玉米芯制備木糖預處理方法的研究進展

趙　楠，金利群，柳志強，廖承軍，鄭曉陽，鄭裕國

(1.浙江工業大學 生物工程研究所，浙江 杭州 310014；2.浙江華康藥業股份有限公司，

浙江 杭州 310014；3.焦作市華康糖醇科技有限公司，河南 焦作 454150)

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玉米芯制備木糖預處理方法的研究進展

趙楠1，金利群1，柳志強1，廖承軍2，鄭曉陽3，鄭裕國1

(1.浙江工業大學 生物工程研究所，浙江 杭州 310014；2.浙江華康藥業股份有限公司，

浙江 杭州 310014；3.焦作市華康糖醇科技有限公司，河南 焦作 454150)

摘要：玉米芯等木質纖維素類生物質作為最豐富的可再生資源，經過預處理后可生產木糖、木糖醇等高附加值產品。預處理可以提高酶解效率與還原糖產量。預處理方法可分為4種：物理法、化學法、物理-化學法、生物法。本文主要介紹了玉米芯的組成以及不同預處理方法的優缺點，為充分利用玉米芯提供參考。

關鍵詞：玉米芯；預處理；木質纖維素；木糖

玉米芯等木質纖維素是最豐富的可再生資源，通過一定的處理后，可轉化為燃料(如生物乙醇)、化學藥品(如木糖、糠醛)等高附加值產品[1-2]。我國作為農業大國，農作物資源極其豐富。近年來，作為三大作物之一的玉米的產量逐年提高。國家糧食局糧油信息中心和中國糧食行業協會的統計數據顯示，2013年中國玉米產量達到21 500萬t以上，約占全球總量的20%，折算后玉米芯產量為6 000多萬t。目前，國內玉米芯的經濟用途主要為栽培食用菇[3]、生產木糖或糠醛，其余大部分被燃燒或者直接丟棄，造成了環境污染和資源浪費。伴隨著我國經濟高速發展和生活水平日益提高，木糖(醇)市場規模不斷擴大，進一步發展木糖(醇)生產工藝，對富含半纖維素的玉米芯的資源化利用已逐漸引起政府、企業以及廣大研究者的關注，成為重要研究領域之一。

雖然玉米芯等木質纖維素的水解預處理方法已研究多年，但其選擇對后續工藝的酶解、產品提取等影響較大，因此，了解和總結預處理方法的研究進展，對探索開發預處理新路徑有很重要的意義。作者分析了玉米芯的組成，綜述了玉米芯的預處理方法，并比較了不同方法間的差異及特點，旨在為玉米芯制備木糖的預處理方法提供參考。

1玉米芯的組成

玉米芯主要由纖維素、半纖維素、木質素等組成，此外還含有少量的蛋白質與灰分等成分。

1.1　纖維素

纖維素(C6H10O5)n是玉米芯的主要成分，是由β-(1,4)-糖苷鍵連接D-葡萄糖而形成具有線性結構的多糖鏈。纖維素內部基團間由大量的氫鍵相連，在一定催化作用下，纖維素可溶于水和大多數有機溶劑[4-6]。目前，纖維素一方面用于代替石油或糧食生產工業原料、清潔燃料乙醇，另一方面經改性制備功能性材料，如粘膠纖維、高吸附性纖維素材料等。

1.2　半纖維素

半纖維素(C5H8O4)n，位于次生細胞壁，由不同分支的生物聚合物構成，包括戊糖(β-D-木糖、α-L-阿拉伯糖)、己糖(β-D-甘露糖、β-D-葡萄糖、α-D半乳糖)和有機酸(α-D-葡萄醛等)[7]。半纖維素具有非晶體結構和低分子量的短側鏈結構，因而較易水解[8]，水解產物主要為木糖，其次還有阿拉伯糖或乙酸等。玉米芯中半纖維素的分離條件相對容易，但在實際操作中須控制好操作參數(如溫度和反應時間)，以最大化避免副產物(如糠醛或5-HMF等)的生成，進而不會抑制后續的酶解或發酵反應[9-10]。

1.3　木質素

木質素[C9H10O3(OCH3)0.9~1.7]n，是一種無定形的、分子結構中含有氧代苯丙醇或其衍生物結構單元的芳香型高聚物。其化學結構是苯丙烷類結構單元組成的復雜化合物，共有3種非縮合型基本結構，即愈創木基結構、紫丁香基結構和對羥苯基結構[11-12]。

2玉米芯制備木糖預處理方法的研究進展

預處理是將纖維素或半纖維素轉化為可發酵分解的成分。玉米芯中含有豐富的纖維素與半纖維素，其中半纖維素分解后轉化為木糖，纖維素分解則產生大量的葡萄糖，最終未轉化為糖的木質素也有其它用途。預處理在一定程度上能破壞半纖維素的結構，從而使纖維素與木質素更易分離。預處理是玉米芯制備木糖的重要環節，且預處理費用在木糖生產成本中占有很大比例，故選擇合適的預處理方法在實際生產中意義重大。

2.1　物理法

物理法(如研磨法、微波輻射法、機械擠壓法、液態熱水處理法等)可以增大原料的表面積，減小顆粒粒徑，降低聚合度，破壞晶體結構。在實際應用中，預處理的研究對象還囊括了秸稈、谷類等生物質材料，且常將這些方法聯合使用，因而對于玉米芯的預處理也有重要的指導意義。

2.1.1研磨法

研磨法通常作為預處理方法的第一步，球磨、兩輥磨、錘磨、膠體磨等是生產中常用的幾種方法。處理后物料的顆粒大小取決于所使用的處理類型，如切割、研磨分別可以得到大小為10~30 mm、0.2~2 mm的顆粒。研磨法的最大缺點是能耗高，而濕盤法可以克服這個缺點。但是經研磨法處理后的生物質再經后續酶解等方法處理得到的木糖和葡萄糖得率要比濕盤法高。Hideno等[13]比較了濕盤法和球磨法處理后的植物纖維原料經后續酶解，葡萄糖和木糖最大得率分別可達78.5%、41.5%和89.4%、54.3%。da Silva等[14]的研究也證實了這一點。

2.1.2微波輻射法

微波輻射法可以替代傳統加熱法來改變纖維素的超微結構，降解或部分去除木質素和半纖維素，破壞硅化表面并最終增強對還原糖的酶解敏感性。從工藝上來說，傳統加熱法是基于表面熱傳遞，而微波輻射法是在電磁場作用下通過電介質極化產生分子碰撞，使其內部直接產熱而破壞纖維素結構。Wang等[15]利用微波輔助酸預處理法處理玉米芯，木糖得率從75.1%提高到96.3%，該方法具有操作時間短、節能、均一性和選擇性高等優點。

2.1.3機械擠壓法

機械擠壓法是一種熱物理預處理法，它通過混合、加熱、剪切從而使原料的物理與化學結構發生變化。高剪切力、快速混合、短停留時間、溫和的溫度，使得處理過程中不產生糠醛與羥甲基糠醛，無需清洗與控制，適合于大規模生產。而且，此法的優勢在于可連續操作。Zheng等[16]通過配有專用過濾設備的雙螺桿擠壓機進行機械擠壓工藝操作(轉速100 r·min-1，溫度100 ℃，質量流速4 kg·h-1)，對蒸汽爆破處理后的玉米芯固液分離，木糖分離得率80%。

2.1.4液態熱水處理法

液態熱水處理法通過高壓使高溫(160~220 ℃)水保持液態，保留時間為15 min，整個過程不添加任何化學物質或催化劑。液態熱水處理法不同于蒸汽爆破法，快速減壓與加壓并非必不可少，壓力用于保持水的狀態并防止其蒸發。Garrote等[17]利用該法預處理玉米芯也取得了很好的效果，但為防止抑制劑的形成及糖的降解，pH值需控制在4~7。Pérez等[18]將此法用于預處理小麥秸稈，優化條件下的木糖與葡萄糖的得率分別為80.0%、91.0%。

2.2　化學法

化學法大致分為酸預處理法(鹽酸、硫酸、硝酸、磷酸)、堿預處理法[NaOH、Ca(OH)2、KOH、氨]、離子液體預處理法(氯化1-烯丙基-3-甲基咪唑、1-乙基-3-甲基咪唑乙酸等)、有機溶劑處理法、臭氧分解法等。

2.2.1酸預處理法

酸預處理法中使用最廣泛的是硫酸，通常利用硫酸水解木質纖維素(主要是半纖維素)，將多糖轉化為單糖，進而有利于下一步纖維素的酶解。纖維素中的β-1,4糖苷鍵具有縮醛鍵的性質，對酸敏感，因而當酸作用于纖維素時，糖苷鍵發生斷裂，使纖維素的平均聚合度顯著下降；內部表面積增大，結晶度下降；木質素保護層被破壞，從而促進纖維素降解。酸解過程中，半纖維素先進行分解，其主要反應見圖1。

圖1　玉米芯半纖維素酸處理水解過程

酸處理的條件通常為酸濃度低、高溫處理，或酸濃度較高、較低溫處理[19]。雖然使用濃酸在低溫操作下更加經濟，但是由于其對設備的腐蝕性以及產物降解會產生發酵抑制劑(呋喃類化合物或5-HMF等)限制了該法的廣泛應用[20]。

實際生產中采用稀酸處理，產生的發酵抑制劑則會更少。大量的試驗也證實了稀酸處理的優勢。吳曉斌[21]采用1.0%稀酸(鹽酸、硝酸)/鹽處理玉米芯，固液比(g∶mL，下同)1∶10，反應溫度150 ℃，反應時間10 min，木糖得率分別為93.0%、95.0%。Cai等[22]采用1.0%硫酸處理玉米芯，固液比1∶10，反應溫度123 ℃，反應時間90 min，再經同步糖化發酵，木糖得率87.2%。Kim等[8]比較了利用硫酸、草酸和馬來酸進行預處理的效果，結果發現，草酸、馬來酸等二元羧酸的處理效果更好，還原糖得率高且糠醛等副產物很少，但其價格比硫酸高。

2.2.2堿預處理法

堿預處理法的優勢在于可去除木質素、乙酰基和不同類型的糠醛。堿預處理后的纖維素和半纖維素的溶出率比酸預處理法低。堿預處理法可引起纖維素纖維的化學膨脹，進而發生皂化反應使得半纖維素和其它成分的連接鍵斷裂[27]，而且連接木質素和木聚糖的酯鍵也會經去木質作用而斷裂。相對而言，堿預處理法溫度低，不需復雜的設備。NaOH等雖有較強的脫木質素和降低結晶度能力，但在脫木質素的同時，半纖維素也被分解，造成太多損耗；同時試劑回收、中和、洗滌工序，增加了預處理的成本，且停留時間長(一般以天為單位)。常用的堿為NaOH、Ca(OH)2、KOH、氨等。Wan等[28]使用NaOH預處理大豆稈，最終葡萄糖得率為64.5%，木聚糖溶出率為46.4%。

2.2.3離子液體預處理法

離子液體因可同時溶解半纖維素和木質素而受到了廣泛關注。影響離子液體水解效果的主要因素是陽離子結構(烷基取代基的對稱性和長度、疏水基團等)與陰離子電荷離域程度。此外，預處理溫度和預處理時間也是影響水解效果的重要因素。氯化1-烯丙基-3-甲基咪唑、1-乙基-3-甲基咪唑乙酸、1-丁基-3-甲基咪唑氯化鹽、1-乙基-3-甲基咪唑磷酸二乙酯對纖維素有很好的溶解性而得到了廣泛關注[29-32]。但離子液體預處理中的應用研究尚處于實驗室階段，且相對較高的成本也限制了其應用。

表1不同酸預處理條件下木糖得率

Tab.1　Xylose yield at different acid pretreatment conditions

2.3　物理-化學法

蒸汽爆破法是一種物理-化學處理方法，涉及利用蒸汽加熱破壞功能鍵、剪切(功能機制：瞬時減壓與水分蒸發)以及糖苷鍵的自水解。具體而言，先由加壓蒸汽(20~50 bar，160~170 ℃)對生物質加熱幾秒到幾分鐘，之后降至常壓使凝聚的水分蒸發而產生“爆破”效果。

蒸汽爆破法中的半纖維素水解機理是通過與半纖維素相關的乙酰基團水解而成的乙酸和其它功能基團分離出的甲酸與乙酰丙酸作用而成，水在高溫條件下也起到了酸的作用。最終，從纖維素微纖維表面去除半纖維素，增大了纖維素表面積并提高了酶解效率。但是，酸性條件下也會發生糖降解反應而生成糠醛和5-HMF等副產物。Teng等[33]通過蒸汽爆破法處理不同大小的玉米芯顆粒，考察了處理溫度和處理時間對處理效果的影響，優化得到的最佳條件為196 ℃下蒸汽爆破處理5 min，結果表明，該法對大尺寸的玉米芯顆粒的處理效果更好。

此外，物理-化學法還包括氨纖維爆破法[34-35]、CO2爆破法[36]等。

2.4　生物法

不同于化學法與物理-化學法，生物或微生物預處理法不需要化學試劑，是一種環境友好型的預處理法，主要利用真菌轉化生物質為所需的水解產物。與大多數較高成本的預處理法不同，該法只利用白腐菌、褐腐菌、軟腐菌等真菌脫木質素，從而提高后期木糖得率。目前研究最多的是白腐菌，降解木質素的白腐菌主要有：黃孢原毛平革菌(Phanerochaetechrysosporium)、彩絨革蓋菌(Coridusversicolor)、變色栓菌(Trametesversicolor)、射脈菌(Phlebiaradiata)、鳳尾菇(Pleurotuspulmononanus)、朱紅密孔菌(Pycnoporuscinnabarinus)等。白腐菌除能分解木質素外，還能產生纖維素酶與半纖維素酶。其中白腐菌去木質素效率最高，而褐腐菌只能分解纖維素。如白腐菌中的Phanerochaetechrysosporium，具有高生長率以及高木質素生物降解率。Shi等[37]研究了白腐菌Phanerochaetechrysosporium在兩種不同培養條件下對棉稈木質素降解率的影響，液態培養與固態培養下，木質素去除率分別為19.4%、35.5%。

通常，酸預處理法更易溶解半纖維素，而真菌等生物法較多用于破壞木質素-半纖維素鞘。Ma等[38]通過溫和的酸處理后，利用白腐菌Echinodontiumtaxodii或褐腐菌Antrodiasp.5898在不同的預處理條件下酶解水葫蘆，結果表明，0.25% H2SO4與Echinodontiumtaxodii(10 d)結合處理條件下效果最佳，還原糖得率比同等單獨酸解處理情況下提高了1.13~2.11倍。Taniguchi等[39]采用對木質素降解最有效的白腐菌P.ostreatus預處理水稻秸稈，該法對總纖維素影響很小，但其預處理時間長(60 d)，將該法與蒸汽爆破法(1.5 MPa，1 min)結合可將生物法處理時間縮短至36 d，同時可獲得相同的還原糖得率。

盡管生物法具有能耗低、反應條件溫和、不需化學試劑等優點，但作為一種商業處理方法，它的一些缺點(較長運行周期、較大的處理空間以及微生物生長的連續條件需求等)限制了其廣泛使用。

此外，還有上述方法聯合使用的相關報道，如酸堿處理聯合使用、堿與離子液體處理、稀酸與蒸汽爆破預處理、有機溶劑與生物處理、生物與蒸汽爆破處理等[40-41]。

3結語

玉米芯等木質纖維素廉價易得，作為生產木糖等可發酵糖或者生物乙醇的原料越來越受歡迎。在產品生產過程中，預處理過程成本較高。目前在減少化學試劑的使用和能量輸出、提高可發酵糖產量與減少抑制劑、生產有價值的副產品等方面已有廣泛的研究，以期提高整體經濟效益。傳統上，預處理方法主要分為4種：物理法、化學法、物理-化學法和生物法。盡管每種方法都有自身優勢，但不同的生物質在處理上所使用的方法也不盡相同。了解不同預處理技術、生物質原料的不同組分以及生物質組分與預處理技術之間的關系，對選擇最佳生物質原料預處理方法有很重要的意義。此外，根據生產中經濟方面的考慮，可選擇物理法、化學法或生物法之間的聯合使用，在一定程度上可大大降低成本、提高收益，同時環境污染也會降到最低。

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《化學與生物工程》編輯部

Research Progress on Pretreatment Methods for Production of Xylose from Corncob

ZHAO Nan1，JIN Li-qun1，LIU Zhi-qiang1，LIAO Cheng-jun2，ZHENG Xiao-yang3，ZHENG Yu-guo1

(1.InstituteofBioengineering,ZhejiangUniversityofTechnology,Hangzhou310014,China；

2.ZhejiangHuakangPharmaceuticalCo.,Ltd.,Hangzhou310014,China；

3.JiaozuoHuakangSugarAlcoholTechnologyCo.,Ltd.,Jiaozuo454150,China)

Abstract：Corncob and other lignocellulosic biomasses,abundant renewable resources,can be used to produce some high-added-value products like xylose and xylitol after proper pretreatments.The pretreatment is to increase the efficiency of enzymatic hydrolysis and the production of reducing sugar.Normally,there are four type of pretreatment methods,i.e.,physical method,chemical method,physico-chemical method,and biological method.In this paper,the composition of corncob as well as the advantages and disadvantages of different pretreatment methods are introduced,which will provide references for making full use of corncobs.

Keywords：corncob;pretreatment;lignocellulose;xylose

中圖分類號：TQ 920

文獻標識碼：A

文章編號：1672-5425(2016)01-0007-06

作者簡介：趙楠(1990-)，女，湖北襄陽人，碩士研究生，研究方向：生物催化轉化，E-mail：nanhomxy@163.com；通訊作者：鄭裕國，教授，博士生導師，E-mail：zhengyuguo@zjut.edu.cn。

收稿日期：2015-09-17

基金項目：國家863計劃資助項目(2014AA021903-05)，浙江省公益技術研究項目(2015C32052)

doi：10.3969/j.issn.1672-5425.2016.01.002