沈博文，张 林

（1.长沙市雅礼中学，湖南 长沙 410021； 2.中南林业科技大学，湖南 长沙 410004）

杉木降解预处理条件的优化

沈博文1，张 林2

（1.长沙市雅礼中学，湖南 长沙 410021； 2.中南林业科技大学，湖南 长沙 410004）

为了更好的利用杉木三剩物，从木质原料获得糖类及其他产品，通过对杉木屑进行稀硫酸预处理条件的分析，主要考察了稀硫酸浓度、处理温度、处理时间对杉木综纤维、纤维素、半纤维、木质素等成分及酶解糖化效果的影响，发现稀硫酸对杉木预处理，以半纤维素的降解为主，纤维素和木质素降解程度不大。确定了的条件为 0.3% 稀硫酸，160 ℃，处理 50 min 是处理效果最佳，还原糖可达 38 mg/mL，为后续的杉木降解为单糖并进行高效利用提供了支撑基础。

杉木；预处理；稀硫酸；糖化

世界文明在不断发展的同时，对化石资源的需求也越来越大，而传统的化石资源的储备日益减少，寻找可再生的、清洁的资源一直是全世界学者最为关注的问题。木质纤维资源可再生能力强，储量非常大，如果能将木质纤维降解可转化为生物乙醇和丁醇、乳酸等能源或化工产品原料，可以在很大程度上解决化石资源危机问题［1-3］。通过生物工程和基因工程技术的改良，纤维素酶的生产技术［4-8］，乙醇、丁醇、乳酸等发酵菌种的选育及驯化技术［9-12］基本趋于成熟。但是木质纤维结构比较紧密，纤维素、半纤维素、木质素之间的化学键键能比较大，并且互相之间还有氢键作用，木质素作为粘结剂保护纤维素和半纤维素，对生物酶是有一定的阻抗作用，纤维素酶不能很好的和纤维进行结合而使其降解为可发酵的糖类，从而影响发酵生产生物乙醇，所以需对木质纤维进行预处理，将木质纤维结构打散，提高纤维素酶和纤维的可及度。杉木（Cunninghamia lanceolata（Lamb.）Hook.）是一种气候适应能力强，成材时间短的人工林优势树种，在我国南方有大面积种植，每年产生的杉木采伐、造材、加工等三剩物的量非常大。本试验尝试稀硫酸预处理杉木原料，并进行酶解，以酶解液中的还原糖浓度作为评价标准，研究稀硫酸浓度、处理温度、处理时间对杉木预处理效果的影响。

1 材料与方法

1.1 材料

杉木屑：切片，粉碎，约 20 目（833μm）。

纤维素酶：由湖南华泰生物有限公司提供，依据 QB 2583-2003 测得其滤纸酶活为 100 IU/mL。

实验药品：所需主要药品见表 1。

表1 主要实验药品列表Tab.1 Chemicals for the experiment

1.2 实验仪器

简易反应釜：不锈钢釜体，聚四氟乙烯釜胆，最高反应温度为 200 ℃，山东省烟台科立自控设备研究所。

1.3 方法

1.3.1 杉木纤维化学成分分析 杉木原料和杉木稀硫酸降解残渣经微型植物粉碎机粉碎后，取40 ～ 60 目木粉进行原料化学成分分析。纤维素含量的测定参照硝酸-乙醇法［13］；综纤维素含量的测定参照 GB/T 2677.10-1995；Klason 木素含量的测定参照 GB/T 2677.8-1994；半纤维素的含量为综纤维素与纤维素含量之差。

1.3.2 还原糖浓度的测定 还原糖浓度测定采用3,5-硝基水杨酸法（DNS 法）。

1.3.3 杉木稀硫酸预处理 在 100 ml 反应釜中，按照表 2 要求，加入 10 g 的杉木屑，再加入相应浓度的硫酸 60 ml，搅拌均匀。将反应釜放入已达预定温度的干燥箱内，重新达到预定温度后计时，加热相应时间。取出冷却，60 ℃ 烘干至绝重，备用。预处理工艺条件见表 2。

表2 杉木纤维预处理工艺条件Tab.2 The pretreatment conditions of Chinese fir fiber

1.3.4 预处理样品酶解实验 对于每一个条件的任一水平，平行称取绝干重 3 g 的杉木纤维酸处理渣三组置于 50 ml 摇瓶中，用稀柠檬酸溶液和稀氢氧化钠溶液准确调节酶解体系 pH 至 4.8，然后将摇瓶置于高温灭菌锅灭菌 30 min，防止微生物对纤维素酶的酶解造成影响，冷却后加入纤维素酶液，纤维素酶的载入量为 30 IU/g（1 g 杉木预处理渣加入 30 IU 酶活力的纤维素酶），最终维持酶解体系固液比为 1 : 10，摇瓶封口后置于 50 ℃ 恒温摇床内，在转速 120 r/min 下酶解 48 h 后离心，取上层清液测酶解液中的还原糖浓度。

2 结果与分析

2.1 稀硫酸浓度对预处理的影响

在温度为 150 ℃，处理时间为 60 min 不变情况下，不同稀硫酸浓度处理对杉木纤维化学成分的影响见图 1，由图可知，稀硫预处理对杉木进行预处理，综纤维素的降解程度不大，纤维素和半纤维素在预处理过程中均会降解，由于半纤维素的降解显著，所以纤维素的含量升高，浓度低于0.4% 时，随着稀硫酸浓度的增大，半纤维素降解程度越来越大，纤维素含量逐渐升高。综纤维素的降解，使得木质素的含量升高。

图1 不同稀硫酸浓度对杉木纤维化学成分的影响Fig.1Effects of different concentration of dilute sulfuric acid on chemical composition of Chinese fir fiber

不同稀硫酸浓度对酶解液还原糖浓度的影响见图 2，当稀硫酸浓度低于 0.3% 时，酶解液还原糖浓度随着硫酸浓度的增大而增大。而当浓度高于 0.3%，酶解液还原糖随着硫酸浓度的增大而减小，稀硫酸浓度为 0.3% 时，酶解液还原糖浓度最大为 36.71 mg/mL，酶解效果最好。

图2 不同稀硫酸浓度对酶解还原糖浓度的影响Fig.2Effect of different dilute sulfuric acid concentration on the concentration of enzymatic hydrolysis reducing sugar

2.2 处理温度对预处理的影响

在硫酸浓度为 0.3%，处理时间为 60 min 不变情况下，不同处理温度对杉木纤维化学成分的影响见图 3，预处理对综纤维素的降解程度不大，纤维素和半纤维素在预处理过程中均会降解，由于半纤维素的降解显著，所以纤维素的含量升高。随着处理温度的逐渐增大，综纤维素的降解程度增大，纤维素、半纤维素、木质素的降解程度都有所增大，为了获得更高的纤维素和半纤维素收率，为酶解提供原料，应尽量在较低温度下对杉木进行预处理。

图3 不同处理温度对杉木纤维化学成分的影响Fig.3Effects of different treatment temperature on the chemical composition of Chinese fir fiber

不同处理温度对酶解液还原糖浓度的影响见图 4，由图可知，酶解液中的还原糖浓度随着温度的升高而增大，从 140 ℃ 到 160 ℃，随着温度的升高还原糖浓度增幅比较大，160 ℃ 后还原糖浓度增幅比较小，在 180 ℃ 时，还原糖浓度达到最大 38.63 mg/mL，由于温度越高，会产生大量的发酵抑制物，不利于后续的酶解发酵生产生物乙醇，在预处理效果接近时，应尽量选择较低温度对杉木纤维进行预处理。

图4 不同处理温度对酶解还原糖浓度的影响Fig.4Effect of different treatment temperature on the concentration of enzymatic hydrolysis reducing sugar

由不同温度对杉木纤维化学成分的影响和不同温度对酶解液中还原糖浓度的影响可知，温度的升高，预处理样品的酶解效果越好，升高温度会使得预处理样品中综纤维素收率越低，但且还会产生大量的发酵抑制物，从而不利于酶解发酵，因此温度 160 ℃ 为最佳。

2.3 处理时间对预处理的影响

在硫酸浓度为 0.3%，温度为 150 ℃ 不变情况下，不同保温时间对杉木纤维化学成分的影响见图 5，杉木综纤维素的降解程度不大，纤维素和半纤维素在预处理过程中均会降解，由于半纤维素的降解显著，所以纤维素的含量升高。随着保温时间的逐渐延长，半纤维素的降解程度越来越大，纤维素的降解不明显，说明保温时间的延长能促进半纤维素的降解，对纤维素的降解影响不大。在酸性环境下，高温高压处理时间越长，木质素的未出现明显的降解。

图5 不同处理时间对杉木纤维化学成分的影响Fig.5Effects of di fferent treatment time on c hemical composition of Chinese fir fiber

不同保温时间对酶解液中还原糖浓度的影响见图 6，酶解液中的还原糖浓度随着保温时间的延长而先增大后减小，从 40 min 到 50 min，酶解液中还原糖浓度从 24.56 mg/mL 增大到最大值 34.81 mg/mL，保温时间从 50 min 到 60 min 时，还原糖浓度减小，再延长保温时间，酶解液中的还原糖浓度变化幅度不大。

图6 不同处理时间对酶解还原糖浓度的影响Fig.6Effect of different treatment time on the concentration of enzyme hydrolysis reducing sugar

由不同保温时间对杉木纤维化学成分的影响和不同保温时间对酶解液中还原糖浓度的影响可知，保温时间的延长，纤维素和半纤维素的收率降低，木质素降解程度增大，在 50 min 时预处理效果最好，酶解还原糖浓度最高。

根据以上单因素实验结果表明，稀硫酸浓度、处理温度、保温时间等对稀硫酸预处理杉木屑均具有不同程度的影响。其中温度影响最明显，其次是处理时间，硫酸浓度在考察范围内有一定影响，但不明显。

木质纤维原料生产乙醇，主要包括原料预处理、纤维素酶水解糖化和 C 5/C 6 糖发酵等工艺［14］。稀酸处理是常见的一种预处理方法［15］。原料经稀酸预处理和纤维素酶水解后，水解糖液中除糖分外，还存在一些对微生物的生理特性和发酵特性有抑制作用的物质，包括糠醛、乙酸、单宁等，可通过萃取、中和、蒸发、吸附等方式可去除［16］，但成本较高。本试验只是针对杉木屑预处理效果进行的，如果要综合考虑能耗，发酵抑制物的产生和其他操作费用等因素，最佳预处理条件可能须作出适当调整。

3 结论

（1）通过对杉木原料、预处理后样品的化学成分进行测定分析可知，稀硫酸对杉木纤维进行预处理，半纤维素降解明显，说明稀硫酸预处理，主要以半纤维素的降解为主，纤维素和木质素降解程度不大。

（2）通过条件优化，探讨了不同预处理条件对预处理样酶解液中还原糖浓度的影响，得出每个预处理条件各水平对酶解液中还原糖浓度的影响变化曲线图，初步确定最佳工艺条件，为后续的杉木讲解为降解单糖，并进行高效利用具有一定借鉴作用。

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（文字编校：杨 骏）

Optimization of Chinese fir degradation pretreatment conditions

SHEN Bowen1，ZHANG Lin2
（1.Yali High School，Changsha 410021，China；2.Central South University of Forestry and Technology，Changsha 410004，China）

In order to effectively improve the utilization for the residues of Chinese fir，and get the sugars or other products form lignocellulose.The experiment of dilute sulphuric acid pretreatment condition to the fir chips were analyzed，mainly study on the dilute sulphuric acid density，the processing temperature and the process time effected on degeneration of the

holocellulose，the cellulose，hemicellulose，the lignin equi component and the saccharification results.It was discovered that the dilute sulphuric acid pretreatment to the fir chips，mainly by the hemicellulose degeneration， the cellulose and the lignin degeneration was not obviously.Under the pretreatment technological condition is that 0.3% sulphuric acid，160 ℃，pretreat 50 min，and the best effects of reducing sugar reached is 38 mg/mL.It will provided technical date for Chinese fir

degradation to the monosaccharide and effective utilization.

Chinese fir；pretreatment；dilute sulphuric acid；saccharification

S 781.7

A

1003-5710（2017）02-0060-04

10.3969/j.issn.1003-5710.2017.02.012

2016-12-12

国家国际科技合作专项（NO.2015DFA01120）

沈博文（1999-），男，河南省郸城县人，高三年级学生，研究方向：生物质资源利用；E-mail：68759753@qq.com