玉米秸秆的酶水解和稀酸水解比较

玉米秸秆的酶水解和稀酸水解比较摘要：探讨玉玉米秸秆在纤纤维素酶及稀稀酸作用下的的水解方法，并并从水解影响响因素（水解解时间、温度度、底物浓度度等）及水解解机理上，比比较了两种纤纤维素酶与稀稀硫酸对玉米米秸秆水解特特性。结果表表明：由于酶酶和酸的水解解机理不同，对对玉米秸秆的的水解影响也也不一样，酶酶水解速度慢慢，水解得率率高，条件温温和；稀酸水水解速度快，水水解得率低，对对设备要求高高。如果酸和和酶结合玉米米秸秆水解得得率有很大的的提高。关键词：纤维素素酶酸水解解酶水解玉米秸秆1前言我国有丰富的植植物纤维资源源，如农作物物秸秆，林农农产品加工业业下脚料等，每每年仅农作物物玉米秸秆一一项就有2.2亿吨多[1]]。目前其有有效利用率低低，主要的利利用方式有：：秸秆作为低低级燃料，腐腐化为肥，过过腹还田等。但但是，通过生生物技术方法法将其生物转转化为葡萄糖糖，继而进一一步发酵生产产乙醇、丙酮酮、糠醛、乳乳酸等化工原原料，这些可可再生资源是是我们解决未未来能源和资资源问题的重重要途径之一一，对国民经经济的发展，清清洁生产以及及生态环境的的保护，都是是可行和必要要的。纤维素原料的水水解方法可分分为酸法（稀稀酸法、浓酸酸法）及酶法法。玉米秸秆秆的主要成分分是纤维素、半半纤维素、木木质素。稀酸酸法主要是水水解半纤维素素。半纤维素素是多缩戊糖糖及多缩已糖糖等的多糖类类混合物或化化合物；稀酸酸水解后，多多缩戊糖即生生成木糖、阿阿拉伯糖等戊戊糖，多缩已已糖则生成葡葡萄糖、半乳乳糖、甘露糖糖及果糖之类类的已糖。水水解得到的戊戊糖、己糖易易进一步催化化降解为糖醛醛。一般而言言，稀酸水解解过程为多相相水解反应，而而浓酸法水解解为单相反应应。浓酸水解解中纤维素首首先在浓酸作作用下迅速溶溶解，然后在在溶液中进行行水解反应。纤纤维素经浓酸酸处理后形成成纤维素糊精精，变得易于于水解成的单单糖，但由于于水分不足，浓浓酸吸收水分分，单糖又可可能生成多糖糖，所以副产产物比较多。但但酶法水解则则是指在胞外外水解酶的催催化作用下，原原料中的纤维维素物质被水水解为葡萄糖糖。纤维素酶酶水解时，主主要包括三种种酶组分：内内切－ß－葡聚糖酶酶（endo--ß-gluucanasses）、外切－ß－葡聚糖酶酶（exo-ßß-gluccanasees）和ß－葡糖苷酶酶（ß-gluucosiddases,,即纤维二糖糖酶）协同作作用；整个反反应可看成两两个步骤，即即将纤维素变变成纤维二糖糖和将纤维二二糖水解成葡葡萄糖。本文探讨了玉米米秸秆在稀酸酸催化及酶催催化作用下的的水解方法，比比较了SuhonngcelllishL、celluusoftL两种纤维素素酶和稀硫酸酸对玉米秸秆秆水解影响因因素及其水解解机理。目的的旨在对几种种玉米秸秆水水解方法进行行比较的基础础上，找到一一种充分而高高效利用玉米米秸秆的水解解方法，这对对秸秆资源回回收具有一定定的意义。试验原料和方法法原料和预处理河北邯郸产的玉玉米秸秆风干干粉粹成20－40目备用。纤维素酶纤柔酶L((CelluusoftL)和苏宏抛光光酶(SuhoongceellishhL)由上海诺维维信公司提供供，酶活均为为750EGGU(EGUU为内切葡聚聚糖酶的单位位)。2.3酶水解解方法取一定量粉粹后后的秸秆，置置于150ml三角瓶中，根根据试验而定定，加入一定定量的缓冲液液和纤维素酶酶液，设定温温度，120r//min，在恒温摇摇瓶柜中反应应24h。酶水解产产物经离心分分离得到的上上清液即为酶酶水解糖液。酸水解方法在500ml三三口烧瓶中加加入一定体积积和浓度的硫硫酸，置于恒恒温水浴锅中中，温度恒定定后，加入筛筛分后的玉米米秸秆并搅拌拌，在给定温温度、浓度等等条件下反应应3小时取样分分析。2.5还原糖糖的分析方法法还原糖测定采用用DNS[2]]法，水解样样品经离心、稀稀释、中和、真真空过滤后，计计算总还原糖糖含量，算出出水解得率。水水解得率计算算公式：水解得率（％）=式中：a为还原原糖质量，mm为秸秆质量量，ω为秸秆含水水率。结果与讨论反应时间的影响响反应时间对玉米米秸秆酶水解解得率的影响响如图1所示。在反反应的初始阶阶段，酶水解解得率增加较较快，反应时时间到达24h后，酶解得得率上升趋势势逐渐平缓。其其原因可解释释为：一是随随着反应进行行，产物逐渐渐增多，抑制制作用增强，即即产物对酶水水解有抑制作作用；二是在在反应最初几几小时，纤维维素的无定形形区被水解，速速度快，糖浓浓度增加快，以以后水解在纤纤维素结晶区区中进行，速速度慢，糖浓浓度增加也慢慢（酶易与无无定形区的纤纤维素分子结结合，产生催催化水解作用用，但难于渗渗入结晶区）[3]。因此，以下酶解时间为24h。两种纤维素酶中中，SuhonngcelllishL酶水解得率24小时内最高高为51.4％比CelluusoftL高3.1％，其原因因是两种酶内内切葡聚糖酶酶的活性相同同，但纤维素素酶水解中是是多种酶间(外切ß－1，4－葡聚糖苷苷酶、内切ß－1，4－葡聚糖苷苷酶、纤维二二糖水解酶和和ß－葡萄糖苷苷酶)相互协同作作用水解纤维维素[4]，认为为因SuhonngcelllishL的总的酶活活力比CelluusoftL的高，因此此酶水解得率率也相对高，以以下试验结果果也证实这一一点。反应时间对秸秆秆稀酸水解得得率如图2所示。通过过图2可以看出反反应开始时水水解得率随时时间增加而提提高，但随着着水解时间延延长，水解得得率缓慢下降降，这是由于于随着水解时时间延长糖的的降解速率大大于秸秆的水水解速率，一一部分单糖被被进一步降解解为糖醛，羟甲基基糖醛等产物物，另一部分分生成的单糖糖又缩合成多多糖。因此，选选择合适的反反应时间也很很重要，3小时较为适适宜。稀酸水解3小时时即可达到稳稳定，比酶水水解到达稳定定时间短，但但水解得率低低。其原因是是稀酸主要降降解半纤维素素，半纤维素素相对纤维素素易于降解。酶酶水解主要降降解纤维素，天天然纤维素的的高结晶度和和难溶性，决决定酶水解速速度慢，只有有当纤维素分分子表面充分分取代而生成成可溶性产物物时，其内层层才能为反应应介质所可及及。另有秸秆秆纤维素含量量比半纤维素素高，因此，酶酶水解得率比比稀酸水解得得率高，以下下试验结果证证实相同。3.2反应温温度的影响在其他条件相同同的情况下，改改变反应温度度。由图3可知，酶水水解得率随温温度的升高呈呈抛物线变化化，从表面上上分析，酶水水解反应存在在一个理想的的作用温度，在在该温度下，酶酶的活性最强强。本试验取取35℃－60℃为考察范围围，结果表明明，两种酶的的最适宜的温温度都是50℃，酶解得率率分别达到51.4％和48.3％。然而，还还有研究表明明，酶的最适适宜温度与反反应时间的长长短有关。本本试验所得的的结果是在反反应时间为24小时的最佳佳酶水解得率率的温度。一般而言，温度度主要是影响响酶的稳定性性、酶蛋白的的热变性、酶酶和底物的结结合。当温度度升高，除水水解速度提高高外，纤维素素酶变性，酶酶活力下降的的速度也加快快，最适温度度是这两种影影响的综合结结果。图4反映了不同同温度稀酸的的水解情况，从从图4可以看出在在硫酸浓度一一定情况下，秸秸秆的水解得得率随着温度度的升高而提提高；从试验验所得数据可可明显看出：：随着温度的的升高，水解解得率迅速曾曾加，在60℃时，反应终终止时水解得得率只有10.5％；在80℃时，水解得得率为20.4％，有较明明显提高；100℃时水解得率率达到24.8％。由此可可见，温度对对水解得率影影响显著，但但较高温度导导致能量消耗耗也随着增大大，超过100℃时更需要耐耐压设备，对对节约成本和和资源都不利利，因此必须须从考虑水解解得率及节约约成本选择合合适温度，本本实验中均采采用100℃。酶水解一般般最适水解温温度40℃-60℃之间，因此此在水解工艺艺优化中要找找出最佳酶解解温度，比稀稀酸水解条件件温和。稀酸酸水解需高温温高压，对设设备要求高。3.3催化剂剂浓度的影响响在其他条件相同同的情况下，改改变酶浓度对对秸秆酶水解解得率的影响响如图5所示。结果果表明，两种种酶的影响相相同，随酶浓浓度的增加，还还原糖的得率率也随之增加加，但当加酶酶量>5ml，酶水解得率率变化不明显显，曲线呈现现平衡趋势，由由此可见，过过高的酶浓度度对秸秆水解解是不经济的的。这一现象象可以这样解解释：假设纤纤维表面最初初吸附的酶仅仅仅形成单分分子层，可以以吸收过量的的酶形成多分分子层，但是是只有纤维第第一层吸附的的酶对水解反反应有重要影影响，从而限限制了使催化化反应的表面面饱和的酶的的反应活性。在稀酸水解时，随随着硫酸浓度度的提高，秸秸秆的水解得得率也逐渐趋趋于平稳。从从图6对100℃下不同浓度度硫酸对20~40目秸秆水解解得率影响的的分析可以看看出，当硫酸酸浓度是3.0%以内时，稀硫硫酸的浓度达达到1.0％时，玉米米秸秆的水解解得率趋于最最大值；稀酸酸浓度提高对对水解得率影影响不大，因因此在利用稀稀硫酸水解玉玉米秸秆的过过程中，硫酸酸的浓度初步步定为1%比较适宜。稀酸水解成本比比酶水解低，由由于稀酸浓度度低，可以不不考虑回收。3.4底物浓浓度的影响底物浓度对两两种酶水解得得率的影响相相似，如图7所示。当底底物浓度较低低时，酶水解解得率较高，这这是因为酶和和底物的作用用是通过酶与与底物生成复复合物而进行行的，当底物物浓度较低时时，相当于酶酶过量，底物物的量不足以以结合所有的的酶，换句话话说，底物最最大程度地被被水解，因此此，酶解得率率较高。但当当底物浓度过过大时反应器器中传质阻力力加大，产物物的反馈抑制制作用也更为为明显，所以以虽然还原糖糖的浓度有所所提高，但酶酶解得率下降降，底物的利利用效率不高高。但考虑为为后续的发酵酵工艺，底物物浓度采用80g/L较为适宜。在稀酸水解中出出现同样情况况，如图8所示，在底底物浓度5%（12.5gg/250mml稀硫酸）时，水水解得率较高高，随着底物物浓度的增加加水解得率却却下降，其主主要原因是底底物浓度增加加，造成秸秆秆与硫酸混合合出现溶胀和和结块，甚至至发生搅拌困困难，阻止了了酸向纤维素素颗粒内部渗渗透，从而水水解得率下降降。秸秆的纤维素含含量高于半纤纤维素，因而而酶水解得率率比稀酸水解解高，还原糖糖浓度高，更更有利于后续续的发酵工艺艺。水解糖液成分分分析用高效液相色谱谱（HPLC）测定水解解液中单糖成成分及其含量量。从图9所示，稀酸酸水解液主要要成分为木糖糖（图9中主峰），因因为，利用稀稀酸水解秸秆秆时，水解液液中单糖主要要来源于半纤纤维素的水解解，半纤维素素的主要成分分是戊糖，所所以水解液中中含有大量木木糖。稀酸只能水水解少量的纤纤维素，纤维维素水解产物物主要为葡萄萄糖（木糖峰峰右侧小峰），木木糖与葡萄糖糖之比约为9：1。这与稀酸酸水解机理是是符合的。酶水解液的主要要成分为葡萄萄糖（图10中主峰），因因为，利用纤纤维素酶水解解玉米秸秆时时，水解液中中单糖主要来来源于纤维素素的水解，纤纤维素的主要要由葡萄糖聚聚合而成，所所以水解产物物大多为葡萄萄糖。但是CCellussoftLL和SuhonngCelllishL都是工业用纤纤维素酶，其其中往往混有有半纤维素酶酶，水解产物物也含有相当当多的木糖（葡葡萄糖峰左侧侧小峰），葡葡萄糖与木糖糖之比约为5:2。这与纤维维素酶水解机机理是符合的的。秸秆稀酸水解液液高效液相色色谱(HPLCC)图9秸秆酶解液高效效液相色谱（HPLC）图10从水解液成分分分析可知，如如果结合稀酸酸和酶法水解解秸秆，将会会对秸秆水解解得率有很大大的提高，主主要原因是经经稀硫酸水解解后，由于半半纤维素被水水解成单糖，残残余物形成多多孔或溶胀型型结构，这样样促进了酶更更多地接触纤纤维素，从而而水解得率得得到提高。在在文献[5]]中已得到证证实。结论酶水解比酸水解解得率高，条条件温和，但但酸水解达到到稳定的时间间短。稀酸水解主要水水解半纤维素素，而酶水解解主要水解纤纤维素。稀酸水解成本相相对比酶水解解低。参考文献[1]韩鲁佳佳，刘向阳，胡胡金有。中国国农作物秸秆秆资源及其利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