纤维素酶水解玉米秸秆的影响因素研究

王娜娜，杨翔华，张 全，姚秀清

(1.辽宁石油化工大学环境与生物工程学院，辽宁 抚顺 113001；2.抚顺石油化工研究院，辽宁 抚顺 113001)

目前，由木质纤维素生物转化为乙醇的研究非常活跃，已取得许多新的进展[1，2]。木质纤维素的生物转化一般包括3个过程：原料的预处理、水解和发酵，其中利用纤维素水解产生可发酵糖是最关键的步骤。酸法水解对设备要求高，副产物对后续反应有抑制作用[3]；而酶法水解具有条件温和、产品质量高、对环境友好等优点，是纤维素糖化工艺今后的发展方向[4]。

作者考察了预处理方式、纤维素酶加量、初始葡萄糖含量等因素对纤维素酶水解玉米秸秆的影响。为优化利用玉米秸秆为原料生产燃料乙醇的工艺提供了依据。

1 实验

1.1 材料与仪器

玉米秸秆、稀酸预处理玉米秸秆、蒸汽爆破预处理玉米秸秆，分别编号为：A、B、C。

3种纤维素酶分别编号为：1#、2#、3#。

722S型分光光度计，SB-A型水浴振荡器；SBA-40型生物传感分析仪。

1.2 方法

将玉米秸秆置于125 mL旋盖三角瓶中，加入纤维素酶0.2 mL·g-1(以每克底物计，未标明均指1#纤维素酶)，调节pH值至4.8，使玉米秸秆质量分数为5%～20%，于50 ℃下恒温振荡反应，取样离心，测定水解液中的葡萄糖含量。

1.3 分析测试

纤维素含量采用硝酸乙醇法[5]测定。

葡萄糖含量：采用SBA-40型生物传感分析仪测定。

酶解得率按下式计算[6]：

式中：c葡为水解液中葡萄糖含量；c纤为原料干基中纤维素含量；c原为水解体系的底物浓度，即总固浓度，A、B、C 3种底物分别为13.7%、10.3%和9.5%。

滤纸酶活：将1 min内水解waterman 1#纤维素酶滤纸产生1 μmol还原糖所需要的酶量定义为1个酶活单位，按照IUPAC(国际理论和应用化学联合会)推荐的国际标准方法测定，以FPIU·mL-1表示[7]。

2 结果与讨论

2.1 原料纤维素含量

采用硝酸乙醇法测得原料A、原料B和原料C中的纤维素含量分别为36%、78%和45%。

2.2 纤维素酶滤纸酶活

测得1#、2#、3#纤维素酶液的滤纸酶活分别为99.8 FPIU·mL-1、94.0 FPIU·mL-1和1.5 FPIU·mL-1。

2.3 预处理方式对玉米秸秆酶解效果的影响

采用1#纤维素酶，分别对经不同预处理方式得到的原料A、原料B和原料C进行酶解，50 ℃下恒温振荡反应5 d，测定水解液中的葡萄糖含量，并计算酶解得率，结果见表1。

表1 预处理方式对玉米秸秆酶解效果的影响/%

由表1可看出，未经过预处理玉米秸秆(原料A)的酶解得率仅6.8%，而经过稀酸预处理(原料B)和经过蒸汽爆破预处理(原料C)的玉米秸秆的酶解得率可达到90%以上。可见，玉米秸秆在酶解之前需经过预处理才能获得较高的酶解得率。由表1还可看出，原料中纤维素的含量越高，说明预处理过程中半纤维素水解越彻底，更利于纤维素酶水解，水解液中葡萄糖含量也就越高。

2.4 纤维素酶对原料C的酶解效果

以水解液中葡萄糖含量作为酶解效果的评价指标，比较1#、2#纤维素酶对原料C的酶解效果，结果见图1。

图1 1#、2#纤维素酶对原料C的酶解效果比较

由图1可以看出，1#和2#纤维素酶对原料C的酶解趋势一致。酶解时间为5 h时，1#和2#水解液中葡萄糖含量分别为4.45%和4.50%，2#较1#酶解效率高1.1%；酶解时间超过5 h后，由于葡萄糖的反馈抑制作用，酶解速率减慢，并趋于停止。

比较1#、3#纤维素酶加量对原料C水解液中葡萄糖含量的影响，结果见图2。

图2 1#和3#纤维素酶加量对原料C水解液中葡萄糖含量的影响比较

由图2可以看出，要得到2.0%葡萄糖含量，需1#纤维素酶0.31 mL·g-1、3#纤维素酶3.2 mL·g-1，两者相差约10倍。而1#纤维素酶的滤纸酶活为3#纤维素酶的66.5倍，可见不同纤维素酶对同一种物料进行酶解，要达到相同的纤维素酶解得率，其纤维素酶加量与滤纸酶活不成正比关系。这是由于纤维素酶液的水解能力不仅取决于滤纸酶活，还取决于纤维素酶的酶系组成是否合理，因此需要针对水解物料最大化来优化纤维素酶的酶系组成。

2.5 酶加量和初始葡萄糖含量对玉米秸秆酶解效果的影响

在反应体系中分别加入1 mL、2 mL和3 mL 1#纤维素酶，以前8 h平均葡萄糖生成速率(GR)作为评价指标，考察1#纤维素酶加量和初始葡萄糖含量对玉米秸秆酶解效果的影响，结果见图3。

图3 酶加量和初始葡萄糖含量对玉米秸秆酶解效果的影响

由图3可以看出，在初始葡萄糖含量相同的情况下，酶加量越多，体系中前8 h平均葡萄糖生成速率越大，当初始葡萄糖含量为0%、纤维素酶加量分别为1 mL、2 mL和3 mL时，体系的GR分别为158 mg·h-1、240 mg·h-1和340 mg·h-1，酶加量每增加1 mL，GR平均增加91 mg·h-1；当酶加量相同时，体系中初始葡萄糖含量越大，GR越小。可见葡萄糖对纤维素酶水解具有反馈抑制作用。

3 结论

对玉米秸秆酶解的影响因素进行了研究。结果发现，玉米秸秆在酶解之前需要经过预处理才能获得较高的酶解得率，且纤维素含量越高，越有利于酶解；纤维素酶液的水解能力不仅取决于滤纸酶活，还取决于纤维素酶中酶系组成是否合理；不同纤维素酶对同一种物料进行酶解，达到相同的酶解得率，其纤维素酶加量与酶液的滤纸酶活不成正比关系；纤维素酶加量越多，体系中的平均葡萄糖生成速率(GR)越大；葡萄糖对纤维素酶水解具有反馈抑制作用，随着初始葡萄糖含量的增大，体系中的GR呈递减趋势。为优化利用玉米秸秆为原料生产燃料乙醇的工艺提供了依据。

[1] 孙亚东，蒋建新，孙冉，等.纤维乙醇及渗透汽化原位分离技术研究进展[J].中国能源，2008，30(9)：17-24.

[2] 刘洪斌.燃料乙醇非粮化——我国发展纤维乙醇的挑战与对策[J].生物加工过程，2008，6(1)：7-11.

[3] Choteborska P，Palmarola-Adrados B，Galbe M，et al.Processing of wheat bran to sugar solution[J].Journal of Food Engineering，2004，61(4)：561-565.

[4] Rivas B，Moldes A B，Dominguez J M，et al.Lactic acid production from corn cobs by simultaneous saccharification and fermentation：A mathematical interpretation[J].Enzyme and Microbial Technology，2004，34(7)：627-634.

[5] 北京造纸研究所.造纸工业化学分析[M].北京：轻工业出版社，1975：109-154.

[6] 詹小明，夏黎明.纤维素酶在玉米芯上的吸附及其水解作用[J].林产化学与工业，2005，25(3)：76-80.

[7] Ghose T K.Measurement of cellulase activities[J].Pure & Appl Chem，1987，59(2)：257-268.