劉 蘭,倪 賽,任雨萍,由維清,印培民*
(1.江西省科學(xué)院微生物研究所,江西 南昌 330000;2.江西科院生物新材料有限公司,江西 南昌 330000)
我國(guó)每年產(chǎn)生大量的農(nóng)林廢棄物,一般被焚燒、填埋或作為堆肥使用,不僅浪費(fèi)資源還污染環(huán)境[1]。如何有效資源化廢棄物對(duì)資源利用和產(chǎn)業(yè)升級(jí)具有重要意義[2-3]。秸稈是我國(guó)主要的農(nóng)林廢棄物,經(jīng)降解可轉(zhuǎn)化為糖類(纖維素和半纖維素),進(jìn)而轉(zhuǎn)化為可被微生物利用的還原糖,用于生產(chǎn)各種化工產(chǎn)品和燃料,可解決糧食資源短缺的問題[4]。
衣康酸(itaconic acid)是第五大有機(jī)酸(前4位依次為:檸檬酸、葡萄糖酸、乳酸和蘋果酸)[5]。衣康酸發(fā)酵的最適碳源是葡萄糖,其價(jià)格較淀粉等碳源要高,無法滿足實(shí)際工業(yè)生產(chǎn);但由于衣康酸發(fā)酵菌株缺乏能夠水解糖類的酶或其酶活很低,無法直接有效利用淀粉等大分子糖類,而需要經(jīng)過預(yù)處理將其轉(zhuǎn)化為可被衣康酸發(fā)酵菌株利用的小分子糖類(如葡萄糖),這無疑會(huì)增加生產(chǎn)成本。因此,尋求非糧可再生原料生產(chǎn)衣康酸是降低生產(chǎn)成本的有效策略。1978年,Kobayashi等研究發(fā)現(xiàn)木材廢棄物經(jīng)水解后,其水解液可被利用生產(chǎn)衣康酸。Saha等[6]研究發(fā)現(xiàn),部分土曲霉能夠利用木糖等五碳糖生產(chǎn)衣康酸,為充分利用木質(zhì)纖維素原料水解糖類奠定了基礎(chǔ)。Saha等[7]用稀酸預(yù)處理小麥秸稈,經(jīng)酶解獲得酶解液,將酶解液稀釋1 000倍并額外添加葡萄糖后,利用土曲霉發(fā)酵生產(chǎn)衣康酸的產(chǎn)量約為正常發(fā)酵的一半。Jimenez-Quero等[8]將麥麩和玉米芯進(jìn)行水解得到水解液,發(fā)現(xiàn)兩種土曲霉無法在稀釋10倍的水解液中發(fā)酵生產(chǎn)衣康酸。Pedroso等[9]將米糠經(jīng)磷酸預(yù)處理及脫毒處理后,利用土曲霉發(fā)酵生產(chǎn)衣康酸的產(chǎn)量為1.9 g·L-1。Krull等[10]將小麥殼進(jìn)行NaOH溶液預(yù)處理后制得水解液,利用土曲霉發(fā)酵生產(chǎn)衣康酸的產(chǎn)量為0.6 g·L-1;水解液經(jīng)蛋白質(zhì)變性和離子交換樹脂脫毒后,衣康酸產(chǎn)量提高到27.7 g·L-1。
作者以稻草秸稈酶解糖化液為原料,利用土曲霉KY-013發(fā)酵生產(chǎn)衣康酸;研究超微粉碎、高溫蒸煮、稀硫酸和NaOH溶液等預(yù)處理方式對(duì)稻草秸稈酶解糖化的影響,并分析預(yù)處理前后及酶解后稻草秸稈中組分含量的變化,旨在充分利用秸稈資源,降低生產(chǎn)成本,為農(nóng)業(yè)廢棄物纖維素資源的開發(fā)利用開辟可行的途徑。
稻草秸稈,取自江西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院水稻試驗(yàn)田;纖維素酶(酶活力為494.6 IU·g-1)、土曲霉(Aspergillusterreus)KY-013均由江西科院生物新材料有限公司提供。
UV-6000PC型紫外可見分光光度計(jì),上海元析儀器有限公司;HPLC-20AD型液相色譜儀、TOSOh TSKgel-OApakP+Oapak A型分析柱(7.8 mm×300 mm)、RID-10A型示差檢測(cè)器,日本島津公司;MKCA6-2J型超微粉碎機(jī),MASUKO SANGYO;PC350×500型錘式粉碎機(jī),鄭州恒星重型設(shè)備有限公司;TY36型小型盤式粉碎機(jī),山東濟(jì)寧曲阜天陽機(jī)械制造有限公司。
斜面培養(yǎng)基(g·L-1):葡萄糖20、玉米漿干粉8.0、NaCl 20、瓊脂15。
種子培養(yǎng)基(g·L-1):葡萄糖55.5、玉米漿干粉1.2、NH4NO35.0、MgSO4·7H2O 2.0、pH值3.0。
發(fā)酵培養(yǎng)基(g·L-1):稻草秸稈水解液、葡萄糖、木糖、NH4NO33、MgSO4·7H2O 1.8、玉米漿干粉 0.48、KH2PO40.05、ZnSO40.02、pH值3.0。
將自然風(fēng)干的稻草秸稈切成1~2 cm小段,用自來水沖洗干凈,室內(nèi)風(fēng)干后,105 ℃下干燥2 h,儲(chǔ)于干燥器中;取1 kg干燥稻草秸稈依次經(jīng)錘式粉碎機(jī)和盤式粉碎機(jī)粉碎后,過60目篩,即得稻草秸稈粉。
1.4.1 超微粉碎預(yù)處理
稱取100 g稻草秸稈粉置于2 000 mL錐形瓶中,加入1.9 kg水,混勻后得到稻草混合液。將超微粉碎機(jī)調(diào)零并設(shè)置參數(shù)為500 μm,將稻草混合液加入磨機(jī),并不斷調(diào)小磨機(jī)間距,使得稻草混合液依次通過每個(gè)節(jié)點(diǎn)(500 μm、300 μm、250 μm、200 μm、150 μm、100 μm),然后分別在粒徑為10 μm、20 μm、30 μm、40 μm、50 μm、60 μm條件下通過10次,抽濾分離,60 ℃干燥至恒重,置于干燥器中,備用。以無處理作為空白對(duì)照。
1.4.2 高溫蒸煮預(yù)處理
稱取10 g稻草秸稈粉置于500 mL錐形瓶中,加入190 g水,分別經(jīng)120 ℃、160 ℃、180 ℃蒸煮處理1 h,抽濾分離,60 ℃干燥至恒重,置于干燥器中,備用。以無處理作為空白對(duì)照。
1.4.3 稀硫酸預(yù)處理
稱取10 g稻草秸稈粉置于250 mL錐形瓶中,按固液比1∶10(g∶mL)分別加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%、5%、10%、15%、20%和25%的稀硫酸,置于恒溫?fù)u床中,于60 ℃、200 r·min-1振蕩處理24 h,抽濾分離,用蒸餾水洗滌至中性,60 ℃干燥至恒重,置于干燥器中,備用。以蒸餾水處理作為空白對(duì)照。
1.4.4 NaOH溶液預(yù)處理
稱取10 g稻草秸稈粉置于250 mL錐形瓶中,按固液比1∶7.5(g∶mL)分別加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%、1.0%、1.5%、2.0%、3.0%、4.0%和5.0%的NaOH溶液,置于恒溫?fù)u床中,于30 ℃、200 r·min-1振蕩處理24 h,抽濾分離,用蒸餾水洗滌至中性,60 ℃干燥至恒重,置于干燥器中,備用。以蒸餾水處理作為空白對(duì)照。
準(zhǔn)確稱取2.5 g預(yù)處理后的稻草秸稈粉置于250 mL錐形瓶中,按固液比1∶20(g∶mL)加入pH值為4.8的檸檬酸緩沖液,然后加入一定量纖維素酶溶液,于50 ℃、200 r·min-1酶解48 h,以蒸餾水處理作為空白對(duì)照。每24 h取樣測(cè)定酶解液中還原糖和總糖的含量,按式(1)計(jì)算還原糖轉(zhuǎn)化率。
(1)
式中:A為酶解液中還原糖含量;B為預(yù)處理后的稻草秸稈粉質(zhì)量;C為預(yù)處理前稻草秸稈粉質(zhì)量;D為預(yù)處理前稻草秸稈粉中總糖含量。
采用DNS法[11]測(cè)定酶解液中還原糖含量,采用硫酸-苯酚法[12]測(cè)定酶解液中總糖含量,采用Van Soest法[13]測(cè)定NaOH溶液預(yù)處理前后以及酶解后稻草秸稈中纖維素、半纖維素和木質(zhì)素的含量。
參照文獻(xiàn)[14]進(jìn)行。將安瓿管保藏的土曲霉KY-013菌種接種至斜面培養(yǎng)基中,30 ℃恒溫培養(yǎng)4 d后,置于4 ℃冰箱中保存,備用;用無菌水洗下斜面孢子,稀釋,使菌懸液孢子濃度為4.55×107個(gè)·mL-1;按10%接種量接種于100 mL種子培養(yǎng)基中,于30 ℃、220 r·min-1振蕩培養(yǎng)48 h;將培養(yǎng)好的種子液按10%接種量接種至40 mL發(fā)酵培養(yǎng)基中,于37 ℃、280 r·min-1振蕩培養(yǎng)6 d,即得衣康酸。
糖酸轉(zhuǎn)化率的測(cè)定:將發(fā)酵液經(jīng)10 000 r·min-1離心10 min;取上清液,稀釋,用0.22 μm聚醚水性濾膜過濾,進(jìn)行HPLC分析(檢測(cè)器為RID-10A型示差檢測(cè)器,流動(dòng)相為0.75 mmol·L-1H2SO4,流速1.0 mL·min-1,柱溫45 ℃,進(jìn)樣量10 μL),測(cè)定發(fā)酵液中衣康酸和殘?zhí)呛浚词?2)計(jì)算糖酸轉(zhuǎn)化率。
(2)
圖1 超微粉碎預(yù)處理對(duì)稻草秸稈酶解糖化的影響Fig.1 Effect of superfine pulverization pretreatment on enzymatic saccharification of rice straw
從圖1可知,稻草秸稈經(jīng)超微粉碎預(yù)處理后進(jìn)行纖維素酶酶解,粒徑10~60 μm的稻草秸稈酶解24 h的還原糖轉(zhuǎn)化率為31.50%~38.24%,酶解48 h的還原糖轉(zhuǎn)化率為44.40%~49.50%;酶解48 h的還原糖轉(zhuǎn)化率普遍高于酶解24 h的。因此,超微粉碎預(yù)處理的最優(yōu)方式為錘式粉碎機(jī)、盤式粉碎機(jī)依次粉碎,得到50 μm粒徑的稻草秸稈酶解48 h的還原糖轉(zhuǎn)化率最高,為49.50%。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),50 μm和60 μm粒徑的稻草秸稈與纖維素酶的接觸面積最大,其纖維素的結(jié)晶度最低,在一定程度上提高了還原糖轉(zhuǎn)化率,但稻草秸稈中木質(zhì)素結(jié)構(gòu)并未被有效破壞,木質(zhì)素去除率僅2.6%。因此,超微粉碎預(yù)處理的酶解效率不夠理想[15]。
從圖2可知,稻草秸稈分別經(jīng)120 ℃ 、160 ℃和180 ℃蒸煮預(yù)處理1 h后進(jìn)行纖維素酶酶解,酶解24 h的還原糖轉(zhuǎn)化率分別為48.06%、30.24%、29.16%,酶解48 h的還原糖轉(zhuǎn)化率分別為52.14%、33.81%、32.16%;酶解48 h的還原糖轉(zhuǎn)化率普遍高于酶解24
圖2 高溫蒸煮預(yù)處理對(duì)稻草秸稈酶解糖化的影響Fig.2 Effect of high temperature cooking pretreatment on enzymatic saccharification of rice straw
h的;120 ℃蒸煮預(yù)處理的酶解效果優(yōu)于160 ℃和180 ℃。這是因?yàn)椋邷馗邏簳?huì)促使纖維素內(nèi)部氫鍵斷裂,其脫落的羥基會(huì)增強(qiáng)纖維素的吸附能力,半纖維素和木質(zhì)素脫離纖維素的包裹,并進(jìn)一步水解和轉(zhuǎn)化,但溫度過高會(huì)一定程度破壞纖維素和半纖維素的結(jié)構(gòu),導(dǎo)致酶解效率降低,進(jìn)而影響還原糖轉(zhuǎn)化率。因此,高溫蒸煮預(yù)處理的最優(yōu)方式為120 ℃處理1 h,得到的稻草秸稈酶解48 h的還原糖轉(zhuǎn)化率最高,為52.14%。但高溫高壓不能改變木質(zhì)素結(jié)構(gòu)、有效去除木質(zhì)素、降低纖維素結(jié)晶度,因此,其應(yīng)用在一定程度上受到限制[16]。荊磊等[17]研究發(fā)現(xiàn),稻草秸稈經(jīng)160 ℃自水解預(yù)處理,在混合酶用量為40 FPU·g-1時(shí),葡聚糖和木聚糖的總轉(zhuǎn)化率分別約為68%和45%,總糖轉(zhuǎn)化率近60%。
圖3 稀硫酸預(yù)處理對(duì)稻草秸稈酶解糖化的影響Fig.3 Effect of dilute sulfuric acid pretreatment on enzymatic saccharification of rice straw
從圖3可知,稻草秸稈分別經(jīng)1%、5%、10%、15%、20%、25%的稀硫酸預(yù)處理后進(jìn)行纖維素酶酶解,隨著稀硫酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加,還原糖轉(zhuǎn)化率總體呈降低的趨勢(shì);在稀硫酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%時(shí),酶解48 h的還原糖轉(zhuǎn)化率達(dá)到最高,為37.69%。這是因?yàn)椋?%稀硫酸能明顯降低纖維素的平均聚合度、改變木質(zhì)素的結(jié)構(gòu)、增強(qiáng)反應(yīng)能力、最大程度提高酶解效率。因此,稀硫酸預(yù)處理的最優(yōu)方式為1%稀硫酸預(yù)處理稻草秸稈,酶解48 h的還原糖轉(zhuǎn)化率為37.69%。但稀硫酸在處理過程中會(huì)產(chǎn)生多種抑制發(fā)酵的產(chǎn)物[15],并且稀硫酸預(yù)處理對(duì)木質(zhì)素的去除率較低,只有16.67%。孫萬里等[18]曾報(bào)道,經(jīng)酸預(yù)處理的稻草秸稈酶解的纖維素轉(zhuǎn)化率為43.4%、葡萄糖含量為24.1 g·L-1;經(jīng)酸堿聯(lián)合處理的稻草秸稈酶解的纖維素轉(zhuǎn)化率為60.6%、葡萄糖含量為47.7 g·L-1。
經(jīng)檢測(cè),稻草秸稈中纖維素含量為34.8%、半纖維素含量為23.2%、木質(zhì)素+灰分含量為18.38%。NaOH溶液預(yù)處理前后及酶解后,稻草秸稈中各組分含量變化如圖4所示。
從圖4可知,NaOH預(yù)處理后,纖維素含量增加15.66%;半纖維素?fù)p失率為10.05%;而木質(zhì)素+灰分含量明顯降低,殘留量只有3.93%,損失率達(dá)到85.93%;酶解后殘?jiān)心举|(zhì)素+灰分含量增加48.69%。有研究報(bào)道,NaOH溶液預(yù)處理對(duì)纖維素含量變化無影響,半纖維素與木質(zhì)素的損失比較大。此外,NaOH溶液預(yù)處理過程中,由于木質(zhì)素、半纖維素溶出較多,使得纖維素充分暴露,增大了稻草秸稈的比表面積,提高了酶解效率[15,19]。
NaOH溶液預(yù)處理對(duì)稻草秸稈酶解糖化的影響如圖5所示。
從圖5可知,隨著NaOH質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加,還原糖轉(zhuǎn)化率呈先升高后降低的趨勢(shì);在NaOH質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.5%時(shí),酶解24 h和48 h的還原糖轉(zhuǎn)化率均達(dá)到最高,分別為61.94%和82.51%。纖維素酶會(huì)不斷將纖維素和半纖維素酶解成可利用還原糖,而木質(zhì)纖維素的結(jié)構(gòu)對(duì)纖維的結(jié)晶度、孔隙率及木質(zhì)素的含量影響很大[20]。稻草秸稈經(jīng)1.5%NaOH溶液預(yù)處理后,其稻草秸稈結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,木質(zhì)素-碳水化合物復(fù)合體被破壞,使部分纖維素脫出,木質(zhì)纖維素的內(nèi)部結(jié)構(gòu)更加疏松,酶對(duì)纖維素的可及度增加,此外稻草纖維的結(jié)晶度降低,稻草秸稈膨脹、孔隙率增加,且木質(zhì)素被NaOH溶解后被溶出。因此,纖維素不斷被酶解糖化成葡萄糖,半纖維素被酶解成木糖和阿拉伯糖。酶解后殘?jiān)心举|(zhì)素含量較高,結(jié)晶度也較高,不僅可以用來提純木質(zhì)素用作工業(yè)原料,也可以將酶解殘?jiān)苯犹砑又辆廴樗嶂?,制備新型生物可降解材料,?shí)現(xiàn)木質(zhì)纖維的全組分利用[21]。
綜上,結(jié)合李輝勇等[22]的研究結(jié)果,確定稻草秸稈的最佳預(yù)處理方式為:按固液比1∶7.5(g∶mL)加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.5%的NaOH溶液,于30 ℃、200 r·min-1振蕩處理24 h;結(jié)合沙如意等[12]的研究結(jié)果,確定最佳酶解工藝為:按固液比1∶20(g∶mL)加入pH值4.8的檸檬酸緩沖液,加入2.5 IU·g-1纖維素酶溶液,于50 ℃、200 r·min-1酶解48 h。
稻草秸稈酶解糖化液的HPLC圖譜如圖6所示,稻草秸稈酶解糖化液中各還原糖的含量如圖7所示。
經(jīng)單糖定量分析可知,稻草秸稈酶解糖化液中的還原糖主要有D-纖維二糖(16.214 min)、乳糖(17.890 min)、葡萄糖(19.026 min)、木糖(20.285 min)、阿拉伯糖(22.748 min)。其中,葡萄糖含量最高,酶解24 h的含量為17.62 g·L-1、酶解48 h的含量為23.44 g·L-1;其次為乳糖、木糖、D-纖維二糖、阿拉伯糖。據(jù)報(bào)道,稻草秸稈中主要還原糖為阿拉伯聚糖、半乳聚糖、葡聚糖和木聚糖[17]。經(jīng)纖維素酶酶解后,阿拉伯聚糖被分解為阿拉伯糖,葡聚糖被完全分解為葡萄糖、不完全分解為D-纖維二糖,木聚糖被完全分解為木糖,而酶解糖化液中乳糖由半乳聚糖不完全分解得到。稻草秸稈經(jīng)1.5%NaOH溶液預(yù)處理后,半纖維素和木質(zhì)素脫除,因此由半纖維素水解而成的木糖含量明顯偏低,而纖維素更加高效水解為葡萄糖,因此還原糖中的葡萄糖含量最高。
土曲霉KY-013利用NaOH溶液預(yù)處理后的稻草秸稈酶解糖化液發(fā)酵生產(chǎn)衣康酸的結(jié)果如表1所示。
從表1可知:
(1)稻草秸稈酶解糖化液中未額外添加葡萄糖和木糖時(shí)(1#~5#),隨著酶解糖化液中葡萄糖和木糖濃度的增加,衣康酸的產(chǎn)量先升高后降低;在葡萄糖濃度為30 g·L-1、木糖濃度為3.5 g·L-1時(shí),衣康酸產(chǎn)量達(dá)到最高,為9.78 g·L-1,糖酸轉(zhuǎn)化率為20.77%。這是因?yàn)椋附馓腔弘m然在一定條件下能被土曲霉KY-013發(fā)酵生產(chǎn)衣康酸,但1.5%NaOH溶液預(yù)處理稻草秸稈酶解糖化液中含有抑制土曲霉KY-013發(fā)酵的物質(zhì),使得發(fā)酵利用受阻;高濃度的酶解糖化液中抑制物濃度較高,此時(shí)雖然葡萄糖和木糖濃度高,但不足以應(yīng)對(duì)抑制物的抑制作用;而低濃度的酶解糖化液中抑制物濃度較低,土曲霉KY-013對(duì)酶解糖化液中葡萄糖和木糖的發(fā)酵利用作用強(qiáng)于抑制物的抑制作用,因此衣康酸產(chǎn)量相對(duì)升高;當(dāng)酶解糖化液中葡萄糖和木糖濃度很低時(shí),又無法滿足土曲霉發(fā)酵對(duì)糖的需求,因此隨著酶解糖化液濃度的降低,衣康酸產(chǎn)量先升高后降低。另外,隨著酶解糖化液中葡萄糖和木糖濃度的增加,發(fā)酵液pH值逐漸減小、菌體干重逐漸升高、糖酸轉(zhuǎn)化率逐漸降低。
表1利用稻草秸稈酶解糖化液發(fā)酵生產(chǎn)衣康酸的結(jié)果
Tab.1 Results of production of itaconic acid by fermentation of enzymatic saccharification liquid of rice straw
(2)稻草秸稈酶解糖化液中額外添加葡萄糖和木糖時(shí)(6#~11#),隨著酶解糖化液中葡萄糖和木糖濃度的增加,衣康酸產(chǎn)量逐漸升高;在葡萄糖濃度為80 g·L-1、木糖濃度為40 g·L-1時(shí),衣康酸產(chǎn)量達(dá)到最高,為53.88 g·L-1;隨著酶解糖化液中葡萄糖和木糖濃度的增加,糖酸轉(zhuǎn)化率逐漸升高、發(fā)酵液pH值逐漸減小、菌體干重逐漸下降。
表明,底物濃度直接影響微生物的生長(zhǎng)和代謝,發(fā)酵過程中碳源濃度過高或過低均會(huì)不同程度影響菌株的生長(zhǎng)[23]。
以稻草秸稈生物轉(zhuǎn)化制備衣康酸為目標(biāo),選擇稻草秸稈酶解糖化液為原料,利用土曲霉KY-013發(fā)酵生產(chǎn)衣康酸。研究了超微粉碎、高溫蒸煮、稀硫酸和NaOH溶液等預(yù)處理方式對(duì)稻草秸稈酶解糖化的影響,確定稻草秸稈的最佳預(yù)處理方式為:按固液比1∶7.5(g∶mL)加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.5%的NaOH溶液,于30 ℃、200 r·min-1振蕩處理24 h;最佳酶解工藝為:按固液比1∶20(g∶mL)加入pH值4.8的檸檬酸緩沖液,加入2.5 IU·g-1纖維素酶溶液,于50 ℃、200 r·min-1酶解48 h。在此條件下,還原糖轉(zhuǎn)化率達(dá)到最高,為82.51%。HPLC分析表明,酶解糖化液中還原糖成分為D-纖維二糖、乳糖、葡萄糖、木糖、阿拉伯糖。在不添加葡萄糖和木糖條件下,酶解糖化液中葡萄糖濃度為30 g·L-1、木糖濃度為3.5 g·L-1時(shí),衣康酸產(chǎn)量達(dá)到最高,為9.78 g·L-1;隨著添加葡萄糖和木糖濃度的增加,土曲霉KY-013對(duì)稻草秸稈糖化液的利用效率逐漸升高,衣康酸產(chǎn)量逐漸升高,最終達(dá)53.88 g·L-1。
本研究表明土曲霉KY-013能利用合適底物濃度的酶解糖化液發(fā)酵生產(chǎn)衣康酸,為衣康酸工業(yè)化生產(chǎn)原料找到非糧的替代品,也為生物發(fā)酵行業(yè)碳源的原料供應(yīng)提供了新的途徑。