不同预处理对猴头菇菌渣及水稻秸秆水解性能的影响

任桂英　张凯　董毛村　王冰　雷云辉

摘要 以猴头菇菌渣和水稻秸秆为原料，以纤维素酶和表面活性剂为水解剂，研究了添加水解剂对还原糖含量、CMC酶活性、底物回收率等的影响。结果表明，添加表面活性剂的纤维素酶降解秸秆纤维素产糖的效率高于未添加表面活性剂的降解产糖效率， 纤维素酶降解试验底物回收率大小顺序为TU2>TU1>CK>HOU2>HOU1;猴头菇菌渣降解率远远高于碱处理水稻秸秆，在酶解试验中产糖量大小顺序为HOU2>TU2>TU1>CK>HOU1。菌渣中酶和加入的酶液共同降解底物产糖效率高于其他组，在酶解试验中酶活性大小顺序为HOU1>TU2>TU1>HOU2>CK。纤维素酶降解纯菌渣CMC酶活性最高。

关键词 猴头菇菌渣;水稻秸秆;纤维素酶;表面活性剂;水解

中图分类号 X 712文献标识码 A

文章编号 0517-6611（2020）16-0198-03

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2020.16.056

Effects of Different Pre-treatments on Hydrolysis of Hericium erinaceus Residue and Rice Straw

REN Gui-ying1， ZHANG Kai2， DONG Mao-cun2 et al

（1.Chongqing Academy of Agricultural Sciences， Chongqing 401329;2.Agricultural Waste Recycling Technology and Equipment R&D Chongqing Key Laboratory， Chongqing 401329）

Abstract In this study， we used Hericium erinaceous residue and rice straw as raw materials， used cellulase and surfactant as hydrolyzers， the effects of adding hydrolyzers on reducing sugar， CMC enzyme activity and substrate recovery rate were studied.The results showed that the sugar-producing efficiency of cellulase with adding surfactant was higher than that without surfactant in the degradation of straw cellulose.The order of substrate recovery rate in cellulase degradation experiment was TU2 >TU1>CK>HOU2 > HOU1.The degradation rate of H.erinaceus residue was much higher than that of alkali-treated rice straw.In the enzymolysis experiment， the order of sugar production was HOU2> TU2>TU1>CK>HOU1.The sugar-producing efficiency of common degradation substrate of enzyme in the bacterial residue and the added enzyme solution was higher than that of other groups.In the enzymatic hydrolysis experiment， the enzyme activity order was HOU1> TU2> TU1> HOU2>CK.CMC enzyme activity of pure bacterial residue degraded by cellulase was the highest.

Key words Hericium erinaceus residue;Rice straw;Cellulase;Surfactant;Hydrolysis

基金項目 农业部农村可再生能源开发利用重点实验室开放课题基金资助项目（2018014）;重庆市技术创新与应用示范项目（cstc2018jscx-zdyfxmX0009）;重庆市人力资源和社会保障局2019年留创计划创新类项目（cx2019057）。

作者简介 任桂英（1971—），女，重庆人，正高级工程师，从事农业机械研究与固体废弃物处理工作。*通信作者，研究员，硕士，从事沼气工程产品设计和控制系统开发。

收稿日期 2019-12-30

食用菌因含高蛋白、低脂肪、低能量且富含矿物元素和维生素等，已成为人们日常食材。我国是食用菌生产大国，但随着食用菌产业的日益发展，食用菌菌渣产量逐渐提升，即食用菌栽培收获后剩下的培养基废料[1]。我国是食用菌生产大国，食用菌产量占世界总产量的70%以上[2]，若菌渣不能妥善处理，容易造成环境污染和能源浪费[3-8]。近年来，食用菌菌渣作为一种新能源被广泛重视，其循环再利用研究成为农业、环保等学科研究的重点课题，其利用方式也逐步多样化，如菌渣厌氧发酵制取沼气、好氧发酵生产有机肥等[9]。此外，我国也是水稻种植大国，水稻秸秆的产量约占我国秸秆总量的33%[10]。秸秆的再利用方式多样化，如直接还田、厌氧产沼气、青贮饲料等，但因秸秆组分和结构的特殊性，导致其在厌氧发酵过程中的发酵效率受到严重制约。在厌氧发酵过程中，有机物首先被水解酸化，为加快菌渣和秸秆的水解速率，需要通过一定的预处理手段。笔者以猴头菇菌渣和水稻秸秆为研究对象，对比研究了和氏璧酶（纤维素酶的一种）和表面活性剂吐温80对其水解性能的影响。

1 材料与方法

1.1 试验材料 水稻秸秆、猴头菇菌渣、表面活性剂吐温80、和氏璧酶粉。

1.2 仪器 pH计、纯水仪、电子天平、电子炉、恒温振荡箱、恒温水浴锅、冷冻离心机、紫外可见光分光光度计。

1.3 试验方法

1.3.1 预试验。水稻秸秆采自重庆市白市驿镇九里村皇田，采集后用清水洗净，自然风干后，将其剪短至3～5 cm，经粉碎机粉碎，过40目筛备用。用2%稀氢氧化钠，固液比1∶15（mg/mL），室温浸泡48 h。水稻秸秆经2%氢氧化钠碱性溶液预处理后，破坏秸秆内部组织结构使生物酶更大程度地降解。猴头菇菌渣样取自于璧山区菌菇养殖场，风干后经研钵过40目筛备用。

1.3.2 酶液制备。

和氏璧酶（纤维素酶的一种）粉经研磨后称取1.000 g溶于pH 4.8的醋酸-醋酸钠缓冲溶液中并定容至25 mL，充分搅拌后过滤，取滤液置于4 ℃冰箱中保存备用。

1.3.3 纤维素酶配合表面活性剂的水解试验。①对照组（CK）：称取0.5 g 碱预处理秸秆原料，加入1 mL纤维素酶液，用pH 4.8的醋酸-醋酸钠缓冲溶液定容至25 mL。30 ℃恒温振荡，分别水解0、24、48、72 h，测定还原糖含量、纤维素酶活和pH。②表面活性剂处理试验1组（TU1）：称取0.5 g碱预处理秸秆原料，加入1 mL纤维素酶液，用pH 4.8 的醋酸-醋酸钠缓冲溶液定容至25 mL。秸秆及表面活性剂按1∶0.05（m/m）加入;30 ℃恒温振荡，分别水解0、24、48、72 h，测定还原糖含量、纤维素酶活和pH。③表面活性剂处理试验2组（TU2）：称取0.5 g碱预处理秸秆原料，加入1 mL纤维素酶液，用pH 4.8的醋酸-醋酸钠缓冲溶液定容至25 mL。秸秆及表面活性剂按1∶0.5（m/m）加入;30 ℃恒温振荡，分别水解0、24、48、72 h，测定还原糖含量、纤维素酶活和pH。④猴头菇菌渣水解试验1组（HOU1）：称取0.5 g猴头菇原料，加入1 mL纤维素酶液，用pH 4.8的醋酸-醋酸钠缓冲溶液定容至25 mL;30 ℃恒温振荡，分别水解0、24、48、72 h，测定还原糖含量、纤维素酶活和pH。⑤猴头菇菌渣水解试验2组（HOU2）：称取0.5 g碱预处理水稻秸秆原料，加入1 mL纤维素酶液，用pH 4.8的醋酸-醋酸钠缓冲溶液定容至25 mL。秸秆及猴头菇按1∶0.5（m/m）加入。30 ℃恒温振荡，分别水解0、24、48、72 h，测定还原糖含量、纤维素酶活和pH。水解试验参数设置具体见表1。

2 结果与分析

2.1 水稻秸秆酶解产糖量的变化 纤维素酶降解水稻秸秆过程中产糖量随时间的变化见图1。从图1可以看出，在反应初始阶段还原糖含量明显增加，随着降解过程反应的进行，24 h后酶解液中的还原糖含量呈现明显上升趋势。HOU2酶解液中还原糖含量在72 h时高达42.7 mg/mL。其次，TU2纤维素酶降解碱处理秸秆加吐温80酶解液中还原糖含量高于其他对照组。添加表面活性剂提高了纤维素转化率，这与Da Costa Nogueira等[11]对绿色椰壳进行稀碱预处理并添加3%（m/m）吐温80的研究结果相一致。在酶解试验中各处理产糖量从高到低依次为HOU2、TU2、TU1、CK、HOU1。

2.2 酶解过程中CMC酶活性的变化

纤维素酶降解水稻秸秆过程中CMC酶活性的变化见图2。从图2可以看出，降解反应各组酶解液中初始CMC酶活性最高。随着时间的延长，CMC酶活性逐渐降低，48 h CMC酶活性达到最低。随着降解试验的进行，各处理CMC酶活性开始逐渐增大。HOU1处理CMC酶活性变化量较CK、TU1、TU2、HOU2处理小。在酶解试验中，各处理CMC酶活性从大到小依次为HOU1、TU2、TU1、HOU2、CK。

2.3 酶降解过程中pH的变化

纤维素酶降解水稻秸稈过程中pH的变化见图3。从图3可以看出，在反应初始阶段pH明显升高，随着降解过程反应的进行，24 h时对照组（CK）酶解液pH升高最快，48 h后酶解液中的pH升至4.83左右，趋于稳定。TU2处理pH达到最大值（4.83）。纤维素酶降解碱处理秸秆TU2酶解液中pH与初始值变化最大。各处理酶解液中pH大小顺序为TU2>CK=TU1=HOU2>HOU1。

2.4 秸秆及菌渣的降解与回收

以碱处理水稻秸秆、猴头菇菌渣作为底物，纤维素酶降解试验底物回收率见图4。从图4可以看出，纤维素酶加高浓度表面活性剂底物秸秆回收率最高，达85.02%;纤维素酶降解猴头菇菌渣底物菌渣回收率仅为59.2%。各处理纤维素酶降解试验底物回收率从高到低依次为TU2、TU1、CK、HOU2、HOU1。

3 结论

笔者研究了在恒温（30 ℃）下纤维素酶添加表面活性剂降解碱预处理水稻秸秆及猴头菇菌渣为底物的产糖及酶活性试验，对酶解液中还原糖含量、CMC酶活性、pH、底物回收率进行了初步测定。结果表明，随着降解反应的进行，还原糖含量先增加后趋于稳定，CMC酶活性先降低后逐渐增加，pH增加并趋于稳定;添加表面活性剂降解试验的底物回收率最高;纤维素酶降解秸秆纤维是一个产糖的过程，并且环境pH较为稳定。

（1）随着反应的进行，各处理反应酶解液还原糖逐渐增大，猴头菇菌渣CMC初始酶活性高于其他组，说明食用菌菌渣中含有分解纤维的酶。由于加入表面活性剂酶活性要比对照组低，说明吐温80表面活性剂对纤维素酶有较好的吸附作用。当酶解液中还原糖浓度达到一定浓度后对CMC酶活性产生一定的抑制作用，进而影响秸秆纤维降解的速度。

（2）纤维素酶降解底物纤维产物对环境pH的影响不大。

（3）添加表面活性剂的纤维素酶降解水稻秸秆纤维素产糖效率高于未添加表面活性剂的降解产糖效率;各处理纤维素酶降解试验底物回收率从大到小依次为TU2、TU1、CK、HOU2、HOU1。猴头菇菌渣降解率远远高于碱处理水稻秸秆降解率，在酶解试验中产糖量从高到低依次为HOU2、TU2、TU1、CK、HOU1。菌渣中含有的酶与试验加入的酶液具有协同作用，共同降解底物产糖效率高于其他组。在酶解试验中酶活性从高到低依次为HOU1、TU2、TU1、HOU2、CK，纤维素酶降解纯菌渣其CMC酶活性最高。

参考文献

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