全 文 ：第 １３卷第 ５期
２０１５年 ９月
生　 物　 加　 工　 过　 程
Ｃｈｉｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｂｉｏｐｒｏｃｅｓｓ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ
Ｖｏｌ􀆰 １３ Ｎｏ􀆰 ５
Ｓｅｐ􀆰 ２０１５
ｄｏｉ：１０􀆰 ３９６９ ／ ｊ􀆰 ｉｓｓｎ􀆰 １６７２－３６７８􀆰 ２０１５􀆰 ０５􀆰 ０１２
收稿日期：２０１４－０９－０４
作者简介：沈江涛（１９９０—），男，四川攀枝花人，硕士研究生，研究方向：生物催化与应用；段学辉（联系人），教授，Ｅ⁃ｍａｉｌ：ｘｈｄｕａｎ＠ ｎｃｕ．ｅｄｕ．ｃｎ
稻草生物质的预处理及其发酵产酶与酶解效果研究
沈江涛，段学辉，郑希帆，张 倩，牛书操
（南昌大学 食品科学与技术国家重点实验室 食品学院，江西 南昌 ３３００４７）
摘　 要：采用稀酸、稀碱、高温稀碱、亚硫酸盐法（ＳＰＯＲＬ法）和稀酸 亚硫酸盐法（稀酸 ＳＰＯＲＬ法）对粉碎稻草秸秆
预处理，考察不同预处理方法对稻草基质多菌发酵产纤维素酶的影响，分析预处理前后稻草基质主要成分的变化，
酶水解液中糖组分的含量。 结果表明：稀酸 ＳＰＯＲＬ 法处理的稻草粉在固态发酵产酶和酶解糖化都具有较好的效
果，所得羧甲基纤维素酶（ＣＭＣａｓｅ酶）和 β 葡萄糖苷酶（β Ｇ）比酶活分别达到 ２１ ５１１􀆰 ２２和 ５１ ５０８􀆰 ４１ Ｕ ／ ｇ，同时
酶水解率达到 ８４􀆰 ９９％。 除 ＳＰＯＲＬ法外，其他预处理方式所得酶活均出现了不同程度的下降。 稀酸预处理对稻草
基质中的半纤维素去除效果较好，含量由 ２０􀆰 ７７％下降到 ７􀆰 ３４％；稀碱高温处理对木质素脱除效果较好，Ｋｌａｓｏｎ 木
质素含量由 １２􀆰 ４７％下降到 ７􀆰 ５８％。 通过酶解糖化实验发现，未处理稻草粉酶水解率仅为 １７􀆰 ８２％，稀碱高温法效
果最好，稻酶水解率达到 ９１􀆰 ６６％。 稀酸和稀酸 ＳＰＯＲＬ法处理后，稻草粉基质的酶解糖化液中，戊聚糖占总糖相对
含量较低，分别为 ７􀆰 ３８％和 ６􀆰 ９２％。
关键词：纤维素酶；混合菌发酵；预处理；ＳＰＯＲＬ；酶解糖化
中图分类号：ＴＱ３５３　 　 　 　 文献标志码：Ａ　 　 　 　 文章编号：１６７２－３６７８（２０１５）０５－００６１－０６
Ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｃｅｌｌｕｌａｓｅ ｆｒｏｍ
ｓｔｒａｗ ｂｉｏｍａｓｓ ｐｒｅｔｒｅａｔｅｄ ｗｉｔｈ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｍｅｔｈｏｄｓ
ＳＨＥＮ Ｊｉａｎｇｔａｏ，ＤＵＡＮ Ｘｕｅｈｕｉ，ＺＨＥＮＧ Ｘｉｆａｎ，ＺＨＡＮＧ Ｑｉａｎ，ＮＩＵ Ｓｈｕｃａｏ
（Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｆｏｏｄ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｆｏｏｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｓｔａｔｅ Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｆｏｏｄ
Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｎａｎｃｈａｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｎａｎｃｈａｎｇ ３３００４７，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｓｔｒａｗ ｐｏｗｄｅｒ ｗａｓ ｐｒｅｔｒｅａｔｅｄ ｂｙ ｄｉｌｕｔｅｄ ａｃｉｄ， ｄｉｌｕｔｅｄ ａｌｋａｌｉ， ｈｉｇｈ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｗｉｔｈ ｄｉｌｕｔｅｄ
ａｌｋａｌｉ，ｓｕｌｆｉｔｅ ｐｒｅｔｒｅａｔｍｅｎｔ（ＳＰＯＲＬ），ｓｕｌｆｉｔｅ ｐｒｅｔｒｅａｔｍｅｎｔ ｗｉｔｈ ｄｉｌｕｔｅｄ ａｃｉｄ（ＳＰＯＲＬ ｗｉｔｈ ｄｉｌｕｔｅｄ ａｃｉｄ）．
Ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ ｐｒｅｔｒｅａｔｍｅｎｔ ｏｎ ｔｈｅ ｃｅｌｌｕｌａｓｅｓ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｂｙ ｓｏｌｉｄ ｓｔａｔｅ ｆｅｒｍｅｎｔａｔｉｏｎ ａｎｄ ｔｈｅ ｙｉｅｌｄ ｏｆ
ｆｅｒｍｅｎｔａｂｌｅ ｓｕｇａｒｓ ｈｙｄｒｏｌｙｚｅｄ ｗｅｒｅ ｓｔｕｄｉｅｄ． Ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗｅｄ ｗｈｅｎ ｔｈｅ ｓｔｒａｗ ｓｕｂｓｔｒａｔｅ ｐｒｅｔｒｅａｔｅｄ ｂｙ ｄｉｌｕｔｅｄ
ａｃｉｄ ｗｉｔｈ ＳＰＯＲＬ ｆｏｒ ｃｅｌｌｕｌａｓｅ ｆｅｒｍｅｎｔａｔｉｏｎ，ｃａｒｂｏｘｙｍｅｔｈｙｌ ｃｅｌｌｕｌａｓｅ（ＣＭＣａｓｅ） ａｎｄ β⁃ｇｌｕｃｏｓｉｄａｓｅ（β⁃Ｇ）
ａｃｔｉｖｉｔｉｅｓ ｒｅａｃｈｅｄ ２１ ５１１􀆰 ２２ Ｕ ／ ｇ ａｎｄ ５１ ５０８􀆰 ４１ Ｕ ／ ｇ， ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ． Ｔｈｅ ｈｙｄｒｏｌｙｚｅ ｒａｔｅ ｏｆ ｃｅｌｌｕｌａｓｅｓ
ｒｅａｃｈｅｄ ８４􀆰 ９９％． Ｔｈｅ ｃｅｌｌｕｌａｓｅ ａｃｔｉｖｉｔｉｅｓ ｄｅｃｒｅａｓｅｄ ｉｎ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｄｅｇｒｅｅｓ ｅｘｃｌｕｄｉｎｇ ＳＰＯＲＬ． Ｔｈｅ ｄｉｌｕｔｅｄ
ａｃｉｄ ｍｅｔｈｏｄ ｗａｓ ｂｅｔｔｅｒ ｔｏ ｒｅｍｏｖｅ ｈｅｍｉｃｅｌｌｕｌｏｓｅｓ， ａｎｄ ｔｈｅ ｃｏｎｔｅｎｔ ｏｆ ｈｅｍｉｃｅｌｌｕｌｏｓｅｓ ｄｅｃｒｅａｓｅｄ ｆｒｏｍ
２０􀆰 ７７％ ｔｏ ７􀆰 ３４％ ｉｎ ｐｒｅｔｒｅａｔｅｄ ｓｔｒａｗ ｓｕｂｓｔｒａｔｅ． Ｔｈｅ ｈｉｇｈ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｗｉｔｈ ｄｉｌｕｔｅ ａｌｋａｌｉ ｈａｄ ａ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔ
ｅｆｆｅｃｔ ｏｎ ｋｌａｓｏｎ ｌｉｇｎｉｎ ｒｅｍｏｖａｌ． Ｔｈｅ ｃｏｎｔｅｎｔ ｏｆ ｋｌａｓｏｎ ｌｉｇｎｉｎ ｄｅｃｒｅａｓｅｄ ｆｒｏｍ １２􀆰 ４７％ ｔｏ ７􀆰 ５８％ ｉｎ ｓｔｒａｗ
ｓｕｂｓｔｒａｔｅ．Ｆｕｒｔｈｅｒ ｃｅｌｌｕｌｏｓｅ ｅｎｚｙｍｏｌｙｓｉｓ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｓｈｏｗｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｅｎｚｙｍａｔｉｃ ｈｙｄｒｏｌｙｓｉｓ ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ ｒａｔｅ ｏｆ
ｕｎｔｒｅａｔｅｄ ｓｔｒａｗ ｐｏｗｄｅｒ ｗａｓ ｏｎｌｙ １７􀆰 ８２％，ｗｈｉｌｅ ｔｈｅ ｈｉｇｈ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｗｉｔｈ ｄｉｌｕｔｅ ａｌｋａｌｉ ｐｒｅｔｒｅａｔｍｅｎｔ ｗａｓ
ｔｈｅ ｂｅｓｔ ｍｅｔｈｏｄ，ｔｈｅ ｈｙｄｒｏｌｙｚｅ ｒａｔｅ ｏｆ ｐｒｅｔｒｅａｔｅｄ ｓｔｒａｗ ｐｏｗｄｅｒ ｃｏｕｌｄ ｒｅａｃｈ ９１􀆰 ６６％． Ｉｎ ｔｈｅ ｅｎｚｙｍｏｌｙｓｉｓ
ｌｉｑｕｉｄ ｏｆ ｓｔｒａｗ ｓｕｂｓｔｒａｔｅ ｐｒｅｔｒｅａｔｅｄ ｂｙ ｄｉｌｕｔｅ ａｃｉｄ ｏｒ ＳＰＯＲＬ ｗｉｔｈ ｄｉｌｕｔｅ ａｃｉｄ，ｔｈｅ ｃｏｎｔｅｎｔ ｏｆ ｐｅｎｔｏｓａｎ ｗａｓ
ｒｅｌａｔｉｖｅ ｌｏｗ，ｏｎｌｙ ７􀆰 ３８％ ａｎｄ ６􀆰 ９２％，ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｃｅｌｌｕｌａｓｅ；ｍｉｘｅｄ ｆｅｒｍｅｎｔａｔｉｏｎ；ｐｒｅｔｒｅａｔｍｅｎｔ；ＳＰＯＲＬ；ｅｎｚｙｍａｔｉｃ ｓａｃｃｈａｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ
　 　 纤维素是自然界中十分丰富的资源，如麦秆、稻
草、甘蔗渣等，都是纤维素的来源［１］。 将生物质转化
为乙醇需经过一系列复杂的工艺，主要包括原料预处
理、（半）纤维素酶水解和戊糖己糖发酵等步骤。 其
中纤维素酶水解的成本占整个转化工艺的 ６０％［２］。
由于生物质中木质素对纤维素的包覆作用及其刚性
结构，使得酶水解效果不理想，所以预处理是酶水解
生物质原料和制取生物乙醇的必经过程［３］。 采用何
种有效的预处理技术来破坏生物质中纤维素的结晶
结构，增加纤维素酶的可及性和提高酶解产糖率是该
领域主要的技术难点［４－８］。 纤维素酶固态发酵具有
成本低、产出高、耗能低等优势。 合理的预处理方式
不仅要考虑酶解糖化阶段提高酶水解率，还应有利于
微生物发酵生产纤维素酶，如许宪松等［９］研究报道，
经过微波、超声波处理的稻壳生物质能够得到微生物
更好的利用和发酵产酶，同时也有着较好的酶水解效
果。 一种合理的预处理方式将固态发酵产酶和酶水
解糖化整合在一起，在降低经济成本和资源的合理利
用中，具有着重要的意义。
本研究中，笔者采用稀酸、稀碱、稀碱高温、亚硫
酸盐法（ＳＰＯＲＬ法）和稀酸 ＳＰＯＲＬ 方法对稻草生物
质进行预处理，将处理前后的原料进行三菌固态发酵
产酶及酶解糖化，以期探索出一种合理的、适于广泛
应用的预处理方法，以获得高活力纤维素酶，同时又
能提高底物的酶水解糖化效果，从而为稻草秸秆预处
理工艺的改进及高效转化利用打下实验基础。
１　 材料与方法
１􀆰 １　 菌种
发酵菌为白腐菌 Ｗｈｉｔｅ ｒｏｔ ｆｕｎｇｉ ＮＳ７５，黑曲霉
Ａｓｐｅｒｇｉｌｌｕｓ ｎｉｇｅｒ ＮＳ８３ 和絮凝酵母 Ｓａｃｃｈａｒｏｍｙｃｅｓ
ｃｅｒｅｖｉｓｉａｅ ＳＰ５，筛选保藏于笔者所在实验室。 白腐菌
和黑曲霉移接在马铃薯、琼脂斜面上，絮凝酵母接
在 ＹＥＰＤ、琼脂斜面上，３０ ℃下培养 ３ ｄ 后，于冰箱
中保存备用。
１􀆰 ２　 试剂
葡萄糖、尿素、肌醇、（ＮＨ４） ２ＳＯ４、Ｈ２ＳＯ４、ＮａＯＨ、
ＭｇＳＯ４·７Ｈ２Ｏ和 ＫＨ２ＰＯ４均为分析纯；酵母浸粉、牛
肉膏和蛋白胨均为生物试剂。
稻草取自南昌市郊区蒋巷乡稻田，烘干、粉碎
保存，麸皮为市售。
纤维素酶：采用实验室多菌固态发酵制得的纤
维素酶，ＣＭＣａｓｅ糖化酶活力，纤维二糖酶活力分别
为 ３０、６２ Ｕ ／ ｍｇ。
１􀆰 ３　 培养基
ＰＤＡ培养基（ ｇ ／ Ｌ）：葡萄糖 ２０，琼脂 ２０，马铃
薯 １００。
固体发酵培养基：将 ８ ｇ 经过预处理的稻草粉、
２ ｇ麸皮和 ２０ ｍＬ Ｍａｎｄｅｌｓ 营养液混合。
Ｍａｎｄｅｌｓ［１０］营养液（ｇ ／ Ｌ）： ＫＨ２ＰＯ４ ２􀆰 ０，（Ｈ２Ｎ）２ＣＯ
０􀆰 ３，ＺｎＳＯ４·７Ｈ２ Ｏ ０􀆰 ００１ ４，ＣａＣｌ２ ０􀆰 ３，ＭｎＳＯ４·Ｈ２ Ｏ
０􀆰 ００１ ６，ＭｇＳＯ４·７Ｈ２Ｏ ０􀆰 ３，（ＮＨ４）２ ＳＯ４ １􀆰 ４，ＦｅＳＯ４·
７Ｈ２Ｏ ０􀆰 ００５， ＣｏＣｌ２ ０􀆰 ００２。
１􀆰 ４　 原料预处理
１􀆰 ４􀆰 １　 稀酸预处理
粉碎过孔径 ０􀆰 ６０ ｍｍ筛网的稻草粉，与质量分
数 ０􀆰 ５％、１％和 ２％的 Ｈ２ＳＯ４溶液均匀混合，固液比
设定为 １ ∶ ５（ｇ ／ ｍＬ），于 １３０ ℃下反应 ６０ ｍｉｎ。
１􀆰 ４􀆰 ２　 稀碱预处理
粉碎过孔径 ０􀆰 ６０ ｍｍ筛网的稻草粉，与质量分
数 ２％、３％和 ４％的 ＮａＯＨ 溶液均匀混合，固液比设
定为 １ ∶ ５（ｇ ／ ｍＬ），于 ２６ ℃常压处理 ２４ ｈ，再于 １１０
℃下反应 ３０ ｍｉｎ。
１􀆰 ４􀆰 ３　 稀碱高温预处理
将粉碎过孔径 ０􀆰 ６０ ｍｍ筛网的稻草粉先于 １４０
℃蒸汽处理 ５ ｈ，再与质量分数 ３％的 ＮａＯＨ 溶液混
合，固液比设定为 １ ∶ ５（ｇ ／ ｍＬ），于室温 ２６ ℃常压处
理 ２４ ｈ，再于 １３０ ℃下反应 ３０ ｍｉｎ。
１􀆰 ４􀆰 ４　 ＳＰＯＲＬ法预处理
取粉碎过孔径 ０􀆰 ６０ ｍｍ筛网稻草 ５０ ｇ， 与质量
分数 ４％、８％和 １２％Ｎａ２ＳＯ３混合，固液比设定为 １ ∶ ５
（ｇ ／ ｍＬ），将料液充分混合后升温至 １３０ ℃，保温 １ ｈ
完成 Ｎａ２ＳＯ３预处理。
１􀆰 ４􀆰 ５　 稀酸 ＳＰＯＲＬ法预处理
取粉碎过孔径 ０􀆰 ６０ ｍｍ筛网稻草粉 ５０ ｇ， 预处理
液为 ０􀆰 ５％Ｈ２ ＳＯ４和 ８％Ｎａ２ ＳＯ３，固液比设定为 １ ∶ ５
（ｇ ／ ｍＬ），将料液充分混合后升温至 １３０ ℃，保温１ ｈ完
成预处理。 将经过预处理的稻草粉原料过滤收集，用
２６ 生　 物　 加　 工　 过　 程　 　 第 １３卷　
固液比 １ ∶ １５（ｇ ／ Ｌ）的蒸馏水分 ５次洗涤、抽滤后，自然
晾干，称质量计算预处理回收率，于保鲜袋中储藏。
１􀆰 ５　 预处理稻草粉原料固态发酵产酶
种子培养：将在试管斜面培养基上培养 ３ ｄ 的
黑曲霉菌、白腐菌和絮凝酵母菌分别制成孢子或细
胞悬浮液，各取 １ ｍＬ分别接于 ５０ ｍＬ液体种子培养
基中，于 ３０ ℃、２００ ｒ ／ ｍｉｎ培养 ２４ ｈ。
固态发酵产酶培养：１０ ｇ 固体发酵培养基中接
入总量为 ６ ｍＬ的种子培养液，其中白腐菌、黑曲霉
和絮凝酵母按 １ ∶ ２ ∶ １􀆰 ５ 的体积比接种，然后搅拌均
匀，３０ ℃恒温培养 ７ ｄ（絮凝酵母于黑曲霉、白腐菌
接入生长 ４８ ｈ后接种），检测纤维素酶酶活。
１􀆰 ６　 预处理稻草粉原料的酶解糖化
分别准确称取 １ ｇ（干质量）稀酸预处理、稀碱
预处理、稀碱高温预处理、ＳＰＯＲＬ 法预处理和稀酸
ＳＰＯＲＬ法处理的稻草粉原料，加入装有 ２０ ｍＬ ｐＨ
５􀆰 ０的柠檬酸缓冲液的 ５０ ｍＬ三角瓶中，１ ｇ 底物添
加一定量纤维素酶（５０ ｍｇ），于 ５０ ℃恒温水浴振荡
器中，１８０ ｒ ／ ｍｉｎ 转速条件下酶解糖化，酶解 ６０ ｈ 后
离心分离，取上清液（糖化液）进行糖浓度分析。
１􀆰 ７　 测定酶活及组分分析检测
１􀆰 ７􀆰 １　 ＣＭＣａｓｅ酶活测定
ＣＭＣａｓｅ酶活测定参照文献［１１－１２］。 取 １ ｍＬ
的粗提酶液加入到 ２ ｍＬ 羧甲基纤维素钠（ＣＭＣ
Ｎａ）溶液中，５０ ℃水浴保温反应 ３０ ｍｉｎ，再用 ＤＮＳ
法测定还原糖含量。
β Ｇ酶活测定方法参照文献［１３－１４］。 取 １
ｍＬ的粗提酶液加入到 ２ ｍＬ １％的水杨苷柠檬酸缓
冲液中，５０ ℃水浴保温反应 ３０ ｍｉｎ，采用 ３，５ 二硝
基水杨酸（ＤＮＳ）法测定还原糖含量［１５］。
酶活单位定义：在一定反应条件下，１ ｍｉｎ 水解
底物生成 １ μｇ葡萄糖的酶量定义为 １个酶活单位，
换算成每克干物料含有的酶活，以 Ｕ ／ ｇ表示。
１􀆰 ７􀆰 ２　 预处理前后稻草粉成分分析
分别取处理前后的稻草粉， 采用凡式法
（ＶａｎＳｏｅｓｔ 法） ［１６－１７］对样品中的纤维素、半纤维素和
木质素质量分数进行测定。
ｗ（半纤维素）＝ ｗ（ＮＤＦ）－ｗ（ＡＤＦ） （１）
ｗ（纤维素）＝ ｗ（ＡＤＦ）－ｗ（ＡＤＬ）－ｗ（ＡＩＡ） （２）
ｗ（ＡＤＬ）＝ ｗ （经 ７２％Ｈ２ＳＯ４处理后的残渣）－ｗ（ＡＩＡ）
（３）
式中：ｗ（ＮＤＦ）为中性洗涤纤维质量分数，ｗ（ＡＤＦ）
为酸性洗涤纤维质量分数，ｗ（ＡＤＬ）为酸不溶木质
素质量分数，ｗ（ＡＩＡ）为灰分质量分数。
１􀆰 ７􀆰 ３　 稻草粉酶解液中糖含量测定
稻草粉酶解后酶解液中还原糖浓度采用 ＤＮＳ
法进行测定［１５］。
酶水解率＝（还原糖质量×０􀆰 ９） ／ （纤维素质量＋
半纤维素质量）×１００ ％［１８］ （４）
戊聚糖浓度采用间苯三酚法（Ｄｏｕｇｌａｓ 法）显色
法测定［１９］
戊聚糖相对含量 ＝酶水解液中戊聚糖质量 ／酶
水解液中还原糖总质量。
２　 结果与讨论
２􀆰 １　 预处理后原料组成成分变化
稻草粉经过不同预处理方法处理后，主要组成
成分的含量分析结果如表 １所示。
表 １　 不同预处理后稻草组分分析
Ｔａｂｌｅ １　 Ｃｈｅｍｉｃａｌ ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ ｏｆ ｐｒｅｔｒｅａｔｅｄ ｒｉｃｅ ｓｔｒａｗ ｂｙ ｖａｒｉｏｕｓ ｍｅｔｈｏｄｓ
％
处理方法 预处理回收率 ｗ（半纤维素） ｗ（ＡＤＬ） ｗ（ＡＩＡ） ｗ（纤维素）
未处理 １００􀆰 ００ ２０􀆰 ７７ １２􀆰 ４７ ７􀆰 ９６ ３３􀆰 ８１
稀酸（０􀆰 ５％Ｈ２ＳＯ４） ５９􀆰 ９７ １６􀆰 ９２ １４􀆰 ９３ ７􀆰 ４２ ３６􀆰 ３５
稀酸（１％Ｈ２ＳＯ４） ５６􀆰 ９８ １０􀆰 ８２ １６􀆰 ８９ ７􀆰 １４ ３７􀆰 ９９
稀酸（２％Ｈ２ＳＯ４） ５５􀆰 ３１ ７􀆰 ３４ ２０􀆰 ５９ ７􀆰 ０２ ４１􀆰 ９８
稀碱（２％ＮａＯＨ） ４１􀆰 ６３ １８􀆰 ８２ １１􀆰 ６５ ８􀆰 ６６ ４０􀆰 ９８
稀碱（３％ＮａＯＨ） ４０􀆰 １２ １５􀆰 ７９ １０􀆰 ２８ ８􀆰 ９９ ４６􀆰 ８３
稀碱（４％ＮａＯＨ） ３９􀆰 ６５ １４􀆰 ６５ ８􀆰 ２８ ９􀆰 ５４ ４２􀆰 ５９
稀碱高温 ４０􀆰 ０４ １６􀆰 １８ ７􀆰 ５８ ９􀆰 ０７ ４９􀆰 ０１
ＳＰＯＲＬ法（４％Ｎａ２ＳＯ３） ６４􀆰 ８７ １８􀆰 ６４ １１􀆰 ８４ ８􀆰 ５２ ４３􀆰 ７７
ＳＰＯＲＬ法（８％Ｎａ２ＳＯ３） ６２􀆰 ３９ １５􀆰 ２２ ９􀆰 ９６ ９􀆰 ０３ ４７􀆰 ５３
ＳＰＯＲＬ法（１２％Ｎａ２ＳＯ３） ６５􀆰 ５４ １４􀆰 ３８ ８􀆰 ３１ ８􀆰 ９１ ４９􀆰 ９１
稀酸 ＳＰＯＲＬ法 ５２􀆰 ６８ １３􀆰 ０９ １５􀆰 ３８ ７􀆰 ７９ ４５􀆰 ９２
３６　 第 ５期 沈江涛等：稻草生物质的预处理及其发酵产酶与酶解效果研究
　 　 从表 １可以看出：经过预处理的稻草粉原料半
纤维素含量都有所降低。 稀酸、稀碱和 ＳＰＯＲＬ法预
处理后的基质中，半纤维素含量都随处理浓度的增
加而减少，其中酸处理对半纤维素的溶出效果最为
明显，这和张木明等［２０］的研究结果类似。 ２％稀酸
处理下，基质中半纤维素含量相比对照组下降了
６４􀆰 ７％；稀碱处理则主要削弱稻草粉基质中纤维素、
半纤维素间的氢键，皂化木质素和半纤维素的酯
键，在半纤维素的溶出效果上逊于稀酸处理。 而稀
酸 ＳＰＯＲＬ法处理也有较好的半纤维素溶出效果，处
理后基质中半纤维素含量下降到 １３􀆰 ０９％。
酸不溶木质素又称 Ｋｌａｓｏｎ 木质素，是由 Ｋｌａｓｏｎ
提出的用于表征木质素含量的指标。 从表 １中可以
看出，稀碱、稀碱高温、ＳＰＯＲＬ 法处理的基质中木质
素含量都有下降，而稀酸和稀酸 ＳＰＯＲＬ法处理的基
质中，木质素含量则上升。 Ｔｏｒｇｅｔ 等［２１］研究认为，
在酸处理作用下，木质素会发生聚合作用而形成改
性的木质素。 碱法预处理的主要目的是去除基质
中木质素，提高稻草粉原料中纤维素多聚糖的降解
可及性。 从表 １ 中也可以看出：高温稀碱对 Ｋｌａｓｏｎ
木质素的溶出效果较好，处理后原料中剩余的
Ｋｌａｓｏｎ 木质素减少了约 ４０％； ＳＰＯＲＬ 法和稀酸
ＳＰＯＲＬ法处理的结果有些不同，因为稀酸 ＳＰＯＲＬ
法以脱除木质素、分离部分半纤维素和保留纤维素
为主要目的，而 ＳＰＯＲＬ法的目的则是水解溶出半纤
维素，磺化、溶出部分木质素，保留纤维素并增强原
料可水解性。 同时， ＳＰＯＲＬ 法处理过程中，随着
Ｎａ２ＳＯ３用量增大，促进了木质素的磺化反应，木质
素大分子上引入更多亲水性的磺酸基，增强木质素
的溶出。
从表 １ 中还可以看出：经过预处理的稻草粉基
质中，纤维素相对含量都有所上升。 稀酸和 ＳＰＯＲＬ
法预处理的基质中，纤维素的含量随处理液浓度增
加而上升；３％质量分数稀碱处理时，基质中纤维素
的质量分数相对较高，其中稀碱高温和 １２％亚硫酸
盐预处理效果较好，处理基质中纤维素的质量分数
分别达到 ４９􀆰 ０１％和 ４９􀆰 ９１％。
２􀆰 ２　 预处理方式对稻草粉固态发酵产酶的影响
将不同预处理方法处理的稻草粉作为多菌固
态发酵的培养基，白腐菌、黑曲霉和絮凝酵母按体
积比 １ ∶ ２ ∶１􀆰 ５接种，接种总量保持在每 １０ ｇ 培养基
中接种 ６ ｍＬ 菌液。 发酵时间为 ７ ｄ，检测 ＣＭＣａｓｅ
和 β Ｇ酶活。 蔡晶晶等［２２］研究发现，混合菌中的
黑曲霉和白腐菌各自所生产纤维素酶系具有互补
作用，发酵所得的纤维素酶活高于 ２ 种菌单菌发酵
酶活，于 ２种霉菌生长 ２ ｄ后接入酵母，有利于消除
混合发酵体系中水解的还原糖对发酵产酶形成的
反馈抑制，同时酵母分泌的少量蛋白类活性物质等
可能对白腐菌和黑曲霉的生长、代谢及发酵产酶具
有潜在的促进作用，因此，预处理效果检测实验采
取多菌发酵方法，实验结果如图 １所示。
图 １　 预处理方式对发酵产 ＣＭＣ酶活及 β Ｇ酶活的影响
Ｆｉｇ􀆰 １　 Ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ ｐｒｅｔｒｅａｔｍｅｎｔ ｍｅｔｈｏｄｓ ｏｎ ｔｈｅ
ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｏｆ ＣＭＣａｓｅ ａｎｄ β⁃Ｇ
从图 １ 可以看出：稀酸处理的稻草粉原料作为
主要固态发酵培养基，发酵产纤维素酶活力都稍低
于未处理组，由于经过稀酸预处理之后，稻草粉原
料中的纤维素、半纤维素和木质素的组成发生变
化，大部分半纤维素被脱除，影响微生物的生长和
代谢产酶；同时稀酸处理水解反应会产生一些抑制
性物质，如糠醛、羟甲基糠醛以及小分子酸等，这些
物质对发酵微生物的活性也会产生影响。 在 ２％稀
酸处理后，所产 β Ｇ 酶比酶活大幅下降，仅为
２６ ２４２􀆰 ８５ Ｕ ／ ｇ。 从表 １ 中看出，２％稀酸处理后，半
纤维素被大量脱除，质量分数只有 ７􀆰 ３４％，而 β Ｇ
酶又主要由半纤维素诱导产生，所以高浓度的酸处
理对于微生物产 β Ｇ 酶有着较大影响。 蔡晶晶
等［２２］研究发现，混菌发酵体系中，黑曲霉 Ａｓｐｅｒｇｉｌｌｕｓ
ｎｉｇｅｒ ＮＳ８３产 β Ｇ 酶能力相对较强，产 ＣＭＣａｓｅ 酶
较弱，而互补的白腐菌 Ｗｈｉｔｅ ｒｏｔ ｆｕｎｇｉ ＮＳ７５ 产
ＣＭＣａｓｅ能力较强，产 β Ｇ酶能力较弱，由图 １结果
可以得出，稻草粉原料的稀酸预处理对于黑曲霉的
发酵产酶活性有着更大的影响。
从图 １中显示的稀碱及稀碱高温预处理的稻草
粉原料固态发酵产酶情况，可以看出碱处理后的稻
４６ 生　 物　 加　 工　 过　 程　 　 第 １３卷　
草粉基质所产纤维素酶酶活降低更为明显，其原因
可能是稀碱处理不仅破坏了稻草粉的纤维结构，同
时还破坏了稻草粉基质中本有的氨基酸、核酸结构
组成，其中的氮以 ＮＯ３－ Ｎ 和 ＮＨ４＋ Ｎ 的形式释放
流失，导致微生物发酵过程中能够利用的营养物质
减少。 同时，预处理原料中残留的碱很难洗净，造
成混菌发酵后期体系培养基的 ｐＨ 升高，抑制微生
物代谢产纤维素酶。 虽然稀碱处理可以溶解稻草
粉中的部分木聚糖和木质素，使稻草粉基质变得疏
松多孔，更加有利于纤维素酶水解糖化，但总体来
说，碱处理并不是一种适合发酵产酶的预处理方式。
从图 １观察 ＳＰＯＲＬ法及稀酸 ＳＰＯＲＬ法处理的
稻草粉原料发酵产酶情况，可以看出亚硫酸盐预处
理比未处理原料发酵产纤维素酶酶活有一定提高，
８％亚硫酸盐预处理的稻草粉基质发酵产酶最佳，发
酵产 ＣＭＣａｓｅ和 β Ｇ酶比酶活分别达到 ２５ ７４８􀆰 ３２
和 ５２ ６８４􀆰 ８ Ｕ ／ ｇ。 与酸碱预处理结果相比，ＳＰＯＲＬ
法处理的原料产酶效果明显提高，这可能因为中性
亚硫酸盐相对于酸碱预处理反应温和，降解基质原
料中的营养碳水化合物较少，也不会产生糠醛类和
有机酸等抑制微生物生长的小分子物质。 比较酸
处理的稻草粉基质产酶可以发现，酸浓度越大，对
诱导产 β Ｇ酶越不利。 因此，稀酸 ＳＰＯＲＬ 法选择
０􀆰 ５％的酸质量分数，ＣＭＣａｓｅ 比酶活达到２１ ５１１􀆰 ２２
Ｕ ／ ｇ，与未处理相比，没有降低； β Ｇ 酶活达到
５１ ５０８􀆰 ４１ Ｕ ／ ｇ，比未处理组有一定提升。 因此，
ＳＰＯＲＬ法及稀酸 ＳＰＯＲＬ法处理过的稻草粉基质比
稀酸、稀碱处理更加适合微生物发酵产酶。
２􀆰 ３　 预处理方式对稻草粉基质酶解糖化效果的影响
分别经过 ５ 种不同方法预处理后，稻草粉基质
进行酶解产糖，检测结果如图 ２ 所示。 由图 ２ 可以
看出，稀碱高温处理后的稻草粉基质酶水解率高，
达到 ９１􀆰 ６６％。 说明时间较长的高温处理能使紧密
的稻草粉纤维束结构变得松散，并一定程度破坏组
分之间的氢键，有利于纤维素酶的催化水解；其次
是稀碱处理后的酶水解率达到 ８６􀆰 ７９％。 ２ 种碱处
理后，稻草粉基质的酶水解还原糖含量较高，是由
于原料中的木质素经 ＮａＯＨ 处理后得到有效脱除，
同时，ＮａＯＨ还能引起纤维原料润胀，纤维底物的持
水性增强，从而显著提高稻草粉的酶解效果。
在酒精发酵过程中，大部分酵母菌不能利用纤
维素酶解糖化液中生成的木糖，因此，水解液中的
戊糖含量较低会更利于发酵产醇。 从图 ２中可以看
出，稀酸处理后的稻草粉基质酶解得到的戊聚糖含
量明显低于其他方法，水解液中质量浓度仅为 ２􀆰 １７
ｇ ／ Ｌ。 这是由于酸处理的主要作用是脱除半纤维
素，在预处理过程中就水解成木糖，但酸处理对于
稻草粉基质的酶水解率提高不大，是因为酸处理对
于木质素的脱除效果不明显。 ＳＰＯＲＬ 法对木质素
具有较好的磺化作用，能够增加木质素亲水性，使
木质素部分溶出，同时，未溶出的木质素也有相当
程度的磺化，使得酶水解底物具有较好的亲水性，
有利于提高基质的酶水解率。 从图 ２ 中可以看出，
与 ＳＰＯＲＬ法相比，稀酸 ＳＰＯＲＬ 法酶解糖化效果更
好，处理稻草粉基质的酶水解率达到 ８４􀆰 ９９％，水解
液中产生的戊聚糖质量浓度为 ３􀆰 ４７ ｇ ／ Ｌ。 同时，此
法处理后的基质在混菌发酵产酶阶段没有使纤维
素酶活降低。 因此，综合考虑发酵产酶和酶水解糖
化效果，稀酸 ＳＰＯＲＬ法是更合适的预处理方法。
图 ２　 预处理方法对稻草粉酶解的影响
Ｆｉｇ􀆰 ２　 Ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ ｐｒｅｔｒｅａｔｍｅｎｔ ｍｅｔｈｏｄｓ ｏｎ ｂａｔｃｈ
ｅｎｚｙｍａｔｉｃ ｈｙｄｒｏｌｙｓｉｓ ｏｆ ｓｔｒａｗ ｐｏｗｄｅｒ
３　 结论
不同预处理方法对稻草基质的组成影响不同。
稀酸处理对稻草基质中的半纤维素去除效果较好，
含量由 ２０􀆰 ７７％下降到 ７􀆰 ３４％；稀碱高温处理对木
质素脱除效果最好，Ｋｌａｓｏｎ木质素由 １２􀆰 ４７％下降到
７􀆰 ５８％；ＳＰＯＲＬ法和稀酸 ＳＰＯＲＬ法预处理反应较为
温和，预处理后的回收率和组分中纤维素含量相对
较高。 稀酸 ＳＰＯＲＬ 法处理过的稻草粉生物质在发
酵产酶和酶解糖化中均具有较好的效果，发酵所得
ＣＭＣａｓｅ酶和 β Ｇ 酶活分别达到 ２１ ５１１􀆰 ２２ 和
５１ ５０８􀆰 ４１ Ｕ ／ ｇ，酶水解率达到 ８４􀆰 ９９％。
结合发酵产酶效果和酶解糖化效果分析发现，
酸处理原料的酶水解液中戊聚糖含量较少，仅为
５６　 第 ５期 沈江涛等：稻草生物质的预处理及其发酵产酶与酶解效果研究
２􀆰 １７ ｇ ／ Ｌ，利于酵母发酵产醇，但生成一些糠醛类和
有机酸，对发酵产酶代谢具有抑制性作用；碱处理
能够降低稻草基质中的木质素含量和提高其酶水
解效率，稀碱高温处理的酶水解率就达到 ９１􀆰 ６６％，
但使基质中的营养成分溶出过多并影响基质发酵
后期的环境 ｐＨ，导致发酵产酶效果明显降低。
ＳＰＯＲＬ法预处理反应较为温和，对稻草基质中
的纤维素结晶结构和木质素具有破坏和磺化作用，有
利于发酵微生物降解和利用纤维素，８％亚硫酸盐预
处理稻草基质发酵产 ＣＭＣａｓｅ和 β Ｇ酶酶活分别达
到 ２５ ７４８􀆰 ３２和 ５２ ６８４􀆰 ８ Ｕ ／ ｇ，比未处理稻草基质发
酵产酶效果有一定提高，但在水解糖化效果方面则逊
于稀酸 ＳＰＯＲＬ法。 综合考虑预处理方法对稻草基质
固态发酵产酶和酶水解糖化的效果，稀酸 ＳＰＯＲＬ 法
兼具同样发酵产酶效果和较高的酶水解率以及较低
的戊聚糖得率，是一种更加合适的预处理方法。
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（责任编辑　 管　 珺）
６６ 生　 物　 加　 工　 过　 程　 　 第 １３卷