酶磨法处理玉米秸秆的糖化发酵研究

邵世芳;吴琴燕

【摘 要】将纤维素酶、木聚糖酶分别与湿磨相结合对玉米秸秆进行了预处理,对不同料液浓度的酶磨玉米秸秆进行了糖化发酵研究.试验结果表明:当经纤维素酶、木聚糖酶酶磨处理的玉米秸秆料液的酶解浓度均为6%时,还原糖收率最高,分别为37.2%和33.5%;对酶解后的料液进行酒精发酵,发现在酶解料液浓度为11%时,酒精浓度最高,分别为3.0%和2.8%.%In this study, the corn stalk was pretreated respectively by cellulase and xylanase hydrolysis combined with wet - milling, and then the saccharification and ethanol fermentation of the pretreated corn stalk at different concentrations were carried out by using commercially - available cellulase and yeast, respectively. The results showed that when the enzymatic hydrolysis concentration of the corn stalk pretreated by cellulase or xylanase combined with wet - milling was all 6％, the maximum recovery rate of reducingsugar was obtained, being 37.2％ and 33.5％ respectively. In the ethanol fermentation process, it was found that the maximum alcoholicity was 3.0％ and 2.8％ respectively as the corn stalk solution which had been hydrolyzed by cellulase and xylanase was at the concentration of 11％. 【期刊名称】《江西农业学报》 【年(卷),期】2011(023)005 【总页数】3页(P157-159)

【关键词】玉米秸秆;酶磨法;糖化;发酵 【作 者】邵世芳;吴琴燕

【作者单位】南京审计学院国际审计学院,江苏南京211815;江苏丘陵地区镇江农业科学研究所,江苏句容212400 【正文语种】中 文 【中图分类】S513.099

木质纤维素是由植物通过光合作用生产的有机材料，是地球上最丰富的可再生资源。以木质纤维素为原料生产乙醇燃料和其他生物化工品，必须首先将木质纤维素中的纤维、半纤维素水解成葡萄糖和木糖等可发酵性糖[1～3]。酶解糖化法具有条件温和、设备简单、能耗低、污染小等优势，目前已经成为木质纤维素糖化的主要方法[4]。在木质纤维素中，纤维素、半纤维素和木质素三大成分本身均为具有复杂空间结构的高分子化合物，而且它们相互结合，形成具有复杂三维空间结构的超高分子化合物，抵御各种酶的作用。因此要利用木质纤维素做原料糖化发酵酒精，必须对原料进行预处理。

目前，常用的预处理方法有物理法、化学法和微生物法。木质纤维素材料经过机械粉碎后，可使原料微细化，比表面积增大，增加纤维素酶的可及度，促进纤维素酶的水解[5～10]。相关科研工作者对经球磨处理后的纤维原料进行了相应的表征研究，发现纤维的结晶度和晶体结构发生了变化[11～13]。缪冶炼等[14]将碱液处理与湿法球磨结合起来对木质纤维素材料进行预处理，发现其可显著提高还原糖收率，节省能耗，但其需要使用耐腐蚀的设备，需要冲洗、排除大量化学药品，从而会造成环境污染。本文将纤维素酶、木聚糖酶水解与湿磨相结合对玉米秸秆进行酶磨预

处理，以期打破其结晶结构，进而通过糖化发酵得到较高的还原糖收率和酒精浓度。 1 材料和方法

1.1 玉米秸秆 以江苏省句容市2008年生产的玉米秸秆作为试验材料。在自然干燥后，采用植物粉碎机(40型，山东省泰安市岱岳区泰峰农牧机械厂产品)将玉米秸秆粉碎过40 目，密封保存。根据 Van Voest法[15～16]对供试的玉米秸秆进行成分分析，其灰分含量为2.55%(d.b.，下同)，半纤维素含量为 32.32%，木质素含量为20.18%，纤维素含量为36.89%。

1.2 酶磨处理 取干物重量为60 g的粗粉碎玉米秸秆粉于球磨罐中，加入340 g去离子水，在球磨机(XQM-4型，南京科析试验仪器研究所产品)转速为350 r/min的条件下对玉米秸秆进行湿磨1 h处理。在湿磨过程中，向物料中加入纤维素酶10 U/g或者木聚糖酶15 U/g。另外，分别取干磨1 h、水磨1 h和水浸泡1 h的玉米秸秆粉为对照。

1.3 酶解 称取一定量的玉米秸秆粉于500 mL三角瓶中，加入一定量的去离子水，分别调制浓度为1%、3%、6%、9%、11%的料液，混合均匀后，用pH计(PHS-3C型精密pH计，上海精密科学仪器有限公司产品)调整酶解液pH值至4.6～4.9。加入纤维素酶(肇东国科北方酶制剂有限公司产品，酶活力为10000 U/g)，酶用量设定为20 U/g。将三角瓶放入恒温水浴锅(HH-4型数字恒温水浴锅，国华电气有限公司产品)中，在50℃下恒温酶解。每隔一定时间取酶解液样品，离心取上清液，按照DNS法[17]测定酶解液中的还原糖含量。

1.4 发酵 将酶解后的糖液冷却至室温，向料液中加入NaCl、磷酸氢二铵、磷酸二氢钾，其用量分别为2、1.4、2 g/L，调整料液pH值至5.0～5.5，按料液体积的1%接种酵母菌(安琪酵母股份有限公司产品)，将三角瓶置于温度为30℃、转速为150 r/min的摇床(太仓试验设备厂产品)中进行酒精发酵，共发酵48 h，发酵结束后采用酒精计法测定发酵液的酒精浓度。干酵母用2%的葡萄糖溶液在30℃下活

化2 h后使用。 2 结果与分析

图1 酶磨玉米秸秆的还原糖含量

2.1 酶磨对酶解的促进作用 图1表示玉米秸秆经过酶磨预处理后的还原糖含量。从图1可以看出:经过纤维素酶或木聚糖酶酶磨后玉米秸秆的还原糖含量大大高于浸泡、水磨和干磨玉米秸秆。这说明玉米秸秆在酶磨过程中，即存在酶水解过程。图2表示酶磨对玉米秸秆糖化的影响。从图2可见:经过纤维素酶或木聚糖酶酶磨预处理后的玉米秸秆再进行糖化酶解，其还原糖收率显著高于经水磨、干磨或水浸泡预处理的。因为湿法酶磨有利于纤维素酶酶解的进行，在纤维吸水后，体积膨胀，使纤维更易受机械力作用，在酶磨中，机械力作用增强了水对纤维的渗透力，使纤维结晶度降低，微纤间氢键断裂，平均聚合度变小，物料对酶的亲和度增加，致使在酶磨处理过程中部分纤维被酶水解，纤维分子结构被破坏，有利于进一步酶解糖化。而干磨对玉米秸秆结晶结构的破坏能力较小[18]。另外，综合图1和图2，纤维素酶酶磨处理对纤维结构的破坏能力比木聚糖酶酶磨处理强。

2.2 料液浓度对糖化的影响 经酶磨处理的玉米秸秆在不同料液浓度下进行酶解，其还原糖收率如图3所示。还原糖收率随酶解浓度的增加而升高，在酶解浓度为6%时，经纤维素酶和木聚糖酶酶磨材料的糖化还原糖收率均达到最高，分别为37.2%和33.5%，与缪冶炼等[19]采用碱磨法对玉米秸秆进行预处理后的酶解还原糖收率(38.2%)相近。纤维类物质酶解受底物浓度的影响较大，当底物浓度较低时，反应速度较快，产物将对酶水解产生抑制作用;当底物浓度过高时，则会对木质纤维原料酶水解有抑制作用，糖收率降低;另外，当料液浓度较高时，酶解液粘度过大，影响传质，从而影响糖收率。从图3可见:玉米秸秆在不同料液浓度下酶解，纤维素酶酶磨材料的还原糖收率均略高于木聚糖酶，这可能与两种酶在球磨过程中对纤维类物质吸附、存活的能力有关。

图2 酶磨对玉米秸秆糖化的促进作用

图3 料液浓度对玉米秸秆酶解还原糖收率的影响

玉米秸秆吸水后体积膨胀，体积密度低，利用碱液浸泡处理玉米秸秆，当基质浓度在4% ～5%时，物料粘稠，不利于搅拌和物料传送，使酶解糖浓度偏低[4]。在本试验中，玉米秸秆在酶磨过程中，部分纤维被酶水解，使物料粘度下降，料液浓度在11%时可实现糖化，还原糖收率约为27.2%。

2.3 酒精发酵结果 对酶解后的糖液进行酒精发酵，结果如图4和图5所示。从图4和图5可以看出:酒精浓度和残糖含量均随料液浓度的增加而增加，在11%时，纤维素酶和木聚糖酶酶磨材料的酒精浓度和残糖含量均为最高，酒精浓度分别为3%和2.8%，残糖含量分别为7.2%和8.3%。当底物浓度较低时，所得糖液浓度低，不利于菌体的生长繁殖。另外，本研究采用菌种只能利用六碳糖，而纤维素酶解后的糖液是五碳糖和六碳糖的混合糖液，因此发酵结束后有较高糖含量残留，且木聚糖酶酶磨材料残糖含量高于纤维素酶酶磨材料。 图4 不同料液浓度糖化液的酒精发酵结果 图5 不同料液浓度糖化液酒精发酵的残糖含量 3 结论

用酶磨法预处理玉米秸秆可显著提高糖化还原糖收率，纤维素酶磨对玉米秸秆结构的破坏能力比木聚糖酶磨强。

酶磨法预处理可将玉米秸秆酶解料液浓度提高至11%，纤维素酶磨和木聚糖酶磨酶解还原糖收率约为27.2%;当酶解料液浓度为6%时，还原糖收率最高，分别为 37.2%和33.5%。

对上述酶解糖化液分别进行酒精发酵，在料液浓度为11%时，酒精浓度最高，分别为3.0%和2.8%，残糖含量分别为7.2%和8.3%。 参考文献:

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