竹子化學成分的測定

陳 瑞，朱圣東，楊 武，薛華波，唐守運

（1．皖西學院生物與制藥工程學院，安徽 六安 237012；2．武漢工程大學化工與制藥學院，湖北 武漢 430074；3．安徽省植物生物技術實驗實訓中心，安徽 六安 237012）

0 引 言

植物纖維［1］是世界上最為豐富的可再生資源，以植物纖維為原料生產燃料乙醇的潛力巨大，特別是農業與林業廢棄物，如稻草、玉米秸稈、竹屑等，以它們為原料生產酒精，不僅可以增加農民收入，提高其附加值，而且可以消除其處置不當造成的環境污染．纖維素［2］、半纖維素［3］和木質素［4］是竹子的主要化學組分，同時也是構成竹子細胞壁的支持骨架．其中由D－葡萄糖以β－1，4糖苷鍵組成的大分子多糖纖維素組成微細纖維，構成纖維細胞壁的網狀骨架，而半纖維素和木質素則是填充在纖維之間的“粘合劑”和“填充劑”．半纖維素指在植物細胞壁中與纖維素共生、可溶于堿溶液，遇酸后遠較纖維素易于水解的那部分植物多糖．一種植物往往含有幾種由兩或三種糖基構成的半纖維素，其化學結構各不相同．

纖維素不溶于水和乙醇、乙醚等有機溶劑．水可使纖維素發生有限溶脹，某些酸、堿和鹽的水溶液可滲入纖維結晶區，產生無限溶脹，使纖維素溶解．纖維素加熱到約150℃時不發生顯著變化，超過這溫度會由于脫水而逐漸焦化．纖維素與較濃的無機酸起水解作用生成葡萄糖等，與較濃的苛性堿溶液作用生成堿纖維素，與強氧化劑作用生成氧化纖維素．植物纖維素的酶水解的效率受植物纖維素的可及度［5］、結晶度［6］、木質素和半纖維素的含量及纖維素的結合方式影響．植物纖維素原料預處理的目的是解除木質素和半纖維素對纖維素的封閉，瓦解纖維素的晶體結構，增加其可及度，提高酶的水解效率．

1 實驗部分

1．1 材 料

儀器：電熱恒溫干燥箱（202－I型）、粉碎機、索氏提取器、旋轉式蒸發器、TU3000－752型分光光度計、高速冷凍離心機、高壓滅菌鍋、振蕩培養箱、恒溫培養箱、電子天平、數顯恒溫水浴鍋（HH－2）、微波爐（LG）．

試劑：磷酸氫二鉀、磷酸二氫鉀、氯仿、甲醇、丙酮、二甲基亞砜、草酸銨、氫氧化鉀、硼氫化鈉、硝酸、硫酸、鹽酸、蒽酮、苔黑酚、葡萄糖、木糖以上試劑均為國產分析純．纖維素酶采用的是上海博奧生物技術公司生產的李氏纖維素酶．

1．2 方 法

1．2．1 竹子化學成分的測定 將已粉碎過的竹屑在65℃條件下烘干4 h．混勻，稱取0．100 0 g干重樣品于研缽中，加入2 m L p H 7．0的0．5 mol／L磷酸緩沖液，研磨15 min，混勻后加入離心管中，定容．4 mol／L KOH提取半纖維素，于沉淀中加入5 m L 4 mol／L的KOH（內含1 mg／m L的Na HB4），室溫下提取1 h．在這期間每隔10 min，離心，收集上清．收集所有上清液，定容，測糖含量［7］．于沉淀中加入5 m L乙酸－硝酸－水（8∶1∶2，v／v／v）在沸水浴中加熱1 h，在這期間每隔10 min 1次，離心，沉淀再用5 m L蒸餾水洗2次．收集所有上清液，定容．在纖維素沉淀中（約30 mg）加入2 m L 67%（v／v）硫酸，在30℃搖床（100 r／min）振蕩1 h，加蒸餾水至10 m L，離心，蒽酮／硫酸法測六碳糖含量［8］．

1．2．2 竹屑的預處理和糖化 稱取20 g干燥竹屑，加入盛有160 m L質量分數為1%的NaOH溶液中，放入微波爐中，在設定功率處理規定時間，離心，測上清液五碳糖和六碳糖含量，沉淀用作糖化的底物［9］，加入裝有20 m L p H 為4．8的0．1 mol／L的檸檬酸緩沖液中，加入纖維素酶20 U／g，于45℃、150 r／min糖化7 d，每隔24 h進行還原糖分析［10］．

1．2．3 糖化最佳工藝條件的優化 當對竹屑的預處理方法發生改變時，預處理后糖化的最佳工藝條件也可能發生變化，為了得到微波與堿聯合處理的竹屑糖化最佳工藝條件［11］，按照表1設計3因素3水平的正交試驗．

表1 糖化正交試驗因素水平表Table 1 Factors and levels of the orthogonal experiment

2 實驗結果

2．1 葡萄糖標準曲線

圖1為葡萄糖標準曲線，擬合線性方程：

y＝107x－1．202，R2＝0．996．

圖1 葡萄糖標準曲線Fig．1 Standard curve of glucose

圖2 木糖標準曲線Fig．2 Standard curve of oxylose

2．2 木糖標準曲線

擬合線性方程：y＝38．98x＋0．633，R2＝0．998．

2．3 竹子的化學組成

竹子的化學組成主要是纖維素、半纖維素和木質素．竹子各種屬的纖維形態差別不大，是一種非常好的纖維提取原料．表2為斑竹園、長嶺和江店三個地區竹子中纖維素、半纖維素、木質素的質量分數．

表2 竹子的化學組成Table 2 Composition of bamboo ／%

此外，實驗測得竹子中可溶性糖的質量含量為0．85%，竹子中淀粉的含量為2．46%，果膠的含量為1．41%，與纖維素半纖維素的含量相比較低．纖維素和半纖維素是竹子的主要化學組分，是一種較為理想的用作生產酒精的植物纖維素原料．

2．4 微波預處理對酶解糖化的影響

微波功率與處理時間是影響微波與堿聯合預處理竹屑的效果的2個重要因素，圖3、4、5分別給出了不同微波功率及處理時間下微波與堿聯合處理的竹屑的糖化過程．可知3個不同的功率，均有其對應的最佳處理時間，功率越高，對應的最佳處理時間越短．但無論微波功率如何，在最佳處理時間是還原糖的終濃度變化不大，因此選取700 W處理6 min為最佳預處理條件．

圖3 微波對水解糖化的影響（700 W）Fig．3 The effect of microwave／alkali pretreatment on hydrosis

圖4 微波對水解糖化的影響（500 W）Fig．4 The effect of microwave／alkali pretreatment on hydrosis

圖5 微波對水解糖化的影響（300 W）Fig．5 The effect of microwave／alkali pretreatment on hydrosis

2．5 糖化最佳工藝條件的優化

為了對微波處理的竹屑糖化工藝條件進行優化，按照表3設計了正交實驗，實驗結果與數據分析見表3．表3中的因素離差平方和（S）的大小可以判斷各個因素對竹屑水解的影響程度，S值越大，表明其影響程度越大．各因素對竹屑糖化的影響順序為：溫度最大，酶用量次之，p H最小．根據表3平均還原糖得率（R值），R值越大，表明該水平還原糖得率越高，由此確定最佳工藝條件為：45℃、p H5．0、酶用量20 U／g．

表3 糖化正交試驗結果與數據分析Table 3 The results and analysis of orthogonal experiment

3 結果與討論

實驗測得竹子中纖維素的質量分數為42．51%，半纖維素的質量分數為21．97%，可知纖維素和半纖維素是竹子的主要化學組分，是一種較為理想的用作生產酒精的植物纖維素原料．三個地區的竹子中纖維素、半纖維素、木質素等含量的不同可能是由于這三個地區土壤中C、N、P的含量不同造成的．

微波與堿的聯合預處理，可提高竹屑的糖化速度，還原糖的得率基本不變．微波與堿聯合預處理時，微波的最佳條件：700 W，6 min．糖化最佳條件：45℃，p H5．0，每克底物用酶量20 U／g．

致謝

感謝六安市科技局的資金支持．

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［6］姚汝華．微生物工程工藝原理［M］．廣州：華南理工大學出版社，2003：126－135．

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［11］張娟，趙燕，楊益琴．四種竹子化學成分與纖維形態［J］．化學工程，2011，30（10）：33－35．