碱/高温湿热法预处理玉米秸秆纤维素的研究

麻晓霞，蔡 彦，马玉龙

（宁夏大学化学化工学院，宁夏银川 750021）

随着石油资源的减少和环境污染问题的增加，世界各国正在迫切寻求一种新型的可再生能源。生物质能源具有原料来源丰富、再生性强、低污染和使用范围广等优势，其高效转化与应用研究引起科学工作者的关注[1，2]。玉米秸秆是一种常见生物质资源，其主要成分包括纤维素、半纤维素和木质素等[3]，可转化成常规的固、液和气态燃料[4]。由于木质素致密的三维网状芳环结构和纤维素高结晶度的特点，使其阻碍了酶或微生物降解过程的可及性[5]，这也是秸秆不能直接被微生物利用转化为液体燃料和其他化工、医药中间体的主要原因。因此，对秸秆内部结构实施解聚处理，破坏纤维素、半纤维素和木质素的联结，使结构有效组分得以暴露或解离，是提高生物质转化利用率，实现秸秆生物质能源的先决条件[6]。

原料预处理方法的选择直接关系到后续酶解和发酵效率的高低。目前研究报道的预处理方法主要有物理法、化学法[7，8]、生物法[9]或几种方法的耦合[10，11]，虽有一定的效果，但还不能达到预期要求[12]。课题组前期研究发现，碱处理法不仅可有效降低纤维素的聚合度和结晶度，还能增强纤维素糖苷键间的识别与结合，并增加酶分子间的结合位点数量，从而有效提高半纤维素的产率和酶解糖化率[13]。另外，高温蒸汽爆破也可使木质素和半纤维素结合层被破坏，造成纤维素晶体和纤维束的爆裂，更易被降解利用。因此，本文以玉米秸秆纤维素为主要研究对象，探讨利用碱/高温蒸汽进行预处理的效果，考察NaOH 浓度、固液比、加热时间等因素对预处理效果的影响，为玉米秸秆的资源化利用提供技术支撑。

1 试验材料与仪器

玉米秸秆由宁夏贺兰农场提供。用蒸馏水去除表面杂质，风干后粉碎，过筛，105 ℃下烘干备用。纤维素酶的活性为200 000 FIU/g，试验中所用试剂均为分析纯。

2 试验方法

2.1 单预处理试验

称取一定量的玉米秸秆置于烧杯中，分别加入不同质量分数的NaOH 溶液（1 %、2 %、4 %、6 %、8 %、10 %），在不同的固液比（1:5、1:8、1:10、1:20、1:30）下，进行蒸汽（20 ℃，0.14 MPa）加热，加热时间为2 min、5 min、10 min、20 min、30 min，将处理完的秸秆洗涤，调至中性，过滤，105 ℃烘干备用。

2.2 预处理后玉米秸秆纤维素酶解试验

在250 mL 具塞三角瓶中，分别加入2.0 g 上述预处理的玉米纤维素和100 U 单位的纤维素酶，用100 mL、0.2 mol/L 的HAc-NaAc 缓冲液（pH=4.8）浸泡后，置于转速为100 r/min 的恒温振荡器中，在50 ℃条件下进行酶解反应，分别于6 h、12 h、24 h、48 h、72 h 时取样，用于测定还原糖得率。

2.3 检测指标及分析方法

玉米秸秆中酸性洗涤木质素、中性洗涤纤维素和酸性洗涤纤维素测定分别参照GB/T 20805-2006，GB/T 20806-2006，NY/T 1459-2007 中的方法。还原糖含量测定采用DNS（3，5-二硝基水杨酸）比色法[14]。

此外，秸秆改性前后秸秆表面结构的改变采用扫描电镜（SEM）进行表征。

3 结果与讨论

3.1 NaOH溶液浓度对酶解效果的影响

在加热时间为30 min，固液比为1:10 的条件下，考察NaOH 溶液浓度对酶解效果的影响（见图1）。由图1 可以看出，未经过预处理对原样进行酶解后的葡萄糖得率明显较低。碱能促进木质素溶解，从而破坏木质素结构，进而提高酶解糖化率。另外，碱处理能破坏纤维素中的部分氢键，使部分酯键发生皂化反应，使纤维素的形态结构发生变化[15]。经过碱/高温蒸汽预处理后，随着酶解时间的延长，还原糖含量越来越大；当NaOH浓度增加（≤4 %），相同酶解时间下，还原糖量有所增加，玉米秸秆的还原糖产量在NaOH 浓度为4 %时达到最大，酶解72 h 还原糖得率为48 %。继续增加NaOH 浓度，还原糖得率呈下降趋势。可见，NaOH 浓度为4 %时，可最大程度地溶解木质素和半纤维素，促进纤维素酶发挥作用，得到了较多的还原糖。但过高的NaOH 浓度会产生发酵抑制物[16]，并会抑制纤维素酶的活性。因此，确定最佳NaOH 浓度为4 %。

图1 不同NaOH 浓度对酶解效果的影响Fig.1 The effect of different NaOH concentrations on the saccharication

3.2 固液比对酶解效果的影响

固定NaOH 浓度为4 %，加热时间为30 min，考察固液比1:5、1:8、1:10、1:20、1:30 对酶解效果的影响（见图2）。由图2 可知，随着固液比的增加，还原糖得率有所变化，但酶解72 h 的还原糖得率相差较小，这是因为固液比的变化对木质纤维素的分解起着至关重要的作用[17]。在相同碱液浓度下，固液比越小，在短时间内就可以使得木质素和半纤维素充分溶解，而固液比越大，水解时间就会加长。可见在较短的时间内，固液比为1：10 时葡萄糖得率最高。综合考虑在后续的发酵提取工艺中发生的高额处理费，故选用固液比为1：10。

3.3 加热时间对酶解效果的影响

在NaOH 浓度质量为4 %，固液比为1:5 的条件下，分别用蒸汽加热2 min、5 min、10 min、20 min、30 min来考察时间对酶解效果的影响（见图3）。由图3 可以看出，随着加热时间的增加，还原糖产量增加，加热时间为5 min 玉米秸秆的还原糖产量增加趋势较其他明显，酶解72 h 还原糖得率最大达到56 %；加热时间继续增加（＞5 min），还原糖得率将呈下降趋势。这是因为高温加热能加速破坏秸秆纤维素的结晶度，使秸秆纤维结构疏松，加速木质素的溶解，提高了秸秆的预处理效率。但是随着加热时间的增加，玉米秸秆在碱性环境中产生了抑制后续发酵的副产物，如乙酸、糠醛等，从而影响葡萄糖得率[18]。因此，确定加热时间为5 min。

图2 固液比对酶解效果的影响Fig.2 The effect of different solid-liquid mass ratios on the saccharication

图3 加热时间对酶解效果的影响Fig.3 The effect of different heating time on the saccharication

3.4 玉米秸秆预处理条件优化

为了找出最适宜的预处理条件组合，在确定各预处理单因子对玉米秸秆酶解糖化效果影响的基础上，设计3 因素3 水平的正交试验。采用L9（33）正交表考察各因素之间的相互作用，得到9 个正交试验组，试验结果（见表1）。由表可知，酶解液中还原糖的含量最高为56 %时，最佳预处理条件为6 %NaOH，固液比1:10，加热时间5 min。3 因素对玉米秸秆改性的影响顺序（见表1）：RB＞RA＞RC，固液比＞NaOH 质量分数＞加热时间，相应的其最佳改性条件为B2A3C2，即固液比为1:8，NaOH 浓度质量分数为6 %，蒸汽时间为5 min。以固液比为1:10，NaOH 浓度质量分数为6 %，加热时间为5 min 进行验证性试验，酶解糖得率为57 %，高于正交试验表中的所有试验。

3.5 玉米秸秆预处理前后组分分析

对玉米秸秆预处理前后纤维素、半纤维素和木质素含量进行测定，结果（见表2）。从表2 中可以看出，改性后玉米秸秆半纤维素和木质素的相对含量分别从25.42 %降低到15.48 %，12.46 %降低到1.99 %，而纤维素相对含量从36.28 %升高到66.98 %。可见，半纤维素是碱溶性的，随着碱浓度的增大，溶出量也逐渐增大；部分木质素也是碱溶性的，经过预处理后，纤维素的相对含量增加，这有利于纤维素酶与底物的接触，从而促进酶解作用，糖化率得到了提高。

表1 正交试验结果Tab.1 The result of orthogonal experiment

表2 预处理前后玉米秸秆的化学组成Tab.2 The chemical composition of maize stalk with and without pretreatment

3.6 SEM 分析

NaOH 处理前后玉米秸秆的扫描电镜（SEM）图（见图4），由图可以看出，预处理前玉米秸秆表面光滑密实，而经碱/高温湿热法预处理后的玉米秸秆表面变得相对膨松粗糙，具有较多不规则褶皱，增大了比表面积，使得纤维素酶与底物充分接触，促进了酶解作用，提高了糖化率。

图4 SEM 图Fig.4 Scanning electron micrographs

4 结论

本研究采用碱/蒸汽对玉米秸秆进行预处理，考察NaOH 质量分数、固液比和蒸汽加热时间等因素对发酵后葡萄糖得率的影响。试验选择单因素试验及正交试验，对预处理的条件进行优化。结果表明，用质量分数为4 %的NaOH 处理效果较好，葡萄糖得率较高；酶解72 h 后，固液比对酶解糖得率影响甚微；蒸汽加热为5 min 时，葡萄糖得率较高。通过正交试验可知，碱/蒸汽水解玉米秸秆纤维素的适宜条件：NaOH 质量分数为6 %，固液比为1:10，加热5 min。在此条件下，酶解液中还原糖含量较高。预处理前后玉米秸秆的组分含量及SEM 证明，处理后的玉米秸秆木质素和半纤维素的相对含量有所减少，而纤维素相对含量显著增加；说明经过碱/蒸汽高温预处理后的玉米秸秆结构发生了显著变化，增加了与纤维素酶的接触面积，从而提高了酶解糖得率。