化学预处理提高生物酶解糖化效率分析

全球性的能源危机使国内外市场对于乙醇、丁醇、生物油等液体燃料的需求量巨大，另外木质素产品如混凝土减水剂、酚醛树脂的商业应用前景广阔。因此，发展资源丰富、绿色环保的生物质能源成为近年来能源领域的研究热点。所以大力发展秸秆的高值化综合利用具有重要的现实意义。

迄今为止，为改进玉米秸秆酶解效率已经进行了大量的预处理实验，比如碱预处理、稀酸预处理、氨纤维爆破预处理、离子液体预处理等。但大部分的碱预处理方式并未在防止半纤维素大量溶出从而提高总糖收率方面给予一定的关注和研究。本次研究采用NaOH、NaOH+AQ、NaOH+Na2SO3（碱性、中性）、H2SO4+ Na2SO3、NaOH+Na2S及H2SO4七种不同的工艺组合对玉米秸秆预处理，比较以上不同的处理方式和预处理条件对物料得率、聚糖保留率、聚糖酶解效率，以及总糖得率变化的影响。

秸秆原料与生物酶制剂

原料为玉米秸秆，产自山东省青岛地区。原料风干后采用FZ102型粉碎机破碎，选取5-40目的筛分，封入塑料袋中平衡水分后备用。经检测，秸秆原料的聚葡萄糖含量为35.0%，聚木糖含量为19.9%，木质素含量为22.5%，抽出物含量为18.4%。纤维素酶和β-葡糖苷酶均来自Novozymes公司，酶活分别为117 FPU/ml和426 IU/ml。

化学预处理

化学预处理采用带有搅拌装置的Parr 4560型反应釜（Parr Instrument Company, Moline, Illinois, USA）。反应釜容积为300mL，预处理时每次装入15g秸秆原料（以绝干重量计），固液比为1:10（w/v）。按照表1所示的试验方案加入化学药品，搅拌转速设定为200r/min。预处理程序为：升温20min，最高温度下保温30min。然后冷却至80℃后迅速取出试样，去离子水洗涤至pH值为中性，以备检测分析用。

生物酶水解

取化学预处理后的绝干试样400mg置入具塞瓶，固液比2%（w/v），在0.05 M柠檬酸钠缓冲液（pH=4.8）中分别加入纤维素酶20 FPU/g和β-葡糖苷酶10IU/g预处理秸秆，以及0.01g/g预处理秸秆的抑菌剂叠氮化钠。具塞瓶放入50℃恒温水浴振荡器内，在160rpm转速下振荡进行酶解反应48h，酶解结束后迅速对酶解样品升温使生物酶失活，随后冷却，离心分离得到酶解液。

化学预处理及成分分析

提高处理温度或者增加用碱量，物料得率均呈现降低趋势。在相同温度和用碱量条件下，除碱性亚硫酸钠法和稀酸法外，其它处理方式所得物料均高于仅用氢氧化钠处理时的得率。其中，以酸性亚硫酸钠法预处理的原料得率为最高。

采用碱性或中性亚硫酸钠法预处理时，在140℃条件下增加用碱量可以提高聚葡萄糖的保留率。增加化学药品用量时，除采用酸性亚硫酸钠法具有较高的聚木糖保留率外，其它处理方式后的聚木糖保留率均降低。

生物酶解处理

酶解效率

采用NaOH、NaOH+AQ、NaOH+Na2SO3预处理均能获得较好的后续生物酶解效果。其中，碱性亚硫酸钠法原料的酶解效率最高，经过160℃及用碱量10%的化学预处理后，聚葡萄糖和聚木糖酶解效率可以达到89.5%和86.1%，分别提高了13.5%和3.6%，对于酸性亚硫酸钠法，提高预处理温度有利于改善酶解效率。

总糖得率

在相同温度和总用碱量条件下，NaOH+AQ和NaOH+Na2SO3预处理后再经生物酶降解，总糖得率均高于单一NaOH预处理。其中，经过温度140℃及用碱量10%的碱性亚硫酸钠法预处理，聚葡萄糖和聚木糖保留率分别为94.7%和70.3%，经过生物酶作用后的酶解效率分别为84.7%和81.1%，最终其总糖得率为0.44g/g 初始秸秆，比同样条件下的单一NaOH处理提高了13.5%。

相比不同方式的化学预处理，酸性亚硫酸钠法的原料得率最高，在温度140℃及用碱量7%时达到76.1%。在相同温度和用碱量时，亚硫酸钠法预处理有利于提高物料得率以及聚糖保留率。

提高温度或者增加用碱量均有利于木质素的脱除。在相同温度和总用碱量时，中性亚硫酸钠法脱除木质素的效果最好，在温度160℃及用碱量10%时可达到91.9%。

加入蒽醌可以提高碳水化合物保留率。对于碱性或中性亚硫酸钠法，聚葡萄糖保留率在140℃处理时随着增加用碱量会有所提高，但在160℃时则会降低。提高预处理温度或者增加总用碱量会使聚木糖保留率降低。

在相同处理温度下增加化学药品用量，可改善原料在后续生物酶处理时的酶解效率。对于温度160℃及用碱量10%的中性亚硫酸钠法预处理酶解效率最高，聚葡萄糖和聚木糖转化率分别达到89.5%和86.1%。

在相同处理条件下，NaOH+AQ、NaOH+Na2SO3和NaOH+Na2S处理后的原料总糖得率均高于NaOH处理的结果。其中，采用温度140℃及用碱量10%的碱性亚硫酸钠法预处理后酶解的总糖得率最高，约为0.44g/g 初始秸秆。酸性亚硫酸钠法预处理后总糖得率最低，仅为0.12——0.22g/g 初始秸秆。