呂佳青姜 波趙淑晶孟 鑫金永燦，*

（1．南京林業(yè)大學江蘇省制漿造紙科學與技術重點實驗室，江蘇南京，210037；2．山東泉林紙業(yè)有限責任公司，山東高塘，252800）

·麥草備料廢渣利用·

亞硫酸銨預處理提高麥草備料廢渣的酶水解效率

呂佳青1姜 波1趙淑晶2孟 鑫1金永燦1，*

（1．南京林業(yè)大學江蘇省制漿造紙科學與技術重點實驗室，江蘇南京，210037；2．山東泉林紙業(yè)有限責任公司，山東高塘，252800）

為高效經濟利用制漿廠的備料廢渣，研究了亞硫酸銨預處理對麥草備料廢渣主要化學成分及酶水解糖化效率的影響。結果表明，原料的木素脫除率隨預處理溫度升高和亞硫酸銨用量增加而提高，半纖維素的降解受溫度影響較大，纖維素在預處理中幾乎沒有降解。在本研究范圍內，隨著預處理強度的增大，碳水化合物的酶水解糖轉化率先上升后下降，相比于提高溫度，增加亞硫酸銨用量對提高酶水解效率的影響更為顯著。麥草備料廢渣在165℃下用16%亞硫酸銨預處理，經PFI磨磨漿得到的底物，其酶水解（以聚葡萄糖為基準的酶用量為40 FPU/g）聚葡萄糖和聚木糖轉化率分別為88．9%和44．9%，總糖轉化率為67．0%。

麥草備料廢渣；亞硫酸銨；預處理；化學成分；酶水解糖化

麥草制漿廠的備料廢渣目前尚無高效經濟的利用途徑，多采用定點焚燒、草屑鍋爐燃燒和掩埋等處理方式，不但污染環(huán)境，而且造成資源的巨大浪費［1］。高昂的原料價格是目前制約纖維素乙醇成本的主要因素之一，利用生物質生產生物乙醇，開辟原料來源至關重要，特別是尋找廉價的替代原料。麥草備料廢渣主要成分為纖維素、半纖維素和木素，是制取燃料乙醇的潛在原料。同時，麥草備料廢渣中含有大量對細胞新陳代謝不可或缺的鉀元素，被認為是生產有機肥料的優(yōu)良原料［2］。以制漿備料廢渣為原料生產生物乙醇，是廢棄物高效利用的有效途徑，不僅可節(jié)約廢棄物處理的經濟成本和環(huán)境成本，獲得一定的經濟效益，而且具有重要的生態(tài)和社會效益。此外，利用造紙廠已有的設施，就地處理，免去原料收集、運輸、儲藏等成本，同時也確保了生物乙醇生產所需原料的穩(wěn)定持續(xù)供應。

生產生物乙醇的木質纖維原料化學預處理方法和化學法制漿有很多相似之處，因此麥草備料廢渣化學預處理也可借鑒工業(yè)上使用的亞硫酸銨法蒸煮。亞硫酸銨預處理過程中木素部分磺化可以增強其與親水性纖維素酶的結合，從而有利于提高后續(xù)纖維素酶的酶解效率。預水解廢液含有大量有機碳素和氮素，經過氧化處理可使廢液中含有豐富的腐殖質，為其作為緩釋肥料提供可能；廢液中含有大量的木素磺酸鹽，是良好的黏合劑，非常適合制作顆粒肥，可用來生產農業(yè)肥料，解決廢液對環(huán)境污染的問題，化害為利，支援農業(yè)，實現原材料全值利用，提高纖維素乙醇生產的經濟效益［3］。此外，通過共享現有的蒸汽、電力和備料等基礎設施，制漿與生物質精煉協(xié)同發(fā)展也將大大降低生產成本。本實驗以麥草備料廢渣為原料，探討亞硫酸銨預處理對其酶水解糖化的影響，開展麥草備料廢渣綜合利用生產燃料乙醇的技術和工藝研究，為麥草備料廢渣多元化高效利用提供參考依據和技術支持。

1 材料與方法

1.1 材料

實驗用麥草備料廢渣取自國內某草漿制漿造紙廠備料工段。從工廠備料車間取得的廢渣含有大量泥土及細小塵埃，灼燒灰分含量高達50%。經20目（0．90 mm）篩子篩選處理，篩渣率為55%。篩渣成分主要為泥砂和麥草細屑，篩后原料的主要組分為麥稈和麥葉碎片，以及少量麥穗。篩后原料風干后混合均勻置于密封塑料袋中平衡水分備用，其主要化學成分見表1。

水解用酶為Cellic?CTec 2高效復合酶，由丹麥Novozymes公司提供。酶活按文獻［4］提供的方法測定，復合酶液的酶活以纖維素濾紙酶活計為240 FPU/mL。

1.2 預處理

亞硫酸銨預處理在自制回轉式電加熱油浴鍋中進行（轉速6 r/min），內置10個容積為1 L的不銹鋼反應罐，每罐裝入相當于絕干質量30 g的備料廢渣。預處理亞硫酸銨用量分別為8%、12%、16%和20%（相對于絕干原料），固液比為1∶5，在80℃下回轉預浸30 min后，以2℃/min的速率分別升溫至150℃和165℃，保溫60 min完成預處理。預處理后的麥草備料廢渣用清水充分洗凈并離心脫水，在密封袋中平衡后測定水分并計算固形物得率，然后用PFI磨（ZQS7—PFI，西北輕工業(yè)學院機械廠制造）磨漿（8000轉），制備底物用于酶水解。

1.3 酶水解

精確稱取相當于l g絕干預處理物料于150 mL錐形瓶中，以底物中聚葡萄糖含量為基準的酶用量分別為20 FPU/g和40 FPU/g。補充一定量醋酸﹣醋酸鈉緩沖液（pH值5．0），調節(jié)酶水解底物質量分數為5%。酶水解在恒溫振蕩器（SHAC，上海精宏）中進行，轉速180 r/min，溫度（50±2）℃，時間48 h。酶水解結束后將物料轉移至離心管中，在5000 r/min下離心15 min，分離上清液用于水解單糖的含量分析。

1.4 分析與檢測

麥草備料廢渣的苯﹣醇提取物根據文獻［5］進行分析，原料及預處理廢渣的木素（酸不溶木素和酸溶木素）和碳水化合物（葡萄糖、木糖和阿拉伯糖）含量采用美國能源部的方法［6］分析，計算酸不溶木素時扣除灰分（575℃灼燒）的含量。原料、預處理后漿料的酸水解液和酶水解液中的糖含量根據Jin等人［7］描述的方法測定。檢測結果為水解液的單糖含量，為便于計算酶水解轉化率，所得結果均表示為聚糖含量。本實驗全部數據均為兩次平行獨立實驗的平均值。

表1 麥草備料廢渣主要化學組成

2 結果與討論

2.1 亞硫酸銨預處理對麥草備料廢渣固形物得率及預處理廢液pH值的影響

麥草備料廢渣經不同溫度和不同用量亞硫酸銨預處理固形物得率和廢液pH值如表2所示。從表2可看出，高溫和高化學藥品用量有利于促進木素的脫除和聚糖的降解。在相同溫度條件下，隨著亞硫酸銨用量增大，預處理固形物得率略有下降，說明亞硫酸銨用量對得率的影響并不明顯；在亞硫酸銨用量不變的情況下，150℃和165℃的預處理得率相差較為顯著，表明提高預處理溫度比增大亞硫酸銨用量對固形物得率的影響更為顯著。麥草備料廢渣中含量較高的塵土等雜質在水解過程中部分溶出，是引起預處理得率較低的重要原因。

表2 麥草備料廢渣經不同溫度及不同用量亞硫酸銨預處理固形物得率和廢液pH值

由于亞硫酸銨在水中電離出部分OH-，預處理液初始pH值較大，在相同溫度條件下，廢液pH值隨著亞硫酸銨用量增大而上升；在亞硫酸銨用量不變的情況下，溫度升高廢液pH值降低，主要是由于溫度上升使得原料與藥液的作用加劇，麥草備料廢渣半纖維素降解加劇，水解生成較多的乙酸、糖醛酸等降解物使廢液pH值下降［8﹣9］。隨著亞硫酸銨用量的增加，廢液pH值增大，當亞硫酸銨用量達到16%后，繼續(xù)增加亞硫酸銨用量對水解液pH值影響不顯著。相比于堿法預處理液的pH值（13～14），亞硫酸銨預處理較低的pH值可以減少聚糖的堿性水解和二次剝皮反應，避免了半纖維素和纖維素的過度降解，同時亞硫酸銨的弱堿性可降低糠醛等抑制物的產生，有利于提高后續(xù)酶水解效率［10﹣11］。

表3 預處理亞硫酸銨用量和溫度對麥草備料廢渣木素、灰分和各種聚糖含量的影響（以初始原料為基準）

2.2 亞硫酸銨預處理對麥草備料廢渣主要化學成分的影響

麥草備料廢渣經亞硫酸銨處理后，亞硫酸銨用量和溫度對木素、灰分和各種聚糖含量（以初始原料為基準）的影響如表3所示。從表3可知，麥草備料廢渣殘余總木素的含量隨著亞硫酸銨用量增加和溫度升高而減少，主要是因為隨著亞硫酸銨用量增大，預處理液中和濃度增加，麥草備料廢渣中更多的木素被磺化溶出，故殘余木素隨著亞硫酸銨用量增加而減少。相比于亞硫酸銨用量增加，殘余木素隨溫度升高而下降的幅度較小，由此可見亞硫酸銨用量比溫度對殘余木素含量的影響更顯著［9］。隨預處理條件增強，酸不溶木素含量顯著下降，而酸溶木素含量反而上升，其原因可能是預處理麥草備料廢渣中部分被磺化的木素具有較好的親水性，在預處理過程中易于溶出，使酸溶木素含量增大［9］。從表3可見，預處理后麥草備料廢渣灰分下降最顯著，在溫度150℃、亞硫酸銨用量12%預處理條件下，灰分含量下降77．9%，溶出的灰分主要是水溶性無機鹽以及原料中存在的大量細小塵土和雜質。

木質纖維素預處理過程中，木素的脫除使得纖維素和半纖維素更多地暴露出來，有效改善了酶水解時底物對纖維素酶的可及性，從而提高后續(xù)酶水解糖轉化率［12］。但隨著預處理條件的增強，木素脫除的同時伴隨著聚糖的降解，使預處理固形物得率不斷下降。為提高酶水解單糖的轉化率，應當避免碳水化合物過多損失，在脫除木素的同時盡量減少纖維素和半纖維素的降解。因此，需要控制預處理反應條件，提高預處理對脫木素的選擇性。圖1所示為預處理固形物得率與木素脫除率的關系。由圖1可以看出，在木素脫除率相同時，溫度150℃下預處理固形物得率高于165℃的，說明麥草備料廢渣亞硫酸銨預處理在較低溫度下具有較好的脫木素選擇性；在溫度相同時，隨著木素脫除率增大，預處理固形物得率有所下降，溫度在165℃條件下，木素脫除率隨著亞硫酸銨用量增大而顯著增加。在預處理固形物得率相同的情況下，木素脫除率隨著溫度升高而降低，可見在高溫下各聚糖降解更嚴重，碳水化合物過度降解對后續(xù)酶水解得率將產生不利的影響。

圖1 預處理固形物得率與木素脫除率的關系

表4 亞硫酸銨預處理后溶出的聚糖和廢液中聚糖的含量（以初始原料為基準）

表4所示為亞硫酸銨預處理后溶出的聚糖和廢液中各聚糖的含量。結合表3和表4數據可見，麥草備料廢渣的聚糖含量隨預處理條件的增強呈遞減趨勢，說明隨溫度升高和亞硫酸銨用量增大，纖維素和半纖維素降解加劇。在本實驗條件下，纖維素的降解均明顯低于半纖維素，因為半纖維素自身的非結晶態(tài)和低聚合度很容易受到破壞而降解，在亞硫酸銨預處理中發(fā)生了脫乙?；饔茫?3］。在150℃條件下，亞硫酸銨用量從8%增至20%，聚木糖含量從12．1%降至10．7%，聚木糖溶出2．6%；而在亞硫酸銨用量為8%時，溫度從150℃升至165℃，聚木糖溶出5．9%，可見溫度對聚糖降解比亞硫酸銨用量對聚糖降解的影響更大。

從預處理廢液中聚糖回收情況來看，相同溫度下，亞硫酸銨用量的增加對廢液聚糖含量的影響不大，而在相同亞硫酸銨用量下，升高溫度預處理液中聚糖含量明顯上升，這與聚糖溶出規(guī)律一致。值得一提的是，不同預處理條件下預處理液中回收的總糖含量明顯低于各種聚糖的溶出率，可能是部分己糖和戊糖在預處理過程中轉化成了糠醛等副產物所致，如果將這部分損失的糖收集進行酶水解，過程復雜且效率低下。根據亞硫酸銨預處理液含有銨態(tài)氮的特性，將其用于生產肥料是更為高效合理的處理方式。

2.3 亞硫酸銨預處理對麥草備料廢渣酶水解性能的影響

亞硫酸銨預處理的麥草備料廢渣經PFI磨在8000轉下處理成漿后作為酶水解的底物，在纖維素酶用量為20 FPU/g和40 FPU/g下酶水解糖化。各種聚糖酶水解轉化率隨預處理條件不同而有所不同，其變化規(guī)律如圖2所示。從圖2可知，預處理條件相同的情況下，增加酶用量可以提高酶水解效率。當纖維素酶用量從20 FPU/g增至40 FPU/g時，聚葡萄糖轉化率的增幅大于聚木糖。相對于高溫預處理條件，在低溫下聚木糖轉化率增加更明顯。例如經亞硫酸銨用量16%、溫度為165℃預處理的底物，酶用量從20 FPU/g增至40 FPU/g，聚葡萄糖和聚木糖轉化率分別增加11．1%和5．7%，而溫度為150℃時聚葡萄糖和聚木糖轉化率則分別提升15．2%和12．1%。其主要原因是在亞硫酸銨預處理條件下，麥草備料廢渣中半纖維素比纖維素更容易降解，即經預處理后漿料中半纖維素降解，聚木糖已經部分損失在預處理水解液中，尤其是高溫下半纖維素降解加劇，使得聚木糖基數不大，所以在高溫下增加酶用量對聚木糖轉化率影響不顯著，而低溫下聚木糖損失相對較少，增加酶用量效果較顯著。

從圖2還可知，在相同溫度下，隨著亞硫酸銨用量的增加，各聚糖的轉化率呈先上升后趨于平緩甚至下降的趨勢，由于在預處理時半纖維素降解嚴重導致聚木糖轉化率總體較低。例如，在150℃、酶用量為40 FPU/g時，亞硫酸銨用量從8%增至16%，總糖轉化率從28．8%增至52．7%，繼續(xù)增加亞硫酸銨用量至20%，總糖轉化率則降至45．4%。預處理亞硫酸銨用量的提高促進了木素脫除和部分半纖維素的降解，碳水化合物的結構變得松散，纖維碎片增多，孔隙度增加，促進酶水解糖化效率的提高［14﹣15］；而繼續(xù)增加亞硫酸銨用量，預處理液堿性增強，雖然可以促進木素脫除，但同時加劇了碳水化合物的降解，損失更多的糖，因此繼續(xù)增加亞硫酸銨用量反而使得各聚糖的轉化率有所下降。

亞硫酸銨預處理木素脫除率與總糖轉化率的關系如圖3所示。在亞硫酸銨用量為8%～16%條件下，雖然溫度為165℃時的預處理固形物得率低于150℃溫度下的得率（見表2），但在相同用堿量下，其酶水解轉化率大于150℃預處理漿料（見圖2），是因為在165℃高溫下能脫除更多的木素，使得廢渣中碳水化合物的結構變得松散，極大地提高了后續(xù)纖維素酶的可及度，保證較高的酶水解效率。通常認為，木素脫除率達到20%～65%可以有效增大木質纖維素的可及性，繼而提高酶水解效率［9，16］。從圖3可以看出，木素脫除率在50%以下時，總糖轉化率隨木素脫除率增大而顯著上升；當木素脫除率達到50%以后，總糖轉化率隨木素脫除率增大而上升的趨勢變緩，這與曹杰等人報道的稻草亞硫酸鈉預處理研究結果一致［9］。

圖2 預處理溫度和亞硫酸銨用量對酶水解聚糖轉化率的影響

圖3 亞硫酸銨預處理木素脫除率與總糖轉化率的關系

圖3顯示，當木素脫除率為50%左右時，可獲得較高的酶水解效率，說明此時纖維素酶與預處理物料充分接觸。高溫和較高亞硫酸銨用量會加劇碳水化合物的降解，導致較多的聚糖在預處理中降解溶出，繼續(xù)脫除木素對底物中聚糖的酶水解效率提升效果不顯著，經高溫（165℃）預處理后甚至呈現出下降的趨勢。因此，選擇合適的預處理條件是提高總糖轉化率的關鍵。在本實驗范圍內，經最適預處理條件（溫度165℃，亞硫酸銨用量16%）預處理的麥草備料廢渣，在酶水解纖維素酶用量為40 FPU/g時，聚葡萄糖和聚木糖轉化率分別為88．9%和44．9%，總糖轉化率為67．0%。

由于麥草備料廢渣含有大量泥土、細小塵埃以及各種雜質，凈化難度大且成本高，直接進行酶水解糖化的轉化率不是很高。但備料廢渣的原料成本幾乎為零，而原料成本實際上已經成為制約纖維素乙醇實現產業(yè)化最重要的因素之一。以備料廢渣為原料生產生物乙醇，其內部收益率遠高于一般木質纖維原料［2］。同時，利用制漿廠現有的設施還可以大幅節(jié)省生物乙醇生產線建設的固定資產投資，經濟效益可觀。

3 結 論

以麥草備料廢渣為原料，探討亞硫酸銨預處理對其酶水解糖化的影響。

3.1 亞硫酸銨預處理的溫度和亞硫酸銨用量對麥草備料廢渣主要化學成分有顯著影響。原料木素脫除率和聚糖降解率隨著預處理條件的增強而增加，其中聚木糖降解較聚葡萄糖更顯著。相比而言，提高溫度更能促進聚糖降解溶出，增加亞硫酸銨用量則有利于提高脫除木素的選擇性。

3.2 隨著亞硫酸銨預處理溫度和亞硫酸銨用量提高，預處理底物酶水解轉化率上升，相比于提高溫度，提高預處理亞硫酸銨用量可更有效地促進底物的酶水解轉化。麥草備料廢渣經溫度165℃、亞硫酸銨用量16%預處理，在40 FPU/g纖維素酶用量下，聚葡萄糖和聚木糖轉化率分別為88．9%和44．9%，總糖轉化率為67．0%。

3.3 麥草備料廢渣經過亞硫酸銨預處理、酶水解、發(fā)酵生產生物乙醇，水解廢液經處理生產有機肥料施用，實現制漿造紙廢料的全值利用。通過共享現有的蒸汽、電力和備料等基礎設施，制漿與生物質煉制協(xié)同發(fā)展的模式，可大幅度降低生產成本，在消除廢渣污染的同時取得經濟效益。

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（責任編輯：常 青）

Enhancement of the Enzymatic Saccharification of the Residues from W heat Straw Preparation by Ammonium Sulfite Pretreatment

LV Jia﹣qing1JIANG Bo1ZHAO Shu﹣jing2MENG Xin1JIN Yong﹣can1，*
（1．Jiangsu Ptovincial Key Lab of Pulp and Papet Science and Technology，Nanjing Fotestty Univetsity，Nanjing，Jiangsu Ptovince，210037；2．Shandong Ttalin Papet Co.，Ltd.，Gaotang，Shandong Ptovince，252800）（*E﹣mail：jinyongcan@njfu．edu．cn）

The effects of ammonium sulfite pretreatment on chemical composition and enzymatic saccharification of the residue from wheat straw preparation were investigated．The results revealed thatmore lignin was removed with the temperature and the charge of ammonium sul﹣fite increasing．The degradation of hemicellulose increased with the increasing of the temperature distinctly，while the cellulose remained sta﹣ble during the process of pretreatment．The increasing of the temperature and the charge of ammonium sulfite was beneficial to enhance the enzymatic saccharification．The sugar conversion of pretreated the residue from wheat straw increased with the increase of ammonium sulfite charge and temperature，the charge of ammonium sulfite wasmore sensitive than the temperature．The glucan and xylan conversion reached up to 88．9%and 44．9%，respectively，and the highest total sugar conversion was67．0%，when the pretreated substrate with 16%ammo﹣nium sulfite charge，and 165℃was hydrolyzed at a cellulase dosage of 40 FPU per gram of cellulose in substrate．

wheat straw handling residue；ammonium sulfite；pretreatment；chemical composition；enzymatic saccharification

呂佳青女士，碩士；主要研究方向：生物質資源化學與工程。

TS72

A

0254﹣508X（2015）09﹣0001﹣06

2015﹣06﹣14（修改稿）

國家自然科學基金（31370571）；高等學校博士學科點專項科研基金（20133204110006）；江蘇省基礎研究計劃（自然科學基金）（BK20141473）；江蘇省高校優(yōu)勢學科建設工程資助項目。

*通信作者：金永燦先生，E﹣mail：jinyongcan@njfu．edu．cn。