玉米秸秆纤维素降解处理方法研究

张玲秀 董社琴

摘 要：为了充分利用农业玉米秸秆资源用于饲料和食品等工业，该文采用物理处理法（微波、超声波），化学处理法（硫酸、氢氧化钠），生物处理法（纤维素酶、粗糙脉胞霉）对玉米秸秆纤维素进行降解处理。结果表明，不同处理方法葡萄糖量增加分别为：微波处理11.92%、超声波处理12.85%、酸处理（pH=2）86.94%、碱处理（pH=10）37.97%、纤维素酶处理333.50%，粗糙脉胞霉处理116.32%。综合考虑各方法的能源消耗、环境污染、成本等问题，利用粗糙脉胞处理是可行的，通过进一步优化预处理和发酵条件有望用于工业实践中。

关键词：玉米秸秆；纤维素降解；粗糙脉胞霉；预处理

中图分类号 S216.2 文献标识码 A 文章编号 1007-7731（2018）03-04-0014-3

Abstract： In order to make full use of agricultural corn stalk resources in the feed and food industry，this paper adopted the physical treatment method，microwave，ultrasonic），chemical processing method （sulfuric acid，sodium hydroxide），biological treatment （cellulose enzyme，Neurospora crassa） for degradation of corn straw stalk fiber respectively.As a result of glucose，the different processing methods are： microwave treatment，ultrasonic treatment，11.92% and 12.85% ，86.94% （pH = 2），acid treatment，alkali treatment （pH = 10） were 37.97%，333.50% cellulase treatment，116.32% Neurospora crassa processing，considering the method of energy consumption，environmental pollution，the problem such as cost，Neurospora crassa process is feasible，through further optimization of pretreatment and fermentation conditions is expected to be used in industrial practice.

Key words： Straw；Cellulose degradation；Aspergillus aspergillus；Pretreatment

当今，不可再生资源日益减少，开发和利用新型可再生资源具有重要意义，其中生物可再资源主要为地球上每年产生的植物秸秆，由于其具有的热量低，回收利用成本高的缺陷，一直没有得到足够的重视。我国为农业大国，每年产生的秸秆不仅没有得到很好的利用，而且被随意焚烧引起环境污染[1]。农业秸秆可利用的用途很多，如造纸、沼气等，但如果将其纤维素降解为葡萄糖即可用于食品、饲料等产业，可能具有更大的利用价值[2]。为此，本实验以先玉335玉米秸秆为材料，利用物理、化学、酶法、粗糙脉胞霉法分别进行降解处理，比较各处理方法的利弊。

1 材料与方法

1.1 材料 （1）玉米秸秆（山西省忻州市忻府区）、粗糙脉胞霉（本实验室筛选保存）。（2）玉米秸秆培养基：玉米秸秆粉末2g；NaNO3 0.3g；K2HPO4 0.1g；MgSO4·7H2O 0.5g；KCl 0.05g；FeSO4·7H2O 0.001g，蒸馏水定容至100mL；分装后在1×105Pa条件下灭菌30min[3]。（3）3，5-二硝基水杨酸试剂（DNS试剂）：将6.3g 3，5-二硝基水杨酸和262mL 2mol/L NaOH溶液，加到500mL含有185g酒石酸钾钠的热水溶液中，再加5g苯酚和5g Na2SO3，搅拌溶解。冷却后加蒸馏水定容至1000mL，贮于棕色瓶中备用。

1.2 方法

1.2.1 葡萄糖标准曲线的测定 标准曲线的制作：取25mL刻度試管，按下表配制一系列不同浓度的葡萄糖标准液。将各管摇匀，在沸水浴中加热5min，取出后立即冷却至室温，再以蒸馏水定容至25mL，混匀。在540nm波长下，用0号管调零，分别读取1～6号管的OD值。以OD值为纵坐标，葡萄糖含量（mg）为横坐标，绘制标准曲线。

1.2.2 物理处理法 （1）微波处理法：称1g的秸秆粉末放入含有25mL的80%乙醇的烧杯里，把烧杯放入微波炉（600W）里进行处理，5min后取出，冷却至室温后过滤，把所得的滤液用80%乙醇定容到35mL。（2）超声处理法：称1g的秸秆粉末放入含有25mL的80%乙醇的塑料离心管里，把塑料管放入超声波（21KHz）里进行降解，间隔0.2s，5min后取出，过滤，将滤液用80%乙醇定容至35mL。

1.2.3 化学处理法 （1）酸处理方法：把6个烧杯编号为1～6，分别往烧杯里加入1g秸秆粉末和25mL的80%乙醇，然后用pH计和1mol/L的硫酸滴定pH分别为1、2、3、4、5、6的溶液。（2）碱处理方法：把7个烧杯编号为1～7，分别往烧杯里加入1g秸秆粉末和25mL的80%乙醇，然后用1mol/L的氢氧化钠分别滴定，并同时用pH计测定其pH，最终分别为8、9、10、11、12、13、14。以上2方法所得溶液在70°C下进行水浴加热30min，取出，过滤，将过滤后的液体用80%乙醇都定容至15mL。

1.2.4 生物处理法 （1）纤维素酶法：往装有1g秸秆粉末的烧杯加入1.5g的纤维素酶[4]、22mL的蒸馏水和3mL柠檬酸缓冲液（pH=4.8），然后在50°C下水浴震荡加热2h，取出过滤，用80%乙醇定容至40mL。（2）粗糙脉胞霉处理法：菌种在PDA试管斜面活化3次后，接种于玉米秸秆培养基中，在25°C振荡培养7d，取发酵液用于葡萄糖含量测定。

1.2.5 葡萄糖含量测定 以上不同秸秆处理后滤液各取2mL分别加到含有1.5mL DNS的试管中，然后沸水浴5min后立即取出冷却至室温，再用蒸馏水定容到25mL，混匀，在紫外分光光度计540mm波长下测OD值，按以下公式计算其產量。计算公式如下：

葡萄糖产量=提取液浓度（mg/mL）×稀释倍数×提取液体积

2 结果与分析

2.1 葡萄糖标准曲线 由图1可知，标准曲线线性良好，R2大于99%，可用于以下葡萄糖测定。

2.2 物理处理 微波诱导粒子移动或者旋转，导致极性粒子产生偏振现象，使分子间发生摩擦，产生热量，分子转变为自由基，使纤维素生成葡萄糖。高能量超声波作用于液体时会产生空化作用，在负压的作用下液体中会产生微小气泡。超声波处理可以使大分子发生解聚，空化作用能够打断聚合物的分子之间的连接。超声波降解方法使纤维素物质的聚合度、结晶度降低，比表面积增大。如表2所示，经过微波处理降解玉米秸秆所得的葡萄糖量为31.54mg，而对照组所得葡萄糖量为28.18mg，相比对照组多了11.92%。超声波处理葡萄糖量为31.8mg，比对照组多3.62mg，相对于对照组多了12.85%。

2.3 化学处理 纤维素中的1，4-β-苷键具有缩醛键的性质，对酸敏感，当酸作用于纤维素时，纤维素苷键容易断裂，聚合度降低。碱性试剂会引起溶胀作用，增加了纤维素的比表面积，降低了纤维素的聚合度和结晶度，切断木质素结构。所以利用酸碱环境下，玉米秸秆会一定程度降解为葡萄糖等。如图2所示，随着pH的降低，葡萄糖含量呈增加趋势，pH=2时所降解的葡萄糖量最多，为52.68mg，而对照组为28.18mg，相对于对照组多了86.9%。因此，用酸降解玉米秸秆纤维素最适合的pH值为pH=2。如图3所示，pH 8～10所得的葡萄糖量的基本趋势是上升的，而pH 10～14趋势是下降，所以降解纤维素最适pH值是10。在pH=10时降解纤维素所得的葡萄糖量为38.88mg，相对于对照组多38%。因此，碱降解玉米秸秆纤维素最适合的pH值为10。

2.4 生物处理 纤维素酶是能够将纤维素降解为葡萄糖的一系列酶的总成，降解纤维素需要多组分纤维素酶的协同作用。如表3所示，用纤维素酶降解纤维素所得的葡萄糖总含量为122.16mg，比对照组降解所得的葡萄糖总含量多93.98mg，相对于对照组多333.50%。粗糙脉胞霉是一种产纤维素酶真菌，所产酶具内切型葡聚糖酶、外切型葡聚糖酶和β-葡聚糖苷酶的活性，因而具有很高的开发潜能，其处理后葡萄糖量增加了116.32%。

3 讨论

目前，国内外针对秸秆纤维素的降解处理方法研究很多，但针对不同来源植物秸秆纤维由于其所含成分的不同，效果不同。本文针对忻州地区玉米秸秆降解开展了研究，通过物理、化学和生物的方法分别对其进行处理，旨在开发环保、节能方法对其再利用。

物理方法如微波和超声波降解具有操作简易，反应时间快的优点，但是该法突出的缺点是获得率低，且需要较高的能量和助力，增加生产的成本。

化学酸碱法法最大的优点是水解完全，反应速率高，但是由于酸水解对反应设备腐蚀性大，同时产生的酸废水，对环境污染严重。如果水解条件苛刻（高温、高酸浓度），大部分的糖会被水解成其他产物，如糠醛、5-羟甲基糠醛和焦油，不利于糖产物的回收[5]，在pH14时，几乎没有葡萄糖产物降解纤维素，其可能是在强碱条件下葡萄糖被水解成其他产物了，这还需要进一步验证。

纤维素酶降解方法的优点是能源消耗低，是专一性很强的催化剂，但酶分子体积庞大，很难越过半纤维素和木质素的障碍，与纤维素紧密结合，所以进行该方法的反应时间长，且纤维素酶价格较贵，目前还不能应用于实践。

产纤维素霉菌（如粗糙脉胞霉）降解方法的优点是能源消耗小，仪器设备需求低，可常温开展发酵，不仅可以获得葡萄糖、乙醇等产物，而且还可以通过菌种基因改造产其他有益产物，如生物油、优质蛋白等。可见其具有很好的应用和研究前景。

参考文献

[1]杨林丽.纤维素降解菌筛选及混合菌种纤维素降解能力测定[D].杨凌：西北农林科技大学，2013.

[2]Masohiro N，Masahiro G，Hirofumi O，et al.L-Sorbose induces cellulase gene trasciption in the cellulolytic fungus Triboderm a reesei[J].Curr Genet，2001，38：329-334.

[3]张玲秀，温雪梅，郑小妹，张薇.降解玉米秸秆纤维素真菌的筛选及产油特性的研究[J].安徽农学通报，2012，18（17）：47-49.

[4]Rizzatti AcS，Jorge J A，Terenzi H F，et al.Purificationand properties of a themostable extracellular β-d-xylosidase produced by a thermotolerant Aspergillus phoenicis[J].Jorunal of Industrial Microbiology and Biotechnology，2001，26：156-160.

[5]袁丽，陈振华，刘选明.球磨结合稀酸真菌和超声处理法降解木质纤维素的研究[D].长沙：湖南大学，2012：12-16.

（责编：张宏民）