氯化鐵與白腐菌聯合預處理光合產氫用秸稈的試驗研究

向廣帥，張全國，劉圣勇

(河南農業大學農業部農村可再生能源新材料與裝備重點實驗室，河南鄭州 450002)

氯化鐵與白腐菌聯合預處理光合產氫用秸稈的試驗研究

向廣帥，張全國，劉圣勇*

(河南農業大學農業部農村可再生能源新材料與裝備重點實驗室，河南鄭州 450002)

[目的]探討氧化鐵與白腐菌聯合預處理光合產氫用秸稈的最佳工藝。[方法]采用氯化鐵與白腐菌聯合預處理法，對光合產氫用秸稈進行預處理。[結果]用0.5 mol/L的三氯化鐵溶液，固液比為1/20 g/ml，在100～108 ℃下處理玉米秸稈30 min后，其纖維素、木質素、半纖維素含量均有明顯的變化，且纖維素含量最高增加了52.78%，半纖維素最高減少了12.06%；經三氯化鐵處理過的玉米秸稈接種白腐菌后，在第12天時還原糖含量最高達1.92 mg/ml，此時的玉米秸稈作為光合產氫的基質效果最好。[結論]氯化鐵與白腐菌聯合預處理法，可進一步促進光合產氫用秸稈生物質轉化。

氯化鐵；白腐菌；預處理；生物制氫

隨著化石燃料的日益枯竭和環境的日益惡化，發展清潔的可再生資源已成為世界上迫切的問題[1]。氫氣作為可再生能源的一個重要組成部分，被認為是我國能源使用安全、清潔、能促進發展生物質能源的重要途徑[2]。秸稈是地球上最豐富的生物質原料之一，也是生物質制氫的主要原料，主要有纖維素、半纖維素、木質素等構成，木質素與半纖維素以共價鍵的形式限制著纖維素的分解，影響了纖維素的轉化效率及發酵周期，氫氣原料的預處理是其關鍵環節，是提高原料利用率，加大產氣量，縮短啟動時間的有效手段[3]。金屬離子處理成本較低且處理條件較好[4]，處理后的廢液可以回收利用，生物處理法具有作用條件溫和、能耗低、專一性強，不存在環境污染，處理成本低等優點，有較大發展空間[5]。因此，筆者選用氯化鐵與白腐菌聯合預處理光合產氫用秸稈。

1 材料與方法

1.1 試驗原料玉米秸稈采自河南農業大學機電工程學院實驗園，自然風干下經粉碎機粉碎，過40目標準篩，75 ℃烘干至恒重。三氯化鐵(分析純)購自天津市華東試劑廠。白腐菌(黃孢原毛平革菌，PhanerochaetechrysosporiumGIMCC編號：GIM3.393)購自廣東微生物研究所微生物保藏中心，干粉用少量的無菌水溶解，然后接種到PDA斜面培養基上，放入28 ℃的恒溫生化培養箱中靜置培養白腐菌(約7 d)，然后對菌種進行第二代的接種培養(約7 d)后放入4 ℃的冰箱備用[6]。

1.2 試驗方法采用氯化鐵與白腐菌聯合預處理法對光合產氫用秸稈進行處理，先用三氯化鐵溶液處理秸稈，破壞秸稈纖維素分子鏈上的氫鍵結構[7]，降低纖維素分子的結晶度，再接種白腐菌，加快白腐菌處理秸稈的時間。首先，稱取一定量的干燥秸稈，分別按固液比1/10、1/20 g/ml，添加濃度為0.1、0.2、0.3、0.4、0.5 mol/L的三氯化鐵溶液，振蕩均勻后置于高壓滅菌箱中。設置溫度范圍為100～108 ℃，反應時間分別為15和30 min，測定預處理后纖維素、半纖維素及木質素含量。具體試驗方案見表1。分別取經過氯化鐵處理后、洗至中性的40目玉米秸稈及未經處理的40目玉米秸稈7.0 g，置于300 ml的三角瓶中，按照固液比1∶5加入蒸餾水，用無菌封口膜封口，121 ℃滅菌1 h；用打孔器向6個三角瓶中分別接種處于對數期的白腐菌(黃孢原毛平革菌)菌片若干，保持28 ℃條件下進行培養。分別在接種菌片第6、12、18、24、30天后取樣，測定還原糖含量。為避免差錯和減少誤差，每組試驗重復3次，取平均值[8]。

1.3 測定方法玉米秸稈中纖維素、木質素半纖維素含量測定，采用改良王玉萬法[9]。采用3，5-二硝基水楊酸比色法[10]測定水解液中還原糖含量，用752型分光光度計進行比色測定。

2 結果與分析

2.1 氯化鐵處理玉米秸稈在所測得21組試驗中，經比較纖維素、木質素、半纖維素含量，第20組按固液比為1/20 g/ml，濃度0.5 mol/L的三氯化鐵溶液，在100～108 ℃下反應30 min，處理后的玉米秸稈纖維素、木質素含量明顯提高，而半纖維素含量下降，其中纖維素含量較未處理的原料增加了52.78%，半纖維素減少了12.06%。由圖1可知，原料經過三氯化鐵溶液處理前后，玉米秸稈的形態發生了明顯變化，處理前玉米秸稈的表面結構平整光滑有序，處理后結構得到明顯的破壞。

表1 氯化鐵處理試驗方案

表2 FeCl3處理后玉米秸稈各組分含量 %

玉米秸稈經三氯化鐵溶液預處理后，物料中各組分含量變化較大，主要是因為在金屬離子的作用下，半纖維素變的松散，內部結構遭到嚴重破壞，易于被分離，故半纖維素含量減少；同時由于玉米秸稈細胞結構的破壞，使細胞內的物質更多的被溶解出來，故而使可溶性物質含量降低[11-12]。由于粘接層結構遭到破壞，纖維素晶體結構發生了變化，從而使玉米秸稈物料中纖維素更多的暴露出來，所以經三氯化鐵溶液處理后的玉米秸稈纖維素含量有了很大提高。從掃描電鏡的圖譜分析結果可知，三氯化鐵溶液預處理不僅能夠明顯破壞玉米秸稈物料的表面結構，還能夠增大物料的表面孔徑。但是，Juan等[13]用濃度為0.265 mol/L的FeCl3，152.6 ℃下處理橄欖樹生物質原料30 min，可以完全去除半纖維素，并得到很高的酶解率。分析其原因是為了降低能耗及緩解環境壓力，試驗降低了反應物濃度及反應溫度，造成與秸稈的反應不充分，未能完全破壞秸稈的結構。

2.2 白腐菌處理玉米秸稈由圖2可知，在起初的前6 d還原糖含量很高，在第6天時達到最大值1.14 mg/ml。但是，此時玉米秸稈的降解還不夠完全，不適宜用于產氫。到第12天時還原糖消耗了很多，達到最小值0.39 mg/ml，這可能是由于白腐菌在繁殖過程中自身會消耗掉基質中一部分的還原糖。在后續的12 d內，還原糖含量又開始攀升，第18天時還原糖含量約為0.67 mg/ml，第24天時又出現了一個含量高峰，約為0.97 mg/ml。而24～30 d期間內，還原糖含量又開始下降且趨于穩定。因此，白腐菌處理40目玉米秸稈24 d左右時，可以加入光合產氫細菌，此時產氫能力將最強。

2.3 氯化鐵與白腐菌聯合處理玉米秸稈由圖3可知，隨著處理時間的增加，白腐菌與氯化鐵聯合處理40目玉米秸稈后，還原糖含量先增加后減小，最后趨于穩定。第12天時還原糖含量最高，約為1.92 mg/ml;在第18天時還原糖含量達到一個較小值，約為1.41 mg/ml;到第24天時，還原糖含量約為1.52 mg/ml，比第18天增加了0.11 mg/ml；在第24～30天期間，隨著還原糖的被消耗達到一個穩定值，約為1.48 mg/ml。考慮到玉米秸稈的降解程度和產氫能力，選擇在第12天時加入光合產氫菌，可以使產氫效果較理想，產氫能力也較強。

2.4 不同處理對玉米秸稈中還原糖含量的影響由圖2和3可知，不同方式處理的玉米秸稈中還原糖含量的走勢不同，白腐菌單獨處理的玉米秸稈還原糖含量先減少后增加，再減少，最后趨于穩定。這是因為玉米秸稈在剛接種白腐菌后，白腐菌在降解秸稈生成還原糖的同時，還要利用還原糖進行自身的繁殖生長[14]。而經氯化鐵處理過的秸稈接種白腐菌后，在第6天還原糖含量達1.33 mg/ml，在第12天達最大值1.92 mg/ml，之后又減少，趨于穩定。這是因為玉米秸稈經過氯化鐵處理后，其細胞壁結構已經被破壞，可以使白腐菌直接快速地降解木質素和纖維素，生成多糖。可見，經過氯化鐵處理過的40目玉米秸稈再用白腐菌處理，還原糖含量及周期有了明顯的提高。

3 結論

先利用化學法處理玉米秸稈，再利用白腐菌中黃孢原毛平革菌進行處理，以酶解后還原糖含量作為考察指標，確定最佳工藝。結果表明，用0.5 mol/L的三氯化鐵溶液，固液比為1/20 g/ml，在100～108 ℃下處理玉米秸稈30 min后，其纖維素、木質素、半纖維素含量均有明顯的變化，且纖維素含量最高增加了52.78%，半纖維素最高減少了12.06%。經氯化鐵處理過的玉米秸稈接種白腐菌后，在第12天時還原糖含量最高達1.92 mg/ml，此時的玉米秸稈作為光合產氫的基質效果最好。氯化鐵處理秸稈后，濾液中的鐵離子可回收用共沉淀法制備納米四氧化三鐵等工業用品[15]，用于工業生產，不僅節約成本，同時也可以保護環境。

[1] 吳忠海，楊曌，李紅，等.能源植物的研究現狀與展望[J].安徽農業科學，2014(6)：1805-1807.

[2] 張全國，尤希鳳，張軍合，等.生物制氫技術研究現狀及其進展[J].生物質化學工程，2006，40(1)：27-31.

[3] 楊尉，劉立國，武書彬．木質纖維素燃料乙醇生物轉化預處理技術[J]．廣州化工，2011，39(13)：8-12．

[4] 曾國明.玉米秸稈發酵前金屬離子處理及動力學研究[D].重慶：重慶大學，2012.

[5] 潘亞杰，張雷，郭軍，等.農作物秸稈生物法降解的研究[J].可再生能源，2005(3)：33-35.

[6] 蔣丹萍.光合產氫用秸稈類生物質微生物預處理的實驗研究[D].鄭州：河南農業大學，2013.

[7] 蔣軒，孫君社，劉莉，等.金屬陽離子促進酸預處理玉米秸稈效果[J].農業工程學報，2009，25(4)：185-189.

[8] 許敬亮，尹依婷，張宇，等.白腐菌預處理稻草秸稈對Z28產纖維素酶的影響[J].太陽能學報，2010，31(8)：955-957.

[9] 陳賢情，商晉，宋慧芳，等.秸稈中纖維素/半纖維素和木質素的幾種測定方法對比[C]//中國農業工程學會2011年學術年會論文集，2011：1-6.

[10] 趙凱，許鵬舉，谷廣燁，等.3，5-二硝基水楊酸比色法測定還原糖含量的研究[J].食品科學，2008，29(8)：534-536.

[11] SHEN Z B，JIN C N，PEI H S.Pretreatment of corn stover with acidic electrolyzedwaterand FeCl3leads to enhanced enzymatic hydrolysis[J].Cellulose，2014，21：3383-3394.

[12] ILGOOK KIM，MUHAMMAD SAIF UR REHMAN，JONG-IN HAN.Fermentable sugar recovery and adsorption potential of enzymaticallyhydrolyzed rice straw[J].Cleaner Production，2014，66：555-561.

[14] 熊建華，王雙飛，李可成，等.白腐菌Trameteshirsuta 19-6預處理竹子化機漿的研究[J].造紙科學與技術，2009，28(3)：19-23.

[15] 于文廣，張同來，張建國，等.納米四氧化三鐵(Fe3O4)的制備和形貌[J].化學進展，2007，19(6)：884-892.

Experimental Study of Ferric Chloride and White Rot Fungi Pretreatment for Photosynthetic Hydrogen Production of Straw

XIANG Guang-shuai, ZHANG Quan-guo, LIU Sheng-yong*

(Energy Engineering Laboratory, Henan Agricultural University, Zhengzhou, Henan 450002)

[Objective] The study aims to discuss the optimal conditions of ferric chloride and white rot fungi pretreatment for photosynthetic hydrogen production of straw. [Method] Ferric chloride and white rot fungi were used to pretreat straw for photosynthetic hydrogen production.[ Result] When the ratio of solid to liquid is 1/20 g/ml, the contents of cellulose, lignin and hemicellulose in corn straw changed significantly after corn straw was pretreated by 0.5 mol/L ferric chloride solution for 30 min at 100-108 ℃. Moreover, the highest increase of cellulose content was up to 52.78%, and the highest decrease of hemicellulose content reached 12.06%. After the treated straw was inoculated with white rot fungi for 12 days, the content of reducing sugar in the corn straw was up to the maximum 1.92 mg/ml, and the matrix effect of photosynthetic hydrogen production was the best now. [Conclusion] The combination of ferric chloride and white rot fungi could promote biomass conversion of straw further.

Ferric chloride; White rot fungi; Pretreatment; Biohydrogen production

國家高技術研究發展計劃(863計劃)(2012AA051502)；河南省科技創新杰出人才計劃(2014KJCXJCRC015)；鄭州市科技創新團隊(131PCXTD588)。

向廣帥(1989- )，男，河南南召人，碩士研究生，研究方向：生物質能。*通訊作者，教授，博士，博士生導師，從事可再生能源方面的研究。

2015-03-25

S 182

A

0517-6611(2015)13-207-03