酸性电解水爆破处理灵芝废段木效果研究

裴海生，王民敬，尹 腾，张秀清，孙君社*

（1.农业部规划设计研究院，北京100125；2.中国农业大学食品科学与营养工程学院，北京100083）

酸性电解水爆破处理灵芝废段木效果研究

裴海生1，王民敬1，尹 腾2，张秀清2，孙君社1*

（1.农业部规划设计研究院，北京100125；2.中国农业大学食品科学与营养工程学院，北京100083）

随着灵芝产业的不断壮大，每年因种植灵芝而产生大量废段木。该文在对废段木组成成分分析的基础上，研究了酸性电解水爆破处理废段木酶解工艺。废段木经酸性电解水预煮后高温瞬时爆破处理来破坏组织结构及纤维素结晶状态，以半纤维素去除率和纤维素损失率为考察指标，通过单因素试验及正交试验确定了反应的最优爆破条件为酸性电解水pH 1.8、爆破温度180℃、爆破时间60 s、预煮液固比为20:1（mL:g）。此最佳条件下半纤维素的去除率为94.20%，纤维素的溶出率为12.57%；经酸性电解水爆破处理后酶解率达86.40%，爆破残渣酶解效果表明利用强酸性电解水爆破处理灵芝废段木能够有效破坏纤维素结晶状态，利于纤维素酶酶解。

废段木；酸性电解水；蒸汽爆破；纤维素；半纤维素

道地灵芝的栽培方式为段木栽培[1-2]，随着灵芝产业的不断壮大，每年因种植灵芝而产生的废段木数量可观。仅在浙江省龙泉市，每年用于灵芝栽培的段木就有近3万t，而这些栽培后的废段木大多被废弃或焚烧。自然界中灵芝菌属白腐菌，是一类高效的木质素降解微生物，其可彻底降解木质素为CO2和H2O，还可以选择降解部分半纤维素[3]。灵芝废段木中除少量半纤维素和木质素外，主要成分是未被利用的纤维素。若采用适当的技术方法将这些被废弃的灵芝废段木进行处理，将其中高含量的纤维素进行分离提取，可以作为纤维素乙醇等生化产品的潜在木质纤维原料。这样不仅可以为当地带来新的经济增长点，更重要的是弥补了灵芝种植产业中段木废弃带来的环境污染。

废段木的生物转化过程主要有2个环节，首先是对废段木进行预处理，其次是将原料中的纤维素、半纤维素水解为可被发酵利用的糖[4-8]。由于木质纤维素内致密复杂的天然结构及纤维素结晶阻碍了纤维素酶对纤维素的水解，因此需要采用合适的预处理方法提高纤维素的酶解效率。

木质纤维原料预处理的方法主要有物理法、化学法、生物法等，其中蒸汽爆破预处理方法是近年来研究应用较多的一种方法。蒸汽爆破是直接用高压水蒸气对木质纤维素原料进行蒸煮，然后瞬间释放至常压而产生爆破效果。蒸汽爆破预处理能实现木质纤维素原料的组分分离和结构改变，从而进一步提高原料的酶水解效率[9-12]。

由于酸性电解水同时具备酸性和较强的氧化性，并且具有成本低廉、绿色环保等优点[13-15]。在之前的研究中通过高温高压酸性电解水来处理玉米秸秆（160～180℃），结果发现强酸性电解水对半纤维素的降解具有明显的促进作用，能够高效去除秸秆中的半纤维素，同时提高剩余纤维素的酶解效果[16]。本研究采用强酸性电生功能水对灵芝废段木进行爆破处理，以半纤维素去除率以及纤维素损失率为指标，优化处理工艺，确定最佳处理条件，实现灵芝废段木的高值化利用。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

灵芝废段木：浙江省龙泉科达农副产品有限公司提供，为种植灵芝三年后的段木。NaCl、浓H2SO4（均为分析纯）：国药集团化学试剂有限公司；葡萄糖、木糖（均为色谱纯）、纤维素酶（300U/g）：美国Sigma公司。

1.2 仪器与设备

QBS-80汽爆工艺试验台：河南鹤壁市正道重机集团有限公司。该装置主要设备由燃气加热装置、蒸汽发生器、蒸汽爆破腔、收集腔和辅助控制系统等组成。

电解水制备装置，本实验中使用的电解槽为自制的常规双槽隔膜式电解槽，规格为40 cm×20 cm×20 cm，隔膜选用阴离子交换膜；极板为涂钌钛网，极板距离固定为10 cm；外接变压调节器，压力可调范围为0～220 V。

1.3 试验方法

1.3.1 强酸性电解水的制备

在整个电解过程中采用了恒定电流方式电解，通过调节变压调节器使得电解电流维持在0.6 A左右。电解时选择阳极室的NaCl质量浓度为0.1 g/100 mL，阴极室的NaCl质量浓度为1 g/100 mL，电解25～60 min得到pH不同的酸性电解水。

1.3.2 酸性电解水爆破处理

灵芝废段木经粉碎后，加入不同比例酸性电解水85℃蒸煮30 min，滤去多余水分，随后考察不同爆破温度和保温时间下蒸煮过的废段木蒸汽爆破处理后的组分溶出情况及酶解效果。

1.3.3 灵芝废段木的成分分析

准确称取灵芝废段木粉末0.3 g放入试管中，加入3 mL 72%硫酸溶液，漩涡混合。将试管放入30℃水浴锅中保持60 min，每隔5～10 min漩涡混合一次；然后将试管从水浴锅中取出，加入去离子水将硫酸浓度由72%稀释到4%，放入灭菌锅中121℃保持1 h，抽滤。高效液相色谱（high performance liquid chromatography，HPLC）法测定其中的葡萄糖和木糖含量，用于计算样品中纤维素和半纤维素的含量；滤渣105℃干燥至恒质量后测定样品中酸不溶木质素含量。纤维素和半纤维素含量计算公式如下：

式中：C1为HPLC测得的葡萄糖质量浓度，mg/mL；C2为HPLC测得的木糖质量浓度，mg/mL；V为反应体系总体积，mL；0.9为葡萄糖转化为纤维素的系数；0.88为木糖转化为半纤维素的系数；m为待测样品干物质含量，mg。

1.3.4 蒸汽爆破原料酶解

准确称取4.0 g（干质量）爆破废段木试样，及80 mL 0.05 mol/L pH4.8柠檬酸缓冲液，加入三角摇瓶，纤维素酶加量20 FPU（以1 g底物计）酶解体系固液比1∶10（g∶mL），酶解糖化条件为50℃、水浴摇床转速160 r/min、酶解时间72 h。酶解后，酶解液离心，取上清液通过高效液相色谱法测定酶解液中糖浓度，废段木原料酶解率计算公式如下：

酶解率=（0.9×m1）/m2×100%

式中：m1为酶解液中葡萄糖的质量，g；m2为底物中纤维素的质量，g。

2 结果与分析

2.1 灵芝废段木组成成分分析

选取灵芝种植一年、两年和三年的废段木进行了组分分析，结果见图1。由图1可知，随着种植年份的延长，段木中木质素的含量逐渐减少，由种植前的19.30%减少到三年后的10.20%，半纤维素的含量也逐年减少，由种植前的19.20%减少到三年后的13.60%，而废段木中纤维素含量则逐年增加，由种植前的36.83%增加到三年后的63.14%。这表明在灵芝的生长过程中，其对木质素和半纤维素的利用较多，这与文献中的报道较为一致[17]，即灵芝在生长前期以较易降解的半纤维素为其营养来源，而在生长后期通过分泌木质素降解酶系主要利用木质素来完成其生长代谢，在灵芝的整个生长过程中对纤维素的利用较少，或者基本没有利用，使得纤维素保留在段木中。

图1 废段木组成成分分析Fig.1 Components of waste cut-log

2.2 爆破处理条件优化单因素试验

在液固比为30∶1（mL∶g）、爆破温度为160℃、爆破时间为60 s的条件下，不同pH值（1.6、1.8、2.0、2.2）酸性电解水预煮废段木后爆破处理结果见图2a。从图2a可以看出，随着酸性电解水pH的降低，酸水爆破处理灵芝废段木后，半纤维素的去除率逐渐升高。当酸水pH值为2.2时，半纤维素的去除率仅为61.99%。随着pH降低到2.0，半纤维素的去除率增加为80.77%。当进一步降低酸水pH值至1.6时，半纤维素的去除率迅速提高至92.36%。同样随着酸水pH的降低，纤维素损失率逐渐升高，由pH 2.2时的12.24%逐渐升高至pH1.6时的23.21%。由此可以看出随着酸性电解水pH的降低，半纤维素去除率提高的同时也伴随着越来越多的纤维素损失。

图2 酸水爆破处理单因素试验结果Fig.2 Single factor experiments results of acid electrolyzed water explosion pretreatment

在酸水pH为2.0、爆破温度为160℃、爆破时间为60 s的条件下，考察了液固比分别为20∶1、30∶1、40∶1、50∶1（mL∶g）时的处理效果，结果见图2b。从图2b可以看出，随着液固比的增加，半纤维素去除率逐渐升高，在液固比从20∶1（mL∶g）升至40∶1（mL∶g）时，半纤维素去除率显著增加，在液固比为40∶1（mL∶g）时，半纤维素去除率高达87.76%；继续增大液固比至50∶1（mL∶g）时，半纤维素去除率增速变缓。纤维素的损失率随液固比的增加而增加，在液固比为20∶1（mL∶g）时，纤维素损失率最小，为13.74%，当液固比升至50∶1（mL∶g）时，纤维素的损失率升高至21.35%。

在酸水pH为2.0、液固比为30∶1（mL∶g）、处理时间为60 s的条件下，考察了爆破温度分别为140℃、160℃、180℃、200℃时的处理效果，结果见图2c。从图2c可以看出，随着爆破温度的升高，半纤维素的去除率明显升高，由140℃时的68.12%升高至200℃时的96.83%，由此说明高温爆破处理可以明显促进半纤维素溶出。但是由于爆破温度的不断升高，纤维素的损失率也在不断增大，在160℃时最低为6.4%，当爆破温度升高到200℃时，损失率为32.05%。

在酸水pH为2.0、液固比为30∶1、爆破温度为180℃的条件下，考察了爆破时间分别为30 s、60 s、90 s、120 s时的处理效果，结果见图2d。从图2d可以看出，随着爆破时间的延长，半纤维素和纤维素的去除率均显著增加。当爆破时间为30 s时，半纤维素的去除率为66.83%，纤维素损失率为8.84%；当爆破时间延长至120 s时，半纤维素去除率为94.41%，而此时纤维素损失率升高为24.26%。

2.3 爆破处理条件正交试验优化

在单因素试验的基础上，选取酸水pH、爆破温度、爆破时间和液固比4个因素对爆破处理灵芝废段木条件进行优化，以半纤维素去除率和纤维素损失率综合指标（按半纤维素去除率∶纤维素损失率=7∶3的权重计算所得）为评价指标，正交试验因素与水平见表1，结果与分析见表2。

表1 爆破条件优化正交试验因素与水平Table 1 Factors and levels of orthogonal tests for blasting conditions optimization

由表2可以看出，考察综合指标时，影响酸性电解水处理灵芝废段木效果的主次因素依次是温度＞pH＞爆破时间＞液固比，最优条件组合为A1B3C2D1，即酸性电解水爆破温度180℃、pH1.8、爆破时间60 s、预煮液固比为20∶1（mL∶g）。在此最佳条件下进行3次验证试验，半纤维素的去除率为94.20%，此时纤维素损失率为12.57%。利用两步酸水解法测定了上述最优方案处理后的灵芝废段木残渣中各组分含量，结果表明在此条件下处理废段木后，残渣中纤维素含量可高达82.75%，半纤维素含量低至1.30%。

表2 爆破条件优化正交试验结果与分析Table 2 Results and analysis of orthogonal tests for blasting conditions optimization

2.4 爆破处理废段木酶解效果

选取灵芝种植前段木、种植后废段木及酸水爆破处理的废段木原料，通过纤维素酶酶解，考察其酶解效率的差异，结果见图3。从图3可以看出，酸水爆破处理废段木样品酶解率达86.40%，明显高于未经爆破处理的废段木样品，表明爆破处理可以充分破坏纤维素内部结晶结构，利于酶解过程纤维素酶的酶解利用。

图3 不同段木原料纤维素酶酶解效果Fig.3 Hydrolysis effect of different waste cut-log samples using cellulase

3 结论

基于酸性电解水蒸汽爆破预处理灵芝种植废段木组分溶出及酶解效果的考察，通过单因素试验及正交试验确定了反应的最优条件，并在此基础上进行了酶解效果考察验证。结果表明温度、时间、酸性电解水pH值都是影响处理效果的主要因素，酸性电解水蒸汽爆破处理灵芝废段木的最佳条件为爆破温度180℃、酸性电解水pH 1.8、爆破时间60 s、预煮液固比为20∶1（mL∶g），此时半纤维素的去除率为94.20%，纤维素的溶出率为12.57%；经酸性电解水爆破处理后酶解率达86.40%，分析其主要原因可能是由于强酸性电解水爆破处理能够有效破坏灵芝废段木纤维素结晶状态，从而明显提高了纤维素酶酶解效果。酸性电解水爆破前蒸煮使得酸性水浸透段木组织内部，高温高压环境下，在酸性电解水强酸性和强氧化作用下，半纤维素降解为可溶性聚糖或单体溶出，随后瞬间爆破使得组织内部液态瞬间汽化破坏残留纤维素的结晶结构，提高纤维素酶的酶解效率，整个过程能耗低、无其他试剂添加，利于工业化推广应用。

[1]张海娟，曹隆枢，叶少青.段木灵芝优质高产栽培技术[J].浙江农业科学，2004（3）：136-139.

[2]魏银初，班新河，李久英，等.段木灵芝模式化栽培技术[J].食用菌，2010（2）：46-47.

[3]杜甫佑.白腐菌木质纤维素降解次序研究[D].武汉：华中科技大学，2004.

[4]谢文化，祝智胜，朱明军.温和碱法预处理甘蔗渣分步糖化乙醇发酵的研究[J].现代食品科技，2014，30（8）：169-174.

[5]陈泊涛.采用浓硝酸和酶处理后麦麸成分的变化规律研究[J].现代食品科技，2011，27（2）：139-143.

[6]URSULA F R,DAVID C,ROBERTO C G,et al.Lignocellulose pretreatment technologies affect the level of enzymatic cellulose oxidation by LPMO[J].Green Chem,2015,17:2896-2903.

[7]ZHU J Y,PAN X J.Woody biomass pretreatment for cellulosic ethanol production:technology and energy consumption evaluation[J].Bioresource Technol,2010,101(13):4992-5002.

[8]CHEW J J,DOSHI V.Recent advances in biomass pretreatment-Torrefaction fundamentals and technology[J].Renew Sustain Energ Rev, 2011,15(8):4212-4222.

[9]李光磊，张国丛，刘本国，等.蒸汽爆破处理对籼米淀粉分子结构的影响[J].现代食品科技，2014，30（7）：136-141.

[10]PABLO A,MAR A J N,IGNACIO B,et al.Steam explosion for wheat straw pretreatment for sugars production[J].Bioethanol,2016,2:66-75.

[11]LIU Z H,QIN L,PANG F,et al.Effects of biomass particle size on steam explosion pretreatment performance for improving the enzyme digestibility of corn stover[J].Ind Crop Prod,2013,44:176-184.

[12]CHEN W H,CHIACHIN T,LIN C F,et al.Pilot-scale study on the acid-catalyzed steam explosion of rice straw using a continuous pretreatment system[J].Bioresource Technol,2013,128:297-304.

[13]裴海生，孙君社.强电解水及其在食品工业中的应用[J].中国食品学报，2011，11（9）：268-271.

[14]蔡程烨,张京声，裴海生，等.酸性电生功能水的强化及其预处理玉米秸秆效果[J].农业工程学报，2011，27（2）：149-153.

[15]PEI H S,LIU L,ZHANG X Q,et al.Flow-through strongly acidic electrolyzed water pretreatment enhances hemicellulose removal and enzymatic hydrolysis of corn stover[J].Bioresource Technol,2012,110: 292-296.

[16]PEI H S,SUN J S,LIU L,et al.Pretreatment of corn stover by acidic electrolyzed water for enhancing hemicellulose degradation[J].J Biobase Mat Bioenerg,2011,5:403-408.

[17]吕明亮，应国华，斯金平，等.基质对段木灵芝栽培外观与产量的影响[J].中国食用菌，2008，27（5）：22-24.

Effect of acid electrolyzed water explosion pretreatment onGanoderma lucidumwaste cut-log

PEI Haisheng1,WANG Minjing1,YIN Teng2,ZHANG Xiuqing2,SUN Junshe1*(1.Chinese Academy of Agricultural Engineering,Beijing 100125,China; 2.College of Food Science and Nutritional Engineering,China Agricultural University,Beijing 100083,China)

With the continuous development ofGanoderma lucidumindustry,a large number of waste cut-log was produced due to the cultivation of G.lucidumevery year.Based on the analysis of waste cut-log components,the process of steam explosion pretreatment of waste cut-log with acid electrolysis water was studied.Taking hemicellulose removal rate and cellulose loss rate as evaluation index,the optimum reaction conditions were determined by single factor tests and orthogonal tests as follows:electrolysis water pH 1.8,explosion temperature 180℃,time 60 s,precook liquid-solid ratio 20:1(ml:g).Under these conditions,the hemicellulose removal rate was 94.20%,cellulose leaching rate was 12.57%,and finally cellulose enzymolysis rate can reach 86.40%.The results showed that using strong acidic electrolyzed water explosion treatment ofG.lucidumwaste cut-log can effectively destruct the crystalline state of celulose,enhance the enzymatic hydrolysis.

waste cut-log;acid electrolyzed water;steam explosion;cellulose;hemicellulose

TQ353.6

0254-5071（2017）01-0079-04

10.11882/j.issn.0254-5071.2017.01.016

2015-08-25

国家自然科学基金(21176247)

裴海生(1981-)，男，工程师，博士，研究方向为生物质资源综合利用。

*通讯作者：孙君社(1961-)，男，教授，博士，研究方向为生物技术与酶工程。