甜龙竹蛀粉纤维素燃料乙醇发酵的糖化研究

第27卷第5期可耳生能獠Vol 27 No 52009年10月Renewable Energy Resources0ct.200甜龙竹蛀粉纤维素燃料乙醇发酵的糖化研究孙世中,李俊俊,孙爱华,高天荣,谢建(云南师范大学教育部可再生能源材料先进技术与制备重点实验室,云南昆明650092)摘要:纤维素糖化是甜龙竹蛀粉燃料乙醇发酵研究中的重要内容。正交试验和对比试验结果表明,在pH值为44、温度为55℃,酶用量为200u/g,酶解时间小于20h条件下,进行纤维素酶解较合适但酶解率较低。通过酸或碱并结合有机溶剂进行预处理能显著提高蛀粉纤维素糖化率。同时添加半纤维素复合酶进行酶解,能使蛀粉中大部分半纤维素水解,并能促进纤维素的酶解。关键词:甜龙竹;蛀粉;纤维素糖化;纤维素预处理;半纤维素中图分类号:TK6;S216,2文献标志码:A文章编号: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引言本文以甜龙竹蛀粉作为原料发酵制取燃料乙木质纤维类原料是地球上数量最多的一种可醇。与其它原料相比,以蛀粉纤维素发酵制取燃料再生资源。发展经济高效、清洁环保的木质纤维生乙醇具有许多明显的优势:①甜龙竹包括版纳甜物转化乙醇技术,已成为世界生物能源科技发展龙竹、马来甜龙竹、勃氏甜龙竹等,含糖量较高,广的战略制高点。针对我国国情,发展以木质纤维泛分布于东南亚南亚及中国南方广大地区,资源类原料生物转化燃料乙醇为重点的生物能源技丰富树;②竹蠹蛀食甜龙竹竹材效率高,可通过术,可以避免以粮食为原料带来的“与农争地”和人工控制方式进一步提高粉蛀效率門;③蛀粉颗“与人争食”的弊端,兼得经济、生态、社会多重效粒细腻均匀,不需要机械研磨,具有显著的成本优益,是全面可持续发展的必然要求。势和易酶解性/④蛀粉纤维素含量超过其它常收稿日期:2009-03-27。基金项目:国家自然科学基金项目(20762015);云南省自然科学基金项目(中国煤化工作者简介:孙世中(1968-),男云南会泽人讲师主要从事生物质能技术的4CNMHGymnueducr通讯作者:谢建(1957-),男,云南昆明人教授,主要从事生物质能技术的研元AerAte∠6com可耳生能鴉2009,27(5)见原料,如锯木粉、稻草、麦秆等,可获得更多的纤的磷酸(质量分数为50%),在50℃水浴中水解1h维索葡萄糖提高产物浓度网。利用甜龙竹蛀粉纤再按151中所述方法进行处理。将滤液中的有机维素发酵制取燃料乙醇,变虫蛀之害为加工之利,溶剂蒸馏回收后,向余液中加入碳酸钙,形成的磷既可为纤维素燃料乙醇的开发提供一种经济高效酸钙沉淀经过滤分离出来。的原料,同时还可成为提高甜龙竹资源附加值的1.53碱与有机溶剂预处理条新途径。取10g蛀粉,放入三口烧瓶中,先加入18%纤维素糖化是利用甜龙竹蛀粉发酵制取燃料的氢氧化钠,在20℃水浴中水解1h,再按15.1乙醇的重要环节。本文通过正交实验和对比试验中所述方法进行处理。将滤液中的有机溶剂蒸馏研究了几种对糖化影响较大的因素,期望寻找到回收后,向余液中加入盐酸进行中和。种经济高效的糖化方法,以促进蛀粉纤维素燃1.6分析软件料乙醇发酵的研究和开发。本研究采用 SPSS Statistics170软件进行试1试验内容验设计和数据分析1.1试验材料2结果与讨论甜龙竹采自云南省红河州屏边县,按适当长21酶解条件优化切成多节,在本实验室进行竹蠹粉蛀性蛀食培甜龙竹蛀粉属于竹纤维素,作为原料用于生养,收集蛀粉,过50目筛以除去虫卵等杂物。产燃料乙醇,首先须要进行糖化糖化的方法有多1.2蛀粉纤维素的糖化种,对环境较友好的方法是利用纤维素酶进行酶1.2.1纤维素酶水解解糖化。本研究利用正交实验初步考察酸碱度、温试验采用山东隆大生物工程有限公司生产的度、酶量和酶解时间4个因素对纤维素酶酶解的隆大牌纤维素酶酶活力(CMC酶)为20000ug。影响试验结果见表1。向蛀粉中加人20倍的灭菌水,用柠檬酸-柠襄1甜龙竹蛀粉纤维素酶解糖化4因囊正交实验结果檬酸钠缓冲液调节pH值,加入纤维素酶,放入恒 Table14 factor orthogonal experimental results of enzym温箱中进行酶解saccharification of bores powder cellulose fromDendrocalamus1.22还原糖测定酶量温度酶解时间还原糖含量采用DNS法测定酶解液中还原糖含量编1.3酶解条件440000450020000132通过正交实验,考察酶用量、pH值、酶解温度25401500045007200和酶解时间4个因素对酶解效果的影响,以寻找34402000045002000较佳的酶解条件。5.0010000450036000.3575500200006500200014复合酶处理64401500055002000复合酶由果胶酶、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,与纤维素84402000045.0072000471酶一起加入甜龙竹蛀粉中进行酶解,用于考察对9440450036000.l21蛀粉中半纤维素的酶解效果。0432l150015000450020001.5化学法预处理125.00000550072001.5.1有机溶剂预处理00065.002000取10g蛙粉,放入三口烧瓶中,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,用布氏漏斗过滤用旋转蒸发仪蒸1640100050000536馏回收溶液中的有机溶剂。中国煤化工出主体间效应的152酸与有机溶剂预处理检验碱度、温度和酶取10g蛀粉,放入三口烧瓶中,先加入10%量对以CNMHG以响,酶解时间的孙世中,等甜龙竹蛀粉纤維素燃料乙醇发酵的糖化研究表2主体间效应的检验了0420Table 2 Tests of between-subjects effects80380校正模型截距pH温度酶量酶解时间误差Ⅲ型033.131400002802590000050.340平方和12230.300均方0.0371.3140025001400860000000445.0540.9960913085609820.13267584363.192357303299590912观测到T8幅10001000098510000095注:因变量为还原糖含量,R2=0986(调整R2=0966)影响不显著,可能是水平的选择较为粗放。度rC各因素不同水平的成对比较结果见表3,各T0.500因素的酶解曲线见图1数据分析表明:①在酸碱度各水平中pH值为44具有显著性,糖化效果8,幅忙看0.300较好。②纤维素酶的添加量为0时与其它水平相比较,具有明显的差异,添加量为100ug和150u/g的差别不大,但均与200ug有显著的差异,100150200200u/g的添加量使蛙粉纤维素的糖化所产生的还原糖量达到了最高水平。③在酶解温度各水平图1不同酸碱度、温度、纤维素酶用量对酶解的影响表3因素各水平间的成对比较Fig. I Efects of different pH, temperature, enzyme level onTable 3 paired comparison between the levels of each factors均值标准差分的95%置信区间水平间差异不显著,酶解时间超过20h时,还原因素水平差值误差P值下限上限糖量没有显著增加。因此,较佳的酶解条件:酶用5.00092*0017000200500.l34540.126*00170000量为200ug,pH值为44,酶解温度为55℃,酶5054000200.142-0解时间不超过20h100-0.286*00200000-0.334-0.237由图1可以看出,还原糖的含量为0090150一0267*00200315-02190.536g/100ml.平均值为0.340g/100ml。蛀粉中200-03190.0200.367-0.271纤维素含量为527%,以最高的还原糖产量估算,0038600000有20%左右的纤维素被水解,糖化率比较低,002000390.100-0004须要对蛀粉作进一步的处理试验结果还表明,在没有添加纤维素酶时蛀酶解4500170.001-0.144-006100170095-00760008粉纤维素也有一定程度的糖化,这可能是因为蛀0020001300200117粉中也含有纤维素酶,但纤维素酶的来源不清楚。001200170.5102.2复合酶处理时间h在纤维素酶解过程中,同时加入不同酶活力3672000300200904-00460.051水平的半纤维素复合酶,在40℃条件下酶解72注因变量为还原糖含量,表示均值差值在005级别上较显著h,测中国煤化工)随着复合酶中55℃,45℃,65℃之间有显著的差异,酶解温用量CNMHG复合酶用量为度为55℃时还原糖量达到最高值。④酶解时间各1306随后还原糖的产73可耳生能源2009,27(5)量不再随复合酶用量的增加而增加。素被水解,与未进行预处理的蛀粉纤维素相比,糖化率提高30%以上。3结束语利用纤维素酶水解甜龙竹蛀粉纤维素,在pH值为44、温度为55℃酶用量为200u/g、酶解时0.750间小于20h的优化条件下,只能水解20%左右的纤维素,因此必须对蛀粉进行预处理,破坏纤维素的复合结构。在温和条件下使用酸或碱并结合有机溶剂进行预处理,能使纤维素的水解率明显提复合酶添加量加g2高。添加半纤维素复合酶在pH值为44,温度为图2复合用量对酶解效果的影响40℃条件下能使蛀粉中大部分半纤维素水解,同Fig2 Effects of differen compound enzyme level on时能促进纤维素的酶解,显著提高发酵液中的还enzymatic hydrolysis原糖含量。甜龙竹蛀粉中含有一定量游离的半纤维素另外,在蛀粉纤维素糖化过程中,未添加纤维这部分半纤维素通过复合酶的水解,较易生成还素酶的对照组仍然有一定的糖化反应发生,表明原糖。蛀粉中半纤维素含量为171%,被水解的半蛀粉中可能含有一定活力的纤维素酶。纤维素酶纤维素占蛀粉中半纤维素的60%左右。半纤维素的来源有待于进一步的探索。的酶解显著增加了还原糖量,有利于提高燃料乙甜龙竹蛀粉纤维素糖化的探索,对下一步燃醇的得率。料乙醇发酵工艺的研究具有重要价值,对了解蛀23化学预处理粉纤维素燃料乙醇发酵机制,提高纤维素燃料乙甜龙竹蛀粉中的纤维素被木质素和半纤维素醇发酵的效率,促进纤维素燃料乙醇的研究开发包围,形成紧密结实的结构,这是导致纤维素难于具有重要意义。彻底水解的主要原因。要进一步提高纤维素的糖化率,首先须要破环这种复合结构,对甜龙竹蛀粉参考文献进行预处理。目前采用的化学预处理方法主要包] RAO KS, RAMAKRISHNAN PS Comparative analysis of括有机溶剂法、酸处理法、碱处理法等。本试验对he population dynamics of two bamboo species,这些方法作了一些改进降低了反应条件,酶解温dendrocalamus hamiltonii and Neohouzeua dulloa in a度仍为40℃,试验结果见图3。successional environment []-Journal of Bamboo andRattan,2003,3(2):41-46.2.0002]李金泽西双版纳甜龙竹:托起绿色经济新希望门生态经济,2003(12):77-79.3]杜凡.云南重要经济竹种特性及其生产中存在问题西南林学院学报,2003,23(2):26-30.[4]王文久陈玉惠付惠等云南省竹材蛀虫及其危害研0.500究西南林学院学报,2001,21(1):34-39[S]初冬,章卫,我国的长意科昆虫记述团植物检疫,有机溶剂酸+有机溶剂碱+有机溶剂1997,11(2):105-109预处理方式6]孙世中,官会林,刘剑虹,等版纳甜龙竹蛀粉扫描电图33种化学预处理法对酶解效果的影响镜观测及主成分分析纤维素科学与技术,2009,17Fig3 Experimental results of three types of chemical pre-3):37-43treatment methods for enzymatic hydrolysis苏光荣,许丛恒,等版纳甜龙竹化学成分与制试验结果表明,有机溶剂法的反应条件比较中国煤化工(6):83-86温和因此预处理效果不明显。有机溶剂法与酸或8CNMHG种主要材用竹化学碱预处理相结合处理效果显著,约有54%的纤维成分研究付于饼究会,19y,18(2):74-78