濃香型白酒固態(tài)發(fā)酵工藝對(duì)稻殼抗降解屏障的影響

王丹丹，王立英，魏玉西，崔球，孫志杰

(1.青島大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院,山東青島266071；2.中國(guó)科學(xué)院青島生物能源與過(guò)程研究所，山東青島266101)

濃香型白酒固態(tài)發(fā)酵工藝對(duì)稻殼抗降解屏障的影響

王丹丹1，2，王立英2，魏玉西1，崔球2，孫志杰2

(1.青島大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院,山東青島266071；2.中國(guó)科學(xué)院青島生物能源與過(guò)程研究所，山東青島266101)

以濃香型白酒固態(tài)發(fā)酵工藝為研究對(duì)象，分析了稻殼經(jīng)濃香型白酒固態(tài)發(fā)酵工藝處理前后的成分變化，并考察了濃香型白酒固態(tài)發(fā)酵工藝對(duì)稻殼高溫水熱預(yù)處理效果以及纖維素酶酶解效率的影響，結(jié)果顯示經(jīng)濃香型白酒固態(tài)發(fā)酵工藝處理后：（1）稻殼的纖維素含量和結(jié)晶度以及木質(zhì)素和灰分含量發(fā)生顯著改變；（2）稻殼半纖維素和酸不溶性木質(zhì)素的高溫水熱抽提效率顯著上升，并且半纖維素降解產(chǎn)物的聚合度明顯降低；（3）再經(jīng)高溫水熱預(yù)處理的稻殼纖維素酶酶解效率可提高2倍之多。結(jié)果表明，中國(guó)傳統(tǒng)的白酒固態(tài)發(fā)酵過(guò)程是一個(gè)既可生產(chǎn)高附加值目的產(chǎn)物（白酒）又具有高效木質(zhì)纖維素預(yù)處理能力的長(zhǎng)期生物加工過(guò)程。

濃香型白酒固態(tài)發(fā)酵工藝；稻殼；抗降解屏障

發(fā)展以木質(zhì)纖維素為原料的生物煉制技術(shù)是實(shí)現(xiàn)我國(guó)稻殼資源高值化利用的關(guān)鍵途徑，然而,稻殼固有的抗降解屏障導(dǎo)致其木質(zhì)纖維素產(chǎn)可發(fā)酵糖的高成本和低效率[1]。為解除稻殼的天然抗降解屏障，研究人員已開(kāi)發(fā)了多種基于物理、化學(xué)和生物原理的預(yù)處理方法[2-3]。在眾多現(xiàn)有的稻殼預(yù)處理方法中，雖然生物預(yù)處理過(guò)程具有能耗低、反應(yīng)條件溫和、預(yù)處理物料消耗低和無(wú)環(huán)境污染的優(yōu)點(diǎn)，但這種單純以破壞木質(zhì)纖維素抗降解屏障為唯一目的的生物預(yù)處理方法面臨著時(shí)間成本高和效率低的先天限制[4]。因此發(fā)展既具有高效生物質(zhì)預(yù)處理能力，又能同時(shí)生產(chǎn)高附加值目的產(chǎn)物的長(zhǎng)期生物加工過(guò)程是克服生物預(yù)處理缺點(diǎn)的可行途徑。

以稻殼為輔料的固態(tài)發(fā)酵釀制白酒工藝是我國(guó)獨(dú)有的傳統(tǒng)釀酒方法，其最大特征是固態(tài)糖化發(fā)酵、固態(tài)蒸餾以及續(xù)渣發(fā)酵[5]。大曲中的天然微生物拌入酒醅后與來(lái)自于窖泥、空氣以及水中的微生物群落結(jié)合形成了酒醅微生物區(qū)系，而酒醅微生物區(qū)系與周?chē)⑸鷳B(tài)環(huán)境相互作用后形成了特殊的生物質(zhì)降解群落。在動(dòng)態(tài)復(fù)雜的白酒固態(tài)發(fā)酵體系內(nèi)，多種不同功能的微生物群落在生物質(zhì)降解的不同階段，在合適的氧氣濃度、溫度、水活度和pH值條件下，利用無(wú)機(jī)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和有機(jī)碳源生長(zhǎng)繁殖，并分泌降解特定生物質(zhì)成分的酶（淀粉酶、蛋白酶、脂肪酶以及纖維素酶、半纖維素酶等）及小分子物質(zhì)（有機(jī)酸和過(guò)氧化物）作用于發(fā)酵原料，將淀粉、蛋白質(zhì)、脂肪等大分子聚合物降解為自身可利用的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì),從而在生成醇、酸和酯等物質(zhì)并形成各種具有獨(dú)特風(fēng)味白酒的同時(shí)，也完成了對(duì)發(fā)酵原料的降解[6-8]。

目前人們對(duì)白酒固態(tài)發(fā)酵體系的研究多集中于如何選育釀酒微生物、改造酒曲和發(fā)酵體系的酶系，以達(dá)到控制及優(yōu)化白酒產(chǎn)量及品質(zhì)[6-9]，而對(duì)于白酒固態(tài)發(fā)酵這一生物質(zhì)降解體系的稻殼木質(zhì)纖維素的降解能力及降解機(jī)制未見(jiàn)報(bào)道。由于白酒發(fā)酵產(chǎn)業(yè)在我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中占很大比重,深度發(fā)掘白酒固態(tài)發(fā)酵工藝在生物質(zhì)預(yù)處理和生物質(zhì)轉(zhuǎn)化方面的應(yīng)用潛力,將會(huì)大大增加稻殼的再利用，極大的提高產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)品附加值。因此為闡明白酒固態(tài)發(fā)酵體系的木質(zhì)纖維素降解能力，本研究以濃香型白酒固態(tài)發(fā)酵工藝為研究對(duì)象，考察了稻殼經(jīng)濃香型白酒固態(tài)發(fā)酵工藝處理前后的成分變化，分析了濃香型白酒固態(tài)發(fā)酵工藝對(duì)稻殼高溫水熱預(yù)處理以及纖維素酶酶解效果的影響。

1 材料與方法

1.1 材料

稻殼和濃香型白酒酒糟均來(lái)自于山東省青島市瑯琊臺(tái)酒業(yè)集團(tuán)。纖維素酶Ctec-2購(gòu)自諾維信，淀粉酶和糖化酶均購(gòu)自阿拉丁試劑公司，其他試劑均為分析純。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 去淀粉白酒酒糟稻殼的制備

為消除白酒酒糟稻殼和原料稻殼攜帶淀粉對(duì)纖維素含量分析的干擾，實(shí)驗(yàn)首先應(yīng)用淀粉酶和糖化酶對(duì)酒糟稻殼和原料稻殼進(jìn)行去淀粉處理[10]，以碘化鉀溶液作為淀粉指示劑，待樣品顏色不變藍(lán)后終止糖化處理。清洗去淀粉稻殼和酒糟稻殼，80℃烘干備用。

1.2.2 高溫水熱預(yù)處理

稻殼的預(yù)處理采用parr4848壓力攪拌反應(yīng)釜進(jìn)行，在液固比為6∶1(m L/g)的條件下裝入20 g稻殼(以絕干質(zhì)量計(jì))，在設(shè)定的最高溫度以及保溫時(shí)間條件下處理稻殼。蒸煮結(jié)束后，0.22μm微孔濾膜過(guò)濾樣品，分別收集液相（抽提液）和固相（處理后稻殼）。固相樣品用去離子水洗至中性后，一部分直接用于酶解實(shí)驗(yàn)，另一部分80℃烘干后用于測(cè)定處理后濕稻殼的干物質(zhì)含量和組分分析。

1.2.3 稻殼組分和水熱抽提液組分分析

稻殼及預(yù)處理后稻殼樣品中纖維素、半纖維素、酸不溶性木質(zhì)素、酸溶性木質(zhì)素、灰分含量依照NREL標(biāo)準(zhǔn)方法TP-510-42620測(cè)定。稻殼樣品結(jié)晶度通過(guò)X射線衍射儀(D8ADVANCE XRD，Bruker，USA)測(cè)得，測(cè)定電壓40 kV，電流200m A，掃描角度范圍為5～50°，掃描速率為0.2°/m in。

公式（2）中測(cè)定組分包括纖維素、半纖維素、酸溶性木質(zhì)素、酸不溶性木質(zhì)素和灰分。

1.2.4 水熱抽提液中組分分析

準(zhǔn)確量取70.5m L水熱抽提液于玻璃耐壓瓶中，加入1.5m L質(zhì)量分?jǐn)?shù)為72%的H2SO4溶液，混合均勻。將耐壓瓶密封好，放在121℃的壓力滅菌鍋中反應(yīng)1 h。反應(yīng)結(jié)束后，將耐壓瓶冷卻至室溫。取少量上清液，將其用0.22μm微孔濾膜過(guò)濾，將所得到的樣品進(jìn)行液相色譜分析，參照NREL/TP-510-42620的方法測(cè)得葡萄糖、阿拉伯糖、木糖以及酸溶性木質(zhì)素含量，并依糖含量計(jì)算纖維素和半纖維素抽提率。木寡糖含量參照文獻(xiàn)報(bào)道的方法測(cè)定[11]。

1.2.5 稻殼纖維素酶水解

準(zhǔn)確稱(chēng)取相當(dāng)于2 g絕干質(zhì)量的預(yù)處理后的稻殼，放入250m L搖瓶?jī)?nèi)，加入0.05mol/L的檸檬酸鈉緩沖溶液和0.2m L疊氮化鈉溶液(0.02 g/m L)，控制酶水解質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%，然后分別加入相當(dāng)于20 FPU/g底物的諾維信Ctec-2纖維素酶。放入50℃恒溫振蕩培養(yǎng)箱內(nèi)，在95 r/m in轉(zhuǎn)速下振蕩反應(yīng)到設(shè)定的時(shí)間后，取上層清液測(cè)定葡萄糖含量。

2 結(jié)果與分析

2.1 濃香型白酒固態(tài)發(fā)酵過(guò)程可改變稻殼組成成分

為考察濃香型白酒固態(tài)發(fā)酵過(guò)程中稻殼生物質(zhì)成分變化，本文首先分析了原料稻殼和酒糟稻殼的化學(xué)成分（見(jiàn)表1）。由表1可知，酒糟稻殼的纖維素含量和酸溶性木質(zhì)素含量均顯著低于原料稻殼，而酸不溶性木質(zhì)素含量顯著高于原始稻殼（P＜0.05）。同時(shí)分析也發(fā)現(xiàn)酒糟稻殼的半纖維素和灰分含量與原料稻殼無(wú)顯著差異( P＞0.05)。X射線衍射（XRD）檢測(cè)結(jié)果顯示，酒糟稻殼的纖維素結(jié)晶度（29.43%±1.02%）顯著（P＜0.05）低于原料稻殼（38.47%±1.27%）（圖1）。

2.2 濃香型白酒固態(tài)發(fā)酵工藝顯著影響稻殼水熱抽提效率

為進(jìn)一步考察白酒固態(tài)發(fā)酵工藝對(duì)稻殼抗生物質(zhì)降解屏障的影響，本文選取高溫水熱抽提法來(lái)破壞原料稻殼和酒糟稻殼的抗降解屏障，以高溫水熱抽提法對(duì)二者組分的抽提效率差異來(lái)說(shuō)明白酒固態(tài)發(fā)酵工藝對(duì)稻殼抗降解屏障的影響。由于稻殼生物質(zhì)結(jié)構(gòu)的特殊性，本部分研究首先以稻殼生物質(zhì)組分抽提效率為指標(biāo)優(yōu)化了稻殼高溫水熱預(yù)處理的溫度條件（見(jiàn)表2）。

表1 原料稻殼和酒糟稻殼成分

圖1 稻殼和酒糟稻殼以及高溫水熱預(yù)處理后稻殼和酒糟稻殼的結(jié)晶度

表2 稻殼高溫水熱預(yù)處理?xiàng)l件優(yōu)化(%)

由表2可知，原料稻殼的固體殘留率隨溫度的升高而顯著下降，在處理溫度為200℃，處理時(shí)間為30m in的條件下，質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為34.4%的稻殼被抽提出，殘留稻殼質(zhì)量為原料稻殼的65.6%。160℃水熱抽提后，約97.9%的稻殼纖維素保留在固相內(nèi)，只有2%的纖維素及其降解產(chǎn)物溶于抽提液。180℃時(shí)，水熱抽提稻殼纖維素效果與160℃相似。升溫至200℃后，稻殼纖維素的抽提效率顯著上升，固相中纖維素質(zhì)量只占總纖維素質(zhì)量的87.9%，而液相中纖維素和損失的纖維素則分別達(dá)到了4.5%和7.6%。由表2也可看出，溫度對(duì)稻殼內(nèi)半纖維素抽提效率具有顯著影響，例如160℃處理后稻殼半纖維素殘留率可達(dá)85.9%，而一旦溫度升高至180℃，其半纖維素固相殘留率僅為18.4%，升溫至200℃后半纖維素固相殘留率進(jìn)一步降低為4.7%。然而研究也發(fā)現(xiàn)，溫度達(dá)到200℃時(shí)，半纖維素?fù)p失率高達(dá)92.5%，液相中半纖維素得率僅為2.8%。而180℃時(shí)，液相半纖維素得率可達(dá)47.5%，損失率僅為34.1%。綜合考慮稻殼固相殘留率、半纖維素抽提率和液相半纖維素得率，本研究選擇180℃，30m in為稻殼高溫水熱預(yù)處理?xiàng)l件。

表3顯示了原始稻殼和酒糟稻殼的水熱抽提效率。由結(jié)果可知，原始稻殼纖維素和灰分抽提率均顯著高于酒糟稻殼的抽提率（P＜0.05），而酒糟稻殼的酸不溶木質(zhì)素和半纖維素抽提率顯著高于原始稻殼（P＜0.05），并且離子色譜檢測(cè)結(jié)果也顯示，稻殼抽提液中半纖維素降解產(chǎn)物與酒糟稻殼抽提液中的半纖維素降解產(chǎn)物呈現(xiàn)顯著不同特征（表4），如原始稻殼水熱抽提液中半纖維素降解產(chǎn)物以聚合度大于7的木聚糖為主（含量70%），而小分子的木寡糖（聚合度2～7）和木糖含量只占30%，然而酒糟的半纖維素降解產(chǎn)物以低聚合度的木寡糖和木糖為主（占70%以上）。固態(tài)發(fā)酵工藝對(duì)稻殼的酸溶性木質(zhì)素的抽提率并無(wú)顯著影響（P＞0.05）。另外，XRD分析也發(fā)現(xiàn)，水熱處理顯著增加了稻殼纖維素的結(jié)晶度，例如原始稻殼纖維素結(jié)晶度由水熱處理前的38.47%增加至44.64%，酒糟稻殼的纖維素結(jié)晶度由水熱處理前的29.43%增加至42.65%，但水熱處理后的原始稻殼與酒糟稻殼在纖維素結(jié)晶度方面并無(wú)顯著差異（圖1）。

表3 稻殼成分的高溫水熱抽提率

表4 高溫水熱處理后稻殼半纖維素降解產(chǎn)物聚合度分布

2.3 濃香型白酒固態(tài)發(fā)酵過(guò)程對(duì)水熱抽提預(yù)處理稻殼纖維素酶解效率的影響

如圖2所示，酒糟稻殼纖維素酶解率與原始稻殼并無(wú)顯著區(qū)別，但經(jīng)水熱預(yù)處理后酒糟稻殼的纖維素酶解率則顯著高于水熱處理的原始稻殼，這表明經(jīng)固態(tài)發(fā)酵體系處理的稻殼再經(jīng)水熱抽提后，其酶解效果顯著優(yōu)于僅水熱預(yù)處理的原始稻殼。同時(shí)這個(gè)結(jié)果也說(shuō)明固態(tài)發(fā)酵與水熱預(yù)處理之間存在著顯著的協(xié)同效應(yīng)。

3 討論

圖2 稻殼纖維素的酶解率

圖3 白酒固態(tài)發(fā)酵生物質(zhì)降解體系的組成

濃香型白酒固態(tài)發(fā)酵體系中的酒醅微生物區(qū)系與酒窖內(nèi)周?chē)⑸鷳B(tài)環(huán)境相互作用后形成了特殊的生物質(zhì)降解體系（圖3）。在此體系內(nèi)多種不同功能的微生物群落在生物質(zhì)降解的不同階段，在合適的氧氣濃度、溫度、水活度和pH值條件下，利用無(wú)機(jī)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和有機(jī)碳源生長(zhǎng)繁殖，并分泌降解特定生物質(zhì)成分的酶（淀粉酶、蛋白酶、脂肪酶以及纖維素酶、半纖維素酶等）及小分子物質(zhì)（有機(jī)酸和過(guò)氧化物）作用于發(fā)酵原料，將淀粉、蛋白質(zhì)、脂肪等大分子聚合物降解為自身可利用的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì),從而在生成醇、酸和酯等物質(zhì)并形成各種具有獨(dú)特風(fēng)味白酒的同時(shí)，也完成了對(duì)發(fā)酵原料的降解[6-8]。因此筆者認(rèn)為，中國(guó)傳統(tǒng)的白酒固態(tài)發(fā)酵過(guò)程實(shí)際上就是一個(gè)既能同時(shí)生產(chǎn)高附加值目的產(chǎn)物（白酒）又具有高效木質(zhì)纖維素預(yù)處理能力的長(zhǎng)期生物加工過(guò)程。其木質(zhì)纖維素預(yù)處理作用潛力主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

（1）類(lèi)物理預(yù)處理作用。稻殼作為發(fā)酵輔料，要經(jīng)過(guò)高溫清蒸30～40m in，與糧食和母糟混合后又要在蒸酒、熟化淀粉環(huán)節(jié)高溫處理多次，原始稻殼經(jīng)過(guò)整個(gè)發(fā)酵過(guò)程熱處理時(shí)間累計(jì)可達(dá)數(shù)小時(shí)（濃香型）至數(shù)十小時(shí)（醬香型）[5]。稻殼中的果膠多糖在此過(guò)程中分解并生成甲醇[12]。

（2）長(zhǎng)時(shí)間生物預(yù)處理。拌曲后稻殼、糧粉和母糟混合物需堆積或入窖發(fā)酵，濃香型發(fā)酵工藝每一輪發(fā)酵周期約為70 d，而醬香型發(fā)酵工藝中7輪堆積和入窖發(fā)酵累計(jì)時(shí)間達(dá)8個(gè)月之多。也就是說(shuō)高溫預(yù)處理的稻殼要進(jìn)行長(zhǎng)達(dá)數(shù)月的白酒固態(tài)發(fā)酵生物質(zhì)降解群落的生物預(yù)處理。白酒固態(tài)發(fā)酵生物質(zhì)降解群落是一個(gè)由多種不同的微生物群落、降解不同生物質(zhì)成分的酶系構(gòu)成的復(fù)雜生境系統(tǒng)。白酒固態(tài)發(fā)酵體系的微生物群落見(jiàn)圖3，包括霉菌、細(xì)菌、酵母菌和放線菌。霉菌主要包括可分泌纖維素酶、半纖維素酶、果膠酶和單寧酶的曲霉(米曲霉、黑曲霉、紅曲霉)、根霉(黑根霉、米根霉、中華根霉、無(wú)根根霉)、毛霉、犁頭霉和青霉等可降解木質(zhì)纖維素的腐生真菌[6，8]。細(xì)菌為白酒固態(tài)發(fā)酵后期的優(yōu)勢(shì)菌，其中芽孢桿菌和放線菌也是能夠通過(guò)分泌纖維素酶來(lái)降解木質(zhì)纖維素的微生物種群[8]。

（3）類(lèi)化學(xué)預(yù)處理作用。微生物代謝產(chǎn)物及其衍生物是白酒固態(tài)發(fā)酵生物質(zhì)降解群落的另一重要組成部分（圖3），根據(jù)分析固態(tài)發(fā)酵體系中含有包括醇、醛、酸、酮、酯、芳香和酚類(lèi)等化學(xué)物質(zhì)，其中以乙醇、乳酸和乙酸含量最為豐富。如發(fā)酵酒醅中乙醇濃度可達(dá)約5%。而高濃度的乙醇和有機(jī)酸可抽提及溶解木質(zhì)纖維素中半纖維素，破壞木質(zhì)纖維素結(jié)構(gòu)。酒醅含有的高濃度乙酸、草酸、琥珀酸等有機(jī)酸，其中草酸對(duì)木質(zhì)素的降解具有重要作用[13]。

為考察濃香型白酒固態(tài)發(fā)酵體系對(duì)稻殼生物質(zhì)抗降解屏障的影響，研究選取原始稻殼及經(jīng)白酒固態(tài)發(fā)酵工藝預(yù)處理的酒糟階段稻殼為研究材料，分析了發(fā)酵前后稻殼成分的變化并應(yīng)用水熱抽提預(yù)處理工藝（180℃，30m in，固液比4∶1）對(duì)原始稻殼和酒糟稻殼進(jìn)行水熱預(yù)處理。結(jié)果顯示，酒糟稻殼的纖維素含量、纖維素結(jié)晶度均顯著低于原料稻殼。這說(shuō)明濃香型白酒固態(tài)發(fā)酵生物質(zhì)降解體系具有纖維素降解能力，可利用輔料稻殼內(nèi)容易降解的無(wú)定形纖維素。同時(shí)酒糟稻殼顯著低于原料稻殼的纖維素水熱抽提率也表明固態(tài)發(fā)酵預(yù)處理后酒糟稻殼已不含易降解的纖維素成分，而原始稻殼內(nèi)依然保留易降解的纖維素組分，因此水熱抽提后原始稻殼纖維素的抽提率顯著高于酒糟稻殼。

雖然未見(jiàn)報(bào)道研究固態(tài)發(fā)酵產(chǎn)白酒過(guò)程中木質(zhì)素的降解以及漆酶、錳過(guò)氧化物酶等木質(zhì)素降解酶活性，但是發(fā)酵過(guò)程中木質(zhì)素降解產(chǎn)物苯酚、4-乙基愈創(chuàng)木酚、2,4-二叔丁基苯酚等酚類(lèi)物質(zhì)的出現(xiàn)，暗示固態(tài)發(fā)酵過(guò)程中確實(shí)可能存在木質(zhì)素的降解現(xiàn)象[14-15]。本研究的結(jié)果——顯著低于原料稻殼的酒糟稻殼酸溶性木質(zhì)素的含量，高溫水熱抽提率結(jié)果表明，白酒固態(tài)發(fā)酵生物質(zhì)降解體系可降解部分酸溶性木質(zhì)素。另外，對(duì)于大分子的酸溶性木質(zhì)素而言，經(jīng)固態(tài)發(fā)酵過(guò)程處理后其高溫水熱抽提效率上升了2倍之多，這表明白酒制作過(guò)程可能顯著改變了稻殼木質(zhì)素的結(jié)構(gòu)，使之更加疏松，易于脫落并分布在水中。

稻殼半纖維素是水熱預(yù)處理作用的主要成分，結(jié)果顯示酒糟稻殼的半纖維素水熱抽提率顯著高于原始稻殼（表3），并且離子色譜檢測(cè)結(jié)果表明，抽提液中半纖維素降解產(chǎn)物也呈現(xiàn)顯著不同特征（表3），如原始稻殼水熱抽提液中的半纖維素降解產(chǎn)物以聚合度＞7的木聚糖為主（含量70%），而小分子的木寡糖（聚合度2～7）和木糖含量只占30%，然而酒糟的半纖維素降解產(chǎn)物以低聚合度的木寡糖和木糖為主（占70%以上），以上這些結(jié)果說(shuō)明白酒發(fā)酵工藝確實(shí)改變了稻殼的半纖維素的存在方式，這種改變使半纖維素易于被抽提出和降解。

稻殼最為顯著的特點(diǎn)是高灰分（7%～9%），水稻表皮層形成角質(zhì)-硅-蠟覆蓋，構(gòu)成入侵微生物的機(jī)械性屏障；而細(xì)胞壁的半纖維素、纖維素與相間的硅質(zhì)-木質(zhì)化多酚結(jié)構(gòu)，則通過(guò)甲氧基的結(jié)合，阻礙了纖維多糖及其鑲嵌的結(jié)構(gòu)營(yíng)養(yǎng)的生物降解利用[16-17]。雖然已有報(bào)道發(fā)現(xiàn)常見(jiàn)木質(zhì)纖維素降解菌——尖孢鐮刀菌具有生物除硅的作用，即將稻殼表面的無(wú)定形硅石轉(zhuǎn)變?yōu)榫w硅，并與稻殼剝離，從而初步破壞稻殼表面的物理屏障[16]。而草腐生食用菌也可提高稻草硅化物溶解率與表皮組織中硅質(zhì)-木質(zhì)化結(jié)構(gòu)的降解轉(zhuǎn)化效果[17]。但是本研究發(fā)現(xiàn)，固態(tài)發(fā)酵后稻殼的灰分含量未見(jiàn)顯著降低，而且發(fā)酵后稻殼灰分的水熱抽提效率反而顯著降低，這表明固態(tài)發(fā)酵過(guò)程可能改變了稻殼富硅機(jī)械性屏障和硅質(zhì)-木質(zhì)化屏障的組成結(jié)構(gòu)，尤其是硅酸鹽結(jié)構(gòu)，使之更加穩(wěn)定。但是這并沒(méi)有降低水熱后酒糟稻殼的纖維素酶解效率。

纖維素酶解實(shí)驗(yàn)最直接的反映了稻殼抗降解屏障的變化對(duì)纖維素酶解效率的影響，研究結(jié)果雖然表明單純固態(tài)發(fā)酵過(guò)程并沒(méi)有直接增加稻殼纖維素的酶解效率，但是2倍于原料稻殼的水熱處理后酒糟稻殼的纖維素酶解效率卻表明了固態(tài)發(fā)酵過(guò)程與高溫水熱預(yù)處理法之間顯著的協(xié)同效應(yīng)。這種協(xié)同效應(yīng)則反映出白酒固態(tài)發(fā)酵過(guò)程對(duì)稻殼生物質(zhì)抗降解屏障的破壞作用。

綜上所述，本研究首次從稻殼成分變化和稻殼高溫水熱預(yù)處理效果以及纖維素酶解效率三方面說(shuō)明了濃香型白酒固態(tài)發(fā)酵工藝對(duì)稻殼抗降解屏障具有破壞作用，也證明了中國(guó)傳統(tǒng)的濃香型白酒固態(tài)發(fā)酵工藝體系實(shí)際上是一個(gè)具有木質(zhì)纖維素預(yù)處理能力的生物質(zhì)降解體系。它可以在發(fā)酵產(chǎn)生酒精及風(fēng)味物質(zhì)的同時(shí)完成對(duì)稻殼抗降解屏障的預(yù)處理。具體研究結(jié)論體現(xiàn)為以下幾點(diǎn)：（1）濃香型白酒固態(tài)發(fā)酵過(guò)程可改變稻殼組成成分；（2）濃香型白酒固態(tài)發(fā)酵工藝顯著影響稻殼水熱抽提效率；（3）濃香型白酒固態(tài)發(fā)酵過(guò)程可顯著增加水熱抽提預(yù)處理后稻殼纖維素酶解效率；（4）中國(guó)傳統(tǒng)的白酒固態(tài)發(fā)酵過(guò)程是一個(gè)既可生產(chǎn)高附加值目的產(chǎn)物（白酒）又具有高效木質(zhì)纖維素預(yù)處理能力的長(zhǎng)期生物加工過(guò)程。

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Effects of Solid-State Fermentation of Nongxiang Baijiu on the Recalcitrance of Rice Husk

WANG Dandan1,2,WANG Liying2,WEI Yuxi1,CUI Qiu2and SUN Zhijie2
（1.College of Life Sciences,Qingdao University,Qingdao,Shandong 266071;2.Qingdao Institute of Bioenergy and Bioprocess Technology,Chinese Academy of Sciences,Qingdao,Shandong 266101,China)

The change in the compositions of rice husk before and after solid-state fermentation of Nongxiang Baijiu was investigated.Besides, the effects of solid-state fermentation on hydrothermal pretreatment and cellulase hydrolysis of rice husk were studied.The results suggested that,1.There was significant change in cellulose content,lignin and ash content and cellulose crystallinity of rice husk;2.the extraction rate of hemicellulose and acid-insoluble lignin of rice husk by hydrothermal pretreatment increased dramatically and the polymerization degree of hemicellulose degradation products decreased significantly;3.enzymatic hydrolysis efficiency of hydrothermal pretreated rice husk increased by more than two times.The above findings proved that solid-state fermentation has both the powerful lignocellulose pretreatment capability and the production capacity of high value-added liquor products.

solid-state fermentation of Nongxiang Baijiu;rice husk;recalcitrance

TS262.3；TS261.4；TS261.2

A

1001-9286（2017）01-0025-05

10.13746/j.njkj.2016324

吉林省公主嶺市科技開(kāi)發(fā)項(xiàng)目（Y 56206190G）和國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（No.31570029）。

2016-11-02

王丹丹（1990-），女，山東省青島市人，微生物學(xué)專(zhuān)業(yè)碩士研究生，研究方向?yàn)槲⑸镔Y源的開(kāi)發(fā)與利用，E-mail：wddsarah1314@163.com。

孫志杰（1978-），博士，副研究員,主要從事農(nóng)產(chǎn)廢棄物的綜合利用技術(shù)開(kāi)發(fā)，E-mail：sunzj@qibebt.ac.cn。