膨化預(yù)處理玉米秸稈提高還原糖酶解產(chǎn)率的效果

1、第26卷第11期農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)Vol.26No.112010年11月TransactionsoftheCSAENov.2010265膨化預(yù)處理玉米秸稈提高還原糖酶解產(chǎn)率的效果寇巍，趙勇，閆昌國(guó)，李世密，張曉健，張大雷※（遼寧省能源研究所，營(yíng)口115003）摘要：為了提高玉米秸稈的可發(fā)酵還原糖轉(zhuǎn)化率，采用膨化技術(shù)對(duì)玉米秸稈木質(zhì)纖維素進(jìn)行預(yù)處理。掃描電鏡觀察，玉米秸稈的纖維束受到破壞，木質(zhì)素包裹作用減弱，纖維素酶的空間作用面積提高。紅外光譜分

2、析表明有部分半纖維素和少量木質(zhì)素水解；X射線衍射測(cè)定纖維素結(jié)晶度降低了12.68%。通過(guò)進(jìn)一步纖維素酶解試驗(yàn)，與未處理的相比膨化處理后原料酶解時(shí)間可縮短16h，未經(jīng)膨化處理原料還原糖的酶解產(chǎn)率為13.48%，膨化處理后原料還原糖的酶解產(chǎn)率可達(dá)24.91%。結(jié)果表明，膨化預(yù)處理技術(shù)可明顯提高玉米秸稈木質(zhì)纖維素的能源化利用效率。該試驗(yàn)為膨化玉米秸稈酶解工藝的進(jìn)一步研究提供依據(jù)。關(guān)鍵詞：秸稈，膨化，纖維素，木質(zhì)纖維素，預(yù)處理，還原糖，酶解產(chǎn)率

3、doi：10.3969j.issn.10026819.2010.11.046中圖分類號(hào)：S216.2文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：10026819(2010)11026505寇巍，趙勇，閆昌國(guó)，等.膨化預(yù)處理玉米秸稈提高還原糖酶解產(chǎn)率的效果[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2010，26(11)：265－269.KouWeiZhaoYongYanChangguoetal.Cnstrawexpansionpretreatmenttoimproveenzym

4、olysisreducingsugaryield[J].TransactionsoftheCSAE201026(11):265－269.(inChinesewithEnglishabstract)0引言農(nóng)作物秸稈的主要成分為纖維素、半纖維素和木質(zhì)素，三者占秸稈總量的80%，其中纖維素占30%～40%，半纖維素占25%～30%，木質(zhì)素占10%～15%。自然條件下，天然植物秸稈中的纖維素、半纖維素和木質(zhì)素都是性質(zhì)穩(wěn)定的高聚物，很難溶于水、稀

5、酸、稀堿和一般有機(jī)溶劑。三組分結(jié)構(gòu)復(fù)雜，彼此關(guān)聯(lián)，共同構(gòu)成植物秸稈的結(jié)構(gòu)主體。纖維素和半纖維素鏈內(nèi)和鏈間主要是通過(guò)氫鍵連接，而木質(zhì)素內(nèi)部除了有強(qiáng)大的氫鍵連接外，還與半纖維素形成穩(wěn)定的木質(zhì)素碳水化合物復(fù)合體。纖維素、半纖維素和木質(zhì)素相互交織的結(jié)構(gòu)決定了任何一類成分的降解必然受到其他成分的制約，如木質(zhì)素對(duì)纖維素和半纖維素酶解過(guò)程的空間位阻作用[12]。由于農(nóng)作物秸稈的化學(xué)結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的不同，難以直接利用，只有通過(guò)破壞或者改變部分結(jié)構(gòu)才能實(shí)現(xiàn)[

6、3]。因此，木質(zhì)纖維原料的預(yù)處理技術(shù)成為解決秸稈高效利用中的重要手段。常規(guī)的物理法能耗高、木質(zhì)纖維素結(jié)構(gòu)沒(méi)有明顯變化而不利于后續(xù)水解過(guò)程；化學(xué)法效率高，但設(shè)備腐蝕和環(huán)境污染嚴(yán)重；單純的生物法還存在纖維素酶活性低，纖維素酶難以直接作用于纖維素酶解位點(diǎn)等問(wèn)題而影響實(shí)際應(yīng)用。因此，研究能耗低、可以使木質(zhì)素和纖維素、半纖維素結(jié)構(gòu)分離并使纖維素聚合度下降的物理法連續(xù)收稿日期：20100302修訂日期：20100513基金項(xiàng)目：國(guó)家“863”專題課

7、題（2009AA10Z4483690）作者簡(jiǎn)介：寇?。?981－），男，遼寧沈陽(yáng)人，主要研究方向?yàn)檎託夂屠w維素乙醇技術(shù)。營(yíng)口遼寧省能源研究所，115003。Email:kouwei6@※通信作者：張大雷（1963－），男，遼寧營(yíng)口人，研究員，博士，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)樯镔|(zhì)能應(yīng)用技術(shù)。營(yíng)口遼寧省能源研究所，115003。Email:daleizhang@預(yù)處理技術(shù)對(duì)促進(jìn)纖維素乙醇技術(shù)的發(fā)展具有一定的實(shí)際應(yīng)用意義[45]。膨化技術(shù)是結(jié)合

8、了物理與生化的復(fù)合效應(yīng)，依靠浸濕秸稈與膨化機(jī)擠壓腔中螺套壁及螺桿之間的相互擠壓、摩擦作用，產(chǎn)生高溫水蒸汽和壓力，當(dāng)秸稈被擠出噴嘴后，壓力驟然下降，從而使秸稈體積膨大的工藝操作[6]。膨化預(yù)處理目的是解除秸稈中木質(zhì)素對(duì)纖維素和半纖維素的包裹以及致密的纖維素結(jié)晶區(qū)結(jié)構(gòu)，使原料的物理結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，增加對(duì)微生物和酶的可及性，提高底物的利用率，降低秸稈轉(zhuǎn)化利用過(guò)程中的技術(shù)處理難點(diǎn)，從而根本上節(jié)約秸稈利用過(guò)程中的技術(shù)成本[78]。本文采用膨化技術(shù)處

9、理玉米秸稈，對(duì)處理后的原料進(jìn)行成分與結(jié)構(gòu)分析對(duì)比，并通過(guò)纖維素酶解試驗(yàn)，探討膨化技術(shù)對(duì)玉米秸稈轉(zhuǎn)化利用的效果。1材料與方法1.1試驗(yàn)材料玉米秸稈取自遼寧省營(yíng)口市城郊，挑選干凈樣品去根干燥后，分別經(jīng)粉碎機(jī)與膨化機(jī)處理后備用。纖維素酶購(gòu)自棗莊市凱特生物化工有限公司，酶活為20000Ug。1.2試驗(yàn)設(shè)備粉碎機(jī)（黃華縣齊家務(wù)科學(xué)儀器廠）、秸稈膨化機(jī)（遼寧省能源研究所，LNSNYSP01）、紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)（UV1601，北京北分瑞麗分析儀器公

10、司）、粗纖維測(cè)定儀（FIWE6，VELP）、掃描電子顯微鏡（SSX550，Shimadzu）、X射線衍射儀（PW3040，Panalytical.B.V）、傅立葉紅外光譜儀（Spectrum100，PerkinElmer）、烘箱（YXQG01，上海精宏實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司）、馬福爐（SX512，上海洪紀(jì)儀器設(shè)備有限公司）、電熱恒溫水浴第11期寇巍等：膨化預(yù)處理玉米秸稈提高還原糖酶解產(chǎn)率的效果2672.3膨化處理前后秸稈組成由圖3可以看出。玉

11、米秸稈經(jīng)膨化預(yù)處理前后，還原糖產(chǎn)量略有增加，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)由膨化前的0.46%升至2.48%。半纖維素質(zhì)量分?jǐn)?shù)由20.67%降低至15.94%，木圖3膨化處理前后還原糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)比較Fig.3Comparisonofreducingsugarcontentbetweenexpedstrawrawstraw質(zhì)素質(zhì)量分?jǐn)?shù)由18.43%降低至17.28%，而纖維素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)卻由38.64%升高到45.32%。說(shuō)明膨化預(yù)處理主要破壞的是半纖維素和木質(zhì)

12、素，由于木質(zhì)素結(jié)構(gòu)為芳香族環(huán)狀化學(xué)物，其破壞后不能夠直接轉(zhuǎn)變?yōu)檫€原糖。而半纖維素由于其結(jié)構(gòu)是同時(shí)含有五碳糖和六碳糖的雜多糖，斷裂后可部分轉(zhuǎn)變?yōu)檫€原糖，表明膨化后還原糖的增加是由半纖維素轉(zhuǎn)化而來(lái)的。2.4膨化處理后秸稈結(jié)晶度的去除率纖維素結(jié)晶部分占纖維素總質(zhì)量的百分比即纖維素的結(jié)晶度[13]。利用X射線衍射法，以結(jié)晶度為50%的標(biāo)準(zhǔn)譜圖作為參比，將待測(cè)樣品粉末從10～30X射線掃描，然后根據(jù)Segal公式計(jì)算結(jié)晶度。圖4為膨化處理后與未膨

13、化處理樣品的X射線衍射圖，從圖中可看出，在2θ衍射角的16、22和27處有3個(gè)衍射峰都發(fā)生了變化，這說(shuō)明在爆破處理過(guò)程中有部分結(jié)晶區(qū)變?yōu)闊o(wú)定形區(qū)。經(jīng)Segal公式計(jì)算得出，未膨化的玉米秸稈結(jié)晶度為12.14%，膨化后為10.60%，由此可以看出玉米秸稈經(jīng)膨化后纖維素的結(jié)晶度降低了12.68%。圖4膨化前后玉米秸稈的XRD圖譜分析Fig.4XRDmapanalysisofexpedstrawrawstraw2.5秸稈膨化后酶解試驗(yàn)研究結(jié)果

14、2.5.1酶解后秸稈纖維的掃描電鏡圖像圖5為經(jīng)粉碎與膨化預(yù)處理后的酶解效果電鏡圖片?？梢钥闯?，未膨化酶解雖也可觀察到酶解作用后的孔洞，但仍有較明顯纖維木質(zhì)結(jié)構(gòu)。而經(jīng)膨化后原料由于提高纖維素酶的可及性，使得纖維素酶將原料內(nèi)部纖維素充分水解，從而形成許多大孔洞。這說(shuō)明經(jīng)膨化處理后的玉米秸稈更加適用于經(jīng)生物處理的能源轉(zhuǎn)化[14]。a.粉碎玉米秸稈酶解后的掃描電鏡圖像b.膨化玉米秸稈酶解后的掃描電鏡圖像圖5粉碎與膨化預(yù)處理后酶解效果對(duì)比Fig.