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可再生能源
Renewable Energy Resources
第 27 卷 第 5 期
2009 年 10 月
Vol.27 No.5
Oct. 2009
0 引言
木质纤维类原料是地球上数量最多的一种可
再生资源。发展经济高效、清洁环保的木质纤维生
物转化乙醇技术， 已成为世界生物能源科技发展
的战略制高点[1]。 针对我国国情，发展以木质纤维
类原料生物转化燃料乙醇为重点的生物能源技
术，可以避免以粮食为原料带来的“与农争地”和
“与人争食”的弊端，兼得经济、生态、社会多重效
益，是全面可持续发展的必然要求[2]。
本文以甜龙竹蛀粉作为原料发酵制取燃料乙
醇。与其它原料相比，以蛀粉纤维素发酵制取燃料
乙醇具有许多明显的优势： ①甜龙竹包括版纳甜
龙竹、马来甜龙竹、勃氏甜龙竹等，含糖量较高，广
泛分布于东南亚、南亚及中国南方广大地区，资源
丰富 [3]，[4]；②竹蠹蛀食甜龙竹竹材效率高，可通过
人工控制方式进一步提高粉蛀效率 [5]；③蛀粉颗
粒细腻均匀，不需要机械研磨，具有显著的成本优
势和易酶解性[6]~[8]；④蛀粉纤维素含量超过其它常
收稿日期： 2009-03-27。
基金项目： 国家自然科学基金项目（20762015）；云南省自然科学基金项目（2007A048M）。
作者简介： 孙世中（1968－），男，云南会泽人，讲师，主要从事生物质能技术的研究和教学工作。 E-mail：sunshizhong@ynnu.edu.cn
通讯作者： 谢 建（1957－），男，云南昆明人，教授，主要从事生物质能技术的研究和教学工作。 E-mail：xiejian9@126.com
甜龙竹蛀粉纤维素燃料乙醇发酵的糖化研究
孙世中， 李俊俊， 孙爱华， 高天荣， 谢 建
（云南师范大学 教育部可再生能源材料先进技术与制备重点实验室， 云南 昆明 650092）
摘 要： 纤维素糖化是甜龙竹蛀粉燃料乙醇发酵研究中的重要内容。 正交试验和对比试验结果表明，在 pH 值
为 4.4、温度为 55℃，酶用量为 200 u/g，酶解时间小于 20 h 条件下，进行纤维素酶解较合适，但酶解率较低。 通过
酸或碱并结合有机溶剂进行预处理能显著提高蛀粉纤维素糖化率。 同时添加半纤维素复合酶进行酶解，能使蛀
粉中大部分半纤维素水解，并能促进纤维素的酶解。
关键词： 甜龙竹； 蛀粉； 纤维素糖化； 纤维素预处理； 半纤维素
中图分类号： TK6; S216.2 文献标志码： A 文章编号： 1671-5292（2009）04-0071-04
Prelimilary study on saccharification of bores powder
cellulose from dendrocalamus for fuel ethanol fermentation
SUN Shi-zhong， LI Jun-jun， SUN Ai-hua， GAO Tian-rong， XIE Jian
（The Renewable Energy Technology and Advanced Materials Preparation Laboratory of Education Ministry, Yunnan
Normal University, Kunming 650092, China）
Abstract： It is the significant step for saccharification of bores powder cellulose from dendrocala-
mus to be used In the preparation of fuel ethanol.The results of orthogonal test and comparing test
show that the condition of pH4.4, 55 ℃, 200 u/g of enzyme quantity in 20 hours is more suitable for
bores powder cellulose hydrolysis with low rate still. The combination of acid or alkali and organic
solvents for pretreatment can significantly improve the rate of saccharification of bores powder cel-
lulose. Adding simultaniously compound enzyme for hemicellulose hydrolysis is enabling the major-
ity of bores powder hemicellulose hydrolysis,and can promote the hydrolysis of cellulose.
Key words： dendrocalamus； bores powder； cellulose saccharification； cellulose pretreatment；
hemicellulose
DOI:10.13941/j.cnki.21-1469/tk.2009.05.015
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见原料，如锯木粉、稻草、麦秆等，可获得更多的纤
维素葡萄糖，提高产物浓度[9]。 利用甜龙竹蛀粉纤
维素发酵制取燃料乙醇，变虫蛀之害为加工之利，
既可为纤维素燃料乙醇的开发提供一种经济高效
的原料， 同时还可成为提高甜龙竹资源附加值的
一条新途径。
纤维素糖化是利用甜龙竹蛀粉发酵制取燃料
乙醇的重要环节。 本文通过正交实验和对比试验
研究了几种对糖化影响较大的因素， 期望寻找到
一种经济高效的糖化方法， 以促进蛀粉纤维素燃
料乙醇发酵的研究和开发。
1 试验内容
1.1 试验材料
甜龙竹采自云南省红河州屏边县， 按适当长
度切成多节， 在本实验室进行竹蠹粉蛀性蛀食培
养，收集蛀粉，过 50目筛以除去虫卵等杂物。
1.2 蛀粉纤维素的糖化
1.2.1纤维素酶水解
试验采用山东隆大生物工程有限公司生产的
隆大牌纤维素酶，酶活力（CMC酶）为 20 000 u/g。
向蛀粉中加入 20 倍的灭菌水，用柠檬酸-柠
檬酸钠缓冲液调节 pH 值，加入纤维素酶，放入恒
温箱中进行酶解。
1.2.2还原糖测定
采用 DNS法测定酶解液中还原糖含量。
1.3 酶解条件
通过正交实验，考察酶用量、pH值、酶解温度
和酶解时间 4个因素对酶解效果的影响， 以寻找
较佳的酶解条件。
1.4 复合酶处理
复合酶由果胶酶、木聚糖酶、甘露聚糖酶和葡
聚糖酶等按相等酶量（酶活）混合而成，与纤维素
酶一起加入甜龙竹蛀粉中进行酶解， 用于考察对
蛀粉中半纤维素的酶解效果。
1.5 化学法预处理
1.5.1有机溶剂预处理
取 10 g 蛀粉，放入三口烧瓶中，按等比例加
入乙酸、乙酸乙脂和乙醇共 150 ml，在 90 ℃水浴
中浸提 5 h 后，用布氏漏斗过滤，用旋转蒸发仪蒸
馏回收溶液中的有机溶剂。
1.5.2酸与有机溶剂预处理
取 10 g 蛀粉，放入三口烧瓶中，先加入 10%
的磷酸（质量分数为 50%），在 50℃水浴中水解 1 h，
再按 1.5.1中所述方法进行处理。将滤液中的有机
溶剂蒸馏回收后，向余液中加入碳酸钙，形成的磷
酸钙沉淀经过滤分离出来。
1.5.3碱与有机溶剂预处理
取 10 g 蛀粉，放入三口烧瓶中，先加入 18%
的氢氧化钠，在 20 ℃水浴中水解 1 h，再按 1.5.1
中所述方法进行处理。 将滤液中的有机溶剂蒸馏
回收后，向余液中加入盐酸进行中和。
1.6 分析软件
本研究采用 SPSS Statistics 17.0 软件进行试
验设计和数据分析。
2 结果与讨论
2.1 酶解条件优化
甜龙竹蛀粉属于竹纤维素， 作为原料用于生
产燃料乙醇，首先须要进行糖化。糖化的方法有多
种， 对环境较友好的方法是利用纤维素酶进行酶
解糖化。本研究利用正交实验初步考察酸碱度、温
度、 酶量和酶解时间 4个因素对纤维素酶酶解的
影响，试验结果见表 1。
实验结果经过方差分析， 得出主体间效应的
检验表（表 2）。 检验结果表明，酸碱度、温度和酶
量对还原糖的含量都有显著的影响，酶解时间的
表 1 甜龙竹蛀粉纤维素酶解糖化 4 因素正交实验结果
Table 1 4 factor orthogonal experimental results of enzymatic
saccharification of bores powder cellulose from
Dendrocalamus
酶量 温度 酶解时间 还原糖含量
u/g ℃ h g/100 ml
1 4.40 0.00 45.00 20.00 0.132
2 5.40 150.00 45.00 72.00 0.261
3 4.40 200.00 45.00 20.00 0.483
4 5.00 100.00 45.00 36.00 0.357
5 5.00 200.00 65.00 20.00 0.382
6 4.40 150.00 55.00 20.00 0.536
7 5.40 100.00 45.00 20.00 0.294
8 4.40 200.00 45.00 72.00 0.471
9 4.40 0.00 45.00 36.00 0.121
10 4.40 150.00 65.00 36.00 0.432
11 5.00 150.00 45.00 20.00 0.327
12 5.00 0.00 55.00 72.00 0.143
13 5.40 0.00 65.00 20.00 0.092
14 5.40 200.00 55.00 36.00 0.428
15 4.40 100.00 65.00 72.00 0.453
16 4.40 100.00 55.00 20.00 0.526
编号 pH
可再生能源 2009，27（5）
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孙世中，等 甜龙竹蛀粉纤维素燃料乙醇发酵的糖化研究
影响不显著，可能是水平的选择较为粗放。
各因素不同水平的成对比较结果见表 3，各
因素的酶解曲线见图 1。 数据分析表明：①在酸碱
度各水平中，pH 值为 4.4 具有显著性， 糖化效果
较好。 ②纤维素酶的添加量为 0时与其它水平相
比较，具有明显的差异，添加量为 100 u/g 和 150
u/g 的差别不大， 但均与 200 u/g 有显著的差异，
200 u/g 的添加量使蛀粉纤维素的糖化所产生的
还原糖量达到了最高水平。 ③在酶解温度各水平
中，55℃，45℃，65℃之间有显著的差异， 酶解温
度为 55℃时还原糖量达到最高值。④酶解时间各
水平间差异不显著，酶解时间超过 20 h 时，还原
糖量没有显著增加。 因此，较佳的酶解条件：酶用
量为 200 u/g，pH 值为 4.4， 酶解温度为 55 ℃，酶
解时间不超过 20 h。
由图 1 可以看出， 还原糖的含量为 0.092～
0.536 g/100 ml，平均值为 0.340 g/100 ml。 蛀粉中
纤维素含量为 52.7%,以最高的还原糖产量估算，
只有 20%左右的纤维素被水解， 糖化率比较低，
须要对蛀粉作进一步的处理。
试验结果还表明，在没有添加纤维素酶时，蛀
粉纤维素也有一定程度的糖化， 这可能是因为蛀
粉中也含有纤维素酶，但纤维素酶的来源不清楚。
2.2 复合酶处理
在纤维素酶解过程中， 同时加入不同酶活力
水平的半纤维素复合酶， 在 40 ℃条件下酶解 72
h，测定糖化液中还原糖含量（图 2）。 随着复合酶
用量的增加， 还原糖量不断提高， 复合酶用量为
130 u/g 时，还原糖量产量最高，随后还原糖的产
表 2 主体间效应的检验
Table 2 Tests of between-subjects effects
校正模型 截距 pH 温度 酶量 酶解时间 误差
III 型
平方和
df 9 1 2 2 3 2 6
均方 0.037 1.314 0.025 0.014 0.086 0.000 0.001
F 47.755 1 675.843 31.596 17.865 109.986 0.456
P 值 0.000 0.000 0.001 0.003 0.000 0.654
偏 Eta方 0.986 0.996 0.913 0.856 0.982 0.132
非中心
参 数
观测到
的 幂
注：因变量为还原糖含量， R2 = 0.986（调整 R2 = 0.966）
0.337a 1.314 0.050 0.028 0.259 0.001 0.005
429.792 1 675.843 63.192 35.730 329.959 0.912
1.000 1.000 1.000 0.985 1.000 0.095
4.4
pH
0
100
45
20
酶量
u/g
酶解
温度/℃
酶解
时间/h
表 3 因素各水平间的成对比较
Table 3 paired comparison between the levels of each factors
因素 水平 P 值
均值
差值
标准
误差
差分的 95%置信区间
下限 上限
5.0 0.092* 0.017 0.002 0.050 0.134
5.4 0.126* 0.017 0.000 0.084 0.167
5.0 5.4 0.034 0.020 0.142 -0.015 0.082
100 -0.286* 0.020 0.000 -0.334 -0.237
150 -0.267* 0.020 0.000 -0.315 -0.219
200 -0.319* 0.020 0.000 -0.367 -0.271
150 0.019 0.020 0.386 -0.030 0.067
200 -0.033 0.020 0.142 -0.082 0.015
150 200 -0.052* 0.020 0.039 -0.100 -0.004
55 -0.102* 0.017 0.001 -0.144 -0.061
65 -0.034 0.017 0.095 -0.076 0.008
55 65 0.069* 0.020 0.013 0.020 0.117
36 0.012 0.017 0.510 -0.030 0.054
72 0.015 0.017 0.430 -0.027 0.056
36 72 0.003 0.020 0.904 -0.046 0.051
注：因变量为还原糖含量，*表示均值差值在 0.05级别上较显著。
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可再生能源 2009，27（5）
量不再随复合酶用量的增加而增加。
甜龙竹蛀粉中含有一定量游离的半纤维素，
这部分半纤维素通过复合酶的水解， 较易生成还
原糖。蛀粉中半纤维素含量为 17.1%，被水解的半
纤维素占蛀粉中半纤维素的 60%左右。 半纤维素
的酶解显著增加了还原糖量， 有利于提高燃料乙
醇的得率。
2.3 化学预处理
甜龙竹蛀粉中的纤维素被木质素和半纤维素
包围，形成紧密结实的结构，这是导致纤维素难于
彻底水解的主要原因。 要进一步提高纤维素的糖
化率，首先须要破环这种复合结构，对甜龙竹蛀粉
进行预处理。 目前采用的化学预处理方法主要包
括有机溶剂法、酸处理法、碱处理法等。 本试验对
这些方法作了一些改进，降低了反应条件，酶解温
度仍为 40℃，试验结果见图 3。
试验结果表明， 有机溶剂法的反应条件比较
温和，因此预处理效果不明显。有机溶剂法与酸或
碱预处理相结合处理效果显著，约有 54%的纤维
素被水解，与未进行预处理的蛀粉纤维素相比，糖
化率提高 30%以上。
3 结束语
利用纤维素酶水解甜龙竹蛀粉纤维素，在 pH
值为 4.4、温度为 55 ℃、酶用量为 200 u/g、酶解时
间小于 20 h 的优化条件下，只能水解 20%左右的
纤维素，因此必须对蛀粉进行预处理，破坏纤维素
的复合结构。 在温和条件下使用酸或碱并结合有
机溶剂进行预处理， 能使纤维素的水解率明显提
高。 添加半纤维素复合酶，在 pH值为 4.4，温度为
40 ℃条件下能使蛀粉中大部分半纤维素水解，同
时能促进纤维素的酶解， 显著提高发酵液中的还
原糖含量。
另外，在蛀粉纤维素糖化过程中，未添加纤维
素酶的对照组仍然有一定的糖化反应发生， 表明
蛀粉中可能含有一定活力的纤维素酶。 纤维素酶
的来源有待于进一步的探索。
甜龙竹蛀粉纤维素糖化的探索， 对下一步燃
料乙醇发酵工艺的研究具有重要价值， 对了解蛀
粉纤维素燃料乙醇发酵机制， 提高纤维素燃料乙
醇发酵的效率， 促进纤维素燃料乙醇的研究开发
具有重要意义。
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