酶解糖轉(zhuǎn)化率提升;當(dāng)超聲功率進(jìn)一步增強(qiáng)時(shí)(超過400 W),體系中因出現(xiàn)更多空化泡而產(chǎn)生消能作用[14],使超聲對(duì)木質(zhì)纖維素的破壞減弱,更高超聲功率還會(huì)導(dǎo)致纖維素在預(yù)處理階段發(fā)生一定程度的酸水解,進(jìn)一步降低還原糖的轉(zhuǎn)化率。綜合分析認(rèn)為,400 W為最佳預(yù)處理超聲功率。

2.2.4 超聲溫度 在預(yù)處理溫度范圍內(nèi)(50～90 ℃)時(shí),玉米芯半纖維素脫除率隨溫度升高而提高,90 ℃處理顯著高于除80 ℃外的其他處理,80 ℃與70 ℃處理差異不顯著,與50 ℃、60 ℃處理的差異顯著。纖維素糖轉(zhuǎn)化率在70 ℃達(dá)最高值,且顯著高于50 ℃、60 ℃處理,而與80 ℃、90 ℃處理差異不顯著。溫度對(duì)于檸檬酸溶液在超聲環(huán)境下處理玉米芯有積極作用,高溫更有助于半纖維素成分酸水解[15],提高預(yù)處理效果,所以纖維素的糖轉(zhuǎn)化率隨溫度升高而升高;但當(dāng)溫度過高時(shí),暴露出的纖維素水解風(fēng)險(xiǎn)增加,故導(dǎo)致最后糖轉(zhuǎn)化率有下降趨勢。綜合分析認(rèn)為,預(yù)處理溫度選擇70℃最宜。

2.2.5 超聲時(shí)間 纖維素還原糖轉(zhuǎn)化率隨超聲作用時(shí)間延長先顯著上升,超過30 min后又顯著下降。超聲作用時(shí)間短時(shí)(5～20 min),半纖維素水解不充分,超聲能量對(duì)木質(zhì)纖維素的破壞作用不強(qiáng),所以酶的可及性差,纖維素的還原糖轉(zhuǎn)化率低,其變化趨勢和半纖維素的脫除率趨勢基本相同;隨著超聲時(shí)間的延長(20～30 min),空化效應(yīng)隨著能量的累積逐漸增強(qiáng)[16],預(yù)處理效果也隨之加強(qiáng),但是纖維素隨著超聲作用時(shí)間的延長會(huì)增加被酸水解的風(fēng)險(xiǎn),所以超聲處理時(shí)間超過30 min后,纖維素酶水解后還原糖得率會(huì)下降。綜上,超聲預(yù)處理時(shí)間選擇30 min最有利。

2.3 玉米芯預(yù)處理?xiàng)l件優(yōu)化

2.3.1 回歸模型建立與顯著性檢驗(yàn) 為保證模型最佳點(diǎn)的穩(wěn)定性,依據(jù)Box-Behnken設(shè)計(jì)包含有5個(gè)中心點(diǎn)的總計(jì)17組試驗(yàn),設(shè)計(jì)及結(jié)果見表2。對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行二次多項(xiàng)式回歸擬合,得回歸方程Y=36.60-0.44A+2.22B+1.32C-1.65AB+0.44AC-0.38BC-1.45A2-2.81B2-1.48C2。方差分析結(jié)果(表3)可知,回歸模型P<0.000 1,表明該模型可靠程度高;R2=0.980 8,校正系數(shù)R2Adj=0.956 2,失擬項(xiàng)P=0.758 9>0.05(不顯著),表明模型誤差小,擬合度高,試驗(yàn)誤差對(duì)結(jié)果影響較小,擬合值與試驗(yàn)結(jié)果高度相關(guān)。模型的變異系數(shù)(CV)為1.73%,信噪比(精密度值,Adeq Precision)為18.33,表明模型的試驗(yàn)精度高、可靠性好,模型能真實(shí)地反映試驗(yàn)結(jié)果。在各考察因素中,對(duì)還原糖得率影響最大的是B因素(超聲溫度),其次為C因素(超聲時(shí)間),超聲溫度和超聲時(shí)間對(duì)水解后還原糖得率影響達(dá)顯著或極顯著水平;影響最小的是A因素(超聲功率)。

表2 Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)不同因素水平組合玉米芯的還原糖轉(zhuǎn)化率

表3 回歸模型的方差分析與顯著性檢驗(yàn)

2.3.2 數(shù)學(xué)模型及響應(yīng)面分析 由圖3可見,在超聲功率(A)、超聲溫度(B)、超聲時(shí)間(C)3個(gè)因素中任意2個(gè)因素交互作用時(shí),還原糖轉(zhuǎn)化率皆隨某一因素的增加呈先升后降趨勢。影響還原糖得率的各交互作用因素中,AB(P=0.000 8)交互作用最強(qiáng),而BC(P=0.238 8)最弱。

圖3 不同因素交互作用處理玉米芯的還原糖轉(zhuǎn)化率

2.3.3 最優(yōu)預(yù)處理?xiàng)l件驗(yàn)證 利用Design Expert 8.0.6對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化得到最佳預(yù)處理工藝:超聲功率362.11 W、超聲溫度74.84 ℃、超聲時(shí)間33.29 min,還原糖得率理論預(yù)計(jì)值為37.43%。在驗(yàn)證試驗(yàn)中,考慮操作的可實(shí)現(xiàn)性,將玉米芯預(yù)處理操作工藝參數(shù)調(diào)整為5%檸檬酸與玉米芯粉末以20∶1(mL/g)比例混勻,在功率360 W、溫度75 ℃條件下超聲處理33 min后酶水解,最終還原糖得率實(shí)際平均值為36.71%,與軟件模擬預(yù)測值誤差為1.9%,實(shí)際與模型優(yōu)化符合良好,證實(shí)優(yōu)化條件有效、可靠。

2.4 玉米芯預(yù)處理酶解條件優(yōu)化

在纖維素酶不同用量處理?xiàng)l件下,以玉米芯還原糖轉(zhuǎn)化率達(dá)最大值的酶解時(shí)間為依據(jù),判斷不同酶用量的酶解效果。從圖4看出,當(dāng)纖維素酶用量為10 FPU/g時(shí),因酶用量少,需要72 h才能完成水解,提高酶用量后,水解完成時(shí)間會(huì)縮短;當(dāng)酶用量達(dá)到30 FPU/g,36 h即基本完成水解,再增加酶用量,不會(huì)進(jìn)一步縮短酶解時(shí)間,所以酶解時(shí)纖維素酶的最佳用量為30 FPU/g。

圖4 不同酶用量及酶解時(shí)間處理玉米芯的還原糖轉(zhuǎn)化率

2.5 不同發(fā)酵方式處理玉米芯的乙醇產(chǎn)率

由圖5可知,分步和半同步2種發(fā)酵方式均在72 h時(shí)乙醇的產(chǎn)率最高,分別為70.08%和70.32%,二者無顯著差異;再延長發(fā)酵時(shí)間,乙醇產(chǎn)率反而降低;同步發(fā)酵的乙醇最高產(chǎn)率出現(xiàn)在發(fā)酵84 h時(shí),為70.19%,同另2種發(fā)酵方式的乙醇產(chǎn)率峰值無顯著差異,延長發(fā)酵時(shí)間,乙醇產(chǎn)率輕微降低。這是因?yàn)椴捎梅植桨l(fā)酵或半同步發(fā)酵時(shí),培養(yǎng)液中因酶水解纖維素產(chǎn)生還原糖,在接種量相同情況下,有助于縮短延遲期;另外,前期充足的碳源有助于酵母菌快速增值,從而縮短發(fā)酵周期,更快達(dá)到發(fā)酵平衡[17];乙醇產(chǎn)率達(dá)最大值后繼續(xù)發(fā)酵,酵母會(huì)在葡萄糖耗盡缺少碳源的情況下利用乙醇作為碳源用于自身生長,所以會(huì)導(dǎo)致乙醇產(chǎn)率少量降低。綜上,半同步發(fā)酵法乙醇產(chǎn)率與分步和同步發(fā)酵方法相當(dāng),但耗時(shí)最短,效率最高。

圖5 不同發(fā)酵方式及發(fā)酵時(shí)間處理玉米芯的乙醇產(chǎn)率

3 討論

木質(zhì)纖維素的預(yù)處理利用強(qiáng)酸、強(qiáng)堿等試劑,雖能取得較好的預(yù)處理效果,但對(duì)設(shè)備要求高、環(huán)境污染較為嚴(yán)重;利用對(duì)環(huán)境相對(duì)友好的有機(jī)酸,通常需要更高的溫度。BARISIK等[18]在使用馬來酸和草酸對(duì)麥秸進(jìn)行預(yù)處理和發(fā)酵時(shí),需要210 ℃的高溫;喬慧等[19]利用乙酸預(yù)處理玉米芯時(shí),最優(yōu)預(yù)處理溫度需要160 ℃、60 min。在酸性較強(qiáng)的高溫條件下,雖然能較好地促進(jìn)半纖維素水解,使纖維素暴露出來,但導(dǎo)致纖維素在高溫酸性環(huán)境下分解,造成纖維素組分流失,糖轉(zhuǎn)化率降低,使后續(xù)發(fā)酵生物量減少,乙醇產(chǎn)量降低。

超聲波處理材料是利用超聲波空化泡在崩潰的瞬間,在材料周圍產(chǎn)生局部高溫、高壓及強(qiáng)烈的沖擊波,對(duì)預(yù)處理材料產(chǎn)生空化效應(yīng)的同時(shí),伴隨熱效應(yīng)、機(jī)械效應(yīng)、熱解和自由基效應(yīng)等綜合作用,能破壞材料的結(jié)構(gòu),促使其內(nèi)容物快速釋放。超聲波有利于木質(zhì)素-纖維素和木質(zhì)素結(jié)構(gòu)單元之間連接鍵的斷裂,促使木質(zhì)素致密的網(wǎng)格分解,在不影響纖維素有序性的情況下增加其有效表面積;采用超聲波預(yù)處理植物原料也有利于木質(zhì)素與半纖維素之間的強(qiáng)連接鍵的破壞[20]?？祻V博[21]比較了超聲波-酸、超聲波-堿預(yù)處理與單純酸、堿預(yù)處理對(duì)稻草化學(xué)組成的影響發(fā)現(xiàn),經(jīng)過超聲波強(qiáng)化預(yù)處理的原料,半纖維素和木質(zhì)素脫除率更高,纖維素?fù)p失更少,達(dá)到發(fā)酵所需的還原糖濃度的酶解時(shí)間也更短。WANG等[22]研究了超聲-Feton預(yù)處理法對(duì)玉米芯結(jié)構(gòu)的影響,結(jié)果表明,有超聲輔助的Feton法能更好地溶解木質(zhì)素,在底物表面形成更容易被酶結(jié)合的區(qū)域與空隙,纖維素轉(zhuǎn)化率達(dá)到理論值的90.34%,該值遠(yuǎn)高于單獨(dú)Feton法預(yù)處理的纖維素轉(zhuǎn)化率。SUBHEDAR等[23]以花生殼、椰子殼和開心果殼為原料,分別采用常規(guī)堿預(yù)處理和超聲波-堿預(yù)處理,對(duì)比發(fā)現(xiàn)超聲輔助在降低堿液濃度、增加脫木素率、減少處理時(shí)間和增加還原糖產(chǎn)率等方面有顯著強(qiáng)化作用。采用半同步法發(fā)酵乙醇的產(chǎn)率為70.32%,該值較劉彬等[24]報(bào)道的堿法預(yù)處理玉米芯制備乙醇的產(chǎn)率提高13.60%。綜上,超聲波法操作簡便、高效、環(huán)保,與其他方法結(jié)合,可以降低化學(xué)藥品濃度和污染負(fù)荷,減少發(fā)酵抑制物的生成,利于后續(xù)酶解效率和發(fā)酵乙醇的產(chǎn)量。

4 結(jié)論

采用有機(jī)酸結(jié)合超聲輔助對(duì)玉米芯進(jìn)行預(yù)處理,采用纖維素酶和酵母菌共同分解、發(fā)酵生產(chǎn)乙醇。經(jīng)過對(duì)預(yù)處理工藝、酶解條件和發(fā)酵方式的優(yōu)化,最終得到玉米芯生產(chǎn)乙醇的最優(yōu)預(yù)處理酶解工藝:5%檸檬酸與玉米芯粉末以液料比20∶1(mL/g)混合均勻,在功率360 W、溫度75 ℃條件下超聲處理33 min后酶水解,還原糖得率可達(dá)36.71%,該值與玉米芯中纖維素含量相當(dāng);此條件下,添加纖維素酶30 FPU/g,采用半同步法發(fā)酵乙醇的產(chǎn)率為70.32%,高乙醇產(chǎn)率分別是70.08%和70.19%,與半同步發(fā)酵的乙醇產(chǎn)率無顯著差異。

本工藝采用有機(jī)酸輔以超聲預(yù)處理玉米芯后,使用酶與微生物共同作用的方法制備生物乙醇,既大幅降低了常規(guī)預(yù)處理工藝中使用強(qiáng)酸對(duì)環(huán)境的嚴(yán)重污染和對(duì)耐腐蝕設(shè)備的要求,又避免了工藝中對(duì)高溫、高壓的需求,是一種安全、經(jīng)濟(jì)的預(yù)處理玉米芯發(fā)酵制取生物乙醇技術(shù)。