纤维素质原料生产乙醇的研究现状

2010年第4期0引言
随着人们对环境问题认识的加深，以及对所面临能源危机现状的忧虑，清洁、可再生的新能源———生物乙醇，受到了越来越多的关注。

以植物生物质为原料，生产生物乙醇已成为主要的研究方向，它满足了绿色环保、可持续发展的要求。

植物生物质主要包括：木材、农作物秸秆、林业加工废料和废弃纸品等[1]。

利用纤维素质原料生产生物乙醇具有以下优势：清洁环保，不污染环境；生产成本低；原料来源广，且可再生。

木质纤维原料是地球上最丰富、最廉价的可再生资源[17]，全世界每年通过光合作用产生的木质纤维生物质高达1000×108t ，其中89%尚未被人类利用[32]。

我国是一个农业大国，各类农作物纤维质资源十分丰富，仅秸秆一项每年的产量就达7×108t 以上，
其中玉米秸（35%）、小麦秸（21%）和稻草（19%）
是我国的三大秸秆资源，林业副产品、城市垃圾和工
业废物的数量也很可观，这些资源一直没有得到合理开发利用[31]，由于秸秆燃烧的能量利用率低，被当作燃料直接燃烧，也造成了资源严重浪费。

综合利用纤维素质原料受到了各国政府以及世界环保组织的热切关注，特别是环境问题越来越突出的现实，也让人们看到了利用纤维素质原料生产生物乙醇的巨大潜力。

1
原料的主要组成
纤维素质物质的主要成分为：纤维素、半纤维素、木质素等，不同原料中各成分的含量不同。

生物质中各类纤维素含量见表1[2-3]。

纤维素是β-D 葡萄糖基1,4-糖苷键联结而成的
线性高分子化合物。

据戈林（J.Go ring ）等人研究，
在纤维素细胞的次生壁中，微细纤维、木质素、半纤维素3种组分均呈不连续的层状结构，彼此粘结又互相间断。

微细纤维是构成细胞壁的骨架，木质素、半纤维素则是微细纤维之间的填充剂和黏结剂。

纤维素
收稿日期：2009-12-05
基金项目：河南省杰出人才创新基金资助项目（0621000900）。

作者简介：王罗琳（
1985-），女，河南人，在读硕士，研究方向：生物质乙醇发酵。

E-mail ：linlindepengyou05@ 。

*为通讯作者：丁长河（1968-），男，副教授，河南人，研究方向：农产品贮藏与加工。

E-mail ：dch@ 。

纤维素质原料生产乙醇的研究现状
王罗琳，*丁长河，杨盛茹
（河南工业大学粮油食品学院，河南郑州450052）
摘要：随着石油的日益短缺，利用可再生资源生产生物乙醇，受到越来越多的关注。

以纤维素质为原料生产生物乙
醇，是利用农业或工业废弃物变废为宝，实现了原料的利益最大化。

利用自然界中存在的细菌或酵母菌类微生物，将纤维素质原料通过各种方法水解成木糖、葡萄糖、阿拉伯糖等糖类，然后利用水解产物中的糖类物质发酵生产生物乙醇。

水解产物经过一定的脱毒处理，将有利于菌株的生长和乙醇产率的提高。

关键词：纤维质原料；发酵；生物乙醇；
中图分类号：Q939.99；TQ223.2+2文献标志码：A
doi ：10.3969/jissn.1671-9646(X).2010.04.006The Research of Ethanol Production from Cellulosic Materials
Wang Luolin ，*Ding Changhe ，Yang Shengru
（College of Cereals and Oilseeds ，He'nan University of Technology ，Zhengzhou ，He'nan 450052，China ）
Abstract ：With the growing shortage of oil ，the use of renewable resources to produce bio-ethanol was got more and more attention.Quality materials with fiber raw materials to produce bio-ethanol were used in agricultural or industrial waste as raw materials so that the waste turning waste into treasure ，and also the benefits of raw materials were maximized.The fiber materials were turned into xylose ，glucose ，arabinose and other fermentable sugars with the variety ways of hydrolysis.The hydrolysis products of carbohydrate can be used to produce the bio-ethanol by the wild strain of bacteria or yeast micro-organisms.After a certain strain of detoxification hydrolyzate will be conducive to the growth and ethanol production rates.Key words ：cellulosic materials ；fermentation ；bio-ethanol
第4期(总第205期)农产品加工·学刊
No.42010年4月
Academic Periodical of Farm Products Processing
Apr.
文章编号：1671-9646(2010)04-0021-04
农产品加工·学刊2010年第4期植物生物质原料纤维素半纤维素木质素
硬木软木玉米芯稻草甘蔗渣小麦秆棉籽壳玉米秆
40~45
45~50
45
25~40
40
30
80~95
37.4
24
25
35
35~50
24
50
5~20
33.1
18
25
15
10~30
25
15
15.5
表1生物质中各类纤维素含量/%
分子中的葡萄糖（或其他糖）残基的多少，又被称之为聚合程度的高低，因植物种属不同，以及时间和空间关系的变化而有差异[4]。

2原料的预处理
纤维素经水解可生成葡萄糖，半纤维素经水解可生成木糖、阿拉伯糖、半乳糖等，糖进一步可生产燃料乙醇、木糖醇、有机酸、单细胞蛋白、糠醛、乙酰丙酸等工业产品[5-10]。

利用纤维素质原料生产生物乙醇，需要经过：预处理原料和发酵生产乙醇2个步骤。

预处理原料的目的是去除木质素和半纤维素，并且增加原料的多孔性。

处理后的原料要达到以下要求：①增加可发酵性糖或能被随后的酶解有效利用的糖；②减少碳水化合物的降解或消失；③避免生产对随后的水解和发酵有抑制作用的副产物的生产；④经济效益高。

常用的预处理方法有物理法、物理化学法、化学法和生物法。

2.1物理预处理法
物理预处理法包括机械粉碎、热解、微波或超声波处理、高能电子辐射等。

这些方法可使纤维素粉化、软化，降低结晶度，提高转化率。

但这些方法都有一个共同的缺点——
—能耗高，成本高，水解率低。

因此限制了物理法预处理在工业生产乙醇上的应用[11]。

2.2化学处理法
化学方法包括酸处理和碱处理。

2.2.1酸处理
常用的酸包括盐酸和硫酸。

酸催化纤维素分解的机理如下：酸在水中解离出氢离子，纤维素链上的β-1.4糖苷键和H30+接触，β- 1.4糖苷键上的O-接受一个H+，使氧键断裂，与水反应生成羟基并放出H+，H+可再次催化水解反应[12]。

利用浓酸和稀酸的水解反应又有所不同。

浓酸法一般采用浓硫酸，其水解过程是纤维素→酸复合物→低聚糖→葡萄糖[13]。

19世纪，人们提出了浓酸水解，它的原理是结晶纤维素在较低的温度下，可完全溶解于体积分数72%的硫酸、42%的盐酸和77%~83%的磷酸中，导致纤维素的均相水解。

浓硫酸水解是最常用的方法，其主要优点是糖的回收率高，大约有90%的半纤维素和纤维素转化的糖被回收[14]。

然而，从经济方面考虑，必须回收浓硫酸，硫酸的分离和再浓缩增加了工艺的复杂程度，另外浓硫酸腐蚀性强，处理较为困难[15]。

用稀硫酸（体积分数0.5%~1.5%）在高温状态下，可较容易地将秸秆中的半纤维素水解成为木糖和阿拉伯糖，其中木糖约占90%[16]。

稀酸水解有2种基本类型：高温（大于160℃），低固体浓度（5% ~10%），连续反应；低温（小于160℃），高固体浓度（10%~40%），间歇反应[11]。

稀酸处理可以破坏纤维素的结晶结构，使原料结构变得疏松，从而有利于酶水解。

经过稀酸处理后，可以显著提高纤维素的水解速率[17]。

稀酸可以将半纤维素转化成单元糖，原料中的重金属被稀酸溶解，然后以氢氧化物的形式沉淀，最后与石膏或活性炭等吸附剂一起被过滤掉。

半纤维素糖浆中富含戊糖和己糖，浓度高，不需要浓缩。

这一特点吸引人们采用基因工程等方法去研制新的微生物。

稀酸水解产生一种络合物，是大多数微生物的抑制剂[18]，这也是稀酸处理的一个缺点。

稀酸预处理后不需要进行回收，但需要中和掉剩余的酸，以便进行随后反应。

稀酸预处理过程中会产生一些对发酵不利的物质，如糠醛、醋酸等，其中，醋酸是酸水解预处理中普遍存在的副产物。

醋酸的存在对酵母或细菌的生长不利，进而影响到乙醇的产量。

在酵母生长的最适pH值（4.5~5）范围内，大部分的醋酸没有解离。

这些醋酸可以自由扩散到酵母的细胞内，降低细胞内的pH值，导致细胞内膜间的质子梯度减弱，能量的产生被分开，营养物质的传输被减弱；而且醋酸的这种影响在毕赤氏酵母发酵生产乙醇中表现为，在有氧条件下的影响程度比在无氧条件下的影响程度高[19]。

2.2.2碱处理
碱处理可分为NaOH和NH3预处理等。

碱处理是利用木质素能够溶解于碱性溶液的特点，用稀NaOH或NH4OH处理生物质原料，破坏其中木质素的结构，从而便于酶水解的进行。

碱处理的机理在于OH-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[20]。

碱水解对分子间交联木聚糖、半纤维素和其他组分的酯键有皂化作用，随着酯键的减少，纤维素原料的孔隙率增加。

在碱处理的同时将物料加热，可以大大提高纤维素的水解率[22]。

碱处理木质纤维原料的效果取决于原料中的木质素含量。

相对酸处理而言，碱处理的反
·22·
2010年第4期
应条件比较温和（55~130℃）。

常用的碱性物质还有熟石灰、氨等。

因为氨具有易挥发和便于回收利用的特点，在预处理纤维素质原料工艺中越来越受到人们的重视。

例如，利用NH3渗透回收工艺对玉米芯、稻草混合物，以及柳枝叶进行预处理，去木质素的效率分别为60%~80%，65%~85%,有利于随后的水解过程[11]。

尽管碱处理对原料的可降解性效果较好，但在处理过程中仍有部分半纤维素被分解，致使损失太多，同时还存在试剂的回收、中和、洗涤等问题[23]。

碱处理易产生不溶性副产物，而且用量大，处理时间长。

最初选用的是NaOH，它具有较强的脱木质素能力，但有约50%的半纤维素被降解。

用碱进行预处理，纤维素及半纤维素的损失较大，回收率只有50%，故应用起来也较为困难[24]。

2.3生物法
生物法是利用分解木质素的微生物除去木质素，以解除其对纤维素的包裹作用。

因为此方法不需要在发酵之前对纤维素质原料进行前处理，所以该方法又称为直接发酵法。

在生物预处理中，白腐菌、褐腐菌和软腐菌等常被用来降解木质素和半纤维素，其中最有效的白腐菌是担子菌类。

自20世纪80年代以来，直接发酵法受到国内外同行的重视，它是仅利用一种微生物产生的纤维素酶和半纤维素酶酶解产生糖，仍由同一株菌来完成发酵的过程，此法工艺简单，用时短，对纤维性材料的生物法全利用有很大实际意义[25]。

3发酵
纤维素质原料经预处理和酶解后都会产生混合糖。

根据来源的不同，混合糖分：木糖、阿拉伯糖、葡萄糖、甘露糖、海藻糖和鼠李糖[26]。

利用葡萄糖发酵乙醇技术成熟，有大批优良菌种可供选择，其中酿酒酵母是工业化生产乙醇中应用最为广泛的优良品种[27]。

另外，对运动发酵单孢菌（Zymomonas mobilis）的研究较为引人注目。

这种菌是原核生物，为厌氧菌，但它的酶系统能高效地将葡萄糖转化为乙醇，具有乙醇得率高、耐酒精能力强、代谢产物少等优点。

因此，利用运动发酵单胞菌发酵可以降低乙醇的生产成本[28]。

天然半纤维素水解产物的85%~90%是木糖，如何充分利用半纤维素是生物质利用率的关键[33]，所以，有效地利用木糖发酵将能较大程度上提高乙醇的最终产量。

下面几种酵母菌能较好的发酵木糖产生乙醇：休哈塔假丝酵母（Candida shehatae）、嗜鞣管囊酵母（Pachysolen tannophilus）、树干毕赤酵母（Pichia stipitis）、酒香酵母（Brettanomyces）和产朊假丝酵母（Candida utilis）[11]。

其中休哈塔假丝酵母不仅能够发酵木糖，而且能快速发酵葡萄糖，用于植物纤维类原材料生产乙醇非常合适[29]。

嗜鞣管囊酵母发酵木糖产乙醇，适宜在高好氧条件下进行，生产乙醇的最适初始pH值为5.0，最适接种质量分数为2%，当水解液木糖质量浓度为3g/100mL时，最大乙醇质量浓度为0.8g/100mL，是理论得率的85%[33]。

休哈塔假丝酵母为微好氧菌株，它利用木糖发酵生产乙醇的最适发酵条件是木糖初始质量浓度为40g/L，温度为30℃，转速为90r/min，初始pH值为4.5~5.0，乙醇产量为11.02g/L，木糖利用率达86.9%[34]。

但上述酵母如果用于商业生产燃料乙醇，却有诸多弊端。

例如：乙醇耐受力低，发酵速率较慢及发酵过程中供氧不好控制，对纤维素底物的水解和预处理过程中产生的阻碍物敏感[7]。

现在的趋势是利用多种酒精发酵菌株混合发酵，利用各自的优势，使得效率更高。

尽管进行了大量的研究，但还没有找到哪一种微生物能将所有的糖快速有效地全部转化为酒精，近年来，基因工程菌的应用部分解决了这个问题[26]。

已有研究表明，能在共培养体系中增加乙醇产量的微生物有：嗜热厌氧杆菌（Thermoanaerobacter ethanolicus）、嗜热硫化氢梭菌（Clostridium thermohydrosulfuricum）、嗜热解糖梭菌（Clostridium thermosaccharolyticum）[39]。

Hogsett等人[40]利用嗜热解糖梭菌和热纤梭菌直接转化纤维性物质为乙醇方面做了研究，能提高乙醇产量。

纤维素质原料水解产物中的一些副产物，对酵母的生长，以及对乙醇的产量都有副作用。

这些抑制物主要有醛类、有机酸、呋喃、木质素的降解产物、盐类等。

它们所表现出来的抑制作用主要有以下方面：抑制菌体生长；降低微生物对营养物质的利用率；抑制乙醇的生成，降低乙醇的产率[35]。

例如，醋酸、糠醛、硝甲基糠醛（HM F）是稀酸处理的副产物，也是对微生物生长和乙醇产率都有抑制作用的物质[30]。

所以，稀酸处理后的水解液要经过消毒才能进行下一步的发酵。

解除这些抑制物的方法解毒，除了增大接种量、调节发酵液的pH值等一般方法外，还有用Ca(OH)2，NaOH中和或活性炭吸附，离子交换，有机溶剂抽提，电解，分子筛过滤等[36-38]。

4展望
经济有效地将木糖转化为酒精，依赖于纤维素水解原料的成本以及选用有效的木糖发酵菌株。

虽然近年来已经有研究小组或实验室在这方面做了大量研究，但仍然存在问题。

对稀酸处理过程中产生的“有毒”物质（醋酸、糠醛等）的脱毒，以及减少碱处理过程中碱的加入量等，仍需进一步研究。

在发酵过程
王罗琳，等：纤维素质原料生产乙醇的研究现状·23·
农产品加工·学刊2010年第4期
中，更好地利用水解产生的混合糖，将对提高乙醇的生产率有很大帮助，从而对减少利用纤维素质原料发酵生产乙醇的成本十分有利。

进行基因工程酵母的研究，使其性能在工业化生产中更加稳定；提出效率高、流程短的生产技术流程。

如果这些问题得到解决，早日实现这项技术的工业化，将对未来的能源利用、环保等事业产生深远的影响。

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95~100℃，40min 杀菌的荔枝罐头，基本消除了多酚氧化酶和过氧化物酶等引起的酶促褐变。

果汁、罐头加工与贮存过程中多发生非酶褐变。

引起非酶褐变的主要原因有：美拉德反应、焦糖化反应、抗坏血酸氧化分解和多元酚氧化缩合[2-3]。

一般而言，焦糖化反应一般在高温、碱性及高糖浓度条件下发生；而荔枝罐头的可溶性固形物含量大致为14%~22%，因此，罐头荔枝的褐变并非焦糖化反应引起。

根据荔枝罐头内容物的成分和加工特点，笔者认为荔枝罐头中的非酶褐变主要是由美拉德褐变反应、多酚氧化和抗坏血
酸氧化引起的。

根据Hodge （1953年
）的研究，各种非酶褐变反应历程有共同的中间产物、受一些相同因素的影响。

氧气能促进非酶褐变，但观察表明，40d 后才显示氧气促进褐变的加速，这可能是由于贮藏温度低、褐变反应速度缓慢的缘故。

光照实验表明，紫外线对荔枝罐头的反应没有影响，符合理论分析的结果。

在水分活度合适的条件下，一般认为可溶性固形物含量越高，可能的反应产物的浓度就越高，褐变速度越快[7]。

而观察发现，可溶性固形物含量相对较低（
<13%）及还原糖含量相对较低（90~120g/L ）的荔枝罐头的褐变程度更加严重，这显然与理论分析的结
果不相符合，具体原因有待于进一步研究。

pH 值是影响非酶褐变的重要因素。

根据对观察结果的统计，在pH 值3.5~4.5范围内，pH 值的变化对荔枝罐头的褐变没有显著影响，没有随着pH 值的下降变轻。

这与以前的研究结果在pH 值4.0~4.2时荔枝罐头褐变程度最轻结论并不矛盾。

理论上，pH 值5.0以下非酶褐变反应缓慢，况且荔枝罐头采用柠檬酸调节pH 值，可能是柠檬酸与pH 值共同作用导致的结果。

4
结论
荔枝罐头的褐变原因复杂，主要由美拉德反应、多酚氧化和抗坏血酸氧化引起，影响因素众多。

氧气促进褐变加速、光照对褐变无影响、可溶性
固形物质量分数较低（<13%）及还原糖质量浓度相
对较低（90~120g/L ）的荔枝罐头褐变严重；pH 值为3.5~4.5，其变化对荔枝罐头的褐变影响不显著。

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图3pH 值对褐变指数的影响
1.351.301.251.201.151.101.051.00褐变指数A 440n m
3.40
3.60 3.80
4.00 4.20 4.40 4.60
pH 值
◆◆
◆◆◆◆◆◆◆◆◆◆◆◆◆◆◆◆◆◆◆◆◆◆◆◆◆◆◆◆◆◆◆◆◆
◆◆◆◆◆◆◆◆◆◆◆◆◆◆◆◆◆◆◆◆◆◆◆◆◆◆◆◆◆◆◆◆◆◆◆◆◆◆◆
◆
◆◆
◆◆◆◆◆◆◆[1][2]
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林小燕，等：贮藏过程中荔枝罐头褐变的初步分析◆◆◆◆◆◆◆◆◆◆◆◆◆◆◆◆◆◆◆◆◆◆◆◆◆◆◆◆◆◆◆◆◆◆◆◆◆◆◆◆◆◆◆◆◆◆◆
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