木薯秆预处理的优化及糖化

木薯秆预处理的优化及其糖化1．材料1.1材料木薯秆原料取自江西东乡，冲洗干净于105℃，24h烘干至恒重后磨粉并过40目筛备用。测得木薯秆有关化学组分的含量分别为：纤维素28.8±0.2%，半纤维素19.2±0.4%，木质素10.2±0.7%以及灰分0.50±0.1%。绿色木霉(中国工业微生物菌种保藏中心,菌种编号CICC40202)。实验中所用其它试剂均为分析纯。1.2常规碱预处理取一定量的木薯秆于NaOH溶液中（固液比1︰8），充分混匀并煮沸一定的时间(20～70min)，残渣用水洗至中性，105℃干燥至恒重并称重。1.3微波∕碱预处理本实验用微波炉（KD23B-DA,广东美的微波炉制造有限公司）控制微波条件，并将微波炉的功率设为800W。具体实验过程为取一定量的木薯秆于NaOH溶液中（固液比1︰10），充分混匀并微波处理一定的时间(20～70min)，残渣用水洗至中性，105℃干燥至恒重并称重。1.4超声波∕碱预处理本实验用超声仪（KQ-300VED,中国昆山超声波仪制造有限公司）控制超声波条件，并将超声仪的功率设为100W。具体实验过程为取一定量的木薯秆于NaOH溶液中（固液比1︰10），充分混匀并超声波处理一定的时间(20～70min)，同时加热至80℃，残渣用水洗至中性，105℃干燥至恒重并称重。1.5微生物水解糖化经预处理的木薯秆1.5.1发酵培养基木薯秆7.5g，（NH4）2SO42.8g，MgSO4·7H2O0.3g，CaCl2·2H2O0.4g，KH2PO42.0g，尿素0.3g，吐温802.0g,微量元素液1mL，水1000mL，pH4.5。微量元素液：FeSO4·H2O5.0g，MnSO4·H2O1.6g，ZnCl21.4g，水1000mL。1.5.2发酵培养条件在接种量11mL孢子悬浮液（菌体浓度5×105CFU/mL），装液量100mL，初始pH4.6，发酵温度30℃，摇床转速150r/min的条件下进行培养。每12小时取一次样，每个样品均先用45μm的滤膜进行过滤以除去菌体，再于3000rpm的条件下离心30min，取上层清液进行还原糖分析。当还原糖的产量最高时，去残留物冲洗至中性，烘干至恒重并进行化学组分含量的测定。1.7数据分析所以实验均进行3次重复实验。数据报道的表示形式为：平均值±方差。本文中木薯秆及其水解残留物的化学组分均为干重。2结果讨论2.1碱浓度及操作条件对预处理木薯秆的重量损失的影响0102030405060700203040506070时间/min重量损失/%abc图1.不同浓度碱溶液常规碱处理木薯秆重量损失的过程曲线(a)1%NaOH溶液;(b)2%NaOH溶液;(c)3%NaOH溶液0102030405060700203040506070时间/min重量损失/%abc图2.不同浓度碱溶液微波/碱处理木薯秆重量损失的过程曲线(a)1%NaOH溶液;(b)2%NaOH溶液;(c)3%NaOH溶液01020304050600203040506070时间/min重量损失/%abc图3.不同浓度碱溶液超声波/碱处理木薯秆重量损失的过程曲线(a)1%NaOH溶液;(b)2%NaOH溶液;(c)3%NaOH溶液由图1可以看出，……2.2碱浓度及操作条件对预处理木薯秆的化学组分的影响表1碱浓度及操作条件对预处理木薯秆的化学组分的影响处理方法NaOH溶液的浓度处理时间(min)化学组分(%)纤维素半纤维素木质素灰分未处理——28.8±0.219.2±0.410.2±0.70.50±0.11%3042.5±0.621.0±0.56.20±1.31.20±0.1常规碱处理1%6045.7±0.421.8±0.64.90±1.21.50±0.22%3044.2±0.821.4±1.15.00±0.81.40±0.12%6048.6±0.222.7±0.54.10±0.41.60±0.13%3048.2±0.522.4±1.34.40±0.81.60±0.13%6049.4±0.323.1±0.93.80±0.41.70±0.1微波/碱处理1%2047.5±0.57.90±0.37.70±0.81.40±0.21%4052.9±0.810.3±0.65.50±0.51.50±0.12%2052.1±0.49.90±0.75.80±0.61.50±0.22%4054.1±0.711.9±0.53.80±0.41.70±0.13%2053.7±0.611.4±0.44.20±0.31.70±0.13%4054.2±0.512.2±0.83.60±0.61.80±0.2超声波/碱处理1%2040.9±0.525.8±0.38.90±0.91.30±0.11%4043.4±0.424.1±0.57.60±0.61.40±0.12%2043.6±0.724.9±0.47.80±0.81.40±0.12%4046.9±0.222.4±0.76.50±0.51.50±0.23%2045.2±0.322.8±0.87.00±1.01.50±0.13%4047.4±0.121.1±0.36.30±0.91.50±0.1由表1可以看出，……2.3微生物水解糖化木薯秆00.10.20.30.40.50.61224364860728496108时间/h还原糖浓度/mg*g-1abc图4.绿色木霉发酵糖化过程曲线(a)2%NaOH溶液常规碱处理60min的木薯秆（底物a）(b)2%NaOH溶液超声波/碱处理40min的木薯秆（底物b）(c)2%NaOH溶液微波/碱处理40min的木薯秆（底物c）表2木薯秆的糖化残渣主要化学成分处理方法化学组分(%)纤维素半纤维素木质素灰分常规碱处理40.1±0.323.4±0.38.10±0.61.50±0.2超声波/碱处理36.8±0.423.2±0.710.2±0.81.60±0.1微波/碱处理35.9±0.517.1±0.49.90±0.91.70±0.1由图4可得，…..3结论微波/碱处理与超声波/碱处理和常规碱处理相比，可以去除更多的半纤维素和较多的木质素，这使得微波/碱处理得到的底物经绿色木霉降解可得到最高的还原糖产量，而木薯秆的糖化残渣主要化学成分的分析也证明了这一点，因此，可以说微波/碱处理是最佳的碱处理方法。另一方面，碱浓度和处理时间的增加可导致纤维素含量和重量损失均在不断增加，但这种增加的程度却在不断降低，因此，考虑到后续处理工艺及环境影响的因素，选择2%NaOH溶液微波/碱处理40min为最佳的碱处理条件。参考文献[1]DuongN.K.,andHansW.,2006,Performanceofgrowingheifersfedureatreatedfreshricestrawsupplementedwithfresh,ensiledorpelletedcassavafoliage,LivestockScience,102(1):130–139[2]胡蝶,杨青丹,刘洪,陈亮,王克勤,2010,木质纤维素预处理技术研究进展,湖南农业科学,(19):105～108[3]康鹏,郑宗明,董长青,杨勇平,2010,木质纤维素蒸汽爆破预处理技术的研究进展，可再生能源,(3):112～116[4]赵志刚,2007,木质纤维素原料预处理及酶解的研究,硕士学位论文,太原理工大学,导师：高峰，pp.46～51[5]ZhuS.D.,WuY.X.,YuZ.N.,LiaoJ.T.,andZhangY.,2005,Pretreatmentbymicrowave/alikaofricestrawanditsenzymichydrolysis,ProcessChemistry,40:3082－3086．[6]李华,孔新刚,王俊,2007,秸秆饲料中纤维素、半纤维素和木质素的定量分析研究,新疆农业大学学报,30(3)：65～68[7]刘书钗,主编,2004,制浆造纸分析与检测,化学工业出版社,中国,北京：pp.107-119[8]DuboisM.,GillesK.A.,HamiltonJ.K.,RebersP.A.,andSmithF.,1956,Colorimetricmethodfordeterminationsugarsandrelatedsubstance,JournalAnalyticalChemistry,28:350-356