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文章信息
- 王卿, 邱婧雯, 李阳, 沈飞
- Wang Qing, Qiu Jingwen, Li Yang, Shen Fei
- 热碱预处理对菊芋茎秆组成和酶水解影响
- Effects of hot-NaOH pretreatment on Jerusalem artichoke stalk composition and subsequent enzymatic hydrolysis
- 生物工程学报, 2015, 31(10): 1459-1467
- Chin J Biotech, 2015, 31(10): 1459-1467
- 10.13345/j.cjb.150060
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文章历史
- Received: January 29, 2015
- Accepted: April 10, 2015
能源是社会发展的物质保障,目前所使用的化石燃料日益枯竭,寻找可替代能源已成为当今社会发展的重中之重。生物质由于其资源丰富、来源广泛、可再生、低污染等特点,具有较大的能源开发价值与应用前景。现已成为能源发展与开发的重要组成部分,在各国的能源结构中占有重要地位[1]。目前,在生物能源开发过程中,为了避免“与人争粮,与粮争地”,利用能源植物以及木质纤维素原料进行生物燃料转化已成为当前研究的重点与热点[2]。
菊芋Helianthus tuberosus L. 生长适应性强,适合在沙漠、滩涂、盐碱荒地等非宜农土地上生长,具有耐寒、耐旱以及耐盐碱的特点。其生物学产量较高,一般块茎产量可达50- 77 t/hm2,茎秆产量可达20-28 t/hm2[3, 4]。菊芋块茎中菊粉含量丰富,占其干基质量的70%-90%[5]。而菊芋茎秆以木质纤维素为主,其中碳水化合物占其干基质量的60%-65%[6]。因此,菊芋已经被视为一种有发展前途的能源作物。
以菊芋的块茎为原料进行生物燃料开发,尤其是生物乙醇很早就受到人们的关注[7, 8]。近年来,由于生物能源开发引起的土地资源紧张问题,使得菊芋作为能源植物的开发与利用重获重视。目前以菊芋块茎为原料通过化学或生物的方式进行生物燃料转化,其主要包括通过生物酶解 (菊粉酶) 或者酸解,将菊粉转化成单糖。然后再通过微生物将其转化成生物乙醇、生物柴油等生物燃料[9, 10]。然而,对菊芋茎秆进行生物能源转化的研究目前较少,且现有的研究均集中在茎秆与块茎联合转化工艺方面。然而,这些联合工艺中所涉及的菊芋茎秆,均需经独立的预处理后,再与块茎进行联合水解发酵[6, 11, 12]。因此,为了有效地利用菊芋茎秆进行生物能源转化,本文对菊芋茎秆的不同部位的组分进行了分析。并采用热NaOH预处理法对其不同部位进行预处理,明确预处理对菊芋茎秆不同部位的响应以及对酶水解的影响。为进一步选择优化预处理工艺提供必要的参考。
1 材料与方法 1.1 菊芋茎秆菊芋 (南芋一号) 种植于四川农业大学成都校区附近苗圃空地,茎秆采收于2012年11月。茎秆采收后经自然风干,手工分离髓芯和韧皮。将各部分及全秆粉碎至40目用于组分测定,粉碎过10目用于预处理。酶水解使用的纤维素酶和纤维二糖酶 (Sigma公司,美国),分别产自里氏木霉Trichodema reesei ATCC26924和黑曲霉Aspergillus niger。
1.2 热NaOH预处理配制浓度分别为0.5、1.0、2.0 mol/L的NaOH溶液,用于浸渍菊芋茎秆韧皮、髓芯以及全秆30 min (固液比1∶20)。密封后置于121 ℃预处理30 min。冷却后采用真空抽滤方式对预处理后的滤渣进行冲洗至滤液的pH值为7.0-7.5,收集清洗后的滤渣用于酶水解。
1.3 酶水解在100 mL螺口三角瓶中加入0.4 g滤渣 (干基),纤维素酶和纤维二糖酶的用量分别为20单位滤纸酶活/g纤维素 (20 FPU/g纤维素) 和40单位纤维二糖酶活/g纤维素 (40 CBU/g纤维素),并用醋酸-醋酸钠缓冲溶液 (0.05 mol/L,pH 4.8) 调节水解体积为20 mL。封口后置于50 ℃、150 r/min的恒温空气浴摇床水解72 h。水解过程中定时取样0.8 mL,密封置于100 ℃干式恒温器灭活10 min后,13 000 r/min、4 ℃离心5 min。上清液于-18 ℃保存,用于葡萄糖浓度测定。根据测得水解液中葡萄糖的含量,按照公式 (1) 计算纤维素的酶水解率。
\[\begin{gathered}
{\text{水解率}}\;(\% ) = \frac{{\text{水解所得葡萄糖量}}}{{{\text{水解底物干重}} \times {\text{纤维素含量}} \times 1.11}} \hfill \\
{\text{ }} \times 100 \hfill \\
\end{gathered} \]
(1)
预处理前后物料组分分析采用National Renewable Energy Laboratory木质纤维素原料碳水化合物及木质素含量测定方法[13]。
采用高效液相色谱仪 (Flexar,PerkinElmer,Inc.,MA,美国) 分析水解液中葡萄糖浓度。在分析过程中,为了减少误差,采用内标法测定,内标物为0.5 g/L乳糖溶液。以0.05 mol/L的H2SO4为流动相 (流速为 0.8 mL/min)。每次进样量控制为0.1 mL。糖分离采用色谱柱 (SH1011,Shodex,日本),柱温维持60 ℃。葡萄糖浓度检测采用示差折光检测器,检测器温度为50 ℃。
经不同NaOH浓度预处理后菊芋秸秆的结晶度指数通过X射线衍射仪 (D2 PHASER,Bruker,德国) 在2θ=10-40° 范围内,以步长为0.02° 测定。以2θ在18° 和22° 附近的衍射强度按公式 (2) 计算。
\[{\text{相对结晶度}}\left( \% \right) = \frac{{{I_{002}} - {I_{am}}}}{{{I_{002}}}} \times 100\]
(2)
式中,I002指002面的最大衍射强度;Iam指2θ=18° 时衍射强度,即无定形区的衍射强度。
2 结果与讨论 2.1 菊芋茎秆的组分分析菊芋茎秆全秆以及其韧皮和髓心中的主要组分如表1所示。菊芋茎秆含有丰富的葡聚糖和木聚糖,碳水化合物的总量约占整个茎秆干重的60.1%,说明它具有较好的生物能源转化的物质基础。茎秆中纤维素 (组分中的葡聚糖) 含量约为40.5%,半纤维素 (组分中木聚糖、甘露聚糖、半乳聚糖以及阿拉伯聚糖之和) 含量约为19.6%,木质素 (酸溶性木质素和酸不溶性木质素之和) 的含量约为32.0%。茎秆中抽提物和灰分的含量分别为6.1%和2.9%。与常规的农作物秸秆相比[14, 15, 16],其碳水化合物的总量与玉米、小麦以及水稻等相当,但纤维素含量高于常规的农作物秸秆 (34%-36%)。半纤维素的各种聚糖组成与农作物秸秆相近,但其含量低于常规的农作物秸秆 (24%-29%)。较高的纤维素含量,可提高纤维素向葡萄糖转化的物质潜力,同时较低的半纤维素含量,可降低预处理难度,减少后续酶水解过程中的位阻效应。而菊芋茎秆中木质素的含量明显高于传统的农作物秸秆(12%-17%),这可能潜在地增加预处理难度。
Main composition | Stalk pitch | Stalk core | Whole stalk |
Glucan (%) | 40.6±0.13 | 45.6±0.07 | 40.5±0.13 |
Xylan (%) | 16.9±0.19 | 11.1±0.19 | 16.2±0.07 |
Mannan (%) | 1.8±0.15 | 2.6±0.07 | 2.0±0.28 |
Galactan (%) | 1.0±0.00 | 1.27±0.03 | 0.99±0.01 |
Arabinan (%) | 0.51±0.01 | 0.42±0.00 | 0.42±0.00 |
AIL (%) | 32.7±0.40 | 15.9±0.14 | 29.7±0.19 |
ASL # (%) | 2.2±0.01 | 3.2±0.01 | 2.3±0.03 |
Extractives (%) | 5.0±0.15 | 6.7±0.10 | 6.1±0.15 |
Ash (%) | 2.4±0.10 | 3.2±0.10 | 2.9±0.03 |
AIL* refers to acid-insoluble lignin; ASL# refers to acid-soluble lignin. |
此外,髓芯中纤维素含量高于韧皮约5.0%,而半纤维素和木质素含量明显低于韧皮约4.8%和15.8%。从植物生长的角度,菊芋属高大菊科作物,韧皮中较高木质素含量有利固化细胞壁,增加茎秆的抗压和抗倒伏能力。而茎秆的髓芯的质地相对疏松,木质素含量较低,这与髓芯主要承担水分和养分的输送功能相关,且髓芯中较高的灰分和抽提物含量也可能与此相关。
2.2 不同浓度NaOH预处理对菊芋茎秆主要组分的影响木质纤维素原料因其结构较为致密,一般需要进行预处理后,才可以较为容易地通过酶水解,将纤维素转化为葡萄糖。采用不同浓度NaOH在121 ℃条件下对菊芋全秆、韧皮和髓芯分别进行预处理,预处理后物料的组分如表2所示。
Main composition (%) | NaOH concentration (mol/L) | Unpretreated stalk | |||
0.5 | 1.0 | 2.0 | |||
Stalk pitch | Lignin | 32.0 | 30.9 | 30.2 | 34.9 |
Hemicellulose | 3.5 | 2.2 | 1.0 | 20.2 | |
Cellulose | 61.8 | 62.8 | 63.1 | 40.6 | |
Stalk core | Lignin | 15.3 | 14.3 | 13.9 | 19.1 |
Hemicellulose | 4.0 | 3.2 | 1.5 | 15.4 | |
Cellulose | 74.2 | 75.8 | 79.0 | 45.6 | |
Whole stalk | Lignin | 27.8 | 27.7 | 27.7 | 32.0 |
Hemicellulose | 2.4 | 1.5 | 0.6 | 19.6 | |
Cellulose | 63.4 | 63.5 | 64.9 | 40.5 |
整体上,采用热NaOH预处理法对菊芋全秆、韧皮和髓芯的木质素的去除具有一定的作用。经不同浓度的NaOH进行预处理后,全秆中木质素含量相对于未处理全秆含量降低13.1%-13.4%,韧皮中木质素含量降低8.3%-13.5%,而髓芯中木质素含量降低了19.9%-27.2%。随着预处理的NaOH浓度的提高,全秆、韧皮以及髓芯的木质含量均呈下降趋势,该趋势在全秆和韧皮中变化较小,而在髓芯中较为明显。由此可见,菊芋茎秆的韧皮是决定NaOH预处理过程中木质素去除的关键。通过热NaOH预处理,全秆、韧皮以及髓芯中的半纤维素明显降低,且随着NaOH浓度的提高,半纤维素含量下降明显。相对于未处理的茎秆,全秆中半纤维素含量降低了87.8%-96.9%,韧皮中半纤维素含量降低了87.6%-95.0%,而髓芯中半纤维素含量降低为74.0%-90.2%。由此可见,菊芋茎秆中的髓芯部分,虽然其质地较为疏松,然而其半纤维素去除难度相对较大。由于其在整个茎秆中占有的质量分数相对较低 (9.1%),因此,对全秆预处理的半纤维素去除产生的影响不大。在预处理过程中由于一部分木质素和半纤维素被去除,茎秆中纤维素的含量相对于未处理茎秆均有增加,且随着NaOH预处理浓度的增加,纤维素的含量呈较为明显的上升趋势。经预处理后,菊芋全秆中纤维素含量相对于未处理的全秆增加了56.5%-60.2%,韧皮中纤维素含量增加了52.2%-55.4%,而髓芯中纤维素含量增加了62.7%-73.2%。整体而言,菊芋茎秆的全秆、韧皮以及髓芯在不同浓度的NaOH预处理作用下,其三大组分表现出的变化趋势与其他生物质材料 (水稻秸秆、玉米秸秆、百慕大草等) 相 似[17, 18, 19]。预处理过程中所表现出木质素的去除作用,主要来自木质素在碱性条件下的溶解,而表现出的半纤维素的去除作用,主要是该组分在较高温度下具有不稳定的性质[20],以及在碱作用下半纤维素的溶解去除作用[21]。此外,通过NaOH预处理对茎秆中的纤维素产生溶胀效果,可潜在地增大纤维素的无定形区,有利于菊芋茎秆后续酶水解的改善[22]。相比于目前研究较多的木质纤维素物理化学处理法 (例如:蒸汽爆破法、氨纤维爆法以及水热法[20]),在组分去除方面,热碱预处理菊芋秸秆可以在较低温度下 (121 ℃),实现蒸汽爆破法 (180-210 ℃) 以及水热法 (160-240 ℃) 的典型半纤维素去除功能,同时还具有一定的木质素去除能力。相比于以结构溶胀破坏为主,组分去除功能不明显的氨纤维爆法,热碱预处理法对各类木质纤维素结构影响尚不明确,需要进一步研究。
2.3 不同浓度NaOH预处理对菊芋茎秆酶水解的影响将预处理后的菊芋茎秆的全秆、韧皮以及髓芯,以质量分数为2.0%的基质浓度,在过量纤维素酶条件下进行水解。并以未处理的全秆、韧皮以及髓芯作为对照,以评估不同浓度NaOH预处理对水解的影响。酶水解过程中水解率与时间的关系如图1-3所示。
由图1A可知,随着酶水解时间的延长,不同NaOH浓度预处理后的韧皮其水解率均表现出上升趋势。且随着预处理的NaOH浓度增加,韧皮的水解速率和水解率均表现出明显的上升。此结果与不同浓度NaOH预处理后韧皮组分的变化相对应。经酶水解72 h后,经0.5 mol/L NaOH预处理后的韧皮,其水解率为35.9%,而经1.0 mol/L和2.0 mol/L NaOH预处理后韧皮水解率分别为53.8%和64.8%。而未经预处理的韧皮72 h水解率仅为3.5%。经不同浓度NaOH预处理后的韧皮相对于未处理对照,其水解率提高了10.3-18.5倍。
由图1B可知,经不同浓度NaOH预处理后的髓芯,水解率也呈现随时间显著上升趋势,经24 h水解后水解率基本保持不变,水解可视为基本结束。由72 h各处理组的水解率可见,随着预处理的NaOH浓度从0.5 mol/L增加到1.0 mol/L,水解率由71.3%增加到91.6%,随着NaOH浓度继续增加时,水解率则明显降低(85.2%)。此结果并没有完全对应预处理后髓芯的木质素和半纤维素组分的变化。水解72 h后,未处理的髓芯的水解也达到39.7%。整体上,相对于未处理髓芯,通过NaOH预处理后,其水解率可提高1.8-2.3倍。
如图2所示,在相同的酶水解条件,对菊芋茎秆的全秆进行不同浓度NaOH预处理后,全秆的酶水解同样随时间呈现明显的上升趋势,24 h后各组上升趋势减缓。提高NaOH的预处理浓度,可以改善全秆的酶水解效果。经72 h酶水解后,随着NaOH浓度的增加,水解率由43.1%增加到49.2%,且浓度由0.5 mol/L提高到1.0 mol/L对水解率改善不明显。而未经预处理的全秆其酶水解率为18.8%。相对于未处理全秆经不同浓度的NaOH预处理后,其酶水解率可提高2.3-2.6倍。此外,通过热NaOH预处理后的菊芋全秆相比于水热预处理 (180 ℃),在相同的酶水解方式下,水解率提高16.8%-33.3%,且热NaOH预处理能耗和设备耐高压要求较低[23]。
通过上面的分析可以看出,具有高木质素含量特征的菊芋全秆和韧皮,其酶水解性能较好地响应了预处理后木质素和半纤维素的组分变化。这主要是因为通过热碱处理可以在一定程度上去除原料中的木质素、半纤维素,降低木质素和半纤维素对纤维素酶水解作用的阻碍。同时,热碱处理还可以使纤维素结晶结构中的氢键部分断裂,产生较多的无定形区暴露给纤维素酶,改善了酶水解性能[20, 22]。而对木质素含量较低的髓芯,在较高浓度NaOH预处理后,虽然其木质素和半纤维素可被较好地去除,然而其水解率却显著下降。这可能的原因在于,髓芯木质素和半纤维素含量较低 (表1),木质素和半纤维素的去除所消耗NaOH量相对较少。因此,过量的NaOH在预处理过程中与无定形纤维素上的自由羟基发生碱化反应形成碱纤维素[24, 25]。因此,可以推测虽然连接碱纤维素每个单元的β-1,4糖苷键仍可以被纤维素酶专性水解,但葡萄糖C2位羟基上的H被Na替代,从而导致酶水解的葡萄糖产量降低和水解率偏低。此外,经对不同浓度NaOH预处理后的菊芋秸秆各部分的相对结晶度测定发现 (表3),全秆和韧皮的结晶度随处理浓度增加呈下降趋势。而髓芯的结晶度有先下降后升高的趋势,这可能是造成高浓度NaOH预处理后的髓芯,其水解率下降的原因之一。对预处理后髓芯X光衍射图谱分析 (图3) 发现,在高浓度NaOH预处理后的菊芋髓芯,在2q=28° 和34° 附近出现2个明显的晶峰,增加了纤维素体系的结晶区域,可能是造成高浓度NaOH预处理后髓芯酶水解率降低的另外一个原因。
NaOH concentration (mol/L) | Crystallinity (%) | ||
Stalk core | Stalk pitch | Whole stalk | |
0.5 | 25.8 | 45.0 | 26.8 |
1.0 | 30.7 | 43.9 | 21.1 |
2.0 | 29.2 | 33.8 | 12.0 |
Unpretreated stalk | 35.9 | 37.1 | 35.7 |
除预处理后的髓芯获得了较高的水解率以外,菊芋的全秆和韧皮的水解率相对未处理的原料有较大提高,但整体较低。从预处理后原料组分不难看出,虽然预处理后半纤维素含量降低较为明显,然而木质素的去除水平也低,这是导致整体水解率水平较低的直接原因。由此可见,若较好地改善菊芋茎秆的水解效果,需进一步提高碱处理的强度 (延长处理时间、提高处理浓度或提高处理温度等)。然而,提高碱处理强度,又必然导致髓芯的糖损失。因此,采用热NaOH预处理菊芋茎秆的工艺仍需进一步兼顾性的优化。
3 结论相比于传统农作物秸秆,菊芋茎秆具有较高木质素含量的特征 (32.0%),且韧皮木质素含量最高。碳水化合物含量与传统农作物秸秆相当,但其中纤维素含量相对较高 (40.5%),半纤维含量相对较低 (19.6%)。热碱预处理对菊芋茎秆中半纤维素的去除能力优于木质素,且随着碱浓度的提高,去除效果改善明显。此外,提高热碱处理浓度对木质素含量较高的全秆和韧皮部分酶水解糖产率的改善较为明显。而对于木质素含量较低的髓芯,热碱处理强度增大会导致糖产率和产量的降低。为了兼顾热碱处理菊芋秸秆糖产率与处理效果,需要进一步对生产工艺进行优化。
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