王風(fēng)芹， 肖元璽， 仝銀杏， 謝 慧， 楊 森， 宋安東

(河南農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)微生物酶工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 鄭州 450002)

初始含水量對(duì)蒸汽爆破實(shí)現(xiàn)玉米芯半纖維素分離與纖維素酶水解的影響

王風(fēng)芹， 肖元璽， 仝銀杏， 謝 慧， 楊 森， 宋安東

(河南農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)微生物酶工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 鄭州 450002)

研究了玉米芯初始含水量對(duì)蒸汽爆破實(shí)現(xiàn)玉米芯半纖維素分離和纖維素殘?jiān)杆獾挠绊?。結(jié)果表明，當(dāng)蒸汽爆破過(guò)程中玉米芯初始含水量為0.6 g·g-1玉米芯時(shí)，木糖和木聚糖的總產(chǎn)量達(dá)到最大225.8 g·kg-1玉米芯，半纖維素的回收率為74.34%。當(dāng)玉米芯初始含水量為0.2 g·g-1時(shí)，蒸汽爆破玉米芯纖維素殘?jiān)杆夂蟮目偺呛推咸烟菨舛茸罡?，分別為81.84和68.18 g·L-1，玉米芯中纖維素的回收率和殘?jiān)欣w維素轉(zhuǎn)化率均達(dá)到最高，分別為57.31% 和74.79%。低水分含量同時(shí)導(dǎo)致甲酸、乙酸、糠醛和5-羥甲基糠醛等有毒物質(zhì)含量的急劇增加。

玉米芯；蒸汽爆破；含水量；半纖維素；纖維素；回收率

隨著環(huán)境污染與能源危機(jī)的日益加重，木質(zhì)纖維素類生物質(zhì)的利用在全球范圍內(nèi)受到了廣泛關(guān)注。中國(guó)是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國(guó)，玉米的產(chǎn)量和種植面積僅次于美國(guó)而居于世界第二。2013年中國(guó)的玉米產(chǎn)量已經(jīng)達(dá)到21 848.9萬(wàn)t[1]，玉米芯的產(chǎn)量約為3 714.313萬(wàn)t。玉米芯主要含有纖維素、半纖維素、木質(zhì)素、灰分及少量含氮化合物，其中含半纖維素30%～35%(木聚糖型半纖維素約30%)[2-3]，纖維素40%～45%，木質(zhì)素 10%～20%，是可用性及潛在價(jià)值非常高的木質(zhì)纖維素資源。玉米芯利用的最高期望是對(duì)其不同組分進(jìn)行分離，實(shí)現(xiàn)高效的結(jié)構(gòu)拆分和高價(jià)值的功能化利用，預(yù)處理是實(shí)現(xiàn)這一期望的最為關(guān)鍵性步驟。預(yù)處理可以將玉米芯中半纖維素大量降解，通過(guò)其產(chǎn)物木糖、木聚糖等溶出回收生產(chǎn)高附加值產(chǎn)品；玉米芯纖維素殘?jiān)?jīng)酶水解得到可發(fā)酵葡萄糖，用于乙醇、丁醇等生物基燃料生產(chǎn)。因此，尋找一種經(jīng)濟(jì)可行的預(yù)處理方式成為玉米芯利用關(guān)注的焦點(diǎn)。蒸汽爆破是一種綠色、高效的生物質(zhì)預(yù)處理技術(shù)，已被廣泛應(yīng)用于生物質(zhì)預(yù)處理過(guò)程。在蒸汽爆破促使生物質(zhì)結(jié)構(gòu)解聚的過(guò)程中，水分作為蒸汽爆破過(guò)程的唯一作用介質(zhì)，具有反應(yīng)劑、溶出劑、緩沖劑和傳熱介質(zhì)等作用，與物料爆破效果密切相關(guān)[4-7]。蒸汽爆破過(guò)程物料的初始水分含量影響材料的溶脹和蒸汽的滲透以及降解產(chǎn)物的溶出，從而影響原料組成變化和結(jié)構(gòu)重組，最終影響酶水解的程度。此外，水作為唯一的傳輸介質(zhì)參與蒸汽爆破過(guò)程，其消耗量也影響著產(chǎn)品的成本和工業(yè)經(jīng)濟(jì)可行性[8-10]。因此，研究蒸汽爆破過(guò)程中水分含量對(duì)木質(zhì)纖維素結(jié)構(gòu)解聚及組分分離和利用的影響具有重要的理論意義與實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。但關(guān)于含水率對(duì)玉米芯蒸汽爆破過(guò)程的影響及最佳水量?jī)?yōu)化的研究未見(jiàn)報(bào)道。本文研究了含水量對(duì)蒸汽爆破玉米芯半纖維素高效分離和高纖維素含量殘?jiān)杆獾挠绊?，以期為玉米芯的高效、綜合生物質(zhì)利用提供技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 材料

玉米芯：取自河南省林州市，粉碎至約1 cm3，75 ℃烘干，備用。玉米芯的組成成分為：纖維素(40.79±0.043)%，半纖維素(32.86±0.034)%，木質(zhì)素(16.84±0.002)%。

1.2 稀硫酸前處理

取粉碎好的玉米芯，按1∶5(w/v)固液比加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.1%的稀硫酸，置于121 ℃處理30 min，濾去水分，按照固液比1∶10(w/v)水洗，烘干備用。

1.3 蒸汽爆破處理

取稀硫酸前處理烘干后的玉米芯，按不同的初始含水量：0、0.2、0.4、0.6、0.8 g·g-1玉米芯拌蒸餾水，室溫過(guò)夜。然后將其進(jìn)行蒸汽爆破處理，蒸汽爆破條件為：壓力1.4 MPa，保壓時(shí)間300 s。收集爆破料，混勻，五點(diǎn)取樣測(cè)含水率。

1.4 蒸汽爆破玉米芯降解產(chǎn)物的浸提

分別取蒸汽爆破玉米芯25 g于500 mL三角瓶，按1∶10(w/v)固液比加入蒸餾水，置于60 ℃水浴鍋中，每10 min攪拌1次，1 h后抽濾，浸提2次，合并濾液即為浸提液，固體殘?jiān)糠趾娓?，備用。每組均為3次重復(fù)。

1.5 蒸汽爆破玉米芯浸提殘?jiān)拿杆?/h3>

取固體殘?jiān)?0 g，按1∶8(w/v)固液比加入蒸餾水，調(diào)pH至4.8～5.0，纖維素酶添加量為20 FPU·g-1物料(纖維素酶，濾紙酶活為180 FPU·mL-1，購(gòu)自尤特爾生物工程公司)，置于48 ℃、120 r·min-1下進(jìn)行酶水解，每12 h取樣，8 000 r·min-1離心取上清液備用。

1.6 分析方法

1.6.1 液體成分分析 葡萄糖、木糖和阿拉伯糖、甲酸和乙酸含量測(cè)定：采用P680高效液相色譜(Diodex)進(jìn)行測(cè)定，RI101示差折光檢測(cè)器(Shodex)；氫離子交換色譜柱Aminex HPX-87H；流動(dòng)相為0.005 mol·L-1的H2SO4，流速0.6 mL·min-1，柱溫 55 ℃。木聚糖、葡聚糖和阿拉伯聚糖的測(cè)定：取3 mL浸提液回收液于10 mL離心管中，加入3 mL 8%硫酸，置于滅菌鍋中121 ℃，處理20 min[11]，通過(guò)酸解前后糖含量差進(jìn)行計(jì)算。5-羥甲基糠醛和糠醛的測(cè)定：Waters 2695高效色譜儀，Waters 2489紫外檢測(cè)器；流動(dòng)相：A：1%乙酸，B：甲醇，梯度洗脫：0～15 min，72% A；15～25 min，53% A；流速0.6 mL·min-1；柱溫30 ℃；檢測(cè)波長(zhǎng)為280 nm；進(jìn)樣量10 μL。

1.6.2 固體組分的分析 玉米芯經(jīng)預(yù)處理及浸提后所剩固體殘?jiān)慕M成成分含量用美國(guó)國(guó)家能源部可再生能源實(shí)驗(yàn)室(NREL)法計(jì)算[12-13]。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同含水量對(duì)玉米芯蒸汽爆破后可溶性組分的影響

在蒸汽爆破前對(duì)玉米芯進(jìn)行稀硫酸前處理，并經(jīng)過(guò)水洗，以去除一些灰分和果膠等雜質(zhì)，此過(guò)程中玉米芯的保留率為96.85%，而木糖、葡萄糖、總糖損失率分別為0.91%、0.70%和2.35%。蒸汽爆破過(guò)程玉米芯的保留率為85.83%，不同含水量的玉米芯經(jīng)蒸汽爆破后，水浸提液中各種糖的產(chǎn)量見(jiàn)表1和表2，木糖、木聚糖得率及半纖維素回收率見(jiàn)圖1。隨著蒸汽爆破玉米芯初始含水量的增加，浸提液中木糖含量逐漸降低，木聚糖含量先升高后降低，當(dāng)初始含水量為0.6 g·g-1玉米芯時(shí)，木糖和木聚糖的產(chǎn)量分別為82.4和143.4 g·kg-1玉米芯，半纖維素的回收率達(dá)到最高73.34%(表1)。而甲酸、乙酸、5-羥甲基糠醛和糠醛產(chǎn)量在初始含水量>0.2 g·g-1玉米芯后大幅降低(表2)。表明當(dāng)玉米芯初始含水量超過(guò)0.2 g·g-1玉米芯時(shí)，其緩沖作用有明顯效果，降低了副產(chǎn)物的生成。

表1 不同初始含水量玉米芯蒸汽爆破后的糖產(chǎn)量Table 1 Sugar production from corncob pretreated with steam explosion with different initial water content g·kg-1

表2 不同初始含水量玉米芯蒸汽爆破后有毒物質(zhì)的產(chǎn)量Table 2 Microbial inhibitor production from corncob pretreated with steam explosion with different initial water content g·kg-1

圖1 不同初始含水量玉米芯蒸汽爆破后半纖維素回收率及木糖和木聚糖的得率Fig.1 Hemicellulose recovery rate, xylose and xylan yield of corncob pretreated with steam explosion with different initial water content

2.2 含水量對(duì)玉米芯蒸汽爆破后水不溶性固相組分的影響

蒸汽爆破玉米芯不溶性固相殘?jiān)闹饕M成成分測(cè)定結(jié)果如表3所示。在玉米芯初始含水量為0～0.8 g·g-1含量范圍內(nèi)，玉米芯固相的保留率為534.8%～561.6%；隨著含水量的升高，木質(zhì)素的降解程度逐漸增加，半纖維素的破壞程度逐漸降低；初始含水量對(duì)纖維素的降解差異不顯著。

表3 不同初始含水量玉米芯蒸汽爆破后三素剩余量Table 3 Residual quantity of cellulose, hemicellulose and lignin in corncob after steam explosion with different initial water content g·kg-1

2.3 不同含水量對(duì)玉米芯蒸汽爆破后殘?jiān)w維素酶水解的影響

玉米芯蒸汽爆破后水不溶性固體酶解液主要成分如圖2和圖3所示。隨著酶解時(shí)間的延長(zhǎng)，各組酶水解液的葡萄糖和總糖含量均逐漸增加，在72 h達(dá)到最大；初始水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.2 g·g-1時(shí)，總糖和葡萄糖濃度最高分別為81.84和68.18 g·L-1。此時(shí)，殘?jiān)欣w維素的水解率為74.79%，玉米芯中纖維素的回收率為57.31%。

3 結(jié)論與討論

圖2 不同初始含水量玉米芯蒸汽爆破后殘?jiān)w維素酶水解結(jié)果Fig.2 Enzymatic hydrolysis of residue from corncob pretreated with steam explosion with different initail water content

圖3 不同初始含水量玉米芯蒸汽爆破及酶水解后纖維素回收率及殘?jiān)w維素轉(zhuǎn)化率Fig.3 Cellulose recorvery rate of corncob and cellulose recovery rate of corncob residual after steam explosion and enzymatic hydrolysis with different initail water content in corncob

蒸汽爆破過(guò)程中水分對(duì)半纖維素的降解有抑制作用，對(duì)木質(zhì)素的降解起促進(jìn)作用，對(duì)降解產(chǎn)物的溶出起促進(jìn)作用，對(duì)甲酸、乙酸、5-羥甲基糠醛和糠醛等副產(chǎn)物的生成起抑制作用。初始含水量為0.6 g·g-1的玉米芯經(jīng)蒸汽爆破后半纖維素回收率最高為74.34%；玉米芯初始含水量為0.2 g·g-1有利于玉米芯纖維素殘?jiān)拿杆?，但同時(shí)導(dǎo)致有毒物質(zhì)的大量生成。

本研究中半纖維素的回收率隨著玉米芯含水量的增加先升高后降低，因?yàn)樗值拇嬖谑沟媚举|(zhì)纖維素因吸水而逐漸膨脹，有利于木質(zhì)纖維素的疏松[14-15]，在高溫環(huán)境中水解離的氫離子及半纖維素側(cè)鏈降解產(chǎn)生的少量乙酸催化玉米芯生物質(zhì)的降解，生成的可溶性物質(zhì)溶于水，從原來(lái)的結(jié)構(gòu)上脫落下來(lái)[16]，因此，隨著水分含量的增加，這種作用會(huì)越來(lái)越明顯。同時(shí)，水分由于能夠在氣相和液相之間相互轉(zhuǎn)化，其能夠由于含量不同而使得兩相比例不同，少量的水分在高溫時(shí)，轉(zhuǎn)化為水蒸汽，在木質(zhì)纖維素縫隙發(fā)揮作用，使得整體焓值升高，增強(qiáng)了爆破對(duì)物料組分分離的有效性，這有利于增加后續(xù)纖維素酶與物料的可及性，增強(qiáng)酶解效果[17-18]。

然而，在蒸汽爆破過(guò)程中，當(dāng)水分含量達(dá)到某個(gè)值后，繼續(xù)增加水分含量會(huì)導(dǎo)致組織間隙被液態(tài)水充斥，阻止了高溫氣態(tài)水分子在組織間的傳導(dǎo)作用[19]，過(guò)多的水分自身不能充分汽化，又不利于汽相的滲入，延緩甚至?xí)档驼羝麑?duì)木質(zhì)纖維素爆破的撕裂作用，降低了蒸汽爆破對(duì)木質(zhì)纖維素的破壞作用，同時(shí)纖維素、半纖維素的降解產(chǎn)物如葡萄糖、木糖、阿拉伯糖等進(jìn)一步降解為甲酸、乙酸、5-羥甲基糠醛和糠醛等物質(zhì)的量也逐漸下降。

本研究對(duì)于蒸汽爆破玉米芯的水溶性成分測(cè)定和殘?jiān)附庑Чu(píng)價(jià)表明，較高的水含量有利于半纖維素的分離回收，而纖維素酶水解效果在水含量較低時(shí)相對(duì)較好。因此，利用蒸汽爆破技術(shù)研究或生產(chǎn)玉米芯產(chǎn)品時(shí)，可以根據(jù)對(duì)于產(chǎn)品的傾向性選擇不同的水分含量。

[1] JACQUET N, MANIET G., VANDERGHEM C, et al. Application of the steam explosion as pretreatment on the lignocellulosic material: a review[J]. Industrial and Engineering Chemistry Research, 2015, 54(10): 2593-2598.

[2] WOOD I P, ELLISTON A, COLLINS S R A, et al. Steam explosion of oilseed rape straw: establishing key determinants of saccharification efficiency[J]. Bioresource Technology, 2014, 162: 175-183.

[3] RYDEN P, GAUTIER A, WELLNER N, et al. Changes in the composition of the main polysaccharide groups of oil seed rape straw following steam explosion and saccharification[J]. Biomass and Bioenergy, 2014, 61(1): 121-130.

[4] ALVIRA P, TOMS-PEJE, BALLESTEROS M, et al. Pretreatment technologies for an efficient bioethanol production process based on enzymatic hydrolysis: a review[J]. Bioresource Technology, 2010, 101(13): 4851-4861.

[5] KRISTENSEN J B, FELBY C, J?RGENSEN H. Yield-determining factors in high-solids enzymatic hydrolysis of lignocellulose[J]. Biotechnology for Biofuels, 2009, 2(1): 11.

[6] BERRY S L, RODERICK M L. Plant-water relations and the fibre saturation point[J]. New Phytologist, 2005, 168(1): 25-37.

[7] ZHANG Y, CHEN H. Multiscale modeling of biomass pretreatment for optimization of steam explosion conditions[J]. Chemical Engineering Science, 2012, 75: 177-182.

[8] SUI W, CHEN H. Water transfer in steam explosion process of corn stalk[J]. Industrial Crops and Products, 2015, 76: 977-986.

[9] 陳洪章, 劉麗英. 蒸汽爆碎技術(shù)原理及應(yīng)用[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社, 2007.

[10] SUI W, CHEN H. Study on loading coefficient in steam explosion process of corn stalk[J]. Bioresource Technology, 2015, 179: 534-542.

[11] FAN X, CHENG G, ZHANG H, et al. Effects of acid impregnated steam explosion process on xylose recovery and enzymatic conversion of cellulose in corncob[J]. Carbohydrate Polymers, 2014, 114: 21-26.

[12] 張紅漫, 鄭榮平, 陳敬文, 等. NREL法測(cè)定木質(zhì)纖維素原料組分的含量[J]. 分析試驗(yàn)室,2010(11): 15-18.

[13] HYMAN D, SLUITER A, CROCKER D, et al. Determination of acid soluble lignin concentration curve by UV-vis spectroscopy; laboratory analytical procedure (LAP)[R]. NREL Technical Report NREL, 2007.

[14] 閆軍, 馮連勛. 蒸汽爆破技術(shù)的研究[J]. 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技, 2009 (11): 278-280.

[15] TAN T S, CHIN H Y, TSAI M L, et al. Structural alterations, pore generation, and deacetylation of α-and β-chitin submitted to steam explosion[J]. Carbohydrate polymers, 2015, 122: 321-328.

[16] COTANA F, BURATTI C, BARBANERA M, et al. Optimization of the steam explosion and enzymatic hydrolysis for sugars production from oak woods[J]. Bioresource Technology, 2015, 198: 470-477.

[18] 郝曉峰, 劉文金, 李賢軍, 等. 梓木蒸汽爆破過(guò)程傳熱數(shù)值模擬初探[J]. 中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報(bào), 2014, 34(12): 146-150.

[19] KANG K E, PARK D H, JEONG G T. Effects of inorganic salts on pretreatment of miscanthus straw[J]. Bioresource Technology, 2013, 132: 160-165.

Effectofcorncobinitialwatercontentonhemicelluloseseparationandcelluloseenzymatichydrolysispretreatedwithsteamexplosion

WANG Fengqin， XIAO Yuanxi， TONG Yinxing， XIE Hui， YANG Sen， SONG Andong

(Key Laboratory of Enzyme Engineering of Agricultural Microbiology, Ministry of Agriculture, Life Science College, Henan Agricultural University, Zhengzhou 450002, China)

In this study, the effect of corncob initial water content for steam explosion pretreatment on hemicellulose separation and cellulose enzymatioc hydrolysis was analyzed. The results indicated that the highest total xylose and xylo-oligosaccharide yield is 225.8 g·kg-1corncob with a hemicellulose recovery rate of 74.34% when the corncob water content is 0.6 g·g-1corncob. While the highest cellulose recovery rate of corncob and cellulose conversion rate of corncob residue is 81.84 and 68.18 g·L-1, the recovery rate of cellulose in corncob and the conversion rate of cellulose in the residue reached the maximum at this condition, which were 57.13% and 74.79%, respectively with a initial water content of 0.2 g·g-1corncob. Lower water content will result in higher sharp increase in contents of poisonous substances such as formic acid, acetic acid, furfural and 5-HFM.

corncob; steam explosion; water content; hemicellulose; cellulose; recovery rate

2017-05-15

河南省高?？萍紕?chuàng)新團(tuán)隊(duì)基金項(xiàng)目(15IRTSTHN014)；河南省高等學(xué)校重點(diǎn)科研基金項(xiàng)目(15A180004)

王風(fēng)芹(1976-)，女，河南安陽(yáng)人，教授，博士，主要從事生物質(zhì)能源工程、微生物資源開(kāi)發(fā)與利用等研究。

宋安東(1972-)，男，河南洛陽(yáng)人，教授，博士。

1000-2340(2017)06-0834-05

TQ 923

A

李 瑩)