全 文 ：第 ! 卷第 # 期
#$%$ 年 & 月
生"物"加"工"过"程
38GH=-=S?FBHDE?AbG?.B?J=--LHIGH==BGHI
c?E/! 4?/#
UDB/#$%$
@?G$%$/&)+)5T/G--H/%+2# *&+2!/#$%$/$#/$$% 收稿日期$#$$) *$+ *$)
基金项目$国家自然科学基金青年科学基金资助项目"#$)$+$,%#
作者简介$陈晓萍"%)!&%#&女&河北石家庄人&硕士研究生&研究方向$生物资源与生物转化毛忠贵"联系人#&教授&博士生导师&L1评价木质纤维素预处理效果的新方法
陈晓萍&孙付保&张建华&张宏建&毛忠贵
"江南大学"生物工程学院 工业生物技术教育部重点实验室 发酵与生态工学研究室&无锡 #%,%###
摘"要$以玉米秸秆为代表性纤维质原料&尝试建立一种评估预处理效果的新方法$ $$持水率测定法&即$将试样 在室温下浸泡 % 8&在分离因数 %$$ $ 下离心 化性具有一致性&在某种程度上具有正相关性持水率作为一种简单快捷的新型测定方法&能够用来评估木质纤维
素类生物质的预处理效果&不同预处理方法通过打破木质纤维的复杂致密结构&破坏氢键和酯键作用增加其孔径
和孔穴&同时使其暴露出更多的游离羟基等亲水性基团&最终增加了木质纤维的持水率(
关键词$评价木质纤维素预处理效果持水率酶解 中图分类号$N#%+/#""""文献标志码$;""""文章编号$%+2# *&+2!"#$%$#$# *$$$% *$2
*E0F-2G7240H5635F./; 940F405FE0/F0770:F.H0/011276.;/2:063621.:1
3KL4MGD?1.GHI& NO4PF16D?& QK;4RSGDH18FD& QK;4RK?HI1TGDH&U;VQ8?HI1IFG
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J0K L24G1$=CDEFD>G?H EGIH?J=EFE?-= .B=>B=D><=H> YD>=B8?E@GHIJD.DJG>W =H7WGJ8W@B?EW-G-
""木质纤维原料化学组成复杂和致密结构多级
不均一是其难以生物降解的关键&因此纤维质生物
转化时常需要对原料进行有效的预处理)%* ( 预处
理的目的是改变天然木质纤维素的致密结构&破坏
纤维素+木质素和半纤维素之间的化学和物理连
接&降低纤维素的结晶度&或脱去木质素&增加原料
的疏松性以增加纤维素酶系与纤维素的有效接
触)#* ( 通过预处理可利于微生物和酶的渗入+接触
并作用( 目前&关于预处理的报道已经很多)&!* &但
所报道的预处理评价指标主要集中在秸秆处理前
后的化学组成变化+降解率以及酶解率等&这些指
标难以全面直观地反映预处理前后木质纤维素的
整体结晶度和结合度的变化( 笔者尝试引入一种
新颖的综合性评价指标,持水率-概念"YD>=B8?E@1
GHIJD.DJG>W&_K3#&作为木质纤维素预处理后,海
绵化-结构的量度(
""持水率并不是一个新的概念&国内外在林地
学+造纸学和食品工业领域里都有相关的研究报
道)+ *)* ( 最早对持水率作出概念化描述的是美国的
R?FE@等)%$* &他们认为对原料预后处理后&可去除木 质素&破坏细胞壁的完整形态&增加持水率( 笔者 以玉米秸秆为代表性木质纤维原料&离心分离法为 手段建立持水率的测定方法&并对酸5碱预处理前 后的玉米秸秆进行持水率测定&最后通过分析表征 预处理前后木质纤维素的化学组成以及理化结构 的变化&初步探讨持水率方法能够用来评估木质纤 维素预处理效果的原因( C?材料与方法 C=C?材料与设备 %/%/%"实验材料 玉米秸秆产地河北&风干后 ,$ 目粉碎+过筛&粉
碎后的玉米秸秆置试样袋中密封储存&备用( 纤维
素酶"每克含羟甲基纤维素酶比活 # $$O&对硝基 苯基 ! 6 吡喃半乳糖苷酶"949R# ,$$ O#&由无
锡杰能科公司提供&, g冷藏备用(
%/%/#"仪器设备
傅立叶变换红外光谱仪"P`10^& 4GJ?E=>4=[F-
,2$#&\`RN检测器( C=@?实验方法 %/#/%"玉米秸秆的预处理),* ""取适量备用玉米秸秆&按一定固液比加入已配 制成不同质量分数的化学试剂( 预处理条件$固液
比为 %h%$&%#% g下蒸煮 &$ %$g烘至恒质量获得处理试样( %/#/#"玉米秸秆的酶解)* 取适量预处 理 后 的 试 样 用 乙 酸 缓 冲 液 "$i# 液&然后加入纤维素酶溶液至单位底物&置于 $g 摇床上 %!$ B5%/#/&"持水率的测定
""持水率"_K3#是指被测试样在施加某种作用
力时仍能牢固保持一定的负载水能力&即在一定的
分离因数下能去除与玉米秸秆结合不紧密的游离
水&而不能去除与细胞壁毛细孔道及以氢键结合紧
密的吸附水和结合水( 采用离心分离法&即精确称
取上述预处理后的绝干试样 % I放入 #$ 中加入 %$ $ 撑&钢丝球上放置已知质量的纱布&用以隔离物料
与离心水分( 在分离因数 7k% $$$下离心 称试样质量( 根据离心前后称试样质量差变化&即
可换算得到持水率( 持水率越大表明试样的处理
效果越好(
分离因数7为旋转加速度
"
#
3与重力加速度 1
之比&如下式所示$7k " # 381k"# # 3,8+$ #
#
8"31#
"
3,
#
8)$$
式中$
"
为旋转角速度&BD@5-3为旋转体离旋转轴
的距离&<,为转速&B5C=M?测定方法
%/&/%"玉米秸秆中纤维素+半纤维素+木质素质量
分数的测定)%%*
玉米秸秆中纤维素+半纤维素+木质素质量分
数用如下公式计算$9"半纤维素# k9"4\P# *9";\P# 其中$4\P为中性洗涤纤维;\P为酸性洗涤纤维(
9"纤维素# k9";\P# *9"经 2#j K
#
NV
,
处
理后的残渣#
9"酸性洗涤木质素# k9"残渣# *9"灰分#
%/&/#"还原糖测定方法
""还原糖测定采用\4N法)%#* (
%/&/&"酶解率的计算
酶解率k +"酶解后总还原糖# l$i) 9"预处理后玉米秸秆中纤维素# l%$$j %/&/,"持水率的计算 持水率k + % *+ # + # l%$$j 式中$+
%
为在设定分离因数下离心后玉米秸秆和水
的质量&I+
#
为称取绝干玉米秸秆的质量&I(
%/&/"红外光谱分析
取充分干燥的玉米秸秆试样少许&放入玛瑙研
钵内&加入ebB混合研磨后&压片&在红外光谱仪上
# 生"物"加"工"过"程"" 第 ! 卷"
进行红外光谱扫描分析( 环境$空气扫描速度$
$i# J< *% 扫描次数$ &# 次分辨率$, J<*%在 ,$ $$m,$$ J<
*%摄谱(
@?结果与讨论
@=C?测定持水率方法的建立
常温常压下&当玉米秸秆与一定状态的水接
触后&玉米秸秆将吸入水分&最终达到恒定的含水
量&称之为平衡水&这种水分不会因为接触时间延
长而改变( 玉米秸秆中水分去除的难易程度取决
于玉米秸秆与水分的结合方式( 玉米秸秆中的吸
附水分和孔隙中的水分&都属于非结合水&它与玉
米秸秆为机械结合&一般结合力较弱&故极易除
去( 通常细胞壁内的水分+原料毛细管内水分+原
料组分氢键结合的水等都属于结合水&它与玉米
秸秆原料结合紧密&较难除去( 采用不同的分离
因数离心浸泡后的玉米秸秆&由于游离水较易除
去&因此在低转速下除去游离水&而随着分离因数
的增大&游离水基本被去除&如果分离因数过高&
与玉米秸秆化学结合和物理截留的水)%&*也会有少
部分被去除( 因此下面通过初步优化分离因数+
离心时间和浸泡时间等参数&建立持水率测定
方法(
#/%/%"离心时间和分离因数对持水率的影响
精确称取未处理的玉米秸秆 % I&加入 %$ 水&室温浸泡相同时间&在不同的分离因数下离心
+%$ 和 % 图 %(
图 C?离心时间和分离因数对持水率的影响
N.;=C?#70:F127G.7040/F:0/F4.73;5F.2/F.E05/G
109545F.2/75:F242/F-0&",
""由图 % 可知$随着分离因数的增加&玉米秸秆 的持水率有逐渐下降的趋势&在分离因数较小时 除去的水为游离水( 当分离因数到达%$ $$时&持 水率已趋平稳&这时与玉米秸秆结合的水可视为 结合水( 随着离心时间的增加&对比发现在分离 因数较小时&离心时间越长持水率越低&但当分离 因数为%$$ $时&持水率也趋平稳&且 +%$ 和 %
离心时&持水率和离心时间有很大的关系&但当分
离因数达到% $$$时&离心时间对持水率影响不明 显( 因此&本着节约时间和能耗原则&确定以后实 验中分离因数为%$$ $&离心 #/%/#"浸泡时间对持水率的影响
""精确称取未处理的玉米秸秆 % I&加入 %$ 室温浸泡 %+#+& 和 , 8&在分离因数 % $$$ 下+离心
图 @?浸泡时间对持水率的影响
N.;=@?#70:F127G.7040/F125OF.E02/F-0&",
""由图 # 可知$物料浸泡时间对持水率影响不显 著( 这是因为物料在吸附足够的水后&并不会随着 浸泡时间的延长而吸附额外的水&同理玉米秸秆吸 附的结合水达到饱和后也不会随着浸泡时间的延 长而增加( 本着节省时间和资源的目的&确定浸泡 时间为 % 8( @=@?预处理玉米秸秆的持水率 ""如果某种预处理方法能显著降低木质纤维素 的结合度和结晶度&则单位质量的木质纤维素含 有的微小孔隙或毛细管道数量必然会显著增加& 引起物料木质纤维素比表面积及自由氢键的显著 增加&从而引起单位质量木质纤维素对水分吸附 量的增加( 分别以质量分数为 %j+#j的 K # NV , 和质量分数为 %j+#j+&j和 ,j的4DVK来进行 酸碱预处理&考察预处理后木质纤维的持水率&经 酸和碱溶液预处理后玉米秸秆的持水率如图 & 所示( &"第 # 期 陈晓萍等$评价木质纤维素预处理效果的新方法
图 M?稀酸和稀碱预处理对持水率的影响
N.;=M?#70:F1275:.G5/G56O56.940F405F0E0/F1
2/F-0&",
""由图 & 可知$经稀酸处理后持水率较对照组均
有所提高&这是因为半纤维素极易溶于酸&破坏了
玉米秸秆原本紧密结合在一起的半纤维素与木质
素结构&使处理后的玉米秸秆持水率有所上升( 随
着K
#
NV
,
质量分数的上升&持水率反而会下降&这
可能是因为质量分数为 #j的K
#
NV
,
脱除大量半纤
维素后使木质素含量相对升高&且半纤维的损失使
结合水的基团相应减少&因此持水率反而会降低(
经不同质量分数 4DVK处理玉米秸秆后&持水率较
对照组有明显上升&尤其是质量分数为 &j的4DVK
处理后的持水率最高( 朱跃钊等)%,*认为碱处理机
理在于VK*能够削弱纤维素和半纤维素之间的氢
键及皂化半纤维素和木质素分子之间的酯键&因此
有利于结合更多的水( NDHIHDBX 等)%*解释在碱处
理过程中不仅降低了木质素的含量&更重要的是通
过机械剪切力打开了纤维结构&使纤维素的游离羟
基增多&从而可增加更多结合水( R?FE@)%+*解释说
这种处理机制可以破坏膳食纤维的结构&打断纤维
链之间的氢键&有效自由羟基的增加&增加了吸附
水分子的能力&从而提高了木质纤维素的持水率(
同样 NJ8)%2*也认为强碱处理会使原料产生可溶
性物质&这样细胞壁中的木质素就会被部分脱出&
导致原料结构变化&纤维素的小片段化有利于持水
性增加(
@=M?预处理纤维质持水率增加的机理分析
前面的实验工作表明$酸5碱等预处理方法显 著提高了木质纤维类生物质的持水率&尝试探讨这 些预处理方法对木质纤维素的化学组成和理化结 构等方面的影响&以期了解这些预处理方法增加木 质纤维持水率的原因( #/&/%"木质纤维在预处理前后的化学组分变化 精确称取各种预处理玉米秸秆 % I对它们进行 主要化学组成分析&结果见表 %( 表 C?稀酸和稀碱处理后玉米秸秆的主要化学组成 D5I60C?A5./:-0E.:56:2E921.F.2/275:.G5/G 56O56.940F405F0G:24/1F56O1 j 处理条件 9"纤维素# 9"半纤维素# 9"木质素# 对照 &!i! #,i% %$i%
%j K
#
NV
,
&i, %2i! %#i)
#j K
#
NV
,
+i2 i$%!i %j 4DVK +%i$ %,i i!
#j 4DVK ++i$%i %i# &j 4DVK 2%i) %%i$ $i! ,j 4DVK +)i, %%i+$i)
""由表 % 可知$稀酸预处理脱除了玉米秸秆中大 量的半纤维素&导致纤维素和木质素的相对含量增 加( 半纤维素等化学组分的脱除&可能造成纤维化 学组成中释放出更多的游离羟基+氢键等亲水基 团&同时化学结构中也出现更多的空隙和裂缝&从 而提高了木质纤维素的持水率( 经不同浓度 4DVK 处理后的玉米秸秆中纤维素相对含量明显上升&木 质素含量明显下降&尤其是经质量分数为 &j4DVK 处理的秸秆纤维素含量最高&木质素含量最低&且 它的持水率高达 %!$j"图 &#( 碱溶液预处理能够
增加纤维质持水率&可能是由于碱溶液有较强的脱
木质素的能力)%!* &且能引起木质纤维原料润胀&导
致玉米秸秆内部表面积增加&结合度降低&结晶度
下降&木质素和碳水化合物之间化学键断裂&木质
素结构受到破坏&使木质素脱出&破坏了木质纤维
形态 的 完 整 性& 从 而 最 终 增 加 了 纤 维 的 持
水率)%) *#$* ( 另外&由于半纤维素分子结构上有许多游离的 羟基&半纤维素的首位羟基和次位羟基具有较强的 亲水性&因而半纤维素的损失使得纤维表面的亲水 性基团减少)&* &这可能是稀酸预处理提高纤维质持 水率不如碱溶液处理效果好的原因( #/&/#"预处理前后玉米秸秆电镜照片比较 为了进一步了解各种预处理方法提高秸秆持 , 生"物"加"工"过"程"" 第 ! 卷" 水率的原因&尝试以电子显微镜观察预处理前后玉 米秸秆表面的结构变化( 选取未处理的和经 %j K # NV , 以及 &j 4DVK处理的玉米秸秆进行电镜扫 描&结果如图 , 所示( 图 P?酸碱预处理前后玉米秸秆纤维的结构变化 N.;=P?!F43:F340:-5/;027:24/1F56O7.I04I072405/G57F045:.GQ56O6./0R940F405FE0/F ""由图 , 可看出$原玉米秸秆的理化结构非常致
密&而稀酸或稀碱处理后玉米秸秆的致密结构已经
被破坏&在纤维表面已经形成了许多的缝隙和孔
穴&尤其4DVK处理后玉米秸秆的粒度变小且非常
分散&疏松化更为明显&并出现大量的孔穴&从而有
助于木质纤维结合水分( 预处理后木质纤维素类
生物质的结构变得松散&结合度降低&缝隙和孔穴
大量增加是其持水率显著提高的原因(
#/&/&"预处理前后玉米秸秆红外光谱分析
在此基础上&进一步利用红外光谱分析技术对
酸5碱处理的玉米秸秆纤维进行化学结构分析&结
果如图 所示(
图 S?玉米秸秆处理前后的红外光谱图
N.;=S?NDR)T190:F45 27:24/1F56O7.I04I072405/G
57F045:.GQ56O6./0R940F405FE0/F
""由图 可知$原玉米秸秆在 % 2&$ J<*%附近有
强烈吸收峰&其为酯键的特征吸收峰&而经K
#
NV
,
和
4DVK处理后此峰分别变弱或基本消失( 这些表明
连接多糖和木质素之间的阿魏酸+对羟基肉桂酸等
关键性酯键都被裂解)#%* &从而增加了亲水基团羟基
的数量(
原玉米秸秆和酸处理玉米秸秆在 % +$% 和 % %, J< *%处有较强特征吸收峰&此峰是苯环骨架 的伸缩振动&代表木质素组分的伸展&而经 4DVK 处理的玉米秸秆此吸收峰不明显&说明后者基本 除去木质素&可以暴露更多的纤维素&增加亲水 基团( & ,$$m& #$$J< *%为氢键结合的醇和酚特征吸 收峰)##* &经处理后的玉米秸秆其羟基特征吸收峰向 高波移动&且峰明显变宽&表明预处理秸秆纤维中 的氢键受到破坏&有更多的游离羟基生成( 总之&红外谱图结果表明持水率的增加是与氢 键被破坏&羟基数量增多密不可分的( 前文中化学组分分析和理化结构表征表明&木 质纤维类生物质经预处理后持水率增加的原因可 能是$各种预处理方法&破坏了木质素和半纤维素
之间的紧密结合&打破了木质纤维的复杂致密结
构&使其孔径和孔穴增加&增加了吸水性比表面积
同时&这些预处理方法破坏了其氢键和酯键作用&
使纤维暴露出更多的游离羟基等亲水性基团&从而
使物料可以更多的以化学作用力来吸附水&最终增
加了木质纤维的持水率(
@=P?持水率法应用于木质纤维素可消化性的探索
""目前在评估木质纤维类生物质可消化性时&常
用酶解率来判断( 对有较好持水率的酸5碱预处理
木质纤维进行酶解&以探索纤维质的持水率与可酶
解性的相关性&结果如图 + 所示(
"第 # 期 陈晓萍等$评价木质纤维素预处理效果的新方法 图 U?稀酸和稀碱预处理对酶解率的影响 N.;=U?#70:F127G.63F0G5:.G5/G56O56.940F405FE0/F1 2/0/VKE5F.:-KG426K1.1K.06G ""由图 + 可知$与原玉米秸秆相比&经质量分数为
%jK
#
NV
,
和 &j的4DVK处理玉米秸秆的酶解率分
别达到 &$j和 !$j以上&而三者对应的持水率分别
为 !$j+%&$j和 %!$j"图 &#( 该实验结果初步表 明&木质纤维较高的持水率代表着较好的可消化 性&持水率与可消化性在某种程度上具有相关性( 这是因为$这些预处理方法&通过脱除木质纤维中
一些化学组分"木质素或半纤维素等#打破了纤维
的致密结构&导致玉米秸秆内部表面积增加&结合
度降低&结晶度下降&木质素和半纤维素之间化学
键断裂&增加了物料的缝隙和孔穴以及一些游离的
亲水基团&从而提高了木质纤维的持水率同时&这
些有利条件也有效促进了酶与纤维的吸附和水解(
M?结?论
以玉米秸秆为木质纤维质原料&通过考察一些
关键性参数建立了一种新颖的持水率测定方法&并
尝试用它来评价一些木质纤维类生物质的预处理
效果&并对其原因进行了机理性分析$%# 通过初步优化&得到持水率的适宜测定条件 为$物料常温浸泡 % 8+分离因数为 % $$$ 和离心
## 持水率作为一种简单快捷的新型测定方法&
能够用来评估木质纤维素类生物质的预处理效果(
由于不同预处理方法&能打破木质纤维的复杂致密
结构&使其孔径和孔穴增加&增加吸水性比表面积
同时&通过破坏氢键和酯键作用&使木质纤维素暴
露出更多的游离羟基等亲水性基团&可最终增加木
质纤维的持水率(
&# 木质纤维的持水率与可消化性在机理上具
有一致性&但持水率能直观且更完整地反映出木质
纤维素原料在处理前后可被微生物或酶利用的潜
能变化&反映产品的海绵化程度&物理意义明确&可
通用到木质纤维质原料预处理效果的评价中&也便
于各种预处理方法的优劣比较(
参考文献$)%*"陈洪章&孙付保&韩业君/纤维素乙醇预处理技术)3* # #$$! 工业生物技术发展报告/中国科学院生命科学与生物技术局& 天津$)出版者不祥*&# $$!$%,$1%%/ )#*"张鑫&刘岩/木质纤维原料预处理技术的研究进展)S*/纤维素 科学与技术&#$$ &%&"##$,1!/ Q8DHIMGH&ZGF ]DH/;@CDHJ=?AEGIH?J=EFE?-=-.B=>B=D><=H>>=J81 H?E?IW)S*/S3=EFENJG`=J8&#$$&%&"##$,1!/
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bG?B=-` =J8H&# $$!&))$+),12$#/ ),*"邱向锋&管斌&乔抚顺&等/饲用稻草预处理的研究)S*/粮食与 饲料工业&#$$ +"##$&%1&#/ (GF MGDHIA=HI&RFDH bGH&(GD?PF-8FH&=>DE/N>F@G=-?H .B=>B=D>1 <=H>?ABGJ=->BDYA?BA??@)S*/3=B=DEP==@ 0H@&#$$+"##$&%1&#/
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学出版社&%))&$!1+&/ )%#* 张龙翔&张庭芳&李玲媛/生物化学实验指导)U*/北京$人民
教育出版社&%)!&/
)%&* P=HH=北京$中国轻工业出版社&#$$&/ )%,* 朱跃钊&卢定强&万红贵&等/木质纤维素预处理技术研究进展 )S*/生物加工过程&#$$,&#",#$%%1%+/
Q8F ]F=78D?&ZF \GHIaGDHI&_DH K?HIIFG&=>DE/9B?IB=--=-?H
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+ 生"物"加"工"过"程"" 第 ! 卷"
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国内简讯
江南大学开发研制焙烤专用脂肪酶
""教育部在江南大学组织并主持召开了由该校承担的国家高技术研究发展计划"!+& 计划#,华根霉脂肪
酶在毕赤酵母中的高效表达+定向进化及其应用研究-项目的成果鉴定会( 该项目从中国传统发酵食品的
大曲中筛选+克隆得到具有自主知识产权的新型华根霉脂肪酶基因&利用高效定向进化技术进一步提升改
造脂肪酶的催化性能&通过发酵调控技术&开发生产廉价的新型脂肪酶制剂( 研究表明该项目开发的脂肪
酶能够显著增加面包的比容+改善面包质构以及延缓面包老化&与国外公司同类脂肪酶产品相比&该酶在改
善面包的硬度+弹性+胶着性和咀嚼性方面效果更佳( 鉴定委员会一致认为项目综合技术水平达到国际领
先( 该成果对综合提高我国食品领域的科技水平&推动我国酶制剂行业的产业化进程具有重大意义(
""我国化学+生物改性聚烯烃材料实现产业化
""由中科院长春应用化学研究所+山东威高集团+哈尔滨工业大学五塑实业有限公司共同承担的,聚烯烃
材料的化学与生物改性及其大规模应用-项目&经过几年的不懈努力&成功制备出防雾滴期达 %# 个月以上
的农用长效防雾滴棚膜+油田集输油管和一次性输液器械等产品(
""近代物理研究所建成微生物发酵中试平台
""在中国科学院,西部行动-和,科技支甘-项目的共同支持下&中科院近代物理研究所生物物理室科研人
员在位于中科院白银高技术产业园的中试基地建成了微生物发酵中试实验生产线&生产出以甜高粱秸秆汁
为发酵原料的酵母产品&并以此为原料成功地生产出了
!
葡聚糖产品(
""成都生物所开展的鲜甘薯燃料乙醇万吨级生产实验
""成都生物所筛选出的高效高浓度乙醇发酵菌株&针对鲜甘薯特征性高黏度开发了高效降黏综合技术&
将小试+中试获得的各种参数指标优化&应用于万吨级燃料乙醇示范生产线上( 连续 批次发酵实验结果表
明&通过鲜甘薯高效降黏酶系的作用&可使发酵醪的黏度从 % $$<9D!N 以上降到%$$ $<9D!N 以下&发酵 时间在 &$ 8以内&乙醇体积浓度平均可达 %$i,j&最高可达到 %#i,%j&平均发酵效率高于 )$j( 发酵醪
料水比可达到 ,h%&具有明显的节能效果(
"文伟河#
2"第 # 期 陈晓萍等$评价木质纤维素预处理效果的新方法