２０１ １，Ｖｏｌ ２８ Ｎｏ．６亿学与生物互狸 Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ＆Ｂｉｏｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７２～５４２５．２０１１．０６．０２３ 纤维素酶水解玉米秸秆的影响因素研究 王娜娜 ，杨翔华 ，张全 ，姚秀清。 （１．辽宁石油化工大学环境与生物工程学院，辽宁抚顺１１３００１；２．抚顺石油化工研究院，辽宁抚顺１１３００１） 摘要：考察了预处理方式、纤维素酶加量、初始葡萄糖含量等因素对玉米秸秆酶解效果的影响。结果表明，经过稀 酸和蒸汽爆破预处理玉米秸秆的酶解得率分别为９７．ｏ 和９ｌ＿ｏＹｏｏ，均高于未经预处理玉米秸秆；对蒸汽爆破玉米秸秆， 纤维素酶加量与酶液的滤纸酶活不成正比关系，纤维素酶加量越多，平均葡萄糖生成速率（Ｇ ）越大；葡萄糖对纤维素酶 水解具有反馈抑制作用，随着初始葡萄糖含量的增大，Ｇ 呈递减趋势。为优化利用玉米秸秆为原料生产燃料乙醇的工 艺提供了依据。 关键词：纤维素酶；玉米秸秆；水解；预处理 中图分类号：ＴＱ ３５３．６ Ｑ ５５６ 文献标识码：Ａ 文章编号：１６７２—５４２５（２０１１）０６—００８０—０３ 目前，由木质纤维素生物转化为乙醇的研究非常 活跃，已取得许多新的进展 ～］。木质纤维素的生物 转化一般包括３个过程：原料的预处理、水解和发酵， 其中利用纤维素水解产生可发酵糖是最关键的步骤。 酸法水解对设备要求高，副产物对后续反应有抑制作 定水解液中的葡萄糖含量。 １．３分析测试 纤维素含量采用硝酸乙醇法 测定。 葡萄糖含量：采用ＳＢＡ一４０型生物传感分析仪测 定。 用 ；而酶法水解具有条件温和、产品质量高、对环境 友好等优点，是纤维素糖化工艺今后的发展方向 ｊ。 作者考察了预处理方式、纤维素酶加量、初始葡萄 酶解得率按下式计算 ： 酶解得率一 一 Ｘ １００％ 二 ｆ纤＾ＣＮ 糖含量等因素对纤维素酶水解玉米秸秆的影响。为优 化利用玉米秸秆为原料生产燃料乙醇的工艺提供了依 据。 ×１Ｏ０ 式中：Ｃ葡为水解液中葡萄糖含量；Ｃ纤为原料干基 中纤维素含量；Ｃ原为水解体系的底物浓度，即总固浓 ｌ 实验 １．１材料与仪器 玉米秸秆、稀酸预处理玉米秸秆、蒸汽爆破预处理 玉米秸秆，分别编号为：Ａ、Ｂ、Ｃ。 ３种纤维素酶分别编号为：１ 、２ 、３ 。 ７２２Ｓ型分光光度计，ＳＢ—Ａ型水浴振荡器；ＳＢＡ一 度，Ａ、Ｂ、Ｃ ３种底物分别为１３．７ 、１０．３ 和９．５ ９／５。 滤纸酶活：将１ ｒａｉｎ内水解ｗａｔｅｒｍａｎ １ 纤维素 酶滤纸产生１ ｔ￣ｍｏｌ还原糖所需要的酶量定义为１个 酶活单位，按照ＩＵＰＡｃ（国际理论和应用化学联合会） 推荐的国际标准方法测定，以ＦＰＩＵ・ｍＬ 表示 ］。 ４０型生物传感分析仪。 １．２ 方法 ２结果与讨论 ２．１原料纤维素含量 将玉米秸秆置于１２５ ｍＬ旋盖三角瓶中，加入纤 维素酶０．２ ｍＩ ・ｇ （以每克底物计，未标明均指１ 采用硝酸乙醇法测得原料Ａ、原料Ｂ和原料Ｃ中 的纤维素含量分别为３６ 、７８ 和４５％。 ２．２纤维素酶滤纸酶活 纤维素酶），调节ｐＨ值至４．８，使玉米秸秆质量分数 为５ －－２０ ，于５Ｏ℃下恒温振荡反应，取样离心，测 测得１ 、２ 、３ 纤维素酶液的滤纸酶活分别为 收稿日期：２０１ｌ Ｏ２ ２１ 作者简介：王娜娜（１９８５ ），女，山东菏泽人，硕士研究生，研究方向：微生物资源开发与生物化工；通讯作者：姚秀清，硕士，讲师。 Ｅ—ｍａｉｌ：ｙａｏｘｉｕｑｉｎｇ０４１８＠１６３．ＣＯｒｎ。 王娜娜等：纤维素酶水解玉米秸秆的影响因素研究／２０１１年第６期 ／薯如船帮粮６ ５ ４ ３ ２ ９９．８ ＦＰＩＵ・ｍＩ 、９４．０ ＦＰＩＵ・ｍＩ 和１．５ ＦＰＩＵ ・ｍＩ 一。 ２．３预处理方式对玉米秸秆酶解效果的影响 采用１ 纤维素酶，分别对经不同预处理方式得到 的原料Ａ、原料Ｂ和原料Ｃ进行酶解，５Ｏ℃下恒温振 荡反应５ ｄ，测定水解液中的葡萄糖含量，并计算酶解 得率，结果见表１。 表１ 预处理方式对玉米秸秆酶解效果的影响／％ Ｔａｂ．１ Ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｐｒｅｔｒｅａｔｍｅｎｔ ｍｏｄｅ ｏｎ ｅｍｚｙｍｏｌｙｓｉｓ ｏｆ ｃｏｒｎ ｓｔａｌｋ／ 由表ｌ可看出，未经过预处理玉米秸秆（原料Ａ） 的酶解得率仅６．８ ，而经过稀酸预处理（原料Ｂ）和 经过蒸汽爆破预处理（原料Ｃ）的玉米秸秆的酶解得率 可达到９０ 以上。可见，玉米秸秆在酶解之前需经过 预处理才能获得较高的酶解得率。由表１还可看出， 原料中纤维素的含量越高，说明预处理过程中半纤维 素水解越彻底，更利于纤维素酶水解，水解液中葡萄糖 含量也就越高。 ２．４纤维素酶对原料Ｃ的酶解效果 以水解液中葡萄糖含量作为酶解效果的评价指 标，比较１ 、２ 纤维素酶对原料Ｃ的酶解效果，结果 见图１。 ０ ２０ ４０ ６０ ８０ １００ 酶解时问，ｈ 图１ １ 、２ 纤维素酶对原料ｃ的酶解效果比较 Ｆｉｇ．１ Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｅｎｚｙｍｏｌｙｓｉｓ ｆｏｒ ｍａｔｅｒｉａｌ Ｃ ｂｙ ｃｅｌｌｕｌａｓｅ １＃ａｎｄ ２ 由图１可以看出，１ 和２ 纤维素酶对原料Ｃ的 酶解趋势一致。酶解时间为５ ｈ时，１ 和２ 水解液中 葡萄糖含量分别为４．４５ 和４．５Ｏ ，２ 较１ 酶解效 率高１．１ ；酶解时间超过５ ｈ后，由于葡萄糖的反馈 抑制作用，酶解速率减慢，并趋于停止。 比较１ 、３ 纤维素酶加量对原料Ｃ水解液中葡 萄糖含量的影响，结果见图２。 ∞ ∞ ● ● ｇ 吕 口 Ｅ 口 瞎 避 懈 蝌 ０ Ｕ Ｕ．， １．Ｕ １ ０ ２．５ ｊ ０ ３．５ 水解液中葡萄糖含量／％ 图２ １ 和３ 纤维素酶加量对原料Ｃ 水解液中葡萄糖含量的影响比较 Ｆｉｇ．２ Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｏｆ ｇｌｕｃｏｓｅ ｃｏｎｔｅｎｔ ｉｎ ｈｙｄｒｏｌｙｓｉｓ ｌｉｑｕｉｄ ｏｆ ｍａｔｅｒｉａｌ Ｃ ｂｙ ｃｅｌｌｕｌａｓｅ １ ａｎｄ ３ 由图２可以看出，要得到２．０ 葡萄糖含量，需 １ 纤维素酶０．３１ ｍｌ ・ｇ～、３ 纤维素酶３．２ ｍＩ ・ ．． ｇ ，两者相差约１０倍。而１ 纤维素酶的滤纸酶活为 ３ 纤维素酶的６６．５倍，可见不同纤维素酶对同一种 枷姗姗物料进行酶解，要达到相同的纤维素酶解得率，其纤维 素酶加量与滤纸酶活不成正比关系。这是由于纤维素 酶液的水解能力不仅取决于滤纸酶活，还取决于纤维 素酶的酶系组成是否合理，因此需要针对水解物料最 大化来优化纤维素酶的酶系组成。 ２．５酶加量和初始葡萄糖含量对玉米秸秆酶解效果 的影响 在反应体系中分别加入１ ｍＩ 、２ ｍＩ，和３ ｍＩ １ 纤维素酶，以前８ ｈ平均葡萄糖生成速率（Ｇ ）作为评 价指标，考察１ 纤维素酶加量和初始葡萄糖含量对玉 米秸秆酶解效果的影响，结果见图３。 纤维素酶加量／ｍＬ 图３酶加量和初始葡萄糖含量对 玉米秸秆酶解效果的影响 Ｆｉｇ．３ Ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｅｎｚｙｍｅ ａｍｏｕｎｔ ａｎｄ ｉｎｉｔｉａｌ ｇｌｕｃｏｓｅ ｃｏｎｔｅｎｔ ｏｎ ｅｎｚｙｍｏｌｙｓｉｓ ｏｆ ｃｏｒｎ ｓｔａｌｋ 由图３可以看出，在初始葡萄糖含量相同的情况 ∞ｍ王娜娜等：纤维素酶水解玉米秸秆的影响因素研究／２０１１年舞６期 下，酶加量越多，体系中前８ ｈ平均葡萄糖生成速率越 大，当初始葡萄糖含量为０ 、纤维素酶加量分别为１ 含量的增大，体系中的Ｇ 呈递减趋势。为优化利用 玉米秸秆为原料生产燃料乙醇的工艺提供了依据。 参考文献： ［１］孙亚东，蒋建新，孙冉，等．纤维乙醇及渗透汽化原位分离技术研 究进展［Ｊ］．中国能源，２００８，３０（９）：１７－２４． 刘洪斌．燃料乙醇非粮化 我国发展纤维乙醇的挑战与对策 ｍＩ 、２ ＩｎＩ 和３ ｍＩ 时，体系的ＧＲ分别为１５８ ｍｇ・ ｈ、２４０ ｍｇ・ｈ 和３４０ ｍｇ・ｈ，酶加量每增加ｌ ｍＩ ，Ｇ 平均增加９ｌ ｍｇ・ｈ～ ；当酶加量相同时，体系 中初始葡萄糖含量越大，Ｇ 越小。可见葡萄糖对纤维 素酶水解具有反馈抑制作用。 ［Ｊ］．生物加工过程，２００８，６（１）：７ １】． ｅｂｏｒｓｋａ Ｐ，Ｐａｌｍａｒｏｌａ—Ａｄｒａｄｏｓ Ｂ，Ｇａｌｂｅ Ｍ，ｅｔ ａ１．Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｅ３］ Ｃｈｏｔ３ 结论 对玉米秸秆酶解的影响因素进行了研究。结果发 现，玉米秸秆在酶解之前需要经过预处理才能获得较 ｏｆ ｗｈｅａｔ ｂｒａｎ ｔｏ ｓｕｇａｒ ｓｏｌｕｔｉｏｎ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｆｏｏｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， ２００４，６ｌ（４）：５６１—５６５． Ｒｉｖａｓ Ｂ，Ｍｏｌｄｅｓ Ａ Ｂ，Ｄｏｍｉｎｇｕｅｚ Ｊ Ｍ，ｅｔ ａ１．１．ａｃｔｉｃ ａｃｉｄ ｐｒｏｄｕｃ— ｔｉｏｎ ｆｒｏｍ ｃｏｒｎ ｃｏｂｓ ｂｙ ｓｉｍｕｌｔａｎｅｏｕｓ ｓａｃｃｈａｒｉｆｉｃａｔｉ０ｎ ａｎｄ ｆｅｒｍｅｎ ｒａｔｉｏｎ：Ａ ｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌ ｉｎｔｅｒｐｒｅｔａｔｉｏｎ［Ｊ］．Ｅｎｚｙｍｅ ａｎｄ Ｍｉｃｒｏｂｉａｌ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２００４，３４（７）：６２７—６３４． 高的酶解得率，且纤维索含量越高，越有利于酶解；纤 维素酶液的水解能力不仅取决于滤纸酶活，还取决于 纤维素酶中酶系组成是否合理；不同纤维素酶对同一 北京造纸研究所．造纸工业化学分析［Ｍ］．北京：轻工业出版社， １９７５：１０９ １ ５４． 种物料进行酶解，达到相同的酶解得率，其纤维素酶加 量与酶液的滤纸酶活不成正比关系；纤维素酶加量越 多，体系中的平均葡萄糖生成速率（Ｇ ）越大；葡萄糖 对纤维素酶水解具有反馈抑制作用，随着初始葡萄糖 ［６３ 詹小明，夏黎明．纤维素酶在玉米芯上的吸附及其水解作用［ｊ］． 林产化学与工业，２００５，２５（３）：７６—８Ｏ． ［７］ Ｇｈｏｓｅ Ｔ Ｋ．Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｏｆ ｃｅｌｌｕｌａｓｅ ａｃｔｉｖｉｔｉｅｓ［Ｊ］．Ｐｕｒｅ＆．Ａｐｐｌ Ｃｈｅｍ，１９８７，５９（２）：２５７ ２６８． Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｏｉｌ ｔｈｅ Ｉｎｆｌｕｅｎｔｉａｌ Ｆａｃｔｏｒｓ ｏｆ Ｃｏｒｎ Ｓｔａｌｋ Ｓ Ｈｙｄｒｏｌｙｓｉｓ ｂｙ Ｃｅｌｌｕｌａｓｅ ＷＡＮＧ Ｎａ—ｎａ ，ＹＡＮＧ Ｘｉａｎｇ－ｈｕａ ，ＺＨＡＮＧ Ｑｕａｎ ，ＹＡＯ Ｘｉｕ－ｑｉｎｇ （１．Ｆａｃｕｌｔｙ ｏｆ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ ａｎｄ Ｂｉｏｌｏｇｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｌｉａｏｎｉｎｇ Ｓｈｉｈｕａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｆｕｓｈｕｎ １１３００１， Ｃｈｉｎａ；２．ＦＨｓｈ １ＡＨ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｐｅｔｒｏｌｅｕｍ ａｎｄ Ｐｅｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌｓ，Ｆｕｓｈｕｎ １ １３００１，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ ｐｒｅｔｒｅａｔｍｅｎｔ ｍｏｄｅ，ｃｅｌｌｕｌａｓｅ ａｍｏｕｎｔ ａｎｄ ｉｎｉｔｉａ１ ｇｌｕｃｏｓｅ ｃｏｎｔｅｎｔ ｏｎ ｃｏｒｎ ｓｔａｌｋ Ｓ ｈｙ— ｄｒｏｔｙｓｉｓ ｂｙ ｅｅｌｌｕｌａｓｅ ｗｅｒｅ ｓｔｕｄｉｅｄ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｅｎｚｙｍｏｌｙｓｉｓ ｙｉｅｌｄｓ ｆｏｒ ｐｒｅｔｒｅａｔｅｄ ｃｏｒｎ ｓｔａｌｋｓ ｗｅｒｅ ｈｉｇｈｅｒ ｔｈａｎ ｔｈａｔ ｏｆ ｕｎｔｒｅａｔｅｄ ｏｎｅ，ａｎｄ ｔｈｅ ｙｉｅｌｄｓ ｏｆ ｔｈｅ ｔｗｏ ｋｉｎｄｓ ｏｆ ｃｏｒｎ ｓｔａｌｋ ｗｈｉｃｈ ｈａｄ ｂｅｅｎ ｐｒｅｔｒｅａｔｅｄ ｂｙ ｍｅｔｈｏｄｓ ｏｆ ｄｉｌｕｔｅ ａｃｉｄ ａｎｄ ｓｔｅａｍ—ｅｘｐｌｏｓｉｏｎ ｗｅｒｅ ９７．０ ａｎｄ ９１．０ ，ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ．Ｔｈｅ ｓｔｅａｍ—ｅｘｐｌｏｓｉｏｎ ｐｒｅ— ｔｒｅａｔｅｄ ｃｏｒｎ ｓｔａｌｋ Ｓ ｗａｓ ｈｙｄｒｏｌｙｚｅｄ ｂｙ ｓｅｖｅｒａｌ ｃｅｌｌｕｌａｓｅｓ．ｗｈｉｃｈ ｒｅｓｕｌｔｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅｒｅ ｗａｓ ｎｏ ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎ ｒｅｌａｔｉｏｎ— ｓｈｉｐ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅ ｃｅｌｌｕｌａｓｅ ａｍｏｕｎｔ ａｎｄ ｆｉｌｔｅｒ ｐａｐｅｒ ａｃｔｉｖｉｔｙ（ＦＰＩＵ）ｏｆ ｃｅｌｌｕｌａｓｅ ｓｏｌｕｔｉｏｎ．Ａｄｄｉｔｉｏｎａｌｌｙ，ｍｏｒｅ ｃｅｌ— ｌｕｌａｓｅ ｗａｓ ａｄｄｅｄ，ｍｏｒｅ ａｖｅｒａｇｅ ｇｌｕｃｏｓｅ ｇｅｎｅｒａｔｅｄ ｒａｔｅ（ＧＲ）ｗａｓ ａｃｈｉｅｖｅｄ．Ａｔ ｔｈｅ ｓａｍｅ ｔｉｍｅ，ＧＲ ｗａｓ ｄｅｃｒｅａｓｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｉｎｃｒｅａｓｅ Ｏｆ ｉｎｉｔｉａｌ ｇｌｕｃｏｓｅ ｃｏｎｔｅｎｔ ｗｈｉｃｈ ｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｅｄ ｔｈａｔ ｇｌｕｃｏｓｅ ｈａｄ ｔｈｅ ｆｅｅｄ ｂａｃｋ ｉｎｈｉｂｉｔｉｏｎ ｔＯ ｔｈｅ ｈｙｄｒｏｌｙｓｉｓ ｏｆ ｃｅｌｌｕｌｏｓｅ．Ｔｈｉｓ ｓｔｕｄｙ ｐｒｏｖｉｄｅｄ ａ ｂａｓｉｓ ｆｏｒ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｆ ｆｕｅｌ ｅｔｈａｎｏｌ ｗｉｔｈ ｃｏｒｎ ｓｔａｌｋ ａｓ ｍａｔｅｒｉａ１． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｃｅｌｌｕｌａｓｅ；ｃｏｒｎ ｓｔａｌｋ；ｈｙｄｒｏｌｙｓｉｓ；ｐｒｅｔｒｅａｔｍｅｎｔ ３项精己二酸行业标准通过审批 由辽阳石化公司起草修订的《工业精己二酸》、《精己二酸硝酸含量的测定分光光度法》、《精己二酸水分含量 的测定热失重法》３个行业标准目前通过审批。为指导行业生产、规范市场提供了有力保证。 与会专家认为，《工业精己二酸》行业标准在产品质量指标上达到国际先进水平，为精己二酸的进出口贸易创 造了有利条件；《精己二酸硝酸含量的测定分光光度法》行业标准有多处创新，改善了原方法的重现性，为产品质 量的检测和控制提供了准确可靠的技术手段；《精己二酸水分含量的测定热失重法》则变革了以往的测定方法， 在确保测定准确度的前提下，不再使用有毒有害试剂。 （摘编）
