碱预处理对麦草秸秆酶解的影响

罗 清， 赵 登， 张安龙， 王光艳

(1.陕西科技大学 轻工与能源学院 陕西省造纸技术及特种纸品开发重点实验室, 陕西 西安 710021； 2.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)

0 引言

木质纤维素原料作为丰富而廉价的可再生资源，已经逐渐成为制取生物乙醇的有效途径.但由于木质纤维原料的生物构造和化学组成等原因，必须经过有效的预处理以提高酶水解转化效率[1,2].草类原料结构较木材疏松，灰分和二氧化硅含量较高，不宜采用强烈的预处理条件.

木聚糖酶是能催化降解木聚糖的一类半纤维素酶，应用木聚糖酶处理麦草浆料，其直接作用就是降解浆中的木聚糖，使浆中半纤维素的含量降低，并使纤维素细胞壁结构变得松弛，同时使浆中残余木素连接的半纤维素降解，破坏了LCC，形成脱木素或有利于脱木素的状态[3,4].因此本文就不同碱用量和温度的条件下，对麦草秸秆的化学组成和木聚糖酶的酶解效率进行了研究，为实现生物质精炼理念在制浆造纸行业中的应用提供参考.

1 实验部分

1.1 实验原料、仪器和试剂

(1)原料：实验所用麦草取自陕西某造纸厂.碱处理、酶处理和纤维形态分析使用时，将自然风干的麦草切成2～3 cm；纤维化学成分分析检测时，将麦草用植物粉碎机粉碎，筛出40～60目的部分.

(2)仪器：电热恒温水浴锅(HH-Z)；电热蒸煮锅(ZQS1)；电子分析天平(BL310)；电热恒温鼓风干燥箱(DHG-9053A)；纤维质量分析仪(LDA02).

(3)主要试剂：上海丹尼悦生物科技有限公司的商业用酸性木聚糖酶，该产品呈米色，粉末状，酶活力为12 000 IU·g-1，适宜pH为5～6，适宜温度为50 ℃～60 ℃，使用时需适当稀释.

1.2 实验方法

1.2.1 麦草秸秆的碱处理

分别称取一定量实验1.1中的麦草原料置于250 mL具塞磨口锥形瓶中，按照质量分数为1%、3%、5%、7%加入NaOH溶液，固液比1∶10，待试样充分湿润后，置于(50±0.5) ℃恒温水浴振荡器中，转速140 r/min，1 h后，对麦草进行抽滤分离处理，将试样残渣用去离子水洗涤至中性，干燥至恒重.取样对聚戊糖含量和麦草得率进行检测分析.

1.2.2 麦草秸秆的酶处理

取一定量按章节1.2.1所述方法碱处理后的原料置于100 mL碘量瓶中，加入蒸馏水后微沸30 min，冷却到室温，用稀HCl调pH为5.5左右，加入酸性木聚糖酶用量600 IU·g-1，补加蒸馏水至反应体系的总体积为60 mL，摇匀置于(50±0.5) ℃恒温水浴振荡器中，转速为165 r/min下酶解作用120 min.反应结束后微沸30 min进行酶灭火处理，冷却至室温后用去离子水洗涤处理试样至中性，105 ℃下干燥至恒重，取样进行聚戊糖含量和麦草得率检测.

1.3 检测方法

麦草原料水分含量、灰分含量、综纤维素含量、木素含量和聚戊糖含量的测定方法均按国标(GB/T2677.2-1993)、(GB/T2677.3-1993)、(GB/T2677.10-1995)、(GB/T2677.8-1994)、(GB/T2677.9-1994)进行检测；纤维质量分析仪采用奥普泰斯特(Optest)观察纤维形态.

1.4 聚戊糖得率的计算

聚戊糖得率指原料经预处理后未被降解的聚戊糖占原料中聚戊糖总量的质量百分比，计算方法为：

聚戊糖含量=

2 结果与讨论

2.1 麦草原料的化学成分

实验所用麦草原料按国标进行检测分析，主要化学成分如表1所示.

表1 麦草原料主要化学成分含量

2.2 用碱量对酶处理前后聚戊糖得率的影响

不同用碱量对麦草浆进行碱预处理和酶后处理，用碱量对酶处理前后聚戊糖含量的影响见图1所示.

图1 用碱量对聚戊糖含量的影响

由图1可知，酶处理前后聚戊糖的含量随着用碱量的增加均在减少，且聚戊糖含量在酶处理后下降趋势明显.在碱预处理条件下聚戊糖含量下降较平缓，而在用碱量为7%时，酶处理后聚戊糖含量有较大的下降趋势，聚戊糖含量减少了近50%.聚戊糖含量下降说明碱预处理中碱液与纤维原料反应后脱除一定量的半纤维素[5-7]；酶处理后麦草秸秆聚戊糖含量下降明显，说明NaOH预处理提高了木聚糖酶与底物的可及度，提高了酶解效率，促进了麦草秸秆的酶解，聚戊糖含量下降.因此，用碱量在7%时聚戊糖含量下降较快，即酶解糖量及糖化率较大.

2.3 用碱量对酶处理前后麦草浆得率的影响

不同用碱量对麦草进行碱预处理和酶后处理，用碱量对酶处理前后麦草浆得率的影响见图2.

图2 用碱量对麦草浆得率的影响

由图2可知，随着用碱量的增加，酶处理前后麦草浆的得率均在减少，且麦草浆得率在酶处理后明显小于酶处理前的.在不同碱预处理条件下，酶处理后比酶处理前麦草浆得率少5%左右.说明在碱预处理过程中，适当提高氢氧化钠溶液的浓度有助于浆料中半纤维素及低分子质量纤维素的溶解,有利于纤维素的充分润胀[8]；当较多的半纤维素溶出后，添加木聚糖酶使水解达到较高的反应速率，半纤维素的酶解速度加快，麦草浆得率下降.因此，结合聚戊糖含量和麦草浆得率的综合考虑，用碱量在7%时较好.

2.4 反应温度对聚戊糖含量的影响

在碱用量为7%时，不同温度下对麦草进行碱预处理和酶后处理.反应温度对酶处理前后聚戊糖含量的影响见图3.

图3 反应温度对酶处理前后 聚戊糖含量的影响

由图3可知，酶处理前随着温度的升高，聚戊糖含量先下降较快，在温度大于50 ℃时，聚戊糖含量的减少趋势基本比较平缓；酶处理后麦草聚戊糖含量一直减少，在80 ℃时酶处理后麦草秸秆聚戊糖含量减少了近50%.说明半纤维素在相对温和的条件下就有较快的溶出，这因为麦草纤维结构较为疏松，半纤维素与木素纤维素的结合力较弱，这也说明了麦草的脱木素选择性差.当温度大于50 ℃时，碱处理过程对聚戊糖降解的促进作用极为有限，聚戊糖含量的减少趋势基本比较平缓.因此，综合考虑酶处理前后，反应温度为50 ℃时为最佳条件.

2.5 反应温度对麦草得率的影响

在碱用量为7%时，不同温度下对麦草进行碱预处理和酶后处理.反应温度对酶处理前后麦草浆得率的影响见图4.

图4 反应温度对酶处理前后 麦草浆得率的影响

由图4可知，随着反应温度的增加，酶处理前后麦草浆的得率均在减少，且麦草浆得率在酶处理后明显小于酶处理前的.随着温度的升高，碱预处理过程中麦草浆得率的下降趋势比较缓和，麦草浆得率下降了5%，可以看出温度升高，碱预处理浆得率逐渐下降，可能木质素脱除并未显著增加；酶处理后麦草浆得率下降较明显，而且温度越高麦草浆得率下降越快，但得率下降并不都是聚戊糖酶解作用造成的，木聚糖酶处理在酸性条件作用下也会除去灰份、铁质，因为酸能够溶解铁质，还可以去除灰份，酸处理中的H+将Mg2+或Ca2+交换掉，重新变成-COOH(羧基)，即降低了成品的灰份[9-12]，麦草浆得率下降.考虑到麦草浆得率不能太低，温度应该在50 ℃时酶处理前后麦草浆得率都相对较好.

2.6 酶处理前后麦草纤维形态分析

在碱用量为7%，反应温度为50 ℃时，用奥普泰斯特纤维质量分析仪观察处理后浆料的纤维形态.原料和酶处理前后麦草浆纤维的形态分析如表2所示.

表2 酶处理前后纤维形态分析

由表2的数据可知，酶处理前后麦草浆料的纤维重均长度均减少，酶处理后比酶处理前的重均长度相对减少了14.45%；酶处理前后的细小纤维含量、卷曲半径、扭结指数和总扭结角度相对麦草原料均有所增加.原因可能是碱处理和酶处理后使得纤维的碳水化合物聚合度降低，降解后产生部分纤维碎片，导致重均纤维长度降低和细小纤维含量增加.另一方面，碱处理和酶处理使得纤维细胞壁的化学成分溶出，提高了纤维细胞壁的通透性，纤维吸水润张能力增加，使得卷曲指数和扭结指数增加[13-15].即酶处理前后和麦草原料比较，重均长度减少，细小纤维含量增加，卷曲指数增加，扭结程度增大.

3 结论

(1)碱预处理和酶后处理过程中，随着用碱量的增加麦草浆的得率和聚戊糖含量都呈下降趋势.在碱预处理用碱量7%，反应温度50 ℃，反应时间60 min和酶后处理时pH=5.5，木聚糖酶用量600 IU·g-1，反应温度50 ℃，酶解时间120 min的条件下，处理后麦草浆聚戊糖含量有较好的降解效果，同时麦草浆得率达到了最佳效果.

(2)用纤维质量分析仪观察纤维形态，酶处理前后和麦草原料比较，纤维重均长度减少，细小纤维含量、卷曲指数和扭结程度均增加.

[1] 陈洪章.纤维素生物技术[M].北京:化学工业出版社,2005.

[2] 刘洪斌,王松林,张瑞霞,等.造纸节能减排技术[M].北京:化学工业出版社,2010.

[3] 鲁 杰,石淑兰.NaOH预处理刘棺物纤维素酶解特性的影响[J].纤维素科学与技术,2004,12(1):1-6.

[4] Faaij A.Modern biomass conversion technologies[J].Mitig Adapt Strateg Glob Change,2006,11:343-375.

[5] 胡 健,曾靖山,郑炽嵩.几种非木材原料爆破法制浆的研究[J].造纸科学与技术,2004,23(6):32-34.

[6] 袁 平,余惠生,付时雨,等.纤维素酶和半纤维素酶对纤维改性的研究进展[J].中国造纸,2001,20(5):53-57.

[7] Eiras K M, Co lodette J L. Eucalyptus kraft pulp bleaching with chlorine dioxide at high temperature[J].JPPS,2003,29(2):64-69.

[8] 冯文英,李振岩,常清容.木聚糖酶的制备及其在麦草浆漂白中的应用[J].中国造纸,2002,21(2):8-13.

[9] 李忠正.禾草类纤维制浆特性及进一步发展我国非木材造纸的对策[J].中华纸业,2006,27(2):6-8.

[10] 李 科,靳艳玲,甘明哲,等.木质纤维素生产燃料乙醇的关键技术研究现状[J].应用与环境生物学报,2008,14(6):877-884.

[11] 曾 健,陈克复,李伟伟,等.纸浆漂白前螯合预处理条件对金属离子去除的影响[J].中国造纸学报,2009,24(2):22-26.

[12] 李海龙,陈嘉川,杨桂花,等.麦草NaOH- AQ浆ECF漂白[J].中国造纸,2006,25(6):35-37.

[13] 张学金,李友明,陈克利,等.甘蔗渣的NaOH预处理研究和氧碱制浆[J].纸和造纸,2008,27(4):16-20.

[14] 方 诩,秦玉琪,李雪芝,等.纤维素酶与木质素生物降解转化的研究进展[J].生物工程学报,2010,26(7):864-869.

[15] 李宏强,陈洪章.纤维素生物转化过程工程的研究[J].生物产业技术,2010(1):40-46.