李 巖，馬永剛，鹿欣茹，倪小雨，顧道恒

（泰州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 泰州 225300）

大量研究表明小麥秸稈富含木質(zhì)素、纖維素和半纖維素，其中纖維素作為一種豐富的可再生資源，具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性、熱穩(wěn)定性和生物降解性，能以不同形式再次利用，目前廣泛應(yīng)用于發(fā)酵、化工等行業(yè)中，可水解生成葡萄糖，并進(jìn)一步發(fā)酵生成乳酸等產(chǎn)品。但是由于秸稈內(nèi)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和穩(wěn)定性，木質(zhì)素和半纖維素以共價鍵的形式緊密相連，而纖維素就被包裹于其中，直接酶解糖化產(chǎn)率并不理想。所以合適的預(yù)處理工藝是纖維素原料大規(guī)模生產(chǎn)利用的關(guān)鍵。為提高小麥秸稈的酶解糖化率，更大限度地利用纖維素這種分布廣泛且產(chǎn)量巨大的可再生資源，避免秸稈焚燒帶來的環(huán)境污染和資源浪費(fèi)，首先必須要破壞其原有的高度致密的結(jié)晶結(jié)構(gòu)，對秸稈進(jìn)行預(yù)處理操作。

現(xiàn)有的對秸稈進(jìn)行預(yù)處理并提取纖維素的方法大致分為三大類。第一種是生物預(yù)處理和提取方法，主要是利用微生物的降解作用；第二種是化學(xué)預(yù)處理和提取方法，分為離子液體處理法、金屬離子溶液法和酸堿處理法；第三種是物理預(yù)處理和提取方法，主要有高壓蒸煮法、超聲波破碎法、機(jī)械震蕩粉碎法等。其中最常用的是化學(xué)處理法。酸堿溶液處理法操作相對簡單且預(yù)處理效率高，反應(yīng)條件溫和易控，很容易進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)，是最常用的提取纖維素的方法。金屬離子溶液法可以重復(fù)利用、成本低，反應(yīng)條件易控制，對秸稈進(jìn)行預(yù)處理后酶解還原糖產(chǎn)率得到了大幅提高，且金屬離子溶液對環(huán)境問題影響小、效能高，也可實(shí)現(xiàn)規(guī)模較大的工業(yè)化生產(chǎn)。

經(jīng)過查閱大量的相關(guān)研究文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，以玉米秸稈為例，采用FeCl3、AlCl3、和ZnCl2處理秸稈，得到的還原糖產(chǎn)率有了顯著提高，其中FeCl3溶液處理后的玉米秸稈還原糖產(chǎn)率提升最多，約為132%。經(jīng)過濃度梯度、反應(yīng)溫度、反應(yīng)時間的綜合測定，研究表明3種溶液預(yù)處理玉米秸稈產(chǎn)還原糖率最高的反應(yīng)條件見表1。

通過分析文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，加入堿性溶液可以增加秸稈處理速度和還原糖產(chǎn)率。本文擬采用NaOH溶液與FeCl3、AlCl3、Zn-Cl2溶液按照一定比例混合后分別共同對小麥秸稈進(jìn)行預(yù)處理，然后分析酶解后的還原糖產(chǎn)率。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 原料和試劑

小麥秸稈：購自泰州郊區(qū)；NaOH（分析純AR）：國藥化試；FeCl3（分析純AR）：國藥化試；AlCl3（分析純AR）：國藥化試；ZnCl2（分析純AR）：國藥化試；纖維素酶：上海麥克林；檸檬酸-檸檬酸鈉緩沖液（pH 4.8）：北京邁瑞達(dá)；還原糖試劑盒：北京索萊寶。

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器

粉碎機(jī)：合肥榮事達(dá)三洋；真空干燥箱：上海精宏；數(shù)顯恒溫水浴鍋：常州丹瑞；磁力攪拌器：鞏義予華；高速離心機(jī)：長沙湘智；全空氣恒溫?fù)u床：中國精騏；多功能酶標(biāo)儀（infinite 200 pro）：瑞士TECAN。

1.3 試驗(yàn)方法

小麥秸稈原料采自泰州郊區(qū)，購入后首先在通風(fēng)處自然風(fēng)干，然后利用粉碎機(jī)粉碎，經(jīng)前期研究，決定選取過60目篩部分的小麥秸稈為研究對象，105℃條件下烘干至恒重備用。

稱取170 g NaOH溶于510 mL的蒸餾水，充分?jǐn)嚢枞芙夂?，靜置至室溫，稱取10 g秸稈溶于配制好的NaOH溶液中，機(jī)械攪拌1 h（圖1為經(jīng)NaOH處理后的秸稈），靜置待分層。

用蒸餾水將堿處理后的小麥秸稈沖洗至溶液pH為中性后，將小麥秸稈溶液裝于離心管中，配平后，放置于離心機(jī)中，3 000 r/min，10 min后取出離心管，棄上清液，將沉淀于下層的小麥秸稈放置于玻璃培養(yǎng)皿內(nèi)置真空干燥箱中40℃干燥至恒重（圖2為NaOH處理后烘干的秸稈），備用，并標(biāo)記為NaOH組。

圖2 NaOH處理后烘干的秸稈Fig.2 The straw dried after NaOH treatment

分別取5 g未經(jīng)NaOH處理的小麥秸稈，用粉碎機(jī)粉碎后過60目篩，然后按照表1所示濃度和反應(yīng)條件，加入相應(yīng)金屬離子溶液反應(yīng)。反應(yīng)結(jié)束后將秸稈用蒸餾水沖洗至金屬離子溶液pH為中性，分別將3種金屬離子處理后的溶液裝于離心管中，以3 000 r/min的轉(zhuǎn)速離心10 min，棄上清液，將沉淀在下層的秸稈放置于真空干燥箱中105℃烘干至恒重。得到的產(chǎn)物分別標(biāo)記為FeCl3組、AlCl3組和ZnCl2組。

分別取5 g經(jīng)NaOH處理的小麥秸稈，用粉碎機(jī)粉碎后過60目篩，然后按照表1所示濃度和反應(yīng)條件，加入相應(yīng)金屬離子溶液進(jìn)行反應(yīng)。反應(yīng)結(jié)束后將秸稈用蒸餾水沖洗至金屬離子溶液pH為中性，分別將3種金屬離子處理后的溶液裝于離心管中，以3 000 r/min的轉(zhuǎn)速離心10 min，棄上清液，將沉淀在下層的秸稈放置于真空干燥箱中105℃烘干至恒重。得到的產(chǎn)物分別標(biāo)記為NaOH+FeCl3組、NaOH+AlCl3組和NaOH+ZnCl2組。

反應(yīng)結(jié)束后，取上清液使用纖維素酶進(jìn)行酶解，并利用還原糖試劑盒測定酶解液中還原糖的濃度。

分別取上述7組中小麥秸稈各1 g，置于50 mL錐形瓶中，加入25 mL檸檬酸-檸檬酸鈉緩沖溶液（pH=4.8），放入恒溫?fù)u床中，50℃和1 800 r/min條件下，進(jìn)行酶解反應(yīng)24 h。反應(yīng)結(jié)束后，將錐形瓶中反應(yīng)物和液體均轉(zhuǎn)移至50 mL離心管中，4 000 r/min的轉(zhuǎn)速離心8 min，取上清液。用還原糖試劑盒和多功能酶標(biāo)儀測定纖維素酶解液中還原糖的濃度，并繪制出標(biāo)準(zhǔn)葡萄糖曲線。

1.4 數(shù)據(jù)處理

利用還原糖試劑盒配制出待測液體，然后將待測定液體放入酶標(biāo)儀中，波長設(shè)定為540 nm，測定其還原糖濃度，每組至少進(jìn)行6次獨(dú)立重復(fù)試驗(yàn)，結(jié)果取平均值。

2 試驗(yàn)結(jié)果

繪制出的標(biāo)準(zhǔn)葡萄糖曲線見圖3。

圖3 標(biāo)準(zhǔn)葡萄糖曲線Fig.3 The standard glucose curve

根據(jù)繪制的標(biāo)準(zhǔn)曲線可以看出，溶液中還原糖濃度與吸光度值成線性關(guān)系，將各組實(shí)驗(yàn)所得吸光度值數(shù)據(jù)代入葡萄糖標(biāo)準(zhǔn)曲線y=0.05x，得到各組的還原糖濃度見表2。

表2 堿和金屬離子共處理小麥秸稈酶解產(chǎn)還原糖濃度Tab.2 The concentration of reducing sugar produced by enzymatic hy‐drolysis of wheat straw treated with alkali and metal ions

從表2各組還原糖濃度數(shù)據(jù)可以看出，加入堿性物質(zhì)（NaOH）可以顯著提高溶液中的還原糖含量，即NaOH+FeCl3組＞FeCl3組，NaOH+AlCl3組＞AlCl3組，NaOH+ZnCl2組＞ZnCl2組。并且，在所有對照組和實(shí)驗(yàn)組中，NaOH+FeCl3組還原糖含量最高。

2 討論

本試驗(yàn)對NaOH和最優(yōu)金屬離子溶液預(yù)處理工藝條件下的小麥秸稈物料酶解還原糖得率為評價指標(biāo)進(jìn)行分析。由纖維素酶酶解試驗(yàn)結(jié)果可知，小麥秸稈經(jīng)堿和3種金屬離子溶液預(yù)處理后的酶解還原糖產(chǎn)率均有了大幅度的提高，且3種金屬離子溶液預(yù)處理技術(shù)均有其最優(yōu)的處理?xiàng)l件，即FeCl3溶液濃度0.6 mol/L、固液比1∶10、反應(yīng)溫度170℃、反應(yīng)時間15 min；ZnCl2溶液濃度0.6 mol/L、固液比1∶10、反應(yīng)溫度為120℃、反應(yīng)時間為30 min；AlCl3溶液濃度0.3 mol/L、固液比1∶15、反應(yīng)溫度170℃、反應(yīng)時間30 min。當(dāng)金屬離子在其最優(yōu)條件下單獨(dú)處理時，ZnCl2組的還原糖產(chǎn)率最高，但遠(yuǎn)低于堿單獨(dú)處理時的還原糖產(chǎn)率，當(dāng)堿和金屬離子共處理時，還原糖產(chǎn)率得到大幅度的提高，其中NaOH+FeCl3組的還原糖產(chǎn)率最高，且高于堿或ZnCl2溶液單獨(dú)處理。

由此可見，堿處理與金屬離子協(xié)同預(yù)處理小麥秸稈比單獨(dú)堿或金屬離子處理秸稈所得還原糖產(chǎn)率有大幅提升，且金屬離子價格低廉，實(shí)驗(yàn)操作簡單，對環(huán)境的污染小，效能高，易于實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)，因此在秸稈循環(huán)再利用中，堿與金屬離子共處理有著廣闊的應(yīng)用前景。本實(shí)驗(yàn)尚未對堿和金屬離子共預(yù)處理后的小麥秸稈分子內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化及其機(jī)理進(jìn)行分析和研究，在后續(xù)的實(shí)驗(yàn)中，會繼續(xù)進(jìn)行分子機(jī)理層面的研究。