全 文 :第9卷第1期
2011年1月
生 物 加 工 过 程
ChineseJournalofBioprocessEngineering
Vol.9No.1
Jan.2011
doi:10.3969/j.issn.1672-3678.2011.01.001
收稿日期:2010-07-26
基金项目:国家自然科学基金资助项目(20876078);国家高技术研究发展计划(863计划)资助项目(2009AA02Z08);NSFC 广东联合基金项目
(U0733001);中石化项目(207035)
作者简介:张红漫(1968—),女,四川自贡人,博士,副教授,研究方向:生物质能源、现代分离分析及代谢组学,Email:hmzhang@njut.edu.cn
中和剂对稀酸蒸爆玉米秸秆酶解效果的影响
张红漫1,赵 晶1,林增祥2,黄 和2
(1.南京工业大学 理学院,南京 210009;2.南京工业大学 生物与制药工程学院,南京 210009)
摘 要:以稀酸蒸爆的玉米秸秆为研究对象,考察直接水洗、Ca(OH)2、NaOH、氨水中和物料至pH5,在固液比1∶10、酶添
加量为每克纤维素14U(滤纸酶活)的酶解条件下对纤维素转化率的影响。结果表明:水洗、Ca(OH)2、NaOH、氨水中和物
料酶解72h后,纤维素转化率分别为917%、807%、831%及817%。同时对影响纤维素酶解效率的各种因素进行了探
讨。从综合成本及后续发酵过程考虑,用氨水中和稀酸蒸爆物料更适合于工业化生产。
关键词:玉米秸秆;酶水解;中和;蒸爆
中图分类号:Q556 文献标志码:A 文章编号:1672-3678(2011)01-0001-04
Effectsofneutralizingagentsonenzymatichydrolysisofcorn
stoverpretreatedbydiluteacidmediatedsteamexplosion
ZHANGHongman1,ZHAOJing1,LINZengxiang2,HUANGHe2
(1.ColegeofSciences,NanjingUniversityofTechnology,Nanjing210009,China;
2.ColegeofBiotechnologyandPharmaceuticalEngineering,NanjingUniversityofTechnology,Nanjing210009,China)
Abstract:Cornstoverspretreatedbydilutesulphuricacidmediatedsteamexplosionwereneutralizedto
pH5withCa(OH)2,NaOHandNH4OH,oralternativelywashedwithwatertothesamepH.Thecelu
loseconversionratesbyenzymatichydrolysisundertheconditionsofsolideliquidratioof1∶10andcelu
lasesloadingof14U/gcelulosewereinvestigated.Theresultsshowedthatafterenzymatichydrolysisfor
72h,theceluloseconversionratesofthecoorespondingsampleswereupto917%,807%,831%
and817%,respectively.Meanwhile,theefectsofvariousfactorsontheeficencyofcelulasehysrolys
iswerealsodiscussed.Consideringthecostandfolowingfermentationprocess,theneutralizingagent
NH4OHwasthechoicefortheindustrializationproduction.
Keywords:cornstover;enzymatichydrolysis;neutralization;steamexplosion
木质纤维素原料(如秸秆、蔗渣等)经预处理、
酶解及发酵后,用于生产燃料乙醇是目前备受关注
的研究热点[1]。稀酸蒸爆预处理是一种非常有效
的预处理方法,通过稀酸气爆,可将纤维素、半纤维
素和木质素进行分离,打破纤维素的结晶结构,提
高纤维素酶的可及性,使纤维素酶能渗透进纤维素
结构中,从而有效地提高纤维素的酶解效率[2]。但
稀酸蒸爆后的物料酸度较高,需要中和以利于后续
的酶解过程,如果直接用水洗涤至酶解最佳酸度,
则需消耗大量的水,不仅造成水资源的浪费,同时
工业化生产的实际成本较高,因此需加入中和试剂
来获得所需的酸度条件。本文以中试规模得到的
稀酸蒸爆玉米秸秆实际物料为研究对象,考察采用
不同中和试剂中和物料后对纤维素酶解的影响,以
期为工业化实际生产提供基础数据。
1 材料与方法
1.1 材料
玉米秸秆稀酸蒸爆物料(由中粮肇东纤维素乙
醇中试工厂提供,预处理条件170℃、55min、113%
H2SO4);纤维素酶由诺维信公司提供,酶液含滤纸酶
活(U)1438U、CMC酶活303U;其他化学试剂均为
分析纯。
1.2 仪器
BS124S电子天平(上海安亭科学仪器厂);
SBA 40C型生物传感分析仪(山东省科学院生物
研究所);DSHZ 300A型旋转式恒温振荡器(太仓
市实验设备厂);JSM 5900型扫描电子显微镜(日
本电子公司)。
1.3 方法
1.3.1 预处理
中粮肇东稀酸蒸爆预处理(处理条件应厂方要
求略),蒸爆物料组成(质量分数):纤维素474%,
半纤维素 187%,木质素 249%;分别水洗、
Ca(OH)2、NaOH、氨水中和至pH为5左右,以备下
一步酶解使用。
1.3.2 纤维素的酶解
称取适量物料,固液比为1∶10(质量体积比),
用005mol/L的柠檬酸缓冲溶液调节 pH为48,
酶添加量为每克纤维素14U,50℃于恒温振荡水浴
锅以80r/min速率振荡培养72h。酶解过程中用吸
管取滤液,10000r/min离心分离,取上清液待测。
纤维素转化率按下式计算:
纤维素转化率= ρ(葡萄糖)w(纤维素)×111×ρ(底物)
式中:111为纤维素转化为葡萄糖的理论转化系数。
1.3.3 酶活测定
酶活力测定采用美国国家可再生能源实验室
(NREL)推荐的标准方法[3]。一个滤纸酶活力的国
际单位(U)定义为标准反应条件下每分钟生成
1μmol葡萄糖的酶量;一个羧甲基纤维素(CMC)的
酶活单位(U)定义为每分钟生成1μmol葡萄糖所
需的酶量。
1.3.4 纤维素含量的测定
纤维素含量采用NREL推荐的标准方法测定[4]。
1.3.5 葡萄糖含量测定
葡萄糖含量由 SBA 40C型生物传感分析仪
测定。
1.3.6 扫描电镜观察
取少量冷冻干燥试样,真空喷金10min后,使
镀膜厚度控制在5~10nm,然后在扫描电镜下观察
纤维表面形态和微细结构。
2 结果与讨论
图1 中和试剂对纤维素转化率的影响
Fig.1 Efectsofneutralizationreagentsonthe
celuloseconversion
2.1 不同中和试剂对酶解的影响
稀酸 蒸 爆 预 处 理 物 料 分 别 采 用 水 洗、
Ca(OH)2、NaOH、氨水中和至 pH为5左右,在相同
酶解条件下比较其纤维素转化率。图1为不同中和
试剂对酶解纤维素转化率的影响。由图1可见:蒸
爆物料经水洗后酶解的纤维素转化率最高,相比
NaOH、氨水、Ca(OH)2中和后的酶解效率,NaOH处
理的效果相对较好,氨水次之,Ca(OH)2最差。酶
解72h后纤维素转化率均有所提高,且水洗物料酶
解葡萄糖浓度较高,72h纤维素转化率可达
917%。稀H2SO4在高温的条件下,木糖和葡萄糖
会降解产生呋喃等抑制物,不利于酶解[5]。
Hendriks等[6]的研究也表明:当温度高于160℃,木
质素溶解产生石酚酸,酸溶性木质素很容易反应,
若不迅速脱除会在底物上形成沉淀,不利于酶解。
大量水洗可有效脱除已溶解的半纤维素及抑制物,
水洗后物料的酶解纤维素转化率提高且对后续的
发酵有利,但存在水资源的浪费及废水污染等问
题,不适合工业化生产[7-8]。
纤维素的酶解主要分为3个阶段:1)纤维素酶
吸附于纤维素表面;2)纤维素在酶组分的协同作用
2 生 物 加 工 过 程 第9卷
下水解产生可发酵糖类;3)酶脱吸附。纤维素酶对
纤维素的有效吸附是纤维素酶解的决定性因素。
Lee等[9]的研究表明:纤维素酶解速率取决于酶的
吸附和吸附酶的活性,纤维素酶吸附结构域能否在
酶解过程中高效地进行吸附分离作用是提高纤维
素酶解速率的决定因素。由图1可见:在酶水解初
期(24h内),Ca(OH)2中和物料的纤维素转化率最
低。这可能是由于 Ca(OH)2与稀 H2SO4中和时生
成的CaSO4沉淀吸附于纤维素表面,降低了纤维素
的活性位点,妨碍了纤维素酶吸附结构域对纤维素
的有效吸附,使纤维素酶的催化结构域缺少底物而
不能发生作用,从而降低了酶与纤维素的可及度,
导致酶解效率降低。与水洗物料的917%纤维素
转化率相比,用 Ca(OH)2、NaOH、氨水中和后物料
酶解72h纤维素转化率分别为 807%、831%及
817%。相比较而言,氨水中和可以为后续发酵提
供N源,应该是更适用于工业生产的选择。
2.2 SEM分析及EDS分析
Ca(OH)2中和会生成溶解度较小的CaSO4,CaSO4
沉积于物料表面会影响酶解,NaOH、氨水中和则不会
引起此问题,因此为了进一步考察Ca(OH)2中和对纤
维素酶解的影响,对水洗物料和Ca(OH)2中和物料进
行了扫描电镜(SEM)分析及能谱(EDS)分析。图2为
稀酸蒸爆预处理物料经水洗(图2(a))及Ca(OH)2中
和(图2(b))后的SEM图。由图2可知:经稀酸蒸爆处
理后,纤维素已没有结晶区和非结晶区的区别,由长条
状的晶束变成了絮状绒毛状,其间夹杂着不规则的孔
洞,质地较疏松。稀酸蒸爆过程会使一部分半纤维素
降解成可溶性的木糖及寡聚糖等,水洗过程可去除这
部分半纤维素,使更多的纤维素暴露出来,提高酶解效
率。图2(a)中可见水洗后物料的结构更为疏松,孔隙
较多。而用Ca(OH)2直接中和,由于生成的CaSO4溶解
度较小,势必会造成部分CaSO4沉积在物料表面从而影
响酶解。从图2(b)可见:经Ca(OH)2中和的物料未见
明显的CaSO4颗粒沉积,只是隐约可见有微小颗粒夹杂
其间。为进一步确定CaSO4的存在,又对其进行了能谱
分析,结果如图3所示。由图3可知:Ca(OH)2中和的
物料中含Ca、S、O元素(图3(b)),而水洗物料中未检
测到Ca、S元素的存在(图3(a)),从而说明Ca(OH)2
中和物料中有CaSO4存在。
图2 稀酸蒸爆物料经水洗(a)和Ca(OH)2中和(b)后的SEM图
Fig.2 SEM ofdiluteacidcatalysedsteamexplosionneutralizedwithwaterandCa(OH)2
图3 稀酸蒸爆物料经水洗(a)和Ca(OH)2(b)中和后的能谱图
Fig.3 EDSofdiluteacidcatalysedsteamexplosionneutralizedwithwaterandCa(OH)2
3 第1期 张红漫等:中和剂对稀酸蒸爆玉米秸秆酶解效果的影响
2.3 阳离子对酶活的影响
采用中和剂调节酸度,是在体系中引入硫酸盐,
实验考察不同阳离子对纤维素酶活的影响(表1)。
从表1可知:低浓度的阳离子(Na+、NH4
+)对纤维素
酶活的影响相对较小,这是由于当阳离子浓度较低
时,可能只与酶表层附近的原子或基团发生相互作用
而使酶的构象发生一定程度的变化[10],如果这种变
化能使酶分子中的电子传递进行得更加流畅,就可表
现为激活作用。由表1还可知:随着阳离子浓度的增
加,其对纤维素酶活的抑制作用也增加。这可能是由
于浓度增加后,阳离子进入了酶分子的内部结构,导
致其构象变化太大,使该部位的电子传递功能受到影
响,因而可表现出从激活作用逐渐转变为抑制作用,
或者随着离子浓度增加,抑制作用增强[11]。其中
Ca2+对纤维素酶活的影响最大,Ca2+浓度为5mmol/L
时,纤维素酶活降低了492%。这可能是因为 Ca2+
能与纤维素酶活性中心上半胱氨酸残基(Cys)的巯基
(—SH)相结合,从而抑制酶活;同时Ca2+作为二价金
属离子,其对酶分子结构构象变形的影响也会更大,
因而抑制作用会更强。这一结论也与前述Ca(OH)2
中和后纤维素转化率最低相一致。NH4
+对纤维素酶
活的影响相对较小,浓度为5mmol/L时也仅使纤维
素酶活降低197%。因此工业生产上考虑氨水中和
也是合理的。
表1 阳离子对纤维素酶活的影响
Table1 Efectsofcationsontheactivityofcelulase
离子种类
c(离子)/
(mmol·L-1)
CMC比酶活/
(U·mL-1)
酶活提高率/
%
空白 0 712 0
Ca2+
5
1
677
693
-492
-267
Na+
5
1
688
715
-337
042
NH+4
5
1
698
707
-197
-070
3 结 论
本文采用中粮肇东中试工厂的稀酸蒸爆物料,
分别采用水洗、Ca(OH)2、NaOH及氨水中和至 pH
为5左右,其物料酶解 72h纤维素转化率分别为
917%、807%、831%及 817%。尽管水洗能得
到较高的纤维素转化率,但这一过程会消耗大量的
水资源,因而不适合于工业化生产。Ca(OH)2中和
由于其生成的 CaSO4溶解度较小,沉积的 CaSO4颗
粒吸附于纤维素物料表面,降低了纤维素酶的可及
性而使酶解效率降低。同时 Ca2+对纤维素酶活有
明显的抑制作用,当Ca2+浓度为5mmol/L时,可使
纤维素酶活下降492%。从成本及对后续发酵过
程的影响来看,选择氨水中和不仅成本较为低廉,
同时可为后续发酵过程提供一部分 N源,因而氨水
中和更适合于工业化生产。
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