全 文 ：张树河，甘礼惠，潘世明，等．斑茅纤维液态酶解糖化工艺优化研究 ［Ｊ］．福建农业学报，２０１５，３０ （６）：５８６－５８９．
ＺＨＡＮＧ　Ｓ－Ｈ，ＧＡＮ　Ｌ－Ｈ，ＰＡＮ　Ｓ－Ｍ，ｅｔ　ａｌ．Ｓａｃｃｈａｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｅｒｉａｎｔｈｕｓ　ａｒｕｎｄｉｎａｃｅｕｍＦｉｂｅｒｓ　ｂｙ　Ｌｉｑｕｉｄ　Ｅｎｚｙｍａｔｉｃ　Ｄｉｇｅｓｔｉｏｎ ［Ｊ］．Ｆｕｊｉａｎ
Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ　Ｓｃｉｅｎｃｅｓ，２０１５，３０ （６）：５８６－５８９．
斑茅纤维液态酶解糖化工艺优化研究
张树河１，甘礼惠２，潘世明１，林一心１，龙敏南２＊
（１．福建省农业科学院甘蔗研究所，福建　漳州　３６３００５；２．厦门大学能源研究院，福建　厦门　３６１００５）
收稿日期：２０１５－０４－０１初稿；２０１５－０５－２２修改稿
作者简介：张树河 （１９７５－），男，副研究员，主要从事能源植物的选育及转化制生物燃料的研究 （Ｅ－ｍａｉｌ：ｚｓｈ８８８３５＠１６３．ｃｏｍ）
＊通讯作者：龙敏南 （１９６５－），男，教授，从事生物质能源转化机理及其应用研究 （Ｅ－ｍａｉｌ：Ｌｏｎｇｍｎ＠ｘｍｕ．ｅｄｕ．ｃｎ）
基金项目：国家甘蔗产业技术体系建设项目 （ＣＡＲＳ－２０－６－１）
摘　要：采用斑茅纤维为原料，用２％ＮａＯＨ和１％Ｈ２Ｏ２进行预处理，探讨纤维素酶液态发酵法糖化工艺的优
化，分析糖化材料、时间、ｐＨ、纤维用量、温度和转速等单因素对纤维素产糖的影响。结果表明：糖化材料用
２％ＮａＯＨ和１％Ｈ２Ｏ２处理，反应时间在２８～３０ｈ，ｐＨ在４．５～５．５，纤维用量在４～６ｇ，温度在５０～５５℃，转
速约为１８０ｒ·ｍｉｎ－１时斑茅纤维水解的效果最好。通过正交试验设计确定最佳糖化条件：糖化温度５２℃、时间
３０ｈ、纤维用量５ｇ、ｐＨ　６．０，糖化率达到４５．２１％。
关键词：斑茅；纤维；液态酶解；糖化
中图分类号：Ｓ　３３４．３ 文献标识码：Ａ
Ｓａｃｃｈａｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｅｒｉａｎｔｈｕｓ　ａｒｕｎｄｉｎａｃｅｕｍＦｉｂｅｒｓ　ｂｙ　Ｌｉｑｕｉｄ　Ｅｎｚｙｍａｔｉｃ　Ｄｉｇｅｓｔｉｏｎ
ＺＨＡＮＧ　Ｓｈｕ－ｈｅ１，ＧＡＮ　Ｌｉ－ｈｕｉ　２，ＰＡＮ　Ｓｈｉ－ｍｉｎｇ１，ＬＩＮ　Ｙｉｎ－ｘｉｎ１，ＬＯＮＧ　Ｍｉｎ－ｎａｎ２＊
（１．Ｓｕｇａｒｃａｎｅ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｆｕ　ｊｉａｎ　Ａｃａｄｅｍｙ　ｏｆ　Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ　Ｓｃｉｅｎｃｅｓ，Ｚｈａｎｇｚｈｏｕ，Ｆｕｊｉａｎ　３６３００５，
Ｃｈｉｎａ；２．Ｅｎｅｒｇｙ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｘｉａｍｅｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｉａｍｅｎ，Ｆｕｊｉａｎ　３６１００５，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｌｉｑｕｉｄ　ｄｉｇｅｓｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｅｒｉａｎｔｈｕｓ　ａｒｕｎｄｉｎａｃｅｕｍｆｉｂｅｒｓ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｓｏｌｕｔｉｏｎ　ｃｏｎｔａｉｎｉｎｇ　２％ＮａＯＨ　ａｎｄ　１％Ｈ２Ｏ２ｔｏ
ａｃｈｉｅｖｅ　ｔｈｅ　ｄｅｓｉｒｅｄ　ｃｅｌｕｌａｓｅ　ｓａｃｃｈａｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ　ｗａｓ　ｓｔｕｄｉｅｄ．Ｅｆｆｅｃｔ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｕｂｓｔｒａｔｅｓ，ｄｉｇｅｓｔｉｏｎ　ｔｉｍｅ，ｐＨ，ｆｉｂｅｒ
ｃｏｎｔｅｎｔ，ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ａｎｄ　ａｇｉｔａｔｉｏｎ　ｓｐｅｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ｗｅｒｅ　ａｎａｌｙｚｅｄ．Ｔｈｅ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ　ｓｔｕｄｉｅｄ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｆｉｂｅｒ
ｈｙｄｒｏｌｙｓｉｓ　ｉｎｃｌｕｄｅｄ　ｔｈｅ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ　ｏｆ　２％ ＮａＯＨ　ａｎｄ　１％Ｈ２Ｏ２，２８ｔｏ　３０ｈｏｆ　ｒｅａｃｔｉｏｎ　ｔｉｍｅ，ｐＨ４．５ｔｏ　５．５，４ｔｏ　６
ｇｏｆ　ｆｉｂｅｒ，ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓ　ｂｅｔｗｅｅｎ　５０℃ ａｎｄ　５５℃，ａｎｄ　ａｇｉｔａｔｉｏｎ　ｓｐｅｅｄｓ　ｏｆ　ａｐｐｒｏｘｉｍａｔｅｌｙ　１８０ｒ·ｍｉｎ－１．Ｔｈｅ
ｏｒｔｈｏｇｏｎａｌ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ　ｉｎｄｉｃａｔｅｄ　ｔｈｅ　ｏｐｔｉｍａｌ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ　ｔｏ　ｒｅａｃｈ　ａ　ｓａｃｃｈａｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ　ｒａｔｅ　ｏｆ　４５．２１％ ｗｅｒｅ　３０ｈ，ｐＨ
６．０，５ｇ　ｆｉｂｅｒ　ａｎｄ　５２℃．
Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：Ｅｒｉａｎｔｈｕｓ　ａｒｕｎｄｉｎａｃｅｕｓ；ｆｉｂｅｒ；ｌｉｑｕｉｄ　ｅｎｚｙｍａｔｉｃ　ｄｉｇｅｓｔｉｏｎ；ｓａｃｃｈａｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ
　　纤维素广泛存在于自然界，每年产量高达约
１　０００亿ｔ，是一种非常好的工业和生活原料，人类对
它的开发利用由来已久，并在服装、菌草、燃料、饲料
等许多方面都得到广泛应用［１－４］。鉴于天然纤维素
结构和成分的高度复杂性，如何有效降解纤维素使其
成为能直接利用的可发酵糖、葡萄糖等小分子物质，
是纤维素资源有无广阔应用前景的关键所在［５－６］。
近年来，随着全人类对能源和环保议题关注程度的提
升，国内外科技人员将纤维素材料通过生物转化得到
糖类等能源物质成为当前国际研究的热点，希望以此
来替代糖类、淀粉类等传统的酒精生产原料，斑茅纤
维资源“不与粮争地、不与人争粮”，这与国家大力发
展生物质能源所提出的规划目标相符［７］。
斑茅Ｅｒｉａｎｔｈｕｓ　ａｒｕｎｄｉｎａｃｅｕｓ　Ｒｅｔｚ．属于蔗茅
属植物，广泛分布于我国南北的山地与河滩，具有
生长快、抗旱耐瘠薄能力强、纤维含量高 （纤维素
４３．７７％、半纤维素２８．５７％、木质素１１．０１％）等
突出优点，是一种可作为生物能源产业来开发利用
的纤维质理想原料，被一些国内外专家认为是未来
纤维素资源研究的热点［８－１０］。目前，有关斑茅纤
维液态发酵糖化工艺研究还鲜有报道。本研究通过
对材料预处理、时间、ｐＨ、纤维用量、温度和转
速等影响斑茅纤维糖化的因素进行探讨，确定了最
佳的反应条件，为纤维类原料能源化产品的开发利
福建农业学报３０（６）：５８６～５８９，２０１５
Ｆｕｊｉａｎ　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ　Ｓｃｉｅｎｃｅｓ
文章编号：１００８－０３８４ （２０１５）０６－５８６－０４
用提供依据。
１　材料与方法
１．１　试验材料
１．１．１　斑茅样品　福建省农科院甘蔗研究所甘蔗
种质资源圃提供，晒干、粉碎，２％ ＮａＯＨ和１％
Ｈ２Ｏ２浸提，再经水洗、烘干和过筛等一系列预处
理过程而制成。
１．１．２　菌种　东方肉座菌 Ｈｙｐｏｃｒｅａ　ｏｒｉｅｎｔａｌｉｓ
ＥＵ７－２２，由厦门大学生命科学学院生物能源实验
室筛选保存。
１．２　试验方法
１．２．１　液态发酵产酶　 在２５０ｍＬ的三角瓶中加
入纤维样品１ｇ、麸皮０．５ｇ、蛋白胨０．２５ｇ、吐温
５５μＬ、醋酸－醋酸钠缓冲液５ｍＬ及营养液５０
ｍＬ （ＫＨ２ＰＯ４８．０ｇ·Ｌ－１，蛋白胨４ｇ·Ｌ－１，洗
衣粉２ｇ·Ｌ－１），１２１℃高压灭菌２０ｍｉｎ，冷却后
添加１０％培养好的菌种，置于３０℃摇床转速１８０
ｒ·ｍｉｎ－１中培养２～３ｄ待用，滤纸酶 （ＦＰＡ）活
力２．２５Ｕ·ｇ－１。
１．２．２　糖化试验设计　单因素试验：将液态发酵培
养好的酶液，设在固液比１∶２０、浸提温度１２０℃条
件下对材料进行预处理（处理１：烘干粉碎浸提；处
理２：烘干粉碎加１％ＮａＯＨ浸提；处理３：烘干粉碎
加２％ＮａＯＨ 浸提；处理４：烘干粉碎加２％ＮａＯＨ
和１％Ｈ２Ｏ２浸提；处理５：新鲜斑茅加２％ＮａＯＨ和
１％Ｈ２Ｏ２浸提）、反应时间（２４～３４ｈ）、ｐＨ（４．０～
６．５）、纤维用量（１～６ｇ）、温度（４０～６５℃）、转速（６０
～２１０ｒ·ｍｉｎ－１）等单因素范围进行试验，确定纤维
糖化的最佳参数范围。
正交试验：以温度 （５０、５２、５４℃）、时间
（２８、３０、３２ｈ）、纤维用量 （３、４和５ｇ）和ｐＨ
（５．０、５．５、６．０）等４因素３水平的Ｌ９ （３４）正
交实验，从中确定最佳的糖化条件。
１．２．３　还原糖的测定与糖化率的计算　 还原糖的
测定：ＤＮＳ法测定［１１］。糖化率计算：糖化率＝
（生成的还原糖量／底物总量）×１００％。
１．２．４　数据整理分析　数据用Ｅｘｃｅｌ和ＤＰＳ软件
进行整理分析。
２　结果与分析
２．１　单因素试验
２．１．１　材料预处理对斑茅纤维糖化的影响　纤维
物质主要由纤维素、半纤维素、木质素按一定比例
组成，木质素和半纤维素形成牢固结合层，包围着
纤维素，如何最大限度去除木质素是提高斑茅纤维
降解糖化率的关键所在。材料预处理对斑茅纤维素
糖化的影响见图１，由图１及方差结果分析可知，
斑茅纤维通过预处理能显著提高糖化率，处理３与
处理４效果好糖化率高，与处理１、处理２和处理
５差异达显著与极显著水平。在５种方法中又以处
理４效果最好，为斑茅最佳的预处理方法。
图１　材料预处理对斑茅纤维糖化的影响
Ｆｉｇ．１　Ｅｆｆｅｃｔ　ｏｆ　ｓｕｂｓｔｒａｔｅ　ｐｒｅｔｒｅａｔｍｅｎｔｓ　ｏｎ　ｓａｃｃｈａｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ
ｏｆ　Ｅ．ａｒｕｎｄｉｎａｃｅｕｓ　ｆｉｂｅｒｓ
２．１．２　处理时间对斑茅纤维糖化的影响　 纤维糖
化效果与时间有关，时间不足糖化不彻底；糖化时
间过长，会降低糖化率及延长生产周期。由图２可
知，斑茅纤维糖化效果随着时间的延长，糖化率不
断增加，３０ｈ时达到最高值；随着时间的延长，
由于部分葡萄糖重新结合生成异麦芽糖等复合糖类
或生成的还原糖被微生物所消耗，从而使糖化液中
还原糖比例下降，导致糖化率降低。因此，斑茅纤
维糖化时间以３０ｈ为宜。
图２　时间对斑茅纤维糖化的影响
Ｆｉｇ．２　Ｅｆｆｅｃｔ　ｏｆ　ｔｉｍｅ　ｏｎ　ｓａｃｃｈａｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｅ．ａｒｕｎｄｉｎａｃｅｕｓ
ｆｉｂｅｒｓ
２．１．３　ｐＨ 对斑茅纤维糖化的影响　酶活性中心
必需基团与底物的结合程度受ｐＨ值影响，只有在
７８５第６期 张树河等：斑茅纤维液态酶解糖化工艺优化研究
特定ｐＨ值条件下，才能使酶蛋白发挥最佳活性作
用。由图３可知，ｐＨ 值与斑茅纤维糖化率有关。
随着ｐＨ值的升高，糖化率不断增加；当ｐＨ值为
５时，达到最高；但增加ｐＨ 值，糖化率反而下
降。因此，斑茅纤维糖化ｐＨ值以５为宜。
图３　ｐＨ对斑茅纤维糖化的影响
Ｆｉｇ．３　Ｅｆｆｅｃｔ　ｏｆ　ｐＨ　ｏｎ　ｓａｃｃｈａｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｅ．ａｒｕｎｄｉｎａｃｅｕｓ
ｆｉｂｅｒｓ
２．１．４　纤维用量对斑茅纤维糖化的影响　 一定量
的酶液只能分解一定量的底物，在其有效降解范围
内，随着底物的增加糖化率升高，但过多的底物由
于分解不完成造成糖化率下降。由图４可知，随着
斑茅纤维用量的增加，糖化率也随之升高；当纤维
用量为５ｇ时，达到最高；但增加纤维用量，糖化
率反而下降。因此，纤维用量为５ｇ为宜。
图４　纤维用量对斑茅纤维糖化的影响
Ｆｉｇ．４　Ｅｆｆｅｃｔ　ｏｆ　ｑｕａｎｔｉｔｙ　ｏｆ　ｆｉｂｅｒ　ｏｎ　ｓａｃｃｈａｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ
Ｅ．ａｒｕｎｄｉｎａｃｅｕｓ　ｆｉｂｅｒｓ
２．１．５　温度对斑茅纤维糖化的影响　酶在最适温
度时活性最强，低于这个温度活性受到抑制，高于
这个温度部分蛋白质变性活性也会随之降低，一旦
高于变性温度酶发生变性丧失其催化能力。由图５
可知，斑茅纤维糖化率随着温度的升高而增加，
５５℃达到最高；再提高糖化温度，糖化率反而下
降。因此，糖化温度以５０～５５℃为宜。
图５　温度对斑茅纤维糖化的影响
Ｆｉｇ．５ 　 Ｅｆｆｅｃｔ　ｏｆ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｏｎ　ｓａｃｃｈａｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ
Ｅ．ａｒｕｎｄｉｎａｃｅｕｓ　ｆｉｂｅｒｓ
２．１．６　转速对斑茅纤维糖化的影响　振荡培养有
利于菌体的分散与底物的接触，可防止由于菌体凝
结所造成接触抑制，从而不利于反应的进行。由图
６可知，斑茅纤维糖化率随着转速的升高而增加，
当转速约１８０ｒ·ｍｉｎ－１时，达到最高；随着转速的
增加，分子运动加快，不利于酶与底物的接触，导
致纤维糖化率下降。因此，纤维糖化转速以１８０
ｒ·ｍｉｎ－１为佳。
图６　转速对斑茅纤维糖化的影响
Ｆｉｇ．６　Ｅｆｆｅｃｔ　ｏｆ　ａｇｉｔａｔｉｏｎ　ｓｐｅｅｄ　ｏｎ　ｓａｃｃｈａｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ
Ｅ．ａｒｕｎｄｉｎａｃｅｕｓ　ｆｉｂｅｒｓ
２．２　正交试验
以温度、时间、纤维用量和ｐＨ作４因素３水
平的正交试验，以糖化率为指标，确定最佳糖化工
艺参数。从表１方差结果可知，Ａ２Ｂ２Ｃ３Ｄ１实验号
糖化率最高，与其他实验组合差异达显著与极显著
水平；由表１极差值 （Ｒ）可知，影响斑茅纤维素
糖化的因素主次顺序依次为Ａ＞Ｃ＞Ｂ＞Ｄ，其最佳
组合为温度５２℃、时间３０ｈ、纤维用量５ｇ、ｐＨ
６．０，与单因素实验吻合，以最佳条件组合做产糖
验证，糖化率达到４５．２１％。
８８５ 福建农业学报 第３０卷
表１　Ｌ９（３４）正交试验设计及结果分析
Ｔａｂｌｅ　１　 Ｄｅｓｉｇｎ　ａｎｄ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　Ｌ９ （３４）ｏｒｔｈｏｇｏｎａｌ
ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ
实验号
因素
Ａ（温
度／℃）
Ｂ（时
间／ｈ）
Ｃ（纤维
用量／ｇ）
Ｄ
（ｐＨ）
糖化率
／％
显著
水平
１　 １（５０） １（２８） １（３） １（５．０） ３８．６９ ｅＥ
２　 １（５０） ２（３０） ２（４） ２（５．５） ４１．５７ ｄＤ
３　 １（５０） ３（３２） ３（５） ３（６．０） ４１．９８ ｄＣＤ
４　 ２（５２） １（２８） ２（４） ３（６．０） ４３．４５ ｂＢ
５　 ２（５２） ２（３０） ３（５） １（５．０） ４５．１６ ａＡ
６　 ２（５２） ３（３２） １（３） ２（５．５） ４３．３２ ｂｃＢＣ
７　 ３（５４） １（２８） ３（５） ２（５．５） ４２．６４ ｂｃｄＢＣＤ
８　 ３（５４） ２（３０） １（３） ３（６．０） ４２．３５ ｃｄＢＣＤ
９　 ３（５４） ３（３２） ２（４） １（５．０） ４３．０９ ｂｃＢＣ
Ｋ１　 ３６６．７２　３７４．３４　３７３．０８　３８０．８２
Ｋ２　 ３９５．７９　３８７．２４　３８４．３３　３８２．５９
Ｋ３　 ３８４．２４　３８５．１７　３８９．３４　３８３．３４
Ｒ　 ２９．０７　 １２．９０　 １６．２６　 ２．５２
因素主次 　　Ａ＞Ｃ＞Ｂ＞Ｄ
优组合 　　　Ａ２Ｂ２Ｃ３Ｄ３
３　讨论与结论
３．１　斑茅具有耐旱耐瘠薄、纤维素含量高、分蘖
力强及粗生快长等特点，广泛分布于我国南北山地
河滩的边际土壤，是一种可再生纤维素资源，同时
又 “不与人争粮、不与粮争地”，符合国家可再生
能源的发展战略与要求，如能高效转化成生物质能
源产品并加以利用，对缓解能源危机、保护生态环
境、实现经济可持续发展战略等都有非常重要的
意义。
３．２　斑茅材料采用烘干粉碎浸提、烘干粉碎加
１％ ＮａＯＨ浸提、烘干粉碎加２％ＮａＯＨ浸提、烘
干粉碎加２％ＮａＯＨ和１％Ｈ２Ｏ２浸提及新鲜斑茅加
２％ＮａＯＨ和１％Ｈ２Ｏ２浸提等５种预处理进行纤维
酶解糖工艺研究，结果以烘干粉碎加２％ＮａＯＨ和
１％Ｈ２Ｏ２浸提处理效果最好，糖化率最高，与烘干
粉碎浸提、烘干粉碎加１％ ＮａＯＨ 浸提及新鲜斑
茅加２％ＮａＯＨ和１％Ｈ２Ｏ２浸提处理相比差异达显
著与极显著水平。
３．３　通过斑茅纤维液态发酵产糖的最佳工艺条件
的研究，确定了最佳糖化条件为温度５２℃、时间
３０ｈ、纤维用量５ｇ、ｐＨ　６．０，在此条件下发酵产
糖，糖化率高达４５．２１％，这一结果与斑茅纤维固
态发酵产糖法相比，糖化率提高４．６１％，增加幅
度１１．３６％，斑茅纤维液态发酵产糖工艺技术值得
在生产中进行后续的试验与推广。
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（责任编辑：柯文辉）
９８５第６期 张树河等：斑茅纤维液态酶解糖化工艺优化研究