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1、第31卷第5期东华大学学报(自然科学版)Vol.31,No.52005年10月JOURNALOFDONGHUAUNIVERSITYOct.2005玉米秸秆水解的酶法与稀酸法比较3黄爱玲,周美华(东华大学环境科学与工程学院,上海,200051)摘要探讨玉米秸秆在纤维素酶及稀酸作用下的水解方法,并从水解影响因素(水解时间、温度、底物浓度等)及水解机理上,比较了两种纤维素酶与稀硫酸对玉米秸秆水解特性。结果表明:由于酶和酸的水解机理不同,对玉米秸秆的水解影响也不一样,酶水解速度慢,水解得率高,条件温和;稀酸水解速度快,水解得率低,对设备要求高。如果酸和酶结
2、合,则玉米秸秆水解得率有很大的提高。关键词:纤维素酶,酸水解,酶水解,玉米秸秆中图分类号:X71我国有丰富的植物纤维资源,如农作物秸秆、(exo2β2glucanases)和β葡糖苷酶(β2glucosidases,林农产品加工业下脚料等,每年仅农作物玉米秸秆即纤维二糖酶)协同作用;整个反应可看成两个步一项就有212亿t多[1]。目前其有效利用率低,主骤,即将纤维素变成纤维二糖和将纤维二糖水解成要的利用方式有:秸秆作为低级燃料,腐化为肥,果葡萄糖。腹还田等。但是,通过生物技术方法将其生物转化本文探讨了玉米秸秆在稀酸催化及酶催化作为葡萄糖,继而进一步
3、发酵生产乙醇、丙酮、糠醛、用下的水解方法,比较SuhongcellishL、cellusoftL乳酸等化工原料,这些可再生资源是我们解决未来两种纤维素酶和稀硫酸对玉米秸秆水解影响因素能源和资源问题的重要途径之一,对国民经济的发及其水解机理。目的旨在对几种玉米秸秆水解方展、清洁生产以及生态环境的保护,都是可行和必法进行比较的基础上,找到一种充分而高效利用玉要的。米秸秆的水解方法,这对秸秆资源回收具有一定的纤维素原料的水解方法可分为酸法(稀酸法、意义。浓酸法)及酶法。玉米秸秆的主要成分是纤维素、半纤维素、木质素。稀酸法主要是水解半纤维素。1试验原料和方
4、法半纤维素是多缩戊糖及多缩己糖等的多糖类混合物或化合物;稀酸水解后,多缩戊糖即生成木糖、阿111原料和预处理拉伯糖等戊糖,多缩己糖则生成葡萄糖、半乳糖、甘河北邯郸产的玉米秸秆风干粉粹成20～40目露糖及果糖之类的己糖。水解得到的戊糖、己糖易备用。进一步催化降解为糖醛。一般而言,稀酸水解过程112纤维素酶为多相水解反应,而浓酸法水解为单相反应。浓酸纤柔酶L(CellusoftL)和苏宏抛光酶(Suhong水解中纤维素首先在浓酸作用下迅速溶解,然后在cellishL)由上海诺维信公司提供,酶活均为溶液中进行水解反应。纤维素经浓酸处理后形成750EGU(
5、EGU为内切葡聚糖酶的单位)。纤维素糊精,变得易于水解成单糖,但由于水分不113酶水解方法足,浓酸吸收水分,单糖又可能生成多糖,所以副产取一定量粉碎后的秸秆,置于150mL三角瓶物比较多。但酶法水解则是指在胞外水解酶的催中,根据试验而定,加入一定量的缓冲液和纤维素化作用下,原料中的纤维素物质被水解为葡萄糖。酶液,设定温度,120r/min,在恒温摇瓶柜中反应纤维素酶水解时,主要包括3种酶组分:内切β24h。酶水解产物经离心分离得到的上清液即为酶葡聚糖酶(endo2β2glucanases)、外切β葡聚糖酶水解糖液。3收稿日期:200406015期黄
6、爱玲,等:玉米秸秆水解的酶法与稀酸法比较111114酸水解方法SuhongcellishL的总的酶活力比CellusoftL的在500mL三口烧瓶中加入一定体积和浓度的高,因此酶水解得率也相对高,以下试验结果也证硫酸,置于恒温水浴锅中,温度恒定后,加入筛分后实这一点。的玉米秸秆并搅拌,在给定温度、浓度等条件下反反应时间对秸秆稀酸水解得率如图2所示。应3h取样分析。通过图2可以看出反应开始时水解得率随时间增115还原糖的分析方法加而提高,但随着水解时间延长,水解得率缓慢下还原糖测定采用DNS[2]法,水解样品经离心、降,这是由于随着水解时间延长糖的降
7、解速率大于稀释、中和、真空过滤后,计算总还原糖含量,算出秸秆的水解速率,一部分单糖被进一步降解为糖水解得率。水解得率计算公式:醛、羟甲基糖醛等产物,另一部分生成的单糖又缩合成多糖。因此,选择合适的反应时间也很重要,a水解得率(%)=×100m×(1-ω)3h较为适宜。式中:a为还原糖质量,m为秸秆质量,ω为秸秆含水率。2结果与讨论211反应时间的影响反应时间对玉米秸秆酶水解得率的影响如图1所示。在反应的初始阶段,酶水解得率增加较快,反应时间到达24h后,酶解得率上升趋势逐渐平固液比:5%;温度:100℃;缓。其原因可解释为:一是随着反应进行,产物逐
8、硫酸浓度:1%;渐增多,抑制作用增强,即产物对酶水解有抑制作图2时间对秸秆稀硫酸水解的影响用;二是在反应最初几小时,纤维素
