初始含水量对蒸汽爆破实现玉米芯半纤维素分离与纤维素酶水解的影响

王风芹， 肖元玺， 仝银杏， 谢 慧， 杨 森， 宋安东

(河南农业大学生命科学学院，农业部农业微生物酶工程重点实验室，河南 郑州 450002)

初始含水量对蒸汽爆破实现玉米芯半纤维素分离与纤维素酶水解的影响

王风芹， 肖元玺， 仝银杏， 谢 慧， 杨 森， 宋安东

(河南农业大学生命科学学院，农业部农业微生物酶工程重点实验室，河南 郑州 450002)

研究了玉米芯初始含水量对蒸汽爆破实现玉米芯半纤维素分离和纤维素残渣酶水解的影响。结果表明，当蒸汽爆破过程中玉米芯初始含水量为0.6 g·g-1玉米芯时，木糖和木聚糖的总产量达到最大225.8 g·kg-1玉米芯，半纤维素的回收率为74.34%。当玉米芯初始含水量为0.2 g·g-1时，蒸汽爆破玉米芯纤维素残渣酶水解后的总糖和葡萄糖浓度最高，分别为81.84和68.18 g·L-1，玉米芯中纤维素的回收率和残渣中纤维素转化率均达到最高，分别为57.31% 和74.79%。低水分含量同时导致甲酸、乙酸、糠醛和5-羟甲基糠醛等有毒物质含量的急剧增加。

玉米芯；蒸汽爆破；含水量；半纤维素；纤维素；回收率

随着环境污染与能源危机的日益加重，木质纤维素类生物质的利用在全球范围内受到了广泛关注。中国是一个农业大国，玉米的产量和种植面积仅次于美国而居于世界第二。2013年中国的玉米产量已经达到21 848.9万t[1]，玉米芯的产量约为3 714.313万t。玉米芯主要含有纤维素、半纤维素、木质素、灰分及少量含氮化合物，其中含半纤维素30%～35%(木聚糖型半纤维素约30%)[2-3]，纤维素40%～45%，木质素 10%～20%，是可用性及潜在价值非常高的木质纤维素资源。玉米芯利用的最高期望是对其不同组分进行分离，实现高效的结构拆分和高价值的功能化利用，预处理是实现这一期望的最为关键性步骤。预处理可以将玉米芯中半纤维素大量降解，通过其产物木糖、木聚糖等溶出回收生产高附加值产品；玉米芯纤维素残渣经酶水解得到可发酵葡萄糖，用于乙醇、丁醇等生物基燃料生产。因此，寻找一种经济可行的预处理方式成为玉米芯利用关注的焦点。蒸汽爆破是一种绿色、高效的生物质预处理技术，已被广泛应用于生物质预处理过程。在蒸汽爆破促使生物质结构解聚的过程中，水分作为蒸汽爆破过程的唯一作用介质，具有反应剂、溶出剂、缓冲剂和传热介质等作用，与物料爆破效果密切相关[4-7]。蒸汽爆破过程物料的初始水分含量影响材料的溶胀和蒸汽的渗透以及降解产物的溶出，从而影响原料组成变化和结构重组，最终影响酶水解的程度。此外，水作为唯一的传输介质参与蒸汽爆破过程，其消耗量也影响着产品的成本和工业经济可行性[8-10]。因此，研究蒸汽爆破过程中水分含量对木质纤维素结构解聚及组分分离和利用的影响具有重要的理论意义与实际应用价值。但关于含水率对玉米芯蒸汽爆破过程的影响及最佳水量优化的研究未见报道。本文研究了含水量对蒸汽爆破玉米芯半纤维素高效分离和高纤维素含量残渣酶水解的影响，以期为玉米芯的高效、综合生物质利用提供技术支撑。

1 材料与方法

1.1 材料

玉米芯：取自河南省林州市，粉碎至约1 cm3，75 ℃烘干，备用。玉米芯的组成成分为：纤维素(40.79±0.043)%，半纤维素(32.86±0.034)%，木质素(16.84±0.002)%。

1.2 稀硫酸前处理

取粉碎好的玉米芯，按1∶5(w/v)固液比加入质量分数0.1%的稀硫酸，置于121 ℃处理30 min，滤去水分，按照固液比1∶10(w/v)水洗，烘干备用。

1.3 蒸汽爆破处理

取稀硫酸前处理烘干后的玉米芯，按不同的初始含水量：0、0.2、0.4、0.6、0.8 g·g-1玉米芯拌蒸馏水，室温过夜。然后将其进行蒸汽爆破处理，蒸汽爆破条件为：压力1.4 MPa，保压时间300 s。收集爆破料，混匀，五点取样测含水率。

1.4 蒸汽爆破玉米芯降解产物的浸提

分别取蒸汽爆破玉米芯25 g于500 mL三角瓶，按1∶10(w/v)固液比加入蒸馏水，置于60 ℃水浴锅中，每10 min搅拌1次，1 h后抽滤，浸提2次，合并滤液即为浸提液，固体残渣部分烘干，备用。每组均为3次重复。

1.5 蒸汽爆破玉米芯浸提残渣的酶水解

取固体残渣10 g，按1∶8(w/v)固液比加入蒸馏水，调pH至4.8～5.0，纤维素酶添加量为20 FPU·g-1物料(纤维素酶，滤纸酶活为180 FPU·mL-1，购自尤特尔生物工程公司)，置于48 ℃、120 r·min-1下进行酶水解，每12 h取样，8 000 r·min-1离心取上清液备用。

1.6 分析方法

1.6.1 液体成分分析 葡萄糖、木糖和阿拉伯糖、甲酸和乙酸含量测定：采用P680高效液相色谱(Diodex)进行测定，RI101示差折光检测器(Shodex)；氢离子交换色谱柱Aminex HPX-87H；流动相为0.005 mol·L-1的H2SO4，流速0.6 mL·min-1，柱温 55 ℃。木聚糖、葡聚糖和阿拉伯聚糖的测定：取3 mL浸提液回收液于10 mL离心管中，加入3 mL 8%硫酸，置于灭菌锅中121 ℃，处理20 min[11]，通过酸解前后糖含量差进行计算。5-羟甲基糠醛和糠醛的测定：Waters 2695高效色谱仪，Waters 2489紫外检测器；流动相：A：1%乙酸，B：甲醇，梯度洗脱：0～15 min，72% A；15～25 min，53% A；流速0.6 mL·min-1；柱温30 ℃；检测波长为280 nm；进样量10 μL。

1.6.2 固体组分的分析 玉米芯经预处理及浸提后所剩固体残渣的组成成分含量用美国国家能源部可再生能源实验室(NREL)法计算[12-13]。

2 结果与分析

2.1 不同含水量对玉米芯蒸汽爆破后可溶性组分的影响

在蒸汽爆破前对玉米芯进行稀硫酸前处理，并经过水洗，以去除一些灰分和果胶等杂质，此过程中玉米芯的保留率为96.85%，而木糖、葡萄糖、总糖损失率分别为0.91%、0.70%和2.35%。蒸汽爆破过程玉米芯的保留率为85.83%，不同含水量的玉米芯经蒸汽爆破后，水浸提液中各种糖的产量见表1和表2，木糖、木聚糖得率及半纤维素回收率见图1。随着蒸汽爆破玉米芯初始含水量的增加，浸提液中木糖含量逐渐降低，木聚糖含量先升高后降低，当初始含水量为0.6 g·g-1玉米芯时，木糖和木聚糖的产量分别为82.4和143.4 g·kg-1玉米芯，半纤维素的回收率达到最高73.34%(表1)。而甲酸、乙酸、5-羟甲基糠醛和糠醛产量在初始含水量>0.2 g·g-1玉米芯后大幅降低(表2)。表明当玉米芯初始含水量超过0.2 g·g-1玉米芯时，其缓冲作用有明显效果，降低了副产物的生成。

表1 不同初始含水量玉米芯蒸汽爆破后的糖产量Table 1 Sugar production from corncob pretreated with steam explosion with different initial water content g·kg-1

表2 不同初始含水量玉米芯蒸汽爆破后有毒物质的产量Table 2 Microbial inhibitor production from corncob pretreated with steam explosion with different initial water content g·kg-1

图1 不同初始含水量玉米芯蒸汽爆破后半纤维素回收率及木糖和木聚糖的得率Fig.1 Hemicellulose recovery rate, xylose and xylan yield of corncob pretreated with steam explosion with different initial water content

2.2 含水量对玉米芯蒸汽爆破后水不溶性固相组分的影响

蒸汽爆破玉米芯不溶性固相残渣的主要组成成分测定结果如表3所示。在玉米芯初始含水量为0～0.8 g·g-1含量范围内，玉米芯固相的保留率为534.8%～561.6%；随着含水量的升高，木质素的降解程度逐渐增加，半纤维素的破坏程度逐渐降低；初始含水量对纤维素的降解差异不显著。

表3 不同初始含水量玉米芯蒸汽爆破后三素剩余量Table 3 Residual quantity of cellulose, hemicellulose and lignin in corncob after steam explosion with different initial water content g·kg-1

2.3 不同含水量对玉米芯蒸汽爆破后残渣纤维素酶水解的影响

玉米芯蒸汽爆破后水不溶性固体酶解液主要成分如图2和图3所示。随着酶解时间的延长，各组酶水解液的葡萄糖和总糖含量均逐渐增加，在72 h达到最大；初始水分质量分数为0.2 g·g-1时，总糖和葡萄糖浓度最高分别为81.84和68.18 g·L-1。此时，残渣中纤维素的水解率为74.79%，玉米芯中纤维素的回收率为57.31%。

3 结论与讨论

图2 不同初始含水量玉米芯蒸汽爆破后残渣纤维素酶水解结果Fig.2 Enzymatic hydrolysis of residue from corncob pretreated with steam explosion with different initail water content

图3 不同初始含水量玉米芯蒸汽爆破及酶水解后纤维素回收率及残渣纤维素转化率Fig.3 Cellulose recorvery rate of corncob and cellulose recovery rate of corncob residual after steam explosion and enzymatic hydrolysis with different initail water content in corncob

蒸汽爆破过程中水分对半纤维素的降解有抑制作用，对木质素的降解起促进作用，对降解产物的溶出起促进作用，对甲酸、乙酸、5-羟甲基糠醛和糠醛等副产物的生成起抑制作用。初始含水量为0.6 g·g-1的玉米芯经蒸汽爆破后半纤维素回收率最高为74.34%；玉米芯初始含水量为0.2 g·g-1有利于玉米芯纤维素残渣的酶水解，但同时导致有毒物质的大量生成。

本研究中半纤维素的回收率随着玉米芯含水量的增加先升高后降低，因为水分的存在使得木质纤维素因吸水而逐渐膨胀，有利于木质纤维素的疏松[14-15]，在高温环境中水解离的氢离子及半纤维素侧链降解产生的少量乙酸催化玉米芯生物质的降解，生成的可溶性物质溶于水，从原来的结构上脱落下来[16]，因此，随着水分含量的增加，这种作用会越来越明显。同时，水分由于能够在气相和液相之间相互转化，其能够由于含量不同而使得两相比例不同，少量的水分在高温时，转化为水蒸汽，在木质纤维素缝隙发挥作用，使得整体焓值升高，增强了爆破对物料组分分离的有效性，这有利于增加后续纤维素酶与物料的可及性，增强酶解效果[17-18]。

然而，在蒸汽爆破过程中，当水分含量达到某个值后，继续增加水分含量会导致组织间隙被液态水充斥，阻止了高温气态水分子在组织间的传导作用[19]，过多的水分自身不能充分汽化，又不利于汽相的渗入，延缓甚至会降低蒸汽对木质纤维素爆破的撕裂作用，降低了蒸汽爆破对木质纤维素的破坏作用，同时纤维素、半纤维素的降解产物如葡萄糖、木糖、阿拉伯糖等进一步降解为甲酸、乙酸、5-羟甲基糠醛和糠醛等物质的量也逐渐下降。

本研究对于蒸汽爆破玉米芯的水溶性成分测定和残渣酶解效果评价表明，较高的水含量有利于半纤维素的分离回收，而纤维素酶水解效果在水含量较低时相对较好。因此，利用蒸汽爆破技术研究或生产玉米芯产品时，可以根据对于产品的倾向性选择不同的水分含量。

[1] JACQUET N, MANIET G., VANDERGHEM C, et al. Application of the steam explosion as pretreatment on the lignocellulosic material: a review[J]. Industrial and Engineering Chemistry Research, 2015, 54(10): 2593-2598.

[2] WOOD I P, ELLISTON A, COLLINS S R A, et al. Steam explosion of oilseed rape straw: establishing key determinants of saccharification efficiency[J]. Bioresource Technology, 2014, 162: 175-183.

[3] RYDEN P, GAUTIER A, WELLNER N, et al. Changes in the composition of the main polysaccharide groups of oil seed rape straw following steam explosion and saccharification[J]. Biomass and Bioenergy, 2014, 61(1): 121-130.

[4] ALVIRA P, TOMS-PEJE, BALLESTEROS M, et al. Pretreatment technologies for an efficient bioethanol production process based on enzymatic hydrolysis: a review[J]. Bioresource Technology, 2010, 101(13): 4851-4861.

[5] KRISTENSEN J B, FELBY C, JØRGENSEN H. Yield-determining factors in high-solids enzymatic hydrolysis of lignocellulose[J]. Biotechnology for Biofuels, 2009, 2(1): 11.

[6] BERRY S L, RODERICK M L. Plant-water relations and the fibre saturation point[J]. New Phytologist, 2005, 168(1): 25-37.

[7] ZHANG Y, CHEN H. Multiscale modeling of biomass pretreatment for optimization of steam explosion conditions[J]. Chemical Engineering Science, 2012, 75: 177-182.

[8] SUI W, CHEN H. Water transfer in steam explosion process of corn stalk[J]. Industrial Crops and Products, 2015, 76: 977-986.

[9] 陈洪章, 刘丽英. 蒸汽爆碎技术原理及应用[M]. 北京：化学工业出版社, 2007.

[10] SUI W, CHEN H. Study on loading coefficient in steam explosion process of corn stalk[J]. Bioresource Technology, 2015, 179: 534-542.

[11] FAN X, CHENG G, ZHANG H, et al. Effects of acid impregnated steam explosion process on xylose recovery and enzymatic conversion of cellulose in corncob[J]. Carbohydrate Polymers, 2014, 114: 21-26.

[12] 张红漫, 郑荣平, 陈敬文, 等. NREL法测定木质纤维素原料组分的含量[J]. 分析试验室,2010(11): 15-18.

[13] HYMAN D, SLUITER A, CROCKER D, et al. Determination of acid soluble lignin concentration curve by UV-vis spectroscopy; laboratory analytical procedure (LAP)[R]. NREL Technical Report NREL, 2007.

[14] 闫军, 冯连勋. 蒸汽爆破技术的研究[J]. 现代农业科技, 2009 (11): 278-280.

[15] TAN T S, CHIN H Y, TSAI M L, et al. Structural alterations, pore generation, and deacetylation of α-and β-chitin submitted to steam explosion[J]. Carbohydrate polymers, 2015, 122: 321-328.

[16] COTANA F, BURATTI C, BARBANERA M, et al. Optimization of the steam explosion and enzymatic hydrolysis for sugars production from oak woods[J]. Bioresource Technology, 2015, 198: 470-477.

[18] 郝晓峰, 刘文金, 李贤军, 等. 梓木蒸汽爆破过程传热数值模拟初探[J]. 中南林业科技大学学报, 2014, 34(12): 146-150.

[19] KANG K E, PARK D H, JEONG G T. Effects of inorganic salts on pretreatment of miscanthus straw[J]. Bioresource Technology, 2013, 132: 160-165.

Effectofcorncobinitialwatercontentonhemicelluloseseparationandcelluloseenzymatichydrolysispretreatedwithsteamexplosion

WANG Fengqin， XIAO Yuanxi， TONG Yinxing， XIE Hui， YANG Sen， SONG Andong

(Key Laboratory of Enzyme Engineering of Agricultural Microbiology, Ministry of Agriculture, Life Science College, Henan Agricultural University, Zhengzhou 450002, China)

In this study, the effect of corncob initial water content for steam explosion pretreatment on hemicellulose separation and cellulose enzymatioc hydrolysis was analyzed. The results indicated that the highest total xylose and xylo-oligosaccharide yield is 225.8 g·kg-1corncob with a hemicellulose recovery rate of 74.34% when the corncob water content is 0.6 g·g-1corncob. While the highest cellulose recovery rate of corncob and cellulose conversion rate of corncob residue is 81.84 and 68.18 g·L-1, the recovery rate of cellulose in corncob and the conversion rate of cellulose in the residue reached the maximum at this condition, which were 57.13% and 74.79%, respectively with a initial water content of 0.2 g·g-1corncob. Lower water content will result in higher sharp increase in contents of poisonous substances such as formic acid, acetic acid, furfural and 5-HFM.

corncob; steam explosion; water content; hemicellulose; cellulose; recovery rate

2017-05-15

河南省高校科技创新团队基金项目(15IRTSTHN014)；河南省高等学校重点科研基金项目(15A180004)

王风芹(1976-)，女，河南安阳人，教授，博士，主要从事生物质能源工程、微生物资源开发与利用等研究。

宋安东(1972-)，男，河南洛阳人，教授，博士。

1000-2340(2017)06-0834-05

TQ 923

A

李 莹)