碱和金属离子预处理小麦秸秆产糖的研究

李 岩，马永刚，鹿欣茹，倪小雨，顾道恒

（泰州职业技术学院，江苏 泰州 225300）

大量研究表明小麦秸秆富含木质素、纤维素和半纤维素，其中纤维素作为一种丰富的可再生资源，具有良好的化学稳定性、热稳定性和生物降解性，能以不同形式再次利用，目前广泛应用于发酵、化工等行业中，可水解生成葡萄糖，并进一步发酵生成乳酸等产品。但是由于秸秆内结构的复杂性和稳定性，木质素和半纤维素以共价键的形式紧密相连，而纤维素就被包裹于其中，直接酶解糖化产率并不理想。所以合适的预处理工艺是纤维素原料大规模生产利用的关键。为提高小麦秸秆的酶解糖化率，更大限度地利用纤维素这种分布广泛且产量巨大的可再生资源，避免秸秆焚烧带来的环境污染和资源浪费，首先必须要破坏其原有的高度致密的结晶结构，对秸秆进行预处理操作。

现有的对秸秆进行预处理并提取纤维素的方法大致分为三大类。第一种是生物预处理和提取方法，主要是利用微生物的降解作用；第二种是化学预处理和提取方法，分为离子液体处理法、金属离子溶液法和酸碱处理法；第三种是物理预处理和提取方法，主要有高压蒸煮法、超声波破碎法、机械震荡粉碎法等。其中最常用的是化学处理法。酸碱溶液处理法操作相对简单且预处理效率高，反应条件温和易控，很容易进行大规模生产，是最常用的提取纤维素的方法。金属离子溶液法可以重复利用、成本低，反应条件易控制，对秸秆进行预处理后酶解还原糖产率得到了大幅提高，且金属离子溶液对环境问题影响小、效能高，也可实现规模较大的工业化生产。

经过查阅大量的相关研究文献发现，以玉米秸秆为例，采用FeCl3、AlCl3、和ZnCl2处理秸秆，得到的还原糖产率有了显著提高，其中FeCl3溶液处理后的玉米秸秆还原糖产率提升最多，约为132%。经过浓度梯度、反应温度、反应时间的综合测定，研究表明3种溶液预处理玉米秸秆产还原糖率最高的反应条件见表1。

通过分析文献发现，加入碱性溶液可以增加秸秆处理速度和还原糖产率。本文拟采用NaOH溶液与FeCl3、AlCl3、Zn-Cl2溶液按照一定比例混合后分别共同对小麦秸秆进行预处理，然后分析酶解后的还原糖产率。

1 实验部分

1.1 原料和试剂

小麦秸秆：购自泰州郊区；NaOH（分析纯AR）：国药化试；FeCl3（分析纯AR）：国药化试；AlCl3（分析纯AR）：国药化试；ZnCl2（分析纯AR）：国药化试；纤维素酶：上海麦克林；柠檬酸-柠檬酸钠缓冲液（pH 4.8）：北京迈瑞达；还原糖试剂盒：北京索莱宝。

1.2 实验仪器

粉碎机：合肥荣事达三洋；真空干燥箱：上海精宏；数显恒温水浴锅：常州丹瑞；磁力搅拌器：巩义予华；高速离心机：长沙湘智；全空气恒温摇床：中国精骐；多功能酶标仪（infinite 200 pro）：瑞士TECAN。

1.3 试验方法

小麦秸秆原料采自泰州郊区，购入后首先在通风处自然风干，然后利用粉碎机粉碎，经前期研究，决定选取过60目筛部分的小麦秸秆为研究对象，105℃条件下烘干至恒重备用。

称取170 g NaOH溶于510 mL的蒸馏水，充分搅拌溶解后，静置至室温，称取10 g秸秆溶于配制好的NaOH溶液中，机械搅拌1 h（图1为经NaOH处理后的秸秆），静置待分层。

用蒸馏水将碱处理后的小麦秸秆冲洗至溶液pH为中性后，将小麦秸秆溶液装于离心管中，配平后，放置于离心机中，3 000 r/min，10 min后取出离心管，弃上清液，将沉淀于下层的小麦秸秆放置于玻璃培养皿内置真空干燥箱中40℃干燥至恒重（图2为NaOH处理后烘干的秸秆），备用，并标记为NaOH组。

图2 NaOH处理后烘干的秸秆Fig.2 The straw dried after NaOH treatment

分别取5 g未经NaOH处理的小麦秸秆，用粉碎机粉碎后过60目筛，然后按照表1所示浓度和反应条件，加入相应金属离子溶液反应。反应结束后将秸秆用蒸馏水冲洗至金属离子溶液pH为中性，分别将3种金属离子处理后的溶液装于离心管中，以3 000 r/min的转速离心10 min，弃上清液，将沉淀在下层的秸秆放置于真空干燥箱中105℃烘干至恒重。得到的产物分别标记为FeCl3组、AlCl3组和ZnCl2组。

分别取5 g经NaOH处理的小麦秸秆，用粉碎机粉碎后过60目筛，然后按照表1所示浓度和反应条件，加入相应金属离子溶液进行反应。反应结束后将秸秆用蒸馏水冲洗至金属离子溶液pH为中性，分别将3种金属离子处理后的溶液装于离心管中，以3 000 r/min的转速离心10 min，弃上清液，将沉淀在下层的秸秆放置于真空干燥箱中105℃烘干至恒重。得到的产物分别标记为NaOH+FeCl3组、NaOH+AlCl3组和NaOH+ZnCl2组。

反应结束后，取上清液使用纤维素酶进行酶解，并利用还原糖试剂盒测定酶解液中还原糖的浓度。

分别取上述7组中小麦秸秆各1 g，置于50 mL锥形瓶中，加入25 mL柠檬酸-柠檬酸钠缓冲溶液（pH=4.8），放入恒温摇床中，50℃和1 800 r/min条件下，进行酶解反应24 h。反应结束后，将锥形瓶中反应物和液体均转移至50 mL离心管中，4 000 r/min的转速离心8 min，取上清液。用还原糖试剂盒和多功能酶标仪测定纤维素酶解液中还原糖的浓度，并绘制出标准葡萄糖曲线。

1.4 数据处理

利用还原糖试剂盒配制出待测液体，然后将待测定液体放入酶标仪中，波长设定为540 nm，测定其还原糖浓度，每组至少进行6次独立重复试验，结果取平均值。

2 试验结果

绘制出的标准葡萄糖曲线见图3。

图3 标准葡萄糖曲线Fig.3 The standard glucose curve

根据绘制的标准曲线可以看出，溶液中还原糖浓度与吸光度值成线性关系，将各组实验所得吸光度值数据代入葡萄糖标准曲线y=0.05x，得到各组的还原糖浓度见表2。

表2 碱和金属离子共处理小麦秸秆酶解产还原糖浓度Tab.2 The concentration of reducing sugar produced by enzymatic hy‐drolysis of wheat straw treated with alkali and metal ions

从表2各组还原糖浓度数据可以看出，加入碱性物质（NaOH）可以显著提高溶液中的还原糖含量，即NaOH+FeCl3组＞FeCl3组，NaOH+AlCl3组＞AlCl3组，NaOH+ZnCl2组＞ZnCl2组。并且，在所有对照组和实验组中，NaOH+FeCl3组还原糖含量最高。

2 讨论

本试验对NaOH和最优金属离子溶液预处理工艺条件下的小麦秸秆物料酶解还原糖得率为评价指标进行分析。由纤维素酶酶解试验结果可知，小麦秸秆经碱和3种金属离子溶液预处理后的酶解还原糖产率均有了大幅度的提高，且3种金属离子溶液预处理技术均有其最优的处理条件，即FeCl3溶液浓度0.6 mol/L、固液比1∶10、反应温度170℃、反应时间15 min；ZnCl2溶液浓度0.6 mol/L、固液比1∶10、反应温度为120℃、反应时间为30 min；AlCl3溶液浓度0.3 mol/L、固液比1∶15、反应温度170℃、反应时间30 min。当金属离子在其最优条件下单独处理时，ZnCl2组的还原糖产率最高，但远低于碱单独处理时的还原糖产率，当碱和金属离子共处理时，还原糖产率得到大幅度的提高，其中NaOH+FeCl3组的还原糖产率最高，且高于碱或ZnCl2溶液单独处理。

由此可见，碱处理与金属离子协同预处理小麦秸秆比单独碱或金属离子处理秸秆所得还原糖产率有大幅提升，且金属离子价格低廉，实验操作简单，对环境的污染小，效能高，易于实现大规模生产，因此在秸秆循环再利用中，碱与金属离子共处理有着广阔的应用前景。本实验尚未对碱和金属离子共预处理后的小麦秸秆分子内部结构变化及其机理进行分析和研究，在后续的实验中，会继续进行分子机理层面的研究。