微波前处理对水稻秸秆酶解性能的影响

沈洁 陆筑凤 于建兴 叶小梅 李加友 常志洲

摘要 [目的]利用微波预处理破坏秸秆中半纤维素、纤维素和木质素复合物，改善秸秆质地和结构，提高其生物降解效率，为秸秆生物质能开发创造条件。[方法]通过Box-Behnken设计和响应面法对水稻秸秆进行微波预处理优化试验，并通过秸秆结构表征比对来考察微波处理对水稻秸秆酶解性能的影响。[结果]利用响应面法得到微波前处理的最佳操作参数：功率（MI）700 W，反应时间（IT）28 min，固液比（SC）75 g/L。在最优条件下，秸秆的还原糖收率为11.86%，比未处理时增长了47.33%，与秸秆结构的FTIR、电镜等表征结果相符。[结论]微波预处理会破坏秸秆表面的蜡质和硅化细胞，还可以部分分解木质素与半纤维素复合物，提高了水稻秸秆的生物降解性能，具有良好的应用前景。

关键词 微波前处理；水稻秸秆；响应面分析；还原糖收率

中图分类号 S181.3；X703.5 文献标识码

A 文章编号 0517-6611（2014）26-09088-03

Effect of Microwave Pretreatment on Enzymatic Saccharification of Rice Straw

SHEN Jie， LI Jia-you et al （College of Biological and Chemical Engineering， Jiaxing University， Jiaxing， Zhejiang 314001）

Abstract [Objective] Microwave pretreatment was used to disrupt the lignin-hemicellulose complex and enhance enzymatic saccharification of rice straw. [Method] In this study， Box-Behnken design and response surface methodology were employed to plan experiments and optimize the microwave pretreatment of rice straw. [Result] According to regression equation to determine， the best microwave pretreatment conditions were as follow： microwave intensity （MI） 700 W， irradiation time （IT） 28 min and substrate concentration （SC） 75 g/L. Under the optimal conditions， the maximal recover of reducing sugar was 11.86%， increased by 47.33% compared with untreated straw. The physicochemical surface characteristics analysis of straw further confirmed the perspective. [Conclusion] Microwave pretreatment could disrupt the silicified waxy surface， break down the lignin-hemicellulose complex and partially remove silicon and lignin， largely enhance enzymatic saccharification of rice straw.

Key words Microwave pretreatment； Rice straw； Response surface analysis； Reducing sugar yield

我国秸秆资源丰富，年产量达7亿t，秸秆中纤维素和半纤维素含量超过50%，是非常優良的发酵原料。但是，由于秸秆独特的天然结构，纤维素酶和半纤维素酶很难对其直接作用，酶解效率很低。建立高效经济、环境友好的前处理方法，破坏秸秆的天然抗性屏障，已成为秸秆资源化利用的关键^[1]。蒸汽爆破、热水、超声波、NaOH等物理和化学方法都可以在一定程度上改变秸秆结构，促进酶的可及性，提高纤维素和半纤维素的酶解效率^[2-5]。微波处理操作方便，环境友好，处理效率高，受到广泛关注^[6]。该研究利用专业的微波合成仪对秸秆进行前处理，基于相同的工艺条件，通过与文献中常用的家用微波炉辅助处理进行比较，为微波辅助前处理方法的实际应用提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料与主要仪器

试验材料：水稻秸秆，来自嘉兴市市郊。取新鲜水稻秸秆，去根及穗后风干，剪成5 cm左右的短杆备用。主要仪器：MAS II 型常压微波辅助合成反应仪（上海新仪微波化学科技有限公司）、日立hitachi S-4800扫描电镜（日本HITACHI公司）、傅立叶变换红外光谱仪（德国Bruker公司）。

1.2 试验流程 图1为该试验的操作流程。

1.3 试验方法

1.3.1 微波预处理。

秸秆经粉碎机粉碎，过筛，准确称取1 g秸秆材料，加一定量的水混合均匀，在一定的微波功率下处理一定的时间。预处理后的样品经过滤分离，滤饼在40 ℃下烘干备用，滤液用来测定葡萄糖在微波预处理过程中的增加量。

1.3.2 酶解。在100 ml锥形瓶中加入预处理好的秸秆，适量纤维素酶和0.02 mol/L pH 4.8醋酸缓冲液，使体系中秸秆含量为12.5 g/L，酶活为2 000 U/ml，于50 ℃下、100 r/min的恒温振荡箱中反应24 h。取反应液2 ml经10 000 r/min离心10 min，收集上清液测定还原糖的含量。每个样品重复3次。

1.3.3 工艺条件的优化。选择微波功率（MI）、微波处理时间（IT）、秸秆材料与水的固液比（SC）作为考察的3个变量，利用Box-Behnken设计方法对所选因子进行试验设计（表1），以還原糖收率为响应值对试验进行响应面分析并建立二次响应面回归模型，确定其最优工艺参数水平。

1.3.4 秸秆结构表征。

扫描电镜分析：将未处理的秸秆和经微波辐射处理的秸秆进行扫描电镜检测，观察秸秆纤维表面形态和微细结构。 红外光谱分析：将未处理的秸秆和经微波辐射处理的秸秆进行红外光谱分析。

2 试验结果与分析

2.1 工艺条件的优化结果

利用Box-Behnken设计考察试验中的微波功率、处理时间、固液比3个因素对水稻秸秆酶解的影响强度、交互作用情况（表2）。试验数据利用软件Design Expert 7.0进行分析，拟合出微波功率（A）、处理时间（B）、固液比（C）与水稻秸秆酶解后还原糖收率Y之间的二次多项回归方程：Y=36.605+2.438A-0.318B+0.322C-1.137AB-0.062AC +0.506BC-1.369A2-1.230B2-2.360C2。

由表3可知，A和C2对结果均有显著影响，模型的P值<0.05，表示该模型显著；模型的R2=0.913 0，表示模型参数具有高度的相关性；失拟误差P值为0.004 68，说明响应面模型对试验拟合的情况较好，试验误差小，且可很好地对试验结果进行分析和预测。

对于水稻秸秆酶解糖化的模型的3D响应面图和2D等高线图如图2～4所示。为考察两因素间的交互作用，保持另一因素不变。当等高线呈圆形时，表明其交互作用明显，而当其等高线为椭圆或其他形状时，则表明其交互作用不显著。因此，可知该试验中底物浓度和微波处理时间之间有较好的交互作用，而底物浓度和微波功率或微波功率和处理时间之间的交互作用均不是很明显。

微波预处理的最佳条件由Design Expert软件通过图形优化来得到。考虑到成本和效率，最佳操作参数确定为A=700 W，B=28 min，C=75 g/L。在该条件下，重复5次验证试验，实际测得的CS值与预测值基本一致，微波辐射后秸秆的CS值达到了11.86%，而未处理秸秆的CS值为8.05%，增长率为47.33%。

2.2 秸秆结构表征试验结果

2.2.1 秸秆超微结构（扫描电镜分析）。

扫描电镜（SEM）观察结果如图5所示。通过微波处理前后样品的扫描电镜图发现，微波处理后秸秆结构明显破坏，呈无规则形态。由于部分半纤维素、木质素的去除，表面变得疏松，秸秆致密结构已遭到破坏且具有部分微孔。这种结构可以更加有利于纤维素酶作用于秸秆。由此可知，微波作用可以改变秸秆致密结构，降低结晶度，这样有利于纤维分子链间氢键断裂和水分子渗透到纤维素非结晶区及结晶区表面，进而移除更多木质素，使纤维素、半纤维素更容易被酶解。扫描电镜表征的结果与秸秆的酶法转化结果相符。

3 结论

该项研究对秸秆微波预处理的条件优化使用了Box-Behnken设计和响应面分析。试验得到的最优条件如下： MI 700 W，IT 28 min和SC 75 g/L。在最优条件下，还原糖收率达到11.86%，并且相对于原材料秸秆具有47.33%的增长量。可见，微波辐射在提高水稻秸秆生物降解率方面是一种有效的预处理方法。微波预处理可以破坏表面硅化蜡质，分解木质素、半纤维素复合物，除去部分硅和木质素，并更容易将纤维素表面暴露于纤维素酶中，大大增强水稻秸秆的酶解糖化能力。但不同的微波反应装置对处理的效率有较大的差别，相对于文献中提到的利用家用微波炉，在相当的条件下处理水稻秸秆后，还原糖收率提高了3～4倍^[7-8]。

参考文献

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