氨水浸泡稻草秸秆对纤维素酶解产糖的影响

孙宪迅，孙宪猛，韩 雪，孙齐英

（1.江汉大学生命科学学院，湖北 武汉430056；2.湖北省豆类（蔬菜）植物工程技术研究中心，湖北 武汉430056；3.湖北国有林场工作站，湖北 武汉430056）

随着石油资源日益枯竭，人们将目光转向可再生能源——纤维乙醇［1－4］。稻草秸秆是一种重要的生物资源，主要由纤维素、半纤维素和木质素组成，其中木质素对纤维素的包覆作用以及结晶纤维素的致密结构使纤维素酶解严重受限，不经预处理时糖化率很低，一般理论得率在20%以下［4］。国内外开展了稻草秸秆预处理研究，包括粉碎、酸、碱、蒸汽爆破、超声等多种预处理方法［5－8］，但这些预处理方法往往需要高温高压，能耗大，成本高。目前，针对玉米秸秆和大麦秸秆的研究较多，对稻草秸秆研究较少，其中氨水预处理对稻草秸秆后续酶解的影响报道更少［9－10］。作者在此研究常压下稻草秸秆粉粒度、氨水质量分数、预处理时间、预处理温度、液固比等因素对稻草秸秆酶解糖化的影响，以期为稻草秸秆乙醇化工艺提供参考。

1 实验

1.1 材料

稻草秸秆取自武汉郊区农田，风干，粉碎，备用。稻草秸秆组成：纤维素42.1%，半纤维素27.9%，木质素5.96%。

1.2 稻草秸秆的预处理

取烘干粉碎后的稻草秸秆粉1g装入烧杯，加适量氨水与稻草秸秆粉充分混匀，于一定条件下进行预处理。分别考察稻草秸秆粉粒度（20目、40目、60目、80目、100目、120目）、氨水质量分数（8%、10%、12%、14%、16%、18%）、液固比（3∶1、5∶1、7∶1、9∶1、11∶1、13∶1）、预处理温度（30℃、40℃、50℃、60℃、70℃、80℃）、预处理时间（10h、15h、20h、25h、30h、35h、40h、45h）等5个因素对稻草秸秆酶解糖化的影响。预处理后的稻草秸秆加入200mL去离子水充分混匀，过滤，滤饼用去离子水反复洗至中性，烘干至恒质量。

1.3 酶解反应

为了检验不同的预处理条件对纤维素酶降解稻草秸秆过程所产生的影响，进行酶解反应。

称取1.0g预处理后稻草秸秆粉，按25FPU·（g试样）－1加入纤维素酶溶液和pH值为4.8的0.05 mol·L－1柠檬酸钠缓冲溶液，使底物浓度为5%，于50℃水浴振荡器内反应48h，过滤，滤液经适当稀释后测定还原糖含量。

1.4 分析与检测

还原糖含量采用3，5－二硝基水杨酸法（DNS法）测定［11］，按下式计算糖化率：

纤维素、半纤维素含量测定方法见文献［11－12］。

2 结果与讨论

2.1 稻草秸秆粉粒度对酶解糖化的影响

取粉碎后稻草秸秆粉分别过20～120目筛子，各取1g稻草秸秆粉直接用纤维素酶水解，结果如图l所示。

图1 稻草秸秆粉粒度对酶解糖化的影响Fig.1 Effect of size of rice straw powder on rice straw enzymatic saccharification

由图1可知，随着稻草秸秆粉碎程度的增大，糖化率逐渐升高。稻草秸秆粉粒度从20目增加到60目时，糖化率明显上升，而从60目增加到120目时，糖化率升幅缓慢。稻草秸秆粉碎时部分破坏了晶体纤维素和木质素的结构，使纤维素能与酶接触，充分酶解。随着稻草秸秆粉碎程度的增大，酶与底物接触面积增大，因此，后续酶解液中还原糖含量逐渐增加，但过小的颗粒会增加能耗，考虑到加工成本，选择稻草秸秆粉粒度为60目。

2.2 氨水质量分数对稻草秸秆酶解糖化的影响

取过60目筛的稻草秸秆粉分别用质量分数为8%、10%、12%、14%、16%、18%的氨水按液固比9∶1处理35h后进行酶解，结果如图2所示。

图2 氨水质量分数对稻草秸秆酶解糖化的影响Fig.2 Effect of aqueous ammonia mass fraction on rice straw enzymatic saccharification

由图2可知，随着氨水质量分数的增大，糖化率先升高后降低，氨水质量分数为14%时糖化率最高。氨水能破坏生物质中木质素和晶体纤维素的结构，使纤维素和半纤维素能与酶充分接触，提高糖化率，同时又会引起纤维素及半纤维素部分分解破坏，使得后续酶解液中还原糖含量减少，造成糖化率降低。因此，选择适宜的氨水质量分数为14%。

2.3 预处理时间对稻草秸秆酶解糖化的影响

取过60目筛的稻草秸秆粉经14%氨水处理不同时间后进行酶解，结果如图3所示。

图3 预处理时间对稻草秸秆酶解糖化的影响Fig.3 Effect of pretreatment time on rice straw enzymatic saccharification

由图3可知，稻草秸秆糖化率随预处理时间的延长而逐渐上升；但超过35h后，酶解糖化率反而下降。其原因可能是氨水预处理时间过长会引起纤维素及半纤维素部分分解破坏，使得后续酶解液中还原糖含量逐渐减少，造成糖化率降低。因此，选择适宜的氨水预处理时间为35h。

2.4 预处理温度对稻草秸秆酶解糖化的影响

取过60目筛的稻草秸秆粉，用14%氨水按液固比9∶1在不同温度下预处理35h后进行酶解，结果如图4所示。

图4 预处理温度对稻草秸秆酶解糖化的影响Fig.4 Effect of pretreatment temperature on rice straw enzymatic saccharification

由图4可知，稻草秸秆糖化率随预处理温度的上升先升高后降低；当温度升到50℃时，糖化率达到最高，之后反而有所下降。其原因可能是预处理温度过高会引起纤维素及半纤维素部分分解破坏，使得后续酶解液中还原糖含量减少，造成糖化率降低。因此，选择适宜的预处理温度为50℃。

2.5 液固比对稻草秸秆酶解糖化的影响

取过60目筛的稻草秸秆粉，用14%氨水分别按液固比3∶1、5∶1、7∶1、9∶1、11∶1、13∶1于50℃预处理35h后进行酶解，结果如图5所示。

由图5可知，液固比从3∶1上升到9∶1时，稻草秸秆的酶解糖化率上升明显；从9∶1上升到13∶1时，糖化率基本不变。说明加大氨水的量，氨水与稻草秸秆中的木质素作用更完全，有利于后续的酶解作用，但氨水过量时效果不明显。因此，选择适宜的液固比为9∶1。

2.6 预处理对稻草秸秆组成及酶解糖化的影响

取60目稻草秸秆粉用14%氨水按液固比9∶1在50℃处理35h后洗涤干燥，测定其组成并进行酶解反应，并与未处理时进行比较，结果见表1。

图5 液固比对稻草秸秆酶解糖化的影响Fig.5 Effect of liquid－solid ratio on rice straw enzymatic saccharification

表1 稻草秸秆预处理前后的组成及酶解糖化比较Tab.1 The comparison of composition and enzymatic sacharification of rice straws before and after pretratment

氨水预处理的目的主要是通过氨水去除稻草秸秆中部分木质素，同时部分破坏纤维素的晶体结构，增加稻草秸秆粉的纤维素含量和孔隙度，从而有利于后续的酶解。稻草秸秆粉未处理时，酶解糖化液中还原糖含量只有221.53mg·g－1、糖化率只有29.32%；经氨水预处理后酶解糖化液中还原糖含量高达608.88mg·g－1、糖化率达到61.42%，是未处理的2倍多。但氨水预处理稻草秸秆粉也造成了纤维素和半纤维的少量损失。

3 结论

（1）氨水预处理稻草秸秆对其化学成分及结构有一定的影响，能除去部分木质素，使纤维素含量提高、结晶成分减少、纤维素与物料接触面积增大，有利于稻草秸秆的酶解产糖。

（2）适宜的氨水预处理条件为：稻草秸秆粉碎至60目，用14%氨水按液固比9∶1在50℃处理35h，糖化率达61.42%。

（3）本方法是在室温常压下对稻草秸秆进行预处理，与报道的高温氨爆、加温浸泡相比，具有能耗小、设备要求低、环境友好等优点。

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