農作物秸稈酶解制糖研究進展

劉海燕等

摘要：制糖是農作物秸稈生產燃料乙醇、化工醇等工業產品的關鍵步驟，其中采用酶解法實現農作物秸稈有效糖化是該領域的研究熱點。簡單介紹了酶解機理，并對直接酶解與預處理酶解的研究進展進行了綜述。

關鍵詞：農作物秸稈；酶解制糖；有效糖化

中圖分類號： TQ914.1 文獻標志碼： A 文章編號：1002-1302（2014）03-0010-03

我國是農業大國，每年可產生農作物秸稈7億多t，近年來，隨著我國農村能源結構的變化與集約化生產的發展，秸稈逐步成為一種無用的負擔物，秸稈就地焚燒日趨嚴重，產生的煙霧已成為一大社會公害[1]。每年有大量的秸稈被就地燃燒，既污染環境，又浪費資源[2]。秸稈的主要成分為纖維、半纖維和木質素，以其為原料，通過酸解或酶解法結合生物轉化法制備2，3-二丁醇、乙醇、甘油三酯、化工醇等工業產品原料，既可避免環境污染，又可實現生物質能源的高效利用，帶來較大的經濟和社會效益[3]。然而，無論利用農作物秸稈生產何種產品，纖維原料制糖（包括葡萄糖和木糖）率都是影響整條工藝生產線的重要因素[4]。只有當木質纖維素通過酶解作用轉化為葡萄糖、木糖等單糖后，才能通過發酵過程轉化為各種生物能源。因此，在木質纖維素轉化能源的過程中，纖維素的酶解糖化是最關鍵的步驟，也是木質纖維素能源化轉化過程中的限制性步驟。目前，纖維素水解糖化的主要途徑有化學法水解和酶法水解。酶法水解因其工藝條件溫和、設備要求簡單、能耗低、副產物較少、對環境友好等優點得到廣泛的應用[5]，如何采用酶解方式實現玉米秸稈有效糖化仍然是該領域的研究熱點[6]。

1 酶解機理

玉米秸稈、麥類秸稈、水稻秸稈等均屬木質纖維類生物質，主要成分為纖維素（約占40%）、木質素（20%～30%）和半纖維素（20%～30%），這3種成分的重量占植物纖維質原料總重量的80%～95%[7]。纖維素降解木質纖維素的酶主要有降解纖維素的纖維素酶、降解半纖維素的木聚糖酶和降解木質素的漆酶[1]。

纖維素酶是將纖維素降解為葡萄糖過程中起作用的幾個酶的總稱，包括內切葡聚糖酶（1，4-β-D-glucan glucanohydrolase，EC 3.2.1.4）、外切葡聚糖酶（1，4-β-D-glucan cellobiohydrolase，EC 3.2.1.91）和纖維二糖酶（1，4-β-D-glucosidase，EC 3.2.1.21）。纖維素酶水解纖維素的機制至今尚不十分清楚，普遍認為是3 種酶組分的協同作用的結果，但各組分是如何作用的，尤其是對C1、Cx的作用方式，許多專家學者持有不同的看法。一種觀點是改進的C1-Cx假說：C1酶首先作用于纖維素的結晶區，使其膨脹變成無定型纖維素，再由Cx分解無定型纖維素為纖維二糖，最后由β-葡萄糖苷酶分解為葡萄糖；另一種觀點是順序作用的Cx-C1假說：首先由Cx酶在纖維素的非結晶區部位切割，產生帶有非還原性末端的小纖維素分子，再由C1酶以纖維二糖為單位，從末端進行切割，最后由β-葡萄糖苷酶水解為葡萄糖[8]。

半纖維素的主要組成成分是木聚糖，半纖維素成分的復雜結構也決定它們的降解需要多種酶的協同作用。降解酶包括內切酶 β-木聚糖酶（1，4-β-D-xylanxylanohydrolase，EC 3.2.1.8）、β-甘露聚糖酶（1，4-β-D-mannanmannohydrolase，EC 32178），主要水解半纖維素中的甘露聚糖；β-木糖苷酶，主要作用于木聚糖，屬于外切酶，是一個多功能的酶，木二糖是β-木糖苷酶的最佳底物。首先由內切β-木聚糖酶隨機短裂聚糖骨架，產生木聚糖，降低聚合度，然后由外切β-木糖苷酶將木寡糖和木二糖分解為木糖；在降解過程中同時也需要α-L-α-阿拉伯糖苷酶、α-D-葡萄糖醛酸酶、乙酸脂酶以及阿魏酸脂酶的協同作用，解除側鏈取代基對木聚糖酶的抑制作用[8]。

木質素的降解酶系是個非常復雜的系統，其中最主要也是研究最透的木質素降解酶有3 種，即木質素過氧化物酶（EC 1.11.1.14，LiP）、錳過氧化物酶（EC 1.11.1.13，MnP）和漆酶（EC 1.10.3.2，Lac）[1]。一般認為，木質素過氧化物酶、錳過氧化物酶、漆酶 和H2O2 產生系統構成降解木質素的主要成分。木質素過氧化物酶直接與木質素的芳環底物反應，從芳環上取得電子，使木質素形成陽離子自由基，從而發生一系列的裂解反應。

2 農作物秸稈酶解研究進展

2.1 直接酶解

在對秸稈進行轉化時，為了提高糖化率，一般要對秸稈進行預處理，但是預處理工藝存在處理成本高、環境污染嚴重等缺點，因此直接對秸稈進行糖化是當前研究的熱點問題。為了減少環境污染，目前對秸稈不經預處理直接轉化成糖的首選方法是酶解，然而對于酶解糖化秸稈的研究主要集中在用單一纖維素酶進行酶解糖化，個別添加半纖維素酶，因而存在糖化效率低的問題。宋安東等利用雙酶（纖維素酶、木聚糖酶）對秸稈直接糖化的條件進行研究，在優化條件下，作用 72 h 的秸稈糖化率達到10.815%[9]。易錦瓊等研究發現，纖維素酶酶解玉米秸稈的最佳條件為：反應時間48 h，酶解溫度為55 ℃，底物濃度20 g/L，速度130 r/min，酶用量為 200 U/g[10]。有研究發現，水稻秸稈最佳酶解工藝為：酶用量150 U/g，固液比1 g ∶ 20 mL，酶解時間48 h，酶解溫度 50 ℃[11]。有學者采用響應面分析法對秸稈酶解條件進行優化，得到最佳工藝條件，糖化率可達到42.15%[12]、還原糖最大產率為42.97%[13]。

2.2 預處理酶解

近年來，酶解工藝發展迅速，但由于天然纖維素結構復雜的特性，降低了纖維素酶系與纖維素的有效接觸，增加了酶解的難度，未經處理的玉米秸稈直接進行酶解的效率很低，纖維素酶解得率為24.18%，半纖維素酶解得率為14.76%，總糖得率僅為20.20%，因此需要在酶解之前進行必要的預處理，以改變天然纖維素的結構，降低結晶度，脫去木質素，從而提高酶解效率[14]。

2.2.1 物理方法 物理處理將部分半纖維素從生物質秸稈中分離、降解，從而增加酶對纖維素的可觸及性，提高纖維素的酶解轉化率，目前研究較多的有蒸汽爆破、膨化、射線輻照、微波等方法。蒸汽爆破法是一種有效的預處理方法，其能耗低，對環境影響小。植物纖維素原料經過蒸汽爆破，半纖維素降解，結構遭到破壞，纖維素酶分子與底物的接觸位點增加，能顯著提高酶解效率[15-17]。黃之文采用蒸汽爆破法對玉米秸稈進行預處理，結果表明，酸法汽爆固形物酶解72 h后，酶解率為77.0%；而直接汽爆法為68.3%[18]。李彬等的結果表明，原始水稻秸稈最大酶解還原糖產量約為9.7%，蒸汽爆破水稻秸稈最大酶解還原糖產量約為34.3%，蒸汽爆破預處理能夠顯著提高水稻秸稈的酶解還原糖產量，并縮短酶解反應時間[19]。寧欣強等對玉米秸稈進行蒸汽爆破預處理，酶解24 h的試驗結果表明，與未處理秸稈相比，汽爆處理樣品的還原糖產率提高了97%，化學與物理分析結果表明，處理后的物料半纖維素及可溶性物質質量分數減小，纖維素質量分數增加29.7%，X射線衍射儀（XRD）和掃描電鏡（SEM）結果表明纖維素致密結構被破壞[20]。

寇巍等采用膨化技術對玉米秸稈木質纖維素進行預處理，結果玉米秸稈的纖維素受到破壞，木質素包裹作用減弱，纖維素酶的空間作用面積提高，有部分半纖維素和少量木質素水解，纖維素結晶度降低了12.68%，與未處理的相比，膨化處理后原料酶解時間可縮短16 h，未經膨化處理的原料還原糖酶解產率為13.48%，膨化處理后的原料還原糖酶解產率可達2491%[21]。倫曉中等的試驗結果表明，在酶解最佳工藝條件下，還原糖轉化率達到28.98%，膨化后的玉米秸稈纖維素酶解充分[22]。

不同輻照劑量處理對玉米秸稈水解及酶解還原糖產量的影響結果表明，輻照后玉米秸稈易酶解，隨著輻照劑量的增大，酶解產糖量顯著增加，在較高劑量下，輻照-酶解復合降解玉米秸稈效果優于單一的輻照處理和單一酶處理，輻照后的玉米秸稈和酶解后的玉米葉處理的還原糖含量均有所增加，提高了纖維素原料的利用率[23-24]。輻照-酶解復合降解能有效破壞稻草的纖維組織結構，特別是稻草表面硅晶結構和纖維結構[25]。

2.2.2 化學方法 化學處理可使纖維素、半纖維素和木質素膨脹并破壞其結晶性，使天然纖維素溶解，從而增加其降解率，化學預處理研究開展的時間早，且一直研究的有酸處理、堿處理，最近大多采用稀酸水解處理技術，該方法可高效破壞植物纖維結構，提高木聚糖轉化成木糖的轉化率；堿處理可以移除玉米秸稈中的木質素，破壞天然纖維素復雜的剛性結構，從而有益于酶解效率的提高和糖的利用[26]。化學方法雖然存在弊端，但取得了較好的處理效果和研究進展。

宋安東等用稀鹽酸預處理玉米秸稈，總糖產率達485%，纖維素和半纖維素的轉化率達80.8%[27]。在稀硫酸法-酶法結合處理小麥秸稈的最優條件下，水解12 h，葡萄糖得率為34.5%，比未經酸處理直接酶解葡萄糖的得率高50%[28]，木糖得率達到84.90%，酶水解率達到91.71%[29]。曾青蘭首先在常壓溫和條件下用磷酸對小麥秸稈進行預處理，結果表明，在最優條件下，小麥秸稈酶解50 min時，糖化率從未經預處理的25.4%提高到預處理的70.3%；SEM分析結果表明，經磷酸預處理后的小麥秸稈崩解為碎片[30]。然后曾青蘭等采用磷酸-丙酮對水稻秸稈進行預處理的研究，預處理的水稻秸稈纖維素酶水解糖化率從未經處理的18.6% 提高到預處理后的65.4%；SEM分析結果表明，經磷酸-丙酮預處理的水稻秸稈晶狀結構遭到破壞，并崩解為碎片，從而使后續的纖維素酶水解糖化率顯著提高[31]。

李輝勇等對水稻秸稈弱堿性過氧化預處理條件進行了優化，結果表明，在最優預處理條件下，水稻秸稈的酶解糖化率達到了83.23%；而在相同酶解條件下，經氫氧化鈉處理后的水稻秸稈的酶解糖化率為70.38%，弱堿性過氧化預處理水稻秸稈的糖化率明顯高于堿性預處理水稻秸稈的糖化率[32]。歐陽嘉等研究了堿法-酶法制糖工藝，結果表明，水解48 h后纖維素酶解得率從24.18%上升至71.29%，半纖維素酶解得率達到78.85%，整個工藝總糖得率為66.86%，較未處理樣品提高46.66%[4]。

2.2.3 多種方法聯合 物理、化學預處理方法各有利弊，因此，有學者將其中2種或更多方法結合起來對秸稈進行酶解前的預處理，以彌補單一預處理方法的缺陷。柯靜等初步比較了不同化學方法在促進玉米秸稈酶解糖化方面的效果，得到最佳預處理方案，產糖量提高了83.51%，此時的木質素降解量也最大，達到了49.8%[33]。宋安東等用鹽酸、亞硫酸、甲酸、氫氧化鈉、雙氧水與氫氧化鈉混合液、硫化鈉與碳酸氫鈉混合液對玉米秸稈進行預處理，結果表明，在最優條件下，糖化48 h后玉米秸稈的總糖產率達48.5%，纖維素和半纖維素的轉化率達80.8%[27]，并能有效除去包裹在纖維素基質外面的木質素和半纖維素，提高基質的酶解糖化效率[34]。

3 研究展望

農作物秸稈纖維素的利用已經成為國內外一個熱門的研究課題，無論是用來生產燃料乙醇，還是用來生產生物化工醇，都會對工業生產、農民收入、環境保護等帶來多方面的顯著效益，對能源的戰略發展也會是一個質的飛躍。如何采用多種預處理方法相結合，最大化提高糖化率，降低生產成本，簡化生產工藝，是農作物秸稈酶解制糖技術所要解決的問題，也是未來研究發展的趨勢。

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