氫氧化鈉預處理工藝對花生殼酶解制備還原糖的影響

余森艷，謝 敏，王婷婷

(湖北工程學院新技術學院生物化學系，湖北 孝感 432000)

0 引 言

我國是生產花生的大國，年總產量達1 450萬噸以上，占世界總產量的42%，每年約產生450萬噸花生殼[1]，除少部分被用作飼料、制造膠合板等，其余大部分被丟棄或燒掉，造成資源的極大浪費和環境污染.花生殼中含有大量的纖維素、木質素、半纖維素等天然高分子物質，其中纖維素的含量最高[2]，若將其轉化為容易利用的單糖不僅可以解決環境污染問題，還能產生良好的經濟效益.

天然纖維的水解常用的是酸解法和酶解法，由于酶解法條件溫和，耗能少，因此，酶解法是纖維素水解的必然趨勢.但對未經預處理的天然纖維，其水解效率極低，而NaOH有較強的脫木質素作用，可顯著提高酶解糖化率[3].本研究采用NaOH預處理花生殼，并探討不同的預處理工藝對酶解制備還原糖得率的影響，為花生殼及植物纖維原料用于制糖工業提供一定的參考和依據.

1 實驗部分

1.1 材料與設備

花生殼：市售普通花生取殼；纖維素酶：酶活力4 500 IU/mg，寶麗美化工生產；NaOH等試劑,均為分析純.

721型紫外分光光度計；DGX-9243BC恒溫鼓風干燥箱；FW135中草藥粉碎機；JY2002電子天平；HH-6數顯恒溫水浴鍋等.

1.2 實驗方法

1.2.1 葡萄糖標準曲線 采用DNS(3,5-二硝基水楊酸)法[4]繪制葡萄糖標準曲線，見圖1.

回歸方程為 y=1.681 8x-0.144 2，R2=0.987 3.

圖1 葡萄糖標準曲線圖Fig.1 The standard curve of glucose

1.2.2 NaOH預處理花生殼 花生取殼后，經清洗、風干，粉碎后過孔徑為0.425 mm篩，稱取一定量篩分后的花生殼粉于250 mL 三角瓶中，按照固液比1∶10(g/mL，下同) 加入一定體積和質數分數的NaOH，在不同溫度、時間、NaOH用量下對花生殼粉進行預處理試驗.NaOH預處理后樣品用蒸餾水洗至中性，烘干后用于酶解試驗.

1.2.3 NaOH預處理花生殼后酶解及還原糖含量測定 向NaOH預處理后的花生殼粉中加入0.6 IU/g 纖維素酶，在pH 4.8，50 ℃條件下酶解反應48 h.水解結束后在80 ℃滅酶一段時間，離心10 min取上清液，脫色，在具塞刻度試管中加2 mL待測液和1.5 mL DNS試劑，沸水浴中反應5 min，取出冷卻至室溫，用蒸餾水定容至10 mL，加塞搖勻，在540 nm波長下進行比色測定，對照標準曲線得到樣品中還原糖的含量.

1.2.4 單因素試驗及正交試驗 主要以NaOH質量分數、預處理溫度、預處理時間進行單因素試驗.在單因素試驗的基礎上確定正交試驗工藝參數范圍，因素水平見表1.以酶解后還原糖得率為指標，得出NaOH預處理花生殼的優化工藝條件.

表1 NaOH預處理工藝正交試驗因素水平表Table 1 Orthogonal test on preparation by sodium hydroxide of peanut shell

2 結果與討論

2.1 單因素試驗結果

2.1.1 不同質量分數NaOH預處理對花生殼酶解制備還原糖的影響 花生殼在溫度70 ℃，固液比1∶10的條件下用不同質量分數的NaOH預處理4 h，同時做對照試驗，反應結束后酶解測定其還原糖得率.

圖2 不同質量分數NaOH預處理對花生殼酶解還原糖得率的影響Fig.2 Pretreatment by different sodium hydroxide concentration on reducing sugar of peanut shell by enzymatic hydrolysis

如圖2所示，還原糖得率隨NaOH質量分數增加呈現先上升、到某一最大值后又下降的趨勢.對照實驗中，未進行預處理的樣品酶解后還原糖得率較低，只有18.6%.因花生殼中的木質素對纖維素的降解有屏蔽作用，導致水解糖化率低[6-7].因此，在對花生殼酶解前，用NaOH預處理除去木質素后，能有效提高水解糖化率.在本試驗條件下，NaOH預處理質量分數為2%時，酶解后還原糖得率較為理想.

2.1.2 預處理溫度對花生殼酶解制備還原糖的影響 花生殼在固液比1∶10，不同溫度條件下用質量分數為2%的NaOH處理4 h，反應結束后酶解測定其還原糖得率.

圖3 預處理溫度對花生殼酶解還原糖得率的影響Fig.3 Pretreatment of different temperature by sodium hydroxide on reducing sugar of peanut shell by enzymatic hydrolysis

如圖3所示，一定溫度范圍內提高預處理溫度對酶解后還原糖得率有較大影響，隨著預處理溫度的升高，還原糖得率也升高，在70 ℃時還原糖得率為71.5%達到最大，當溫度超過70 ℃時還原糖的得率有所下降，因此預處理溫度不宜過高.

2.1.3 預處理時間對花生殼酶解制備還原糖的影響 花生殼在70 ℃溫度，固液比1∶10的條件下用質量分數2%的NaOH預處理不同時間，反應結束后酶解測定其還原糖得率.

圖4 預處理時間對花生殼酶解還原糖得率的影響Fig.4 Pretreatment of different time by sodium hydroxide on reducing sugar of peanut shell by enzymatic hydrolysis

如圖4所示，隨著預處理時間的延長，花生殼酶解后還原糖得率也不斷增加，當反應時間超過6 h后酶解得率變化不大，影響不明顯.

2.2 正交試驗結果

根據單因素試驗，以NaOH質量分數、預處理溫度、預處理時間三個因素，按表1進行正交試驗，以還原糖得率為參考指標，其結果如表2所示.

表2 NaOH預處理工藝正交試驗結果Table 2 Results of orthogonal test on sodium hydroxide pretreatment

從表2結果可知，在NaOH預處理花生殼酶解制備還原糖的各個影響因素中，影響程度大小依次是：A>C>B，即NaOH濃度對還原糖得率的影響最大，預處理溫度對還原糖得率的影響最小，最佳工藝參數組合為A2B2C3，即預處理NaOH質量分數為2%，溫度為70 ℃，預處理時間為6 h.通過驗證性試驗，結果表明花生殼在最佳預處理工藝條件下還原糖得率達到72.5%，比未進行預處理直接酶解制備還原糖得率提高了53.9%.

參考文獻：

[1] 周泉城,黃景榮,李全宏. 花生殼莖葉等綜合利用研究進展[J]. 中國糧油學報, 2009,24(10):140-144.

[2] 李春光, 董令葉, 吉洋洋, 等. 花生殼纖維素提取及半纖維素與木質素脫除工藝探討[J]. 中國農學通報, 2010, 26(22): 350-354.

[3] 魯杰,石淑蘭,邢效功,等. NaOH預處理對植物纖維素酶解特性的影響[J]. 纖維素科學與技術: 2004,12(1): 1-6.

[4] 陳毓荃. 生物化學實驗方法和技術[M]. 北京: 科學出版社，2002.

[5] 唐楚穎, 馬春燕, 陸豫, 等. 綠色木霉降解木薯桿產糖及其工藝優化研究[J]. 安徽農業科學, 2011, 39(31): 19310-19312.

[6] M-Zuhairs. The effect of erystallinity of cellulose on the rate of reducing sugars production by heterogeneous enzymatic hydrolysis [J]. Bioresource Technology, 2008, 99: 4078-4085.