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NaOH-乙醇预处理提高甘蔗渣酶法制备低聚木糖效率

杨淑娟 游艳芝 张威伟 王堃 蒋建新

杨淑娟, 游艳芝, 张威伟, 王堃, 蒋建新. NaOH-乙醇预处理提高甘蔗渣酶法制备低聚木糖效率[J]. 北京林业大学学报, 2018, 40(2): 114-120. doi: 10.13332/j.1000-1522.20170366
引用本文: 杨淑娟, 游艳芝, 张威伟, 王堃, 蒋建新. NaOH-乙醇预处理提高甘蔗渣酶法制备低聚木糖效率[J]. 北京林业大学学报, 2018, 40(2): 114-120. doi: 10.13332/j.1000-1522.20170366
Yang Shu-juan, You Yan-zhi, Zhang Wei-wei, Wang Kun, Jiang Jian-xin. NaOH-ethanol pretreatment increasing preparation efficiency of xylo-oligosaccharide from sugarcane bagasse with enzymatic hydrolysis[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2018, 40(2): 114-120. doi: 10.13332/j.1000-1522.20170366
Citation: Yang Shu-juan, You Yan-zhi, Zhang Wei-wei, Wang Kun, Jiang Jian-xin. NaOH-ethanol pretreatment increasing preparation efficiency of xylo-oligosaccharide from sugarcane bagasse with enzymatic hydrolysis[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2018, 40(2): 114-120. doi: 10.13332/j.1000-1522.20170366

NaOH-乙醇预处理提高甘蔗渣酶法制备低聚木糖效率

doi: 10.13332/j.1000-1522.20170366
基金项目: 

国家重点研发计划课题 2016YFD0600803

详细信息
    作者简介:

    杨淑娟。主要研究方向:生物质能源及化学品。Email:yang2017bjfu@163.com 地址:100083北京市海淀区清华东路35号北京林业大学材料科学与技术学院

    通讯作者:

    蒋建新,教授,博士生导师。主要研究方向:林产化工及生物质能源材料。Email: jiangjx@bjfu.edu.cn 地址:同上

  • 中图分类号: Q556

NaOH-ethanol pretreatment increasing preparation efficiency of xylo-oligosaccharide from sugarcane bagasse with enzymatic hydrolysis

  • 摘要: 目的对甘蔗渣酶法制备低聚木糖(XOS)的工艺进行研究,并通过NaOH-乙醇预处理提高低聚木糖的生产效率。方法首先,对预处理前后甘蔗渣的化学组成进行表征,确定预处理对原料组分的影响。其次,利用接触角和X射线衍射分析技术,探讨预处理对底物湿部化学(润湿性)特性和物理结构的影响。最后,通过高效液相色谱(HPLC)分析检测木聚糖酶水解样品,比较不同预处理强度对酶水解生产低聚木糖质量浓度的影响。结果对于NaOH-乙醇预处理促进木聚糖酶水解的工艺而言,最佳的预处理条件为10 g/L NaOH-乙醇(乙醇的体积分数为50%)预处理。在该预处理强度下,大量的木质素被脱除,脱除率可以达到78.10%;而且,该预处理方式能够有效改善物料的亲水性能,使接触角从61.5°降低到55.4°,同时将纤维原料的结晶度从28.6%提高到32.3%。通过分析酶水解样品可知:当NaOH用量为10 g/L时,可以实现最高低聚木糖质量浓度(1.85 g/L),与未处理原料(0.83 g/L)相比,提高了122.89%。结论对于甘蔗渣制备低聚木糖的工艺而言,采用木聚糖酶水解的方式能够实现从半纤维素到低聚木糖的有效转化,并且采用NaOH-乙醇预处理可以有效提高甘蔗渣的酶解效率,促进低聚木糖的生产。
  • 图  1  低聚木聚糖标准品色谱图

    X1代表木糖;X2代表木二糖;X3代表木三糖;X4代表木四糖;X5代表木五糖。

    Figure  1.  Chromatogram of xylo-oligosaccharide (XOS) standard

    X1 represents xylose, X2 represents xylobiose, X3 represents xylotriose, X4 represents xylotetraose, and X5 represents xylopentaose.

    图  2  预处理前后甘蔗渣的接触角变化

    Figure  2.  Contact angles of untreated and pretreated sugarcane bagasse

    图  3  预处理前后甘蔗渣的X射线衍射谱图

    Figure  3.  X-ray diffraction spectra of untreated and pretreated sugarcane bagasse

    图  4  酶解时间对低聚木糖和木糖质量浓度的影响

    Figure  4.  Effects of time on the mass concentration of XOS and xylose

    图  5  预处理对低聚木糖初始生产速率的影响

    Figure  5.  Effects of pretreatment on the initial production rate of XOS

    图  6  预处理对低聚木糖生产的影响

    Figure  6.  Effects of pretreatments on XOS production

    表  1  NaOH-乙醇预处理甘蔗渣化学组成

    Table  1.   Chemical compositions of sugarcane bagasse pretreated by NaOH-ethanol

    NaOH-乙醇预处理
    NaOH-ethanol pretreatment
    葡聚糖质量分数
    Mass fraction of glucan
    木聚糖质量分数
    Mass fraction of xylan
    木质素质量分数
    Mass fraction of lignin
    灰分质量分数
    Mass fraction of ash
    固体得率
    Solid yield/%
    未处理Untreated (45.25±0.31)% (23.30±0.30)% (21.64±0.12)% (1.94±0.04)% 100.00
    5 g/L (52.68±0.33)% (26.31±0.24)% (16.30±0.08)% (1.20±0.06)% 84.30
    10 g/L (60.96±0.17)% (27.50±0.18)% (8.50±0.11)% (0.91±0.08)% 71.67
    15 g/L (60.84±0.15)% (28.62±0.09)% (6.69±0.31)% (1.09±0.03)% 70.85
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出版历程
  • 收稿日期:  2017-10-12
  • 修回日期:  2017-11-30
  • 刊出日期:  2018-02-01

NaOH-乙醇预处理提高甘蔗渣酶法制备低聚木糖效率

doi: 10.13332/j.1000-1522.20170366
    基金项目:

    国家重点研发计划课题 2016YFD0600803

    作者简介:

    杨淑娟。主要研究方向:生物质能源及化学品。Email:yang2017bjfu@163.com 地址:100083北京市海淀区清华东路35号北京林业大学材料科学与技术学院

    通讯作者: 蒋建新,教授,博士生导师。主要研究方向:林产化工及生物质能源材料。Email: jiangjx@bjfu.edu.cn 地址:同上
  • 中图分类号: Q556

摘要: 目的对甘蔗渣酶法制备低聚木糖(XOS)的工艺进行研究,并通过NaOH-乙醇预处理提高低聚木糖的生产效率。方法首先,对预处理前后甘蔗渣的化学组成进行表征,确定预处理对原料组分的影响。其次,利用接触角和X射线衍射分析技术,探讨预处理对底物湿部化学(润湿性)特性和物理结构的影响。最后,通过高效液相色谱(HPLC)分析检测木聚糖酶水解样品,比较不同预处理强度对酶水解生产低聚木糖质量浓度的影响。结果对于NaOH-乙醇预处理促进木聚糖酶水解的工艺而言,最佳的预处理条件为10 g/L NaOH-乙醇(乙醇的体积分数为50%)预处理。在该预处理强度下,大量的木质素被脱除,脱除率可以达到78.10%;而且,该预处理方式能够有效改善物料的亲水性能,使接触角从61.5°降低到55.4°,同时将纤维原料的结晶度从28.6%提高到32.3%。通过分析酶水解样品可知:当NaOH用量为10 g/L时,可以实现最高低聚木糖质量浓度(1.85 g/L),与未处理原料(0.83 g/L)相比,提高了122.89%。结论对于甘蔗渣制备低聚木糖的工艺而言,采用木聚糖酶水解的方式能够实现从半纤维素到低聚木糖的有效转化,并且采用NaOH-乙醇预处理可以有效提高甘蔗渣的酶解效率,促进低聚木糖的生产。

English Abstract

杨淑娟, 游艳芝, 张威伟, 王堃, 蒋建新. NaOH-乙醇预处理提高甘蔗渣酶法制备低聚木糖效率[J]. 北京林业大学学报, 2018, 40(2): 114-120. doi: 10.13332/j.1000-1522.20170366
引用本文: 杨淑娟, 游艳芝, 张威伟, 王堃, 蒋建新. NaOH-乙醇预处理提高甘蔗渣酶法制备低聚木糖效率[J]. 北京林业大学学报, 2018, 40(2): 114-120. doi: 10.13332/j.1000-1522.20170366
Yang Shu-juan, You Yan-zhi, Zhang Wei-wei, Wang Kun, Jiang Jian-xin. NaOH-ethanol pretreatment increasing preparation efficiency of xylo-oligosaccharide from sugarcane bagasse with enzymatic hydrolysis[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2018, 40(2): 114-120. doi: 10.13332/j.1000-1522.20170366
Citation: Yang Shu-juan, You Yan-zhi, Zhang Wei-wei, Wang Kun, Jiang Jian-xin. NaOH-ethanol pretreatment increasing preparation efficiency of xylo-oligosaccharide from sugarcane bagasse with enzymatic hydrolysis[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2018, 40(2): 114-120. doi: 10.13332/j.1000-1522.20170366
  • 低聚木糖亦称木寡糖(xylo-oligosaccharide,XOS),是一种具有诸多生物学活性的功能性低聚糖,由2~7个D-木糖以β-1, 4-木糖苷键连接而成[1-2],其有效成分主要是木二糖、木三糖和木四糖等[3]。低聚木糖具有良好的生理学特性,如有益菌增殖,预防龋齿,保养肾脏以及促进人体钙吸收等[4],被广泛应用于食品、医疗保健等领域。随着人们对低聚木糖的功能性认识的提高,应用范围会越来越广,市场需求将逐年增加,具有广阔发展前景。

    半纤维素是植物纤维原料的主要成分之一,由几种不同类型的单糖构成,其中木聚糖则是禾本科原料半纤维素最主要的成分(约占50%)。许多农业废弃物,例如玉米秸秆、麦秆和甘蔗渣等都富含半纤维素物质[5]。木聚糖的生物转化利用不仅可以缓解农林废弃物的污染问题,而且有着较高的工业应用价值,许多技术已应用于生产木糖醇、低聚木糖、糠醛等高附加值产品[6-7]。酶法制备低聚木糖是目前半纤维素木聚糖转化利用最普遍和最有效的手段。甘蔗渣富含半纤维素,且在工业化应用过程中难以被利用。因此,利用甘蔗渣为原料酶法制备低聚木糖,制造高附加值产品具有诱人的发展前景。同时甘蔗渣为可再生资源,用来制造高附加值产品具有可持续发展的潜力[8]

    以甘蔗渣为原料进行酶解制取低聚木糖时,半纤维素和纤维素之间以及半纤维素和木质素之间的物理、化学连接降低了酶的可及性,限制了酶水解效率[9]。因此,酶解前的预处理对提高半纤维素原料的酶解得率是极其重要的。对生物质原料进行预处理的目的主要是将原料结构打散成纤维素、半纤维素、木质素3大部分,破坏阻碍酶解糖化的内在紧密结构,减少木质素对碳水化合物的束缚,破坏碳水化合物的晶体结构,使生物质原料与生物催化剂的接触更加充分,从而提高酶解效率。理想的预处理技术主要具有以下4个方面的特点[10]:(1)减少抑制物的生成,降低对酶解和发酵的负面影响;(2)降低酶用量,缩减生产成本;(3)在预处理过程中尽可能保留碳水化合物,避免糖损失;(4)可以回收木质素等物质,用于转化成高附加值产品。NaOH-乙醇预处理能够有效降低木质纤维原料各组分间的结合强度,一定程度上减小木聚糖酶的物理阻碍,从而提高酶解效率。NaOH-乙醇作为一种木质纤维素原料的预处理方法具有以下优势:预处理温度较低,条件较温和,强度较小,有利于降低生产成本;在大量脱木素的前提下,能够防止碳水化合物的降解,使得甘蔗渣中的半纤维素在整个过程中的总回收率得到提高[11];在提高半纤维素酶水解效率的同时,可以获得活性高、附加值高的木质素产品。

    利用NaOH-乙醇对甘蔗渣进行预处理,筛选出最佳预处理工艺,并探究其对木聚糖酶解的影响,研究结果可为提高半纤维素木聚糖的利用率提供理论依据。

    • 实验所用甘蔗渣由广西贵糖集团提供。将甘蔗渣粉碎,用40目筛进行筛分,收集过筛的甘蔗渣作为实验原料。木聚糖酶(≥1.0 U/mg)购于Sigma公司。氢氧化钠、磷酸二氢钠、磷酸氢二钠、浓盐酸、无水乙醇、98%硫酸、1-苯基-3-甲基-5-吡唑啉酮(PMP)均为分析纯,购于国药集团。标准样品木糖、木二糖、木三糖、木四糖和木五糖,纯度99%,购于Sigma(Wicklow, Ireland, UK)。

    • 甘蔗渣的NaOH-乙醇预处理在均相反应器中进行。具体操作过程为:取10 g(绝干)甘蔗渣,置于200 mL聚四氟乙烯反应罐中,加入100 mL体积分数为50%的乙醇水溶液,同时加入相应质量的NaOH(0.5、1.0和1.5 g)。将聚四氟乙烯反应罐密封后,装在均相反应器中,以50 ℃/min的速度将预处理温度加热到所需的反应温度100 ℃;在10 r/min的翻转速度下反应3 h。预处理结束后,用定量滤纸过滤收集固体残渣,再用去离子水将固体残渣洗涤至中性。洗涤后的固体残渣在4 ℃下贮藏备用。固体得率(%)为预处理后残渣质量除以原料质量。

    • 按照美国可再生能源实验室的方法[12]分析预处理前后甘蔗渣中葡聚糖、木聚糖、木质素和灰分的质量分数。

    • 对预处理前后的甘蔗渣进行接触角的测定。在测定之前首先将样品在60 ℃下真空干燥12 h后,将样品用压片机,在10 t重的压力下将样品压成表面光滑的样品片。将样品片放在接触角测定仪OCA15Pro (Data-Physics, Germany)上检测接触角大小[13]

    • 为了进一步研究纤维素在预处理过程中发生的结构变化,在室温下,对预处理前后的甘蔗渣进行X射线衍射扫描分析。实验仪器采用Cu靶,石墨单色器,加速电压30 kV,电流20 mA,扫描步长0.2°/min,衍射2θ的旋转范围为5°~40°。将分析物料平整地放置于载物台上进行扫描[14]。木质纤维物料的相对结晶度Cr(%)通过以下公式计算:

      $$ C_{\mathrm{r}}=\left[\left(I_{002}-I_{\mathrm{am}}\right) / I_{002}\right] \times 100 \% $$

      式中:I002是(002)晶格衍射角的极大强度,2θ=22.5°;Iam为非结晶背景衍射的散射强度,2θ=16.3°。

    • 原料和预处理后的甘蔗渣进行木聚糖酶水解实验。称取3 g(绝干)甘蔗渣于锥形瓶中,加入木聚糖酶10 IU/mL,最后加入pH值5.4的柠檬酸-柠檬酸钠缓冲液至60 mL;将密封的锥形瓶置于48 ℃下的振动培养箱中以150 r/min反应48 h。在0、2、4、6、9、12、24、36、48 h时,分别取样2 mL采用HPLC法分析各糖质量浓度[15]

    • 准确称取木糖、木二糖、木三糖、木四糖和木五糖标品分别配置成10、1、1、1和1 mg/mL标准溶液,各取相同体积的单糖对照溶液混匀,得到标糖溶液。取待测液(标准糖样和酶解液)各0.5 mL置于2 mL的离心管中,然后依次加入0.5 mL NaOH(0.3 mol/L)与0.5 mL 1-苯基-3-甲基-5-吡唑啉酮(PMP)的甲醇溶液(0.5 mol/L),混合均匀,70 ℃水浴反应30 min,取出冷却至室温,加入0.46 mL HC1(0.3 mol/L)进行中和。取中和后的混合液0.8 mL于2 mL离心管中,再加入0.4 mL氯仿进行萃取,充分振荡离心,吸取上层水相,重复3次,用去离子水1:3稀释,然后经0.22 μm滤膜过滤后,采用HPLC分析[16],标准糖的液相色谱图如图 1所示。

      图  1  低聚木聚糖标准品色谱图

      Figure 1.  Chromatogram of xylo-oligosaccharide (XOS) standard

      HPLC产物分析色谱条件:Agilent 1260-Plus Cl8(4.6 mm×150 mm, 3.5 μm),流动相为磷酸盐缓冲液(40 mmol/L,pH 8)-乙腈(体积比79:21),流速0.5 mL/min,柱温30 ℃,DAD检测波长245 nm,进样10 μL。

    • NaOH-乙醇预处理后甘蔗渣的化学组成变化如表 1所示。从表中可以看出,甘蔗渣中含有23.30%的木聚糖,是生产低聚木糖的潜在原料。有研究证明:木质素与纤维素、半纤维素组成的致密复杂结构阻碍了酶对原料的可及性[17-19],另外木质素对木聚酶的非生产性吸附也会降低有效作用的酶量[20]。从表 1中可以看出:NaOH-乙醇预处理后,甘蔗渣中木质素含量发生明显变化,当NaOH用量为5 g/L时,木质素质量分数从21.64%降低到16.30%,约有36.73%的木质素被脱除。这可能是由于在NaOH的作用下,木质素与碳水化合物间的连接键断裂,破坏木质素结构进而达到去除木质素的目的[21]。继续增加NaOH用量到10 g/L时,木质素的脱除率提高至78.10%。但从10 g/L增加到15 g/L时,甘蔗渣中的木质素含量没有明显降低,葡聚糖和木聚糖的含量也几乎没有发生改变,这说明在该条件下,高碱用量并不能继续改善甘蔗渣木质素的脱除,进一步脱木质素需要提高反应温度[13]。所以,10 g/L NaOH是最适碱用量。值得注意的是,在NaOH-乙醇预处理过程中,主要以脱除木质素为主,半纤维素得到了很好的保留,提高木聚糖在绝干原料中的含量,有利于下一步的木聚糖酶解。

      表 1  NaOH-乙醇预处理甘蔗渣化学组成

      Table 1.  Chemical compositions of sugarcane bagasse pretreated by NaOH-ethanol

      NaOH-乙醇预处理
      NaOH-ethanol pretreatment
      葡聚糖质量分数
      Mass fraction of glucan
      木聚糖质量分数
      Mass fraction of xylan
      木质素质量分数
      Mass fraction of lignin
      灰分质量分数
      Mass fraction of ash
      固体得率
      Solid yield/%
      未处理Untreated (45.25±0.31)% (23.30±0.30)% (21.64±0.12)% (1.94±0.04)% 100.00
      5 g/L (52.68±0.33)% (26.31±0.24)% (16.30±0.08)% (1.20±0.06)% 84.30
      10 g/L (60.96±0.17)% (27.50±0.18)% (8.50±0.11)% (0.91±0.08)% 71.67
      15 g/L (60.84±0.15)% (28.62±0.09)% (6.69±0.31)% (1.09±0.03)% 70.85

      另外,由于木质纤维原料的组成和结构复杂,影响酶水解效率的因素存在交互作用,所以,NaOH-乙醇预处理方法在改变原料木质素含量的同时,也会改变原料的可及性,提高半纤维素的比表面积及孔径,这些都会不同程度地促进木聚糖酶的水解过程[22],从而有利于减少酶用量,降低低聚木糖生产成本。

    • 底物的润湿性能可以影响木聚糖酶与固体原料表面的接触程度,从而影响酶水解效率[23]。预处理会改变固体表面的润湿性,在本研究中以接触角来表示润湿性,接触角越小,则表明固体的润湿性越强,即固体的亲水性越好。从图 2可以看出NaOH-乙醇预处理属于亲水性预处理方式,可以不同程度地提高底物的亲水性。原料的接触角为61.5°,利用不同碱用量的NaOH-乙醇预处理后,接触角从61.5°降低到52.3°,这表明底物的亲水能力会随着预处理的强度增加而提高。木质纤维原料的亲水性主要受木质素结构和含量的影响,所以通过预处理降低木质素的疏水性或者降低木质素含量都可以改善底物的亲水性[24],提高其润湿性能。NaOH-乙醇预处理提高底物亲水性的主要原因是脱除大量的木质素,提高半纤维素对木聚糖酶的吸附能力,从而提高酶解效率。

      图  2  预处理前后甘蔗渣的接触角变化

      Figure 2.  Contact angles of untreated and pretreated sugarcane bagasse

    • 预处理对原料结构的另一个改变体现在结晶度的变化上,结晶度可影响酶向纤维原料的扩散,从而影响木聚糖酶水解。如图 3所示:原料与预处理样品的最强衍射强度均发生在16.3°和22.5°。在22.0°~22.7°的峰是由(002)晶面产生的[25],为典型的纤维素图谱。从图中可以看出经过预处理峰型强度有所变化,这说明结晶度有所改变。未处理原料的结晶度为28.6%,5 g/L NaOH-乙醇预处理后,结晶度提高至35.1%,这主要是因为预处理脱除大量木质素和少量的半纤维素,缩减无定形区,使其结晶度提高。当NaOH用量增加到15 g/L时,结晶度开始逐渐下降,10 g/L时结晶度为32.3%,15 g/L时结晶度为30.6%。这主要是因为在该预处理条件下,先以脱木素为主,当木素脱除量到达一定程度时,预处理开始破坏纤维素链,扩大无定形区,降低纤维素的结晶度[26]。从结构可以看出,预处理样品的衍射强度在16.3°逐渐变弱,这主要是纤维素链的氢键被破坏,纤维原料发生非晶变化造成的[27]。通过预处理改变纤维原料的结晶度,使其暴露出更多的极性基团[27],提高底物亲水性,也有利于木聚糖酶与半纤维素的结合,促进其酶解。

      图  3  预处理前后甘蔗渣的X射线衍射谱图

      Figure 3.  X-ray diffraction spectra of untreated and pretreated sugarcane bagasse

    • 酶解时间对酶解效果有很大的影响,根据Reilly的研究[24],木聚糖酶会优先作用于长链木聚糖生成木寡糖,后将木寡糖降解为木二糖和木三糖,最后为单糖。由于木聚糖酶的稳定性会受很多因素影响,一段时间后,酶活会降低,所以为了得到尽可能多的低聚木糖,必须优化酶解时间。

      以未处理的甘蔗渣为底物,在酶用量10 IU/mL的条件下,探究酶解时间对不同低聚木糖产物的影响(图 4)。从图 4可以看出:木糖的质量浓度随时间的推移逐渐增加,而低聚木糖的总质量浓度呈先上升后下降趋势[28]。酶解4 h,低聚木糖质量浓度实现最大值,为0.83 g/L,随着时间增加,低聚木糖质量浓度逐渐降低至0.15 g/L。另外,酶解时间小于9 h,木糖质量浓度增加迅速,9 h后增加速度缓慢,24 h后水解液中木糖质量浓度趋于平衡,48 h质量浓度达到5.02 g/L。由此可见,对于低聚木糖生产来说,酶解时间是非常关键的。因此可以通过控制相应的酶解时间,来获得所需聚合度的低聚木糖,如酶解4 h时,可实现最高木五糖质量浓度(0.37 g/L);酶解9 h,木三糖质量浓度达到最大值(0.39 g/L)。另外,从生产角度看,长时间操作也会增加成本,带来微生物污染,所以选择合适的酶解时间是很重要的[29]

      图  4  酶解时间对低聚木糖和木糖质量浓度的影响

      Figure 4.  Effects of time on the mass concentration of XOS and xylose

    • 利用NaOH-乙醇对甘蔗渣进行预处理,氢氧化钠不仅能碱化原料,脱除木质素,同时具有较强的浸渍效果和润胀纤维作用[11],NaOH-乙醇预处理甘蔗渣低聚木糖的初始生产速率如图 5所示。从图 5可以看出:未处理原料酶水解生产低聚木糖的初始生产速率为0.33 g/(L·h),5 g/L NaOH-乙醇预处理后,并没有提高酶水解的初始生产速率,说明此时的NaOH用量并没有起到明显作用。但是NaOH用量增加到10 g/L时,初始生产速率明显提高,达到0.44 g/(L·h),继续增加NaOH用量,初始生产速率趋于稳定,为0.45 g/(L·h)。结果表明:适当预处理可以有效改善甘蔗渣的酶水解,提高其酶解的初始生产速率,促进低聚木糖的生产[14]

      图  5  预处理对低聚木糖初始生产速率的影响

      Figure 5.  Effects of pretreatment on the initial production rate of XOS

      预处理不仅可以有效提高低聚木糖的初始生产速率,也会影响其实现最大低聚木糖的质量浓度以及酶解时间(图 6a)。由图可知:酶解6 h时,未处理、5、10、15 g/L NaOH预处理这4种原料低聚木糖的质量浓度分别为0.72、1.60、1.85和1.89 g/L。其中,10和15 g/L NaOH-乙醇预处理的甘蔗渣在6 h时达到最大低聚木糖质量浓度,而未处理原料和5 g/L NaOH-乙醇预处理原料分别在4和9 h达到最高低聚木糖质量浓度0.83和1.78 g/L(图 6 b)。这主要是因为原料经过预处理后,大部分木质素被脱除,减少木素对酶的无效吸附,从而提高液体中游离酶量[13]。同时,预处理可以破坏原料的物理结构,使其暴露出更多半纤维素,提高半纤维素的可及性,增加其表面积,这些都会促进木聚糖酶对半纤维素的作用,影响酶水解进度,提高低聚木糖的产量。

      图  6  预处理对低聚木糖生产的影响

      Figure 6.  Effects of pretreatments on XOS production

      不同预处理条件甘蔗渣酶水解生产低聚木糖的趋势和未处理原料相似,低聚木糖质量浓度均先逐渐增加,然后呈下降趋势,最后稳定在较低的质量浓度,如图 6b(黑线)所示。这主要是木聚糖酶长期作用于低聚寡糖,导致其链断裂,发生进一步水解,最终大部分低聚木糖都水解为单糖[30]。另外,图 6b(蓝线)反映了低聚木糖占总糖(低聚木糖+木糖)的质量分数。除了未处理甘蔗渣低聚木糖的质量分数是逐渐降低的,其他预处理原料低聚木糖质量分数与低聚木糖质量浓度的变化趋势相对应,即先增加后逐渐降低,最后趋于平衡。在未处理、5、10、15 g/L NaOH预处理这4种原料的水解过程中,低聚木糖质量分数最高分别达到27.27%、37.80%、41.01%和42.25%,原料经过预处理后有利于提高低聚木糖得率。预处理能不同程度地促进木聚糖酶水解,且随着碱用量提高,低聚木糖质量浓度也会逐渐增加。但是15 g/L NaOH用量的低聚木糖的质量浓度仅比10 g/L用量的高2.16%,综合经济成本考虑,10 g/L NaOH-乙醇预处理是较好的预处理条件。

    • (1) NaOH-乙醇预处理甘蔗渣能够在有效脱除大量木质素的同时,保留半纤维素不被降解。其中优化的预处理条件为10 g/L NaOH-乙醇预处理,木聚糖含量为27.50%,木素脱除率可达到71.84%。

      (2) 利用木聚糖酶水解甘蔗渣的研究结果表明酶水解时间对低聚木糖的生产非常重要,酶解3~6 h是制备低聚木糖的较优时间段。

      (3) 以预处理后的甘蔗渣为底物,酶水解制备低聚木糖,预处理可以有效地促进低聚木糖生产,提高低聚木糖质量浓度和质量分数,同时也会影响其达到最高质量浓度的酶解时间。未处理、5、10、15 g/L NaOH预处理这4种底物,低聚木糖达到的最高质量浓度分别为0.83、1.78、1.85和1.89 g/L。

参考文献 (30)

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