全 文 ：第 35 卷第 2 期
2015 年 4 月
林 产 化 学 与 工 业
Chemistry and Industry of Forest Products
Vol． 35 No． 2
Apr． 2015
doi:10． 3969 / j． issn． 0253-2417． 2015． 02． 014
组合预处理对橡实壳组成及酶解转化的影响
收稿日期:2014-02-10
基金项目:科技部国际合作项目(OS2014GＲ0444);国家自然科学基金资助项目(31070510)
作者简介:潘丕克 (1984—)，男，辽宁鞍山人，工程师，硕士，主要从事生物质能源及化学品研究工作
* 通讯作者:蒋建新，教授，博士生导师，研究领域为林产化工及生物质能源;E-mail:jiangjx@ bjfu． edu． cn。
PAN Pi-ke
潘丕克1，2，于海龙1，唐 勇1，宋先亮1，蒋建新1
*
(1．北京林业大学材料科学与技术学院，北京 100083;
2．辽宁省森林经营研究所，辽宁 丹东 118002)
摘 要: 为脱除果壳类原料中的半纤维素和木质素，减少其对纤维素酶的无效吸附，提高酶解转
化率。采用蒸汽爆破、NaOH、碱性 H2O2 及其组合预处理方法，研究不同方法对橡实(蒙古栎种子)
壳组成及酶解转化的影响。结果表明，经过 2． 25 MPa 蒸汽爆破预处理后，橡实壳半纤维素由
26. 81%降低至 5． 79%，半纤维素脱除率达 87． 28%，酶水解 120 h后葡萄糖得率由 10． 32%提高至 38． 36%。橡实壳蒸汽
爆破组合氢氧化钠处理后，木质素脱除率可达 54． 29%。而蒸汽爆破组合碱性 H2O2 处理后，酶解 120 h葡萄糖得率可达
76． 65%，是未处理橡实壳的 7． 4 倍。
关键词: 橡实壳;蒸汽爆破;氢氧化钠;碱性过氧化氢;酶水解
中图分类号:TQ35 文献标识码:A 文章编号:0253-2417(2015)02-0091-06
引文格式:潘丕克，于海龙，唐勇，等．组合预处理对橡实壳组成及酶解转化的影响［J］．林产化学与工业，2015，35(2):91－96．
Effect of Pretreatment on Composition and Enzymatic
Hydrolysis of Acorn Hull
PAN Pi-ke1，2，YU Hai-long1，TANG Yong1，SONG Xian-liang1，JIANG Jian-xin1
(1． College of Material Science and Technology，Beijing Forestry University，Beijing 100083，China;
2． Liaoning Institute of Forest Management，Dandong 118002，China)
Abstract:The pretreatments of steam explosion，sodium hydroxide，alkaline peroxide and the coupling were used to remove the
hemicellulose and lignin in acorn hull and increase the glucose yield． The hemicellucose in acorn hull decreased from 26． 81% to
5． 79% with a removal of 87． 28% with 2． 25 MPa steam explosion pretreatment． However，the glucose yield increased from
10. 32% to 38． 36% after enzymatic hydrolysis for 120 h． The lignin removal was 54． 29% after pretreating acorn hull by
2． 25 MPa steam explosion coupled with sodium hydroxide． The glucose yield was 76． 65% obtained from acorn hull pretreated
with 2． 25MPa steam explosion and alkaline peroxide． It was 7． 4 times of that from raw acorn hull untreated．
Key words:acorn hull;steam explosion;sodium hydroxide;alkaline peroxide;enzymatic hydrolysis
当今世界，由于石油价格、环境和社会等问题，生物乙醇作为一种可再生能源被认为是重要的替代
燃料［1］。随着全球人口的增加，传统的乙醇生产工艺对粮食安全构成重大威胁［2］。非粮生物乙醇的研
究是一种必然趋势，木质纤维素、甜高粱和木薯等作为替代原料而成为研究热点。橡实仁含有淀粉
40%以上，是一种优质的非粮原料，易于转化为生物乙醇［3］。橡实是指除大量栽培种板栗以外的壳斗
科植物坚果的通称，亦称栎实或橡子［4］。本科在全世界共有 7 属 900 多种，而我国就有 7 属 320 多种。
其中东北地区的橡实资源十分丰富:黑龙江省的柞树(几种壳斗科植物的统称)达 246 万 hm2，年产橡实
200 万 t以上;吉林省东部山区柞树达 10． 03 亿株［5］;辽宁省柞树面积超过 191 万 hm2，占全省林地面积
的 43%以上［6］。而橡实仁生物转化的废弃物———橡实壳是一种木质纤维原料，将其水解生产糖进而转
92 林 产 化 学 与 工 业 第 35 卷
化乙醇对充分利用橡实资源有着现实意义，目前未见有关橡实壳生物转化研究方面的报道。一般来讲，
天然的木质生物质资源的组分多、结构复杂，酶水解率低。因此需将原料进行预处理，将纤维素、半纤维
素和木质素分离，提高纤维素与酶的接触机率。预处理有多种方法，蒸汽爆破可有效分离出半纤维
素［7］，而碱则作用于半纤维素和木质素之间的酯键，碱性过氧化氢氧化木质素使其分离。鉴于橡实壳
组成结构复杂，质地坚硬，处理难度较大，本研究采用蒸汽爆破、NaOH、碱性过氧化氢及其组合预处理，
考察其对橡实壳组成及酶解转化的影响，旨在提高橡实壳转化效率。
1 实 验
1． 1 原料、试剂与仪器
橡实(蒙古栎种子)采集于辽宁省本溪市草河口镇，室温干燥后剥壳，取出一部分橡实壳粉碎并过
0. 425 mm筛备用。纤维素酶(Celluclase 1． 5 L，滤纸酶活 74 FPIU /mL)和纤维二糖酶(Novozyme 188，酶
活 175 IU /mL)均购于诺维信公司。其它试剂均为分析纯。
HZ-9212S型恒温水浴摇床、HZQ-F160 型全温振荡培养箱、Waterse 2695 型高压液相色谱仪(2414
型示差折光检测器)。
1． 2 实验方法
1． 2． 1 蒸汽爆破预处理 实验采用北京林业大学自制蒸汽爆破装置，以 300 g 未粉碎橡实壳为一个实
验单元。蒸汽爆破采用同一维压时间(4 min)，不同蒸汽压力(1． 25、1． 50、1． 75、2． 00 和 2． 25 MPa)进
行，收集爆破物料在豆浆机中粉碎 2 min，并用去离子水洗至中性。洗涤后的橡实壳过滤、装袋并于 －4 ℃
贮藏。
1． 2． 2 氢氧化钠预处理 未处理或 2． 25 MPa蒸汽爆破的橡实壳与去离子水按固液比 1 ∶ 10(g ∶ mL，下
同)混合，加入氢氧化钠 0． 2 g /g(以绝干橡实壳计，下同)，蒽醌 0． 004 g /g，在反应釜中反应 3 h，温度
140 ℃。反应结束后将固液混合物过滤分离，残渣洗至中性于 － 4 ℃贮藏。
1． 2． 3 碱性过氧化氢预处理 未处理或 2． 25 MPa 蒸汽爆破的橡实壳与去离子水按固液比 3 ∶ 100 混
合，过氧化氢用量为 0． 33 g /g，用 4 mol /L的 NaOH溶液调节反应液 pH 值至 11． 5，置于密闭反应瓶中，
80 ℃反应 1 h。反应结束后将固液混合物过滤分离，残渣洗至中性于 － 4 ℃贮藏。
1． 2． 4 橡实壳酶水解 在 100 mL锥形瓶中加入一定量橡实壳、纤维素酶、纤维二糖酶和 pH 值为 4． 8
的乙酸 /乙酸钠缓冲溶液，橡实壳底物质量浓度为 25 g /L(以绝干物质计)，加入 32 FPIU /g(以纤维素
计，下同)的纤维素酶及 48 IU /g 纤维二糖酶。将反应物充分混匀后置于 48 ℃的恒温振荡器中反应
120 h，转速为 150 r /min，反应过程中定期取样测定葡萄糖含量。
1． 3 分析方法
橡实壳中的纤维素、半纤维素和木质素按照美国可再生能源实验室(NＲEL)的标准方法测定。木
质素和半纤维素的脱除率按下式计算:
脱除率 =预处理前木质素或半纤维素含量 －预处理后木质素或半纤维素含量 ×得率
预处理前木质素或半纤维素含量
× 100%
单糖测定采用高效液相色谱法。色谱条件:色谱柱为 Aminex HPX-87P色谱柱(Bio-Ｒad，美国)，柱温
85 ℃。检测器为(2414型)Waters示差折光检测器，检测器温度 35 ℃。流动相为纯水，流速 0． 6 mL /min，
进样量 10 μL［8］。葡萄糖得率按下式计算:
葡萄糖得率 = 葡萄糖质量浓度
橡实壳中纤维素含量 ×橡实壳底物质量浓度 × 1． 11
× 100 %
2 结果与分析
2． 1 蒸汽爆破对橡实壳化学组成的影响
表 1 列出了不同爆破压力下橡实壳化学组成。天然橡实壳作为木质纤维原料，其纤维素为
27. 32%，半纤维素 26． 81%，木质素 32． 97%。半纤维素中 79． 04%是木聚糖，其次是阿拉伯聚糖和半乳
第 2 期 潘丕克，等:组合预处理对橡实壳组成及酶解转化的影响 93
聚糖。一般而言，针叶材中平均含纤维素 45%，半纤维素 26%，木质素 29%，半纤维素中 35%为木聚
糖。阔叶材中平均含纤维素 45%，半纤维素 34%，木质素 21%，半纤维素中 73%为木聚糖。禾本科中
平均含纤维素 42%，半纤维素 40%，木质素 17%，半纤维素中 83%为木聚糖。从木聚糖在半纤维素中
的比例可以看出，橡实壳化学组成更接近阔叶材或禾本科。这是因为橡实本身就是阔叶树种———壳斗
科植物的坚果，其化学组成具有同源性，所以更相似。但其纤维素含量低而木质素含量较高。这也比较
符合果壳类木质纤维原料的特点。牟晓红［9］的研究指出，花生壳中纤维素、半纤维素、木质素的比例为
34 ∶ 19 ∶ 24。郑志锋等［10］发现，其选择的几种核桃壳的主要化学组分是酸不溶木质素，含量均超过
50%;纤维素含量要明显低于针、阔叶材和麦草，约为 20%。
表 1 不同压力蒸汽爆破橡实壳化学组成
Table 1 Compositions of acorn hull pretreated at different steam pressures %
蒸汽压力
steam pressure
纤维素
cellucose
半纤维素 hemicellucose
木聚糖
xylan
半乳聚糖
galactan
阿拉伯聚糖
arabinan
甘露聚糖
mannan
木质素
lignin
得率
yield
未处理 raw 27． 32 21． 19 2． 22 2． 51 0． 89 32． 97 —
1． 25 MPa 30． 18 19． 07 1． 37 1． 27 0． 71 38． 50 85． 6
1． 50 MPa 30． 27 16． 41 1． 29 — 0． 63 44． 04 74． 9
1． 75 MPa 31． 16 11． 5 1． 16 — 0． 22 48． 39 68． 1
2． 00 MPa 33． 28 9． 74 0． 89 — 0． 61 48． 83 67． 5
2． 25 MPa 33． 21 4． 67 0． 99 — 0． 13 56． 02 58． 9
高温高压下，半纤维素和木质素会产生一些酸性物质，使半纤维素降解为可溶性糖。实验结果表明
经过蒸汽爆破后，橡实壳中半纤维素的含量随着蒸汽压力的升高而显著降低。蒸汽压力达到 2． 25 MPa
时，半纤维素为 5． 79%，半纤维素脱除率达 87． 28%。陈洪章等［11］认为蒸汽爆破会使纤维素内部氢键
断裂、还原端基增加、无定型区和部分结晶区破坏，木质素被抽提出来之后，重新分布聚集于纤维表面。
蒸汽压力 2． 25 MPa 时橡实壳纤维素约为 33． 21%，说明在较高压力下，纤维素也有部分降解。木质素
的结构较为紧密，不易降解，含量差别不大。所以蒸汽爆破后木质素所占的比例增大，2． 25 MPa 时可达
到 56． 02%。
2． 2 蒸汽爆破对橡实壳酶水解的影响
图 1 不同蒸汽爆破压力对橡实壳酶水解葡萄糖
浓度的影响
Fig． 1 Glucose contents of acorn hull pretreated
at different steam pressures
从图 1 可以看出，未处理橡实壳酶水解后的葡萄糖浓
度很低，水解 120 h 也只有 0． 73 g /L(葡萄糖得率为
10. 32%)。经过蒸汽爆破预处理后，糖浓度随着蒸汽压力
的升高而显著提高。2． 25 MPa处理后酶水解 120 h的葡萄
糖质量浓度可达到 3． 43 g /L，是未处理原料的 4． 7 倍。未
处理橡实壳的葡萄糖得率较低为 10． 32%。蒸汽压力较低
时，糖得率变化不明显。在 1． 25 MPa 时，葡萄糖得率为
13． 70%，相对得率仅提高了 32． 8%。随着蒸汽爆破压力
的提高，橡实壳的葡萄糖得率也显著提高，2． 25 MPa 处理
的底物可得到最高的葡萄糖得率(38． 36%)，是未处理橡
实壳的 3． 7 倍。有研究显示，经过蒸汽爆破处理后的木质
纤维原料，其性质产生很大改变［11－16］，如使纤维原料结构
疏松、比表面积增加、酶作用位点增多，提高底物对纤维素
酶的吸附，从而大大提高酶水解率。分析表明，蒸汽爆破可
提高橡实壳酶水解的葡萄糖得率，这与蒸汽爆破处理其他纤维原料的结果一致。
2． 3 组合预处理对橡实壳化学组成的影响
经过氢氧化钠和碱性过氧化氢处理后的橡实壳有明显质量损失，这部分的损失主要来自于木质素
的脱除，以及少量半纤维素的溶解。表 2 数据显示，2 种化学预处理方法对木质素的脱除均有明显的效
果。未处理和 2． 25 MPa蒸汽爆破橡实壳，分别被氢氧化钠脱除了 61． 74%和 54． 29%的木质素，均大于
94 林 产 化 学 与 工 业 第 35 卷
碱性过氧化氢处理的原料(木质素脱除率分别为 25． 63%和 45． 71%)。氢氧化钠脱木质素的主要机理
是使木质素中的多种醚键受亲核试剂 OH －的作用断裂，从而使大分子碎片化［17］。同时，氢氧化钠断裂
木质素和半纤维素之间的醚键和酯键并且削弱纤维素和半纤维素之间的氢键也起到脱除木质素和溶解
半纤维素的作用。碱性过氧化氢则产生高活性的氢氧游离基氧化木质素的苯环和侧链，将其碎解并溶
出［18－19］。蒸汽爆破后的原料经过氢氧化钠处理，木质素的脱除率有所降低。这说明经过蒸汽爆破，橡
实壳木质素的结构可能发生了缩合等变化，导致了亲核反应的难度增加，但是苯环和侧链的化学活性增
高，所以碱性过氧化氢预处理的木质素脱除率明显升高。
表 2 不同预处理橡实壳的化学组成
Table 2 Compositions of acorn hull pretreated by different methods %
处理方法1)method
纤维素
cellucose
半纤维素 hemicellucose
木聚糖
xylan
半乳聚糖
galactan
阿拉伯聚糖
arabinan
甘露聚糖
mannan
木质素
lignin
得率
yield
未处理 raw 27． 32 21． 19 2． 22 2． 51 0． 89 32． 97 —
NaOH 47． 28 29． 99 — — — 21． 72 58． 1
碱性 H2O2 alkaline peroxide 32． 21 22． 71 — — — 31． 67 77． 4
蒸汽爆破 steam explosion 33． 21 4． 67 0． 99 — 0． 13 56． 02 58． 9
蒸汽爆破 steam explosion + NaOH 51． 01 3． 19 — — — 44． 22 34． 1
蒸汽爆破 steam explosion +
碱性 H2O2 alkaline peroxide
44． 07 7． 50 — — — 43． 53 41． 2
1)蒸汽爆破压力均为 2． 25 MPa，下图同 the steam pressures were 2． 25 MPa，the same as following figure
2． 4 组合预处理对橡实壳酶水解的影响
从图 2 可以看出，单一的蒸汽爆破、碱性过氧化氢或氢氧化钠预处理后，原料酶水解所得葡萄糖浓
度都有很大的提高，说明 3 种预处理方法对橡实壳的酶水解都有较大促进作用。其中氢氧化钠预处理
所得糖质量浓度最高(6． 81 g /L)，碱性过氧化氢次之(3． 97 g /L)，蒸汽爆破较低(3． 43 g /L)，分别比未
处理的橡实壳酶水解所得糖质量浓度(0． 73 g /L)提高了 8． 3、4． 4 和 3． 7 倍。综合以上数据说明在单一
的预处理橡实壳的方法中，氢氧化钠对酶水解的效果最佳。
图 2 不同预处理的橡实壳酶水解的葡萄糖浓度
Fig． 2 Glucose contents of acorn hull pretreated by
different methods
蒸汽爆破组合碱性过氧化氢对橡实壳预处理有很
大的促进作用，可以使橡实壳在 120 h的酶水解后葡萄
糖质量浓度提高到 9． 76 g /L，比未处理的橡实壳提高
了 12． 3 倍。相比于单一的蒸汽爆破或碱性过氧化氢
预处理，其酶水解所得糖浓度分别提高了 1． 8 和 1． 5
倍。蒸汽爆破组合氢氧化钠对橡实壳预处理也有较大
的促进作用，120 h 酶水解后葡萄糖质量浓度可达
7． 26 g /L，比未处理的橡实壳提高了 8． 9 倍。但是相
比于单一的氢氧化钠处理，二者的酶水解效果差别不
大。葡萄糖浓度的升高一方面得益于预处理脱除了半
纤维素和木质素，使得纤维素在原料中的比例有所提
升。更主要的是因为纤维素对酶的有效吸附升高而半
纤维素和木质素对酶的无效吸附降低。
由图 2也可算出 5 种预处理方法的橡实壳酶水解
120 h后葡萄糖得率分别为 38． 36%、46． 42%、53. 00%、
58． 40%和 76． 65%，与未处理(10． 32%)相比均可提高
葡萄糖的得率。其中蒸汽爆破组合碱性过氧化氢处理的橡实壳葡萄糖得率最高，达到 76． 65%，是未处
理橡实壳的 7． 4 倍。
纤维素的酶水解过程是纤维素酶吸附在纤维素表面并将其分解为葡萄糖的过程。所以纤维素表面
第 2 期 潘丕克，等:组合预处理对橡实壳组成及酶解转化的影响 95
能够接触和吸附纤维素酶的活性位点的多寡成为葡萄糖得率高低的重要因素之一。一般来说，天然的
木质纤维原料中纤维素被半纤维素和木质素紧密的包裹着，并通过半纤维素与木质素连接。而预处理
过程就是要脱除半纤维素和木质素，使纤维素充分暴露出来，增加纤维素对酶的有效吸附并减少半纤维
素和木质素的无效吸附。蒸汽爆破主要通过脱除原料中的半纤维素增加葡萄糖得率，而碱或碱性物质
预处理一般是通过脱出木质素来增加葡萄糖得率。一些研究表明［20－26］，碱或碱性物质通过木质素的溶
出，纤维素比表面积增大，小孔增多，从而使纤维素酶的吸附位点增多。其结果导致了纤维原料的酶水
解率提高，随之而来的乙醇或其它化学品的产率也明显升高。从研究结果来看，蒸汽爆破预处理主要是
引起半纤维素的水解，其显微结构变化较之碱处理要小，所以氢氧化钠处理橡实壳的糖得率要高一些。
当纤维素酶用量分别为 32、64 FPIU /g，纤维二糖酶用量分别为 48、96 IU /g 时，蒸汽爆破组合碱性
过氧化氢预处理橡实壳酶水解 120 h葡萄糖得率分别为 76． 65%和 99． 60%。可以看出，纤维素酶用量
为 32 FPIU /g时，葡萄糖得率较低，提高酶用量后葡萄糖近乎全部转化。由此可以推测出，组合预处理
破坏了橡实壳中三大素的紧密结构，使得木质素主要是附着在纤维素的表面，对纤维素酶主要为无效吸
附。所以对于橡实壳此类果壳类原料，木质素含量较高是其纤维素转化的主要抑制因素，脱除木质素是
提高此类原料的一种有效途径。
3 结 论
3． 1 天然橡实(蒙古栎种子)壳中纤维素、半纤维素和木质素分别为 27． 32%、26． 81%和 32． 97%，兼有
阔叶材和果壳的特征。
3． 2 蒸汽爆破预处理可明显降低橡实壳中半纤维素含量，蒸汽压力 2． 25 MPa、维压 4 min时，半纤维素
从 26． 81%降低至 5． 79%，半纤维素脱除率达 87． 28%。酶水解 120 h时葡萄糖得率可达 38． 36%，是未
处理橡实壳的 3． 7 倍。
3． 3 氢氧化钠或碱性过氧化氢处理可有效降低蒸汽爆破后橡实壳中木质素含量。蒸汽爆破组合氢氧
化钠预处理脱除的木质素较多，脱除率可达 54． 29%。而碱性过氧化氢处理的蒸汽爆破橡实壳酶解率
较高，酶水解 120 h时葡萄糖得率可达到 76． 65%，是未处理橡实壳的 7． 4 倍。组合预处理可以较大程
度提高橡实壳酶水解转化率。
3． 4 对于木质素含量较高的果壳类木质纤维素原料，木质素对纤维素酶的无效吸附作用是制约纤维素
转化为葡萄糖的最主要因素。因此，部分脱除木质素是提高此类原料酶水解效率的有效途径。
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