甘露聚糖酶促进纤维素酶水解转化马尾松聚糖至可发酵单糖

由于形态结构和化学组成等原因,针叶材原料利用纤维素酶水解法转化聚糖至可发酵单糖一直存在着难水解、总糖转化率低的问题。采用硫酸盐(KP)蒸煮联合氧脱木素和机械打浆对马尾松木片进行预处理,基于针叶材原料中含有较多的甘露聚糖的特点,研究在纤维素酶水解预处理后的浆料过程中添加甘露聚糖酶对酶解效率的影响。研究结果显示,添加甘露聚糖酶对纤维素酶水解具有促进作用,其作用效果因原料预处理方法和程度的不同而不同。KP蒸煮后再经氧脱木素或打浆处理,则甘露聚糖酶对纤维素酶水解的促进作用比单独KP蒸煮效果更加明显。当KP蒸煮至样品木素含量相对于原料为4.1%时,再对原料进行氧脱木素,将木素含量降至相对于原料为1.9%时,分别用10 FPU/g和15FPU/g的复合纤维素酶CTec2对预处理后的样品进行酶解,酶解总糖得率分别为66.0%和83.6%;添加5U/g甘露聚糖酶,上述样品酶解总糖得率分别提高至70.6%和89.2%;相对于原料中聚糖含量,上述条件下酶解总糖转化率分别为53.9%和68.1%。纤维素酶水解至3小时左右再添加甘露聚糖酶,其促进纤维素酶水解效果更好。     

醋酸预水解对稻草化学成分及酶水解性能的影响

研究了醋酸预处理对稻草主要化学成分及酶水解糖化效率的影响。在160℃下以不同的醋酸用量(0～4%)对稻草进行处理,预处理后稻草的Klason木质素含量基本保持不变,约60%的酸溶木质素被脱除;灰分含量(质量分数)约下降30%,灰分中SiO2则几乎全部保留在预处理浆料中。预处理醋酸用量的增加对酸溶木质素和灰分含量的变化均无显著影响。预处理后高聚糖的降解程度随醋酸用量的增加而上升,其中半纤维素的降解程度尤为显著,阿拉伯聚糖、半乳聚糖大量溶出。对经醋酸预处理稻草的酶水解研究表明,预处理中醋酸用量的增加无助于酶水解液中还原糖得率的提高。稻草于160℃下经不添加醋酸的自水解预处理后,其酶解还原糖得率均高于经醋酸预处理的稻草,当纤维素酶用量为40 FPU/g(对底物)时,稻草中高聚糖的酶水解转化效率最高,葡聚糖、木聚糖的转化率分别为67.8%和45.3%,总糖转化率为58.8%。     

自水解预处理对稻草化学成分及酶解性能的影响

研究了自水解处理对稻草秸秆主要化学成分及酶解糖化效率的影响。结果显示:在100～160℃下对稻草进行自水解预处理,酸溶木质素的脱除程度随着自水解温度的升高而增大,而Klason木质素含量几乎没有变化,几乎全部SiO2仍然保留在预处理后草片中;稻草高聚糖的降解程度随着自水解温度的升高而增加,但由于自水解液酸性较弱,大量高聚糖仍保留在草片中;自水解预处理有利于促进稻草的酶解糖化,随着自水解预处理温度的升高和酶用量的增大,酶解液中各种聚糖得率均有不同程度的提高,但自水解温度的影响显得更为重要;经160℃自水解预处理的稻草在40 FPU/g混合酶用量下,葡聚糖和木聚糖的总转化率约为68%和45%,总糖转化率近60%。     

白腐菌预处理对稻草化学组分及酶水解的影响

采用5株白腐菌预处理稻草,对预处理过程中产生的木质纤维素降解酶系以及稻草化学组分变化进行了分析,研究了预处理对后续纤维素酶水解效率的影响。研究结果表明,5株白腐菌在预处理期间(0~50天)均能检测到漆酶(Lac)、锰过氧化物酶(MnP)和纤维素酶(Cel)活性,但未检测到木质素过氧化物酶(LiP)活性。其中凤尾菇培养第20天Lac活性达到最高,为2244 U/L;平菇培养40天MnP活性最高,达771 U/L;凤尾菇和平菇的木质素降解选择性指数(SI)随着预处理时间延长呈上升趋势,培养至50天时平菇的SI达到1.87,比其它4株白腐菌表现出更好的选择性降解木质素能力。云芝4号、平菇和凤尾菇表现出良好的预处理效果,经此3菌株预处理50天的稻草粉,在每克底物20 FPU酶用量条件下用纤维素酶水解48 h,酶水解总糖转化率分别达到59.6%、56.3%和54.4%。     

亚硫酸氢钠预处理对杨木浆料化学成分及酶解糖化的影响

研究了亚硫酸氢钠预处理对杨木浆料化学成分及酶水解效率的影响。增加预处理试剂亚硫酸氢钠用量可以脱除更多的木质素和半纤维素,随着试剂用量的增加葡聚糖、木聚糖和总糖的酶水解得率呈现先升高后降低,然后又升高的规律。当预处理试剂用量为4％时,木质素脱除率为28．7％,酶水解总糖转化率为55．2％;继续增加试剂用量至16％时,对酶水解糖的得率无明显促进作用,反而由于高聚糖降解较多导致得率下降;当试剂用量超过20％时,酶水解糖的得率又有所上升。亚硫酸氢钠用量为24％时,木质素脱除率为61．6％,总糖的转化率达到最大,在纤维素酶用量40FPU／g时,葡聚糖、木聚糖和总糖的转化率分别为59．7％、64．6％和66．2％。     

亚硫酸钠预处理提高稻草酶水解糖化效率的研究

研究了亚硫酸钠预处理对稻草化学组分变化及酶水解性能的影响。结果表明,提高温度或增加Na2SO3用量可以脱除更多的木质素和半纤维素,酶水解效率也相应提高,但木质素脱除率达到50%以后,继续增强预处理条件,对酶水解糖得率无显著的促进作用。相比而言,加大Na2SO3用量更有利于使木质素溶出,提高温度更有利于使高聚糖溶出,加大Na2SO3用量比提高温度对酶水解效率的提高影响更显著。通过实验得到亚硫酸钠预处理稻草的最优条件,在温度为140℃,Na2SO3用量为16%,纤维素酶用量为20 FPU/g(对纤维素)时,总糖转化率达到最大,为74.9%,此时的总糖得率为43.5%。     

绿液预处理对棉秆化学成分及酶水解糖化的影响

绿液的主要成分是Na2CO3和Na2S,可在硫酸盐浆厂碱回收系统中循环产生。将新疆棉秆在不同温度、硫化度和用碱量下经绿液预处理后,在不同酶用量下进行酶水解,并测定酶水解液中总糖得率以评价预处理效果。结果表明,原料预处理得率随用碱量的增加而下降。适当地提高蒸煮温度和用碱量,可以增加木质素脱除量,有利于后续酶水解的进行,但过于剧烈的预处理条件将导致碳水化合物的过度降解,因而降低酶水解糖的转化率。另外,由于新疆棉秆细小,棉秆皮占全秆比例较大,原料总糖含量较低,导致最终酶水解总糖得率偏低。在温度120?C,用碱量16%,硫化度32%条件下绿液预处理,酶水解糖转化率达到最大值,当酶水解酶用量为20 FPU/g(对浆料)时,葡聚糖、木聚糖和总糖的转化率分别为74.0%、61.3%和68.5%。     

水热预处理竹子促进酶解的效果及其影响因素

采用间歇式水热预处理装置,研究了水热预处理用于竹子的酶解规律,探讨了不同温度、处理时间、纤维素酶添加量及原料种类对促进竹子酶解的效果及其影响。结果表明水热预处理能显著提升竹子的酶解率,在优化条件190℃、10 min水热预处理,添加15 FPU·(g葡聚糖)^-1纤维素酶,72 h葡聚糖与木聚糖酶解率分别为74.3%、54.0%,提高到原来的3.5倍和4.7倍。过高的预处理温度与过长的预处理时间都将导致木糖大量降解和部分葡萄糖降解,使单糖总量下降。纤维素酶的添加量从15 FPU·(g 葡聚糖)^-1提高到60 FPU·(g 葡聚糖)^-1,可使未作预处理和水热预处理竹子的总糖回收率分别提高21.5%和9.9%,其促进酶解的作用远低于预处理的效果,通过预处理增大酶的可及性是提高酶解率的关键。水热预处理对于生物质原料具有选择性,不同的竹子原料具有显著不同的效果。     

玉米秸秆生物法制取酒精的中间试验

建立了玉米秸秆采用蒸汽爆破预处理、纤维素酶水解和戊糖己糖同步发酵技术制取酒精的中间试验装置。玉米秸秆在1.6～2.0 MPa条件下蒸汽爆破预处理,在提高玉米秸秆对纤维素酶可及度的同时,玉米秸秆中纤维素、木聚糖和木质素损失分别为4.08%、40.02%和9.91%。里氏木霉以10%的原料制备纤维素酶,并用于降解剩余的90%的原料,滤纸酶活力和纤维素酶水解得率分别为2.27 FPIU/mL和71.3%。初始还原物浓度为43.65 g/L的水解糖液经树干毕赤酵母发酵16 h,还原物利用率和酒精得率分别为87.17%和0.43 g/g(酒精/消耗的糖)。     

碳酸钠―蒸汽爆破预处理对麦草化学成分及酶水解效率的影响

研究了碳酸钠―蒸汽爆破预处理对麦草化学成分及后续酶水解的影响。结果表明,预处理麦草浆料中木质素含量随预处理中碳酸钠用量的增大而下降,木聚糖和阿拉伯聚糖含量随碳酸钠用量的增大而上升。当碳酸钠用量增加到8%以后,继续增加碳酸钠用量,预处理麦草浆料中的葡聚糖、木聚糖、阿拉伯聚糖和木质素含量基本保持稳定。酶用量较低时,不添加碳酸钠的预处理麦草浆料酶水解葡聚糖得率最大。除不添加碳酸钠的预处理外,酶水解葡聚糖和总糖得率随木质素含量下降而提高。提高酶用量后木质素含量对预处理麦草浆料酶水解葡聚糖得率的影响变缓。     

Improvement of enzymatic xylooligosaccharides production by the co-utilization of xylans from different origins

This study aimed to improve XOs production by enzymatic hydrolysis of xylans from various lignocellulosic waste biomasses namely corn cob, cotton and sunflower stalks, rice hull, wheat straw by using two commercial xylanase preparations, Shearzyme 500L and Veron 191. Shearzyme 500L showed better xylan hydrolysis capacity with high amount of xylose liberation. Xylobiose was the main hydrolysis product in each case. Even though the enzymatic hydrolyses using Shearzyme 500L resulted higher reducing sugar production compared to those of Veron 191, the hydrolysis of complex xylan structures was improved and the production of undesirable xylose was lowered by the co-utilization of xylanase preparations. By the co-utilization of xylanase preparations, the reducing sugar production from wheat straw, corn cob and sunflower stalk originated xylans was increased by 36%, 33% and 13%, respectively, compared to the expected reducing sugar yields. The highest reducing sugar production was obtained from complex corn cob xylan. The depolymerization of cotton and sunflower stalk xylan was poorest even though they have simple structures. Poor utilization of these xylans might be related to their high residual lignin content which might hinder the accessibility of xylan by the xylanases. However, the utilization of sunflower and cotton stalk xylan was improved when they were hydrolyzed within a xylan mixture containing equal amounts of each of five different xylans. In short, XOs production efficiency from agricultural waste materials was improved by the co-utilization of suitable xylanase and/or xylan mixtures considering the heterogeneous structures of xylan and different substrate specificities of xylanases.     

碳酸钠预处理对麦草酶水解糖化的影响

麦草是一种具有很大潜力的制取生物乙醇的可再生木质纤维素原料。文章探讨了碳酸钠预处理预浸时间、保温时间、碳酸钠用量对麦草化学成分及酶水解效率的影响。结果表明,延长碳酸钠预处理保温时间对木质素脱除无明显影响,但浆料得率和酶水解总糖转化率有所下降;合理的预浸时间为30 min,继续延长预浸时间对预处理浆料酶水解总糖转化率无促进作用;增加预处理Na2CO3用量有助于促进木质素的脱除,大部分碳水化合物保留在浆料中。在8% Na2CO3(Na2O计)用量下,麦草于80℃预浸30 min后升温至130℃,不保温所得到的浆料在纤维素酶用量为20 FPU/g(对纤维素)时,其总糖转化率为60%。     

稻草绿液蒸煮与氧脱木素联合制浆工艺研究

采用绿液蒸煮与氧脱木素联合制浆工艺对稻草原料绿液法制浆进行了初步探索。研究结果表明,稻草原料采用绿液蒸煮,在用碱量16%(Na2O计)、硫化度20%左右、最高温度150℃和不保温的蒸煮条件下,可得到卡伯值26的浆料。该浆料继续氧脱木素,在氢氧化钠用量2%～3%、氧压0.7 MPa、最高温度110℃条件下,可将卡伯值降至10左右。绿液蒸煮浆料得率可达60%以上,氧脱木素段得率约90%,联合制浆得率55%以上。绿液与氧脱木素联合制浆工艺可将麦草原料中约65%～75%的硅保留在浆料中,并且浆料的强度性能与常规碱法浆相近。     

稻草和麦草绿液蒸煮过程中各组分变化规律比较

对比了相同蒸煮温度下稻草和麦草绿液蒸煮过程中各组分变化规律。结果表明,稻、麦草原料绿液蒸煮脱木素过程呈明显的两个阶段：主要脱木素阶段木素脱出率约为64%~70%,残余脱木素阶段木素脱出率约为5%~10%。主要脱木素阶段二者脱木素速率相近,残余脱木素阶段稻草脱木素速率略高于麦草;两种原料在主要脱木素阶段和残余脱木素阶段均有聚糖溶出,其中主要脱木素阶段聚糖的溶出率分别为稻草60%、麦草34%,二者脱木素选择性分别为2.1和1.1;残余脱木素阶段聚糖溶出率分别为稻草6%、麦草14%,脱木素选择性分别为0.4和1.7。稻、麦草原料绿液蒸煮过程中硅的变化规律呈现三个阶段,每一阶段稻草浆中硅的保留率都高于麦草原料。150℃保温2 h后,原料中硅的溶出率分别为稻草9.3%和麦草45%。相应地,稻草绿液蒸煮黑液中硅的浓度远低于麦草原料,黑液的临界浓度可达45%,约为麦草的3倍。     

促进玉米秸秆酶解效率的化学预处理方法比较

分别用八种化学方法对玉米秸秆进行预处理,将预处理后的试样用纤维素酶在最优条件下催化水解,初步比较了不同的化学方法在促进玉米秸秆酶解糖化方面的效果。通过比较各试样酶解后产糖量大小,得到最佳的预处理方案:采用0.176%(m/V)NaOH及0.9%(V/V)H2O2混合液在常温下按固液比1∶50振荡作用24 h,即在纤维素酶用量为50 FPU/g时,产糖量可从0.055 g/g提升到0.333 g/g,提高了83.51%;此时的木质素降解量亦为最大,达到了49.8%,此结果表明木质素的降解有利于纤维素酶敏感性的提高。