全 文 ：第 １４卷第 ２期
２０１６年 ３月
生　 物　 加　 工　 过　 程
Ｃｈｉｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｂｉｏｐｒｏｃｅｓｓ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ
Ｖｏｌ􀆰 １４ Ｎｏ􀆰 ２
Ｍａｒ􀆰 ２０１６
ｄｏｉ：１０􀆰 ３９６９ ／ ｊ􀆰 ｉｓｓｎ􀆰 １６７２－３６７８􀆰 ２０１６􀆰 ０２􀆰 ０１１
收稿日期：２０１５－０７－０１
基金项目：国家自然科学基金（２１２０６１８４、３１３７０５８２）；制浆造纸科学与技术教育部重点实验室开放基金（ＫＦ２０１４０４）
作者简介：姜力凤（１９８９—），女，山东青岛人，研究方向：生物质资源化利用；王海松（联系人），研究员，Ｅ⁃ｍａｉｌ： ｗａｎｇｈｓ＠ ｑｉｂｅｂｔ．ａｃ．ｃｎ
亚硫酸钠预处理对木糖渣木质素的去除及
纤维素酶水解的影响
姜力凤１，２，刘　 玉１，于　 光２，张跃冬２，王海松２
（１． 齐鲁工业大学 制浆造纸科学与技术教育部重点实验室，山东 济南 ２５０３５３；
２．中国科学院 青岛生物能源与过程研究所，山东 青岛 ２６６１０１）
摘　 要：木糖渣作为一种固体废物，通常被送往电厂燃烧产热，未得到充分利用。 为了提高木糖渣的附加值，研究
了亚硫酸钠预处理对玉米芯木糖渣木质素脱除率及纤维素酶水解效率的影响。 确定最佳反应条件：亚硫酸钠用量
１２％（对绝干的木糖渣）、ｐＨ ７、反应温度 １６０ ℃、保温时间 ２０ ｍｉｎ。 在该条件下处理木糖渣，木质素脱除率为
７７􀆰 ４５％，纤维素质量分数提高到 ８５􀆰 １７％。 预处理后木糖渣在 ５ ＦＰＵ ／ ｇ底物纤维素酶作用下水解 ４８ ｈ，葡萄糖得率
为 ８４􀆰 ７７％，而未经处理的木糖渣在 ２０ ＦＰＵ ／ ｇ底物纤维素酶作用下水解 ４８ ｈ后得到的葡萄糖得率仅为 ７０􀆰 ５８％。
关键词：亚硫酸钠法预处理；木糖渣；酶水解；葡萄糖得率
中图分类号：ＴＱ３５３　 　 　 　 文献标志码：Ａ　 　 　 　 文章编号：１６７２－３６７８（２０１６）０２－００５８－０６
Ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｃｏｒｎｃｏｂ ｒｅｓｉｄｕｅ ｐｒｅｔｒｅａｔｍｅｎｔ ｂｙ ｓｏｄｉｕｍ ｓｕｌｆｉｔｅ ｏｎ
ｌｉｇｎｉｎ ｒｅｍｏｖａｌ ａｎｄ ｃｅｌｌｕｌｏｓｅ ｈｙｄｒｏｌｙｓｉｓ
ＪＩＡＮＧ Ｌｉｆｅｎｇ１，２，ＬＩＵ Ｙｕ１，ＹＵ Ｇｕａｎｇ２，ＺＨＡＮＧ Ｙｕｅｄｏｎｇ２，ＷＡＮＧ Ｈａｉｓｏｎｇ２
（１． Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｐｕｌｐ ａｎｄ Ｐａｐｅｒ Ｓｃｉｅｎｃｅ ＆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｆ Ｍｉｎｉｓｔｒｙ ｏｆ Ｅｄｕｃａｔｉｏｎ ｏｆ Ｃｈｉｎａ，
Ｑｉｌｕ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｊｉｎａｎ，２５０３５３，Ｃｈｉｎａ；２． Ｑｉｎｇｄａｏ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｂｉｏｅｎｅｒｇｙ ａｎｄ Ｂｉｏｐｒｏｃｅｓｓ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，
Ｃｈｉｎｅｓｅ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ，Ｑｉｎｇｄａｏ ２６６１０１，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｃｏｒｎｃｏｂ ｒｅｓｉｄｕｅ （ＣＣＲ） ｉｓ ｏｆｔｅｎ ｕｎｄｅｒｕｔｉｌｉｚｅｄ， ａｓ ａ ｗａｓｔｅ ｂｕｒｎｅｄ ａｔ ｐｏｗｅｒ ｐｌａｎｔｓ． Ｔｏ ｖａｌｏｒｉｚｅ
ＣＣＲ， ｗｅ ｓｔｕｄｉｅｄ ｔｈｅ ｐｒｅｔｒｅａｔｍｅｎｔ ｏｆ ＣＣＲ ｂｙ ｓｏｄｉｕｍ ｓｕｌｆｉｔｅ ｔｏ ｒｅｍｏｖｅ ｌｉｇｎｉｎ， ｆｏｌｌｏｗｅｄ ｂｙ ｅｎｚｙｍａｔｉｃ
ｈｙｄｒｏｌｙｚｉｎｇ ｔｈｅ ｃｅｌｌｕｌｏｓｅ． Ｔｈｅ ｏｐｔｉｍｕｍ ｒｅａｃｔｉｏｎ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ ｗｅｒｅ １２％ ｄｏｓａｇｅ ｏｆ ｓｏｄｉｕｍ ｓｕｌｆｉｔｅ （ｂａｓｅｄ ｏｎ
ｔｈｅ ｄｒｉｅｄ ｗｅｉｇｈｔ ｏｆ ＣＣＲ） ａｔ ｐＨ ７ ａｎｄ １６０ ℃ ｆｏｒ ２０ ｍｉｎ． Ａｆｔｅｒ ｔｈｅ ｐｒｅｔｒｅａｔｍｅｎｔ， ７７􀆰 ４５％ ｌｉｇｎｉｎ ｗａｓ
ｒｅｍｏｖｅｄ ａｎｄ ｔｈｅ ｃｅｌｌｕｌｏｓｅ ｃｏｎｔｅｎｔ ｏｆ ＣＣＲ ｗａｓ ｉｎｃｒｅａｓｅｄ ｔｏ ８５􀆰 １７％． Ｔｈｅ ｒｅｓｉｄｕｅ ｗａｓ ｆｕｒｔｈｅｒ ｈｙｄｒｏｌｙｚｅｄ
ｂｙ ｃｅｌｌｕｌａｓｅ （５ ＦＰＵ ／ ｇ） ｆｏｒ ４８ ｈ． Ｇｌｕｃｏｓｅ ｙｉｅｌｄ ｗａｓ ８４􀆰 ７７％， ｗｈｅｒｅａｓ ｉｔ ｗａｓ ７０􀆰 ５８％ ｗｈｅｎ ｈｙｄｒｏｌｙｚｅｄ
ｂｙ ｃｅｌｌｕｌａｓｅ （２０ ＦＰＵ ／ ｇ） ｗｉｔｈｏｕｔ ｐｒｅｔｒｅａｔｍｅｎｔ ｂｙ ｓｏｄｉｕｍ ｓｕｌｆａｔｅ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｓｏｄｉｕｍ ｓｕｌｆｉｔｅ ｐｒｅｔｒｅａｔｍｅｎｔ；ｃｏｒｎｃｏｂ ｒｅｓｉｄｕｅ；ｅｎｚｙｍａｔｉｃ ｈｙｄｒｏｌｙｓｉｓ；ｇｌｕｃｏｓｅ ｙｉｅｌｄ
　 　 我国是世界上的农业大国，玉米产量位居世界
第二，每年有超过 ２ ０００ 万 ｔ 的玉米芯产生，其中大
部分采用稀酸水解法提取玉米芯中的戊糖生产木
糖（醇）、低聚木糖或糠醛［１］，但占原料组分 ６０％以
上的纤维素和木质素部分却被作为残渣（木糖渣）
送到电厂烧掉，没有得到充分利用。 随着糠醛、木
糖系列产品价格的下滑及国家对环保问题的日益
重视［２］，生产糠醛或木糖产品的企业面临严峻的挑
战，所以加大对木糖渣组分的高值化利用研究具有
重要意义。
木糖渣的主要成分为纤维素（超过 ５０％）、木质
素（约 ２０％）及少量半纤维素，所以将主要成分纤维
素转化成可发酵糖成为展开利用木糖渣的最广泛
研究［３］。 因为木糖渣产量大、纤维素含量高、结构
疏松而被认为是生产纤维寡糖比较合适的原料［４］。
李秋园等［５］使用纤维素酶水解未经处理的木糖渣，
酶用量 ３０ ＦＰＵ ／ ｇ底物水解 ４８ ｈ 还原糖，得率可以
达到８５％～ ８８％。 该方法虽然过程简单，但因为原
料中木质素对纤维素的屏蔽及对酶制剂的吸附［６］，
纤维素酶的用量很大，所以转化过程并不经济。 岳
军等［７］先使用乙醇处理木糖渣脱除木质素后再加
入纤维素酶水解，在较低的酶用量下实现了较高的
酶水解转化率，为降低木糖渣水解糖化成本开启了
新思路。 但以上都只研究了纤维素的转化而没有
考虑到木质素的利用，亚硫酸盐法预处理木质纤维
生物质时，不仅可以简单地获得作为混凝土减水剂
的木质素磺酸盐，还能提高纤维素的转化效率、降
低纤维素酶成本、提高原料的利用率、增加企业收
入、促进企业转型升级，最近几年逐渐引起了人们
的关注［８－１１］。
本文中，笔者以固体废弃物木糖渣为原料，采
用亚硫酸钠法进行预处理，以获得木质素磺酸钠，
同时得到可以被酶利用的底物，以期达到高效利用
玉米芯木糖渣的目的。
１　 材料与方法
１􀆰 １　 材料与试剂
本研究所用的玉米芯木糖渣来自于山东福田
科技集团有限公司。 酶水解过程所用纤维素酶
Ｃｅｌｌｕｃｌａｓｔ１􀆰 ５Ｌ和 β 葡萄糖苷酶 Ｎｏｖｏｚｙｍｅ１８８ 均来
自 Ｎｏｖｏｚｙｍｅｓ公司，酶活分别为 １９２ ＦＰＵ ／ ｍＬ和 ３００
ＩＵ ／ ｍＬ。 木糖渣的主要成分如表 １ 所示，因为原料
取自工厂木糖水洗工段，ｐＨ 为 ４􀆰 ５，含水量高达
３８􀆰 ２２％，固体组成部分为灰分 ４􀆰 １２％、葡聚糖
６８􀆰 ４５％及木质素 ２９􀆰 １３％，原料含有少量木糖（实验
室没有检测到）。
１􀆰 ２　 玉米芯木糖渣的预处理
木糖渣的预处理采用 ｐａｒｒ４８４８ 压力搅拌反应
釜进行，在液固比为 ８ ∶ １（ｍＬ ／ ｇ）的条件下装入 ２０ ｇ
木糖渣（以绝干质量计），在设定的亚硫酸钠用量、
反应液 ｐＨ、最高温度以及保温时间条件下处理木糖
渣。 蒸煮结束后，取出样品用水洗至中性，用于酶
解实验和组分测定。
表 １　 木糖渣的主要成分
Ｔａｂｌｅ １　 Ｍａｉｎ ｃｏｎｔｅｎｔ ｏｆ ｃｏｒｎｃｏｂ ｒｅｓｉｄｕｅ
组分 水分 灰分 葡聚糖 酸不溶木质素 酸溶木质素
ｗ ／ ％ ３８􀆰 ２２ ４􀆰 １２ ６８􀆰 ４５ ２８􀆰 ４６ ０􀆰 ６７
１􀆰 ３　 预处理样品的酶水解
准确称取相当于 ０􀆰 ４ ｇ 绝干质量的预处理后
的木糖渣，放入具塞细胞培养瓶内，加入 ０􀆰 ０５
ｍｏｌ ／ Ｌ 的柠檬酸钠缓冲溶液和 ０􀆰 ２ ｍＬ 叠氮化钠
溶液（ ０􀆰 ０２ ｇ ／ ｍＬ）控制酶水解质量分数为 ２％，
然后分别加入相当于 ２０ ＦＰＵ ／ ｇ 底物的纤维素酶
和 １０ ＩＵ ／ ｇ 底物的 β 葡萄糖苷酶。 放入 ５０ ℃恒
温振荡培养箱内，在 ９５ ｒ ／ ｍｉｎ 转速下振荡反应到
设定的时间后，取上层清液测定碳水化合物
含量。
１􀆰 ４　 木素含量和碳水化合物的测定
准确称取 ０􀆰 ３ ｇ 绝干样品于耐压瓶中，加入 ３
ｍＬ质量分数为 ７２％的 Ｈ２ＳＯ４，将耐压瓶置于室温下
２ ｈ，期间每隔 ５ ｍｉｎ 搅拌 １ 次，已使固体颗粒与
Ｈ２ＳＯ４充分接触，令原料水解充分。 Ｈ２ ＳＯ４水解后，
向耐压瓶中加入 ８４ ｍＬ 去离子水，将 Ｈ２ＳＯ４质量分
数稀释到 ４％，混合均匀。 将耐压瓶密封好，放在
１２１ ℃的压力灭菌锅中反应 １ ｈ。 反应结束后，将耐
压瓶冷却至室温。 取少量上清液，将其用 ０􀆰 ４５ μｍ
微孔滤膜过滤，将所得到的样品进行液相色谱分
析，测得单糖含量。
样品的木质素和碳水化合物含量，参照文献
［１２］进行测定，其中：
木质素脱除率 ＝ （１ － ｍ（预处理物料中残余的木
质素）） ／ ｍ（初始物料中含有的木质素） × １００％
（１）
酶水解效率 ＝ ｍ（预处理物料酶水解液中得到的葡
萄糖） ／ ｍ（预处理物料中的含有的葡萄糖） × １００％
（２）
葡萄糖得率 ＝ ｍ（初始物料经预处理酶水解后得到
的葡萄糖） ／ ｍ（初始物料中含有的葡萄糖） × １００％
（３）
９５　 第 ２期 姜力凤等：亚硫酸钠预处理对木糖渣木质素的去除及纤维素酶水解的影响
２　 结果与讨论
２􀆰 １　 亚硫酸钠用量对木糖渣组成和酶水解性能的
影响
　 　 在反应温度 １７０ ℃、反应液 ｐＨ ２􀆰 ７、保温时间
２０ ｍｉｎ的条件下，考察亚硫酸钠用量对木糖渣的纤
维素含量、木质素脱除率、酶水解效率及葡萄糖得
率的影响，结果如图 １、图 ２所示。
图 １　 亚硫酸钠用量对纤维素含量及木质素脱除率的影响
Ｆｉｇ􀆰 １　 Ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ ｓｏｄｉｕｍ ｓｕｌｆｉｔｅ ｄｏｓａｇｅ ｏｎ ｃｅｌｌｕｌｏｓｅ
ｃｏｎｔｅｎｔｓ ａｎｄ ｌｉｇｎｉｎ ｒｅｍｏｖａｌ ｒａｔｅ
图 ２　 亚硫酸钠用量对酶水解效率及葡萄糖得率的影响
Ｆｉｇ􀆰 ２　 Ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ ｓｏｄｉｕｍ ｓｕｌｆｉｔｅ ｄｏｓａｇｅ ｏｎ ｅｎｚｙｍａｔｉｃ
ｈｙｄｒｏｌｙｓｉｓ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ａｎｄ ｇｌｕｃｏｓｅ ｙｉｅｌｄ
从图 １可以看出：随着亚硫酸钠用量的增加，纤
维素质量分数及木质素脱除率均是先略有增加，然
后下降。 当亚硫酸钠用量为 １２％时，木质素脱除率
最高为 ４１􀆰 ８３％，纤维素质量分数达到 ７２􀆰 ０５％。 当
亚硫酸钠用量为 １４％时，木质素脱除率反而略有下
降。 这可能是过多的亚硫酸钠降解木质素碎片吸
附在纤维素表面，反而降低了木质素的去除率，对
应的纤维素含量也出现了降低。 所以亚硫钠用量
１２％可以实现木糖渣的较好分离，而处理玉米秸秆
时则需 １８􀆰 ９％的亚硫酸钠用量［９］，说明酸水解去除
了半纤维素的包裹作用的木糖渣远比玉米秸秆更
容易处理。
图 ２显示了亚硫酸钠用量对木糖渣酶水解效率
及葡萄糖得率的影响。 从图 ２ 可以看出：随着亚硫
酸钠用量的增加，酶水解效率和葡萄糖得率均呈现
先增加再降低的趋势，并在亚硫酸钠用量 １２％时达
到最高点，这时木糖渣的酶水解效率和葡萄糖得率
分别为 ９０􀆰 ０６％和 ８２􀆰 ２７％。 这与图 １中木质素的脱
除趋势是一致的，过多的亚硫酸钠用量降解木质素
碎片吸附到纤维素表面，影响了纤维素的酶水解效
率和葡萄糖得率。 综合图 １、图 ２ 亚硫酸钠用量对
木糖渣纤维素含量、木质素脱除率、酶水解效率及
葡萄糖得率的影响，可以确定 １２％的亚硫酸钠为处
理木糖渣的最佳用量。
２􀆰 ２　 反应 ｐＨ对木糖渣组成和酶水解性能的影响
图 ３、图 ４ 为在亚硫酸钠用量 １２％、最高温度
１７０ ℃、保温时间 ２０ ｍｉｎ 的条件下，反应 ｐＨ的变化
（该实验的 ｐＨ通过加入 Ｈ２ＳＯ４或 ＮａＯＨ 进行调节）
对木糖渣的纤维素含量、木质素脱除率、酶水解效
率及葡萄糖得率的影响。 从图 ３可以看出：随着 ｐＨ
的增大，纤维素含量和木质素脱除率均先减小后增
大，在 ｐＨ为 ４ 时木质素脱除率最低为 １４􀆰 ４９％，此
时木糖渣中纤维素含量为 ６６􀆰 ２５％。 在 ｐＨ 为 ７（此
时为木糖渣水溶液中加入 １２％亚硫酸钠后的 ｐＨ，无
需加入 Ｈ２ＳＯ４或 ＮａＯＨ 进行调节）时木质素的脱除
率最高达到 ７７􀆰 ７７％，此时木糖渣中纤维素的含量
对应也达到最大值为 ８４􀆰 ６１％。 中性亚钠法即可实
现木糖渣木质素的较好脱除，充分说明了木糖渣组
分的容易处理，不需额外加入 ＮａＯＨ，降低了成本。
图 ３　 反应 ｐＨ对纤维素含量及木质素脱除率的影响
Ｆｉｇ􀆰 ３　 Ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ ｒｅａｃｔｉｏｎ ｐＨ ｖａｌｕｅ ｏｎ ｃｅｌｌｕｌｏｓｅ
ｃｏｎｔｅｎｔｓ ａｎｄ ｌｉｇｎｉｎ ｒｅｍｏｖａｌ ｒａｔｅ
图 ４显示了反应 ｐＨ对木糖渣酶水解效率及葡
萄糖得率的影响。 从图 ４ 可以看出，随着反应 ｐＨ
的增加，预处理木糖渣酶水解效率和葡萄糖得率均
呈现逐渐增加的趋势，在 ｐＨ 为 ７ 时达到最大值，分
０６ 生　 物　 加　 工　 过　 程　 　 第 １４卷　
图 ４　 反应 ｐＨ对酶水解效率及葡萄糖得率的影响
Ｆｉｇ􀆰 ４　 Ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ ｒｅａｃｔｉｏｎ ｐＨ ｖａｌｕｅ ｏｎ ｅｎｚｙｍａｔｉｃ
ｈｙｄｒｏｌｙｓｉｓ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ａｎｄ ｇｌｕｃｏｓｅ ｙｉｅｌｄ
别为 ９４􀆰 ０４％和 ８７􀆰 ０３％。 这与木糖渣中纤维素含
量的变化趋势是一致的，说明纤维素的纯度（或是
木质素的含量）直接影响酶水解效率［１３］，当继续提
高反应 ｐＨ到 ８时，纤维素含量下降（图 ３），对应酶
水解效率和葡萄糖得率降低，所以可以选择加入亚
硫酸钠后不需调节 ｐＨ（即 ｐＨ等于 ７）的处理条件作
为木糖渣预处理反应的最佳 ｐＨ。
图 ５　 预处理温度对纤维素含量、木质素脱除率的影响
Ｆｉｇ􀆰 ５　 Ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ ｐｒｅｔｒｅａｔｍｅｎｔ ｔｅｍｐｒｅｔｕｒｅ ｏｎ ｃｅｌｌｕｌｏｓｅ
ｃｏｎｔｅｎｔｓ ａｎｄ ｌｉｇｎｉｎ ｒｅｍｏｖａｌ ｒａｔｅ
２􀆰 ３　 预处理温度对木糖渣组成和酶水解性能的影响
图 ５、图 ６为固定亚硫酸钠用量 １２％、ｐＨ为 ７、保
温时间 ２０ ｍｉｎ的条件下，反应温度对纤维素含量、木
质素脱除率、酶水解效率及葡萄糖得率的影响。 从图
５可以看出，随着预处理温度的升高，木质素脱除率、
纤维素含量逐渐升高，１６０ ℃时趋于平缓。 对应图 ６
中木糖渣的酶水解效率和葡萄糖得率也呈现出这样
的趋势。 说明温度越高越有利于木质素的脱除、纤维
素的含量也越高，从而提高了木糖渣的酶水解效率和
葡萄糖得率。 但当温度超过 １６０ ℃时，虽然木糖渣的
酶水解效率持续增加，但葡萄糖得率却出现了下降。
这是因为过高的温度也促进了纤维素的降解，增加了
预处理过程碳水化合物的损失。 所以可以选取最高
温度 １６０ ℃为最佳处理温度。
图 ６　 预处理温度对酶水解效率、葡萄糖得率的影响
Ｆｉｇ􀆰 ６　 Ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ ｐｒｅｔｒｅａｔｍｅｎｔ ｔｅｍｐｒｅｔｕｒｅ ｏｎ ｅｎｚｙｍａｔｉｃ
ｈｙｄｒｏｌｙｓｉｓ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ａｎｄ ｇｌｕｃｏｓｅ ｙｉｅｌｄ
２􀆰 ４　 保温时间对木糖渣组成和酶水解性能的影响
在固定亚硫酸钠用量 １２％、ｐＨ 为 ７、最高温度
１６０ ℃的条件下，考察了保温时间对纤维素含量、木
质素脱除率、酶水解效率及葡萄糖得率的影响，结
果见图 ７和图 ８。
图 ７　 保温时间对纤维素含量及木质素脱除率的影响
Ｆｉｇ􀆰 ７　 Ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ ｈｏｌｄｉｎｇ ｔｉｍｅ ｏｎ ｃｅｌｌｕｌｏｓｅ ｃｏｎｔｅｎｔｓ
ａｎｄ ｌｉｇｎｉｎ ｒｅｍｏｖａｌ ｒａｔｅ
图 ８　 保温时间对酶水解效率及葡萄糖得率的影响
Ｆｉｇ􀆰 ８　 Ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ ｈｏｌｄｉｎｇ ｔｉｍｅ ｏｎ ｅｎｚｙｍａｔｉｃ
ｈｙｄｒｏｌｙｓｉｓ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ａｎｄ ｇｌｕｃｏｓｅ ｙｉｅｌｄ
从图 ７可以看出：随着保温时间的延长，木质素
脱除率逐渐升高，说明延长保温时间有利于脱除木
糖渣中的木质素；但反应时间超过 ２０ ｍｉｎ 时，继续
延长保温时间，纤维素含量反而降低，说明继续延
１６　 第 ２期 姜力凤等：亚硫酸钠预处理对木糖渣木质素的去除及纤维素酶水解的影响
长反应时间，纤维素降解趋势超过了木质素的脱除
率，所以纤维素含量下降。 由图 ８可知：酶水解效率
和葡萄糖的得率呈现先增加后降低的趋势，并在 ２０
ｍｉｎ时达到最大值。 这是因为时间少于 ２０ ｍｉｎ时反
应不彻底，木质素脱除率较低，酶水解效率不高。
当时间超过 ２０ ｍｉｎ 时，纤维素发生降解反应，反而
降低了葡萄糖得率。 综合以上几个方面，确定最佳
保温时间为 ２０ ｍｉｎ。
２􀆰 ５　 亚硫酸钠预处理前后木糖渣的酶水解性能的
比较研究
　 　 图 ９～１２分别显示了木糖渣使用亚硫酸钠预处
理前后在不同纤维素酶用量、不同水解时间的酶水
解效率和葡萄糖得率，可以看出亚硫酸钠预处理对
木糖渣的酶水解性能变化情况。 图 ９为未经处理的
木糖渣在纤维素酶用量从 ５ ＦＰＵ ／ ｇ 底物增加到 ２０
ＦＰＵ ／ ｇ底物、反应时间 ４８ ｈ以内的酶水解效率变化
情况。 从图 ９可以看出：随着反应时间的延长，木糖
渣的酶水解效率逐渐增加，并且 ２０ ＦＰＵ ／ ｇ底物纤维
素酶用量的酶水解效率要远高于 ５ ＦＰＵ ／ ｇ 底物的，
在 ４８ ｈ时分别达到 ７２􀆰 ０２％和 ６１􀆰 ０３％。 这是因为
原料中的木质素会造成对纤维素的包裹作用及对
纤维素酶的优先吸附［１４］，所以即使在较高的纤维素
酶用量下，未经处理的木糖渣也不能达到较高的酶
水解效率。 对应图 １０中，虽然随着纤维素用量的增
加和反应时间的延长，葡萄糖得率均呈现增加趋
势，但因为未经处理木糖渣的酶水解效率低，使葡
萄糖得率最高只有 ７０􀆰 ５８％，这时纤维素酶用量也
为最高的 ２０ ＦＰＵ ／ ｇ底物。
图 ９　 原料在不同纤维素酶用量和不同反应
时间下的酶水解效率
Ｆｉｇ􀆰 ９　 Ｅｎｚｙｍａｔｉｃ ｈｙｄｒｏｌｙｓｉｓ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ｏｆ ｒａｗ
ｍａｔｅｒｉａｌ ａｔ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｃｅｌｌｕｌｏｓｅ ｄｏｓａｇｅ
ａｎｄ ｒｅａｃｔｉｏｎ ｔｉｍｅ
图 １１和图 １２为 １２％亚硫酸钠用量、ｐＨ为 ７、最
高温度 １６０ ℃、反应时间 ２０ ｍｉｎ的最佳反应条件下处
图 １０　 原料在不同纤维素酶用量和不同反应
时间下的葡萄糖得率
Ｆｉｇ􀆰 １０　 Ｇｌｕｃｏｓｅ ｙｉｅｌｄ ｏｆ ｒａｗ ｍａｔｅｒｉａｌ ａｔ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ
ｃｅｌｌｕｌｏｓｅ ｄｏｓａｇｅ ａｎｄ ｒｅａｃｔｉｏｎ ｔｉｍｅ
图 １１　 亚硫酸钠预处理后不同纤维素酶用量和
不同反应时间下的酶水解效率
Ｆｉｇ􀆰 １１　 Ｅｎｚｙｍａｔｉｃ ｈｙｄｒｏｌｙｓｉｓ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ｏｆ ｓｕｌｆｉｔｅ
ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｃｅｌｌｕｌｏｓｅ ｄｏｓａｇｅ ａｎｄ ｒｅａｃｔｉｏｎ ｔｉｍｅ
图 １２　 亚硫酸钠预处理后不同纤维素酶用量和
不同反应时间对葡萄糖得率的影响
Ｆｉｇ􀆰 １２　 Ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ ｓｕｌｆｉｔｅ ｐｒｅｔｒｅａｔｍｅｎｔ ｏｎ
ｇｌｕｃｏｓｅ ｙｉｅｌｄ ａｔ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｃｅｌｌｕｌｏｓｅ
ｄｏｓａｇｅ ａｎｄ ｒｅａｃｔｉｏｎ ｔｉｍｅ
理后的木糖渣在不同纤维素酶用量和反应时间的酶
水解效率和葡萄糖得率。 从图 １１ 可以看出，脱除了
７７􀆰 ４５％木质素的木糖渣，即使在较少的纤维素酶用
量 ５ ＦＰＵ ／ ｇ 底物时，反应 ４８ ｈ 后，酶水解效率高达
９２􀆰 ７６％，远高于未经处理木糖渣在 ２０ ＦＰＵ ／ ｇ 底物用
２６ 生　 物　 加　 工　 过　 程　 　 第 １４卷　
量的酶水解效率 ７２􀆰 ０２％，说明木糖渣中木质素的去
除因为打破了木质素的屏障作用及减少了对纤维素
酶的无效吸附，所以大幅度地提高了聚糖的酶水解效
率，降低了纤维素酶的用量［１５］。 而对应的图 １２中葡
萄糖得率也呈现相同的趋势，在 ５ ＦＰＵ ／ ｇ 底物用量、
反应 ４８ ｈ的葡萄糖得率达到了 ８４􀆰 ７７％，比未经处理
木糖渣纤维素酶用量 ２０ ＦＰＵ ／ ｇ 底物用量、反应 ４８ ｈ
的葡萄糖得率 ７０􀆰 ５８％高 ２０􀆰 １０％。
３　 结论
亚硫酸钠法预处理木糖渣的最佳反应条件：亚
硫酸钠用量 １２％、反应 ｐＨ ７、反应温度 １６０ ℃、保温
时间 ２０ ｍｉｎ。 在该条件下处理的木糖渣木质素脱除
率为 ７７􀆰 ４５％，纤维素含量为 ８５􀆰 １７％。 在纤维素酶
用量 ５ ＦＰＵ ／ ｇ 底物、β 葡萄糖苷酶 １０ ＩＵ ／ ｇ 底物的
用量条件下反应 ４８ ｈ，木糖渣的酶水解效率和葡萄
糖得率分别为 ９２􀆰 ７６％和 ８４􀆰 ７７％，相比未经处理木
糖渣纤维素酶用量 ２０ ＦＰＵ ／ ｇ底物和 β 葡萄糖苷酶
１０ ＩＵ ／ ｇ底物下，反应 ４８ ｈ的酶水解效率 ７２􀆰 ０２％和
葡萄糖得率 ７０􀆰 ５８％分别高出 ２８􀆰 ８０％和 ２０􀆰 １０％。
亚硫酸钠法预处理木糖渣，不仅能经济高效地去除
原料中的木质素，得到较纯纤维素，降低纤维素酶
用量、提高酶水解效率和葡萄糖得率，而且分离获
得的木质素磺酸盐还可以作为表面活性剂广泛应
用于混凝土减水剂和油田缓凝剂等领域，极大提高
了木糖渣转化效率和利用率，对于促进以玉米芯为
原料的木糖厂和糠醛厂的转型升级具有重要意义。
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（责任编辑　 管　 珺）
３６　 第 ２期 姜力凤等：亚硫酸钠预处理对木糖渣木质素的去除及纤维素酶水解的影响