亚硫酸钠预处理提高稻草酶水解糖化效率的研究

亚硫酸钠预处理提高稻草酶水解糖化效率的研究

曹杰;张帅;杨林峰;王旺霞;吴文娟;金永灿

【摘要】The effects of sodium sulfite （Na2SO3） pretreatment on chemical composision and enzymatic hydrolysis of rice straw were investigated. Raising the temperature or increasing the charge of sodium sulfite can improve the dissolution of lignin and saccharification efficiency, while most carbohydrate is retained. However, when the dissolution of lignin attained 40%, the improvement of saccharification efficiency was nonsignificant. After enzymatic hydrolysis, total sugar conversion rate of 74.9% and total sugar yield rate of 43.5% can be achieved by using the substrate pretreated under the condition of temperature 140~C, sodium sulfite charge 16% and cellulase amount 20 FPU/g （cellulose）.%研究了亚硫酸钠预处理对稻草化学组分变化及酶水解性能的影响。结果表明,提高温度或增加Na2SO3用量可以脱除更多的木质素和半纤维素,酶水解效率也相应提高,但木质素脱除率达到50%以后,继续增强预处理条件,对酶水解糖得率无显著的促进作用。相比而言,加大Na2SO3用量更有利于使木质素溶出,提高温度更有利于使高聚糖溶出,加大Na2SO3用量比提高温度对酶水解效率的提高影响更显著。通过实验得到亚硫酸钠预处理稻草的最优条件,在温度为140℃,Na2SO3用量为16%,纤维素酶用量为20 FPU/g（对纤维素）时,总糖转化率达到最大,为74.9%,此时的总糖得率为43.5%。

【期刊名称】《纤维素科学与技术》

【年(卷),期】2012(020)002

【总页数】10页(P1-10)

【关键词】稻草;Na2SO3预处理;化学成分;酶水解;糖转化率

【作者】曹杰;张帅;杨林峰;王旺霞;吴文娟;金永灿

【作者单位】南京林业大学江苏省制浆造纸科学与技术重点实验室,江苏南京210037;南京林业大学江苏省制浆造纸科学与技术重点实验室,江苏南京210037;南京林业大学江苏省制浆造纸科学与技术重点实验室,江苏南京210037;南京林业大学江苏省制浆造纸科学与技术重点实验室,江苏南京210037;南京林业大学江苏省制浆造纸科学与技术重点实验室,江苏南京210037;南京林业大学江苏省制浆造纸科学与技术重点实验室,江苏南京210037

【正文语种】中文

【中图分类】TQ352.62

木质纤维素主要由纤维素、半纤维和木质素组成，以纤维素为主体，半纤维素和木质素交织在其中，形成一个稳定的复合体。在木质纤维素生产生物乙醇的过程中，必须首先对木质纤维素进行预处理，破坏其原有的稳定结构，使纤维素酶可以进入木质纤维素与高聚糖充分接触[1]。许多文献报道了运用不同的方法对木质纤维素进行预处理，并且取得了一定的进展[2-6]。化学预处理因为其操作简单，工艺完善，并且可以很好地部分破坏木质纤维素的结构，得到广泛重视。生产生物乙醇原料的化学预处理与化学法制浆有很多相似之处，几乎所有的化学预处理均采用化学制浆的原理。亚硫酸盐蒸煮是常用的制浆方法，包括酸性亚硫酸盐法、亚硫酸氢盐法、中性亚硫酸盐法和碱性亚硫酸盐法，也可用来对生物质进行预处理。如Zhu 等[7-10]用酸性亚硫酸盐对木质纤维素进行预处理，通过部分破坏木质纤维素的结

构来消除纤维素酶水解木质纤维素的阻抗作用，从而提高酶水解糖化效率。

我国是水稻种植大国，每年约产生2亿吨稻草，其中大部分直接丢弃在稻田里或焚烧处理，不仅污染环境，同时也是资源的极大浪费[11]。如果能将稻草作为一种生物质原料生产燃料乙醇，将产生极大的经济效益，并解决中国能源危机的问题。稻草含有大量的灰分且木质素含量较木材低，因此稻草结构相对于木材非常疏松，中性亚硫酸盐预处理即可达到破坏稻草结构的目的。用中性亚硫酸盐预处理木质纤维素有以下优点：1）中性亚硫酸盐相对于其他酸碱预处理条件更为缓和，对碳水化合物的降解较少；2）中性亚硫酸盐预处理对木质素具有较好的磺化作用，可增强木质素的亲水性使其部分溶出；3）未溶出的木质素也有相当程度的磺化，即酶水解底物具有较好的亲水性，在一定程度上有利于提高酶水解效率；4）相对于酸性亚硫酸盐预处理，中性亚硫酸盐法初始预处理液的pH值为10～12，终了废液的pH值接近中性，稍加调节即可达到7以上，对设备的腐蚀较小。本文结合制浆造纸中对木质纤维素的脱木质素方法，用中性亚硫酸盐预处理稻草，研究了预处理后稻草化学组分变化及对后续酶水解效率的影响。

1 材料与方法

1.1 材料

实验用稻草原料取自苏北，由江苏某造纸厂提供。稻草风干后去根，切断至长度为3～5 cm，充分混合均匀后置于密封塑料袋中平衡水分。

酶水解用纤维素酶（NS 50013，酶活 84 fPU/mL）、木聚糖酶（NS 50014，酶活 850 fXU/mL）、β-纤维二糖酶（NS 50010，酶活350 CBU/mL）由Novozymes提供，酶活按文献[12]提供的方法测定。用醋酸―醋酸钠缓冲液（pH 4.8）将纤维素酶、木聚糖酶和β-纤维二糖酶以酶活比为1 fPU∶1.2 fXU∶1 CBU 配成混合酶液，其中β-纤维二糖酶适当过量，以防止酶水解过程中纤维二糖的积累[13]。