全 文 ：第 １２卷第 １期
２０１４年 １月
生　 物　 加　 工　 过　 程
Ｃｈｉｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｂｉｏｐｒｏｃｅｓｓ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ
Ｖｏｌ􀆰 １２ Ｎｏ􀆰 １
Ｊａｎ􀆰 ２０１４
ｄｏｉ：１０􀆰 ３９６９ ／ ｊ􀆰 ｉｓｓｎ􀆰 １６７２－３６７８􀆰 ２０１４􀆰 ０１􀆰 ００１
收稿日期：２０１３－１１－２２
基金项目：国家重点基础研究发展计划（９７３计划）（２０１１ＣＢ７０７４０６）
作者简介：陈红梅（１９８８—），女，江西赣州人，博士研究生，研究方向：木质纤维素生物炼制；赵雪冰（联系人），助理研究员，Ｅ⁃ｍａｉｌ：ｚｈａｏｘｂ＠
ｍａｉｌ􀆰 ｔｓｉｎｇｈｕａ􀆰 ｅｄｕ􀆰 ｃｎ
乙醇预处理麦秆的酶解性能研究
陈红梅，赵雪冰，刘德华
（清华大学 化工系 应用化学研究所，北京 １０００８４）
摘　 要：采用 Ｈ２ＳＯ４催化和自催化乙醇法对麦秆进行预处理，比较预处理后麦秆的主要化学组成、纤维素酶解性能
和半同步糖化发酵生产乙醇特性，并进行物料衡算。 结果表明：Ｈ２ＳＯ４催化和自催化乙醇预处理过程中纤维素固体
回收率大于 ９０％。 添加非离子表面活性剂吐温 ２０和吐温 ８０没有显著提高 Ｈ２ＳＯ４催化乙醇预处理后纤维素的酶解
葡萄糖得率及半同步糖化发酵过程中乙醇的产量，而对自催化乙醇处理后麦秆的酶解和半同步糖化发酵过程有一
定程度的促进作用，相应的酶解葡聚糖转化率由 ７２􀆰 ７％提高到 ８５􀆰 ０％，而半同步糖化发酵过程中乙醇质量浓度提
高了 １１􀆰 ４％。 物料衡算结果表明：酸催化和自催化乙醇预处理后葡聚糖回收率分别为 ９１􀆰 ０％和 ９５􀆰 ４％；半同步糖
化发酵生产乙醇的得率分别为 １０􀆰 ４和 １１􀆰 ６ ｇ（按 １００ ｇ原料计）。
关键词：有机溶剂预处理；麦秆；酶解；半同步糖化发酵
中图分类号：ＴＱ３５３　 　 　 　 文献标志码：Ａ　 　 　 　 文章编号：１６７２－３６７８（２０１４）０１－０００１－０７
Ｅｎｚｙｍａｔｉｃ ｄｉｇｅｓｔｉｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｅｔｈａｎｏｌ ｐｒｅｔｒｅａｔｅｄ ｗｈｅａｔ ｓｔｒａｗ
ＣＨＥＮ Ｈｏｎｇｍｅｉ，ＺＨＡＯ Ｘｕｅｂｉｎｇ，ＬＩＵ Ｄｅｈｕａ
（Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ，Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｔｓｉｎｇｈｕａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００８４，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｗｈｅａｔ ｓｔｒａｗ ｗａｓ ｐｒｅｔｒｅａｔｅｄ ｂｙ ｓｕｌｆｕｒｉｃ ａｃｉｄ⁃ｃａｔａｌｙｚｅｄ （ＳＡＣ） ａｎｄ ａｕｔｏ⁃ｃａｔａｌｙｚｅｄ （ＡＣ） ｅｔｈａｎｏｌ
ｏｒｇａｎｏｓｏｌｖ ｐｒｏｃｅｓｓｅｓ􀆰 Ｔｈｅ ｍａｉｎ ｃｈｅｍｉｃａｌ ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎｓ，ｃｅｌｌｕｌｏｓｅ ｄｉｇｅｓｔｉｂｉｌｉｔｙ ａｎｄ ｅｔｈａｎｏｌ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｂｙ
ｈｅｍｉ⁃ｓｉｍｕｌｔａｎｅｏｕｓ ｓａｃｃｈａｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ ａｎｄ ｆｅｒｍｅｎｔａｔｉｏｎ （ ｈＳＳＦ） ｏｆ ｐｒｅｔｒｅａｔｅｄ ｓｏｌｉｄｓ ｗｅｒｅ ｃｏｍｐａｒｅｄ􀆰 Ｔｈｅ
ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗｅｄ ｔｈａｔ ＳＡＣ ａｎｄ ＡＣ ｐｒｅｔｒｅａｔｍｅｎｔｓ ｒｅｃｏｖｅｒｅｄ ｍｏｒｅ ｔｈａｎ ９０％ ｏｆ ｃｅｌｌｕｌｏｓｅ ａｓ ｓｏｌｉｄ
ｐｈａｓｅ􀆰 Ａｄｄｉｔｉｏｎ ｏｆ ｎｏｎ⁃ｉｏｎｉｃ ｓｕｒｆａｃｔａｎｔｓ Ｔｗｅｅｎ ２０ ａｎｄ Ｔｗｅｅｎ ８０ ｄｉｄ ｎｏｔ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｙ ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ
ｅｎｚｙｍａｔｉｃ ｄｉｇｅｓｔｉｂｉｌｉｔｙ ａｎｄ ｅｔｈａｎｏｌ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｏｆ ＳＡＣ⁃ｐｒｅｔｒｅａｔｅｄ ｗｈｅａｔ ｓｔｒａｗ􀆰 Ｈｏｗｅｖｅｒ，ｔｈｅｙ ｓｈｏｗｅｄ ｓｏｍｅ
ｐｏｓｉｔｉｖｅ ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｎ ＡＣ⁃ｐｒｅｔｒｅａｔｅｄ ｗｈｅａｔ ｓｔｒａｗ， ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇ ｅｎｚｙｍａｔｉｃ ｇｌｕｃａｎ ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ
ｉｎｃｒｅａｓｅｄ ｆｒｏｍ ７２􀆰 ７％ ｔｏ ８５􀆰 ０％ ａｎｄ ｅｔｈａｎｏｌ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ ｉｎｃｒｅａｓｅｄ ｂｙ １１􀆰 ４％ 􀆰 Ｍａｔｅｒｉａｌ ｂａｌａｎｃｅ
ａｎａｌｙｓｉｓ ｓｈｏｗｅｄ ｔｈａｔ ｇｌｕｃａｎ ｒｅｃｏｖｅｒｉｅｓ， ａｓ ａ ｓｏｌｉｄ ｐｈａｓｅ， ｗｅｒｅ ９１􀆰 ０％ ａｎｄ ９５􀆰 ４％ ｆｏｒ ＳＡＣ ａｎｄ ＡＣ
ｐｒｅｔｒｅａｔｍｅｎｔｓ，ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ􀆰 Ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇ ｅｔｈａｎｏｌ ｙｉｅｌｄｓ ｗｅｒｅ １０􀆰 ４ ａｎｄ １１􀆰 ６ ｇ ｐｅｒ １００ ｇ ｒａｗ ｍａｔｅｒｉａｌ
ｄｕｒｉｎｇ ＳＳＦ ｐｒｏｃｅｓｓ，ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ􀆰
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： ｏｒｇａｎｏｓｏｌｖ ｐｒｅｔｒｅａｔｍｅｎｔ； ｗｈｅａｔ ｓｔｒａｗ； ｅｎｚｙｍａｔｉｃ ｈｙｄｒｏｌｙｓｉｓ； ｈｅｍｉ⁃ｓｉｍｕｌｔａｎｅｏｕｓ
ｓａｃｃｈａｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ ａｎｄ ｆｅｒｍｅｎｔａｔｉｏｎ
　 　 木质纤维素是一种产量丰富、来源广泛、廉价 的可再生资源。 近些年来，由于化石资源短缺和温
室气体排放量大幅增加，木质纤维素转化生产燃料
和化学品受到世界各国的广泛关注［１］。 但由于木
质纤维素本身结构复杂，特别是半纤维素和木质素
限制了纤维素的酶催化水解性能。 因此，木质纤维
素原料往往需要经过预处理以破坏其抗生物降解
屏障从而提高纤维素酶对纤维素的可及性［２］。 木
质纤维素生物转化的预处理方法有多种，常用的包
括稀酸预处理、蒸汽爆破（或超临界 ＣＯ２爆破）、热
水预处理、氨纤维素爆破、 氨水循环渗透和石灰预
处理等［３－４］。 有机溶剂预处理是采用有机溶剂或其
水溶液在添加或不添加催化剂的条件下对木质纤
维素原料进行预处理的方法。 在有机溶剂预处理
过程中，由于木质素和半纤维素的脱除，原料孔隙
率增加，从而提高了纤维素与纤维素酶的可接触面
积［５］。 有机溶剂预处理一方面可以有效提高纤维
素的酶解性能，另一方面在预处理过程中可水解半
纤维素、溶解木质素，因而是一种分级预处理，有利
于实现原料的分级加工利用［１］。
乙醇预处理是目前研究较多的有机溶剂预处
理方法［６－８］。 乙醇具有低毒、挥发性大、易回收利用
的特点。 目前，将乙醇作为溶剂处理木质纤维素原
料研究较多的是自催化乙醇处理法和酸催化乙醇
处理法［９－１２］。 自催化乙醇处理法通常是指除乙醇
外，不添加任何化学药品作催化剂，而依赖于预处
理过程中释放的有机酸（主要是乙酸）来提供所需
酸度的乙醇处理法，反应温度通常为 １８０ ～ ２１０ ℃。
酸催化乙醇处理法是向体系中添加外源有机酸或
无机酸作为催化剂，从而促进脱木素作用和半纤维
素水解，加入酸性催化剂可降低反应温度和
压力［１２］。
为分析和比较乙醇预处理后麦秆的纤维素酶
解特性，笔者分别在最优条件下对麦秆进行 Ｈ２ＳＯ４
催化和自催化乙醇处理，比较这 ２ 种乙醇法处理后
麦秆的主要化学组成、纤维素酶解性能和半同步糖
化发酵生产乙醇特性，并进一步获得物料衡算数据。
１　 材料与方法
１􀆰 １　 主要原料和试剂
实验所用的小麦秸秆产自山东省，风干后待
用。 将其破碎成＜ ２ ｃｍ 的片段。 采用美国国家可
再生能源实验室的方法测定［１３］其主要化学组成：葡
聚糖 ３３􀆰 １％，木聚糖 ２２􀆰 ８％，酸溶木素 ２􀆰 ２１％，酸不
溶木素 ２２􀆰 １％。 乙醇、Ｈ２ ＳＯ４、ＣａＣＯ３、醋酸钠、吐温
等试剂均为市售分析纯。 高效液相色谱（ＨＰＬＣ）用
标准品，包括葡萄糖、木糖、纤维二糖、阿拉伯糖、糠
醛、甲酸、乙酸、乙醇等购自 Ｓｉｇｍａ⁃Ａｌｄｒｉｃｈ 上海分公
司。 纤维素酶为诺维信公司生产的 Ｃｅｌｌｉｃ􀳏 ＣＴｅｃ２。
１􀆰 ２　 主要仪器和设备
预处理反应器为天舟海泰（北京）科技有限公
司的 ＴＦＣＦ５ ５型 ５ Ｌ 不锈钢高压反应釜。 液相色
谱仪为日本岛津公司的 ＨＰＬＣ 系统，色谱柱为 Ｂｉｏ⁃
Ｒａｄ公司的 Ａｍｉｎｅｘ ＨＰＸ ８７Ｈ（３００ ｍｍ× ７􀆰 ８ｍｍ）
填充柱，检测器为岛津公司 ＲＩＤ １０Ａ 差示折光检
测器。 流动相为 ５ ｍｍｏｌ ／ Ｌ 稀 Ｈ２ ＳＯ４，流速为 ０􀆰 ８
ｍＬ ／ ｍｉｎ，柱温为 ６５ ℃。 紫外分光光度计为上海天
美科学仪器有限公司的 ＵＩ ＶＩＳ ８５ 系列紫外 ／可见
分光光度计。
１􀆰 ３　 实验方法
１􀆰 ３􀆰 １　 自催化乙醇处理
自催化乙醇是在笔者所在实验室之前优化后
的条件下进行的。 １５０ ｇ麦秆置于高压反应釜中，加
入１ ５００ ｍＬ 体积分数 ６５％的乙醇水溶液，在 ３００
ｒ ／ ｍｉｎ下进行预处理。 预处理温度为 ２２０ ℃，保温 ２０
ｍｉｎ。 反应结束后冷却到 ４０ ℃以下，离心，收集液
体，固体用相同浓度的乙醇溶液以 １０ ∶１（ｍＬ ／ ｇ）液
固比洗涤，再离心，收集液体，将固体进行减压蒸
发，回收乙醇。 所得固体保存在自封袋中，放入 ４ ℃
冰箱保存待用。
１􀆰 ３􀆰 ２　 酸催化乙醇处理
Ｈ２ＳＯ４催化的乙醇预处理过程与自催化过程类
似，不同的是乙醇质量分数 ６０％，且在预处理过程中
添加 ３０ ｍｍｏｌ ／ Ｌ Ｈ２ＳＯ４作为催化剂，并在 １９０ ℃下保
温 １ ｈ［５］。 其他过程与自催化乙醇预处理相同。
１􀆰 ３􀆰 ３　 酶解实验
预处理后固体的酶解在 ５０ ｍＬ 三角瓶、ｐＨ ４􀆰 ８
的醋酸缓冲溶液、５０ ℃和 １５０ ｒ ／ ｍｉｎ 条件下进行。
固体含量为 １０％ 或 １５％（１０％和 １５％分别指 １００
ｍＬ液体中所含绝干固体质量为 １０ ｇ 和 １５ ｇ）。 纤
维素酶用量为 ２０ ＦＰＵ（按 １ ｇ 固体计）。 间歇取样，
测定液相中纤维二糖、葡萄糖和木糖的浓度。 预处
理后的纤维素酶解性能以液相中单糖浓度以及酶
解聚糖转化率来描述。
酶解葡聚糖转化率的定义为酶解过程中转化
为葡萄糖和纤维二糖的聚糖百分率：
葡聚糖转化率 Ｇｘ ＝
ρｇ ＋ ρｃ
１􀆰 １ ρ ｌ，ｓｘｇ
× １００％ （１）
２ 生　 物　 加　 工　 过　 程　 　 第 １２卷　
式中： ρｇ 、 ρｃ 分别为葡萄糖、纤维二糖质量浓度，
ｇ ／ Ｌ； ｘｇ 表示预处理后试样中葡聚糖含量；１􀆰 １ 是葡
聚糖转化为葡萄糖的转化系数；ρｌ，ｓ为初始固体质量
浓度，ｇ ／ Ｌ。
１􀆰 ３􀆰 ４　 半同步糖化发酵实验
预处理后固体的半同步糖化发酵（ｈＳＳＦ）在 ５０
ｍＬ三角瓶中进行。 将预处理后的纤维素固体（固
体含量为 １０％）置于发酵培养基中，１２１ ℃下灭菌
２０ ｍｉｎ，再用浓度为 １ ｍｏｌ ／ Ｌ 的 ＮａＯＨ 溶液将液相
ｐＨ调至 ５􀆰 ０～５􀆰 ５，加入纤维素酶液（１ ｇ固体纤维素
酶用量为 ２０ ＦＰＵ），进行预水解 ２４ ｈ（水解条件为
５０ ℃、１３０ ｒ ／ ｍｉｎ），随后按 １０％的接种量接入酿酒
酵母（Ｓａｃｃｈａｒｏｍｉｃｅｓ ｃｅｒｅｖｉｓｉａｅ ＣＩＣＣ ３１０１４）种子液，
进行乙醇发酵。 发酵温度为 ３７ ℃，摇床转速为 １５０
ｒ ／ ｍｉｎ。
２　 结果与讨论
２􀆰 １　 预处理后固体主要化学组成
Ｈ２ＳＯ４催化和自催化乙醇处理后的麦秆的主要
化学组成如表 １所示。
表 １　 Ｈ２ＳＯ４催化和自催化乙醇预处理固体主要化学组成比较
Ｔａｂｌｅ １　 Ｍａｉｎ ｃｈｅｍｉｃａｌ ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎｓ ｏｆ ｗｈｅａｔ ｓｔｒａｗ ｐｒｅｔｒｅａｔｅｄ ｂｙ ｓｕｌｆｕｒｉｃ ａｃｉｄ⁃ｃａｔａｌｙｚｅｄ （ＳＡＣ） ａｎｄ
ａｕｔｏ⁃ｃａｔａｌｙｚｅｄ （ＡＣ） ｅｔｈａｎｏｌ ｏｒｇａｎｏｓｏｌｖ ｐｒｏｃｅｓｓｅｓ
％
处理方式 固体回收率 ｗ（葡聚糖） ｗ（木聚糖） ｗ（酸溶木素） ｗ（酸不溶木素） ｗ（总木素）
不经处理的原料 ３３􀆰 １ ２２􀆰 ８ ２􀆰 ２１ ２２􀆰 １ ２４􀆰 ３
Ｈ２ＳＯ４催化乙醇预处理 ４２􀆰 １ ７１􀆰 ５ ５􀆰 ２ ０􀆰 ９６ ９􀆰 ５４ １０􀆰 ５
自催化乙醇预处理 ５０􀆰 ５ ６２􀆰 ６ １７􀆰 ３ ０􀆰 ７３ １２􀆰 ８ １３􀆰 ５
　 　 由表 １可知：自催化乙醇处理的固体回收率为
５０􀆰 ５％，而酸催化乙醇法处理的固体回收率相对较
低，为 ４２􀆰 １％。 与自催化乙醇处理相比，酸催化处
理的试样葡聚糖含量更高，而木聚糖和木素含量都
更低，特别是木聚糖含量显著减少，木聚糖水解率
超过 ９０％。 自催化乙醇预处理过程中木聚糖水解
率仅为 ６１􀆰 ２％。 这是因为 Ｈ２ＳＯ４催化乙醇预处理过
程中，添加外源无机酸促进了半纤维素水解。 从木
素含量来看，Ｈ２ＳＯ４催化的乙醇预处理后，总木素含
量下降至 １０􀆰 ５％，相应的木素脱除率为 ８１􀆰 ８％；自
催化乙醇预处理后总木素含量为 １３􀆰 ５％，相应的木
素脱除率为 ７１􀆰 ９％。 添加无机酸有利于木素的脱
除，这是由于酸浓度较高的情况下更容易使半纤维
素和木素之间以及木素分子内的连接键断裂，形成
更多的木素碎片［１０－１１，１４－１５］。
２􀆰 ２　 纤维素的酶解性能
Ｈ２ＳＯ４催化和自催化乙醇预处理麦秆在 １０％和
１５％固体含量及添加不同浓度表面活性剂条件下的
酶解时间曲线如图 １和图 ２所示。 由图 １和图 ２ 可
以看出，２４ ｈ 之后葡聚糖酶解转化率无明显增加。
Ｈ２ＳＯ４催化乙醇处理麦秆在 ２ 种固体含量下葡聚糖
的最终转化率均为 ７０％左右，而葡萄糖质量浓度分
别为 ５５和 ７８ ｇ ／ Ｌ。 对自催化乙醇预处理的麦秆葡
图 １　 Ｈ２ＳＯ４催化乙醇预处理麦秆的酶解
Ｆｉｇ􀆰 １　 Ｅｎｚｙｍａｔｉｃ ｈｙｄｒｏｌｙｓｉｓ ｏｆ ｗｈｅａｔ ｓｔｒａｗ
ｐｒｅｔｒｅａｔｅｄ ｂｙ ｓｕｌｆｕｒｉｃ ａｃｉｄ⁃ｃａｔａｌｙｚｅｄ
（ＳＡＣ） ｅｔｈａｎｏｌ ｏｒｇａｎｏｓｏｌｖ ｐｒｏｃｅｓｓ
聚糖转化率最高可达 ８０％，相应葡萄糖质量浓度分
别为 ５０􀆰 ２和 ７９􀆰 ２ ｇ ／ Ｌ。
添加表面活性剂吐温 ２０和吐温 ８０对于 ２ 种预
处理后固体的酶解性能具有不同的影响。 对于
３　 第 １期 陈红梅等：乙醇预处理麦秆的酶解性能研究
图 ２　 自催化乙醇处理麦秆的酶解
Ｆｉｇ􀆰 ２　 Ｅｎｚｙｍａｔｉｃ ｈｙｄｒｏｌｙｓｉｓ ｏｆ ｗｈｅａｔ ｓｔｒａｗ
ｐｒｅｔｒｅａｔｅｄ ｂｙ ａｕｔｏ⁃ｃａｔａｌｙｚｅｄ （ＡＣ）
ｅｔｈａｎｏｌ ｏｒｇａｎｏｓｏｌｖ ｐｒｏｃｅｓｓ
Ｈ２ＳＯ４催化乙醇预处理的固体，添加表面活性剂不
但未能促进纤维素的酶解，反而一定程度上抑制了
酶解过程。 特别是在 １０％固体含量的条件下，这种
抑制作用更为明显。 而对于自催化乙醇预处理，吐
温 ２０和吐温 ８０对于纤维素的酶解具有明显的促进
作用。 例如，当添加 ０􀆰 ５ ｇ ／ Ｌ 吐温 ２０ 时，在 １０％和
１５％固体含量下，酶解 ２４ ｈ 时，葡聚糖转化率可分
别由未添加时的 ７４􀆰 ３％提高至 ８１􀆰 ０％及 ６２􀆰 ２％提
高至 ７５􀆰 ０％。 表面活性剂对于 Ｈ２ＳＯ４催化和自催化
乙醇预处理后的固体酶解性能具有不同影响作用
的现象可能与 Ｈ２ＳＯ４催化和自催化预处理后固体的
木素含量及结构有关。 已有的研究表明，表面活性
剂提高预处理后纤维素酶解性能主要是通过降低
木素对纤维素酶的无效吸附来实现的［１２－１３，１６－１７］。
底物中木素表面有一定数量的位点，既可与表面活
性剂结合，又可与纤维素酶结合。 当表面活性剂用
量达到一定程度时，这些位点全部吸附表面活性
剂，从而阻止木素对纤维素酶的无效吸附，使纤维
素酶水解速度和得率提高。 进一步提高表面活性
剂用量反而抑制酶活，降低酶解性能［１４，１８］。 Ｈ２ ＳＯ４
催化乙醇处理过后的固体中木素含量较低，能与表
面活性剂结合的位点数量有限，因此即使添加少量
的表面活性剂（例如 ０􀆰 ５ ｇ ／ Ｌ），亦能使木素的结合
位点饱和，且表现出对酶催化过程的抑制作用。 特
别是，当固体含量较低时，未与木素结合的表面活
性剂更多，对酶活的抑制作用更强烈，导致葡聚糖
转化率明显降低。 同种表面活性剂中，高浓度的表
面活性剂比低浓度条件下的葡聚糖转化率稍低也
验证了这一点。 而自催化预处理后固体的木素含
量较高，因此，表面活性剂对酶解表现为促进作用。
此外，表面活性剂的作用还可能与木素结构有关。
Ｈ２ＳＯ４催化预处理过程中由于酸浓度较高，更容易
发生木素的缩聚反应，因而会降低木素分子中酚羟
基的含量。 而文献报道，酚羟基是木素无效吸附纤
维素酶的一个主要官能团［１５，１９］。 因此，木素官能团
结构的变化可能是表面活性剂对 Ｈ２ＳＯ４催化和自催
化预处理后固体具有不同影响的主要原因之一。
具体的机制还需进一步研究。
Ｈ２ＳＯ４催化和自催化乙醇预处理麦秆亦有文献
报道。 Ｗｉｌｄｓｃｈｕｔ 等［５］ 在相同条件下对麦秆进行
Ｈ２ＳＯ４催化乙醇预处理，酶解聚糖转化率可达
８９􀆰 ４％，但其酶解实验的固体含量为 ３％，最终葡萄
糖与纤维二糖总质量浓度为 ２２􀆰 １ ｇ ／ Ｌ。 而本文中，
预处理后酶解葡萄糖最高质量浓度可达 ８０􀆰 ３ ｇ ／ Ｌ
（１５％固体含量，未添加表面活性剂）。 对于自催化
乙醇预处理，Ｈｕｉｊｇｅｎ 等［１４］在 ６０％乙醇、２００ ℃、保
温 ６０ ｍｉｎ、固液比 １ ∶１０（ ｇ ／ ｍＬ）的条件下对麦秆进
行预处理，所得纤维素固体的酶解葡聚糖（酶解固
体含量为 ３％，其余条件和本文的相同）转化率仅为
５２％左右。 而本文中，麦秆通过自催化乙醇预处理
后，最高葡聚糖转化率高于 ８０％（１０％、１５％固体含
量）。 可见，笔者所采用的自催化乙醇预处理可以
有效提高麦秆纤维素的酶解性能。
２􀆰 ３　 半同步糖化发酵生产乙醇
Ｈ２ＳＯ４催化乙醇处理麦秆半同步糖化发酵
（ｈＳＳＦ）过程中乙醇浓度和葡萄糖浓度的变化如图 ３
所示。 从图 ３中可以看出，表面活性剂的添加对最
终乙醇浓度并无显著影响。 在预水解过程中（前 ２４
ｈ），葡萄糖浓度迅速增加，接种培养 ８ ｈ后葡萄糖很
快被消耗，相应的乙醇浓度迅速增加。 接种培养 １２
ｈ后乙醇浓度达到最大，此后乙醇浓度开始下降。
这种现象可能是因为葡萄糖的产生速率不及其消
耗速率，酵母菌在饥饿状态下开始反耗产生的乙
醇，也可能是由于随着发酵过程进行，乙醇逐步挥
发造成的。 从图 ３ 中可知，发酵过程中乙醇质量浓
度最高达到 ２５ ｇ ／ Ｌ 左右，相当于 ６２􀆰 ２％的理论
得率。
４ 生　 物　 加　 工　 过　 程　 　 第 １２卷　
图 ３　 Ｈ２ＳＯ４催化乙醇预处理麦秆半同步糖化发酵
过程中乙醇和葡萄糖质量浓度的变化
Ｆｉｇ􀆰 ３　 Ｅｔｈａｎｏｌ ａｎｄ ｇｌｕｃｏｓｅ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ ｃｈａｎｇｅｓ ｄｕｒｉｎｇ
ｈＳＳＦ ｏｆ ｗｈｅａｔ ｓｔｒａｗ ｐｒｅｔｒｅａｔｅｄ ｂｙ ｓｕｌｆｕｒｉｃ ａｃｉｄ⁃
ｃａｔａｌｙｚｅｄ （ＳＡＣ） ｅｔｈａｎｏｌ ｏｒｇａｎｏｓｏｌｖ ｐｒｏｃｅｓｓ
自催化乙醇处理麦秆 ｈＳＳＦ 过程中乙醇浓度和
葡萄糖浓度的变化如图 ４ 所示。 从图 ４ 中可以看
出，表面活性剂的添加对乙醇的产生有较好的促进
作用，不仅提高了最终乙醇浓度，而且减小了酵母
菌对乙醇的反耗。 在接种培养 ８ ｈ 之内，表面活性
剂对乙醇产生的作用不明显，因为预水解过程产生
了大量葡萄糖，使得该时间段内葡萄糖浓度较高，
足够供酵母消耗产生乙醇。 接种培养 ８ ｈ 后，乙醇
浓度增长速度缓慢，接种培养 ２４ ｈ 后乙醇浓度达到
最大。 未添加表面活性剂的对照组乙醇质量浓度
最高为 ２０􀆰 １ ｇ ／ Ｌ（接种培养 ２４ ｈ后），相当于 ５７􀆰 ２％
的理论得率；而添加表面活性剂的实验组乙醇质量
浓度最高可达 ２２􀆰 ４ ｇ ／ Ｌ（添加 ５ ｇ ／ Ｌ 吐温 ８０，培养
２４ ｈ），相当于 ６５􀆰 ４％的理论得率，比对照组提高了
１１􀆰 ４％。 与 Ｈ２ ＳＯ４催化的预处理相比，自催化预处
理可获得类似的乙醇浓度和得率。
２􀆰 ４　 物料衡算
进一步分析 Ｈ２ＳＯ４催化和自催化乙醇处理麦秆
的物料衡算，结果如图 ５、图 ６ 所示。 从图 ５ 和图 ６
可知：大部分葡聚糖以固体形式回收，并在后续酶
解过程中转化为葡萄糖。 Ｈ２ＳＯ４催化乙醇处理葡聚
糖回收率为 ９１􀆰 ０％，自催化乙醇处理葡聚糖回收率
为 ９５􀆰 ４％。 Ｈ２ＳＯ４催化的预处理过程中，９０􀆰 ３％的
图 ４　 自催化乙醇预处理麦秆半同步糖化发酵过程中
乙醇和葡萄糖质量浓度的变化
Ｆｉｇ􀆰 ４　 Ｅｔｈａｎｏｌ ａｎｄ ｇｌｕｃｏｓｅ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ ｃｈａｎｇｅｓ ｄｕｒｉｎｇ
ｈＳＳＦ ｏｆ ｗｈｅａｔ ｓｔｒａｗ ｐｒｅｔｒｅａｔｅｄ ｂｙ ａｕｔｏ⁃
ｃａｔａｌｙｚｅｄ（ＡＣ） ｅｔｈａｎｏｌ ｏｒｇａｎｏｓｏｌｖ ｐｒｏｃｅｓｓ
木聚糖被水解，８１􀆰 ８％的木素被脱除；而自催化预处
理过程中，木聚糖水解率为 ６１􀆰 ２％，木素脱除率为
７１􀆰 ９％。 从液相中的糖浓度来看，２ 种预处理过程
中木糖浓度均很低，这可能是由于预处理在较为剧
烈的条件下进行，木糖发生了显著降解。 从图 ５ 和
图 ６还可知：１００ ｇ 麦秆原料通过酸催化乙醇预处
理，最终能得到 １０􀆰 ４ ｇ 乙醇，乙醇得率为理论得率
的 ５６％；而通过自催化乙醇预处理，最终能得到
１１􀆰 ６ ｇ乙醇，乙醇得率为理论得率的 ６２􀆰 ５％。 由此
可见，二者具有类似的乙醇得率。 但 Ｈ２ＳＯ４催化过
程添加了外源无机酸，会一定程度上增加设备腐蚀
性，且 Ｈ２ＳＯ４需要中和处理。 而自催化预处理需要
更高的温度，因而要求设备具有更高的耐压性。 因
此，需要进一步结合后续产品分离以及设备投资等
分析，来比较二者的经济性。
３　 结　 论
通过比较 Ｈ２ＳＯ４催化、自催化乙醇处理后麦秆
固体的主要化学组成、酶解性能、半同步糖化发酵
生产乙醇特性和物料衡算结果，可以得到以下结
论：①乙醇预处理能够以固体形式回收大部分葡聚
糖，Ｈ２ＳＯ４催化处理的葡聚糖回收率为 ９１􀆰 ０％左右，
自催化乙醇处理的葡聚糖回收率为 ９５􀆰 ４％。
５　 第 １期 陈红梅等：乙醇预处理麦秆的酶解性能研究
图 ５　 Ｈ２ＳＯ４催化乙醇处理麦秆过程中的物料衡算
Ｆｉｇ􀆰 ５　 Ｍａｓｓ ｂａｌａｎｃｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｓｕｌｆｕｒｉｃ ａｃｉｄ⁃ｃａｔａｌｙｚｅｄ （ＳＡＣ） ｅｔｈａｎｏｌ ｏｒｇａｎｏｓｏｌｖ ｐｒｏｃｅｓｓｅ
图 ６　 自催化乙醇预处理处理麦秆过程中的物料衡算
Ｆｉｇ􀆰 ６　 Ｍａｓｓ ｂａｌａｎｃｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ａｕｔｏ⁃ｃａｔａｌｙｚｅｄ （ＡＣ） ｅｔｈａｎｏｌ ｏｒｇａｎｏｓｏｌｖ ｐｒｏｃｅｓｓｅ
②Ｈ２ＳＯ４催化乙醇预处理可更多地水解半纤维素和
脱除木素。 ③添加非离子表面活性剂吐温 ２０ 和吐
温 ８０，对于 Ｈ２ＳＯ４催化乙醇处理后麦秆的酶解和半
同步糖化发酵生产乙醇无明显促进作用。 而对于
自催化乙醇处理后的麦秆的酶解和半同步糖化发
酵具有显著的促进作用，最高酶解葡聚糖转化率可
６ 生　 物　 加　 工　 过　 程　 　 第 １２卷　
从 ７２􀆰 ７％提高到 ８５􀆰 ０％；最高乙醇浓度比未添加表
面活性剂时提高了 １１􀆰 ４％。 ④物料衡算结果表明，
Ｈ２ＳＯ４催化的乙醇预处理和自催化乙醇预处理的麦
秆半同步糖化发酵的乙醇得率分别为 １０􀆰 ４ 和 １１􀆰 ６
ｇ（按 １００ ｇ原料计）。
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（责任编辑　 管珺）
７　 第 １期 陈红梅等：乙醇预处理麦秆的酶解性能研究