趙鵬翔，吳毅，趙正凱

(國網(wǎng)新源控股有限公司北京非糧醇電聯(lián)產(chǎn)技術(shù)研發(fā)中心，北京 100053)

燃料乙醇屬于生物質(zhì)能源的一種，是清潔可再生能源，具有污染小，容易運(yùn)輸和貯藏的特點(diǎn)。木質(zhì)纖維素在地球上含量大，分布廣，可再生。因此，以纖維素生產(chǎn)燃料乙醇逐漸成為各國爭相研究的熱點(diǎn)。據(jù)測算，我國農(nóng)作物秸稈資源總量約為6億噸［1-2］，可用作能源和生物質(zhì)產(chǎn)品轉(zhuǎn)化利用的秸稈約4億噸，以稻草、玉米秸、麥秸為主，約占總量的3/4以上［3］。目前生產(chǎn)的大部分燃料乙醇是以玉米、小麥等糧食為原料。如果用我國10%的秸稈用來生產(chǎn)燃料乙醇，則可以生產(chǎn)1 000萬噸纖維素乙醇，替代3 500萬噸谷物，避免與人爭糧的尷尬局面［4］。

木質(zhì)纖維素主要由纖維素、半纖維素以及木質(zhì)素構(gòu)成，三者通過基團(tuán)間的化學(xué)作用力相互結(jié)合在一起的，纖維素被木質(zhì)素與半纖維素包裹在內(nèi)部，從而阻礙了纖維素的水解糖化［5-6］。木質(zhì)纖維素的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)決定了木質(zhì)纖維素必須經(jīng)過預(yù)處理來改變其完整有序的物理結(jié)構(gòu)，以提高其水解性［7］。目前的預(yù)處理方法主要分為機(jī)械法、物化法、化學(xué)法以及生物法［8-9］。其中，蒸汽爆破法(STEX)是當(dāng)下最常用的預(yù)處理方法之一，通過高壓水蒸氣的瞬間釋放從內(nèi)部破壞木質(zhì)纖維素的物理結(jié)構(gòu)［10-11］。同時(shí)，水在高溫下作為酸性催化劑促進(jìn)半纖維素水解為木糖等單糖［12］。但由于一定溫度下水能提供的H+有限，通常需要較高的汽爆溫度。而木糖在高溫下會(huì)進(jìn)一步分解為糠醛、乙酸等發(fā)酵抑制物，會(huì)乙醇發(fā)酵產(chǎn)生抑制作用［13］。

作者對(duì)STEX法進(jìn)行了改良，在蒸汽爆破預(yù)處理前先用低濃度的乙酸對(duì)玉米秸稈進(jìn)行預(yù)浸漬。乙酸為有機(jī)弱酸，可以提供一定量的H+作為催化劑，使得玉米秸稈中的半纖維素更容易在相對(duì)低溫的蒸汽爆破條件下水解為單糖或者低聚糖，從而使得被包裹的纖維素暴露出來，達(dá)到增強(qiáng)纖維素的酶水解性。同時(shí)，減低蒸汽爆破預(yù)處理的溫度還能減輕木糖等戊糖的進(jìn)一步降解，減輕糠醛等副產(chǎn)物對(duì)后續(xù)乙醇發(fā)酵的抑制作用，提高玉米秸稈的利用率。目前，木質(zhì)纖維素原料在蒸汽爆破預(yù)處理前進(jìn)行乙酸預(yù)浸漬的研究在國內(nèi)外還未見報(bào)道。

1 實(shí)驗(yàn)

1．1 實(shí)驗(yàn)材料

所用原料取自中國河北邯鄲的玉米秸稈，含水量為19．8%。將其洗凈干燥后用錘式破碎機(jī)將其粉碎至2～10 mm的小段，在38℃ 烘箱中烘干后取出備用，置于干燥處保存。

1．2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1．2．1 預(yù)處理 本實(shí)驗(yàn)以質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1．0% 的乙酸對(duì)玉米秸稈在常溫下以固液比為1∶20(g∶mL)先預(yù)浸60 min，之后以27 MPa的壓力將原料中的水分壓至50%。然后在預(yù)處理反應(yīng)器中分別以190℃(1．25 MPa)、200 ℃(1．55 MPa)、210 ℃(1．90 MPa)保持10 min 后，瞬間(小于0．5 s)釋放壓力。每個(gè)溫度都設(shè)置一個(gè)空白對(duì)照組(水代替乙酸)。

1．2．2 酶水解 酶水解實(shí)驗(yàn)分別以玉米秸稈預(yù)處理后的整個(gè)草漿(包括液體與固體部分)為底物進(jìn)行。其中，纖維素酶為Cellic CTec2(諾維信，丹麥)，酶用量為每克底物10 FPU，底物濃度為5%，酶水解實(shí)驗(yàn)在溫度45℃，pH值5的條件下進(jìn)行96 h。

1．2．3 同步糖化發(fā)酵 同步糖化發(fā)酵的條件:底物濃度為10%，溫度35℃，pH值5．5，發(fā)酵時(shí)間為96 h;釀酒酵母(J?stbolaget，瑞典)用量為每升發(fā)酵液3 g，纖維素酶為Cellic Ctec2，酶用量為每克底物10 FPU;培養(yǎng)液中(NH4)2PO3的濃度為0．5 g/L，MgSO4·7H2O 的濃度為0．025 g/L。

1．3 測定指標(biāo)與方法

1．3．1 組成成分分析 玉米秸稈組成成分分析以及底物的固形物含量均采用NREL的相關(guān)方法進(jìn)行測定［14］。

1．3．2 纖維素酶活測定 試管中放入1 cm×6 cm Whatman No．l濾紙(約50 mg)一條，加入0．5 mL適當(dāng)稀釋的纖維素酶液和1 mL檸檬酸鈉緩沖液(pH值4．8)，于50℃保溫振蕩30 min?？瞻自囼?yàn)中除酶液事先滅活外，其余條件不變。一個(gè)濾紙酶活力單位(FPU)等于酶促反應(yīng)中每分鐘生成1．0 μmol葡萄糖(以還原糖表示)所需的酶量［15］。

1．3．3 糖及抑制物濃度分析 單糖、乙醇以及抑制物用島津Prominence LC-20AT高效液相色譜進(jìn)行定量分析，檢測器為折光檢測器。其中，葡萄糖和木糖等單糖用色譜柱為Aminex HPX-87H(Bio-Rad，Hercules，CA，USA)分離，柱溫85℃，以超純水為流動(dòng)相，流速0．5 mL/min。乙醇、糠醛、羥甲基糠醛以及乙酸用色譜柱Aminex HPX-87H(Bio-Rad，Hercules，CA，USA)進(jìn)行分離，柱溫為50℃，流動(dòng)相為0．5 mmol/L的硫酸，流速為0．5 mL/min。HPLC分析前，所有測試樣品以0．20 μm的微濾膜過濾。

1．4 計(jì)算方法

2 結(jié)果與分析

2．1 玉米秸稈預(yù)處理后的組成成分分析

實(shí)驗(yàn)所用玉米秸稈干物質(zhì)組成為:纖維素33．6%，半纖維素22．8%，木質(zhì)素14．1%，抽提物17．4%。其中，抽提物中主要含有的是一些油脂、蛋白質(zhì)、淀粉等易溶于水或有機(jī)溶劑的物質(zhì)。

按1．2．1節(jié)的預(yù)處理?xiàng)l件分別在190、200以及210℃ 下經(jīng)乙酸預(yù)浸汽爆預(yù)處理10 min及未用乙酸預(yù)浸汽爆預(yù)處理玉米秸稈的成分分析見表1?？梢悦黠@看出，秸稈中的3種主要成分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)發(fā)生了較大的變化，纖維素和木質(zhì)素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)得到了一定程度的提高，而半纖維素則有所下降。隨著汽爆預(yù)處理溫度的提高，各成分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化的程度越大。當(dāng)溫度從190℃ 上升至210℃ 時(shí)，纖維素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)從58．2% 上升至64．4%;半纖維素則從9．9% 下降至3．2%;而木質(zhì)素則從26．9% 上升至33．1%。與未經(jīng)乙酸預(yù)浸相比，玉米秸稈經(jīng)乙酸預(yù)浸后，蒸汽爆破預(yù)處理對(duì)半纖維素的水解更為徹底，纖維素含量提升的程度更大。

表1 玉米秸稈汽爆預(yù)處理后的組成成分分析Table 1 Composition analysis of pretreated corn stover

2．2 玉米秸稈預(yù)處理后的纖維素和半纖維素回收率分析

對(duì)按1．2．1節(jié)的預(yù)處理?xiàng)l件預(yù)處理后和纖維素和半纖維素回收率進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果見表2。從表2可以看出，蒸汽爆破預(yù)處理前不管是否經(jīng)過乙酸預(yù)浸漬，對(duì)秸稈中葡萄糖的回收率幾乎沒有影響。而其回收率高于100%的原因，可能是秸稈中存在一定的淀粉。對(duì)于半纖維素而言，相較纖維素更容易被水解，大部分半纖維素被水解為單糖或低聚糖。隨著預(yù)處理溫度的提高，秸稈中殘留的半纖維素越少，液體部分中的木糖回收率逐漸降低，說明溫度的升高會(huì)促進(jìn)木糖的進(jìn)一步分解。乙酸預(yù)浸玉米秸稈中的半纖維素在相對(duì)低溫的條件下更容易在汽爆過程中發(fā)生水解。以190℃為例，未經(jīng)乙酸預(yù)浸秸稈中還殘留57．3% 的木糖，而乙酸預(yù)浸秸稈中僅殘留38．7%。此外，從水解液中的木糖回收率來看，前者僅為47．7%，后者為67．8%，說明乙酸預(yù)浸更有利于避免木糖的進(jìn)一步分解。

Linde等［16］以0．2%H2SO4為預(yù)浸試劑，在190℃ 下維持10 min后蒸汽爆破，水解液中的木糖產(chǎn)量為75．9%，這說明強(qiáng)酸更有利于半纖維素的水解。

表2 玉米秸稈汽爆預(yù)處理后葡萄糖以及木糖回收率分析Table 2 Recovery of glucose and xylose in the solid and liquid fraction of pretreated corn stover

2．3 抑制物分析

圖1顯示了玉米秸稈預(yù)處理后的抑制物糠醛、羥甲基糠醛以及乙酸的生成情況?？啡┖土u甲基糠醛分別來源于木糖和葡萄糖的進(jìn)一步分解，而乙酸則是由半纖維素側(cè)鏈上的乙?；?。從圖1可以看出，相比未經(jīng)乙酸預(yù)浸，玉米秸稈經(jīng)乙酸預(yù)浸汽爆預(yù)處理后產(chǎn)生的羥甲基糠醛沒有明顯增加。由于木糖在酸性條件下更容易繼續(xù)分解，所以玉米秸稈經(jīng)乙酸預(yù)浸汽爆預(yù)處理后產(chǎn)生的乙酸和糠醛的量有一定程度增加。隨著預(yù)處理溫度的提高，抑制物的產(chǎn)量也逐漸增加。當(dāng)溫度從190℃上升至210℃ 時(shí)，乙酸產(chǎn)量從每克原料24．1 mg增加至42．6 mg;糠醛則由每克原料 4．7 mg 上升至 13．2 mg。因此，為減少抑制物的生成，提高原料利用率，玉米秸稈更適合以乙酸為預(yù)浸試劑在相對(duì)較低的溫度下進(jìn)行汽爆預(yù)處理。

2．4 酶水解

2．4．1 葡萄糖產(chǎn)量分析 從圖2可以看出，未經(jīng)乙酸預(yù)浸玉米秸稈分別以190、200以及210℃ 進(jìn)行汽爆預(yù)處理后，酶水解得到的葡萄糖產(chǎn)量分別為每克原料207、258和284 mg，為理論值的55．5%、69．2% 和76．8%。可以看出，相應(yīng)溫度下1．0% 乙酸預(yù)浸汽爆玉米秸稈酶水解得到的葡萄糖產(chǎn)量分別為每克原料253、284以及290 mg，為理論值的67．8%、76．8% 和77．7%，均高于相同溫度下的未經(jīng)乙酸預(yù)浸玉米秸稈。乙酸預(yù)浸汽爆預(yù)處理的最佳溫度為200℃，與未經(jīng)乙酸預(yù)浸相比提高了10．2%。這可能是因?yàn)橐宜犷A(yù)浸汽爆預(yù)處理更大程度地增加了秸稈中纖維素的含量，使更多的纖維素暴露出來，增加了與纖維素酶的接觸面積。

Varga等［17］采用兩步預(yù)處理法，先以1% 的NaOH浸泡玉米秸稈，去除秸稈中的木質(zhì)素;再以1%的H2SO4在120℃下蒸煮1 h后進(jìn)行酶水解糖化，可以將95．7%的纖維素轉(zhuǎn)化為葡萄糖。這是因?yàn)榻?jīng)過兩步預(yù)處理后，秸稈中的木質(zhì)素和半纖維素基本被完全去除，剩下的纖維素能夠很容易在纖維素酶的作用下水解為葡萄糖。

2．4．2 木糖產(chǎn)量分析 由圖3可以看出，未乙酸預(yù)浸玉米秸稈分別以190、200以及210℃進(jìn)行汽爆預(yù)處理后，經(jīng)酶水解獲得的木糖產(chǎn)量分別為每克原料35、35和14 mg，為理論值的13．8%、13．8% 和5．5%。相應(yīng)溫度下乙酸預(yù)浸汽爆玉米秸稈酶水解得到的木糖產(chǎn)量分別為每克原料33、41和34 mg，為理論值的13．0%、16．2% 和13．4%。由于大部分半纖維素在蒸汽爆破預(yù)處理中已被水解為單糖，剩余秸稈固體纖維中只剩下小部分半纖維素。因此，是否經(jīng)過乙酸預(yù)浸對(duì)酶水解后的木糖產(chǎn)量影響不大，但乙酸預(yù)浸后的總木糖產(chǎn)量更高。

2．5 同步糖化發(fā)酵

經(jīng)過96 h的同步糖化發(fā)酵，從圖4(a)可以看出，未經(jīng)乙酸預(yù)浸汽爆預(yù)處理過的玉米秸稈的同步糖化發(fā)酵獲得的乙醇濃度為19．0 g/L，相當(dāng)于每克原料可以獲得0．121 g乙醇，為理論值的60．1%。從圖4(b)可以看出，以乙酸預(yù)浸汽爆預(yù)處理過的玉米秸稈草漿為底物進(jìn)行的發(fā)酵并沒有受到糠醛等抑制物的影響。發(fā)酵進(jìn)行96 h后的乙醇濃度達(dá)到22．5 g/L，相當(dāng)于每克原料可以獲得0．143 g乙醇，為乙醇產(chǎn)率理論值的72%。這說明乙酸預(yù)浸可以提高汽爆預(yù)處理對(duì)玉米秸稈纖維素酶水解性的增強(qiáng)效果，導(dǎo)致更多的纖維素被水解為單糖，進(jìn)而在發(fā)酵過程中被釀酒酵母轉(zhuǎn)化為乙醇。

在Sassner等［18］的研究中，柳樹枝經(jīng)0．5%H2SO4預(yù)浸，200℃ 維持8 min汽爆后經(jīng)過同步糖化發(fā)酵獲得16 g/L的乙醇，為理論值的78%。雖然該研究獲得的乙醇濃度并沒有達(dá)到本研究的22．5 g/L，但是其乙醇產(chǎn)量卻高于本研究的72%，相比未經(jīng)乙酸預(yù)浸過的玉米秸稈，提高了11．9個(gè)百分點(diǎn)。究其原因，可能是玉米秸稈的纖維素含量高于柳樹枝，酶水解糖化后獲得的葡萄糖的量更大，導(dǎo)致其未能充分地被釀酒酵母利用。此外，也有可能是其所用的酵母產(chǎn)乙醇的能力更強(qiáng)。

圖1 乙酸預(yù)浸前后各抑制物的產(chǎn)量Fig．1 Yields of inhibitors before and after HAc impregnation

3 結(jié)論

3．1 與未經(jīng)乙酸預(yù)浸相比，在較低的汽爆溫度下，乙酸預(yù)浸汽爆預(yù)處理玉米秸稈對(duì)半纖維素的水解程度更大，并且木糖回收率更高;此外，糠醛等發(fā)酵抑制物并沒有明顯增加。

3．2 綜合考慮過程中的能耗以及發(fā)酵抑制物等因素，玉米秸稈乙酸預(yù)浸汽爆預(yù)處理的最佳溫度為200℃。酶水解后每克原料葡萄糖產(chǎn)量為284 mg，相比未經(jīng)乙酸預(yù)浸玉米秸稈提高了10．2%，為理論值的76．8%;由于大部分半纖維素已經(jīng)在預(yù)處理過程中被水解，所以是否經(jīng)過乙酸預(yù)浸漬對(duì)酶水解木糖產(chǎn)量的影響并不大。但是乙酸預(yù)浸可以獲得更高的木糖總產(chǎn)量。

3．3 乙酸預(yù)浸玉米秸稈在200℃ 下汽爆預(yù)處理后的同步糖化發(fā)酵效果較好，經(jīng)過96 h發(fā)酵，乙醇濃度達(dá)到22．5 g/L，為理論值的72%，相比未經(jīng)乙酸預(yù)浸過的玉米秸稈，提高了11．9個(gè)百分點(diǎn)。說明乙酸預(yù)浸可以增強(qiáng)蒸汽爆破對(duì)玉米秸稈的預(yù)處理效果，提高原料利用率。

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