麦秆盐酸预处理对酶解产糖的影响

李岩岩 孙德锋 朱宜航 杨甜珍 宫贵贞

摘   要：以不同浓度的盐酸对小麦秸秆进行预处理，探究酸预处理秸秆的酸浓度、温度对小麦秸秆酶解糖化率的影响，并用DNS比色法测定还原糖。结果表明，酸预处理的酸浓度越大和预处理过程中的温度越高，产糖效果越好，0.8 mol/L HCl在80 ℃高温下处理小麦秸秆1 h，木质素去除率可达71.8%。酶解后溶液中还原糖质量浓度显著提高，达5.667 g/L。

关键词：麦秆;预处理;酶解;还原糖

随着时代的变迁、社会的日益发展，人类对能源的需求量进一步增大。我国虽领土辽阔，但油气和煤炭一类的矿物能源储存量并不丰富，能源的短缺成为我国经济快速发展的一大短板。我国是农业大国，小麦资源尤其丰富，小麦收割后产生的秸秆产量巨大，但在国内的利用效率低下。目前，我国小麦秸秆的综合利用途径主要有5种：（1）就地焚烧秸秆还田。（2）秸秆饲料。（3）作为生物质能源。（4）作为工业原料。（5）秸秆基质。木质纤维素是秸秆细胞细胞壁的主要成分，也是生产生物质能源的主要材料。木质纤维素的主要组成有纤维素、半纤维素和木质素，其中，因为纤维素本身具有晶体结构，木质素在外形成保护屏障，致使酶接近纤维素表面产生障碍，发生化学反应效率不高。故生物质原料的高效利用，首先需要通过预处理去除其中的木质素[1-3]，进一步打破纤维素的晶体结构，增加其可触面[4]。本课题以盐酸为预处理剂，对麦秆进行预处理，并考察预处理条件对酶解产糖的影响。

1    实验

1.1  材料与试剂

小麦秸秆采自江苏泰兴农田，用去离子水洗净，自然风干，经粉碎机粉碎后过60目筛。再将试样置于真空干燥箱中，于85 ℃干燥至恒重，保存于样品瓶备用，所用试剂均为市售分析纯试剂。

1.2  仪器与设备

所用主要仪器设备是上海亚荣生化仪器厂生产的RE52CS-1型旋转蒸发仪，山东鄄城华鲁电热仪器有限公司生产的DHT型搅拌调温电热套，上海贺德实验设备有限公司生产的DZF6020型真空干燥箱，紫外可见分光光度计。

1.3  方法

实验流程如图1所示。

1.3.1  预处理

准确称取几份干燥的小麦秸秆原料1.00 g，放置于200 mL烧杯中，分别加入浓度为0.2～0.8 mol/L的100 mL HCl，用超声波超声30 min后，将其置于数显恒温水浴锅中，于30～80 ℃下搅拌反应1 h，反应完毕抽滤，弃去滤液，滤渣称重分析成分后，留待下步酶解反应。

1.3.2  纤维素酶水解

取适量经过预处理的纤维素滤渣，置于250 mL碘量瓶中，配制成质量浓度为0.08 g/L的溶液，用0.1 mol/L醋酸-醋酸钠缓冲液调节至pH=4.8，酶质量浓度为39 FPU/g（底物），在60 ℃下水解，反应6 h，用冰水浴降温，离心脱色后，稀释酶解液采用DNS比色法测还原糖质量浓度。

1.3.3  还原糖质量浓度的测定

还原糖质量浓度使用UV751GD型紫外可见分光光度计测定。取6支25 mL试管，配制不同葡萄糖质量浓度的溶液。依次充分摇匀，在100 ℃水浴中加热至颜色出现，用冰水冷却，并使用去离子水稀释至刻度25 mL，再次摇晃均匀。使用UV751GD型紫外可见分光光度计在540 nm下比色，以0号管作为对照，并调零，测出1—6号试管的吸光度数值。以葡萄糖质量浓度为横坐标，吸光度值为纵坐标绘制葡萄糖标准曲线。

分别取2 mL待测液于两支25 mL刻度试管中，然后各加3，5-二硝基水楊酸1.5 mL。其余操作与制作葡萄糖标准曲线时相同。测定各管吸光度。以上述还原糖待测液的吸光度平均值，在标准曲线上查出相应的还原糖毫克数。按下式计算样品中还原糖的质量分数。

还原糖=[取样体积（mL）/样品质量（mg）]×100%

2    结果与分析

2.1  盐酸浓度对麦秆预处理的影响

图2为盐酸浓度对麦秆预处理的影响。盐酸浓度分别为0.2 mol/L、0.4 mol/L、0.6 mol/L、0.8 mol/L，于80 ℃水浴中反应1 h，测定麦秆中纤维素、半纤维素的质量分数及木质素的脱出率。从图2可知，随着盐酸浓度的增加，麦秆中的纤维素和半纤维素逐渐减少，而木质素的脱除率逐渐上升，0.8 mol/L时木质素脱出率达71.9%。盐酸主要使麦秆中的木质素发生分解，生成小分子，进入水中被去除。对纤维素和半纤维素破坏不大，保留率较高。

2.2  温度对麦秆预处理的影响

图3为盐酸浓度为0.8 mol/L，超声30 min后，分别在30 ℃、60 ℃、80 ℃水浴中继续反应1 h，麦秆中3种主要组分的质量分数情况。

从图3可知，温度对小麦秸秆的预处理效果显著。随着温度的升高，小麦秸秆的木质素脱除率逐渐增加，半纤维素和纤维素的质量分数逐渐减少。即随着温度的升高，纤维素和半纤维素也发生了不同程度的分解，使之在麦秆中的质量分数降低。

2.3  盐酸浓度和处理温度对小麦秸秆产糖的影响

盐酸浓度分别为0.2 mol/L、0.4 mol/L、0.6 mol/L、0.8 mol/L，图4为超声30 min后分别在30 ℃、60 ℃、80 ℃水浴中处理1 h，再经酶解制备还原糖的情况。

从图4可知，随着反应温度的升高和预处理所用盐酸浓度的增大，所得还原糖的量也增大，在预处理时，盐酸浓度为0.8 mol/L，在反应温度为80 ℃下进行的酶解所得产糖率达5.667 g/L。由浓度的影响和温度的影响可知，在预处理时盐酸浓度越大和反应温度越高，木质素脱除率越高，秸秆结构破坏越严重，酶解时纤维素更易于发生反应，故产糖率越高。

3    结语

用盐酸对麦秆进行预处理，考察了盐酸浓度和温度对预处理的影响，发现盐酸浓度的增大和温度的升高对纤维素、半纤维的保留率和木质素的脱除率影响愈加明显，用0.8 mol/L HCl在80 ℃高温下处理小麦秸秆1 h，木质素的去除率可达71.8%，酶解后溶液中还原糖质量浓度显著提高，达5.667 g/L。

[参考文献]

[1]曾青兰.磷酸预处理对小麦秸秆酶解糖化的影响[J].湖北农业科学，2012，51（15）：3 311-3 314.

[2]沈志强.辐照预处理提高小麦秸秆酶解产糖的研究[D].长沙：湖南大学，2008.

[3]巩桂芬，吴谙宇，朱丽娜，等.微波处理对纤维素产糖能力的影响[J].化学与粘合，2014，36（3）：188-190.

[4]路   鹏，蒋   涛，李国学.木质纤维素乙醇发酵研究中的关键点及解决方案[J].农业工程学报，2006，22（9）：237-240.