不同預(yù)處理方法對(duì)啤酒糟產(chǎn)糖產(chǎn)酸特性的影響

張書源， 趙鳴峰， 唐 永，吳 瑋， 許曉毅

（1.蘇州科技大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215009；2.昆山市污水處理有限公司，江蘇 蘇州 215300；3.青島啤酒（昆山）有限公司，江蘇 蘇州 215300）

啤酒糟（又稱麥糟）為麥芽和輔料在糖化工藝單元的殘?jiān)?，由麥芽的種皮、外殼和少量未完全溶解的淀粉胚乳顆粒等組成，占啤酒生產(chǎn)過(guò)程總副產(chǎn)物的85%左右[1]。 我國(guó)是啤酒生產(chǎn)與消費(fèi)大國(guó)，啤酒糟現(xiàn)狀年產(chǎn)生量超1 000 萬(wàn)t，通常用作畜禽養(yǎng)殖飼料，但市場(chǎng)需求有限且不易儲(chǔ)存[2]。 碳雙減戰(zhàn)略目標(biāo)下啤酒糟中生物質(zhì)提取轉(zhuǎn)化成為啤酒工業(yè)副產(chǎn)品資源化利用的重要研究方向。 啤酒糟屬于木質(zhì)纖維素類生物質(zhì)材料的一種，由纖維素、半纖維素與少量木質(zhì)素組成，適宜的預(yù)處理方法可破壞啤酒糟頑固的木質(zhì)纖維素結(jié)構(gòu)，提升后續(xù)生化反應(yīng)中酶與微生物的可及性，從而提升原料酶解或厭氧發(fā)酵過(guò)程的產(chǎn)糖、產(chǎn)酸效能。 已有報(bào)道的木質(zhì)纖維素類生物質(zhì)預(yù)處理方法包括物理、化學(xué)、生物法等[3]。 研究已經(jīng)證明了酸、堿處理在半纖維素增溶或木質(zhì)素脫除方面的可行性和經(jīng)濟(jì)性[4]。 堿處理主要通過(guò)對(duì)木質(zhì)素的選擇性溶解實(shí)現(xiàn)后續(xù)酶解效果的提升[5]，稀酸處理主要通過(guò)水解半纖維素獲得富含木糖的上清液實(shí)現(xiàn)糖的回收，同時(shí)通過(guò)促進(jìn)固體殘?jiān)紫堵实脑黾?，?shí)現(xiàn)后續(xù)酶解產(chǎn)糖量或厭氧發(fā)酵產(chǎn)酸的良好促進(jìn)。 超聲波技術(shù)能夠?qū)镔|(zhì)產(chǎn)生空化作用，有助于打破木質(zhì)纖維素的復(fù)雜結(jié)構(gòu)并增加溶劑的滲透性，也被用于稻桿、甘蔗渣等生物質(zhì)酸、堿預(yù)處理產(chǎn)糖過(guò)程的輔助[6-8]。

目前，關(guān)于預(yù)處理方法對(duì)啤酒糟產(chǎn)糖、產(chǎn)酸特性的研究成果仍較為有限，制約了啤酒糟作為生物質(zhì)能源的資源化利用。 有研究表明啤酒糟經(jīng)稀酸處理后可獲得較高的產(chǎn)糖量[9]，其預(yù)處理產(chǎn)物進(jìn)行厭氧發(fā)酵所產(chǎn)生的揮發(fā)性脂肪酸產(chǎn)量也較為可觀[10]。 啤酒糟經(jīng)熱堿處理后發(fā)酵可實(shí)現(xiàn)70%理論乙醇產(chǎn)量[11]，熱堿處理對(duì)其他生物質(zhì)的優(yōu)良酶解效果已有較多報(bào)道。 超聲處理啤酒糟能促進(jìn)表面侵蝕、增加孔徑[12]，已有相關(guān)研究表明超聲-酸/堿處理利于生物質(zhì)的酶促糖化[13-14]，能有效提高生物乙醇或揮發(fā)性脂肪酸的產(chǎn)量[13，15]。不同預(yù)處理方法對(duì)固體回收率、產(chǎn)糖率及產(chǎn)物組分變化等影響也有待深入討論。 考慮啤酒糟生物質(zhì)組分特征與底物效應(yīng)的差異，本文主要針對(duì)啤酒生產(chǎn)企業(yè)實(shí)際的啤酒糟，選用稀酸處理、熱堿處理、超聲-酸處理及超聲-堿處理為預(yù)處理方法，對(duì)啤酒糟進(jìn)行預(yù)處理及酶解產(chǎn)糖量、厭氧發(fā)酵產(chǎn)酸量及過(guò)程特性的比較，以期為探尋技術(shù)可行的啤酒糟生物質(zhì)能源回收提供理論與技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

啤酒糟取自蘇州市某大型啤酒生產(chǎn)企業(yè)，60 ℃烘干后粉碎過(guò)50 目篩備用。 用于酶解反應(yīng)的纖維素酶（纖維素酶活1×105U/g）購(gòu)于上海麥克林生化科技有限公司。3，5-二硝基水楊酸、硫酸、氫氧化鈉等實(shí)驗(yàn)試劑均為分析純。 厭氧發(fā)酵所用的顆粒污泥購(gòu)于諸城市益清環(huán)保材料有限公司，為減少產(chǎn)甲烷菌消耗VFAs，顆粒污泥在使用前用破壁機(jī)攪碎，倒入1 L 燒杯置于105 ℃的烘箱中加熱1 h，室溫冷卻后裝至塑料瓶中，置于4 ℃的冰箱中密封儲(chǔ)存?zhèn)溆谩?/p>

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 預(yù)處理方法

（1）稀酸、熱堿處理

稱取30 g 磨碎的干啤酒糟于500 mL 錐形燒瓶中，加入300 mL 濃度為2.0%（v/v）的H2SO4 溶液或300 mL 濃度為2.0% (w/v)的NaOH 溶液。 混合均勻后置于高壓滅菌鍋在121 ℃下反應(yīng)30 min 后，冷卻降溫的混合液5 000 rpm 離心10 min 以固液分離。液體部分用于糖的測(cè)定。固體殘?jiān)譃閮刹糠?，一部分直接烘干備用，一部分用純水清洗至pH 為中性后烘干粉碎用于酶解。

（2）超聲-酸處理

稱取5 g 經(jīng)烘干磨碎的啤酒糟于100 mL 燒杯中， 加入50 mL 濃度3%（v/v） 的H2SO4或2% w/v 的NaOH，置于超聲探頭下以600 W 功率反應(yīng)60 min。反應(yīng)結(jié)束后，在5 000 轉(zhuǎn)下離心10 min 以固液分離。固體殘?jiān)譃閮刹糠郑徊糠种苯雍娓蓚溆?，一部分用純水清洗至pH 為中性后烘干粉碎用于酶解。

（3）超聲-堿處理

稱取5 g 經(jīng)烘干磨碎的啤酒糟于100 mL 燒杯中，加入50 mL 濃度2% w/v 的NaOH，置于超聲探頭下以600 W 功率反應(yīng)30 min。 反應(yīng)結(jié)束后，在5 000 轉(zhuǎn)下離心10 min 以固液分離。 固體殘?jiān)譃閮刹糠郑徊糠种苯雍娓蓚溆?，一部分用純水清洗至pH 為中性后烘干粉碎用于酶解。

1.2.2 酶解試驗(yàn)

預(yù)處理后離心回收殘?jiān)粗林行?、烘干磨碎后，?.0 g 于20 mL 的檸檬酸與檸檬酸鈉緩沖液（0.1 mol/L，pH 4.8）中，加入0.1 g 纖維素酶粉末后置于溫度為50 ℃的水浴搖床中振蕩24 h。 反應(yīng)結(jié)束后將混合液三角瓶放入沸水中持續(xù)3～5 min 滅活，冷卻后在12 000 轉(zhuǎn)下離心5 min 進(jìn)行固液分離。

1.2.3 厭氧發(fā)酵產(chǎn)酸試驗(yàn)

對(duì)照組以未處理的10 g 啤酒糟作為發(fā)酵底物； 實(shí)驗(yàn)組將10 g 啤酒糟分別經(jīng)不同預(yù)處理后的混合產(chǎn)物（包含液體與固體）作為發(fā)酵底物。 對(duì)照組與實(shí)驗(yàn)組的發(fā)酵底物裝入250 mL 發(fā)酵瓶中，按底物與接種物揮發(fā)性固體濃度（VS）為1∶1 的比例加入接種污泥，加純水至200 mL，調(diào)pH 至7.0。 向各發(fā)酵瓶中通入氮?dú)獗３? min，排出氧氣營(yíng)造厭氧環(huán)境，隨后密封發(fā)酵瓶。 將發(fā)酵瓶置于35 ℃的搖床中，以100 r/min 的震蕩速度運(yùn)行以進(jìn)行厭氧發(fā)酵。 整個(gè)發(fā)酵過(guò)程維持10 d，每24 h 取發(fā)酵液測(cè)VFAs。

1.3 分析方法

1.3.1 還原糖測(cè)定與產(chǎn)糖率計(jì)算

取稀釋一定倍數(shù)的預(yù)處理液與酶解液抽濾液0.5 mL，用二硝基水楊酸（DNS）法[16]顯色反應(yīng)，紫外分光光度計(jì)540 nm 波長(zhǎng)下測(cè)定樣品吸光度，計(jì)算還原糖含量。 還原糖產(chǎn)率計(jì)算方法如下

1.3.2 單糖與副產(chǎn)物濃度的測(cè)定

稀釋一定倍數(shù)的預(yù)處理液經(jīng)0.22 μm 濾膜過(guò)濾后， 使用安捷倫1260 Infinity 高效液相色譜儀測(cè)定各單糖與副產(chǎn)物濃度，儀器所用檢測(cè)器為Waters 2414 示差折光檢測(cè)器，色譜柱型號(hào)為BIO-RAD Aminex HPX-87H。

1.3.3 木質(zhì)纖維素組分分析

啤酒糟原料、預(yù)處理殘?jiān)械睦w維素、半纖維素和木質(zhì)素組分測(cè)定采用范氏分析法[17]。固體回收率，纖維素、半纖維素回收率及木質(zhì)素去除率計(jì)算方法如下

1.3.4 形態(tài)結(jié)構(gòu)分析

（1）掃描電鏡

取待測(cè)樣品表面噴金后用日本Hitachi Regulus 8100 掃描電子顯微鏡(日本)進(jìn)行掃描拍照，觀察分析啤酒糟在預(yù)處理前后的微觀結(jié)構(gòu)形態(tài)變化。

（2）紅外光譜

取待測(cè)樣品與KBr 混合研磨壓片后，采用Nicolet iS50 型傅里葉紅外光譜儀對(duì)供試樣品進(jìn)行掃描分析，掃描波數(shù)范圍為400～4 000 cm-1，繪制紅外譜圖。

（3）X 射線衍射光譜

采用日本理學(xué)株式會(huì)社的Ultima IV 型X 射線衍射儀對(duì)樣品進(jìn)行分析，Cu 靶掃描角度范圍為5°～40°，掃描速率為2°/min。 根據(jù)衍射圖譜強(qiáng)度，采用Segal 法計(jì)算相對(duì)結(jié)晶度（CrI），其計(jì)算公式為

式中，I002為2θ=22.5°時(shí)結(jié)晶部分的強(qiáng)度；Iam為2θ=18°時(shí)無(wú)定形區(qū)部分的強(qiáng)度。

1.3.5 揮發(fā)性脂肪酸測(cè)定

從發(fā)酵瓶中抽取一定量的發(fā)酵液在10 000 r/min 下離心10 min， 經(jīng)0.22 μm 濾頭膜過(guò)濾以去除其中的雜質(zhì)后，隨后用純水稀釋確保其VFAs 濃度在標(biāo)線范圍內(nèi)，最后將其取至氣相色譜瓶?jī)?nèi)，使用3%的H3PO4調(diào)節(jié)pH 至3.0 以下，置于安捷倫GC 8860 型氣相色譜儀中進(jìn)行檢測(cè)。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

各批次實(shí)驗(yàn)均設(shè)置平行實(shí)驗(yàn)組（n=3）。 數(shù)據(jù)處理以及圖形繪制使用Excel 2016，OriginPro 2018c 進(jìn)行。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同預(yù)處理方法的化學(xué)組分特性

圖1 為預(yù)處理前后啤酒糟固體的化學(xué)組分變化，表1 列出了啤酒糟預(yù)處理后各組分回收/去除情況。 未處理的啤酒糟半纖維素是其主要組分，占比為45.97%，纖維素、木質(zhì)素組分的占比分別為14.41%、4.68%。

表1 預(yù)處理后啤酒糟固體組分去除/回收率 %

圖1 預(yù)處理前后啤酒糟的化學(xué)組分

由表1 可知，稀酸處理與熱堿處理固體回收率分別為37.82%、53.87%，而超聲-酸/堿的固體回收率分別為65.43%、79.75%，超聲預(yù)處理具有更高的固體回收率。半纖維素的降解與木質(zhì)素的去除是導(dǎo)致固體損失的主要原因。 半纖維素是一種多種單糖的復(fù)合結(jié)構(gòu)，酸處理可破壞半纖維素和纖維素聚合鏈中糖單體之間的雜環(huán)醚鍵，導(dǎo)致半纖維素的解聚，從而能降低纖維素酶解的難度[18]。經(jīng)稀酸預(yù)處理、超聲-酸預(yù)處理后，啤酒糟中半纖維素含量占比降低最為明顯，由處理前的45.97%分別降至2.01%和15.76%。 Chen[19]通過(guò)稀酸預(yù)處理去除了玉米秸稈中大量的半纖維素（占比從19.7%降至9.28%），并證明有益于酶解。 其中稀酸處理對(duì)啤酒糟中的半纖維素具有更高效的水解能力。Flávia[20]在其研究中也有相似的發(fā)現(xiàn)：相比于超聲酸處理，麥皮和燕麥皮在121 ℃下糖的釋放更充分，木質(zhì)纖維組分的變化也更為顯著。 有報(bào)道認(rèn)為超聲-酸處理過(guò)程中較低的溫度是半纖維素降解效果相對(duì)較弱的原因[21]。

木質(zhì)素是一種無(wú)定形酚類大分子，通過(guò)4-羥基苯丙烷偶聯(lián)而具有高度異質(zhì)性。 堿處理能破壞生物質(zhì)木質(zhì)素中的醚鍵，實(shí)現(xiàn)木質(zhì)素的優(yōu)良選擇性去除。 熱堿處理與超聲-堿處理對(duì)木質(zhì)素組分占比的降低相對(duì)較為顯著，木質(zhì)素含量由4.68%分別降低至1.74%與2.44%。 同時(shí)，熱堿處理對(duì)樣品中木質(zhì)素去除率最高，約為79.97%，與其他類似研究中堿處理所表現(xiàn)出的良好木質(zhì)素脫除效果較為一致；然而啤酒糟經(jīng)超聲-堿預(yù)處理后，木質(zhì)素組分占比為2.44%，但去除率僅為58.42%，可能與該預(yù)處理途徑的固體回收率較高有關(guān)。 超聲波能可產(chǎn)生氧化劑促進(jìn)木質(zhì)素分解，也可形成空化作用，并提高堿性溶液對(duì)生物質(zhì)原料的滲透能力[22]。

各種預(yù)處理方法導(dǎo)致啤酒糟纖維素組分含量均有不同程度上升。 由于半纖維素的大量去除，經(jīng)稀酸處理后的啤酒糟固體殘?jiān)欣w維素含量上升至22.93%。 熱堿處理后的啤酒糟纖維素含量最高，為24.09%；超聲-酸、超聲-堿處理后的啤酒糟纖維素含量分別為15.35%和17.16%。

2.2 不同預(yù)處理方法的形態(tài)結(jié)構(gòu)表征

2.2.1 掃描電鏡分析

原酒糟材料和預(yù)處理后殘?jiān)鼟呙桦娮语@微鏡圖像（5 000 倍）如圖2 所示。預(yù)處理前啤酒糟（如圖2（a）所示）呈現(xiàn)了典型木質(zhì)纖維材料的致密結(jié)構(gòu)，木質(zhì)素和半纖維素在纖維素之間形成表面堅(jiān)硬、光滑的片層結(jié)構(gòu)，對(duì)微生物與酶的附著與分解存在較大阻礙效應(yīng)。 經(jīng)稀酸處理后（如圖2（b）所示），材料表面形態(tài)發(fā)生纖維扭曲、斷裂且形成孔洞或裂縫并增加了表面的粗糙度，材料比表面積和孔體積增加，可能由半纖維素的溶解所導(dǎo)致。超聲-酸處理（如圖2（d）所示）材料表面具有更加豐富的孔洞，主要由于超聲作用產(chǎn)生稀酸微泡的高分散性和傳質(zhì)強(qiáng)化，有效促進(jìn)了材料半纖維素水解及酶的附著，這也是超聲-酸預(yù)處理殘?jiān)拿附猱a(chǎn)糖量更高的原因。 經(jīng)熱堿處理后（如圖2（c）所示），表面沒有明顯纖維斷裂但出現(xiàn)結(jié)構(gòu)膨脹現(xiàn)象，可能是一些木質(zhì)素或木質(zhì)素-碳水化合物復(fù)合物集結(jié)在表面[23]，酶水解的可用表面積明顯增加，與Barman 等人[24]的研究相似。 超聲-堿處理（如圖2（e）所示）后材料表面均出現(xiàn)較多不均勻微小孔洞，表面產(chǎn)生較小的碎片，歸因于超聲作用過(guò)程中微泡內(nèi)爆引起的超聲局部沖擊波對(duì)木質(zhì)素的破碎，這些變化提高了酶的可及性，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)超聲-堿預(yù)處理殘?jiān)诿附膺^(guò)程的較高產(chǎn)糖量。

圖2 預(yù)處理前后啤酒糟樣品的掃描電鏡圖像

2.2.2 X 射線衍射分析

啤酒糟中有木質(zhì)素、半纖維素等無(wú)定形物質(zhì)，也有纖維素晶態(tài)物質(zhì)。 結(jié)晶態(tài)纖維素在木質(zhì)纖維類生物質(zhì)中所占比例是影響后續(xù)酶解的重要因素。 通過(guò)預(yù)處理可以破壞纖維素鏈間和鏈內(nèi)氫鍵來(lái)改變其晶體結(jié)構(gòu)，一般地，預(yù)處理對(duì)木質(zhì)素和半纖維素整體去除越好，結(jié)晶度相對(duì)越高[25]。 對(duì)各供試樣品的X 射線衍射分析（XRD）圖譜及的結(jié)晶度指數(shù)（CrI）如圖3 所示。由圖可知，結(jié)晶纖維素峰信號(hào)較強(qiáng)，非結(jié)晶纖維素顯示出更寬和更弱的信號(hào)[26]。與原啤酒糟相比，經(jīng)預(yù)處理后啤酒糟的結(jié)晶度均有不同程度增加。稀酸處理后，樣品的特征峰最為尖突，結(jié)晶度數(shù)值最高（27.97%），與前述組分占比和去除效能的結(jié)果相匹配，其余3 種預(yù)處理方法的結(jié)晶度數(shù)值范圍為21.24%～25.22%。 熱堿預(yù)處理過(guò)程在20.3°與21.5°處出現(xiàn)兩峰，說(shuō)明晶型為纖維素II 型，改變纖維素的異構(gòu)體可提高后續(xù)酶催化的效率。

圖3 啤酒糟預(yù)處理前后的X 射線衍射圖譜

2.2.3 紅外光譜分析

圖4 為與處理前后啤酒糟樣品的紅外光譜（FT-IR）圖。根據(jù)檢測(cè)圖譜分析，各樣品FT-IR 圖譜的峰形總體較為相似，這與它們的結(jié)構(gòu)中存在相似的化學(xué)基團(tuán)有關(guān)。 在紅外光譜中1 000～1 200 cm-1處的吸收峰與纖維素和半纖維素的結(jié)構(gòu)特征有關(guān)， 1 000～1 100 cm-1吸收峰的增強(qiáng)則表明固體殘?jiān)欣w維素含量增加[27]，與組分分析的結(jié)果一致。 1 740 cm-1處的峰代表半纖維素的乙?；吞侨┧狨セ蛘呤悄举|(zhì)素/半纖維素中的阿魏酸和對(duì)香豆酸的羧酸酯鍵，經(jīng)稀酸處理與超聲-酸處理后該峰消失，可能酸處理在水解半纖維素的過(guò)程中對(duì)破壞了上述鍵。 1 526 cm-1代表木質(zhì)素中芳香環(huán)的芳香族C=C，經(jīng)熱堿處理、超聲-堿處理后，該峰的強(qiáng)度明顯減小甚至消失，與組分分析中木質(zhì)素脫除程度相對(duì)應(yīng)，堿性預(yù)處理的木質(zhì)素脫除作用與該鍵存在關(guān)聯(lián)。 在2 900 cm-1處觀察到的譜帶對(duì)應(yīng)于-CH2伸展，歸因于木質(zhì)素和多糖（纖維素和半纖維素）中的脂肪族部分，與原酒糟相比，預(yù)處理后樣品吸光度減小，歸因于木質(zhì)素和半纖維素含量的減少。 所有的光譜都具有一個(gè)3 400～3 200 cm-1寬的吸收帶，對(duì)應(yīng)于的O-H 伸展，表明材料的酚類和脂肪族結(jié)構(gòu)中存在氫鍵相互作用和分子間氫鍵，而預(yù)處理后的波寬變長(zhǎng)表明經(jīng)處理后的啤酒糟結(jié)構(gòu)更為松散而更易于酶解[28]。

圖4 啤酒糟預(yù)處理前后紅外光譜圖

2.3 不同預(yù)處理后對(duì)啤酒糟產(chǎn)糖效果影響

預(yù)處理液化學(xué)組分見表2， 可知各預(yù)處理液還原糖含量存在較大差異其中稀酸處理預(yù)處理液還原糖濃度最高，達(dá)到了35.6 g/L，主要成分是木糖與阿拉伯糖，而這兩種單糖正是半纖維素的水解產(chǎn)物。 實(shí)驗(yàn)結(jié)果（見表1）表明，稀酸處理過(guò)程中半纖維素回收率僅為1.65%，這進(jìn)一步證實(shí)了稀酸預(yù)處理液中還原糖主要來(lái)源于半纖維素的水解。葡萄糖是纖維素酸水解的產(chǎn)物，其濃度僅有3.81 g/L，僅為木糖濃度的17.12%，這表明在稀酸處理過(guò)程中纖維素具有更強(qiáng)的穩(wěn)定性。 超聲-酸預(yù)處理液中還原糖含量為18.77 g/L，其來(lái)源與稀酸處理相似，是在酸溶劑與超聲產(chǎn)生的熱能的相互作用下導(dǎo)致半纖維素溶解所致。 盡管超聲處理可造成空化作用，但產(chǎn)生的熱量較稀酸處理還有較大差距，因此其產(chǎn)糖量較稀酸處理低。 使用可能是由于超聲-酸處理使用了更高濃度的酸溶液導(dǎo)致更多纖維素轉(zhuǎn)化，最終葡萄糖濃度比酸處理高18.2%。

表2 啤酒糟預(yù)處理液化學(xué)組分分析 g·L-1

經(jīng)熱堿處理與超聲-堿后，預(yù)處理液中還原糖濃度分別為4.14 與0.86 g/L，均低于酸法處理。主要?dú)w因?yàn)榘肜w維素在堿性溶液下的增溶作用相對(duì)較弱。 與熱堿處理相比，超聲-堿處理預(yù)處理液中各糖的濃度更低，這是因?yàn)槌?堿主要依靠超聲波的空化作用增強(qiáng)堿溶液對(duì)木質(zhì)素的脫除， 而不是依靠高溫?zé)崮芤鹛堑乃?，因此其預(yù)處理過(guò)程還原糖產(chǎn)量最少。

為了綜合比較各預(yù)處理方法總產(chǎn)糖率，分別測(cè)定了稀酸處理、熱堿處理、超聲-酸處理、超聲-堿處理在優(yōu)化工況下的預(yù)處理產(chǎn)糖率與酶解產(chǎn)糖率，并結(jié)合固體回收率等計(jì)算出基于啤酒糟原料干重的產(chǎn)糖率，以便進(jìn)行均一化對(duì)比，分析結(jié)果如圖5 所示。 由圖可知，酸性預(yù)處理與堿性預(yù)處理在預(yù)處理和酶解兩個(gè)階段的產(chǎn)糖率差異較大。熱堿處理與超聲-堿處理在預(yù)處理階段產(chǎn)糖率極低，分別為41.00 mg/g 與10.75 mg/g。而稀酸處理與超聲-酸處理二者的預(yù)處理產(chǎn)糖率分別為356 mg/g 與234.63 mg/g，遠(yuǎn)高于熱堿處理與超聲-堿處理。但熱堿處理與超聲-堿處理在酶解產(chǎn)糖率上更具有優(yōu)勢(shì)，分別為262.69 mg/g 與224.26 mg/g，大于稀酸處理與超聲-酸處理的77.16 mg/g 與98.27 mg/g。綜合計(jì)算總產(chǎn)糖率，稀酸處理、熱堿處理、超聲-酸處理、超聲-堿處理聯(lián)合酶解的總產(chǎn)糖率分別為433.16 mg/g、306.69 mg/g、332.90 mg/g 和235.00 mg/g。 可發(fā)現(xiàn)酸法處理過(guò)程總產(chǎn)糖率高于堿法處理，這可能歸因?yàn)槠【圃惆肜w維素更高，而酸性溶劑對(duì)其水解效果更好，因此酸性處理獲得了更高的總產(chǎn)糖率。

圖5 不同預(yù)處理方法還原糖產(chǎn)率的對(duì)比

2.4 不同預(yù)處理對(duì)啤酒糟產(chǎn)酸效果影響

圖6（a）為經(jīng)過(guò)不同預(yù)處理的啤酒糟在厭氧發(fā)酵過(guò)程中的VFAs 產(chǎn)量。 在前5 天內(nèi)，各發(fā)酵體系的VFA濃度快速上升，之后緩慢增加直至達(dá)到最高值。 類似的趨勢(shì)在草類生物質(zhì)的厭氧發(fā)酵中也被觀察到[29]。 經(jīng)稀酸處理及超聲-酸處理的啤酒糟在前兩天的發(fā)酵中VFA 積累迅速，產(chǎn)量分別為7 685.50 mgCOD/L 與6 720.22 mgCOD/L。 經(jīng)稀酸處理及超聲-酸預(yù)處理后，半纖維素水解轉(zhuǎn)化為戊糖，可以直接被微生物利用，從而縮短了厭氧發(fā)酵過(guò)程中的水解步驟。 因此，發(fā)酵體系在初始狀態(tài)下可溶性有機(jī)物含量較高，可以更快地轉(zhuǎn)化為VFA[30]。 發(fā)酵第3 天，經(jīng)過(guò)熱堿處理的啤酒糟的VFAs 產(chǎn)量已經(jīng)超過(guò)了超聲-酸處理，可能是因?yàn)橹叭芙庠谝合嘀械挠袡C(jī)物（如蛋白質(zhì)）開始被微生物利用，此時(shí)提供給微生物的有機(jī)物含量更多。 然而，超聲-堿處理主要是用于去除啤酒糟中的木質(zhì)素，對(duì)半纖維素及其他有機(jī)物的溶出作用較弱，因此厭氧發(fā)酵的VFAs產(chǎn)量不及其他幾種預(yù)處理方式。

圖6 預(yù)處理方法對(duì)VFAs 的產(chǎn)量及組分的影響

到第10 天VFAs 產(chǎn)量基本平穩(wěn)，周期結(jié)束時(shí)VFAs 產(chǎn)量為：稀酸處理＞熱堿處理＞超聲-酸處理＞超聲-堿處理＞對(duì)照組。 稀酸處理的VFAs 產(chǎn)量最高， 為13 268.84 mg COD/L， 相較對(duì)照組提升了2.4 倍， 但略低于Juan 等[10]的研究結(jié)果，后續(xù)可通過(guò)調(diào)節(jié)pH 等操作進(jìn)行優(yōu)化；超聲-堿處理、超聲-酸處理、超聲-堿處理則分別提升99.69%、76.43%、25.49%。 不同預(yù)處理途徑均可以不同程度實(shí)現(xiàn)啤酒糟中半纖維素的增溶以及木質(zhì)素的降解并破壞木質(zhì)纖維素結(jié)構(gòu)，使得其中的有機(jī)物等更容易被發(fā)酵體系中的微生物所利用。與Xue 等人[30]的研究結(jié)論不同，本研究結(jié)果表明使用固體回收率更低的稀酸與熱堿預(yù)處理方法實(shí)現(xiàn)了更高的VFAs 產(chǎn)量，可能因?yàn)楣腆w回收率在一定程度上反映了預(yù)處理方法的增溶能力。Guo 等人[31]也得出了類似的結(jié)論。在預(yù)處理過(guò)程產(chǎn)生的乙酸、糠醛與5-羥甲基糠醛（HMF）等可能會(huì)抑制后續(xù)的厭氧發(fā)酵。由表2 可知，盡管稀酸處理與熱堿處理過(guò)程中產(chǎn)生的副產(chǎn)物相對(duì)較高，但仍具有較高的VFAs 產(chǎn)量，由此可知副產(chǎn)物的抑制作用并非是造成厭氧產(chǎn)酸差異的決定性因素。

圖6（b）所示為經(jīng)過(guò)各方法預(yù)處理后啤酒糟在厭氧發(fā)酵產(chǎn)VFAs 組分構(gòu)成占比。 厭氧發(fā)酵VFAs 組分構(gòu)成對(duì)其下游的進(jìn)一步利用至關(guān)重要，也在一定程度上決定了其實(shí)際價(jià)值。 例如，對(duì)于作為廢水處理的碳源利用過(guò)程，有機(jī)酸的利用順序?yàn)橐宜幔径∷幔疚焖幔颈帷?不同預(yù)處理方法會(huì)導(dǎo)致VFA 的比例有所不同。 乙酸、丙酸和正丁酸是三種最常見的VFA， 在各體系中分別占總揮發(fā)性脂肪酸產(chǎn)量的95.27%、94.42%、94.01%、89.23%和91.62%。 經(jīng)各方法預(yù)處理后的發(fā)酵體系中，乙酸占比均超過(guò)50%，而丙酸和正丁酸的變化幅度相對(duì)較大。 稀酸處理后的發(fā)酵體系中，正丁酸占比相對(duì)最高（34.95%），濃度為3 652.22 mg/L，丙酸占比僅為2.66%，而在熱堿處理和超聲-堿預(yù)處理的發(fā)酵體系中占比分別為18.81%和14.04%。 除對(duì)照組外，各個(gè)體系中都檢測(cè)到了異丁酸的產(chǎn)生，但濃度均低于300 mg/L。 在各個(gè)體系中都檢測(cè)到了前五種VFA，僅在超聲-堿體系中檢測(cè)到了極少量的正戊酸（91.01 mg/L）。

3 結(jié)語(yǔ)

（1）不同預(yù)處理方法對(duì)啤酒糟組分特性具有不同影響。熱堿處理可脫除79.97%的木質(zhì)素，稀酸處理實(shí)現(xiàn)了98.35%的半纖維素降解。 經(jīng)超聲-酸/堿處理對(duì)啤酒糟組分特性影響相對(duì)較小， 但該法固體回收率相對(duì)較高。

（2）采用SEM、XRD 和FTIR 法對(duì)預(yù)處理前后的啤酒糟的形態(tài)結(jié)構(gòu)表征結(jié)果表明，經(jīng)預(yù)處理后，啤酒糟表面出現(xiàn)不同程度的孔洞、裂縫，有效增加了后續(xù)聯(lián)合酶解反應(yīng)的接觸面積；隨著木質(zhì)素、半纖維素的脫除，纖維素結(jié)晶度由16.36%最高增加至27.97%，F(xiàn)TIR 相關(guān)官能團(tuán)信號(hào)強(qiáng)度變化驗(yàn)證了預(yù)處理后半纖維素、 纖維素及木質(zhì)素等成分組成的變化趨勢(shì)。

（3）酸性處理的預(yù)處理產(chǎn)糖率要遠(yuǎn)高于堿性預(yù)處理，而堿性處理更利于酶解產(chǎn)糖。 稀酸處理、熱堿處理、超聲-酸處理、超聲-堿處理還原糖總產(chǎn)率分別為433.16、306.69、332.90、235.00 mg/g。 啤酒糟半纖維素更高且酸性溶劑對(duì)其具有更好的水解效果，因此從總產(chǎn)糖率的角度看酸法預(yù)處理的產(chǎn)糖性能更佳。

（4） 各預(yù)處理后的啤酒糟厭氧發(fā)酵VFAs 產(chǎn)量順序?yàn)橄∷崽幚恚緹釅A處理＞超聲-酸處理＞超聲-堿處理，VFAs 產(chǎn)量與預(yù)處理對(duì)有機(jī)物的增溶能力相關(guān)， 可由固體回收率反映。 各發(fā)酵體系中， 乙酸所占比例均在50%以上，是最主要的VFA。