第27卷第5期可耳生能獠Vol 27 No 52009年10月Renewable Energy Resources0ct.200甜龍竹蛀粉纖維素燃料乙醇發(fā)酵的糖化研究孫世中,李俊俊,孫愛華,高天榮,謝建(云南師范大學教育部可再生能源材料先進技術與制備重點實驗室,云南昆明650092)摘要:纖維素糖化是甜龍竹蛀粉燃料乙醇發(fā)酵研究中的重要內容。正交試驗和對比試驗結果表明,在pH值為44、溫度為55℃,酶用量為200u/g,酶解時間小于20h條件下,進行纖維素酶解較合適但酶解率較低。通過酸或堿并結合有機溶劑進行預處理能顯著提高蛀粉纖維素糖化率。同時添加半纖維素復合酶進行酶解,能使蛀粉中大部分半纖維素水解,并能促進纖維素的酶解。關鍵詞:甜龍竹;蛀粉;纖維素糖化;纖維素預處理;半纖維素中圖分類號:TK6;S216,2文獻標志碼:A文章編號:1671-5292(2009)040071-04Prelimilary study on saccharification of bores powdercellulose from dendrocalamus for fuel ethanol fermentationSUN Shi-zhong, LI Jun-jun, SUN Ai-hua, GAO Tian-rong, XIE Jian(The Renewable Energy Technology and Advanced Materials Preparation Laboratory of Education Ministry, YunnanNormal University, Kunming 650092, China)Abstract: It is the significant step for saccharification of bores powder cellulose from dendrocalamus to be used In the preparation of fuel ethanol. The results of orthogonal test and comparing testshow that the condition of pH4, 4, 55 C, 200 u/g of enzyme quantity in 20 hours is more suitable forbores powder cellulose hydrolysis with low rate still. The combination of acid or alkali and organicsolvents for pretreatment can significantly improve the rate of saccharification of bores powder cek-lulose. Adding simultaniously compound enzyme for hemicellulose hydrolysis is enabling the majority of bores powder hemicellulose hydrolysis, and can promote the hydrolysis of celluloseKey words: dendrocalamus: bores powder; cellulose saccharification; cellulose pretreatmentmIce0引言本文以甜龍竹蛀粉作為原料發(fā)酵制取燃料乙木質纖維類原料是地球上數(shù)量最多的一種可醇。與其它原料相比,以蛀粉纖維素發(fā)酵制取燃料再生資源。發(fā)展經濟高效、清潔環(huán)保的木質纖維生乙醇具有許多明顯的優(yōu)勢:①甜龍竹包括版納甜物轉化乙醇技術,已成為世界生物能源科技發(fā)展龍竹、馬來甜龍竹、勃氏甜龍竹等,含糖量較高,廣的戰(zhàn)略制高點。針對我國國情,發(fā)展以木質纖維泛分布于東南亞南亞及中國南方廣大地區(qū),資源類原料生物轉化燃料乙醇為重點的生物能源技豐富樹;②竹蠹蛀食甜龍竹竹材效率高,可通過術,可以避免以糧食為原料帶來的“與農爭地”和人工控制方式進一步提高粉蛀效率門;③蛀粉顆“與人爭食”的弊端,兼得經濟、生態(tài)、社會多重效粒細膩均勻,不需要機械研磨,具有顯著的成本優(yōu)益,是全面可持續(xù)發(fā)展的必然要求。勢和易酶解性/④蛀粉纖維素含量超過其它常收稿日期:2009-03-27。基金項目:國家自然科學基金項目(20762015);云南省自然科學基金項目(中國煤化工作者簡介:孫世中(1968-),男云南會澤人講師主要從事生物質能技術的4CNMHGymnueducr通訊作者:謝建(1957-),男,云南昆明人教授,主要從事生物質能技術的研元AerAte∠6com可耳生能鴉2009,27(5)見原料,如鋸木粉、稻草、麥稈等,可獲得更多的纖的磷酸(質量分數(shù)為50%),在50℃水浴中水解1h維索葡萄糖提高產物濃度網。利用甜龍竹蛀粉纖再按151中所述方法進行處理。將濾液中的有機維素發(fā)酵制取燃料乙醇,變蟲蛀之害為加工之利,溶劑蒸餾回收后,向余液中加入碳酸鈣,形成的磷既可為纖維素燃料乙醇的開發(fā)提供一種經濟高效酸鈣沉淀經過濾分離出來。的原料,同時還可成為提高甜龍竹資源附加值的1.53堿與有機溶劑預處理條新途徑。取10g蛀粉,放入三口燒瓶中,先加入18%纖維素糖化是利用甜龍竹蛀粉發(fā)酵制取燃料的氫氧化鈉,在20℃水浴中水解1h,再按15.1乙醇的重要環(huán)節(jié)。本文通過正交實驗和對比試驗中所述方法進行處理。將濾液中的有機溶劑蒸餾研究了幾種對糖化影響較大的因素,期望尋找到回收后,向余液中加入鹽酸進行中和。種經濟高效的糖化方法,以促進蛀粉纖維素燃1.6分析軟件料乙醇發(fā)酵的研究和開發(fā)。本研究采用 SPSS Statistics170軟件進行試1試驗內容驗設計和數(shù)據(jù)分析1.1試驗材料2結果與討論甜龍竹采自云南省紅河州屏邊縣,按適當長21酶解條件優(yōu)化切成多節(jié),在本實驗室進行竹蠹粉蛀性蛀食培甜龍竹蛀粉屬于竹纖維素,作為原料用于生養(yǎng),收集蛀粉,過50目篩以除去蟲卵等雜物。產燃料乙醇,首先須要進行糖化糖化的方法有多1.2蛀粉纖維素的糖化種,對環(huán)境較友好的方法是利用纖維素酶進行酶1.2.1纖維素酶水解解糖化。本研究利用正交實驗初步考察酸堿度、溫試驗采用山東隆大生物工程有限公司生產的度、酶量和酶解時間4個因素對纖維素酶酶解的隆大牌纖維素酶酶活力(CMC酶)為20000ug。影響試驗結果見表1。向蛀粉中加人20倍的滅菌水,用檸檬酸-檸襄1甜龍竹蛀粉纖維素酶解糖化4因囊正交實驗結果檬酸鈉緩沖液調節(jié)pH值,加入纖維素酶,放入恒 Table14 factor orthogonal experimental results of enzym溫箱中進行酶解saccharification of bores powder cellulose fromDendrocalamus1.22還原糖測定酶量溫度酶解時間還原糖含量采用DNS法測定酶解液中還原糖含量編1.3酶解條件440000450020000132通過正交實驗,考察酶用量、pH值、酶解溫度25401500045007200和酶解時間4個因素對酶解效果的影響,以尋找34402000045002000較佳的酶解條件。5.0010000450036000.3575500200006500200014復合酶處理64401500055002000復合酶由果膠酶、木聚糖酶、甘露聚糖酶和葡754010000450020.00聚糖酶等按相等酶量(酶活)混合而成,與纖維素84402000045.0072000471酶一起加入甜龍竹蛀粉中進行酶解,用于考察對9440450036000.l21蛀粉中半纖維素的酶解效果。0432l150015000450020001.5化學法預處理125.00000550072001.5.1有機溶劑預處理00065.002000取10g蛙粉,放入三口燒瓶中,按等比例加550036.00人乙酸、乙酸乙脂和乙醇共150ml,在90℃水浴4401000065007200中浸提5h后,用布氏漏斗過濾用旋轉蒸發(fā)儀蒸1640100050000536餾回收溶液中的有機溶劑。中國煤化工出主體間效應的152酸與有機溶劑預處理檢驗堿度、溫度和酶取10g蛀粉,放入三口燒瓶中,先加入10%量對以CNMHG以響,酶解時間的孫世中,等甜龍竹蛀粉纖維素燃料乙醇發(fā)酵的糖化研究表2主體間效應的檢驗了0420Table 2 Tests of between-subjects effects80380校正模型截距pH溫度酶量酶解時間誤差Ⅲ型033.131400002802590000050.340平方和12230.300均方0.0371.3140025001400860000000445.0540.9960913085609820.13267584363.192357303299590912觀測到T8幅10001000098510000095注:因變量為還原糖含量,R2=0986(調整R2=0966)影響不顯著,可能是水平的選擇較為粗放。度rC各因素不同水平的成對比較結果見表3,各T0.500因素的酶解曲線見圖1數(shù)據(jù)分析表明:①在酸堿度各水平中pH值為44具有顯著性,糖化效果8,幅忙看0.300較好。②纖維素酶的添加量為0時與其它水平相比較,具有明顯的差異,添加量為100ug和150u/g的差別不大,但均與200ug有顯著的差異,100150200200u/g的添加量使蛙粉纖維素的糖化所產生的還原糖量達到了最高水平。③在酶解溫度各水平圖1不同酸堿度、溫度、纖維素酶用量對酶解的影響表3因素各水平間的成對比較Fig. I Efects of different pH, temperature, enzyme level onTable 3 paired comparison between the levels of each factors均值標準差分的95%置信區(qū)間水平間差異不顯著,酶解時間超過20h時,還原因素水平差值誤差P值下限上限糖量沒有顯著增加。因此,較佳的酶解條件:酶用5.00092*0017000200500.l34540.126*00170000量為200ug,pH值為44,酶解溫度為55℃,酶5054000200.142-0解時間不超過20h100-0.286*00200000-0.334-0.237由圖1可以看出,還原糖的含量為0090150一0267*00200315-02190.536g/100ml.平均值為0.340g/100ml。蛀粉中200-03190.0200.367-0.271纖維素含量為527%,以最高的還原糖產量估算,0038600000有20%左右的纖維素被水解,糖化率比較低,002000390.100-0004須要對蛀粉作進一步的處理試驗結果還表明,在沒有添加纖維素酶時蛀酶解4500170.001-0.144-006100170095-00760008粉纖維素也有一定程度的糖化,這可能是因為蛀0020001300200117粉中也含有纖維素酶,但纖維素酶的來源不清楚。001200170.5102.2復合酶處理時間h在纖維素酶解過程中,同時加入不同酶活力3672000300200904-00460.051水平的半纖維素復合酶,在40℃條件下酶解72注因變量為還原糖含量,表示均值差值在005級別上較顯著h,測中國煤化工)隨著復合酶中55℃,45℃,65℃之間有顯著的差異,酶解溫用量CNMHG復合酶用量為度為55℃時還原糖量達到最高值。④酶解時間各1306隨后還原糖的產73可耳生能源2009,27(5)量不再隨復合酶用量的增加而增加。素被水解,與未進行預處理的蛀粉纖維素相比,糖化率提高30%以上。3結束語利用纖維素酶水解甜龍竹蛀粉纖維素,在pH值為44、溫度為55℃酶用量為200u/g、酶解時0.750間小于20h的優(yōu)化條件下,只能水解20%左右的纖維素,因此必須對蛀粉進行預處理,破壞纖維素的復合結構。在溫和條件下使用酸或堿并結合有機溶劑進行預處理,能使纖維素的水解率明顯提復合酶添加量加g2高。添加半纖維素復合酶在pH值為44,溫度為圖2復合用量對酶解效果的影響40℃條件下能使蛀粉中大部分半纖維素水解,同F(xiàn)ig2 Effects of differen compound enzyme level on時能促進纖維素的酶解,顯著提高發(fā)酵液中的還enzymatic hydrolysis原糖含量。甜龍竹蛀粉中含有一定量游離的半纖維素另外,在蛀粉纖維素糖化過程中,未添加纖維這部分半纖維素通過復合酶的水解,較易生成還素酶的對照組仍然有一定的糖化反應發(fā)生,表明原糖。蛀粉中半纖維素含量為171%,被水解的半蛀粉中可能含有一定活力的纖維素酶。纖維素酶纖維素占蛀粉中半纖維素的60%左右。半纖維素的來源有待于進一步的探索。的酶解顯著增加了還原糖量,有利于提高燃料乙甜龍竹蛀粉纖維素糖化的探索,對下一步燃醇的得率。料乙醇發(fā)酵工藝的研究具有重要價值,對了解蛀23化學預處理粉纖維素燃料乙醇發(fā)酵機制,提高纖維素燃料乙甜龍竹蛀粉中的纖維素被木質素和半纖維素醇發(fā)酵的效率,促進纖維素燃料乙醇的研究開發(fā)包圍,形成緊密結實的結構,這是導致纖維素難于具有重要意義。徹底水解的主要原因。要進一步提高纖維素的糖化率,首先須要破環(huán)這種復合結構,對甜龍竹蛀粉參考文獻進行預處理。目前采用的化學預處理方法主要包] RAO KS, RAMAKRISHNAN PS Comparative analysis of括有機溶劑法、酸處理法、堿處理法等。本試驗對he population dynamics of two bamboo species,這些方法作了一些改進降低了反應條件,酶解溫dendrocalamus hamiltonii and Neohouzeua dulloa in a度仍為40℃,試驗結果見圖3。successional environment []-Journal of Bamboo andRattan,2003,3(2):41-46.2.0002]李金澤西雙版納甜龍竹:托起綠色經濟新希望門生態(tài)經濟,2003(12):77-79.3]杜凡.云南重要經濟竹種特性及其生產中存在問題西南林學院學報,2003,23(2):26-30.[4]王文久陳玉惠付惠等云南省竹材蛀蟲及其危害研0.500究西南林學院學報,2001,21(1):34-39[S]初冬,章衛(wèi),我國的長意科昆蟲記述團植物檢疫,有機溶劑酸+有機溶劑堿+有機溶劑1997,11(2):105-109預處理方式6]孫世中,官會林,劉劍虹,等版納甜龍竹蛀粉掃描電圖33種化學預處理法對酶解效果的影響鏡觀測及主成分分析纖維素科學與技術,2009,17Fig3 Experimental results of three types of chemical pre-3):37-43treatment methods for enzymatic hydrolysis蘇光榮,許叢恒,等版納甜龍竹化學成分與制試驗結果表明,有機溶劑法的反應條件比較中國煤化工(6):83-86溫和因此預處理效果不明顯。有機溶劑法與酸或8CNMHG種主要材用竹化學堿預處理相結合處理效果顯著,約有54%的纖維成分研究付于餅究會,19y,18(2):74-78