趙雪冰，劉德華

清華大學(xué)化學(xué)工程系應(yīng)用化學(xué)研究所，北京 100084

乙酸分級(jí)預(yù)處理甘蔗渣對(duì)纖維素酶解性能的影響

趙雪冰，劉德華

清華大學(xué)化學(xué)工程系應(yīng)用化學(xué)研究所，北京 100084

為提高甘蔗渣的纖維素酶解性能，采用乙酸脫木素結(jié)合堿脫乙?；念A(yù)處理工藝 (Acetoline工藝) 對(duì)甘蔗渣進(jìn)行預(yù)處理，考察了乙酸脫木素過(guò)程中若干因素對(duì)預(yù)處理結(jié)果的影響，并對(duì)預(yù)處理后甘蔗渣的纖維素酶解性能進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，經(jīng)過(guò)Acetoline預(yù)處理后甘蔗渣在7.5%固體含量、15 FPU+10 CBU/g固體的纖維素酶和β-葡萄糖苷酶用量下酶解48 h，酶解聚糖轉(zhuǎn)化率接近80%。與稀酸預(yù)處理相比，Acetoline預(yù)處理可以得到更高的酶解聚糖轉(zhuǎn)化率。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明Acetoline工藝是一種可有效提高甘蔗渣纖維素酶解性能的預(yù)處理方法。

木質(zhì)纖維素，預(yù)處理，酶解性能，脫木素，脫乙?；?/p>

Abstract:During the bioconversion of lignocellulose to ethanol, the biomass always undergoes pretreatment in order to increase the enzymatic digestibility of cellulose. In present work, we conducted the pretreatment of sugarcane bagasse with aqueous acetic acid for delignification and alkali for deacetylation respectively (Acetoline process) to increase cellulose accessibility for enzymatic hydrolysis. The effects of several factors on the pretreatment effectiveness were investigated. The enzymatic digestibility of pretreated bagasse was further studied. The enzymatic glycan conversion of pretreated solid reached about 80% when it was digested under 7.5% solid consistency with cellulase of 15 FPU/g solid and β-glucosidase of 10 CBU/g solid for 48 h. Compared with dilute acid pretreatment, Acetoline pretreatment could obtain higher enzymatic glycan conversion. The experimental results indicate that Acetoline is an effective pretreatment method to increase the enzymatic digestibility of sugarcane bagasse.

Keywords:lignocellulose, pretreatment, enzymatic digestibility, delignification, deacetylation

近年來(lái)，從木質(zhì)纖維素生物轉(zhuǎn)化生產(chǎn)燃料乙醇的研究與開(kāi)發(fā)受到了世界各國(guó)的廣泛關(guān)注。這一方面是由于乙醇與汽油混合后可提高汽油的辛烷值和含氧量，使得汽油能夠更加完全地燃燒，從而減少顆粒污染物及CO等氣體的排放[1]。另一方面是由于乙醇不僅可以由淀粉質(zhì)原料發(fā)酵生產(chǎn)，還可以由來(lái)源廣泛且價(jià)格低廉的木質(zhì)纖維素生產(chǎn)。據(jù)估計(jì)，地球上每年光合作用的產(chǎn)物 (生物質(zhì)) 高達(dá)1 500~2 000億t，是地球上唯一可超大規(guī)模再生的實(shí)物性資源[2]。同時(shí)，全生命周期分析表明纖維素乙醇生產(chǎn)可以顯著降低 CO2的凈排放量[3]。但由于木質(zhì)纖維素的致密性和木質(zhì)化結(jié)構(gòu)阻礙了纖維素的酶催化水解。因此，將其進(jìn)行酶解之前需要進(jìn)行預(yù)處理以提高纖維素的酶解性能。目前人們已開(kāi)發(fā)了多種預(yù)處理工藝，包括物理法、化學(xué)法、物理-化學(xué)法和生物法[4-7]，這些方法各有優(yōu)缺點(diǎn)。從綜合利用木質(zhì)纖維素各組分出發(fā)，有機(jī)溶劑預(yù)處理為木質(zhì)纖維素的組分分離和高值化利用提供了一個(gè)很好的途徑[8]。有機(jī)溶劑預(yù)處理即是采用有機(jī)溶劑或其水溶液，在添加或不添加催化劑的前提下于一定溫度和壓力下對(duì)木質(zhì)纖維素進(jìn)行處理，其可獲得易于酶解的纖維素固體、半纖維素水解產(chǎn)物以及較高純度的木質(zhì)素產(chǎn)品[8]。該預(yù)處理過(guò)程同時(shí)也是木質(zhì)纖維素組分分離的過(guò)程，即所謂的分級(jí)預(yù)處理。在眾多的有機(jī)溶劑中，乙酸是可用于脫木素的最有前景的有機(jī)溶劑之一。這主要是由于乙酸預(yù)處理具有如下優(yōu)點(diǎn)：1) 乙酸是木素的良好溶劑，對(duì)于木素具有較高的溶解度；2) 乙酸預(yù)處理可以在常壓下進(jìn)行；3) 乙酸可通過(guò)蒸餾回收并循環(huán)使用；4) 預(yù)處理過(guò)程中半纖維素脫乙?；a(chǎn)生的乙酸可作為溶劑損失的補(bǔ)充；5) 乙酸木素易于從黑液中回收。因此，已有不少文獻(xiàn)報(bào)道了采用乙酸水溶液進(jìn)行木質(zhì)纖維素制漿或組分分離的研究工作[9-11]，但以采用乙酸來(lái)預(yù)處理木質(zhì)纖維素的過(guò)程卻鮮有報(bào)道。這主要是因?yàn)橐宜犷A(yù)處理過(guò)程中會(huì)導(dǎo)致纖維素乙酰化，從而抑制了纖維素的酶解反應(yīng)[12]。本實(shí)驗(yàn)室已開(kāi)發(fā)了基于乙酸脫木素和堿處理脫乙?；念A(yù)處理工藝(Acetoline工藝)，該工藝可以有效提高纖維素的酶解性能[13]。本文的目的即是考察基于乙酸脫木素的預(yù)處理過(guò)程中各因素對(duì)木素脫除率、聚糖水解率、乙?；康饶繕?biāo)響應(yīng)變量的影響，并對(duì)預(yù)處理后的纖維素固體進(jìn)行酶解性能測(cè)試。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)所用木質(zhì)纖維素為甘蔗渣，產(chǎn)自廣西南寧市。甘蔗渣經(jīng)風(fēng)干后篩分除去蔗髓，取不能通過(guò)20目篩孔的部分進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。經(jīng)分析，其葡聚糖、木聚糖、阿拉伯糖基、乙?；⒖死舅?、酸溶木素和灰分含量分別為40.48%、26.41%、1.17%、5.30%、22.64%、1.47%和 1.38%。所用纖維素酶為諾維信公司生產(chǎn)的Celluclast 1.5 L，經(jīng)測(cè)定其纖維素酶活為38.5 FPU/mL。酶解過(guò)程中添加的β-葡萄糖苷酶亦為諾維信公司生產(chǎn)，其酶活為240 CBU/mL。所用化學(xué)試劑主要包括冰醋酸和98%硫酸，均為市售分析純。

1.2 預(yù)處理過(guò)程

乙酸脫木素過(guò)程在帶有機(jī)械攪拌的1 000 mL三口燒瓶中進(jìn)行，其中一口與開(kāi)口冷凝管相連。稱取30 g蔗渣置于燒瓶中，加入300 mL含有0.1~0.3 wt%硫酸的乙酸水溶液 (乙酸濃度為60%~90%)，然后將燒瓶置于電熱套中加熱至沸點(diǎn)反應(yīng)1~3 h后停止加熱，過(guò)濾除去黑液。為避免或減少溶解木素的二次沉淀并沉積在纖維表面，所得固體先采用相同濃度的乙酸溶液進(jìn)行洗滌，過(guò)濾后再用自來(lái)水洗滌至中性。當(dāng)需要進(jìn)行乙?；摮磻?yīng)時(shí)，向洗滌后的固體中添加一定量的堿，攪拌均勻后于一定溫度下處理一定時(shí)間。為區(qū)別脫乙酰基的堿處理步驟，將乙酸脫木素步驟稱為“乙酸處理”，而整個(gè)預(yù)處理過(guò)程即稱為Acetoline預(yù)處理。

作為比較的稀酸預(yù)處理過(guò)程在5 L 316不銹鋼高壓釜中進(jìn)行，預(yù)處理?xiàng)l件為：1%硫酸，10∶1液固比 (L/kg)，160 ℃下保溫30 min，升溫和降溫總時(shí)間為1.5 h。

1.3 預(yù)處理后纖維素固體的酶解

乙酸處理及Acetoline預(yù)處理后纖維素固體的酶解性能測(cè)試在50 mL三角瓶中進(jìn)行。一定量的纖維素固體置于三角瓶?jī)?nèi)，加入一定體積含有纖維素酶的pH 4.8醋酸緩沖液，置于50 ℃、130 r/min的搖床中酶解120 h。纖維素酶的用量為5~40 FPU/g固體，β-葡萄糖苷酶的添加量為5~40 CBU/g固體。預(yù)處理后纖維素固體的酶解性能以酶解聚糖轉(zhuǎn)化率(EGC，%) 表征，其定義為：

其中，酶解產(chǎn)生的還原糖以纖維二糖、葡萄糖和木糖之和計(jì)。

1.4 分析方法

甘蔗渣和處理后固體中的主要成分根據(jù)美國(guó)可再生能源實(shí)驗(yàn)室的方法進(jìn)行測(cè)定[14]。纖維素酶酶活根據(jù) Ghose的方法測(cè)定[15]，但以 HPLC代替 DNS法來(lái)測(cè)定還原糖濃度。所用HPLC儀器為日本島津公司生產(chǎn)，色譜柱為 Aminex HPX-87H柱 (美國(guó)Bio-Rad 公司生產(chǎn))，分析條件為：5 mmol/L H2SO4為流動(dòng)相，0.8 mL/min流速，柱溫65 ℃，差示折光檢測(cè)器。

2 結(jié)果與分析

2.1 乙酸處理正交實(shí)驗(yàn)

為考察乙酸濃度 (CAcH)、催化劑硫酸濃度 (CSA)和反應(yīng)時(shí)間 (t) 對(duì)乙酸處理中固體得率 (SY)、葡聚糖水解率 (GH)、木聚糖水解率 (XH)、木素含量(LC)、木素脫除率 (DD)、乙?；?(AC) 以及酶解聚糖轉(zhuǎn)化率 (EGC) 的影響，以 L9(34) 正交表安排實(shí)驗(yàn)，測(cè)定了不同因素水平組合下的響應(yīng)變量值，結(jié)果如表 1所示。其中反應(yīng)溫度為所用乙酸溶液的常壓沸點(diǎn) (~107 ℃)，液固比為10∶1 (L/kg)。各因素對(duì)響應(yīng)變量影響的水平趨勢(shì)圖見(jiàn)圖 1?？芍?，隨著乙酸濃度、硫酸濃度和反應(yīng)時(shí)間增加，固體得率降低。固體得率的降低主要是由于聚糖水解以及木素脫除引起的。從圖1B和1C可知，隨著3個(gè)因素的水平值增加，葡聚糖水解率和木聚糖水解率均增加，但葡聚糖水解率顯著低于木聚糖水解率。此外，處理后固體中葡聚糖的含量隨著乙酸濃度、硫酸濃度和反應(yīng)時(shí)間增加呈上升趨勢(shì)，而木聚糖含量呈下降趨勢(shì)。這是由于木聚糖更易于水解，同時(shí)加上木素的脫除使得葡聚糖得以“純化”的緣故。隨著此三因素水平值增加，乙酸處理后纖維素固體中的木素含量降低，相應(yīng)的木素脫除率增加，表明增加乙酸濃度、硫酸濃度和反應(yīng)時(shí)間有利于木素的脫除。方差分析結(jié)果表明，乙酸濃度和硫酸濃度對(duì)于木素脫除率有顯著影響，而反應(yīng)時(shí)間的影響不顯著。實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)大部分木素的脫除主要發(fā)生在第 1小時(shí)內(nèi)，即第 1小時(shí)為主體木素脫除階段，木素脫除率隨時(shí)間變化明顯，而 1 h后為殘余木素脫除階段，木素脫除率隨時(shí)間變化不明顯。因此在所選的反應(yīng)時(shí)間水平范圍 (1~3 h) 內(nèi)反應(yīng)時(shí)間對(duì)于木素脫除率無(wú)顯著影響。進(jìn)一步對(duì)因素間的相互作用進(jìn)行分析知此三因素間的相互作用對(duì)木素脫除率無(wú)顯著影響。從圖1E可知，乙?；侩S著硫酸濃度和反應(yīng)時(shí)間增加呈降低趨勢(shì)，但隨著乙酸濃度增加呈顯著上升趨勢(shì)，表明乙酸濃度是影響纖維素發(fā)生乙?；磻?yīng)最為顯著的因素。但與甘蔗渣原料相比，在所研究的條件下乙酸處理后固體的乙酰基含量均有所降低 (甘蔗渣中的乙?；繛?.30%)。這是因?yàn)榘肜w維素中含有乙?；?，而乙酰基在酸性環(huán)境下會(huì)發(fā)生水解。因此乙酸處理后固體中乙?；康淖兓艿矫撘阴；磻?yīng)和乙?；磻?yīng)的共同作用。而且纖維素發(fā)生明顯乙?；磻?yīng)一般是在木素脫除率達(dá)到一定程度，纖維發(fā)生分離的時(shí)候才變得顯著。因此，關(guān)于乙酸處理過(guò)程中乙?；康淖兓€需要進(jìn)一步進(jìn)行動(dòng)力學(xué)研究。但從正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，采用70%乙酸脫木素時(shí)，乙?；磻?yīng)不明顯。而采用90%乙酸脫木素時(shí)可觀察到明顯的乙?；F(xiàn)象，預(yù)處理后纖維素固體的乙酰基含量大于 4%。對(duì)于乙酸處理后固體的酶解性能，從圖1F可知，隨著乙酸濃度、硫酸濃度和反應(yīng)時(shí)間增加，酶解聚糖轉(zhuǎn)化率呈上升趨勢(shì)，這主要是由于隨著這些因素水平增加，木素脫除率隨之增加的緣故。但由于乙酸處理過(guò)程會(huì)導(dǎo)致乙?；陌l(fā)生，因此并非木素脫除率最高時(shí)得到最高的酶解聚糖轉(zhuǎn)化率。綜合來(lái)看，以80%乙酸添加0.3%硫酸的條件下反應(yīng)較為合適。

表1 乙酸處理的L9(34) 正交實(shí)驗(yàn)及結(jié)果Table 1 L9(34) experiments of acetic acid pretreatment

圖1 乙酸處理甘蔗渣過(guò)程中各因素對(duì)響應(yīng)變量影響的水平趨勢(shì)圖Fig. 1 Effects of several variables on acetic acid delignification of sugarcane bagasse. (A) SY. (B) Glucan content and GH. (C)Xylan content and XH. (D) LC and DD. (E) AC. (F) EGC (enzymatic hydrolysis condition: 20 FPU+40 CBU/g solid, 2.5% (g/100 mL)solid consistency). The abbreviations are the same as table 1.

可見(jiàn)，乙酸脫木素過(guò)程中提高乙酸濃度、催化劑用量和反應(yīng)時(shí)間有利于木素脫除，但同時(shí)也增加了預(yù)處理過(guò)程中聚糖的水解率和預(yù)處理后纖維素固體的乙酰基含量。因此，如在乙酸處理后采用少量堿進(jìn)一步處理以脫除乙?；?，可進(jìn)一步提高纖維素的酶解性能。同時(shí)，采用堿處理脫除乙?；梢员苊馄湓谕教腔l(fā)酵過(guò)程中水解生成乙酸，進(jìn)而抑制菌體生長(zhǎng)。

2.2 乙酸處理后堿脫乙酰基對(duì)甘蔗渣纖維素酶解性能的影響

從前面正交實(shí)驗(yàn)的結(jié)果來(lái)看，乙酸處理過(guò)程中提高乙酸濃度有利于木素的脫除，但同時(shí)也增加了乙?；磻?yīng)的程度。Pan 等研究發(fā)現(xiàn)在木素含量相當(dāng) (約 18%) 時(shí)，乙酸制漿所得紙漿的酶解性能遠(yuǎn)低于乙醇制漿所得紙漿的酶解性能。其主要原因是乙酰基的存在會(huì)阻礙纖維素與纖維素酶結(jié)合位點(diǎn)間的氫鍵形成，從而阻礙纖維素酶中具有催化功能的結(jié)構(gòu)域與纖維素之間的結(jié)合；此外，乙?；拇嬖谠黾恿死w維素的酶促反應(yīng)空間位阻[12]。因此有必要對(duì)乙酸脫木素后的纖維素固體進(jìn)行脫乙?；幚?。為比較乙酸處理過(guò)程中乙酸濃度對(duì)后續(xù)堿 (NaOH)處理的影響，我們考察了采用80%乙酸在常壓沸點(diǎn)下脫木素 (A條件) 和 90%乙酸在常壓沸點(diǎn)下脫木素 (B條件) 這兩種情形時(shí)不同堿用量 (基于初始甘蔗渣重量) 的預(yù)處理，結(jié)果如表 2所示。可知，堿處理可以有效脫除乙酰基。當(dāng)采用80%乙酸進(jìn)行脫木素時(shí)，NaOH用量為2% (基于初始甘蔗渣重量)即可完全脫除乙?；捎?0%乙酸進(jìn)行脫木素時(shí)，要完全脫除乙?；?，NaOH用量需提高至3% (基于初始甘蔗渣重量)。與對(duì)照樣相比，堿處理后固體得率和木素含量有所降低，而葡聚糖和木聚糖含量有所增加。從纖維素固體的酶解性能來(lái)看，隨著堿用量增加，初始酶解聚糖轉(zhuǎn)化速率 (IEGCR) 和120 h的酶解聚糖轉(zhuǎn)化率均顯著提高。特別地，當(dāng)?shù)谝徊讲捎?0%乙酸進(jìn)行脫木素時(shí)，未經(jīng)堿處理的樣品初始酶解聚糖轉(zhuǎn)化速率僅有 1.09%/h，而采用 4%NaOH處理后，初始酶解聚糖轉(zhuǎn)化速率提高了9倍，相應(yīng)的120 h酶解聚糖轉(zhuǎn)化率提高了1.6倍。可見(jiàn)，乙酸處理后采用堿處理來(lái)脫除乙?；梢杂行岣呔厶敲附馑俾屎娃D(zhuǎn)化率。因此，根據(jù)以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果，Acetoline預(yù)處理甘蔗渣較為合適的條件為： 采用80% 乙酸，0.3%硫酸，10∶1液固比在常壓沸點(diǎn)下處理2.0 h，進(jìn)一步采用4% (基于初始甘蔗渣重量)的NaOH處理1 h，隨后用清水洗至中性。

2.3 Acetoline預(yù)處理后纖維素固體的酶解性能測(cè)試

為進(jìn)一步研究Acetoline預(yù)處理對(duì)甘蔗渣纖維素酶解性能的影響，對(duì)預(yù)處理后的纖維素固體酶解性能進(jìn)行了更為詳細(xì)地考察，從固體含量、纖維素酶用量及 β-葡萄糖苷酶用量等方面研究了酶解聚糖轉(zhuǎn)化率與酶解時(shí)間的關(guān)系，結(jié)果如圖2~4所示。

表2 乙酸處理后采用堿處理對(duì)預(yù)處理結(jié)果的影響Table 2 Effect of alkaline deacetylation after acetic acid delignification on pretreatment

圖2 固體含量對(duì)酶解聚糖轉(zhuǎn)化率的影響Fig. 2 Effects of solid consistency on enzymatic glycan conversion. Other enzymatic hydrolysis condition: 20 FPU+40 CBU/g solid.

固體含量是影響酶解過(guò)程中液相可發(fā)酵糖濃度的重要因素。提高固體含量可以提高可發(fā)酵糖濃度，進(jìn)而提高發(fā)酵產(chǎn)品，如乙醇的濃度，降低分離成本。但固體含量增加會(huì)增加攪拌能耗以及產(chǎn)物對(duì)酶解過(guò)程的抑制作用[16]。從圖2可知，酶解時(shí)間小于24 h時(shí)，隨著固體含量增加酶解聚糖轉(zhuǎn)化率降低。而當(dāng)酶解時(shí)間為120 h，固體含量小于7.5%時(shí)酶解聚糖轉(zhuǎn)化率無(wú)明顯區(qū)別，但固體含量提高至10%時(shí)，酶解聚糖轉(zhuǎn)化率明顯降低。Carrasco等研究汽爆預(yù)處理甘蔗渣酶解性能時(shí)也得到類似的結(jié)論[17]。比較酶解120 h后液相中的還原糖 (以纖維二糖、葡萄糖和木糖總和計(jì)) 濃度可知，固體含量為 2.5%、5%、7.5%和 10%時(shí)還原糖濃度分別為 21.4、43.6、61.6和74.9 g/L，相應(yīng)的酶解聚糖轉(zhuǎn)化率分別為81.4%、84.7%、79.1%和71.2%?？梢?jiàn)，提高固體含量雖然酶解聚糖轉(zhuǎn)化率有所降低，但可以顯著提高液相還原糖的濃度。

圖3 纖維素酶用量對(duì)酶解聚糖轉(zhuǎn)化率的影響Fig. 3 Effects of cellulase loading on enzymatic glycan conversion. Other enzymatic hydrolysis condition: 7.5% solid consistency.

纖維素酶用量是影響聚糖轉(zhuǎn)化速率和最終轉(zhuǎn)化率的一個(gè)重要因素。增加纖維素酶用量可以顯著提高酶解速率 (圖3)。當(dāng)纖維素酶用量為5 FPU/g固體時(shí)，酶解48 h和120 h僅分別得到35%和50%的聚糖轉(zhuǎn)化率，而纖維素酶用量增加至20 FPU/g固體時(shí)，相同酶解時(shí)間下聚糖轉(zhuǎn)化率分別提高至70%和80%。進(jìn)一步將纖維素酶用量增加至30 FPU/g固體，酶解初速率顯著提高，24 h后即可得到65%的聚糖轉(zhuǎn)化率，但酶解120 h的聚糖轉(zhuǎn)化率與纖維素酶用量為15 FPU/g固體時(shí)的相差不大。

圖4 β-葡萄糖苷酶對(duì)酶解聚糖轉(zhuǎn)化率的影響Fig. 4 Effects of β-glucosidase loading on enzymatic glycan conversion (other enzymatic hydrolysis condition: 7.5% solid consistency).

由于纖維素酶活性受到產(chǎn)物抑制，特別是纖維二糖的抑制作用最為強(qiáng)烈。其可結(jié)合在外切葡聚糖酶活性部位附近的色氨酸殘基上形成“位阻效應(yīng)”，從而阻止纖維素分子鏈進(jìn)入活性中心[18]。因此，在纖維素酶解過(guò)程中往往添加一定量的 β-葡萄糖苷酶以加快纖維二糖轉(zhuǎn)化為葡萄糖來(lái)消除其對(duì)外切葡聚糖酶的抑制作用。在酶解Acetoline預(yù)處理后的甘蔗渣過(guò)程中，添加一定量的 β-葡萄糖苷酶，結(jié)果如圖4所示?？梢?jiàn)添加10 CBU/g固體的β-葡萄糖苷酶與未添加時(shí)的結(jié)果相比，聚糖轉(zhuǎn)化速率明顯增加。當(dāng)纖維素酶用量為10 FPU/g固體時(shí)，酶解24 h得到45%左右的轉(zhuǎn)化率，而添加10 CBU/g固體的β-葡萄糖苷酶后，24 h的酶解聚糖轉(zhuǎn)化率提高至60%。類似地，在較高纖維素酶用量下添加10 CBU/g固體的β-葡萄糖苷酶亦能有效提高聚糖轉(zhuǎn)化速率，但繼續(xù)增加 β-葡萄糖苷酶用量時(shí)酶解聚糖轉(zhuǎn)化率并無(wú)明顯增加?？梢?jiàn)，對(duì)于Acetoline預(yù)處理后的甘蔗渣酶解，在7.5%固體含量時(shí)添加10 CBU/g固體的β-葡萄糖苷酶已經(jīng)足夠。

2.4 Acetoline預(yù)處理與稀酸預(yù)處理等方法比較

稀酸預(yù)處理木質(zhì)纖維素是被人們所看好的最具有發(fā)展前景的預(yù)處理方法之一。我們進(jìn)一步采用稀酸對(duì)甘蔗渣進(jìn)行預(yù)處理，并與 Acetoline預(yù)處理進(jìn)行比較，結(jié)果如圖5所示。Acetoline預(yù)處理后甘蔗渣酶解48 h后可得到接近80%的總酶解聚糖轉(zhuǎn)化率 (其中葡聚糖轉(zhuǎn)化率為 74.2%，木聚糖轉(zhuǎn)化率為89.1%)，而稀酸預(yù)處理的總酶解聚糖轉(zhuǎn)化率僅為50%左右 (其中葡聚糖轉(zhuǎn)化率為 51.1%，木聚糖轉(zhuǎn)化率為29.1%)。這主要是由于稀酸預(yù)處理過(guò)程雖然可以水解大部分的半纖維素，但僅有很少一部分木素溶解，絕大部分的木素仍殘留在預(yù)處理后的固體中。這些木素在酶解過(guò)程中會(huì)不可逆地吸附纖維素酶，造成有效酶濃度降低，從而降低了酶解速率和轉(zhuǎn)化率。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，稀酸預(yù)處理后固體中木素含量增加至40.6%，而Acetoline預(yù)處理后固體中木素的含量?jī)H為 7.88%?？梢?jiàn)，脫除木素對(duì)于提高纖維素酶解性能是很有效的。與文獻(xiàn)報(bào)道的預(yù)處理方法相比，Acetoline預(yù)處理亦可得到較好的酶解聚糖轉(zhuǎn)化率。Martin 等研究了濕氧化法預(yù)處理對(duì)甘蔗渣酶解性能的影響。當(dāng)甘蔗渣在初始pH為10.0，195 ℃下處理15min，可得到最好的預(yù)處理效果。所得纖維素固體在固體含量為 2%、纖維素酶用量為25 FPU/g固體、β-葡萄糖苷酶濃度為0.46 CBU/mL(對(duì)應(yīng)23 CBU/g固體) 條件下水解48 h聚糖轉(zhuǎn)化率為74.9%。而Acetoline預(yù)處理可以在更少的酶用量下得到更高的聚糖轉(zhuǎn)化率，可見(jiàn)Acetoline預(yù)處理可以有效提高纖維素的酶解性能。

圖 5 Acetoline預(yù)處理與稀酸預(yù)處理后甘蔗渣酶解聚糖轉(zhuǎn)化率比較Fig. 5 Comparison of the enzymatic digestibility of Acetoline pretreated sample and dilute-acid pretreated sample (other enzymatic hydrolysis condition: 7.5% solid consistency).

此外，Acetoline預(yù)處理亦消耗了堿，而堿處理本身也是一種很好的提高纖維素酶解性能的預(yù)處理方法，其主要是通過(guò)脫除木素來(lái)提高纖維素可及性的[5]。但由于Acetoline預(yù)處理中采用堿處理的目的是脫除乙酸脫木素步驟中引入的乙酰基，而乙酰基的脫除較木素的脫除容易得多，因此Acetoline預(yù)處理中的堿用量明顯低于堿處理中的量。當(dāng)甘蔗渣僅采用20% (基于初始甘蔗渣重量) NaOH在121 ℃下處理1 h，所得纖維素固體在15 FPU/g固體的纖維素酶用量下酶解120 h可得到約70%的聚糖轉(zhuǎn)化率[19]，而堿用量降低至4% (基于初始甘蔗渣重量，與Acetoline中堿用量相同) 時(shí)酶解聚糖轉(zhuǎn)化率僅為23%左右?？梢?jiàn)，Acetoline預(yù)處理中先采用乙酸脫木素可以更為有效地提高纖維素的酶解轉(zhuǎn)化率。另一方面，乙酸脫木素過(guò)程中可以將原料中近80%的木素抽提出來(lái)，這部分木素在后續(xù)的乙酸回收過(guò)程中可以以固體形式析出，即得到乙酸木素。與堿木素相比，乙酸木素由于具有更高的純度，同時(shí)更易于改性而具有更高的附加值。而堿處理木質(zhì)纖維素過(guò)程中，堿木素回收相對(duì)較為困難且木素純度降低，因而限制了其改性和應(yīng)用。

3 結(jié)論

基于乙酸脫木素、堿脫乙酰基的Acetoline預(yù)處理工藝可以有效提高甘蔗渣的纖維素酶解性能。乙酸處理脫除了大部分的木素，但也會(huì)不同程度造成纖維素的乙?；?。當(dāng)采用 80%乙酸在添加 0.3%硫酸的條件下于常壓沸點(diǎn)處理2.0 h，可得到80%的木素脫除率，但乙?；扛哌_(dá)3.2%。乙酸處理后的固體采用清水洗滌至中性后繼續(xù)采用 4% (基于初始甘蔗渣重量) NaOH在120 ℃下處理1 h可以完全脫除乙?；?。與單獨(dú)的乙酸處理相比，Acetoline預(yù)處理顯著提高了聚糖的酶解速率及最終轉(zhuǎn)化率。從固體含量、纖維素酶用量和β-葡萄糖苷酶添加量對(duì)預(yù)處理后甘蔗渣的酶解性能進(jìn)行了研究，結(jié)果表明Acetoline預(yù)處理后甘蔗渣在 7.5%固體含量以及15 FPU+10 CBU/g固體的纖維素酶和β-葡萄糖苷酶用量下酶解48 h，酶解聚糖轉(zhuǎn)化率接近80%，而經(jīng)1%稀硫酸在160 ℃下處理30 min后的甘蔗渣在相同酶解條件下的聚糖轉(zhuǎn)化率僅為50%左右。

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Fractionating pretreatment of sugarcane bagasse for increasing the enzymatic digestibility of cellulose

Xuebing Zhao, and Dehua Liu
Institute of Applied Chemistry, Department of Chemical Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, China

Received: November 20, 2010; Accepted: January 18, 2011

Supported by: International Cooperation Project of the Ministry of Science and Technology of China (No. 2010DFB40170), Tsinghua Research Funding (No. 2009THZ0223), National Basic Research Program of China (973 Program) (No. 2011CB707406).

Corresponding author: Xuebing Zhao. Tel/Fax: +86-10-62772130; E-mail: zhaoxb04@mails.tsinghua.edu.cn

科技部國(guó)際合作項(xiàng)目 (No. 2010DFB40170)，清華自主研發(fā)項(xiàng)目 (No. 2009THZ0223)，國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃 (973計(jì)劃) (No. 2011CB707406)資助。