酸性電解水爆破處理靈芝廢段木效果研究

裴海生，王民敬，尹 騰，張秀清，孫君社*

（1.農業(yè)部規(guī)劃設計研究院，北京100125；2.中國農業(yè)大學食品科學與營養(yǎng)工程學院，北京100083）

酸性電解水爆破處理靈芝廢段木效果研究

裴海生1，王民敬1，尹 騰2，張秀清2，孫君社1*

（1.農業(yè)部規(guī)劃設計研究院，北京100125；2.中國農業(yè)大學食品科學與營養(yǎng)工程學院，北京100083）

隨著靈芝產業(yè)的不斷壯大，每年因種植靈芝而產生大量廢段木。該文在對廢段木組成成分分析的基礎上，研究了酸性電解水爆破處理廢段木酶解工藝。廢段木經(jīng)酸性電解水預煮后高溫瞬時爆破處理來破壞組織結構及纖維素結晶狀態(tài)，以半纖維素去除率和纖維素損失率為考察指標，通過單因素試驗及正交試驗確定了反應的最優(yōu)爆破條件為酸性電解水pH 1.8、爆破溫度180℃、爆破時間60 s、預煮液固比為20:1（mL:g）。此最佳條件下半纖維素的去除率為94.20%，纖維素的溶出率為12.57%；經(jīng)酸性電解水爆破處理后酶解率達86.40%，爆破殘渣酶解效果表明利用強酸性電解水爆破處理靈芝廢段木能夠有效破壞纖維素結晶狀態(tài)，利于纖維素酶酶解。

廢段木；酸性電解水；蒸汽爆破；纖維素；半纖維素

道地靈芝的栽培方式為段木栽培[1-2]，隨著靈芝產業(yè)的不斷壯大，每年因種植靈芝而產生的廢段木數(shù)量可觀。僅在浙江省龍泉市，每年用于靈芝栽培的段木就有近3萬t，而這些栽培后的廢段木大多被廢棄或焚燒。自然界中靈芝菌屬白腐菌，是一類高效的木質素降解微生物，其可徹底降解木質素為CO2和H2O，還可以選擇降解部分半纖維素[3]。靈芝廢段木中除少量半纖維素和木質素外，主要成分是未被利用的纖維素。若采用適當?shù)募夹g方法將這些被廢棄的靈芝廢段木進行處理，將其中高含量的纖維素進行分離提取，可以作為纖維素乙醇等生化產品的潛在木質纖維原料。這樣不僅可以為當?shù)貛硇碌慕?jīng)濟增長點，更重要的是彌補了靈芝種植產業(yè)中段木廢棄帶來的環(huán)境污染。

廢段木的生物轉化過程主要有2個環(huán)節(jié)，首先是對廢段木進行預處理，其次是將原料中的纖維素、半纖維素水解為可被發(fā)酵利用的糖[4-8]。由于木質纖維素內致密復雜的天然結構及纖維素結晶阻礙了纖維素酶對纖維素的水解，因此需要采用合適的預處理方法提高纖維素的酶解效率。

木質纖維原料預處理的方法主要有物理法、化學法、生物法等，其中蒸汽爆破預處理方法是近年來研究應用較多的一種方法。蒸汽爆破是直接用高壓水蒸氣對木質纖維素原料進行蒸煮，然后瞬間釋放至常壓而產生爆破效果。蒸汽爆破預處理能實現(xiàn)木質纖維素原料的組分分離和結構改變，從而進一步提高原料的酶水解效率[9-12]。

由于酸性電解水同時具備酸性和較強的氧化性，并且具有成本低廉、綠色環(huán)保等優(yōu)點[13-15]。在之前的研究中通過高溫高壓酸性電解水來處理玉米秸稈（160～180℃），結果發(fā)現(xiàn)強酸性電解水對半纖維素的降解具有明顯的促進作用，能夠高效去除秸稈中的半纖維素，同時提高剩余纖維素的酶解效果[16]。本研究采用強酸性電生功能水對靈芝廢段木進行爆破處理，以半纖維素去除率以及纖維素損失率為指標，優(yōu)化處理工藝，確定最佳處理條件，實現(xiàn)靈芝廢段木的高值化利用。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

靈芝廢段木：浙江省龍泉科達農副產品有限公司提供，為種植靈芝三年后的段木。NaCl、濃H2SO4（均為分析純）：國藥集團化學試劑有限公司；葡萄糖、木糖（均為色譜純）、纖維素酶（300U/g）：美國Sigma公司。

1.2 儀器與設備

QBS-80汽爆工藝試驗臺：河南鶴壁市正道重機集團有限公司。該裝置主要設備由燃氣加熱裝置、蒸汽發(fā)生器、蒸汽爆破腔、收集腔和輔助控制系統(tǒng)等組成。

電解水制備裝置，本實驗中使用的電解槽為自制的常規(guī)雙槽隔膜式電解槽，規(guī)格為40 cm×20 cm×20 cm，隔膜選用陰離子交換膜；極板為涂釕鈦網(wǎng)，極板距離固定為10 cm；外接變壓調節(jié)器，壓力可調范圍為0～220 V。

1.3 試驗方法

1.3.1 強酸性電解水的制備

在整個電解過程中采用了恒定電流方式電解，通過調節(jié)變壓調節(jié)器使得電解電流維持在0.6 A左右。電解時選擇陽極室的NaCl質量濃度為0.1 g/100 mL，陰極室的NaCl質量濃度為1 g/100 mL，電解25～60 min得到pH不同的酸性電解水。

1.3.2 酸性電解水爆破處理

靈芝廢段木經(jīng)粉碎后，加入不同比例酸性電解水85℃蒸煮30 min，濾去多余水分，隨后考察不同爆破溫度和保溫時間下蒸煮過的廢段木蒸汽爆破處理后的組分溶出情況及酶解效果。

1.3.3 靈芝廢段木的成分分析

準確稱取靈芝廢段木粉末0.3 g放入試管中，加入3 mL 72%硫酸溶液，漩渦混合。將試管放入30℃水浴鍋中保持60 min，每隔5～10 min漩渦混合一次；然后將試管從水浴鍋中取出，加入去離子水將硫酸濃度由72%稀釋到4%，放入滅菌鍋中121℃保持1 h，抽濾。高效液相色譜（high performance liquid chromatography，HPLC）法測定其中的葡萄糖和木糖含量，用于計算樣品中纖維素和半纖維素的含量；濾渣105℃干燥至恒質量后測定樣品中酸不溶木質素含量。纖維素和半纖維素含量計算公式如下：

式中：C1為HPLC測得的葡萄糖質量濃度，mg/mL；C2為HPLC測得的木糖質量濃度，mg/mL；V為反應體系總體積，mL；0.9為葡萄糖轉化為纖維素的系數(shù)；0.88為木糖轉化為半纖維素的系數(shù)；m為待測樣品干物質含量，mg。

1.3.4 蒸汽爆破原料酶解

準確稱取4.0 g（干質量）爆破廢段木試樣，及80 mL 0.05 mol/L pH4.8檸檬酸緩沖液，加入三角搖瓶，纖維素酶加量20 FPU（以1 g底物計）酶解體系固液比1∶10（g∶mL），酶解糖化條件為50℃、水浴搖床轉速160 r/min、酶解時間72 h。酶解后，酶解液離心，取上清液通過高效液相色譜法測定酶解液中糖濃度，廢段木原料酶解率計算公式如下：

酶解率=（0.9×m1）/m2×100%

式中：m1為酶解液中葡萄糖的質量，g；m2為底物中纖維素的質量，g。

2 結果與分析

2.1 靈芝廢段木組成成分分析

選取靈芝種植一年、兩年和三年的廢段木進行了組分分析，結果見圖1。由圖1可知，隨著種植年份的延長，段木中木質素的含量逐漸減少，由種植前的19.30%減少到三年后的10.20%，半纖維素的含量也逐年減少，由種植前的19.20%減少到三年后的13.60%，而廢段木中纖維素含量則逐年增加，由種植前的36.83%增加到三年后的63.14%。這表明在靈芝的生長過程中，其對木質素和半纖維素的利用較多，這與文獻中的報道較為一致[17]，即靈芝在生長前期以較易降解的半纖維素為其營養(yǎng)來源，而在生長后期通過分泌木質素降解酶系主要利用木質素來完成其生長代謝，在靈芝的整個生長過程中對纖維素的利用較少，或者基本沒有利用，使得纖維素保留在段木中。

圖1 廢段木組成成分分析Fig.1 Components of waste cut-log

2.2 爆破處理條件優(yōu)化單因素試驗

在液固比為30∶1（mL∶g）、爆破溫度為160℃、爆破時間為60 s的條件下，不同pH值（1.6、1.8、2.0、2.2）酸性電解水預煮廢段木后爆破處理結果見圖2a。從圖2a可以看出，隨著酸性電解水pH的降低，酸水爆破處理靈芝廢段木后，半纖維素的去除率逐漸升高。當酸水pH值為2.2時，半纖維素的去除率僅為61.99%。隨著pH降低到2.0，半纖維素的去除率增加為80.77%。當進一步降低酸水pH值至1.6時，半纖維素的去除率迅速提高至92.36%。同樣隨著酸水pH的降低，纖維素損失率逐漸升高，由pH 2.2時的12.24%逐漸升高至pH1.6時的23.21%。由此可以看出隨著酸性電解水pH的降低，半纖維素去除率提高的同時也伴隨著越來越多的纖維素損失。

圖2 酸水爆破處理單因素試驗結果Fig.2 Single factor experiments results of acid electrolyzed water explosion pretreatment

在酸水pH為2.0、爆破溫度為160℃、爆破時間為60 s的條件下，考察了液固比分別為20∶1、30∶1、40∶1、50∶1（mL∶g）時的處理效果，結果見圖2b。從圖2b可以看出，隨著液固比的增加，半纖維素去除率逐漸升高，在液固比從20∶1（mL∶g）升至40∶1（mL∶g）時，半纖維素去除率顯著增加，在液固比為40∶1（mL∶g）時，半纖維素去除率高達87.76%；繼續(xù)增大液固比至50∶1（mL∶g）時，半纖維素去除率增速變緩。纖維素的損失率隨液固比的增加而增加，在液固比為20∶1（mL∶g）時，纖維素損失率最小，為13.74%，當液固比升至50∶1（mL∶g）時，纖維素的損失率升高至21.35%。

在酸水pH為2.0、液固比為30∶1（mL∶g）、處理時間為60 s的條件下，考察了爆破溫度分別為140℃、160℃、180℃、200℃時的處理效果，結果見圖2c。從圖2c可以看出，隨著爆破溫度的升高，半纖維素的去除率明顯升高，由140℃時的68.12%升高至200℃時的96.83%，由此說明高溫爆破處理可以明顯促進半纖維素溶出。但是由于爆破溫度的不斷升高，纖維素的損失率也在不斷增大，在160℃時最低為6.4%，當爆破溫度升高到200℃時，損失率為32.05%。

在酸水pH為2.0、液固比為30∶1、爆破溫度為180℃的條件下，考察了爆破時間分別為30 s、60 s、90 s、120 s時的處理效果，結果見圖2d。從圖2d可以看出，隨著爆破時間的延長，半纖維素和纖維素的去除率均顯著增加。當爆破時間為30 s時，半纖維素的去除率為66.83%，纖維素損失率為8.84%；當爆破時間延長至120 s時，半纖維素去除率為94.41%，而此時纖維素損失率升高為24.26%。

2.3 爆破處理條件正交試驗優(yōu)化

在單因素試驗的基礎上，選取酸水pH、爆破溫度、爆破時間和液固比4個因素對爆破處理靈芝廢段木條件進行優(yōu)化，以半纖維素去除率和纖維素損失率綜合指標（按半纖維素去除率∶纖維素損失率=7∶3的權重計算所得）為評價指標，正交試驗因素與水平見表1，結果與分析見表2。

表1 爆破條件優(yōu)化正交試驗因素與水平Table 1 Factors and levels of orthogonal tests for blasting conditions optimization

由表2可以看出，考察綜合指標時，影響酸性電解水處理靈芝廢段木效果的主次因素依次是溫度＞pH＞爆破時間＞液固比，最優(yōu)條件組合為A1B3C2D1，即酸性電解水爆破溫度180℃、pH1.8、爆破時間60 s、預煮液固比為20∶1（mL∶g）。在此最佳條件下進行3次驗證試驗，半纖維素的去除率為94.20%，此時纖維素損失率為12.57%。利用兩步酸水解法測定了上述最優(yōu)方案處理后的靈芝廢段木殘渣中各組分含量，結果表明在此條件下處理廢段木后，殘渣中纖維素含量可高達82.75%，半纖維素含量低至1.30%。

表2 爆破條件優(yōu)化正交試驗結果與分析Table 2 Results and analysis of orthogonal tests for blasting conditions optimization

2.4 爆破處理廢段木酶解效果

選取靈芝種植前段木、種植后廢段木及酸水爆破處理的廢段木原料，通過纖維素酶酶解，考察其酶解效率的差異，結果見圖3。從圖3可以看出，酸水爆破處理廢段木樣品酶解率達86.40%，明顯高于未經(jīng)爆破處理的廢段木樣品，表明爆破處理可以充分破壞纖維素內部結晶結構，利于酶解過程纖維素酶的酶解利用。

圖3 不同段木原料纖維素酶酶解效果Fig.3 Hydrolysis effect of different waste cut-log samples using cellulase

3 結論

基于酸性電解水蒸汽爆破預處理靈芝種植廢段木組分溶出及酶解效果的考察，通過單因素試驗及正交試驗確定了反應的最優(yōu)條件，并在此基礎上進行了酶解效果考察驗證。結果表明溫度、時間、酸性電解水pH值都是影響處理效果的主要因素，酸性電解水蒸汽爆破處理靈芝廢段木的最佳條件為爆破溫度180℃、酸性電解水pH 1.8、爆破時間60 s、預煮液固比為20∶1（mL∶g），此時半纖維素的去除率為94.20%，纖維素的溶出率為12.57%；經(jīng)酸性電解水爆破處理后酶解率達86.40%，分析其主要原因可能是由于強酸性電解水爆破處理能夠有效破壞靈芝廢段木纖維素結晶狀態(tài)，從而明顯提高了纖維素酶酶解效果。酸性電解水爆破前蒸煮使得酸性水浸透段木組織內部，高溫高壓環(huán)境下，在酸性電解水強酸性和強氧化作用下，半纖維素降解為可溶性聚糖或單體溶出，隨后瞬間爆破使得組織內部液態(tài)瞬間汽化破壞殘留纖維素的結晶結構，提高纖維素酶的酶解效率，整個過程能耗低、無其他試劑添加，利于工業(yè)化推廣應用。

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Effect of acid electrolyzed water explosion pretreatment onGanoderma lucidumwaste cut-log

PEI Haisheng1,WANG Minjing1,YIN Teng2,ZHANG Xiuqing2,SUN Junshe1*(1.Chinese Academy of Agricultural Engineering,Beijing 100125,China; 2.College of Food Science and Nutritional Engineering,China Agricultural University,Beijing 100083,China)

With the continuous development ofGanoderma lucidumindustry,a large number of waste cut-log was produced due to the cultivation of G.lucidumevery year.Based on the analysis of waste cut-log components,the process of steam explosion pretreatment of waste cut-log with acid electrolysis water was studied.Taking hemicellulose removal rate and cellulose loss rate as evaluation index,the optimum reaction conditions were determined by single factor tests and orthogonal tests as follows:electrolysis water pH 1.8,explosion temperature 180℃,time 60 s,precook liquid-solid ratio 20:1(ml:g).Under these conditions,the hemicellulose removal rate was 94.20%,cellulose leaching rate was 12.57%,and finally cellulose enzymolysis rate can reach 86.40%.The results showed that using strong acidic electrolyzed water explosion treatment ofG.lucidumwaste cut-log can effectively destruct the crystalline state of celulose,enhance the enzymatic hydrolysis.

waste cut-log;acid electrolyzed water;steam explosion;cellulose;hemicellulose

TQ353.6

0254-5071（2017）01-0079-04

10.11882/j.issn.0254-5071.2017.01.016

2015-08-25

國家自然科學基金(21176247)

裴海生(1981-)，男，工程師，博士，研究方向為生物質資源綜合利用。

*通訊作者：孫君社(1961-)，男，教授，博士，研究方向為生物技術與酶工程。