全 文 ：第３２卷　第２期　　　　　　　　　　　　　　　陕西科技大学学报　　　　　　　　　　　Ｖｏｌ．３２Ｎｏ．２
　２０１４年４月 　　　　　　　　　　　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｓｈａａｎｘｉ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　　　　　　　Ａｐｒ．２０１４
＊　文章编号：１０００－５８１１（２０１４）０２－００１１－０４
碱预处理对麦草秸秆酶解的影响
罗　清１，赵　登１，张安龙１，王光艳２
（１．陕西科技大学 轻工与能源学院 陕西省造纸技术及特种纸品开发重点实验室，陕西 西安　７１００２１；２．南
京林业大学 江苏省制浆造纸科学与技术重点实验室，江苏 南京　２１００３７）
摘　要：对麦草秸秆进行了碱预处理和酸性木聚糖酶后处理，分析了不同碱用量、温度对麦草
浆的聚戊糖含量和得率的影响．结果表明，在碱预处理用碱量７％，反应温度５０℃，反应时间
６０ｍｉｎ和酶后处理时ｐＨ＝５．５，木聚糖酶用量６００ＩＵ·ｇ－１，反应温度５０℃，酶解时间为１２０
ｍｉｎ的条件下，处理后麦草浆聚戊糖含量有较好的降解效果，同时麦草浆得率达到最佳效果．
最后，用纤维质量分析仪观察纤维形态，酶处理前后和麦草原料比较，重均纤维长度减少，细小
纤维含量增加，卷曲指数增加，扭结程度增大．
关键词：木聚糖酶；麦草秸秆；碱预处理
中图法分类号：ＴＳ７１＋１　　　　文献标识码：Ａ
Ｅｆｆｅｃｔｓ　ｏｆ　ａｌｋａｌｉ　ｐｒｅｔｒｅａｔｍｅｎｔ　ｏｆ　ｗｈｅａｔ　ｓｔｒａｗ
ｐｕｌｐ　ｏｎ　ｉｔｓ　ｅｎｚｙｍａｔｉｃ　ｈｙｄｒｏｌｙｓｉｓ
ＬＵＯ　Ｑｉｎｇ１，ＺＨＡＯ　Ｄｅｎｇ１，ＺＨＡＮＧ　Ａｎ－ｌｏｎｇ１，ＷＡＮＧ　Ｇｕａｎｇ－ｙａｎ２
（１．Ｃｏｌｅｇｅ　ｏｆ　Ｌｉｇｈｔ　Ｉｎｄｕｓｔｒｙ　ａｎｄ　Ｅｎｅｒｇｙ，Ｓｈａａｎｘｉ　Ｐｒｏｖｉｎｃｅ　Ｋｅｙ　Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ　ｏｆ　Ｐａｐｅｒｍａｋｉｎｇ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ａｎｄ
Ｓｐｅｃｉａｌｔｙ　Ｐａｐｅｒ，Ｓｈａａｎｘｉ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｘｉ′ａｎ　７１００２１，Ｃｈｉｎａ；２．Ｊｉａｎｇｓｕ　Ｐｒｏｖｉｎｃｅ　Ｋｅｙ
Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ　ｏｆ　Ｐｕｌｐ　ａｎｄ　Ｐａｐｅｒ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｎａｎｊｉｎｇ　Ｆｏｒｅｓｔｒｙ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｎａｎｊｉｎｇ　２１００３７，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｌｋａｌｉ　ｐｒｅｔｒｅａｔｍｅｎｔ　ａｎｄ　ａｃｉｄｉｃ　ｘｙｌａｎａｓｅ　ｔｒｅａｔｍｅｎｔ　ｏｆ　ｗｈｅａｔ　ｓｔｒａｗ　ｗｅｒｅ　ｐｅｒｆｏｒｍｅｄ．
Ｔｈｅ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｅｆｆｅｃｔ　ｏｆ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｄｏｓａｇｅ　ｏｆ　ａｌｋａｌｉ，ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｏｎ　ｗｈｅａｔ　ｓｔｒａｗ　ｐｕｌｐ　ｐｅｎ－
ｔｏｓａｎ　ｃｏｎｔｅｎｔ　ａｎｄ　ｙｉｅｌｄ　ｗｅｒｅ　ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．Ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗｅｄ：ｗｈｅｎ　ａｌｋａｌｉ　ｐｒｅｔｒｅａｔｍｅｎｔ　ｗｉｔｈ
ａｌｋａｌｉ　ｃｏｎｔｅｎｔ　ｏｆ　７％，ｔｈｅ　ｒｅａｃｔｉｏｎ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｗａｓ　５０℃，ｔｈｅ　ｒｅａｃｔｉｏｎ　ｔｉｍｅ　ｗａｓ　６０ｍｉｎ　ａｎｄ
ｅｎｚｙｍｅ　ｔｒｅａｔｍｅｎｔ　ｗｉｔｈ　ｐＨ＝５．５，ｘｙｌａｎａｓｅ　ｄｏｓａｇｅ　ｏｆ　６００ＩＵ·ｇ－１，ｔｈｅ　ｒｅａｃｔｉｏｎ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ
ｗａｓ　５０℃，ｅｎｚｙｍａｔｉｃ　ｈｙｄｒｏｌｙｓｉｓ　ｔｉｍｅ　ｗａｓ　１２０ｍｉｎ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ，ｗｈｅａｔ　ｓｔｒａｗ　ｐｕｌｐ　ｐｅｎｔｏｓａｎ　ｃｏｎ－
ｔｅｎｔ　ａｎｄ　ｐｕｌｐ　ｙｉｅｌｄ　ａｃｈｉｅｖｅｄ　ｔｈｅ　ｂｅｓｔ　ｅｆｆｅｃｔ．Ｆｉｎａｌｙ，ｆｉｂｅｒ　ｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙ　ｂｅｆｏｒｅ　ａｎｄ　ａｆｔｅｒ　ｅｎｚｙｍｅ
ｔｒｅａｔｍｅｎｔ　ｗａｓ　ｏｂｓｅｒｖｅｄ　ｂｙ　ｆｉｂｅｒ　ｑｕａｌｉｔｙ　ａｎａｌｙｚｅｒ，ｃｏｍｐａｒｉｎｇ　ａｌｋａｌｉ　ｔｒｅａｔｍｅｎｔ　ａｎｄ　ｅｎｚｙｍｅ
ｔｒｅａｔｍｅｎｔ　ａｎｄ　ｗｈｅａｔ　ｓｔｒａｗ，ｗｅｉｇｈｔ－ａｖｅｒａｇｅ　ｆｉｂｅｒ　ｌｅｎｇｔｈ　ｉｓ　ｒｅｄｕｃｅｄ；ｆｉｎｅｓ　ｃｏｎｔｅｎｔ，ｃｕｒｌ　ｉｎｄｅｘ
ａｎｄ　ｋｉｎｋ　ｌｅｖｅｌ　ｗｅｒｅ　ｉｎｃｒｅａｓｅｄ．
Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｘｙｌａｎａｓｅ；ｗｈｅａｔ　ｓｔｒａｗ；ａｌｋａｌｉ　ｐｒｅｔｒｅａｔｍｅｎ
＊ 收稿日期：２０１４－０１－２２
基金项目：陕西省科技厅自然科学基础研究计划项目（２０１０ＪＭ２０１２）；陕西省教育厅科研计划项目（２０１０ＪＳ０５３）；陕西科技大学研究
生创新基金项目
作者简介：罗　清（１９７３－），男，陕西西安人，讲师，在读博士研究生，研究方向：植物纤维资源高效利用
陕西科技大学学报 第３２卷
０　引言
木质纤维素原料作为丰富而廉价的可再生资
源，已经逐渐成为制取生物乙醇的有效途径．但由
于木质纤维原料的生物构造和化学组成等原因，必
须经过有效的预处理以提高酶水解转化效率［１，２］．
草类原料结构较木材疏松，灰分和二氧化硅含量较
高，不宜采用强烈的预处理条件．
木聚糖酶是能催化降解木聚糖的一类半纤维
素酶，应用木聚糖酶处理麦草浆料，其直接作用就
是降解浆中的木聚糖，使浆中半纤维素的含量降
低，并使纤维素细胞壁结构变得松弛，同时使浆中
残余木素连接的半纤维素降解，破坏了ＬＣＣ，形成
脱木素或有利于脱木素的状态［３，４］．因此本文就不
同碱用量和温度的条件下，对麦草秸秆的化学组成
和木聚糖酶的酶解效率进行了研究，为实现生物质
精炼理念在制浆造纸行业中的应用提供参考．
１　实验部分
１．１　实验原料、仪器和试剂
（１）原料：实验所用麦草取自陕西某造纸厂．碱
处理、酶处理和纤维形态分析使用时，将自然风干
的麦草切成２～３ｃｍ；纤维化学成分分析检测时，
将麦草用植物粉碎机粉碎，筛出４０～６０目的部分．
（２）仪器：电热恒温水浴锅（ＨＨ－Ｚ）；电热蒸煮
锅（ＺＱＳ１）；电子分析天平（ＢＬ３１０）；电热恒温鼓风
干燥箱（ＤＨＧ－９０５３Ａ）；纤维质量分析仪（ＬＤＡ０２）．
（３）主要试剂：上海丹尼悦生物科技有限公司
的商业用酸性木聚糖酶，该产品呈米色，粉末状，酶
活力为１２　０００ＩＵ·ｇ－１，适宜ｐＨ为５～６，适宜温
度为５０℃～６０℃，使用时需适当稀释．
１．２　实验方法
１．２．１　麦草秸秆的碱处理
分别称取一定量实验１．１中的麦草原料置于
２５０ｍＬ具塞磨口锥形瓶中，按照质量分数为１％、
３％、５％、７％加入ＮａＯＨ溶液，固液比１∶１０，待试
样充分湿润后，置于（５０±０．５）℃恒温水浴振荡器
中，转速１４０ｒ／ｍｉｎ，１ｈ后，对麦草进行抽滤分离
处理，将试样残渣用去离子水洗涤至中性，干燥至
恒重．取样对聚戊糖含量和麦草得率进行检测分
析．
１．２．２　麦草秸秆的酶处理
取一定量按章节１．２．１所述方法碱处理后的
原料置于１００ｍＬ碘量瓶中，加入蒸馏水后微沸３０
ｍｉｎ，冷却到室温，用稀 ＨＣｌ调ｐＨ为５．５左右，加
入酸性木聚糖酶用量６００ＩＵ·ｇ－１，补加蒸馏水至
反应体系的总体积为６０ｍＬ，摇匀置于（５０±０．５）
℃恒温水浴振荡器中，转速为１６５ｒ／ｍｉｎ下酶解作
用１２０ｍｉｎ．反应结束后微沸３０ｍｉｎ进行酶灭火处
理，冷却至室温后用去离子水洗涤处理试样至中
性，１０５℃下干燥至恒重，取样进行聚戊糖含量和
麦草得率检测．
１．３　检测方法
麦草原料水分含量、灰分含量、综纤维素含量、
木素含量和聚戊糖含量的测定方法均按国标（ＧＢ／
Ｔ２６７７．２－１９９３）、（ＧＢ／Ｔ２６７７．３－１９９３）、（ＧＢ／
Ｔ２６７７．１０－１９９５）、（ＧＢ／Ｔ２６７７．８－１９９４）、（ＧＢ／
Ｔ２６７７．９－１９９４）进行检测；纤维质量分析仪采用奥
普泰斯特（Ｏｐｔｅｓｔ）观察纤维形态．
１．４　聚戊糖得率的计算
聚戊糖得率指原料经预处理后未被降解的聚
戊糖占原料中聚戊糖总量的质量百分比，计算方法
为：
聚戊糖含量＝
原料聚戊糖含量－处理后聚戊糖含量
原料聚戊糖含量 ×１００％
２　结果与讨论
２．１　麦草原料的化学成分
实验所用麦草原料按国标进行检测分析，主要
化学成分如表１所示．
表１　麦草原料主要化学成分含量
原料
水分含量
／％
灰分／％
综纤维素
／％
木素／％ 聚戊糖／％
麦草 ７．７４８　９　 ５．９３４　５　 ６９．４８６　９　１２．５５６　２　 ２５．２６
２．２　用碱量对酶处理前后聚戊糖得率的影响
不同用碱量对麦草浆进行碱预处理和酶后处
理，用碱量对酶处理前后聚戊糖含量的影响见图１
所示．
由图１可知，酶处理前后聚戊糖的含量随着用
碱量的增加均在减少，且聚戊糖含量在酶处理后下
降趋势明显．在碱预处理条件下聚戊糖含量下降较
平缓，而在用碱量为７％时，酶处理后聚戊糖含量
有较大的下降趋势，聚戊糖含量减少了近５０％．聚
戊糖含量下降说明碱预处理中碱液与纤维原料反
应后脱除一定量的半纤维素［５－７］；酶处理后麦草秸
秆聚戊糖含量下降明显，说明 ＮａＯＨ 预处理提高
了木聚糖酶与底物的可及度，提高了酶解效率，促
·２１·
第２期 罗　清等：碱预处理对麦草秸秆酶解的影响
图１　用碱量对聚戊糖含量的影响
进了麦草秸秆的酶解，聚戊糖含量下降．因此，用碱
量在７％时聚戊糖含量下降较快，即酶解糖量及糖
化率较大．
２．３　用碱量对酶处理前后麦草浆得率的影响
不同用碱量对麦草进行碱预处理和酶后处理，
用碱量对酶处理前后麦草浆得率的影响见图２．
图２　用碱量对麦草浆得率的影响
由图２可知，随着用碱量的增加，酶处理前后
麦草浆的得率均在减少，且麦草浆得率在酶处理后
明显小于酶处理前的．在不同碱预处理条件下，酶
处理后比酶处理前麦草浆得率少５％左右．说明在
碱预处理过程中，适当提高氢氧化钠溶液的浓度有
助于浆料中半纤维素及低分子质量纤维素的溶解，
有利于纤维素的充分润胀［８］；当较多的半纤维素溶
出后，添加木聚糖酶使水解达到较高的反应速率，
半纤维素的酶解速度加快，麦草浆得率下降．因此，
结合聚戊糖含量和麦草浆得率的综合考虑，用碱量
在７％时较好．
２．４　反应温度对聚戊糖含量的影响
在碱用量为７％时，不同温度下对麦草进行碱
预处理和酶后处理．反应温度对酶处理前后聚戊糖
含量的影响见图３．
由图３可知，酶处理前随着温度的升高，聚戊
图３　反应温度对酶处理前后
聚戊糖含量的影响
糖含量先下降较快，在温度大于５０℃时，聚戊糖含
量的减少趋势基本比较平缓；酶处理后麦草聚戊糖
含量一直减少，在８０℃时酶处理后麦草秸秆聚戊
糖含量减少了近５０％．说明半纤维素在相对温和
的条件下就有较快的溶出，这因为麦草纤维结构较
为疏松，半纤维素与木素纤维素的结合力较弱，这
也说明了麦草的脱木素选择性差．当温度大于５０
℃时，碱处理过程对聚戊糖降解的促进作用极为有
限，聚戊糖含量的减少趋势基本比较平缓．因此，综
合考虑酶处理前后，反应温度为５０℃时为最佳条
件．
２．５　反应温度对麦草得率的影响
在碱用量为７％时，不同温度下对麦草进行碱
预处理和酶后处理．反应温度对酶处理前后麦草浆
得率的影响见图４．
图４　反应温度对酶处理前后
麦草浆得率的影响
由图４可知，随着反应温度的增加，酶处理前
后麦草浆的得率均在减少，且麦草浆得率在酶处理
后明显小于酶处理前的．随着温度的升高，碱预处
理过程中麦草浆得率的下降趋势比较缓和，麦草浆
得率下降了５％，可以看出温度升高，碱预处理浆
得率逐渐下降，可能木质素脱除并未显著增加；酶
·３１·
陕西科技大学学报 第３２卷
处理后麦草浆得率下降较明显，而且温度越高麦草
浆得率下降越快，但得率下降并不都是聚戊糖酶解
作用造成的，木聚糖酶处理在酸性条件作用下也会
除去灰份、铁质，因为酸能够溶解铁质，还可以去除
灰份，酸处理中的 Ｈ＋将 Ｍｇ２＋或Ｃａ２＋交换掉，重
新变成 －ＣＯＯＨ（羧基），即降低了成品的灰
份［９－１２］，麦草浆得率下降．考虑到麦草浆得率不能
太低，温度应该在５０℃时酶处理前后麦草浆得率
都相对较好．
２．６　酶处理前后麦草纤维形态分析
在碱用量为７％，反应温度为５０℃时，用奥普
泰斯特纤维质量分析仪观察处理后浆料的纤维形
态．原料和酶处理前后麦草浆纤维的形态分析如表
２所示．
表２　酶处理前后纤维形态分析
序号
重均长度
／ｍｍ
细小纤维
含量／％
卷曲指数
／ｍｍ
扭结
扭结指数
／（１／ｍｍ）
总扭结
角度／（°）
原料 ０．５９９　 ２４．４４　 ０．０２０　 ０．０８　 １．９
酶处理前 ０．５２８　 ３１．１　 ０．０２２　 ０．１　 ２．４
酶处理后 ０．４４２　 ４０．８　 ０．０３　 ０．２６　 ５．４
　　由表２的数据可知，酶处理前后麦草浆料的纤
维重均长度均减少，酶处理后比酶处理前的重均长
度相对减少了１４．４５％；酶处理前后的细小纤维含
量、卷曲半径、扭结指数和总扭结角度相对麦草原
料均有所增加．原因可能是碱处理和酶处理后使得
纤维的碳水化合物聚合度降低，降解后产生部分纤
维碎片，导致重均纤维长度降低和细小纤维含量增
加．另一方面，碱处理和酶处理使得纤维细胞壁的
化学成分溶出，提高了纤维细胞壁的通透性，纤维
吸水润张能力增加，使得卷曲指数和扭结指数增
加［１３－１５］．即酶处理前后和麦草原料比较，重均长度
减少，细小纤维含量增加，卷曲指数增加，扭结程度
增大．
３　结论
（１）碱预处理和酶后处理过程中，随着用碱量
的增加麦草浆的得率和聚戊糖含量都呈下降趋势．
在碱预处理用碱量７％，反应温度５０℃，反应时间
６０ｍｉｎ和酶后处理时ｐＨ＝５．５，木聚糖酶用量６００
ＩＵ·ｇ－１，反应温度５０℃，酶解时间１２０ｍｉｎ的条
件下，处理后麦草浆聚戊糖含量有较好的降解效
果，同时麦草浆得率达到了最佳效果．
（２）用纤维质量分析仪观察纤维形态，酶处理
前后和麦草原料比较，纤维重均长度减少，细小纤
维含量、卷曲指数和扭结程度均增加．
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