碱性氧化物预处理玉米秸秆维管柱_皮层和表皮研究

地下滴灌灌水器水力特性研究

2010年9月

农

业机械学报

第41卷增刊

DOI:10.3969/j.issn.100021298.2010.Supp.030

碱性氧化物预处理玉米秸秆维管柱、皮层和表皮研究

杨培周　姜绍通　郑　志　罗水忠　高星星

(合肥工业大学生物与食品工程学院,合肥230009)

3

【摘要】　以玉米秸秆的维管柱、皮层和表皮为材料,分别考察固液比、发酵时间、碱性氧化物浓度和预处理时间对发酵液中还原糖含量以及FPA酶活的影响;通过正交试验进一步优化糖化条件,结果表明,在固液比、发酵时间、碱性氧化物、预处理时间分别为1∶20、5d、1%、3d,1∶15、515d、1%、315d和1∶15、5d、1%、3d条件下,发酵液中的还原糖含量最高,维管柱、皮层和表皮分别为15192%、12143%和5193%;木质纤维素糖化率分别为31184%、

18165%和819%。在糖含量较低时,FPA与还原糖含量变化趋势基本一致。

关键词:玉米秸秆　木质纤维素　预处理　里氏木霉　糖化中图分类号:S38

文献标识码:A

文章编号:100021298(2010)S020137204

PretreatmentofMicro2column,CortexandEpidermisof

CornStoverbyAlkaliOxide

YangPeizhou　JiangShaotong　Zheng(SchoolofBiotechnologyandFood230009,China)

mn,andidermisofcornstoverwereusedtoproducecellulases.Theeffectsofsolid2(SL,fermentationtime(FT),concentrationofalkalioxide(AO)andpretreatmenttime(PT)onreducingsugarcontentsandfilterpaperactivity(FPA)ofthesolutioninthebrothwereinvestigated.Orthogonaltestswereperformedtooptimizethesaccharificationconditionsfurther.Theresultsshowedthatthehighestcontentsofreducingsugarsweredeterminedforthemicro2column,cortexandepidermisofcornstoverundertheconditionsofSL1∶20/FT5d/AO1%/PT3d,SL1∶15/FT515d/AO1%/PT315dandSL1∶15/FT5d/AO1%/PT3d,respectively.Thecontentsofreducingsugarreached15192%,

12143%

and5193%,

andthehighestsaccharificationpercentagesofthe

lignocellulosesreached31184%,18165%and819%,respectivelyundertheaboveconditions.Thedevelopingtrendoffilterpaperactivitywassimilartotheconcentrationofreducingsugarunderlowerconcentrationsofreducingsugar.

Keywords　Cornstover,Lignocelluloses,Pretreatment,Trichodermareesei,Saccharification

[7～8]

碱、过氧化物法、离子液催化等)、物理化学联合

[9][10～11]

法(碱气爆,氨气爆、碱微波)和生物法等技

引言

生物质的高效糖化是制备生物燃料以及生物化工材料基质的前提和关键,其中,原料的预处理是糖

[1～2]

化的必要过程。目前,主要采用物理法(粉碎、

[3～4][5～6]

研磨、蒸煮、CO2气爆、热解、化学法(酸、

术预处理原料以破坏晶体结构,增大木质纤维素的表面积,提高对纤维素酶的可及性和敏感度。其中,碱性双氧水预处理不仅能够高效脱除木质素,减小

结晶度,而且处理过程中生成的副产物对微生物发

收稿日期:2010207201　修回日期:20102072163“十一五”国家科技支撑计划资助项目(2007BAD34B00)和合肥工业大学科学研究发展基金资助项目(1132036404)作者简介:杨培周,博士后,主要从事生物炼制和酶工程研究,E2mail:yangpeizhou@http://www.77cn.com.cn通讯作者:姜绍通,教授,博士生导师,主要从事农产品生物化工研究,E2mail:jiangshaotong@http://www.77cn.com.cn

地下滴灌灌水器水力特性研究

138

[12]

农　业　机　械　学　报　　　　　　　　　　　　　　　　　2010年

酵以及纤维素酶活的抑制作用小。

不同种类秸秆以及同一种类不同部位的木质纤维素结构存在差异,不同组织结构的木质纤维素结晶特性影响预处理的效果,但对秸秆各组分进行预处理却鲜有报道。本文以玉米秸秆为材料,考察各组分(维管柱、皮层和表皮)对预处理后发酵过程中木质纤维素糖化的影响,为玉米秸秆高效预处理提供参考。

生物菌株保藏管理中心。通过诱变选育出突变株Tr228。以秸秆为唯一碳源的发酵液中,该菌种分泌的纤维素酶系高效降解木质纤维素底物,转化为还原糖。发酵产糖培养基为(NH4)2SO42%;KH2PO4011%;NaNO3013%;MgSO4 7H2O0105%,根据DNS法测定总还原糖的含量113　试验设计

[13]

。

1　材料与方法

111　玉米秸秆预处理

根据单因素的试验结果,选择正交试验的因素(表1),采用正交表L9(34)。

表1　正交试验因素水平

Tab.1　Factorlevelbyorthogonaltest

因素

水平

发酵时间

A/d

玉米秸秆取自安徽肥东县农田,为农民收获玉

米后遗留在农田里的秸秆。秸秆主要结构为维管柱、皮层和表皮(图1)。去除玉米植株的叶子、根和灰尘,晒干,切割成维管柱、皮层和表皮,粉碎至1～3mm长度。称取粉碎后的玉米维管柱、皮层和表皮各15g,根据试验设计加入不同比例和不同浓度的氢氧化钠溶液(碱液中含1%过氧水)浸泡,

自来水冲洗至pH中性,尼龙布过滤,70℃干燥至恒重,然后粉碎至直径011～015mm的粉末。

碱液质量分数

B/%

浸泡时间

C/d

固液比D

1∶151∶101∶20

123

215310315

015110115

215310315

2　2111　固液比对还原糖含量的影响

将不同类型的秸秆以1%碱性双氧水浸泡2d,

发酵3d,考察固液比对还原糖和FPA酶活的影响。结果表明,各类型秸秆在固液质量比为1∶5和1∶10时的还原糖含量较低,为015%～1%;固液比为1∶

图1　玉米秸秆的维管柱、皮层和表皮横切面模式图

Fig.1　Cross2sectionmodelofmicro2column,

cortexandepidermisofcornstover

15时,还原糖含量迅速增大,最高达到319%;固液

112　糖化

里氏木霉13052(ATCC56765)购自中国工业微　　

比为1∶20和1∶25时,还原糖含量逐渐降低。还原糖含量最高的固液比为1∶15,维管柱为底物发酵的发酵液中还原糖最多,以皮层和表皮为底物发酵的还原糖含量相近,如表2所示。

表2　固液比对发酵液中还原糖含量的影响

%

Tab.2　Effectofreducingsugarconcentrationsinbrothonthesolid2liquidrate

组分

1∶5

1∶100182±01070195±01020180±0104

1

∶153192±01112183±01122194±0123

1∶203161±01042142±01052180±0112

1∶252114±01092145±01052131±0108

固液比

维管柱皮层表皮

0159±01040161±01020165±0105

21112　固液比对FPA酶活的影响212　发酵时间

21211　发酵时间对还原糖含量的影响

比较不同固液比对发酵液中FPA酶活的影响,如表3所示,结果表明,固液比为1∶15时的FPA酶

活最高,以预处理后维管柱为底物发酵的产FPA酶活性最高,达3112U/mL,其次为皮层。

测定发酵3～7d发酵液中的还原糖含量,如图2所示,结果表明,产糖量最高的为维管柱为底物,其次为皮层,最小的为表皮。3种底物的还原糖　　

地下滴灌灌水器水力特性研究

表3　固液比对FPA酶活的影响

Tab.3　Effectoffilterpaperactivityinbrothonsolid2liquidrate

组分

1∶5

1∶102135±01252125±01052171±0111

1∶153110±01123112±01052180±0102

1∶201155±01321164±01252104±0105

1∶250188±01090190±01071151±01

01

U/mL

固液比

维管柱皮层表皮

1123±01051131±01031152±0104

图4　碱性氧化物质量分数对还原糖含量的影响

图2　发酵时间对发酵液还原糖含量的影响

Fig.2　Effectoffermentationtimeonreducing

sugarconcentrationsinbroth

Fig.4　Effectofalkalioxideconcentrationson

reducingsugar含量趋势基本一致,3～5d还原糖含量逐渐增加,第5天还原糖含量最高,第6天开始下降。21212　发酵时间对FPA酶活的影响FP,图3所示4d在较低水平,5～6d上升趋势减弱,6天后酶活逐渐下降。其中以皮层为底物产酶较高,最高的为发酵6d后的酶活,达到2110U/mL

。

7%213氧化物预处理后考察FP5所示。结果表明以维管

、皮层和表皮为底物的发酵液中FPA酶活性总体趋势相似,当以蒸馏水(0%)时的酶活最低,而采用1%质量分数的碱性氧化物浸泡后发酵液的酶活最高,达到118U/mL,随着浓度的继续增加,FPA酶活呈下降趋势。秸秆3种不同组分诱导纤

维素酶的结果表明,诱导酶活较好的是皮层,其次是维管柱

。

图3　发酵时间对发酵液FPA酶活的影响

Fig.3　Effectoffermentationtimeonfilterpaperactivity

图5　碱性氧化物浓度对FPA酶活的影响

Fig.5　Effectofalkalioxideconcentrationon

filterpaperactivity

213　碱性氧化物

21311　碱质量分数对还原糖含量的影响

214　预处理时间对发酵液中还原糖含量的影响

考察不同质量分数的碱性氧化物预处理各秸秆后,发酵液中还原糖量以及FPA酶活,其中浓度为零的表示蒸馏水浸泡的。不同浓度梯度预处理

后总还原糖含量的测定结果表明(图4),碱浓度为零时,基本不产糖,碱质量分数为1%时,还原糖达到一个峰值,随着浓度的继续增大,糖产量下降。维管柱和皮层为底物的总还原糖含量较高,

考察不同预处理时间对发酵液中还原糖含量的影响如图6所示。结果表明发酵液中还原糖的含量变化趋势明显,0～3d内随着时间的增加还原糖含量逐渐增大,预处理3d的还原糖含量最高,随后呈下降趋势,其中维管柱为底物的下降趋势明显,而以皮层和表皮为底物的下降趋势较平缓,维持较高的还原糖水平。

地下滴灌灌水器水力特性研究

表4　正交试验后发酵液中最高产糖及因素条件

Tab.4　Highestreducingsugarandfactor

levelbyorthogonaltest

固液比

维管柱皮层表皮

1∶201∶151∶15

发酵时间/d

510515510

碱性氧化物质量分数/%

111

预处理时间/d

310315310

还原糖含量/%

15192121435193

图6　预处理时间对发酵液中还原糖含量的影响

Fig.6　Effectofpretreatmenttimeonreducing

sugarconcentration

3　结束语

通过研究发现不同玉米秸秆组分(包括维管

柱、皮层和表皮)的不同预处理方式显著影响秸秆发酵液中的还原糖含量。维管柱、皮层和表皮在优化条件后发酵液的还原糖含量分别为15192%、12143%和5193%,预处理后的木质纤维素糖化率

215　正交试验结果

通过正交试验,考察各秸秆组分发酵液中的最高还原糖含量以及各相应因素条件(表4),结果表明,通过优化维管柱、皮层和表皮为底物发酵液中还原糖含量分别为15192%、12143%和5193%。通过相应固液比参数,计算出总还原糖量分别为63618、37219和17719mg;预处理后木质纤维素糖化率(2g底物)分别为31184%、18165%和819%。

参

考

分别为31184%、18165%和819%。发酵液中还原

糖含量处于较低水平时,FPA文

献

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/7iui.html