火炬松中氧脫木素的提取及酶解

木纖維原料是世界上最豐富的可再生原材料。利用木質(zhì)纖維原料生產(chǎn)生物質(zhì)乙醇的研究受到了廣泛關(guān)注木質(zhì)纖維原料特別是針葉材,由于復(fù)雜的形態(tài)結(jié)構(gòu)和化學(xué)組成,造成了其天然的抗生物降解特性,因此,酶解前有效的預(yù)處理對于提高酶解效率尤為重要。目前對于針葉材的預(yù)處理研究主要有酸水解1實(shí)驗(yàn)1.1實(shí)驗(yàn)試劑的選擇火炬松木片由美國南方某工廠提供。首先對木片進(jìn)行篩選,選取尺寸為9.5~15.9mm的木片用于本實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)所有化學(xué)藥品均為分析純試劑。1.2kphndthctors,血管內(nèi)皮功能領(lǐng)域蒸煮在7L的M/K蒸煮器內(nèi)進(jìn)行(M/KSystemsInc.,Danvers,MA)。硫酸鹽法(KP)蒸煮最高溫度170℃,用堿量14%(以Na1.3氧氣脫木素氧脫木素在2.8L空氣浴回轉(zhuǎn)反應(yīng)器內(nèi)完成。氧脫木素后,冷水洗滌漿料,離心后樣品備用。1.4砂漿猛料使用PFI磨打漿,絕干漿30g,漿濃10%,打漿轉(zhuǎn)數(shù)90000轉(zhuǎn)。1.5空氣浴搖床酶解法采用諾維信公司的Cellic酶解在三角瓶內(nèi)于空氣浴搖床中進(jìn)行,漿濃5%,溫度50℃,搖床轉(zhuǎn)速180r/min,酶解48h。1.6分析原料及預(yù)處理后樣品的木素和碳水化合物含量按照美國國家再生能源實(shí)驗(yàn)室方法進(jìn)行測定2結(jié)果與討論2.1kp和gl蒸煮和聚糖的營養(yǎng)成分測定結(jié)果火炬松木片分別經(jīng)KP和GL蒸煮,再在Na火炬松木片經(jīng)KP和GL蒸煮后得到的樣品其木素含量相差較大,分別為18.6%和30.6%。不同木素含量的漿料,即使在相同的氧脫木素條件下,其木素脫出率也有較大差異。譬如,相同溫度和時間條件下,當(dāng)Na表2顯示的是木材原料及其蒸煮、氧脫木素后漿料的化學(xué)組成。表2中數(shù)據(jù)可見,木片經(jīng)KP和GL蒸煮后,木素含量由原料中的28.0%分別降至11.5%和23.0%,顯然,本研究的實(shí)驗(yàn)條件下,KP蒸煮脫木素能力更強(qiáng),相應(yīng)的,其碳水化合物的損失也稍高,由原料中的63.8%降至49.1%,損失14.7個百分點(diǎn)。而GL蒸煮后聚糖含量降至52.5%,損失11.3個百分點(diǎn)。盡管KP和GL蒸煮過程中總的碳水化合物損失較多,但聚葡萄糖的損失并不多,聚木糖、聚甘露糖、聚阿拉伯糖和聚半乳糖的降解和溶出率相對較高,尤其是聚半乳糖和聚甘露糖,損失均超過原料中含量的60%,聚木糖和聚阿拉伯糖的降解溶出也達(dá)到30%左右。從表2結(jié)果也發(fā)現(xiàn),KP和GL蒸煮后的漿料再進(jìn)行氧脫木素,隨著木素含量的降低,碳水化合物含量也有不同程度的下降。對于KP蒸煮樣品,采用NaOH作堿性介質(zhì)氧脫木素時聚糖降解稍多,其中聚葡萄糖降解約4個百分點(diǎn)。而GL蒸煮樣品氧脫木素時,堿性介質(zhì)的種類對聚糖降解的影響不大,聚葡萄糖降解均較少。2.2不同樣品的酶解單糖得率用Ctec2對蒸煮及氧脫木素樣品進(jìn)行酶解,采用單糖得率和總單糖提取率對酶解效果和整個工藝過程糖的轉(zhuǎn)化進(jìn)行評價。單糖得率定義為酶解得到的單糖總量占酶解前底物質(zhì)量的百分比;總單糖提取率指酶解得到的單糖總量占木片原料中聚糖總量的百分比。在計(jì)算這兩個評價指標(biāo)時所用到的單糖量均轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的聚糖量再進(jìn)行計(jì)算。圖1和圖2顯示的是不同預(yù)處理樣品酶解后單糖得率比較。比較單糖得率可知,蒸煮后未經(jīng)氧脫木素的樣品,酶解后單糖得率均較低,GL蒸煮后再經(jīng)打漿處理的樣品,當(dāng)酶用量為5FPU/g和10FPU/g時,相應(yīng)的單糖得率僅為16.4%和26.1%。KP蒸煮漿料相應(yīng)的單糖得率高于GL漿,但也只有36.9%和48.2%。上述兩個樣品經(jīng)不同條件氧脫木素后,均可明顯提高酶解單糖得率,提高的幅度因氧脫木素條件以及有無打漿處理而異。與NaOH相比,Na根據(jù)前述定義,酶解單糖得率僅反映預(yù)處理對底物酶解效果的改善情況,一個好的預(yù)處理技術(shù)不僅能夠促進(jìn)后續(xù)酶的作用,預(yù)處理過程本身應(yīng)盡可能將聚糖保留下來,從而提高整個生物乙醇生產(chǎn)過程中總的單糖提取率。只有總的單糖提取率足夠高,預(yù)處理及酶解技術(shù)才有可能實(shí)現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用。圖3和圖4顯示的是酶解得到的總單糖相對于原料中聚糖的提取率,比較發(fā)現(xiàn),不同樣品之間總單糖提取率的相對高低與單糖得率并不一致,即酶解單糖得率高的樣品其總單糖提取率未必高。譬如對于KP-O圖5和圖6顯示的是原料中4種聚糖酶解后分別轉(zhuǎn)化為可發(fā)酵單糖的情況,在此稱之為提取率?？梢?無論哪種蒸煮方式,預(yù)處理后的樣品酶解后,聚葡萄糖的提取率均比較高,最高可達(dá)88%;其次是聚木糖,最高可達(dá)67%;聚甘露糖的轉(zhuǎn)化率相對較低,最高可達(dá)30%左右;聚半乳糖的轉(zhuǎn)化率更低,最高只有13%左右;此外,酶解液中幾乎檢測不到阿拉伯糖。從表2數(shù)據(jù)可知,原料中的聚阿拉伯糖含量本來就很低,加之預(yù)處理過程中有所損失,所以酶解提取得到的非常少。從前述蒸煮和氧脫木素后漿料中各聚糖變化情況可知,無論是KP還是GL蒸煮,原料中的聚葡萄糖損失并不是特別多,損失最多的是聚甘露糖和聚木糖,這兩種聚糖在原料中所占的比例相對較高,其損失會直接影響總單糖提取率,因此盡管聚葡萄糖提取率很高,但總單糖提取率最高只能達(dá)到75%左右。與圖3和圖4中總單糖提取率的規(guī)律一致,原料中的各種聚糖,其轉(zhuǎn)化情況也因預(yù)處理和酶解條件不同而異,但幾乎每一種聚糖,都是Na與KP漿相比,GL漿氧脫木素后總的木素脫出率較低,相應(yīng)的聚糖損失也較少,所以盡管樣品酶解過程單糖得率較低,但相對于原料中的聚糖,可發(fā)酵單糖的提取率最高可達(dá)72.4%(圖3),僅比相同氧脫木素條件的KP漿的總單糖提取率低3.3個百分點(diǎn)。當(dāng)Na3氧脫木素回復(fù)突變法以往研