4种金属离子预处理活化小麦秸秆及糖化性能研究

李 岩，马永刚，鹿欣茹，倪小雨，顾道恒

（泰州职业技术学院，江苏 泰州 225300）

小麦秸秆内含有丰富的纤维素、半纤维素和木质素，其中纤维素作为一种丰富的可再生资源，具有良好的化学稳定性、热稳定性和生物降解性，能以不同形式再次加以利用，目前广泛应用于发酵、化工等行业中，可水解生成葡萄糖，并进一步发酵生成乳酸等产品。但是由于秸秆内结构的复杂性和稳定性，木质素和半纤维素以共价键的形式紧密相连，而纤维素就被包裹于其中，直接进行酶解糖化产率并不理想。所以合适的预处理工艺是纤维素原料大规模生产利用的关键[1]。因此为提高小麦秸秆的酶解糖化率，更大限度地利用纤维素，避免秸秆焚烧带来的环境污染和资源浪费，首先必须要破坏其原有的高度致密的结晶结构，对秸秆进行预处理操作。

本试验采用氯化钠溶液、三氯化铁、三氯化铝和氯化锌4种金属离子溶液分别预处理秸秆，分析研究处理后的的酶解还原糖产率，找出最佳的小麦秸秆预处理方式。

1 试验部分

1.1 原料和试剂

原料和试剂来源见表1。

表1 原料和试剂Tab.1 The raw materials and reagents

1.2 试验仪器

粉碎机（GR150A），合肥荣事达三洋电器股份有限公司提供；真空干燥箱（DZF-6050），上海精宏实验设备有限公司提供；数显恒温水浴锅（HH-1），常州丹瑞实验仪器设备有限公司提供；集热式恒温加热磁力搅拌器（DF-101S），巩义市予华仪器有限责任公司提供；低速离心机（TDZ5WS），长沙湘智离心机仪器有限公司提供；全空气恒温摇床（精骐ISRSV1），美国精骐有限公司提供；多功能酶标仪（infinite 200 pro），南京科麟得科学仪器有限公司提供。

1.3 试验过程

小麦秸秆原料采自泰州郊区，购入后首先在通风处进行自然风干，然后利用粉碎机粉碎，经前期研究，决定选取过60目筛部分的小麦秸秆为研究对象，105℃条件下烘干至恒重备用。分别取5 g秸秆按表2的配比进行反应。反应结束后将秸秆用蒸馏水冲洗至金属离子溶液，调节pH为中性，分别将4种金属离子处理后的溶液装于离心管中，放置于离心机中离心，3 000 r/min，10 min后取出离心管，弃上清液，将沉淀在下层的秸秆放置于真空干燥箱中105℃烘干至恒重。

表2 4种金属离子预处理秸秆反应配比Tab.2 The reaction ratio of straw pretreated with four kinds of metal ions

各组分别称取1 g预处理后的小麦秸秆放入50 mL锥形瓶中，加入0.6 g纤维素酶液和24.4 mL的pH值4.8的柠檬酸-柠檬酸钠缓冲溶液，在50℃，160 r/min的条件下，摇床中恒温酶解24 h，酶解结束后取上层清液，使用还原糖检测试剂盒，用多功能酶标仪测定纤维素酶解液中还原糖的浓度。

2 试验结果

绘制出的标准葡萄糖曲线见图1。

图1 标准葡萄糖曲线Fig.1 The standard glucose curve

将试验所得数据代入葡萄糖标准曲线，得到各组的还原糖浓度：NaCl组：23 mg/g；FeCl3组：72 mg/g；AlCl3组：31 mg/g；ZnCl2组：52 mg/g。

3 讨论

本试验研究了金属离子溶液预处理小麦秸秆物料对酶解后还原糖得率的影响。由纤维素酶酶解试验结果可知，小麦秸秆经4种金属离子溶液预处理后的酶解还原糖产率均有大幅度的提高，且4种金属离子溶液预处理技术均有其最优的处理条件，即NaCl 0.6 mol/L、固液比1∶10、反应温度170℃、反应时间15 min；FeCl3溶液浓度0.6 mol/L、固液比1∶10、反应温度170℃、反应时间15 min；ZnCl2溶液浓度0.6 mol/L、固液比1∶10、反应温度为120℃、反应时间为30 min；AlCl3溶液浓度0.3 mol/L、固液比1∶15、反应温度170℃、反应时间30 min。当金属离子在其最优条件下单独处理时，FeCl3组的还原糖产率最高。由此可见，采用FeCl3处理秸秆所得还原糖产率有大幅提升，且金属离子价格低廉，试验操作简单，对环境的污染小，效能高，易于实现大规模生产，因此在秸秆循环再利用中，金属离子预处理有着广阔的应用前景。