木质纤维素酶水解工艺条件研究(3)
木质素是由苯基丙烷结构单元通过碳碳键连接而成的高分子化合物。木质素不能水解为单糖,在纤文素周围形成保护层,影响纤文素水解。木质素中氧含量低，碳含量较高，其能量密度(27 MJ/kg) 较高，水解中留下的木质素残渣可作为燃料。
1.3 玉米秸秆的预处理
玉米秸秆中的纤文素，半纤文素是可发酵糖的来源，由C6糖通过酿酒酵母发酵生成乙醇是很成熟的工艺。木质素的存在阻碍了纤文素对酶的可及性，且纤文素的结晶结构及表面状态、多组分结构木质素对纤文素的保护作用及纤文素被半纤文素覆盖等结构和化学成分的因素导致玉米秸秆难以被水解。总的来说，未经过预处理的天然状态的玉米秸秆酶解率小于20%，而经过预处理后的玉米秸秆水解率可以为理论值的90%以上。因此想要对玉米秸秆进行木质纤文素酶水解工艺条件研究必须对原料进行预处理。
以下是几种常见的预处理方法。
1.3.1 微波预处理
微波是频率为300MHz-300GHz的电磁波(波长1m-1mm)。微波处理能使纤文素的分子间氢键发生变化, 处理后的粉末纤文素类物质没有胀润性, 能提高纤文素的可及性和反应活性, 可以提高基质浓度, 得到较高浓度的糖化液, 处理时间短, 操作简单。此法的优点是处理时间短, 操作简单。缺点是由于处理费用较高而难以得到工业化应用。
1.3.2 碱预处理
某些碱可以用来预处理木质纤文原料, 处理效果主要取决于原料中的木质素含量。碱水解的机理是基于连接木聚糖半纤文素和其他组分内部分子之间(如木素和其他半纤文素之间)酯键的皂化作用。连接键的脱除增加了木质纤文原料的多孔性。稀NaOH处理引起木质纤文原料润胀, 结果导致内部表面积增加, 聚合度降低, 结晶度下降, 木质素和碳水化合物之间化学键断裂, 木质素结构受到破坏。
1.3.3 有机溶剂法
在有机溶剂法中, 有机溶剂或亲水性有机溶剂和无机酸催化剂混合物可用来断裂木素和半纤文素内在的化学键。使用的有机溶剂包括甲醇、乙醇、丙酮、乙烯基乙二醇、三甘醇及四氢化糠基乙醇。有机酸(如草酸、乙酰水杨酸和水杨酸)可作为有机溶剂法的催化剂。在高温条件下无需添加催化剂即可获得满意的脱木素度。使用的溶剂经过排放、蒸发、浓缩和回收处理, 既可降低成本又避免了阻碍微生物生长、酶法水解和发酵的化合物生成。
1.3.4 生物法
生物法是采用分解木质素的微生物降解木质素, 从而提高纤文素和半纤文素的酶解糖化率。在生物预处理法中, 褐腐菌、白腐菌和软腐菌等微生物被用来降解木质素和半纤文素。褐腐菌主要攻击纤文素,白腐菌和软腐菌攻击纤文素和木素。生物预处理法中最有效的是白腐菌, 它有较强的木质素分解能力, 但是白腐菌分解木质素的同时也消耗部分纤文素和半纤文素, 因此需要采用基因工程对白腐菌进行改良, 选育出木质素氧化酶活性高而不产生纤文素酶和半纤文素酶的菌种。生物预处理法中最有效的白腐菌是担子菌类, 白腐菌黄孢原毛平革菌(P.chrysosporium )在二次代谢过程中产生木素降解酶、木素氧化酶和依赖锰过氧化物酶利用白腐菌对玉米秸秆进行生物降解预处理, 在同液比例为1:9, 降解周期为14天, 木质纤文素的降解率由原来未添加营养物质的35% ~40%提高为55% ~ 65%。生物预处理的优点是能耗低, 所需环境条件温和, 专一性强, 能耗低、不会对环境产生污染。缺点是目前存在的木质素降解微生物种类少、木质素分解酶类的酶活力低、处理时间长、对白腐菌进行遗传改良, 才有助于生物法的实际应用。
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