慈竹制丁醇工藝技術(shù)的研究(摘要)

殷艷飛(1.中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院，北京100091;2.中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院林產(chǎn)化學(xué)工業(yè)研究所，江蘇南京210042)

探討了慈竹材的不同預(yù)處理方法和條件與水解過(guò)程單糖轉(zhuǎn)化率和丙酮丁醇梭菌(Clostridium acetobutylicum 8011)發(fā)酵生產(chǎn)丁醇的關(guān)系，考察了慈竹為原料生產(chǎn)丁醇的可行性。研究了竹材經(jīng)過(guò)6種不同的預(yù)處理方式(包括化學(xué)法預(yù)處理:硫化鈉/氫氧化鈉(Na2S/NaOH)法;機(jī)械-化學(xué)法預(yù)處理:盤(pán)磨-氫氧化鈉(NaOH)法、盤(pán)磨-氫氧化鈉/過(guò)氧化氫(NaOH/H2O2)法、盤(pán)磨-氨水法、盤(pán)磨-氨水/氫氧化鉀(KOH)法、盤(pán)磨-氨水/磷酸鉀(K3PO4)法等)對(duì)其酶水解的影響。研究了不同方法預(yù)處理后的物料的化學(xué)組成、水解產(chǎn)物中糖的種類和組分變化。綜合考慮預(yù)處理方式改善水解效率的程度，證實(shí)化學(xué)法硫化鈉/氫氧化鈉(Na2S/NaOH)預(yù)處理效果最優(yōu)。優(yōu)化了硫化鈉/氫氧化鈉(Na2S/NaOH)預(yù)處理后物料的纖維素酶水解工藝條件。采用優(yōu)化后的酶水解工藝條件，制備硫化鈉/氫氧化鈉(Na2S/NaOH)預(yù)處理物料的纖維素酶水解液，選用丙酮丁醇梭菌作為發(fā)酵菌株，優(yōu)化該菌株的最優(yōu)培養(yǎng)基組分，通過(guò)Plackett-Burman實(shí)驗(yàn)，最陡爬坡實(shí)驗(yàn)和中心組合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方法，分別進(jìn)行厭氧發(fā)酵制取丁醇，測(cè)定了丁醇的濃度。

1)為了提高纖維素酶水解的轉(zhuǎn)化率，采用單因素和正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，對(duì)不同預(yù)處理方法的工藝參數(shù)對(duì)酶水解液還原糖產(chǎn)率的影響進(jìn)行了探討，優(yōu)化不同預(yù)處理方法的工藝條件。研究結(jié)果表明，①盤(pán)磨-氫氧化鈉(NaOH)預(yù)處理過(guò)程中，NaOH段的最佳預(yù)處理?xiàng)l件為:預(yù)處理溫度90℃、固液比1∶5(g/mL，下同)、時(shí)間2 h、NaOH用量12%(g/g絕干)，此最佳條件下處理得到的物料，在pH值4.8、加酶量20 FPU/g、反應(yīng)溫度50℃的條件下酶解24 h，還原糖產(chǎn)率為37.50%;②盤(pán)磨-氫氧化鈉/過(guò)氧化氫(NaOH/H2O2)預(yù)處理過(guò)程中，增加H2O2用量，還原糖產(chǎn)率下降，說(shuō)明添加H2O2不利于纖維素酶水解纖維素;③盤(pán)磨-氨水預(yù)處理過(guò)程中，溫度對(duì)還原糖產(chǎn)率的影響較明顯;④氨水預(yù)處理液中加入強(qiáng)堿氫氧化鉀，不僅加速了預(yù)處理的脫木質(zhì)素過(guò)程，還提高了還原糖產(chǎn)率及酶解纖維轉(zhuǎn)化率，是一種很有前景的預(yù)處理方法;⑤盤(pán)磨-氨水/磷酸鉀(K3PO4)預(yù)處理過(guò)程中，還原糖產(chǎn)率比未加K3PO4時(shí)高，但是還原糖產(chǎn)率增加不顯著。

2)選擇6種不同預(yù)處理方法的較優(yōu)預(yù)處理?xiàng)l件進(jìn)行大樣預(yù)處理，比較預(yù)處理過(guò)程中物料組分的變化情況以及酶水解后物料的還原糖產(chǎn)率等因素，篩選出一種較好的預(yù)處理方法。結(jié)果表明:硫化鈉/氫氧化鈉(Na2S/NaOH)預(yù)處理后，木質(zhì)素的脫除率很高，可以達(dá)到96.96%。預(yù)處理后物料的纖維素酶水解實(shí)驗(yàn)中，硫化鈉/氫氧化鈉預(yù)處理所得物料的酶解還原糖產(chǎn)率可以達(dá)到86.67%，相對(duì)于原料的還原糖產(chǎn)率可以達(dá)到44.81%，葡萄糖產(chǎn)率以及纖維素轉(zhuǎn)化率都較高，是一種較好的纖維原料預(yù)處理方法。

3)以硫化鈉/氫氧化鈉(Na2S/NaOH)預(yù)處理后物料為原料，研究了纖維素酶水解的主要影響因素，包括pH值、溫度、底物濃度、酶用量、時(shí)間、打漿度和吐溫80用量;并對(duì)吐溫80影響纖維素酶水解的原因進(jìn)行了探討。通過(guò)單因素優(yōu)化實(shí)驗(yàn)可知，在pH值5.2、溫度50℃、底物質(zhì)量濃度28.6 g/L、酶用量25 FPU/g、吐溫80用量1 mg/g的條件下水解52 h，打漿度13°的物料還原糖產(chǎn)率可以達(dá)到47.33%。

4)對(duì)慈竹硫化鈉/氫氧化鈉(Na2S/NaOH)預(yù)處理后物料進(jìn)行酶水解，得到以葡萄糖含量為主的纖維素酶水解液。然后采用Plackett-Burman實(shí)驗(yàn)、最陡爬坡實(shí)驗(yàn)和中心組合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)對(duì)丁醇發(fā)酵的培養(yǎng)基條件進(jìn)行優(yōu)化。實(shí)驗(yàn)優(yōu)化得到生物素 1.31 mg/L、吐溫 80 2.27 g/L、FeSO4·7H2O 5.13 mg/L 時(shí)，預(yù)測(cè)的丁醇產(chǎn)量為2.34 mg/L，驗(yàn)證試驗(yàn)得到丁醇產(chǎn)量為2.21 mg/L，與預(yù)測(cè)值2.34 mg/L較為接近，丁醇產(chǎn)量從優(yōu)化前的1.78 mg/L提高到優(yōu)化條件下的2.21 mg/L，產(chǎn)量提高了 19.46%。

慈竹;預(yù)處理;酶水解;丁醇