全 文 ：第 ! 卷第 # 期
$%&% 年 && 月
生"物"加"工"过"程
*cF/3! 8F3#
8FM3$%&% DFC"&%37#7 ,^3C11L3$ ?#6!3$%&%3%#3%%# 收稿日期"$%&% ?%# ?%
基金项目"国家自然科学基金资助项目$%!6&77$%&国家重点基础研究发展计划$76 计划%资助项目$$%%6*` 6%6!%&%&国家高技术研究发展 计划$!# 计划%资助项目$$%%#..%$%$%0%
作者简介"陈"牧$&760%#女#江苏南京人#实验师#研究方向"生物化工#Z-J@C/"A玉米秸秆不同部位的组成及其对预处理的影响
陈"牧#黄"阳#连之娜#徐"勇#欧阳嘉#勇"强#余世袁
$南京林业大学 化工学院 林木遗传与生物技术省部共建教育部重点实验室#南京$&%%6%
摘"要"不同玉米秸秆部位的成分组成及分布对预处理和酶解影响显著( 研究表明"韧皮部与髓芯的成分相近#但
叶子的差异较大#其木聚糖和总糖的质量分数最高#分别为 $7g0!f和 ##g&(f#而木质素的质量分数最低#因而叶 子更容易预处理( 玉米秸秆在稀酸预处理过程中可回收 7#g7f葡聚糖和 (%g%f i6%g%f木聚糖#其中 (%g%f i #%g%f木聚糖水解成木糖溶出&不同部位的木聚糖损失率与初始的木聚糖含量正相关&经稀酸预处理后#叶子中葡 聚糖的质量分数最高#达 6$g0%f#叶子和髓芯易于被纤维素酶水解生成葡萄糖#而韧皮部困难( 不同部位的酶解
得率与自身的葡聚糖含量正相关#与酸不溶木质素含量负相关#同时受原料的物理结构)葡聚糖和木质素大分子的
化学组成等影响(
关键词"玉米秸秆&稀S
$]+ 0 &预处理 中图分类号"9!&0""""文献标志码".""""文章编号"$ ?#6!$$%&%%%# ?%%$! ?%(
<54.0G62:56:2I921.F.2/127:24/1F2A045/GF-0.40770:F12/940F405FI0/F
*SZ8QG#ST.8VU@LX#NO.8R$)HKN@:FE@BFEKFIYFEH1BVHLHBCA1h C`FBHA8@L C^LXYFEH1BEKTLCMHE1CBK#8@L C^LX$&%%6#**J1F45:F"52EHBEH@BJHLB@LD HL;KJH:KMCH_FIB2CBA<#BBHD IFE##g&(f3QH@L__FG/D :HH@1CHEB<@L FBDGECLXDC/GBH1G/IGECA@ACD 2EHBEH@BJHLB#CL _@LD 1F/MHD CL BM@ECFG1AFEL 1BFMHEIE@ABCFL13.IBHEDC/GBH1G/IGECA@ACD 2EHBEH@BJHLB#BBB<@L :@1BFL AH/G/@1H/@1HX/GA@L AFLBHLB@LD LHX@BCMH/KEH/@BHD BF/CXLCL AFLBHLBCL 2EHBEH@BHD EH1CDGH1# EH12HABCMH/K#@LD CLI/GHLAH
FIBDGH1_HEHCLMF/MHD3
M0K N24G1"AFEL 1BFMHE&DC/GBH1G/IGECA@ACD&2EHBEH@BJHLB
""利用可再生的植物纤维资源生产燃料乙醇已
成为世界各国的共识#其中丰富廉价的农作物秸秆
类原料备受关注*&-$+ ( 在我国每年至少产出 6 亿 B 左右的农作物秸秆#仅玉米秸秆就达到$g( ig% 亿
B#因此利用玉米秸秆原料生产燃料乙醇的技术是当
前的研究热点( 农业生产中可获得的全玉米秸秆
主要包括秆$含韧皮部)髓芯%和叶子两大部分#它 们在材质结构和物质组成上都存在着较大的差异# 对燃料乙醇的预处理)酶水解和乙醇发酵等加工过 程影响显著( 笔者以北方玉米秸秆为材料#对它不 同部位的组成分布及其对稀酸预处理的影响进行 研究#以期为玉米秸秆生产燃料乙醇技术的研发提 供理论指导( D?材料与方法 DWD?材料 ""全玉米秸秆$不含根部%产自黑龙江地区#风干
后将全玉米秸秆人工剥离成韧皮部$含木质部%)髓 芯和叶子 个部分#分别粉碎过筛得到 &!% i !(% # J的粉末#室温贮藏备用( 液体葡聚糖酶来自 ]CXJ@公司#产自里氏木霉$D&+4(%,&)# &,,-,.5**
$#7$&%(
DWB?实验方法
&g$g&"稀酸预处理实验 ""用质量分数 &g%f的稀 S$
]+
0
充分浸渍 种玉
米秸秆粉末$固液比 &l&%%#转入% JN不锈钢水解 罐#密封后于&(% j预处理#% JCL#置于冷水中迅速 冷却至室温得预处理料( 采用 V 玻砂过滤预处理 料后#再用 &l&% 的热水吸滤洗涤预处理料 遍#收 集滤液和滤渣( &g$g$"滤渣的葡聚糖酶水解反应 ""在(% JN三角瓶中加入$g%%% X滤渣#葡聚糖酶
用量为每克葡聚糖&%g% T#以&g% JF/,N柠檬酸缓冲
液调节 2S0g!#用蒸馏水定容至$% JN#封口后置于 (% j)!% E,JCL恒温振荡水浴中反应0! <( 取样后 密封煮沸&% JCL灭活#于&% %%% E,JCL离心( JCL后 取上清液#经适当稀释后采用高效液相色谱法测定 各种单糖的含量#然后计算得到葡聚糖的酶水解 得率( &g$g"物料全分析
""物料全分析采用84ZN方法*+ (
&g$g0"水解液中单糖的测定 ""采用高效液相色谱仪$.XC/HLB&&%%%以外标法
测定单糖的浓度( 色谱柱 C`F-4@D .JCLHbS=P!6
S及阳离子脱灰柱 C`F-4@D *@BCFL-S#流动相为
%g%%( JF/,NS
$]+ 0 #流速%g# JN,JCL#柱温(( j# 进样量&( # N( 采用示差折光检测器检测#衰减 0 级( B?结果与讨论 BWD?玉米秸秆不同部位的组成差异 ""采用 84ZN方法对玉米秸秆中韧皮部)髓芯和 叶子 个部位的葡聚糖)木聚糖)木质素和灰分的含 量进行了测定#结果如表 & 所示( 表 D?玉米秸秆各部位的化学成分 E5J60D?<54.5F.2/1./:24/1F2A04745:F.2/1:2I921.F.2/ _ 原料来源 ;$葡聚糖% ;$木聚糖% ;$酸溶木质素% ;$酸不溶木质素% ;$灰分%
韧皮部 !g#6 $%g%0 g!6 &!g6% (g#7 髓芯 !g76$%g#( 0g% &(g7% 0g7$叶子 #g#6$7g0! (g%% !g70 0g!0
全秸秆 !g$#$&g66 0g(6 &#g%( (g%(
""由表 & 可见"在玉米秸秆的 个不同部位#均含
有丰富的葡聚糖和木聚糖#并且以葡聚糖为主( 韧
皮部与髓芯 $个部分的物质组成几乎相近#而叶子 与前两者的差异十分显著#主要是木聚糖和木质素 的含量变化较大( ""在玉米秸秆中#不同部位的葡聚糖质量分数都相 7$"第 # 期 陈"牧等"玉米秸秆不同部位的组成及其对预处理的影响
近#占原料的 #g%f以上( 与韧皮部和髓芯相比#叶
子中的葡聚糖量下降了 (g%f左右#但木聚糖的质量
分数提高了 06g%f以上#达到 $7g0!f#进而使葡聚 糖和木聚糖的总糖量达到原料的 ##g&(f#较韧皮部 和髓芯增长近 &$g%f&同时木质素的质量分数却减少
了0g#fi($g$f#仅占原料的 &g70f( 基于现有
玉米秸秆燃料乙醇的生产技术原理#叶子部分更容易
进行预处理( 从植物学的角度分析#由于木质素组分
有利于加固细胞壁和增加茎干抗压强度的作用#也可
增强植物茎干的纵向疏导能力#因而在负责支撑玉米
秸秆的韧皮部的髓芯部位#木质素含量较高*0+ (
BWB?玉米秸秆不同部位在预处理过程中的变化
""天然的木质纤维原料须经过适当的预处理才
能进入酶水解工序#其中稀酸组合法是一种有效的
预处理技术*(+ ( 在&(% j下#以 &g%f S
$]+ 0 分别对 全秸秆及 个部位的物料预处理#% JCL#洗涤分离 后得到各自的滤液和滤渣#其中滤渣的成分分析结 果如表$ 所示(
表 B?玉米秸秆不同部位经过预处理后的成分变化
E5J60B?,-5/;01./:24/1F2A04745:F.2/1:2I921.F.2/57F04940F405FI0/F _
原料来源 ;$滤渣% 滤渣成分 ;$葡聚糖% ;$木聚糖% ;$酸溶木质素% ;$酸不溶木质素% 韧皮部 (6g0# #g!7$g0! g$( %g#6 髓芯 (0g0$ #!g&% &g$! g(%$7g$( 叶子 06g&$ 6$g0% &g(! g&7 &!g%! 全秸秆 (0g#( ##g%% &g7! g#$!g6#
""由表 $可知"玉米秸秆的任何部位#在稀酸预处 理过程中近 (%f的固形物被溶出#其中绝大部分木 聚糖都能够被水解或降解溶出#滤渣中残留木聚糖 质量分数不高于$g(f#同时葡聚糖和酸不溶木质
素量却大幅度上升( 与韧皮部和髓芯部位相比#由
于叶子中初始木聚糖量最高#导致它经稀酸预处理
后所得滤渣中葡聚糖的质量分数也最高#可达到
6$g0%f#而残余酸不溶木质素的质量分数最低#仅 为 &!g%!f( 这与$g& 的分析结论一致( 根据纤维
素酶对木质纤维原料的水解特性#相对于韧皮部和
髓芯而言#玉米秸秆的叶子部分经稀酸预处理后滤
渣更容易被纤维酶水解*#+ (
""综合滤液中溶解葡萄糖和木糖的检测结果#可
以计算出玉米秸秆不同部位在稀酸预处理过程中
葡聚糖和木聚糖在滤渣和滤液的回收率#如图 &
所示(
图 D?玉米秸秆不同部位预处理后的聚糖回收率的比较
Q.;=D?,2I954.12/27F-0926K15::-54.G0140:2A04K K.06G27:24/1F2A04745:F.2/1./G.63F0136734.:5:.G940F405FI0/F
""由图 & 可见"玉米秸秆的各个部分经过稀酸预
处理后#葡聚糖的总回收率得率均超过 7#g7f#且
主要保留在滤渣中#滤渣中的葡聚糖总回收率达到
7(gf以上#水解生成葡萄糖溶于滤液的部分仅占
% 生"物"加"工"过"程"" 第 ! 卷"
g&f i0g!f&而木聚糖的回收率为 (%g%f i
6%g%f#大部分均水解成木糖溶出#且不同部位的差
异较大( 髓芯部位的木聚糖总回收率最高#为
#!g(f#其中水解溶出的部分达 #%g%f以上&叶子
中的木聚糖总回收率最低#仅为 (0g0f#其中
07g&f由滤液溶出( 由此可见玉米秸秆在稀酸高温
预处理过程中#葡聚糖基本不损失#而木聚糖的损
失高达 &g(f i0(g#f#主要是降解生成其他的衍
生物#如小分子有机酸和糠醛类抑制物等*6+ ( 对照
表 & 分析可知#在预处理过程中玉米秸秆不同部位
的木聚糖损失率与它们的木聚糖含量呈正相关的
趋势( 究其原因#与木糖的稀酸高温降解反应)原
料中木聚糖的化学组成和结构有关*!+ (
BWO?玉米秸秆不同部位预处理后的酶解性能比较
""在底物质量分数 &%f的条件下#将上述 0 种滤
渣分别加入每克含&% T纤维素酶的葡聚糖水解液
中0! <#它们的酶解得率与主要成分含量的关系如
图 $所示( 图 B?不同类型的葡聚糖酶解得率 与成分质量分数的关系 Q.;=B?X065F.2/1-.9J0FN00/F-0K.06G27;6:5/ 0//LKI5F.:-KG426K1.15/GF-0:2I921F.2/ ./G.7040/F401.G301 ""在相同的酶解条件下#叶子滤渣中葡聚糖酶解 得率最高#可达到 (7g6f#髓芯其次#为 ($g%f#而
韧皮部最低#仅为 0g(f#较叶子下降了 0$g6f( 这说明经过稀酸预处理后#玉米秸秆的叶子和髓芯 部分容易酶解生成葡萄糖#而韧皮部则难以酶解( 由图$ 可知"0 种滤渣葡聚糖的酶解得率与它们的
葡聚糖含量之间存在着正相关的趋势#而与酸不溶
木质素含量呈负相关的趋势#这与木质纤维原料的
纤维素酶水解规律完全一致#即木质素的存在会吸
附和阻碍纤维素酶分子对底物中纤维素$葡聚糖% 的进攻#进而影响酶解得率*7+ ( 但是#不同部位所 得滤渣中葡聚糖的酶解得率与上述两者的含量之 间却并未表现出明显的线性关系#尤其在韧皮部的 差异显著( 这说明上述滤渣的葡聚糖酶水解过程 不仅与它们的成分含量相关#同时受到物理结构) 葡聚糖和木质素大分子的化学组成等相关因素的 影响( O?结?论 ""&%在玉米秸秆中#韧皮部与髓芯的物质组成相 近#叶子的差异较大#其木聚糖量提高了 06g%f以 上#葡聚糖和木聚糖的总质量分数为 ##g&(f#而木 质素质量分数最低#仅占 &g70f( 叶子更容易进 行预处理( ""$%在稀酸预处理过程中#玉米秸秆 7#g7f葡聚
糖和 (%g%f i6%g%f木聚糖可被回收#其中水解成
木糖溶出 (%g%f i#%g%f( 叶子预处理滤渣中的
葡聚糖质量分数最高#达 6$g0%f( 不同部位的木 聚糖损失率与初始的木聚糖含量呈正相关的趋势# 与木糖的稀酸高温降解反应#原料中木聚糖的化学 组成和结构有关( ""%玉米秸秆经过稀酸预处理后#叶子和髓芯易 于被纤维素酶水解生成葡萄糖#韧皮部难以酶解# 它们的酶解得率与自身的葡聚糖含量呈正相关#而 与酸不溶木质素含量呈负相关#同时受到原料物理 结构)葡聚糖和木质素大分子的化学组成等相关因 素的影响( 参考文献" *&+")CJ]#\@/H` Z3V/F:@/2FBHLBC@/:CFHB<@LF/2EFDGABCFL IEFJ_@1- BHD AEF21@LD AEF2 EH1CDGH1*W+3`CFJ@11` CFHLHEXK#$%%0#$#"#&- 6(3 *$+")@D@Ja N#QAJC/C@L W\3.M@C/@:C/CBKFIAFEL 1BFMHE@1@1G1B@CL-
@:/HIHHD1BFAa IFE:CFHB<@LF/2EFDGABCFL*W+3`CFEH15HA!!$&%"&6-$(3
*+"]/GCBHE.#S@JH1` #4GC;4#HB@/3\HBHEJCL@BCFL FI1BEGABGE@/A@E-
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*0+"c@DCMH/FFW38GBECBCFL@/2EF2HEBCH1FIB*W+3.LCJYHHD ]AC5HA*(+"[KJ@L *Z#\@/H`Z#Z/@LDHE45#HB@/3*FFEDCL@BHD DHMH/F2-
JHLBFI/H@DCLX:CFJ@112EHBEH@BJHLBBHA5HA*#+"*<@E/H1Z[3[<@BC1$@LD C1LFB% MCB@/BF@DM@LACLXAH/G/F1CA HB<@LF/*W+35EHLD C`FBHA<#$%%6#$($0%"&(-&(63
*6+")/CLaHS #`5&"第 # 期 陈"牧等"玉米秸秆不同部位的组成及其对预处理的影响
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7-&%#3
国内简讯
微生物驱油技术将增加石油可采储量 0g0 亿B
大庆华理能源生物技术有限公司年产 $g0 万 B微生物驱油剂项目已经完成基础设施建设#近期即将投 产( 微生物驱油剂注入地下以后#能把油层中的蜡吃掉#起到解堵的作用#同时能降低原油的黏稠度#增加 油水的互溶性#从而提高采收率( 这种产品至少能提高 f的采收率#在一些油状条件比较好的区块能达到 &%f以上#采收率平均提高 0f#单井吞吐提高原油产量 &%f以上( 我国适合于微生物驱油技术的地质储量 约 &&% 亿B#如果全部应用微生物驱油技术#将增加可采储量 0g0 亿B#相当于现在大庆油田 &% 年的产量( 中国科学院微生物研究所在阿维菌素高产菌株构建方面取得重要进展 阿维菌素具有高效)低毒)广谱的杀虫活性#在医药)农业和畜牧业生产中具有良好的应用价值和广阔 的市场前景( 中国科学院微生物研究所张立新研究组通过比较阿维菌素高产菌株和模式菌株的基因表达 差异#精确定位与抗生素产量相关的关键基因 & 4&% #`并对它进行改造#协调细胞内初级代谢和次级代谢#使 工业生产中阿维菌素的产量提高了 ($f( 高效菌株在 &!% B发酵罐上产量达到 # !$# X,JN( 上述结果于$%&% 年 # 月 6 日发表在美国科学院院报,=8.]-上(
微生物蛋白提取技术化污泥为蛋白
目前对城镇污水处理厂污泥处理较好的方法有 $种"焚烧和填埋#但这$ 种方法都不能从根本上解决污
泥处理无害化和资源化的问题( 天津裕川公司在微生物蛋白提取方式的污泥处理及资源化技术的研究课
题中#采用污泥微生物蛋白提取技术#以 *@+为主要水解药剂#在 &%( i&!( j下热碱水解提取污泥中微生
物蛋白( 这一工艺不仅使污泥蛋白回收率超过 (%f#而且能稳固污泥中的重金属#杀死细菌#回收的微生物
蛋白产品质量分数达 %f以上( 以此为原料可制成性能优良的蛋白发泡剂(
目前该公司已成功进行蛋白泡沫灭火器和泡沫混凝土保温材料的制造试验#所开发的微生物蛋白泡沫
灭火剂灭火级别超过国家泡沫灭火剂最高标准#可达

`的要求( 污泥处理残渣由于营养元素丰富#并含有
大量的8)=))和小分子蛋白等植物所需的物质#通过资源化应用技术#可直接作为绿化土或加工成有机肥
利用( 目前#他们进行了该污泥处理残渣和一般绿化土植物生长对比试验#证实其促长效果显著#利用该残
渣进行的有机肥配制加工试验也顺利完成(
$文伟河%$ 生"物"加"工"过"程"" 第 ! 卷"