2010年9月
农业机械学报
第41卷增刊
DO I :10.3969/j .issn .100021298.2010.Supp.030
3
杨培周 姜绍通 郑 志 罗水忠 高星星
(合肥工业大学生物与食品工程学院，合肥230009)
【摘要】 以玉米秸秆的维管柱、皮层和表皮为材料，分别考察固液比、发酵时间、碱性氧化物浓度和预处理时间对发酵液中还原糖含量以及FP A 酶活的影响；通过正交试验进一步优化糖化条件，结果表明，在固液比、发酵时间、碱性氧化物、预处理时间分别为1∶20、5d 、1%、3d,1∶15、515d 、1%、315d 和1∶15、5d 、1%、3d 条件下，发酵液中的还原糖含量最高，维管柱、皮层和表皮分别为15192%、12143%和5193%；木质纤维素糖化率分别为31184%、 18165%和819%。在糖含量较低时,FP A 与还原糖含量变化趋势基本一致。
关键词：玉米秸秆 木质纤维素 预处理 里氏木霉 糖化中图分类号:S38
文献标识码:A
文章编号:100021298(2010)S020137204
Pretrea t m en t of M i cro 2colu mn ,Cortex and Ep i derm is of
Corn Stover by A lka li O x i de
Yang Peizhou J iang Shaot ong Zheng Zhi Luo Shuizhong Gao Xingxing
(School of B iotechnology and Food Engineering,Hefei U niversity of Technology,Hefei 230009,China )
Abstract
M icr o 2colu mn,cortex and ep ider m is of corn st over were used t o p r oduce cellulases .The effects of s olid 2liquid rate (S L ),fer mentati on ti m e (FT ),concentrati on of alkali oxide (AO )and p
retreat m ent ti m e (PT )on reducing sugar contents and filter paper activity (FP A )of the s oluti on in the br oth were investigated .O rthogonal tests were perfor med t o op ti m ize the saccharificati on conditi ons further .The results showed that the highest contents of reducing sugars were deter m ined f or the m icr o 2column,cortex and ep ider m is of corn st over under the conditi ons of S L 1∶20/FT 5d /AO 1%/PT 3d,S L 1∶15/FT 515d /AO 1%/PT 315d and S L 1∶15/FT 5d /AO 1%/PT 3d,res pectively .The contents of reducing sugar reached 15192%,
12143%
and 5193%,
and the highest saccharificati on percentages of the
lignocellul oses reached 31184%,18165%and 819%,res pectively under the above conditi ons .The devel op ing trend of filter paper activity was si m ilar t o the concentrati on of reducing sugar under l ower concentrati ons of reducing sugar .
Key words Corn st over,L ignocellul oses,Pretreat m ent,Trichoder ma reesei,Saccharificati on
收稿日期:2010207201 修回日期:20102072163“十一五”国家科技支撑计划资助项目(2007BAD34B00)
和合肥工业大学科学研究发展基金资助项目(1132036404)作者简介：杨培周，博士后，主要从事生物炼制和酶工程研究,E 2mail:yangpeizhou@163 通讯作者：姜绍通，教授，博士生导师，主要从事农产品生物化工研究,E 2mail:jiangshaot ong@yahoo
引言
生物质的高效糖化是制备生物燃料以及生物化工材料基质的前提和关键，其中，原料的预处理是糖
电麻机
化的必要过程[1～2]
。目前，主要采用物理法(粉碎、
研磨、蒸煮、CO 2气爆、热解[3～4]、化学法(酸[5～6]
、
碱、过氧化物法、离子液催化[7～8]
等)、物理化学联合
法(碱气爆，氨气爆、碱微波[9])和生物法[10～11]
等技
术预处理原料以破坏晶体结构，增大木质纤维素的表面积，提高对纤维素酶的可及性和敏感度。其中，碱性双氧水预处理不仅能够高效脱除木质素，减小
结晶度，而且处理过程中生成的副产物对微生物发
酵以及纤维素酶活的抑制作用小[12]
。
不同种类秸秆以及同一种类不同部位的木质纤维素结构存在差异，不同组织结构的木质纤维素结晶特性影响预处理的效果，但对秸秆各组分进行预处理却鲜有报道。本文以玉米秸秆为材料，考察各组分(维管柱、皮层和表皮)对预处理后发酵过程中木质纤维素糖化的影响，为玉米秸秆高效预处理提供参考。
1 材料与方法
111 玉米秸秆预处理
玉米秸秆取自安徽肥东县农田，为农民收获玉
米后遗留在农田里的秸秆。秸秆主要结构为维管柱、皮层和表皮(图1)。去除玉米植株的叶子、根和灰尘，晒干，切割成维管柱、皮层和表皮，粉碎至1～3mm 长度。称取粉碎后的玉米维管柱、皮层和表皮各15g，根据试验设计加入不同比例和不同浓度的氢氧化钠溶液(碱液中含1%过氧水)浸泡,
自来水冲洗至pH 中性，尼龙布过滤,70℃干燥至恒重，然后粉碎至直径011～015mm 的粉末。
图1 玉米秸秆的维管柱、皮层和表皮横切面模式图
Fig .1 Cr oss 2secti on model of m icr o 2colu mn,
cortex and ep ider m is of corn st over
112 糖化
里氏木霉13052(ATCC56765)购自中国工业微
生物菌株保藏管理中心。通过诱变选育出突变株Tr 228。以秸秆为唯一碳源的发酵液中，该菌种分泌的纤维素酶系高效降解木质纤维素底物，转化为还原糖。发酵产糖培养基为(NH 4)2S O 42%;KH 2P O 4011%;Na NO 3013%;MgS O 4・7H 2O 0105%，根据DNS 法测定总还原糖的含量[13]
。
113 试验设计
根据单因素的试验结果，选择正交试验的因素(表1)，采用正交表L 9(34)。
表1 正交试验因素水平
Tab .1 Factor level by orthogona l test
水平
因素
发酵时间
A /d
碱液质量分数
B /%
浸泡时间
C /d
固液比D
12150152151∶1523101103101∶103
315
115
315
1∶20
2 结果与分析
openapi211 固液比
21111 固液比对还原糖含量的影响
将不同类型的秸秆以1%碱性双氧水浸泡2d,
发酵3d，考察固液比对还原糖和FP A 酶活的影响。结果表明，各类型秸秆在固液质量比为1∶5和1∶10时的还原糖含量较低，为015%～1%；固液比为1∶
15时，还原糖含量迅速增大，最高达到319%；固液
比为1∶20和1∶25时，还原糖含量逐渐降低。还原糖含量最高的固液比为1∶15，维管柱为底物发酵的发酵液中还原糖最多，以皮层和表皮为底物发酵的还原糖含量相近，如表2所示。
表2 固液比对发酵液中还原糖含量的影响
Tab .2 Effect of reduc i n g sugar concen tra ti on s i n broth on the soli d 2li qu i d ra te
%
组分
固液比
1∶5
1∶101∶151∶201∶25维管柱0159±01040182±01073192±01113161±01042114±0109皮层0161±01020195±01022183±01122142±01052145±0105表皮
0165±0105
0180±0104
2194±0123
2180±0112潜水钟与蝴蝶 下载
2131±0108
21112 固液比对FP A 酶活的影响比较不同固液比对发酵液中FP A 酶活的影响，如表3所示，结果表明，固液比为1∶15时的FP A 酶
活最高，以预处理后维管柱为底物发酵的产FP A 酶活性最高，达3112U /mL，其次为皮层。
212 发酵时间
21211 发酵时间对还原糖含量的影响
测定发酵3～7d 发酵液中的还原糖含量，如图2所示，结果表明，产糖量最高的为维管柱为底物，其次为皮层，最小的为表皮。3种底物的还原糖
8
31农 业 机 械 学 报 2010年
表3 固液比对FPA 酶活的影响
Tab .3 Effect of f ilter paper acti v ity i n broth on soli d 2li qu i d ra te
U /mL
组分
固液比
1∶5
1∶101∶151∶201∶25维管柱1123±01052135±01253110±01121155±01320188±0109皮层1131±01032125±01053112±01051164±01250190±0107表皮
1152±0104
2171±0111
2180±0102
2104±0105
1151±01
01
图2 发酵时间对发酵液还原糖含量的影响
Fig .2 Effect of fer mentati on ti m e on reducing
sugar concentrati ons in br oth
含量趋势基本一致,3～5d 还原糖含量逐渐增加，第5天还原糖含量最高，第6天开始下降。21212 发酵时间对FP A 酶活的影响考察不同发酵时间后FP A 酶活变化趋势，如图3所示，结果表明，发酵3～4d 的酶活相对稳定在较低水平,4～5d 期间的酶活急剧上升,5～6d 上升趋势减弱，在第6天后酶活逐渐下降。其中以皮层为底物产酶较高，最高的为发酵6d 后的酶活，达到2110U /mL
。
图3 发酵时间对发酵液FP A 酶活的影响
Fig .3 Effect of fer mentati on ti m e on filter paper activity
213 碱性氧化物
21311 碱质量分数对还原糖含量的影响
考察不同质量分数的碱性氧化物预处理各秸秆后，发酵液中还原糖量以及FPA 酶活，其中浓度为零的表示蒸馏水浸泡的。不同浓度梯度预处理
后总还原糖含量的测定结果表明(图4)，碱浓度为零时，基本不产糖，碱质量分数为1%时，还原糖达到一个峰值，随着浓度的继续增大，糖产量下降。维管柱和皮层为底物的总还原糖含量较高,
图4 碱性氧化物质量分数对还原糖含量的影响
Fig .4 Effect of alkali oxide concentrati ons on
reducing sugar concentrati ons
最高为7%。21312 碱性氧化物质量分数对FP A 酶活的影响
不同质量分数的碱性氧化物预处理后考察FP A 酶活变化趋势如图5所示。结果表明以维管
柱、皮层和表皮为底物的发酵液中FPA 酶活性总体趋势相似，当以蒸馏水(0%)时的酶活最低，而采用1%质量分数的碱性氧化物浸泡后发酵液的酶活最高，达到118U /mL，随着浓度的继续增加,FP A 酶活呈下降趋势。秸秆3种不同组分诱导纤
维素酶的结果表明，诱导酶活较好的是皮层，其次是维管柱
。
图5 碱性氧化物浓度对FP A 酶活的影响
Fig .5 Effect of alkali oxide concentrati on on
filter paper activity
214 预处理时间对发酵液中还原糖含量的影响
考察不同预处理时间对发酵液中还原糖含量的影响如图6所示。结果表明发酵液中还原糖的含量变化趋势明显,0～3d 内随着时间的增加还原糖含量逐渐增大，预处理3d 的还原糖含量最高，随后呈下降趋势，其中维管柱为底物的下降趋势明显，而以皮层和表皮为底物的下降趋势较平缓，维持较高的还原糖水平。
9
31增刊 杨培周等：碱性氧化物预处理玉米秸秆维管柱、皮层和表皮研究
图6 预处理时间对发酵液中还原糖含量的影响
Fig.6 Effect of p retreat m ent ti m e on reducing
sugar concentrati on
215 正交试验结果
通过正交试验，考察各秸秆组分发酵液中的最高还原糖含量以及各相应因素条件(表4)，结果表明，通过优化维管柱、皮层和表皮为底物发酵液中还原糖含量分别为15192%、12143%和5193%。通过相应固液比参数，计算出总还原糖量分别为63618、37219和17719mg；预处理后木质纤维素糖化率(2g 底物)分别为31184%、18165%和819%。
表4 正交试验后发酵液中最高产糖及因素条件
Tab.4 H i ghest reduc i n g sugar and factor
level by orthogona l test
固液比
发酵
时间/d
碱性氧化物
质量分数/%
预处理
时间/d
还原糖
含量/%
维管柱1∶20510131015192
皮层1∶15515131512143
类石墨烯
表皮1∶1551013105193
3 结束语
通过研究发现不同玉米秸秆组分(包括维管柱、皮层和表皮)的不同预处理方式显著影响秸秆发酵液中
的还原糖含量。维管柱、皮层和表皮在优化条件后发酵液的还原糖含量分别为15192%、12143%和5193%，预处理后的木质纤维素糖化率分别为31184%、18165%和819%。发酵液中还原糖含量处于较低水平时,FP A酶活与还原糖含量的变化趋势基本一致。
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