全 文 ：第 50 卷 第 4 期
2 0 1 4 年 4 月
林 业 科 学
SCIENTIA SILVAE SINICAE
Vol. 50，No. 4
Apr．，2 0 1 4
doi: 10．11707 / j．1001-7488．20140415
收稿日期: 2013 － 06 － 24; 修回日期: 2013 － 10 － 10。
基金项目: 国家“十二五”科技支撑计划项目(2012BAD54G01)。
* 江泽慧为通讯作者。
无机金属盐对微波辅助酸预处理毛竹酶解的影响*
李志强 费本华 江泽慧
(国际竹藤中心 北京 100102)
摘 要: 采用加入无机金属盐的稀酸溶液预处理毛竹，分析预处理后底物的化学组成、预处理后的废液组成、糖
降解发酵抑制物的生成量等。结果表明: 稀酸预处理主要以脱除半纤维素为主，而对木质素的脱除没有明显效果。
当硫酸用量为 2% (w /w)、预处理温度为 180 ℃时，竹材中绝大部分半纤维素已被脱除，底物纤维素转化为葡萄糖
的收率可达 52. 72%。加入硫酸铁催化后的稀酸预处理能提高底物的酶水解性能，可使纤维素转化为葡萄糖的收
率提高到 72. 15%。硫酸钠、硫酸亚铁、硫酸铜和硼砂等催化后的稀酸预处理底物的酶水解性能均有不同程度的下
降，其中以硫酸铜催化预处理底物的酶水解性能最差。铜离子在预处理中可以被竹材底物吸附，并且在酶水解过
程中可以脱附进入水解液中。
关键词: 毛竹; 酸处理; 金属盐催化; 酶水解
中图分类号: S785 文献标识码: A 文章编号: 1001 － 7488(2014)04 － 0101 － 07
Effect of Inorganic Salts on Enzymatic Saccharification of Moso Bamboo
Pretreated by Microwave-Dilute Acid
Li Zhiqiang Fei Benhua Jiang Zehui
( International Centre for Bamboo and Ｒattan Beijing 100102)
Abstract: Global warming and energy shortage are the main challenges and puzzles that government and the public
around the world are facing． It is believed that one of the solutions is to use biomass as a potential renewable energy
resource for producing liquid fuels such as bioethanol and biodiesel． Bamboo，with cellulose and hemicellulose as its main
components，is a kind of fast growth and cheap renewable resource for bioethanol production． In the study，inorganic salts
were studied as promoter in the dilute acid pretreatment of moso bamboo for the enzymatic saccharification． The chemical
composition of the substrates and spent liquors，the enzymatic hydrolyability of substrates were analyzed． The results
showed that dilute acid pretreatment (DA) enhances the digestibility of lignocellulose mainly by dissolving hemicellulose
and partially prehydrolyzing cellulose． DA has no delignified． The cellulose-to-glucose conversion yield of 2% sulfuric
acid(w /w)pretreated substrate was 52. 72% ． Sulfuric acid with Fe2 (SO4 ) 3 pretreated substrate had the higher cellulose-
to-glucose conversion yield than sulfuric acid pretreatment． Other metal salts pretreatment efficiency was lower than
sulfuric acid pretreatment． And the worst one was CuSO4 ． Otherwise，the copper could be absorbed by bamboo during
pretreatment and desorption into the hydrolyzate after enzymatic hydrolysis．
Key words: moso bamboo; dilute acid pretreatment; metal salts catalysis; enzymatic hydrolysis
随着全球化石燃料日趋紧张和环境污染日益严
重，能源和环境危机已成为 21 世纪人类社会可持续
发展的主要障碍，利用可再生能源作为化石燃料的
替代品变得愈加迫切和重要，纤维素乙醇就是其中
重要的研究方向之一。“十五”期间，为解决陈化粮
压库现象严重的问题，国家在黑龙江、吉林、安徽和
河南 4 省兴建了 4 个燃料乙醇工厂，年生产能力达
102 万 t(岳国君等，2007)。“十一五”期间，燃料乙
醇产量大幅提升。但我国是人口大国，粮食资源有
限，而以玉米(Zea mays)为主的粮食生产乙醇存在
与人争粮问题，因此发展以植物纤维为原料的第二
代生物乙醇(纤维素乙醇)技术意义重大。
木质纤维原料是地球上最丰富、最廉价的可再
生资源。全世界每年通过光合作用产生的木质纤维
林 业 科 学 50 卷
生物质高达 1 000 亿 t，其中 89%尚未被人类利用。
我国的木质纤维原料也非常丰富，据初步估计，我国
仅现有的农林废弃物约合 7. 4 亿 t 标煤(实物量为
15 亿 t)，可开发量约为 4. 6 亿 t 标煤，预测 2020 年
将分别达到 11. 65 亿 t 和 8. 3 亿 t 标煤 (江泽慧，
2006)。加上数量巨大的林业纤维废料和工业纤维
废渣，每年可利用的木质纤维原料总量可达 20 亿 t
以上。木质纤维原料中纤维素占干质的 35% ～
45%，半纤维素占 20% ～ 40%，采用适宜技术将它
们水解成可发酵性糖，进一步发酵生产乙醇，有可能
改变传统的生产方式，对我国经济和社会的可持续
发展具有十分重大的意义(中国纤维素网，2011)。
竹子隶属单子叶植物的禾本科(Gramineae)竹
亚科(Bambusoideae)，多年生，坚韧直立，富含木质
纤维。我国竹类资源十分丰富，不仅种类多，而且分
布面积广，现有竹子 40 余属、500 余种，竹林面积
720 万 hm2，其中毛竹林面积约 300 万 hm2。我国竹
子主要分布在南方 14 个省(区)，竹材的年产量达
15. 39 亿根 (国家林业局，2012 )。竹材富含纤维
素，占 40% ～ 60%，半纤维素占 20% ～ 30%，因此竹
材是一种重要的纤维素乙醇的原料来源。在能源危
机和全球变暖的影响下，竹材是一种潜在的、可再生
能源的来源之一。
竹材与其他木质纤维原料一样，主要是纤维素、
半纤维素和木质素相互交织而形成的复杂的、难以
降解而致密的结构体系。这种结构体系决定了任何
一类成分的降解必然受到其他成分的制约，导致纤
维素水解的效率很低。因此需要对原料进行预处
理，用纤维素降解酶将纤维素结构切断，释放出发酵
所需要的糖，再利用这些糖进一步发酵生成乙醇。
而寻找高效、低成本的预处理技术是难点之一
(Hendriks et al．，2009)。
预处理方法归纳起来包括物理法、化学法和生
物法。竹材中的纤维素和木质素含量均比秸秆中的
高，秸秆结构松散，比较容易加工处理，而竹材与木
材、秸秆相比，具有密度大、硬度高和强度好等特点，
再加上竹材特殊的化学结构，使得竹材比木材、秸秆
更难于处理 (李志强等，2012)。化学法通常采用
酸、碱、次氯酸钠、臭氧等试剂进行预处理，其中以氢
氧化钠和稀酸预处理研究得较多 ( Nguyen et al．，
1999; Ballesteros et al．，2008)。Leenakul 等(2010)
以 0. 6% ～ 1. 2% 硫酸在 120 ℃和 140 ℃下处理马
来甜龙竹(Dendrocalamus asper)30 ～ 90 min，还原糖
的收率为 33. 8% ～ 40. 1%。冯国芳等(2008)用 3%
的硫酸在 70 ℃预处理竹笋壳纤维 10 h，酶解后还原
糖收率为 29. 0%。而 De Menezes 等 (1983)以 175
℃水蒸煮短节泰山竹(Bambusa vulgaris)60 min，酶
解后还原糖收率为 39%。由此可见，酸预处理结果
的好坏与酸的浓度和预处理温度有关，浓度越大、温
度越高，预处理效果越好。但是稀酸预处理后底物
的酶水解过程并不完全，葡萄糖收率一般都在 60%
以内。本文以微波消解辅助的稀酸预处理毛竹
(Phyllostachys edulis)为基础，通过添加不同的无机
金属盐类催化稀酸预处理研究，探索改进的稀酸预
处理对毛竹酶水解糖化的影响规律。本研究将在一
定程度上为竹材纤维素乙醇原料预处理技术的进一
步研究与应用提供参考和依据。
1 材料与方法
1. 1 试验原料与试剂
选用生长于美国南部佛罗里达州的 4 年生毛竹
为原料。预处理前将毛竹磨成粒径小于 2 mm 的竹
粉。竹材原料和预处理后的底物在烘干至恒重后，
封存于塑料封口袋内，待用。
98% 浓硫酸、亚硫酸钠均为化学纯，Sigma-
Aldrich 公司提供; 乙酸、乙酸钠、硫酸铜、硫酸铁、
硫酸亚铁和硼砂等均为分析纯，Sigma-Aldrich 公司
提供; Celluclast 1. 5 L 纤维素酶溶液、Novozym 188
(β-glucosidase ) 葡萄糖苷酶均为商业酶，Sigma-
Aldrich 公 司 提 供。 乙 酸 /乙 酸 钠 缓 冲 溶 液
(0. 05 mol·L － 1，pH 为 4. 8); 酶的稀释: 根据原液
酶活，稀释后得到酶活为 15 FPU·mL － 1的纤维素酶
溶液和 30 IU·mL － 1的纤维二糖酶溶液。
1. 2 试验设备
微波消解仪(型号 MAＲS)，美国 CEM 公司; 空
气加热摇床(型号 MaxQ 4450)，赛默飞世尔科技公
司; 带有安培检测器的高效阴离子交换色谱(型号
Dionex ICS-3000)，美国戴安公司。
1. 3 竹材的化学预处理过程
预处理设备选用美国 CEM 公司生产的 MAＲS
微波消解仪，该微波消解仪有 400，800 和 1 600 W 3
档加热功率。预处理分为稀酸预处理和无机金属盐
催化的酸预处理，预处理条件分别为: 对稀酸预处
理而言，取 8 g 绝干竹粉加入到 100 mL 微波消解罐
中，加入 50 mL 水，再加入 2% (w /w 竹粉，即 0. 16
g)的硫酸; 无机金属盐催化的酸预处理是在上述酸
预处理条件的基础上，再加入一定量的无机金属盐
类。然后分别将微波消解罐置于中央旋转盘中，开
始预处理，程序升温，10 min 内升温至指定预处理温
度 180 ℃，再在该温度下保持一定的时间 (一般为
201
第 4 期 李志强等: 无机金属盐对微波辅助酸预处理毛竹酶解的影响
30 ～ 60 min)。
预处理后，使其自然降温至 80 ℃以下。取出消
解罐，过滤分离，得到底物和预处理废液。预处理废
液取样后保存于 4 ℃环境中用于检测溶解其中的糖
类和发酵抑制物的含量。用水多次洗涤底物，至洗
涤液的 pH 为 6 ～ 8 即可。取底物样品置于105 ℃烘
至绝干，用于检测底物中的糖类和木质素含量。底
物置于 4 ℃环境中用于酶水解试验。
1. 4 酶水解
预处理后得到的竹材底物酶水解的条件是: 底
物加入量为质量分数为 2. 0% (w / v) (按纤维素量
计)、40 mL 乙酸 /乙酸钠缓冲溶液，一定的酶用量
(常用量为纤维素酶 Celluclast 1. 5 L 和 葡萄糖苷酶
Novozym 188 用量分别为 15 FPU·g － 1和 30 IU·g － 1
纤维素)，体系 pH 为 4. 8; 水解在空气加热摇床内
进行，水解温度保持 50 ℃，转速为 220 r·min － 1。水
解过程中 Novozym 188 过量作用是不让纤维二糖积
累影响水解速度和进程。试验间隔一定时间取样
(0. 4 mL)，并用 0. 4 mL 的缓冲液补回到水解液中，
取样时间为 1，3，6，12，24 和 48 h; 每个取样点取 2
次，测量样取平均值。葡萄糖含量用离子色谱仪
(型号 ICS-3000)测定。酶水解后，纤维素转化为葡
萄糖的收率(CGCY)按下列公式计算:
CGCY(% ) =酶水解液中葡萄糖的质量(g) × 0. 9
底物中纤维素的质量(g)
×
100。
1. 5 分析方法
原料和经预处理后竹材底物中主要的糖类采用
带有脉冲安培检测器的高效阴离子交换色谱进行测
定，该方法于 1994 年 6 月开发应用(Davis，1998;
Sluiter et al．，2008)。采用 GB /T 2677. 8—1994《造
纸原料酸不溶木素含量的测定》处理竹材和底物，
再测定酸水解液中糖类含量。
样品中酸不溶木质素含量采用 GB /T 2677. 8—
1994《造纸原料酸不溶木素含量的测定》方法测定。
样品中酸溶木质素的含量采用紫外可见分光光
度计法测定。在波长 205 nm 检测溶液的吸光度，
3%硫酸作为空白参比液，样品用 3%硫酸稀释一定
倍数。根据已知的木质素的标准吸光度值(110 L·
g － 1 cm － 1 )，计 算 出 样 品 中 酸 溶 木 质 素 的 含 量
(Dence，1992)。
预处理废液中主要降解产物包括糠醛、5 －羟甲
基糠醛、乙酰丙酸、甲酸和乙酸，通过带有紫外 － 可
见检测器的 Dionex ICS-3000 系统进行检测。其主
要条件如下: 紫外 － 可见检测器，检测波长为 210
nm，Supelcogel C-610H(30 cm × 7. 8 mm)型分离柱
及同型号的保护柱，柱温 20 ℃，0. 1% H3PO4 作为淋
洗液，淋洗速度为 0. 7 mL·min － 1，保持 90 min(Shuai
et al．，2010)。
2 结果与分析
2. 1 金属盐催化的稀酸预处理底物成分分析
表 1 是金属盐催化的稀酸预处理底物的化学成
分比较。其中各预处理条件的酸用量均为 2% (w /
w)，在此基础上再加入不同的金属盐，主要为硫酸
盐。由表 1 可以看出，金属盐催化的酸预处理底物
中甘露糖的含量几乎检测不到，酸不溶木质素的含
量均有所提高。除 0. 1 mol·L － 1硫酸铜预处理外，其
余各预处理底物中葡萄糖的含量均上升，但葡萄糖
含量最高的仍是不加金属盐催化的稀酸预处理底
物，达到了 58. 46%。对木糖而言，除硼砂催化预处
理外，其余各预处理底物中木糖都大幅降低，表明和
稀酸预处理一样，金属盐催化的酸预处理能脱除大
部分半纤维素。与稀酸预处理相比，加入硫酸铁和
硫酸铜的稀酸预处理脱半纤维素效果更好，其底物
中的木糖含量比稀酸预处理的更低。其中 0. 1 mol·
L － 1硫酸铜催化的底物中没有检测木糖的存在，0. 1
mol·L － 1硫酸铜催化底物中主要含有葡萄糖和木质
素以及微量的阿拉伯糖。硼化合物能与多羟基化合
物发生交联反应，但从 0. 1 mol·L － 1硼砂的预处理底
物成分组成来看，效果不明显，其中葡萄糖、木糖和
木质素含量均略有上升。对硫酸铁和硫酸铜催化的
稀酸预处理，当金属盐的质量分数降低时，底物中的
木糖含量提高。硫酸铜预处理底物中的葡萄糖也大
幅提升至 52. 94%。可见硫酸铜的质量分数对预处
理底物组成影响较大。
由表 1 得出，大部分金属盐催化的稀酸预处理
底物中的木糖含量较低，表 2 中列出了预处理废液
中的糖类和木质素含量。除硫酸钠催化的预处理废
液中能检测到甘露糖以外，其他预处理废液均未检
测到甘露糖。由此表明，甘露糖在预处理过程中比
较容易降解为副产物。废液中的酸溶木质素含量均
在 5%左右，差别不大，表明金属盐催化稀酸预处理
的脱木素效果不明显。废液中葡萄糖和木糖的含量
较高，以硫酸铜催化的废液含葡萄糖量最高，而以不
加金属盐的稀酸预处理的废液含木糖量最高。0. 1
mol·L － 1硼砂预处理的废液中糖类含量较少，原因可
能是硼砂为强碱弱酸盐，硼砂的加入使得预处理液
pH 升高，减缓了糖类的溶解。与硫酸钠相比，硫酸
钠为强酸强碱盐，它的加入对预处理液的 pH 影响
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林 业 科 学 50 卷
较小，因此仍具有很强的水解半纤维素的作用，使得
预处理废液中的木糖含量高达 6. 16 g·L － 1。除硼砂
催化的稀酸预处理外，其余各种金属盐催化的稀酸
预处理废液中的总糖含量为 7. 54 ～ 12. 71 g·L － 1。
表 1 金属盐催化的稀酸预处理底物的组成分析
Tab． 1 Chemical compostions of metal salt catalyst DA pretreated bamboo substrates %
成分
Components
阿拉伯糖
Arabinose
半乳糖
Galacose
葡萄糖
Gluctose
木糖
Xylose
酸不溶木质素
Acid-insoluble lignin
酸溶木质素
Acid-soluble lignin
未处理竹粉 Untreated raw bamboo 1. 10 0. 34 41. 34 21. 96 22. 82 1. 53
2% DA 0. 10 0. 00 58. 46 1. 80 34. 97 1. 78
0. 1 mol·L － 1 Na2 SO4 0. 14 0. 03 51. 38 8. 72 30. 38 2. 57
0. 1 mol·L － 1 FeSO4 0. 11 0. 00 55. 67 5. 92 33. 54 1. 72
0. 1 mol·L － 1 Fe2 ( SO4 ) 3 0. 06 0. 00 57. 17 0. 79 38. 79 1. 63
0. 1 mol·L － 1 CuSO4 0. 04 0. 00 35. 36 0. 00 60. 61 2. 68
0. 1 mol·L － 1 Na2 B4 O7 0. 76 0. 14 46. 36 24. 41 27. 16 1. 50
0. 05 mol·L － 1 Fe2 ( SO4 ) 3 0. 04 0. 00 56. 48 3. 04 38. 39 1. 82
0. 05 mol·L － 1 CuSO4 0. 05 0. 00 52. 94 0. 33 42. 57 2. 95
表 2 金属盐催化的稀酸预处理废液的糖类和木质素分析
Tab． 2 Chemical compostions of metal salt catalyst DA pretreated spent liquors g·L － 1
成分
Components
阿拉伯糖
Arabinose
半乳糖
Galactose
葡萄糖
Glucose
木糖
Xylose
甘露糖
Mannose
酸溶木质素
Acid-soluble lignin
2% DA 0. 04 0. 74 3. 28 8. 36 0. 00 5. 73
0. 1 mol·L － 1 Na2 SO4 0. 03 0. 68 1. 06 6. 16 0. 08 4. 57
0. 1 mol·L － 1 FeSO4 0. 24 0. 22 2. 42 4. 66 0. 00 4. 25
0. 1 mol·L － 1 Fe2 ( SO4 ) 3 0. 32 0. 21 4. 68 3. 68 0. 00 5. 83
0. 1 mol·L － 1 CuSO4 0. 04 0. 34 9. 39 1. 91 0. 00 5. 81
0. 1 mol·L － 1 Na2 B4 O7 0. 00 0. 00 0. 91 2. 84 0. 00 5. 00
0. 05 mol·L － 1 Fe2 ( SO4 ) 3 0. 04 0. 38 4. 40 3. 78 0. 00 4. 67
0. 05 mol·L － 1 CuSO4 0. 02 0. 43 6. 64 5. 62 0. 00 4. 52
2. 2 金属盐催化的毛竹预处理过程的质量衡算
金属盐催化的预处理过程对底物化学组成的影
响较大，而且预处理的废液中检测到大量的糖类存
在，因此对预处理前后的物料进行质量衡算显得尤
为重要。表 3 列出了金属盐催化稀酸预处理毛竹的
质量衡算，其中纤维素水解得到葡萄糖，半纤维素水
解得到阿拉伯糖、半乳糖、木糖和甘露糖等。表 3 中
数据是基于 100 g 未经预处理的绝干毛竹基础上计
算的，如 100 g 竹粉经稀酸预处理后，底物中含有
36. 83 g 葡萄糖、1. 14 g 木糖。由表中数据可以看
出，除硼砂催化的稀酸预处理的总成分回收率高达
87. 74 g 以外，其余各预处理的成分回收率均较低，
在 58. 30 ～ 73. 30 g 之间。最低的是 0. 1 mol·L － 1硫
酸铜催化的稀酸预处理的总成分回收率，只有
58. 30 g。这与上述底物和废液中的成分分析一致。
硫酸铜的加入，使得部分纤维素和大部分半纤维素
降解为小分子副产物。金属盐催化稀酸预处理的木
质素的回收率都在 100% 左右，可见金属盐催化的
稀酸预处理与稀酸预处理一样，均不能有效地脱除
木质素，因此使得亲油性的木质素在底物中大量富
集，影响底物中纤维素的酶水解性能。
2. 3 金属盐催化的预处理废液中发酵抑制物的
分析
木质纤维原料水解液中常含有纤维素和半纤维
素的降解产物和一些中和形成的盐类，如糠醛、5 －
羟甲基糠醛 (HMF)、甲酸、乙酸、钠盐和硫酸盐等
(Larsson et al．，1999)，其中乙酸、糠醛等对酵母发
酵具有较大的抑制作用。乙酸、甲酸等可以通过抑
制酵母的呼吸来减弱酵母的发酵能力(Laluce et al．，
1993)。呋喃醛类化合物对酿酒酵母的影响主要是
抑制酵母生长，使延滞期增长，降低乙醇得率和产
量，其抑制作用程度取决于其浓度以及菌株的遗传
背景等(Liu et al．，2004)。因此有效的预处理方法
应该尽可能减少产生这些酵母抑制物。
从表 4 中可以看出，金属盐催化稀酸预处理的
总成分回收率较低，但是木质素的回收率在 100%
左右，因此成分的损失主要是由纤维素和半纤维素
的降解造成的。它们降解的生成物成分复杂，表 4
列出了部分对后续发酵过程有抑制作用的化合物，
主要包括甲酸、乙酸、乙酰丙酸、糠醛和 5 － 羟甲基
糠醛，总量在稀酸预处理中达到了 15. 88 g·L － 1。在
加入金属盐催化以后，除了硫酸钠和硼砂预处理降
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第 4 期 李志强等: 无机金属盐对微波辅助酸预处理毛竹酶解的影响
低以外，其余各种预处理总的发酵抑制物含量都升
高，其中以硫酸铜废液中发酵抑制物的含量最高，达
到 26. 22 g·L － 1，使得废液中的发酵抑制物含量高于
糖类，这为后续的废液脱毒、乙醇发酵带来了一定的
难度。废液中糠醛的含量高于羟甲基糠醛，这也说
明竹粉中主要的五碳糖木聚糖比主要的六碳糖葡聚
糖更容易降解为副产物。
表 3 金属盐催化的稀酸预处理的毛竹的质量衡算
Tab． 3 Chemical compostions of metal salt catalyst DA pretreated bamboo substrates g
成分
Components
阿拉伯糖
Arabinose
半乳糖
Galactose
葡萄糖
Glucose
木糖
Xylose
甘露糖
Mannose
木质素
Lignin
小计
Sum
回收率
Ｒecovery
DA
底物 Substrate 0. 06 0. 00 36. 83 1. 14 0. 00 23. 15 61. 18
废液 Spent liquor 0. 03 0. 46 2. 05 5. 22 0. 00 3. 58 11. 34
72. 52
0. 1 mol·L － 1 Na2 SO4
底物 Substrate 0. 10 0. 02 35. 97 6. 11 0. 00 23. 06 65. 26
废液 Spent liquor 0. 02 0. 42 0. 67 3. 85 0. 05 2. 86 7. 86
73. 12
0. 1 mol·L － 1 FeSO4
底物 Substrate 0. 07 0. 00 37. 86 4. 02 0. 00 23. 97 65. 92
废液 Spent liquor 0. 15 0. 14 1. 51 2. 91 0. 00 2. 66 7. 38
73. 30
0. 1 mol·L － 1 Fe2 ( SO4 ) 3
底物 Substrate 0. 04 0. 00 33. 73 1. 80 0. 00 23. 84 59. 40
废液 Spent liquor 0. 20 0. 13 2. 93 2. 30 0. 00 3. 64 9. 20
68. 61
0. 1 mol·L － 1 CuSO4
底物 Substrate 0. 02 0. 00 16. 97 0. 00 0. 00 30. 38 47. 37
废液 Spent liquor 0. 02 0. 21 5. 87 1. 19 0. 00 3. 63 10. 93
58. 30
0. 1 mol·L － 1 Na2 B4 O7
底物 Substrate 0. 62 0. 12 38. 01 20. 02 0. 00 23. 50 82. 27
废液 Spent liquor 0. 00 0. 00 0. 57 1. 77 0. 00 3. 13 5. 47
87. 74
0. 05 mol·L － 1 Fe2 ( SO4 ) 3
底物 Substrate 0. 02 0. 00 33. 32 0. 46 0. 00 23. 73 57. 53
废液 Spent liquor 0. 03 0. 24 2. 75 2. 36 0. 00 2. 92 8. 30
65. 83
0. 05 mol·L － 1 CuSO4
底物 Substrate 0. 03 0. 00 29. 64 0. 18 0. 00 25. 49 55. 35
废液 Spent liquor 0. 01 0. 27 4. 15 3. 52 0. 00 2. 82 10. 77
66. 12
表 4 金属盐催化的稀酸预处理的废液的发酵抑制物分析
Tab． 4 Fermentation inhibitors in metal salt catalyst DA pretreated spent liquors g·L － 1
成分
Components
甲酸
Formic acid
乙酸
Acetic acid
乙酰丙酸
Levnic acid
羟甲基糠醛
HMF
糠醛
Furfural
总计
Total
DA 4. 01 5. 71 0. 38 1. 23 4. 56 15. 88
0. 1 mol·L － 1 Na2 SO4 0. 86 1. 95 0. 17 1. 11 2. 03 6. 11
0. 1 mol·L － 1 FeSO4 3. 17 3. 74 1. 65 1. 31 5. 54 15. 41
0. 1 mol·L － 1 Fe2 ( SO4 ) 3 3. 80 4. 63 2. 30 1. 12 8. 22 20. 07
0. 1 mol·L － 1 CuSO4 5. 99 5. 22 6. 36 1. 08 7. 57 26. 22
0. 1 mol·L － 1 Na2 B4 O7 0. 28 4. 75 0. 42 0. 02 0. 36 5. 83
0. 05 mol·L － 1 Fe2 ( SO4 ) 3 5. 23 6. 02 0. 10 1. 39 8. 67 21. 41
0. 05 mol·L － 1 CuSO4 5. 55 5. 71 0. 93 0. 63 6. 42 19. 22
2. 4 金属盐催化的稀酸预处理底物的酶水解性能
图 1 为不同金属盐催化稀酸预处理底物的酶水
解性能。已知稀酸预处理底物在水解 48 h 纤维素
转化为葡萄糖的收率为 52. 72%。这一收率低于其
他生物质材料稀酸预处理后的葡萄糖收率，原因是
本研究中稀酸的用量较低，为竹材质量的 2%，换算
成溶液质量分数仅为 0. 32%。再加上所用竹材为 4
年生成材毛竹，其硬度大、密度高、木质化程度高，导
致酸预处理后底物的酶水解效率低于其他生物质材
料。另外，从图 1 可以看出，金属盐的加入提高了稀
酸预处理底物酶水解性能的只有硫酸铁，三价铁离
子是酸水解反应的催化剂，因此硫酸铁催化酸预处
理底物的酶水解效率最高。其余各种金属盐的加
入，都不同程度地降低了底物的酶水解性能，尤其是
0. 1 mol·L － 1硫酸铜催化的预处理底物，其酶水解 48
h 纤维素转化为葡萄糖的收率仅为 2. 79%。而前面
已经提到，未经预处理竹粉的纤维素转化为葡萄糖
的收率为 2. 41%左右。因此虽然 0. 1 mol·L － 1硫酸
铜预处理底物中只有纤维素和木质素，但水解效率
几乎没有提高。原因可能是其中含有高达 60% 以
上的木质素阻止了纤维素对酶的吸附，从而使得酶
水解性能低下。另外一个原因可能是铜的杀菌作用
导致的，已知铜作为木材防腐剂的主要有效成分而
被广泛使用(曹金珍，2006)，而铜对纤维素酶的抑
制作用尚需探讨。硼砂催化的预处理对竹材化学成
分影响不大，没有显著破坏竹材的化学结构，竹材的
主要化学成分也没有损失，因此预处理底物的酶水
解性能提高也不大，只有 5. 97%。硫酸铁催化的底
物酶水解性能较高，而含有二价铁的硫酸亚铁预处
501
林 业 科 学 50 卷
理底物的酶水解性能反而低于稀酸预处理的酶水解
性能。硫酸盐虽为中性盐，对预处理液的 pH 无太
大影响，但底物中的木糖含量较高，可能是导致酶水
解性能较低的原因之一。
图 1 金属盐催化的稀酸预处理
底物的酶水解性能
Fig． 1 Enzymatic hydrolysability of metal salt catalyst DA
pretreated bamboo substrates
值得一提的是，硫酸铜预处理的底物在酶水解
后的水解液变为蓝色，由此可以看出，纤维素酶的酶
水解作用可以使吸附到底物上的铜脱附到水解液
中。利用这一特性可以用来回收工业含铜废水中的
铜，以及回收废旧含铜防腐剂的防腐木材中的铜。
对 0. 1 mol·L － 1硫酸铜催化的酸预处理废液，其
颜色并不显蓝色，表明其中大部分铜已被底物吸附。
采用常见原子吸收光谱法测定废液中的铜质量分数
(Li et al．，2009)，再根据预处理前加入的硫酸铜的
量，计算 铜离子被 竹材 底物吸附的 吸 附 率 为
95. 3%。含铜的竹材底物在酶水解 48 h 后，水解液
颜色变为蓝色，表明铜已从竹粉上脱附下来。将水
解液过滤，并用少量水洗涤不溶物。过滤后的水解
液中加入碳酸钠，并不断搅拌，直至溶液颜色变为无
色，并伴有蓝色沉淀生成。过滤、洗涤、干燥，得到回
收的碳酸铜产品。采用原子吸收光谱仪测定水解液
中铜的质量分数，用以计算铜的脱附率为 90. 8%。
铜离子的回收率为 87%，即加入预处理的硫酸铜中
有 87%的铜可以回收循环使用。
由此可见，预处理在整个纤维素乙醇生产过程
中起着至关重要的作用，它影响着其他操作成本包
括预处理前颗粒的大小和后续的酶水解。预处理还
对能耗、酶用量及酶水解速率、发酵抑制物的量、产
品纯化以及木质纤维原料的综合利用等方面产生影
响。因此可在以下 2 个方面开展研究:
1) 由木质素的脱除可改为侧重于对木质素的
改性处理，使改性后的木质素对酶水解的影响降到
最低。木质素的亲油性、吸附性使得对纤维素酶的
影响较大。竹材中木质素含量较高，完全脱除木质
素的成本太高。因此可以考虑对木质素进行改性，
酶解后再进行回收利用。
2) 针对不同竹材部位 (竹青、竹黄和竹肉)和
不同竹种，采用原子力显微镜、扫描电镜和 X 射线
光电子能谱等分析原料和预处理底物表面的构成元
素及化学键状态，探讨影响竹材预处理的因素，以便
提供改善预处理效果的机制依据。
3 结论
稀酸预处理主要以脱除半纤维素为主，而对木
质素的脱除没有明显效果。与稀酸硫酸预处理相
比，加入硫酸铁催化后的稀酸预处理能提高底物的
酶水解性能。硫酸钠、硫酸亚铁、硫酸铜和硼砂等催
化后的稀酸预处理底物的酶水解性能均有不同程度
的下降，其中以硫酸铜催化预处理底物的酶水解性
能最差。金属盐催化的稀酸预处理以脱除半纤维素
为主，对木质素的脱除效果不明显。铜离子在预处
理过程中可以被竹材底物吸附，并且在酶水解过程
中可以脱附进入水解液中。
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(责任编辑 石红青)
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