NaCl协同蒸汽爆破对玉米芯半纤维素分离及纤维素酶解效率的影响

８月

ＪｏｕｒｎａｌｏｆＨｅｎａｎＡｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ

河南农业大学学报

Ｖｏｌ.５２　Ｎｏ.４Ａｕｇ.　

２０１８

文章编号:１０００－２３４０(２０１８)０４－０５９３－０６

ＮａＣｌ协同蒸汽爆破对玉米芯半纤维素

分离及纤维素酶解效率的影响

王风芹ꎬ张可ꎬ仝银杏ꎬ谢慧ꎬ张宏森ꎬ宋安东

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

摘要:研究了ＮａＣｌ预浸协同蒸汽爆破预处理对玉米芯半纤维素分离和纤维素残渣酶水解的影响ꎮ结果表明ꎬＮａＣｌ能够显著提高蒸汽爆破对玉米芯半纤维素的分离作用ꎮ当预浸ＮａＣｌ溶液浓度为０.３ｍｏｌ􀅰Ｌ－１时ꎬ爆破后固相残渣中半纤维素的残留量由单独蒸汽爆破的５４.６ｇ􀅰ｋｇ－１玉米芯降低为３４.５ｇ􀅰ｋｇ－１玉米芯ꎬ利用水浸提得到的木糖和木聚糖计算玉米芯木聚糖回收率达到８６.５３％ꎬ显著高于单独蒸汽爆破的５９.９５％ꎮ固相残渣纤维素酶水解转化率和玉米芯纤维素回收率分别为８０.５８％和７４.５７％ꎬ均高于对照组的７３.０１％和７１.０５％ꎬ但未达到差异显著水平ꎮ由此可见ꎬＮａＣｌ协同蒸汽爆破能够显著增强蒸汽爆破对玉米芯的解构作用ꎬ提高木聚糖的回收率ꎬ但对纤维素酶水解作用不显著ꎮ

关键词:玉米芯ꎻ蒸汽爆破ꎻＮａＣｌꎻ半纤维素ꎻ回收率ꎻ纤维素酶解中图分类号:ＴＱ９２３　　　　文献标志码:Ａ

ＳｙｎｅｒｇｉｓｔｉｃｅｆｆｅｃｔｏｆＮａＣｌｗｉｔｈｓｔｅａｍｅｘｐｌｏｓｉｏｎｐｒｅｔｒｅａｔｍｅｎｔｏｎｈｅｍｉ￣ｃｅｌｌｕｌｏｓｅｓｅｐａｒａｔｉｏｎａｎｄｅｎｚｙｍａｔｉｃｈｙｄｒｏｌｙｓｉｓｏｆｃｅｌｌｕｌｏｓｅｆｒｏｍｃｏｒｎｃｏｂ

(ＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＥｎｚｙｍｅＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｏｆＡｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌＭｉｃｒｏｂｉｏｌｏｇｙꎬＭｉｎｉｓｔｒｙｏｆＡｇｒｉｃｕｌｔｕｒｅꎬ

ＬｉｆｅＳｃｉｅｎｃｅＣｏｌｌｅｇｅꎬＨｅｎａｎＡｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙꎬＺｈｅｎｇｚｈｏｕ４５０００２ꎬＣｈｉｎａ)

Ａｂｓｔｒａｃｔ:ＩｎｔｈｉｓｓｔｕｄｙꎬｓｙｎｅｒｇｉｓｔｉｃｅｆｆｅｃｔｓｏｆＮａＣｌｗｉｔｈｓｔｅａｍｅｘｐｌｏｓｉｏｎｐｒｅｔｒｅａｔｍｅｎｔｏｎｈｅｍｉｃｅｌｌｕｌｏｓｅ

ＷＡＮＧＦｅｎｇｑｉｎꎬＺＨＡＮＧＫｅꎬＴＯＮＧＹｉｎｘｉｎｇꎬＸＩＥＨｕｉꎬＺＨＡＮＧＨｏｎｇｓｅｎꎬＳＯＮＧＡｎｄｏｎｇ

ｓｅｐａｒａｔｉｏｎａｎｄｅｎｚｙｍａｔｉｃｈｙｄｒｏｌｙｓｉｓｏｆｃｅｌｌｕｌｏｓｅｏｆｃｏｒｎｃｏｂｗａｓａｎａｌｙｚｅｄ.ＴｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｅｄｔｈａｔＮａＣｌｃｏｕｌｄｐｒｏｍｏｔｅｔｈｅｄｅｇｒａｄａｔｉｏｎｏｆｈｅｍｉｃｅｌｌｕｌｏｓｅｉｎｃｏｒｎｃｏｂｆａｃｉｌｉｔａｔｅｄｂｙｓｔｅａｍｅｘｐｌｏｓｉｏｎ.ＷｈｅｎｔｈｅｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｏｆＮａＣｌｓｏｌｕｔｉｏｎｗａｓ０.３ｍｏｌ􀅰Ｌ－１ꎬｔｈｅｈｅｍｉｃｅｌｌｕｌｏｓｅｉｎｓｏｌｉｄｒｅｓｉｄｕｅｏｆｃｏｒｎｃｏｂ８６.５３％ꎬｗｈｉｃｈｗａｓｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｙｈｉｇｈｅｒｔｈａｎ５９.９５％ｂｙｓｉｎｇｌｅｓｔｅａｍｅｘｐｌｏｓｉｏｎ.Ｔｈｅｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎｒａｔｅａｎｄｒｅｃｏｖｅｒｙｒａｔｅｏｆｃｅｌｌｕｌｏｓｅｗａｓ８０.５８％ａｎｄ７４.５７％ꎬｗｈｉｃｈｗａｓｈｉｇｈｅｒｔｈａｎｔｈｏｓｅｐｒｅｔｒｅａｔｅｄｂｙｃｏｕｌｄｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｙｅｎｈａｎｃｅｔｈｅｄｅｓｔｒｕｃｔｉｎｇｅｆｆｅｃｔｏｎｃｏｒｎｃｏｂａｎｄｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｒｅｃｏｖｅｒｙｏｆｘｙｌａｎ.ｄｒｏｌｙｓｉｓ

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:ｃｏｒｎｃｏｂꎻｓｔｅａｍｅｘｐｌｏｓｉｏｎꎻＮａＣｌꎻｈｅｍｉｃｅｌｌｕｌｏｓｅꎻｒｅｃｏｖｅｒｙｒａｔｅꎻｃｅｌｌｕｌｏｓｅꎬｅｎｚｙｍａｔｉｃｈｙ￣ｗａｓｒｅｄｕｃｅｄｆｒｏｍ５４.６ｇ􀅰ｋｇ－１ｔｏ３４.５ｇ􀅰ｋｇ－１ａｆｔｅｒｓｔｅａｍｅｘｐｌｏｓｉｏｎ.Ｔｈｅｒｅｃｏｖｅｒｙｒａｔｅｏｆｘｙｌａｎｗａｓｓｔｅａｍｅｘｐｌｏｓｉｏｎａｌｏｎｅ(７３.０１％ａｎｄ７１.０５％)ꎬｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ.ＩｔｉｓｓｈｏｗｅｄｔｈａｔＮａＣｌ￣ｓｔｅａｍｅｘｐｌｏｓｉｏｎ

　　木质纤维素资源是地球上最丰富的可再生生

收稿日期:２０１８－０２－１２

物质资源ꎮ近年来ꎬ随着全球经济的高速发展ꎬ能

基金项目:河南省高校科技创新团队项目(１５ＩＲＴＳＴＨＮ０１４)ꎻ河南省高等学校重点科研项目(１５Ａ１８０００４)

作者简介:王风芹(１９７６—)ꎬ女ꎬ河南安阳人ꎬ教授ꎬ博士ꎬ主要从事生物质能源工程、微生物资源开发与利用等研究ꎮ通信作者:宋安东(１９７２—)ꎬ男ꎬ河南洛阳人ꎬ教授ꎬ博士ꎮ

　５９４河　南　农　业　大　学　学　报第５２卷

源危机与环境污染日益严重ꎬ人类亟需将大量的木质纤维素资源快速、高效地转化为能源和生物基化学品等ꎬ以满足不断发展的经济需求[１]ꎮ玉米是中国主要的粮食作物品种ꎬ２０１６年其播种面积达到３６７６８×１０３ｈｍ２ꎬ产量为２１９５５.２万ｔꎬ其副产物玉米芯的产量约为４０００万ｔ[２]ꎬ玉米芯中主要３５％)、木质素(１０％~２０％)、灰分及少量含氮化合物[３－４]ꎬ具有巨大的应用潜力ꎮ由于木质纤维素１.２　稀硫酸前处理

取粉碎烘干后的玉米芯ꎬ按固液比为１∶５加入质量分数０.１％的稀硫酸ꎬ于１２１℃处理３０ｍｉｎꎬ１∶１０水洗ꎬ烘干后待用ꎮ

处理结束后用循环水真空泵抽滤ꎬ然后按固液比为

１.３　ＮａＣｌ协同蒸汽爆破处理

０.１５、０.３０、０.４５、０.６０ｍｏｌ􀅰Ｌ－１的ＮａＣｌ溶液按６００ｍＬ􀅰ｋｇ－１玉米芯搅拌均匀ꎬ室温过夜后进行蒸取稀硫酸前处理烘干后的玉米芯ꎬ分别与

含有纤维素(４０％~４５％、半纤维素(３０％~

精细复杂严整的生物结构与化学结构使得木质纤维素对生物和机械降解具有高度的顽抗性ꎬ严重阻碍了其利用效率ꎮ所以在木质纤维素转化利用的过程中ꎬ必须通过物理、化学或生物等预处理方法削弱各组分之间的联接作用ꎬ从而打散细胞壁的结构ꎬ破除细胞壁的顽抗性

[５]

处理可降解大量半纤维素ꎬ通过其产物木糖ꎮ对于玉米芯来说、低聚ꎬ预

木糖等溶出回收生产高附加值产品ꎬ而纤维素残渣经酶解后得到葡萄糖ꎮ因此ꎬ可用于乙醇ꎬ寻找一种高效率、丁醇等生物基燃料的生产

[６－７]

的预处理方法成为玉米芯利用的关键ꎮ瞬时弹射、低成本

式蒸汽爆破技术由于其处理时间短、能耗较低、对环境无污染等优点而成为一种绿色ꎬ也是目前应用比较广泛的方法之一、高效的预处理技术

[８－９]

机盐预处理是一种新型的预处理技术ꎬ一些研究者ꎮ无

在使用无机盐(ＮａＣｌ、ＫＣｌ、ＣａＣｌ２、ＦｅＳＯ４等)处理木质纤维素的研究中发现ꎬ无机盐对半纤维素的降解具有很好的选择性ꎬ可催化预处理过程中半纤维素的降解ꎬ提高纤维素或半纤维素的水解速率[１０－１４]然而ꎬ单独的无机盐处理又存在无机盐用量大、处ꎮ

理时间长、对物料的颗粒度要求较高等缺点ꎮ因此ꎬ本文研究了添加少量ＮａＣｌ溶液预浸对蒸汽爆破玉米芯半纤维素降解以及纤维素、半纤维素回收率的影响ꎬ并对ＮａＣｌ浓度进行了优化ꎬ以期显著提高纤维素和半纤维素的酶水解效率和得率ꎬ为玉米芯的高值化利用提供一条切实可行的应用途径ꎮ１　材料与方法

１.１　材料

玉米芯取自河南省林州市ꎬ粉碎粒径≤１ｃｍꎬ室温贮藏ꎬ使用前于７５℃烘干ꎮ其组成成分为纤０.维素０３４)(４０.％ꎬ７９木质素±０.(１６.０４３８４)％±ꎬ０.半００２)％纤维素ꎮ(３２.８６±

纤维素酶购自尤特尔生物工程公司ꎬ其滤纸酶

活性为１８０ＦＰＵ􀅰ｍＬ－１ꎮ

汽爆破处理ꎬ所用ＱＢＳ－２００Ｂ型瞬时弹射式蒸汽爆破设备由鹤壁市正道重型机械厂生产ꎮ爆破条件为:压力１.４ＭＰａꎬ保压时间３００ｓꎮ爆破完成后收集爆破料ꎬ混匀ꎬ采用五点取样法测定含水率ꎮ以未添加ＮａＣｌ溶液蒸汽爆破处理的玉米芯作为对照ꎮ

１.４　蒸汽爆破玉米芯降解产物的浸提

３００分别取干质量为５ｇ的蒸汽爆破玉米芯于于５０ｍＬ℃三角瓶中水浴锅中搅拌ꎬ按固液比为１ｈꎬ然后抽滤所得浸提液为１∶１０加入蒸馏水ꎬ置木聚糖的回收液ꎬ固体残渣继续冲洗５次后７５℃烘干ꎬ用于后续酶解实验ꎮ对照组采用同样的方法浸提ꎮ

１.５　蒸汽爆破玉米芯浸提残渣的酶水解

取干质量１０ｇ的玉米芯浸提残渣ꎬ按固液比为１∶８加入蒸馏水ꎬ２０ＦＰＵ􀅰ｇ－１干物料加入纤维１２０素酶ꎬ调节ｐＨ为４.８~５.０ꎬ拌匀后置于４８℃、

８０００ｒ􀅰ｍｉｎ－１ｒ􀅰ｍｉｎ摇床震荡酶解７２ｈꎬ每１２ｈ取样ꎬ－１离心取上清液备用ꎮ以上实验均设置３次重复ꎮ

１.１.６　分析方法

甲酸６.１　、乙酸以及葡聚糖液体成分分析、　木聚糖和阿拉伯聚糖含量葡萄糖、木糖、阿拉伯糖、的测定参照文献１.[１５]中的方法ꎮ

芯组成成分采用美国可再生能源实验室６.２　固体组分分析　经预处理及浸提后的玉米(ＮＲＥＬ)标准分析方法计算[１６]１.７　计算方法

ꎮ

木糖得率＝木糖产量

×１００％玉米芯中木聚糖质量

×０.８８

低聚木糖得率＝

低聚木糖产量

×１００％玉米芯中木聚糖质量

×０.８８

木聚糖回收率＝木糖得率＋低聚木糖得率浸提残渣中纤维素转化率＝

第４期王风芹ꎬ等:ＮａＣｌ协同蒸汽爆破对玉米芯半纤维素分离及纤维素酶解效率的影响　５９５

纤维二糖产量＋葡萄糖产量

×０.９×１００％

残渣中纤维素的质量纤维素回收率＝０.９×１００％

纤维二糖产量＋葡萄糖产量

×

对应玉米芯中纤维素质量

随着ＮａＣｌ浓度的升高ꎬ木聚糖回收率、低聚木糖得率均呈现先升高后降低的趋势ꎬ而木糖得率则持续升高ꎮ当ＮａＣｌ浓度为０.３ｍｏｌ􀅰Ｌ－１时ꎬ木聚糖回收率达到最大值８６.５３％ꎬ比对照组提高了４５.９６％ꎮ此时ꎬ低聚木糖得率也达到最大值５９.２４％ꎬ比对照组提高了４７.２２％ꎬ木糖得率为２７.２９％ꎬ较对照组提高了３８.３８％ꎮ说明ＮａＣｌ作为催化剂能够大幅度提高蒸汽爆破对玉米芯半纤维素降解回收的效果ꎮ从浸提液的组分来看ꎬ低聚木糖和木糖的产量分别为２１５.７和９９.４ｇ􀅰ｋｇ－１玉米芯ꎬ与对照组相比具有显著性差异ꎮ此外ꎬ浸提液中甲酸、乙酸的产量随无机盐浓度的增加大体呈现增加趋势ꎬ当ＮａＣｌ浓度为０.４５ｍｏｌ􀅰Ｌ－１时ꎬ甲酸、乙酸的产量与对照组相比均具有显著性差异ꎬ说明无机盐浓度越高越容易产生副产物ꎮ

２　结果与分析

２.１　不同浓度ＮａＣｌ预浸对玉米芯蒸汽爆破后可溶性组分的影响

采用０.１％稀硫酸前处理玉米芯以去除灰分和果胶等杂质ꎮ前处理后经不同浓度ＮａＣｌ溶液预浸的玉米芯再经蒸汽爆破预处理ꎬ浸提液中各种糖以及甲酸和乙酸的产量见表１ꎬ木糖、低聚木糖得率及木聚糖回收率见表２ꎮＮａＣｌ催化组的蒸汽爆破玉米芯木聚糖回收率为８１.１６％~８６.５３％ꎬ低２３.０９％~３１.３８％ꎬ显著高于对照组(Ｐ<０.０５)ꎮ聚木糖得率为４９.８１％~５９.２４％ꎬ木糖得率为

表１　蒸汽爆破玉米芯浸提液主要组成成分

Ｔａｂｌｅ１　Ｔｈｅｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎｏｆｓｔｅａｍｅｘｐｌｏｄｅｄｃｏｒｎｃｏｂｅｘｔｒａｃｔ

ＮａＣｌ/(ｍｏｌ􀅰Ｌ－１)０(ＣＫ)０.１５０.３００.４５０.６０

糖产量Ｓｕｇａｒｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ１４６.５±１.６ｃ２１１.５±１.４ａ１８１.４±６.８ｂ１９０.６±７.７ｂ２１５.７±５.９ａ

ｇ􀅰ｋｇ－１

其他物质产量

Ｏｔｈｅｒｓｕｂｓｔａｎｃｅｓｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ１.０±０.７ｂ１.９±０.１ａ２.１±０.２ａ甲酸Ｆｏｒｍｉｃａｃｉｄ

２３.２±１.２ａｂ２０.３±１.７ｂｃ２０.９±２.２ｂｃ２４.７±１.１ａ

１８.３±０.９ｃ

葡聚糖Ｇｌｕｃａｎ

３.５±０.１ｂ２.７±０.１ｂ３.４±０.２ｂ４.３±０.２ａｂ５.７±１.７ａ

葡萄糖Ｇｌｕｃｏｓｅ低聚木糖Ｘｙｌｏｏｌｉｇｏｓａｃｃｈａｒｉｄｅ

７１.８±０.１３ｄ１１４.３±０.６６ａ１１５.５±０.２８ａ９９.４±０.２３ｂ８４.１±０.２１ｃ

木糖Ｘｙｌｏｓｅ

８.４±０.０ｂ８.６±０.１ｂ９.６±０.２ａ９.３±０.３ａ

７.８±０.２ｃ

阿拉伯糖Ａｒａｂｉｎｏｓｅ

１.８±０.１ａｂ１.５±０.１ａｂ

７.５±０.２ｄ９.３±０.２ｂ８.２±０.４ｃ９.７±０.１ｂ

乙酸Ａｃｅｔｉｃａｃｉｄ

　注:同列不同字母表示０.０５水平上差异显著ꎮ

１０.７±０.２ａ

　Ｎｏｔｅ:Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｌｅｔｔｅｒｓｉｎｔｈｅｓａｍｅｃｏｌｕｍｎｉｎｄｉｃａｔｅｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｉｎｔｈｅ０.０５ｌｅｖｅｌ.

表２　不同浓度ＮａＣｌ浸润玉米芯蒸汽爆破后木糖和低聚木糖得率及木聚糖回收率Ｔａｂｌｅ２　ＸｙｌｏｓｅａｎｄｘｙｌａｎｙｉｅｌｄꎬＸｙｌａｎｒｅｃｏｖｅｒｙｏｆｃｏｒｎｃｏｂａｆｔｅｒｓｔｅａｍｅｘｐｌｏｓｉｏｎｗｉｔｈ

ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｓｏｆＮａＣｌ

ＮａＣｌ/(ｍｏｌ􀅰Ｌ－１)０(ＣＫ)０.１５０.３００.４５０.６０

木糖得率Ｘｙｌｏｓｅｙｉｅｌｄ

低聚木糖得率Ｘｙｌｏｏｌｉｇｏｓａｃｃｈａｒｉｄｅｙｉｅｌｄ

４０.２３±０.４３ｃ５８.０７±０.３８ａ４９.８１±１.８６ｂ５２.３４±２.１０ｂ５９.２４±１.６２ａ

木聚糖回收率Ｘｙｌａｎｒｅｃｏｖｅｒｙ

％

１９.７２±０.３７ｄ２７.２９±０.６４ｂ３１.３８±１.８１ａ３１.７２±０.７６ａ２３.０９±０.５７ｃ

５９.９５±０.４２ｄ８１.１６±１.１６ｃ８６.５３±２.７６ａ８１.２０±０.７５ｂｃ８４.０６±３.４７ａｂ

　注:同列不同字母表示０.０５水平上差异显著ꎮ

　Ｎｏｔｅ:Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｌｅｔｔｅｒｓｉｎｔｈｅｓａｍｅｃｏｌｕｍｎｉｎｄｉｃａｔｅｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｉｎｔｈｅ０.０５ｌｅｖｅｌ.

２.２　不同浓度ＮａＣｌ预浸对玉米芯蒸汽爆破后固体组分的影响

不同浓度的ＮａＣｌ催化玉米芯蒸汽爆破残渣组分见表３ꎮ从表３可以看出ꎬ半纤维素的残留量均显著小于对照组ꎬ说明无机盐可以有效提高蒸汽爆破降解玉米芯半纤维素的能力ꎬ并且随着ＮａＣｌ浓

度的增大ꎬ半纤维素的降解率逐渐升高ꎮ同时ꎬ纤维素的损失率也逐渐增大ꎮＮａＣｌ催化组的半纤维９１.６４％~９２.８５％ꎮ以半纤维素回收率为评价标准ꎬＮａＣｌ催化的最佳浓度为０.３ｍｏｌ􀅰Ｌ－１ꎮ此时ꎬ半纤维素的降解率为９０.３７％ꎬ纤维素的保留率为９２.５８％ꎮ素降解率为８８.５８％~９２.８５％ꎬ纤维素的保留率为

　５９６河　南　农　业　大　学　学　报

表３　不同浓度ＮａＣｌ催化玉米芯蒸汽爆破后固相残渣中各组分剩余量

第５２卷

Ｔａｂｌｅ３　Ｔｈｅａｍｏｕｎｔｏｆｍａｉｎｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓｒｅｍａｉｎｅｄｉｎｃｏｒｎｃｏｂｓｏｌｉｄｒｅｓｉｄｕａｌａｆｔｅｒｓｔｅａｍｅｘｐｌｏｓｉｏｎｗｉｔｈｄｉｆｆｅｒｅｎｔ

ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｓｏｆＮａＣｌ

项目Ｉｔｅｍ

原材料Ｒａｗｍａｔｅｒｉａｌｓ０.１５ｍｏｌ􀅰Ｌ－１ＮａＣｌ０.３０ｍｏｌ􀅰Ｌ０.６０ｍｏｌ􀅰Ｌ０.４５ｍｏｌ􀅰Ｌ－１ＮａＣｌ

－１－１

ｇ􀅰ｋｇ－１

组分Ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ

木聚糖Ｘｙｌａｎ

木质素Ｌｉｇｎｉｎ

水不溶性固体剩余量Ｗａｔｅｒｉｎｓｏｌｕｂｌｅｓｏｌｉｄｒｅｓｉｄｕｅｓ５５３.５±１１.２ｂ５４８.６±９.３ｂ５５１.７±０.９ｂ５３３.４±３.４ｃ５３３.９±５.７ｃ１０００ａ

ＣＫ

ＮａＣｌＮａＣｌ

３７４.２±１２.９ｂ３７３.１±４.５ｂ３６９.３±３.５ｂ３７２.８±６.９ｂ

３９２.２±１１.７ａ

４０３.０±３.６ａ

纤维素Ｃｅｌｌｕｌｏｓｅ

３５８.３±４.５ａ５４.６±１.３ｂ３４.５±０.９ｄ３０.５±０.８ｅ４０.９±０.８ｃ

半纤维素Ｈｅｍｉｃｅｌｌｕｌｏｓｅ

３２０.５±４.９ａ５１.８±１.３ｂ３１.９±０.９ｄ２７.２±１.２ｄ２８.３±０.７ｄ３８.１±１.１ｃ

１５４.９±１.３ａ１３６.３±１.４ｂｃ１３９.９±１.０ｂ１３９.６±１.１ｂ１３８.３±１.８ｂ１３４.０±３.５ｃ

２９.６±１.２ｄｅ

　注:同列不同字母表示０.０５水平上差异显著ꎮ

Ｎｏｔｅ:Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｌｅｔｔｅｒｓｉｎｔｈｅｓａｍｅｃｏｌｕｍｎｉｎｄｉｃａｔｅｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｉｎｔｈｅ０.０５ｌｅｖｅｌ.

　　表１与表３的结果表明ꎬ随着ＮａＣｌ浓度的升高、催化强度的增大ꎬ半纤维素的降解和纤维素的损失程度逐渐升高ꎬ但半纤维素的回收率却并不一定会同等程度地提高ꎮ这可能是因为处理强度增２.３　不同浓度ＮａＣｌ预浸对玉米芯蒸汽爆破后残渣纤维素酶水解的影响

不同浓度的ＮａＣｌ催化蒸汽爆破玉米芯残渣酶解后酶解液组分见表４ꎬ最终所得玉米芯残渣纤维大到一定程度ꎬ会导致糖产品的进一步降解[１７－１８]ꎮ

素的转化率和回收率如表５所示ꎮＮａＣｌ催化组的８０.５８％、６７.４７％~７４.５７％ꎮ随着ＮａＣｌ催化浓度的升高ꎬ纤维素的转化率和回收率均呈现先升高后降低的趋势ꎮ当ＮａＣｌ浓度为０.３ｍｏｌ􀅰Ｌ－１时ꎬ残渣中纤维素转化率和回收率均达到最大值８０.５８％４.９５％ꎬ但未达到差异显著水平ꎮ此时ꎬ葡萄糖和总糖的质量浓度分别为８２.５６、９１.９７ｇ􀅰Ｌ－１ꎮ和７４.５７％ꎬ分别比对照组提高了１０.３５％和残渣纤维素转化率和回收率分别为７３.６１％~

表４　不同浓度ＮａＣｌ催化玉米芯蒸汽爆破后酶解液(酶解７２ｈ)主要成分

Ｔａｂｌｅ４　Ｉｎｇｒｅｄｉｅｎｔｓｏｆｅｎｚｙｍｏｌｙｓｉｓｌｉｑｕｉｄｏｆｃｏｒｎｃｏｂｒｅｓｉｄｕｅａｆｔｅｒ７２ｈｅｎｚｙｍａｔｉｃｈｙｄｒｏｌｙｓｉｓｂｙｓｔｅａｍｅｘｐｌｏｓｉｏｎ

ｗｉｔｈｄｉｆｆｅｒｅｎｔｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｓｏｆＮａＣｌ

ＮａＣｌ/(ｍｏｌ􀅰Ｌ－１)

０(ＣＫ)０.１５０.３００.４５０.６０

主要成分Ｍａｉｎｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ

纤维二糖Ｃｅｌｌｏｂｉｏｓｅ

葡萄糖Ｇｌｕｃｏｓｅ

木糖Ｘｙｌｏｓｅ

阿拉伯糖Ａｒａｂｉｎｏｓｅ

总糖Ｔｏｔａｌｓｕｇａｒ

ｇ􀅰Ｌ－１

４.４１±０.２６ａ４.５５±０.５６ａ４.２３±０.７４ａ３.９２±０.３３ａｂ３.２１±０.４９ｂ

７７.６８±１.４１ａｂ７９.８２±３.６２ａｂ８２.５６±５.２７ａｂ７６.６８±３.８７ｂ８４.２８±１.６７ａ

３.７０±０.２７ａ３.４１±０.２８ａ２.１４±０.０８ｃ２.１８±０.１９ｂｃ２.５６±０.２１ｂ

３.４３±０.１３ａ３.４９±０.１９ａ３.３１±０.４９ａ３.１８±０.３４ａ３.４２±０.０７ａ

８９.２３±１.４６ａ９１.２６±４.４３ａ９１.９７±６.０９ａ８６.６４±４.７５ａ９３.０５±１.９３ａ

　注:同列不同字母表示０.０５水平上差异显著ꎮ

　Ｎｏｔｅ:Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｌｅｔｔｅｒｓｉｎｔｈｅｓａｍｅｃｏｌｕｍｎｉｎｄｉｃａｔｅｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｉｎｔｈｅ０.０５ｌｅｖｅｌ.

表５　不同浓度ＮａＣｌ催化玉米芯蒸汽爆破酶解后纤维素的

回收率及转化率

Ｔａｂｌｅ５　Ｒｅｃｏｖｅｒｙｒａｔｅａｎｄｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎｒａｔｅｏｆｃｅｌｌｕｌｏｓｅｆｒｏｍ

ｃｏｒｎｃｏｂｒｅｓｉｄｕｅａｆｔｅｒｅｎｚｙｍａｔｉｃｈｙｄｒｏｌｙｓｉｓｂｙｓｔｅａｍｅｘｐｌｏｓｉｏｎｗｉｔｈｄｉｆｆｅｒｅｎｔｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｓｏｆＮａＣｌ

ＮａＣｌ/(ｍｏｌ􀅰Ｌ

０(ＣＫ)０.１５０.３００.４５０.６０

－１

３　结论与讨论

本研究用ＮａＣｌ预浸对提高蒸汽爆破玉米芯半纤维素降解具有明显的促进效果ꎬ以半纤维素回收率为评价标准ꎬＮａＣｌ催化的最佳浓度为０.３ｍｏｌ􀅰Ｌ－１ꎮ此时ꎬ爆破后固相残渣中半纤维素的残留量由单独３４.５ｇ􀅰ｋｇ－１玉米芯ꎬ半纤维素的降解率为９０.３７％ꎬ利用水浸提得到的木糖和木聚糖计算玉米芯木聚糖回收率达到８６.５３％ꎬ显著高于单独蒸汽爆破的５９.９５％ꎮ固相残渣纤维素酶水解转化率为８０.５８％ꎬ高于对照组的７３.０１％ꎬ玉米芯纤维蒸汽爆破的５４.６ｇ􀅰ｋｇ－１玉米芯降低为

％

)

纤维素转化率Ｃｅｌｌｕｌｏｓｅｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ７３.０１±１.６９ａ７８.００±４.７９ａ８０.５８±５.５１ａ７３.６１±３.８１ａ７８.９４±１.８９ａ

纤维素回收率Ｃｅｌｌｕｌｏｓｅｒｅｃｏｖｅｒｙ７１.０５±２.７６ａｂ７２.３３±２.６０ａｂ７４.５７±４.７２ａ６７.４７±３.９２ｂ７３.００±０.８１ａｂ

　注:同列不同字母表示０.０５水平上差异显著ꎮ０.０５ｌｅｖｅｌ.

　Ｎｏｔｅ:Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｌｅｔｔｅｒｓｉｎｔｈｅｓａｍｅｃｏｌｕｍｎｉｎｄｉｃａｔｅｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｉｎｔｈｅ

第４期王风芹ꎬ等:ＮａＣｌ协同蒸汽爆破对玉米芯半纤维素分离及纤维素酶解效率的影响　５９７

素回收率为７４.５７％ꎬ高于对照组的７１.０５％ꎬ但是二者的差异未达到显著水平ꎮ由此可见ꎬＮａＣｌ浸润协同蒸汽爆破能够显著增强预处理对玉米芯的解构作用ꎬ提高蒸汽爆破对木聚糖的降解作用ꎮ综上所述ꎬ本研究采用ＮａＣｌ辅助蒸汽爆破处理玉米芯进行组分分离具有无机盐用量小、材料颗粒度要求低、时间短、效率高等优点ꎬ是一种经济可行的玉米芯组分高效分离的技术ꎬ在未来的玉米芯生物炼ｓｔｒｕｃｔｉｏｎｉｎＣａｎｄｉｄａｔｒｏｐｉｃａｌｉｓｆｏｒｄｉｒｅｃｔｘｙｌｉｔｏｌｃｏｎｖｅｒ￣２０１３ꎬ１２８:５４７－５５２.

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然而ꎬ对于无机盐的作用机理目前尚不清楚ꎬ推测可能是由于无机盐中的金属离子在水溶液中以路易酸的形式形成复杂的阳离子[Ｍ(Ｈ２Ｏ)ｎ]ｚ＋加速糖苷键的断裂[１９]应能够产生Ｈ离子ꎮ此外ꎬ具有路易酸的特性ꎬ金属水合离子与水反３Ｏ＋ꎬ使半纤维素水解为单糖[２０－２１]解除木质素对纤维素酶的非生产性吸附与钝化可ꎮ另一方面ꎬ通过预处理以提高纤维素酶解效率ꎬＫＡＭＩＲＥＤＤＹ等

[２０]

研究

发现ꎬ金属离子与木质素结合形成了金属－木质素的复合物ꎬ消除了木质素对酶水解的抑制ꎬ使得更多的酶能够作用于纤维素ꎬ提高了水解糖的得率ꎮＬＩＵ吸附水解酶等[２１]研究发现ꎬ木质素磺酸盐能够非生产性ꎬ降低酶水解效率ꎬ每克纤维素添加１ｍｍｏｌＣａ２＋和Ｍｇ２＋能够使丧失的酶活性恢复６５％杨树产生的可溶性抑制物对固相残渣酶水解的抑ꎬ这２种离子同样也可以消除由稀硫酸预处理制ꎮＡＫＩＭＫＵＬＯＶＡ等

[２２]

发现ＭｇＣｌ质素中的酚羟基ꎬ使木质素表面负电荷降低２能够屏蔽木

ꎬ减弱木质素与纤维素酶之间的氢键作用和静电吸附作用ꎮＭｎ２＋能够降低(半)纤维素酶的非生产性吸附ꎬ使稀酸预处理甘蔗渣酶水解糖得率提高３４％[２３]素对纤维素酶的无效吸附与钝化作用ꎮ由此可见ꎬ一些无机盐可有效降低木质ꎮ但本研究发现ꎬＮａＣｌ的添加对玉米芯残渣纤维素酶水解的效率影响不显著ꎮ

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ｆｉｃａｔｉｏｎｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬｏｆｐｒｅｔｒｅａｔｅｄｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｉｎｔｈｅｓａｃｃｈａｒｉ￣２０１６ꎬ３３(３):ｓｕｇａｒｃａｎｅ３３１ｂａｇａｓｓｅ[Ｊ].ＮａｔｕｒｅＢｉｏ￣(－责任编辑３３７.

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