裴海生，王民敬，尹 騰，張秀清，孫君社*

（1.農(nóng)業(yè)部規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，北京100125；2.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與營(yíng)養(yǎng)工程學(xué)院，北京100083）

酸性電解水爆破處理靈芝廢段木效果研究

裴海生1，王民敬1，尹 騰2，張秀清2，孫君社1*

（1.農(nóng)業(yè)部規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，北京100125；2.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與營(yíng)養(yǎng)工程學(xué)院，北京100083）

隨著靈芝產(chǎn)業(yè)的不斷壯大，每年因種植靈芝而產(chǎn)生大量廢段木。該文在對(duì)廢段木組成成分分析的基礎(chǔ)上，研究了酸性電解水爆破處理廢段木酶解工藝。廢段木經(jīng)酸性電解水預(yù)煮后高溫瞬時(shí)爆破處理來(lái)破壞組織結(jié)構(gòu)及纖維素結(jié)晶狀態(tài)，以半纖維素去除率和纖維素?fù)p失率為考察指標(biāo)，通過(guò)單因素試驗(yàn)及正交試驗(yàn)確定了反應(yīng)的最優(yōu)爆破條件為酸性電解水pH 1.8、爆破溫度180℃、爆破時(shí)間60 s、預(yù)煮液固比為20:1（mL:g）。此最佳條件下半纖維素的去除率為94.20%，纖維素的溶出率為12.57%；經(jīng)酸性電解水爆破處理后酶解率達(dá)86.40%，爆破殘?jiān)附庑Ч砻骼脧?qiáng)酸性電解水爆破處理靈芝廢段木能夠有效破壞纖維素結(jié)晶狀態(tài)，利于纖維素酶酶解。

廢段木；酸性電解水；蒸汽爆破；纖維素；半纖維素

道地靈芝的栽培方式為段木栽培[1-2]，隨著靈芝產(chǎn)業(yè)的不斷壯大，每年因種植靈芝而產(chǎn)生的廢段木數(shù)量可觀。僅在浙江省龍泉市，每年用于靈芝栽培的段木就有近3萬(wàn)t，而這些栽培后的廢段木大多被廢棄或焚燒。自然界中靈芝菌屬白腐菌，是一類高效的木質(zhì)素降解微生物，其可徹底降解木質(zhì)素為CO2和H2O，還可以選擇降解部分半纖維素[3]。靈芝廢段木中除少量半纖維素和木質(zhì)素外，主要成分是未被利用的纖維素。若采用適當(dāng)?shù)募夹g(shù)方法將這些被廢棄的靈芝廢段木進(jìn)行處理，將其中高含量的纖維素進(jìn)行分離提取，可以作為纖維素乙醇等生化產(chǎn)品的潛在木質(zhì)纖維原料。這樣不僅可以為當(dāng)?shù)貛?lái)新的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)點(diǎn)，更重要的是彌補(bǔ)了靈芝種植產(chǎn)業(yè)中段木廢棄帶來(lái)的環(huán)境污染。

廢段木的生物轉(zhuǎn)化過(guò)程主要有2個(gè)環(huán)節(jié)，首先是對(duì)廢段木進(jìn)行預(yù)處理，其次是將原料中的纖維素、半纖維素水解為可被發(fā)酵利用的糖[4-8]。由于木質(zhì)纖維素內(nèi)致密復(fù)雜的天然結(jié)構(gòu)及纖維素結(jié)晶阻礙了纖維素酶對(duì)纖維素的水解，因此需要采用合適的預(yù)處理方法提高纖維素的酶解效率。

木質(zhì)纖維原料預(yù)處理的方法主要有物理法、化學(xué)法、生物法等，其中蒸汽爆破預(yù)處理方法是近年來(lái)研究應(yīng)用較多的一種方法。蒸汽爆破是直接用高壓水蒸氣對(duì)木質(zhì)纖維素原料進(jìn)行蒸煮，然后瞬間釋放至常壓而產(chǎn)生爆破效果。蒸汽爆破預(yù)處理能實(shí)現(xiàn)木質(zhì)纖維素原料的組分分離和結(jié)構(gòu)改變，從而進(jìn)一步提高原料的酶水解效率[9-12]。

由于酸性電解水同時(shí)具備酸性和較強(qiáng)的氧化性，并且具有成本低廉、綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)[13-15]。在之前的研究中通過(guò)高溫高壓酸性電解水來(lái)處理玉米秸稈（160～180℃），結(jié)果發(fā)現(xiàn)強(qiáng)酸性電解水對(duì)半纖維素的降解具有明顯的促進(jìn)作用，能夠高效去除秸稈中的半纖維素，同時(shí)提高剩余纖維素的酶解效果[16]。本研究采用強(qiáng)酸性電生功能水對(duì)靈芝廢段木進(jìn)行爆破處理，以半纖維素去除率以及纖維素?fù)p失率為指標(biāo)，優(yōu)化處理工藝，確定最佳處理?xiàng)l件，實(shí)現(xiàn)靈芝廢段木的高值化利用。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

靈芝廢段木：浙江省龍泉科達(dá)農(nóng)副產(chǎn)品有限公司提供，為種植靈芝三年后的段木。NaCl、濃H2SO4（均為分析純）：國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；葡萄糖、木糖（均為色譜純）、纖維素酶（300U/g）：美國(guó)Sigma公司。

1.2 儀器與設(shè)備

QBS-80汽爆工藝試驗(yàn)臺(tái)：河南鶴壁市正道重機(jī)集團(tuán)有限公司。該裝置主要設(shè)備由燃?xì)饧訜嵫b置、蒸汽發(fā)生器、蒸汽爆破腔、收集腔和輔助控制系統(tǒng)等組成。

電解水制備裝置，本實(shí)驗(yàn)中使用的電解槽為自制的常規(guī)雙槽隔膜式電解槽，規(guī)格為40 cm×20 cm×20 cm，隔膜選用陰離子交換膜；極板為涂釕鈦網(wǎng)，極板距離固定為10 cm；外接變壓調(diào)節(jié)器，壓力可調(diào)范圍為0～220 V。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 強(qiáng)酸性電解水的制備

在整個(gè)電解過(guò)程中采用了恒定電流方式電解，通過(guò)調(diào)節(jié)變壓調(diào)節(jié)器使得電解電流維持在0.6 A左右。電解時(shí)選擇陽(yáng)極室的NaCl質(zhì)量濃度為0.1 g/100 mL，陰極室的NaCl質(zhì)量濃度為1 g/100 mL，電解25～60 min得到pH不同的酸性電解水。

1.3.2 酸性電解水爆破處理

靈芝廢段木經(jīng)粉碎后，加入不同比例酸性電解水85℃蒸煮30 min，濾去多余水分，隨后考察不同爆破溫度和保溫時(shí)間下蒸煮過(guò)的廢段木蒸汽爆破處理后的組分溶出情況及酶解效果。

1.3.3 靈芝廢段木的成分分析

準(zhǔn)確稱取靈芝廢段木粉末0.3 g放入試管中，加入3 mL 72%硫酸溶液，漩渦混合。將試管放入30℃水浴鍋中保持60 min，每隔5～10 min漩渦混合一次；然后將試管從水浴鍋中取出，加入去離子水將硫酸濃度由72%稀釋到4%，放入滅菌鍋中121℃保持1 h，抽濾。高效液相色譜（high performance liquid chromatography，HPLC）法測(cè)定其中的葡萄糖和木糖含量，用于計(jì)算樣品中纖維素和半纖維素的含量；濾渣105℃干燥至恒質(zhì)量后測(cè)定樣品中酸不溶木質(zhì)素含量。纖維素和半纖維素含量計(jì)算公式如下：

式中：C1為HPLC測(cè)得的葡萄糖質(zhì)量濃度，mg/mL；C2為HPLC測(cè)得的木糖質(zhì)量濃度，mg/mL；V為反應(yīng)體系總體積，mL；0.9為葡萄糖轉(zhuǎn)化為纖維素的系數(shù)；0.88為木糖轉(zhuǎn)化為半纖維素的系數(shù)；m為待測(cè)樣品干物質(zhì)含量，mg。

1.3.4 蒸汽爆破原料酶解

準(zhǔn)確稱取4.0 g（干質(zhì)量）爆破廢段木試樣，及80 mL 0.05 mol/L pH4.8檸檬酸緩沖液，加入三角搖瓶，纖維素酶加量20 FPU（以1 g底物計(jì)）酶解體系固液比1∶10（g∶mL），酶解糖化條件為50℃、水浴搖床轉(zhuǎn)速160 r/min、酶解時(shí)間72 h。酶解后，酶解液離心，取上清液通過(guò)高效液相色譜法測(cè)定酶解液中糖濃度，廢段木原料酶解率計(jì)算公式如下：

酶解率=（0.9×m1）/m2×100%

式中：m1為酶解液中葡萄糖的質(zhì)量，g；m2為底物中纖維素的質(zhì)量，g。

2 結(jié)果與分析

2.1 靈芝廢段木組成成分分析

選取靈芝種植一年、兩年和三年的廢段木進(jìn)行了組分分析，結(jié)果見(jiàn)圖1。由圖1可知，隨著種植年份的延長(zhǎng)，段木中木質(zhì)素的含量逐漸減少，由種植前的19.30%減少到三年后的10.20%，半纖維素的含量也逐年減少，由種植前的19.20%減少到三年后的13.60%，而廢段木中纖維素含量則逐年增加，由種植前的36.83%增加到三年后的63.14%。這表明在靈芝的生長(zhǎng)過(guò)程中，其對(duì)木質(zhì)素和半纖維素的利用較多，這與文獻(xiàn)中的報(bào)道較為一致[17]，即靈芝在生長(zhǎng)前期以較易降解的半纖維素為其營(yíng)養(yǎng)來(lái)源，而在生長(zhǎng)后期通過(guò)分泌木質(zhì)素降解酶系主要利用木質(zhì)素來(lái)完成其生長(zhǎng)代謝，在靈芝的整個(gè)生長(zhǎng)過(guò)程中對(duì)纖維素的利用較少，或者基本沒(méi)有利用，使得纖維素保留在段木中。

圖1 廢段木組成成分分析Fig.1 Components of waste cut-log

2.2 爆破處理?xiàng)l件優(yōu)化單因素試驗(yàn)

在液固比為30∶1（mL∶g）、爆破溫度為160℃、爆破時(shí)間為60 s的條件下，不同pH值（1.6、1.8、2.0、2.2）酸性電解水預(yù)煮廢段木后爆破處理結(jié)果見(jiàn)圖2a。從圖2a可以看出，隨著酸性電解水pH的降低，酸水爆破處理靈芝廢段木后，半纖維素的去除率逐漸升高。當(dāng)酸水pH值為2.2時(shí)，半纖維素的去除率僅為61.99%。隨著pH降低到2.0，半纖維素的去除率增加為80.77%。當(dāng)進(jìn)一步降低酸水pH值至1.6時(shí)，半纖維素的去除率迅速提高至92.36%。同樣隨著酸水pH的降低，纖維素?fù)p失率逐漸升高，由pH 2.2時(shí)的12.24%逐漸升高至pH1.6時(shí)的23.21%。由此可以看出隨著酸性電解水pH的降低，半纖維素去除率提高的同時(shí)也伴隨著越來(lái)越多的纖維素?fù)p失。

圖2 酸水爆破處理單因素試驗(yàn)結(jié)果Fig.2 Single factor experiments results of acid electrolyzed water explosion pretreatment

在酸水pH為2.0、爆破溫度為160℃、爆破時(shí)間為60 s的條件下，考察了液固比分別為20∶1、30∶1、40∶1、50∶1（mL∶g）時(shí)的處理效果，結(jié)果見(jiàn)圖2b。從圖2b可以看出，隨著液固比的增加，半纖維素去除率逐漸升高，在液固比從20∶1（mL∶g）升至40∶1（mL∶g）時(shí)，半纖維素去除率顯著增加，在液固比為40∶1（mL∶g）時(shí)，半纖維素去除率高達(dá)87.76%；繼續(xù)增大液固比至50∶1（mL∶g）時(shí)，半纖維素去除率增速變緩。纖維素的損失率隨液固比的增加而增加，在液固比為20∶1（mL∶g）時(shí)，纖維素?fù)p失率最小，為13.74%，當(dāng)液固比升至50∶1（mL∶g）時(shí)，纖維素的損失率升高至21.35%。

在酸水pH為2.0、液固比為30∶1（mL∶g）、處理時(shí)間為60 s的條件下，考察了爆破溫度分別為140℃、160℃、180℃、200℃時(shí)的處理效果，結(jié)果見(jiàn)圖2c。從圖2c可以看出，隨著爆破溫度的升高，半纖維素的去除率明顯升高，由140℃時(shí)的68.12%升高至200℃時(shí)的96.83%，由此說(shuō)明高溫爆破處理可以明顯促進(jìn)半纖維素溶出。但是由于爆破溫度的不斷升高，纖維素的損失率也在不斷增大，在160℃時(shí)最低為6.4%，當(dāng)爆破溫度升高到200℃時(shí)，損失率為32.05%。

在酸水pH為2.0、液固比為30∶1、爆破溫度為180℃的條件下，考察了爆破時(shí)間分別為30 s、60 s、90 s、120 s時(shí)的處理效果，結(jié)果見(jiàn)圖2d。從圖2d可以看出，隨著爆破時(shí)間的延長(zhǎng)，半纖維素和纖維素的去除率均顯著增加。當(dāng)爆破時(shí)間為30 s時(shí)，半纖維素的去除率為66.83%，纖維素?fù)p失率為8.84%；當(dāng)爆破時(shí)間延長(zhǎng)至120 s時(shí)，半纖維素去除率為94.41%，而此時(shí)纖維素?fù)p失率升高為24.26%。

2.3 爆破處理?xiàng)l件正交試驗(yàn)優(yōu)化

在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，選取酸水pH、爆破溫度、爆破時(shí)間和液固比4個(gè)因素對(duì)爆破處理靈芝廢段木條件進(jìn)行優(yōu)化，以半纖維素去除率和纖維素?fù)p失率綜合指標(biāo)（按半纖維素去除率∶纖維素?fù)p失率=7∶3的權(quán)重計(jì)算所得）為評(píng)價(jià)指標(biāo)，正交試驗(yàn)因素與水平見(jiàn)表1，結(jié)果與分析見(jiàn)表2。

表1 爆破條件優(yōu)化正交試驗(yàn)因素與水平Table 1 Factors and levels of orthogonal tests for blasting conditions optimization

由表2可以看出，考察綜合指標(biāo)時(shí)，影響酸性電解水處理靈芝廢段木效果的主次因素依次是溫度＞pH＞爆破時(shí)間＞液固比，最優(yōu)條件組合為A1B3C2D1，即酸性電解水爆破溫度180℃、pH1.8、爆破時(shí)間60 s、預(yù)煮液固比為20∶1（mL∶g）。在此最佳條件下進(jìn)行3次驗(yàn)證試驗(yàn)，半纖維素的去除率為94.20%，此時(shí)纖維素?fù)p失率為12.57%。利用兩步酸水解法測(cè)定了上述最優(yōu)方案處理后的靈芝廢段木殘?jiān)懈鹘M分含量，結(jié)果表明在此條件下處理廢段木后，殘?jiān)欣w維素含量可高達(dá)82.75%，半纖維素含量低至1.30%。

表2 爆破條件優(yōu)化正交試驗(yàn)結(jié)果與分析Table 2 Results and analysis of orthogonal tests for blasting conditions optimization

2.4 爆破處理廢段木酶解效果

選取靈芝種植前段木、種植后廢段木及酸水爆破處理的廢段木原料，通過(guò)纖維素酶酶解，考察其酶解效率的差異，結(jié)果見(jiàn)圖3。從圖3可以看出，酸水爆破處理廢段木樣品酶解率達(dá)86.40%，明顯高于未經(jīng)爆破處理的廢段木樣品，表明爆破處理可以充分破壞纖維素內(nèi)部結(jié)晶結(jié)構(gòu)，利于酶解過(guò)程纖維素酶的酶解利用。

圖3 不同段木原料纖維素酶酶解效果Fig.3 Hydrolysis effect of different waste cut-log samples using cellulase

3 結(jié)論

基于酸性電解水蒸汽爆破預(yù)處理靈芝種植廢段木組分溶出及酶解效果的考察，通過(guò)單因素試驗(yàn)及正交試驗(yàn)確定了反應(yīng)的最優(yōu)條件，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了酶解效果考察驗(yàn)證。結(jié)果表明溫度、時(shí)間、酸性電解水pH值都是影響處理效果的主要因素，酸性電解水蒸汽爆破處理靈芝廢段木的最佳條件為爆破溫度180℃、酸性電解水pH 1.8、爆破時(shí)間60 s、預(yù)煮液固比為20∶1（mL∶g），此時(shí)半纖維素的去除率為94.20%，纖維素的溶出率為12.57%；經(jīng)酸性電解水爆破處理后酶解率達(dá)86.40%，分析其主要原因可能是由于強(qiáng)酸性電解水爆破處理能夠有效破壞靈芝廢段木纖維素結(jié)晶狀態(tài)，從而明顯提高了纖維素酶酶解效果。酸性電解水爆破前蒸煮使得酸性水浸透段木組織內(nèi)部，高溫高壓環(huán)境下，在酸性電解水強(qiáng)酸性和強(qiáng)氧化作用下，半纖維素降解為可溶性聚糖或單體溶出，隨后瞬間爆破使得組織內(nèi)部液態(tài)瞬間汽化破壞殘留纖維素的結(jié)晶結(jié)構(gòu)，提高纖維素酶的酶解效率，整個(gè)過(guò)程能耗低、無(wú)其他試劑添加，利于工業(yè)化推廣應(yīng)用。

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Effect of acid electrolyzed water explosion pretreatment onGanoderma lucidumwaste cut-log

PEI Haisheng1,WANG Minjing1,YIN Teng2,ZHANG Xiuqing2,SUN Junshe1*(1.Chinese Academy of Agricultural Engineering,Beijing 100125,China; 2.College of Food Science and Nutritional Engineering,China Agricultural University,Beijing 100083,China)

With the continuous development ofGanoderma lucidumindustry,a large number of waste cut-log was produced due to the cultivation of G.lucidumevery year.Based on the analysis of waste cut-log components,the process of steam explosion pretreatment of waste cut-log with acid electrolysis water was studied.Taking hemicellulose removal rate and cellulose loss rate as evaluation index,the optimum reaction conditions were determined by single factor tests and orthogonal tests as follows:electrolysis water pH 1.8,explosion temperature 180℃,time 60 s,precook liquid-solid ratio 20:1(ml:g).Under these conditions,the hemicellulose removal rate was 94.20%,cellulose leaching rate was 12.57%,and finally cellulose enzymolysis rate can reach 86.40%.The results showed that using strong acidic electrolyzed water explosion treatment ofG.lucidumwaste cut-log can effectively destruct the crystalline state of celulose,enhance the enzymatic hydrolysis.

waste cut-log;acid electrolyzed water;steam explosion;cellulose;hemicellulose

TQ353.6

0254-5071（2017）01-0079-04

10.11882/j.issn.0254-5071.2017.01.016

2015-08-25

國(guó)家自然科學(xué)基金(21176247)

裴海生(1981-)，男，工程師，博士，研究方向?yàn)樯镔|(zhì)資源綜合利用。

*通訊作者：孫君社(1961-)，男，教授，博士，研究方向?yàn)樯锛夹g(shù)與酶工程。