亚硫酸铵预处理提高麦草备料废渣的酶水解效率

吕佳青姜 波赵淑晶孟 鑫金永灿，*

（1．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；2．山东泉林纸业有限责任公司，山东高塘，252800）

·麦草备料废渣利用·

亚硫酸铵预处理提高麦草备料废渣的酶水解效率

吕佳青1姜 波1赵淑晶2孟 鑫1金永灿1，*

（1．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；2．山东泉林纸业有限责任公司，山东高塘，252800）

为高效经济利用制浆厂的备料废渣，研究了亚硫酸铵预处理对麦草备料废渣主要化学成分及酶水解糖化效率的影响。结果表明，原料的木素脱除率随预处理温度升高和亚硫酸铵用量增加而提高，半纤维素的降解受温度影响较大，纤维素在预处理中几乎没有降解。在本研究范围内，随着预处理强度的增大，碳水化合物的酶水解糖转化率先上升后下降，相比于提高温度，增加亚硫酸铵用量对提高酶水解效率的影响更为显著。麦草备料废渣在165℃下用16%亚硫酸铵预处理，经PFI磨磨浆得到的底物，其酶水解（以聚葡萄糖为基准的酶用量为40 FPU/g）聚葡萄糖和聚木糖转化率分别为88．9%和44．9%，总糖转化率为67．0%。

麦草备料废渣；亚硫酸铵；预处理；化学成分；酶水解糖化

麦草制浆厂的备料废渣目前尚无高效经济的利用途径，多采用定点焚烧、草屑锅炉燃烧和掩埋等处理方式，不但污染环境，而且造成资源的巨大浪费［1］。高昂的原料价格是目前制约纤维素乙醇成本的主要因素之一，利用生物质生产生物乙醇，开辟原料来源至关重要，特别是寻找廉价的替代原料。麦草备料废渣主要成分为纤维素、半纤维素和木素，是制取燃料乙醇的潜在原料。同时，麦草备料废渣中含有大量对细胞新陈代谢不可或缺的钾元素，被认为是生产有机肥料的优良原料［2］。以制浆备料废渣为原料生产生物乙醇，是废弃物高效利用的有效途径，不仅可节约废弃物处理的经济成本和环境成本，获得一定的经济效益，而且具有重要的生态和社会效益。此外，利用造纸厂已有的设施，就地处理，免去原料收集、运输、储藏等成本，同时也确保了生物乙醇生产所需原料的稳定持续供应。

生产生物乙醇的木质纤维原料化学预处理方法和化学法制浆有很多相似之处，因此麦草备料废渣化学预处理也可借鉴工业上使用的亚硫酸铵法蒸煮。亚硫酸铵预处理过程中木素部分磺化可以增强其与亲水性纤维素酶的结合，从而有利于提高后续纤维素酶的酶解效率。预水解废液含有大量有机碳素和氮素，经过氧化处理可使废液中含有丰富的腐殖质，为其作为缓释肥料提供可能；废液中含有大量的木素磺酸盐，是良好的黏合剂，非常适合制作颗粒肥，可用来生产农业肥料，解决废液对环境污染的问题，化害为利，支援农业，实现原材料全值利用，提高纤维素乙醇生产的经济效益［3］。此外，通过共享现有的蒸汽、电力和备料等基础设施，制浆与生物质精炼协同发展也将大大降低生产成本。本实验以麦草备料废渣为原料，探讨亚硫酸铵预处理对其酶水解糖化的影响，开展麦草备料废渣综合利用生产燃料乙醇的技术和工艺研究，为麦草备料废渣多元化高效利用提供参考依据和技术支持。

1 材料与方法

1.1 材料

实验用麦草备料废渣取自国内某草浆制浆造纸厂备料工段。从工厂备料车间取得的废渣含有大量泥土及细小尘埃，灼烧灰分含量高达50%。经20目（0．90 mm）筛子筛选处理，筛渣率为55%。筛渣成分主要为泥砂和麦草细屑，筛后原料的主要组分为麦秆和麦叶碎片，以及少量麦穗。筛后原料风干后混合均匀置于密封塑料袋中平衡水分备用，其主要化学成分见表1。

水解用酶为Cellic®CTec 2高效复合酶，由丹麦Novozymes公司提供。酶活按文献［4］提供的方法测定，复合酶液的酶活以纤维素滤纸酶活计为240 FPU/mL。

1.2 预处理

亚硫酸铵预处理在自制回转式电加热油浴锅中进行（转速6 r/min），内置10个容积为1 L的不锈钢反应罐，每罐装入相当于绝干质量30 g的备料废渣。预处理亚硫酸铵用量分别为8%、12%、16%和20%（相对于绝干原料），固液比为1∶5，在80℃下回转预浸30 min后，以2℃/min的速率分别升温至150℃和165℃，保温60 min完成预处理。预处理后的麦草备料废渣用清水充分洗净并离心脱水，在密封袋中平衡后测定水分并计算固形物得率，然后用PFI磨（ZQS7—PFI，西北轻工业学院机械厂制造）磨浆（8000转），制备底物用于酶水解。

1.3 酶水解

精确称取相当于l g绝干预处理物料于150 mL锥形瓶中，以底物中聚葡萄糖含量为基准的酶用量分别为20 FPU/g和40 FPU/g。补充一定量醋酸﹣醋酸钠缓冲液（pH值5．0），调节酶水解底物质量分数为5%。酶水解在恒温振荡器（SHAC，上海精宏）中进行，转速180 r/min，温度（50±2）℃，时间48 h。酶水解结束后将物料转移至离心管中，在5000 r/min下离心15 min，分离上清液用于水解单糖的含量分析。

1.4 分析与检测

麦草备料废渣的苯﹣醇提取物根据文献［5］进行分析，原料及预处理废渣的木素（酸不溶木素和酸溶木素）和碳水化合物（葡萄糖、木糖和阿拉伯糖）含量采用美国能源部的方法［6］分析，计算酸不溶木素时扣除灰分（575℃灼烧）的含量。原料、预处理后浆料的酸水解液和酶水解液中的糖含量根据Jin等人［7］描述的方法测定。检测结果为水解液的单糖含量，为便于计算酶水解转化率，所得结果均表示为聚糖含量。本实验全部数据均为两次平行独立实验的平均值。

表1 麦草备料废渣主要化学组成

2 结果与讨论

2.1 亚硫酸铵预处理对麦草备料废渣固形物得率及预处理废液pH值的影响

麦草备料废渣经不同温度和不同用量亚硫酸铵预处理固形物得率和废液pH值如表2所示。从表2可看出，高温和高化学药品用量有利于促进木素的脱除和聚糖的降解。在相同温度条件下，随着亚硫酸铵用量增大，预处理固形物得率略有下降，说明亚硫酸铵用量对得率的影响并不明显；在亚硫酸铵用量不变的情况下，150℃和165℃的预处理得率相差较为显著，表明提高预处理温度比增大亚硫酸铵用量对固形物得率的影响更为显著。麦草备料废渣中含量较高的尘土等杂质在水解过程中部分溶出，是引起预处理得率较低的重要原因。

表2 麦草备料废渣经不同温度及不同用量亚硫酸铵预处理固形物得率和废液pH值

由于亚硫酸铵在水中电离出部分OH-，预处理液初始pH值较大，在相同温度条件下，废液pH值随着亚硫酸铵用量增大而上升；在亚硫酸铵用量不变的情况下，温度升高废液pH值降低，主要是由于温度上升使得原料与药液的作用加剧，麦草备料废渣半纤维素降解加剧，水解生成较多的乙酸、糖醛酸等降解物使废液pH值下降［8﹣9］。随着亚硫酸铵用量的增加，废液pH值增大，当亚硫酸铵用量达到16%后，继续增加亚硫酸铵用量对水解液pH值影响不显著。相比于碱法预处理液的pH值（13～14），亚硫酸铵预处理较低的pH值可以减少聚糖的碱性水解和二次剥皮反应，避免了半纤维素和纤维素的过度降解，同时亚硫酸铵的弱碱性可降低糠醛等抑制物的产生，有利于提高后续酶水解效率［10﹣11］。

表3 预处理亚硫酸铵用量和温度对麦草备料废渣木素、灰分和各种聚糖含量的影响（以初始原料为基准）

2.2 亚硫酸铵预处理对麦草备料废渣主要化学成分的影响

麦草备料废渣经亚硫酸铵处理后，亚硫酸铵用量和温度对木素、灰分和各种聚糖含量（以初始原料为基准）的影响如表3所示。从表3可知，麦草备料废渣残余总木素的含量随着亚硫酸铵用量增加和温度升高而减少，主要是因为随着亚硫酸铵用量增大，预处理液中和浓度增加，麦草备料废渣中更多的木素被磺化溶出，故残余木素随着亚硫酸铵用量增加而减少。相比于亚硫酸铵用量增加，残余木素随温度升高而下降的幅度较小，由此可见亚硫酸铵用量比温度对残余木素含量的影响更显著［9］。随预处理条件增强，酸不溶木素含量显著下降，而酸溶木素含量反而上升，其原因可能是预处理麦草备料废渣中部分被磺化的木素具有较好的亲水性，在预处理过程中易于溶出，使酸溶木素含量增大［9］。从表3可见，预处理后麦草备料废渣灰分下降最显著，在温度150℃、亚硫酸铵用量12%预处理条件下，灰分含量下降77．9%，溶出的灰分主要是水溶性无机盐以及原料中存在的大量细小尘土和杂质。

木质纤维素预处理过程中，木素的脱除使得纤维素和半纤维素更多地暴露出来，有效改善了酶水解时底物对纤维素酶的可及性，从而提高后续酶水解糖转化率［12］。但随着预处理条件的增强，木素脱除的同时伴随着聚糖的降解，使预处理固形物得率不断下降。为提高酶水解单糖的转化率，应当避免碳水化合物过多损失，在脱除木素的同时尽量减少纤维素和半纤维素的降解。因此，需要控制预处理反应条件，提高预处理对脱木素的选择性。图1所示为预处理固形物得率与木素脱除率的关系。由图1可以看出，在木素脱除率相同时，温度150℃下预处理固形物得率高于165℃的，说明麦草备料废渣亚硫酸铵预处理在较低温度下具有较好的脱木素选择性；在温度相同时，随着木素脱除率增大，预处理固形物得率有所下降，温度在165℃条件下，木素脱除率随着亚硫酸铵用量增大而显著增加。在预处理固形物得率相同的情况下，木素脱除率随着温度升高而降低，可见在高温下各聚糖降解更严重，碳水化合物过度降解对后续酶水解得率将产生不利的影响。

图1 预处理固形物得率与木素脱除率的关系

表4 亚硫酸铵预处理后溶出的聚糖和废液中聚糖的含量（以初始原料为基准）

表4所示为亚硫酸铵预处理后溶出的聚糖和废液中各聚糖的含量。结合表3和表4数据可见，麦草备料废渣的聚糖含量随预处理条件的增强呈递减趋势，说明随温度升高和亚硫酸铵用量增大，纤维素和半纤维素降解加剧。在本实验条件下，纤维素的降解均明显低于半纤维素，因为半纤维素自身的非结晶态和低聚合度很容易受到破坏而降解，在亚硫酸铵预处理中发生了脱乙酰化作用［13］。在150℃条件下，亚硫酸铵用量从8%增至20%，聚木糖含量从12．1%降至10．7%，聚木糖溶出2．6%；而在亚硫酸铵用量为8%时，温度从150℃升至165℃，聚木糖溶出5．9%，可见温度对聚糖降解比亚硫酸铵用量对聚糖降解的影响更大。

从预处理废液中聚糖回收情况来看，相同温度下，亚硫酸铵用量的增加对废液聚糖含量的影响不大，而在相同亚硫酸铵用量下，升高温度预处理液中聚糖含量明显上升，这与聚糖溶出规律一致。值得一提的是，不同预处理条件下预处理液中回收的总糖含量明显低于各种聚糖的溶出率，可能是部分己糖和戊糖在预处理过程中转化成了糠醛等副产物所致，如果将这部分损失的糖收集进行酶水解，过程复杂且效率低下。根据亚硫酸铵预处理液含有铵态氮的特性，将其用于生产肥料是更为高效合理的处理方式。

2.3 亚硫酸铵预处理对麦草备料废渣酶水解性能的影响

亚硫酸铵预处理的麦草备料废渣经PFI磨在8000转下处理成浆后作为酶水解的底物，在纤维素酶用量为20 FPU/g和40 FPU/g下酶水解糖化。各种聚糖酶水解转化率随预处理条件不同而有所不同，其变化规律如图2所示。从图2可知，预处理条件相同的情况下，增加酶用量可以提高酶水解效率。当纤维素酶用量从20 FPU/g增至40 FPU/g时，聚葡萄糖转化率的增幅大于聚木糖。相对于高温预处理条件，在低温下聚木糖转化率增加更明显。例如经亚硫酸铵用量16%、温度为165℃预处理的底物，酶用量从20 FPU/g增至40 FPU/g，聚葡萄糖和聚木糖转化率分别增加11．1%和5．7%，而温度为150℃时聚葡萄糖和聚木糖转化率则分别提升15．2%和12．1%。其主要原因是在亚硫酸铵预处理条件下，麦草备料废渣中半纤维素比纤维素更容易降解，即经预处理后浆料中半纤维素降解，聚木糖已经部分损失在预处理水解液中，尤其是高温下半纤维素降解加剧，使得聚木糖基数不大，所以在高温下增加酶用量对聚木糖转化率影响不显著，而低温下聚木糖损失相对较少，增加酶用量效果较显著。

从图2还可知，在相同温度下，随着亚硫酸铵用量的增加，各聚糖的转化率呈先上升后趋于平缓甚至下降的趋势，由于在预处理时半纤维素降解严重导致聚木糖转化率总体较低。例如，在150℃、酶用量为40 FPU/g时，亚硫酸铵用量从8%增至16%，总糖转化率从28．8%增至52．7%，继续增加亚硫酸铵用量至20%，总糖转化率则降至45．4%。预处理亚硫酸铵用量的提高促进了木素脱除和部分半纤维素的降解，碳水化合物的结构变得松散，纤维碎片增多，孔隙度增加，促进酶水解糖化效率的提高［14﹣15］；而继续增加亚硫酸铵用量，预处理液碱性增强，虽然可以促进木素脱除，但同时加剧了碳水化合物的降解，损失更多的糖，因此继续增加亚硫酸铵用量反而使得各聚糖的转化率有所下降。

亚硫酸铵预处理木素脱除率与总糖转化率的关系如图3所示。在亚硫酸铵用量为8%～16%条件下，虽然温度为165℃时的预处理固形物得率低于150℃温度下的得率（见表2），但在相同用碱量下，其酶水解转化率大于150℃预处理浆料（见图2），是因为在165℃高温下能脱除更多的木素，使得废渣中碳水化合物的结构变得松散，极大地提高了后续纤维素酶的可及度，保证较高的酶水解效率。通常认为，木素脱除率达到20%～65%可以有效增大木质纤维素的可及性，继而提高酶水解效率［9，16］。从图3可以看出，木素脱除率在50%以下时，总糖转化率随木素脱除率增大而显著上升；当木素脱除率达到50%以后，总糖转化率随木素脱除率增大而上升的趋势变缓，这与曹杰等人报道的稻草亚硫酸钠预处理研究结果一致［9］。

图2 预处理温度和亚硫酸铵用量对酶水解聚糖转化率的影响

图3 亚硫酸铵预处理木素脱除率与总糖转化率的关系

图3显示，当木素脱除率为50%左右时，可获得较高的酶水解效率，说明此时纤维素酶与预处理物料充分接触。高温和较高亚硫酸铵用量会加剧碳水化合物的降解，导致较多的聚糖在预处理中降解溶出，继续脱除木素对底物中聚糖的酶水解效率提升效果不显著，经高温（165℃）预处理后甚至呈现出下降的趋势。因此，选择合适的预处理条件是提高总糖转化率的关键。在本实验范围内，经最适预处理条件（温度165℃，亚硫酸铵用量16%）预处理的麦草备料废渣，在酶水解纤维素酶用量为40 FPU/g时，聚葡萄糖和聚木糖转化率分别为88．9%和44．9%，总糖转化率为67．0%。

由于麦草备料废渣含有大量泥土、细小尘埃以及各种杂质，净化难度大且成本高，直接进行酶水解糖化的转化率不是很高。但备料废渣的原料成本几乎为零，而原料成本实际上已经成为制约纤维素乙醇实现产业化最重要的因素之一。以备料废渣为原料生产生物乙醇，其内部收益率远高于一般木质纤维原料［2］。同时，利用制浆厂现有的设施还可以大幅节省生物乙醇生产线建设的固定资产投资，经济效益可观。

3 结 论

以麦草备料废渣为原料，探讨亚硫酸铵预处理对其酶水解糖化的影响。

3.1 亚硫酸铵预处理的温度和亚硫酸铵用量对麦草备料废渣主要化学成分有显著影响。原料木素脱除率和聚糖降解率随着预处理条件的增强而增加，其中聚木糖降解较聚葡萄糖更显著。相比而言，提高温度更能促进聚糖降解溶出，增加亚硫酸铵用量则有利于提高脱除木素的选择性。

3.2 随着亚硫酸铵预处理温度和亚硫酸铵用量提高，预处理底物酶水解转化率上升，相比于提高温度，提高预处理亚硫酸铵用量可更有效地促进底物的酶水解转化。麦草备料废渣经温度165℃、亚硫酸铵用量16%预处理，在40 FPU/g纤维素酶用量下，聚葡萄糖和聚木糖转化率分别为88．9%和44．9%，总糖转化率为67．0%。

3.3 麦草备料废渣经过亚硫酸铵预处理、酶水解、发酵生产生物乙醇，水解废液经处理生产有机肥料施用，实现制浆造纸废料的全值利用。通过共享现有的蒸汽、电力和备料等基础设施，制浆与生物质炼制协同发展的模式，可大幅度降低生产成本，在消除废渣污染的同时取得经济效益。

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（责任编辑：常 青）

Enhancement of the Enzymatic Saccharification of the Residues from W heat Straw Preparation by Ammonium Sulfite Pretreatment

LV Jia﹣qing1JIANG Bo1ZHAO Shu﹣jing2MENG Xin1JIN Yong﹣can1，*
（1．Jiangsu Ptovincial Key Lab of Pulp and Papet Science and Technology，Nanjing Fotestty Univetsity，Nanjing，Jiangsu Ptovince，210037；2．Shandong Ttalin Papet Co.，Ltd.，Gaotang，Shandong Ptovince，252800）（*E﹣mail：jinyongcan@njfu．edu．cn）

The effects of ammonium sulfite pretreatment on chemical composition and enzymatic saccharification of the residue from wheat straw preparation were investigated．The results revealed thatmore lignin was removed with the temperature and the charge of ammonium sul﹣fite increasing．The degradation of hemicellulose increased with the increasing of the temperature distinctly，while the cellulose remained sta﹣ble during the process of pretreatment．The increasing of the temperature and the charge of ammonium sulfite was beneficial to enhance the enzymatic saccharification．The sugar conversion of pretreated the residue from wheat straw increased with the increase of ammonium sulfite charge and temperature，the charge of ammonium sulfite wasmore sensitive than the temperature．The glucan and xylan conversion reached up to 88．9%and 44．9%，respectively，and the highest total sugar conversion was67．0%，when the pretreated substrate with 16%ammo﹣nium sulfite charge，and 165℃was hydrolyzed at a cellulase dosage of 40 FPU per gram of cellulose in substrate．

wheat straw handling residue；ammonium sulfite；pretreatment；chemical composition；enzymatic saccharification

吕佳青女士，硕士；主要研究方向：生物质资源化学与工程。

TS72

A

0254﹣508X（2015）09﹣0001﹣06

2015﹣06﹣14（修改稿）

国家自然科学基金（31370571）；高等学校博士学科点专项科研基金（20133204110006）；江苏省基础研究计划（自然科学基金）（BK20141473）；江苏省高校优势学科建设工程资助项目。

*通信作者：金永灿先生，E﹣mail：jinyongcan@njfu．edu．cn。