稻草秸稈的酶解糖化及發(fā)酵生產(chǎn)衣康酸

劉 蘭，倪 賽，任雨萍，由維清，印培民*

(1.江西省科學(xué)院微生物研究所，江西 南昌 330000；2.江西科院生物新材料有限公司，江西 南昌 330000)

我國每年產(chǎn)生大量的農(nóng)林廢棄物，一般被焚燒、填埋或作為堆肥使用，不僅浪費(fèi)資源還污染環(huán)境[1]。如何有效資源化廢棄物對資源利用和產(chǎn)業(yè)升級具有重要意義[2-3]。秸稈是我國主要的農(nóng)林廢棄物，經(jīng)降解可轉(zhuǎn)化為糖類(纖維素和半纖維素)，進(jìn)而轉(zhuǎn)化為可被微生物利用的還原糖，用于生產(chǎn)各種化工產(chǎn)品和燃料，可解決糧食資源短缺的問題[4]。

衣康酸(itaconic acid)是第五大有機(jī)酸(前4位依次為：檸檬酸、葡萄糖酸、乳酸和蘋果酸)[5]。衣康酸發(fā)酵的最適碳源是葡萄糖，其價格較淀粉等碳源要高，無法滿足實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)；但由于衣康酸發(fā)酵菌株缺乏能夠水解糖類的酶或其酶活很低，無法直接有效利用淀粉等大分子糖類，而需要經(jīng)過預(yù)處理將其轉(zhuǎn)化為可被衣康酸發(fā)酵菌株利用的小分子糖類(如葡萄糖)，這無疑會增加生產(chǎn)成本。因此，尋求非糧可再生原料生產(chǎn)衣康酸是降低生產(chǎn)成本的有效策略。1978年，Kobayashi等研究發(fā)現(xiàn)木材廢棄物經(jīng)水解后，其水解液可被利用生產(chǎn)衣康酸。Saha等[6]研究發(fā)現(xiàn)，部分土曲霉能夠利用木糖等五碳糖生產(chǎn)衣康酸，為充分利用木質(zhì)纖維素原料水解糖類奠定了基礎(chǔ)。Saha等[7]用稀酸預(yù)處理小麥秸稈，經(jīng)酶解獲得酶解液，將酶解液稀釋1 000倍并額外添加葡萄糖后，利用土曲霉發(fā)酵生產(chǎn)衣康酸的產(chǎn)量約為正常發(fā)酵的一半。Jimenez-Quero等[8]將麥麩和玉米芯進(jìn)行水解得到水解液，發(fā)現(xiàn)兩種土曲霉無法在稀釋10倍的水解液中發(fā)酵生產(chǎn)衣康酸。Pedroso等[9]將米糠經(jīng)磷酸預(yù)處理及脫毒處理后，利用土曲霉發(fā)酵生產(chǎn)衣康酸的產(chǎn)量為1.9 g·L-1。Krull等[10]將小麥殼進(jìn)行NaOH溶液預(yù)處理后制得水解液，利用土曲霉發(fā)酵生產(chǎn)衣康酸的產(chǎn)量為0.6 g·L-1；水解液經(jīng)蛋白質(zhì)變性和離子交換樹脂脫毒后，衣康酸產(chǎn)量提高到27.7 g·L-1。

作者以稻草秸稈酶解糖化液為原料，利用土曲霉KY-013發(fā)酵生產(chǎn)衣康酸；研究超微粉碎、高溫蒸煮、稀硫酸和NaOH溶液等預(yù)處理方式對稻草秸稈酶解糖化的影響，并分析預(yù)處理前后及酶解后稻草秸稈中組分含量的變化，旨在充分利用秸稈資源，降低生產(chǎn)成本，為農(nóng)業(yè)廢棄物纖維素資源的開發(fā)利用開辟可行的途徑。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 材料與儀器

稻草秸稈，取自江西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院水稻試驗(yàn)田；纖維素酶(酶活力為494.6 IU·g-1)、土曲霉(Aspergillusterreus)KY-013均由江西科院生物新材料有限公司提供。

UV-6000PC型紫外可見分光光度計(jì)，上海元析儀器有限公司；HPLC-20AD型液相色譜儀、TOSOh TSKgel-OApakP+Oapak A型分析柱(7.8 mm×300 mm)、RID-10A型示差檢測器，日本島津公司；MKCA6-2J型超微粉碎機(jī)，MASUKO SANGYO；PC350×500型錘式粉碎機(jī)，鄭州恒星重型設(shè)備有限公司；TY36型小型盤式粉碎機(jī)，山東濟(jì)寧曲阜天陽機(jī)械制造有限公司。

1.2 培養(yǎng)基

斜面培養(yǎng)基(g·L-1)：葡萄糖20、玉米漿干粉8.0、NaCl 20、瓊脂15。

種子培養(yǎng)基(g·L-1)：葡萄糖55.5、玉米漿干粉1.2、NH4NO35.0、MgSO4·7H2O 2.0、pH值3.0。

發(fā)酵培養(yǎng)基(g·L-1)：稻草秸稈水解液、葡萄糖、木糖、NH4NO33、MgSO4·7H2O 1.8、玉米漿干粉 0.48、KH2PO40.05、ZnSO40.02、pH值3.0。

1.3 稻草秸稈粉的制備

將自然風(fēng)干的稻草秸稈切成1～2 cm小段，用自來水沖洗干凈，室內(nèi)風(fēng)干后，105 ℃下干燥2 h，儲于干燥器中；取1 kg干燥稻草秸稈依次經(jīng)錘式粉碎機(jī)和盤式粉碎機(jī)粉碎后，過60目篩，即得稻草秸稈粉。

1.4 稻草秸稈預(yù)處理方式的篩選

1.4.1 超微粉碎預(yù)處理

稱取100 g稻草秸稈粉置于2 000 mL錐形瓶中，加入1.9 kg水，混勻后得到稻草混合液。將超微粉碎機(jī)調(diào)零并設(shè)置參數(shù)為500 μm，將稻草混合液加入磨機(jī)，并不斷調(diào)小磨機(jī)間距，使得稻草混合液依次通過每個節(jié)點(diǎn)(500 μm、300 μm、250 μm、200 μm、150 μm、100 μm)，然后分別在粒徑為10 μm、20 μm、30 μm、40 μm、50 μm、60 μm條件下通過10次，抽濾分離，60 ℃干燥至恒重，置于干燥器中，備用。以無處理作為空白對照。

1.4.2 高溫蒸煮預(yù)處理

稱取10 g稻草秸稈粉置于500 mL錐形瓶中，加入190 g水，分別經(jīng)120 ℃、160 ℃、180 ℃蒸煮處理1 h，抽濾分離，60 ℃干燥至恒重，置于干燥器中，備用。以無處理作為空白對照。

1.4.3 稀硫酸預(yù)處理

稱取10 g稻草秸稈粉置于250 mL錐形瓶中，按固液比1∶10(g∶mL)分別加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%、5%、10%、15%、20%和25%的稀硫酸，置于恒溫?fù)u床中，于60 ℃、200 r·min-1振蕩處理24 h，抽濾分離，用蒸餾水洗滌至中性，60 ℃干燥至恒重，置于干燥器中，備用。以蒸餾水處理作為空白對照。

1.4.4 NaOH溶液預(yù)處理

稱取10 g稻草秸稈粉置于250 mL錐形瓶中，按固液比1∶7.5(g∶mL)分別加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%、1.0%、1.5%、2.0%、3.0%、4.0%和5.0%的NaOH溶液，置于恒溫?fù)u床中，于30 ℃、200 r·min-1振蕩處理24 h，抽濾分離，用蒸餾水洗滌至中性，60 ℃干燥至恒重，置于干燥器中，備用。以蒸餾水處理作為空白對照。

1.5 稻草秸稈的酶解糖化

準(zhǔn)確稱取2.5 g預(yù)處理后的稻草秸稈粉置于250 mL錐形瓶中，按固液比1∶20(g∶mL)加入pH值為4.8的檸檬酸緩沖液，然后加入一定量纖維素酶溶液，于50 ℃、200 r·min-1酶解48 h，以蒸餾水處理作為空白對照。每24 h取樣測定酶解液中還原糖和總糖的含量，按式(1)計(jì)算還原糖轉(zhuǎn)化率。

(1)

式中：A為酶解液中還原糖含量；B為預(yù)處理后的稻草秸稈粉質(zhì)量；C為預(yù)處理前稻草秸稈粉質(zhì)量；D為預(yù)處理前稻草秸稈粉中總糖含量。

采用DNS法[11]測定酶解液中還原糖含量，采用硫酸-苯酚法[12]測定酶解液中總糖含量，采用Van Soest法[13]測定NaOH溶液預(yù)處理前后以及酶解后稻草秸稈中纖維素、半纖維素和木質(zhì)素的含量。

1.6 發(fā)酵生產(chǎn)衣康酸

參照文獻(xiàn)[14]進(jìn)行。將安瓿管保藏的土曲霉KY-013菌種接種至斜面培養(yǎng)基中，30 ℃恒溫培養(yǎng)4 d后，置于4 ℃冰箱中保存，備用；用無菌水洗下斜面孢子，稀釋，使菌懸液孢子濃度為4.55×107個·mL-1；按10%接種量接種于100 mL種子培養(yǎng)基中，于30 ℃、220 r·min-1振蕩培養(yǎng)48 h；將培養(yǎng)好的種子液按10%接種量接種至40 mL發(fā)酵培養(yǎng)基中，于37 ℃、280 r·min-1振蕩培養(yǎng)6 d，即得衣康酸。

糖酸轉(zhuǎn)化率的測定：將發(fā)酵液經(jīng)10 000 r·min-1離心10 min；取上清液，稀釋，用0.22 μm聚醚水性濾膜過濾，進(jìn)行HPLC分析(檢測器為RID-10A型示差檢測器，流動相為0.75 mmol·L-1H2SO4，流速1.0 mL·min-1，柱溫45 ℃，進(jìn)樣量10 μL)，測定發(fā)酵液中衣康酸和殘?zhí)呛?，按?2)計(jì)算糖酸轉(zhuǎn)化率。

(2)

2 結(jié)果與討論

2.1 超微粉碎預(yù)處理對稻草秸稈酶解糖化的影響(圖1)

圖1 超微粉碎預(yù)處理對稻草秸稈酶解糖化的影響Fig.1 Effect of superfine pulverization pretreatment on enzymatic saccharification of rice straw

從圖1可知，稻草秸稈經(jīng)超微粉碎預(yù)處理后進(jìn)行纖維素酶酶解，粒徑10～60 μm的稻草秸稈酶解24 h的還原糖轉(zhuǎn)化率為31.50%～38.24%，酶解48 h的還原糖轉(zhuǎn)化率為44.40%～49.50%；酶解48 h的還原糖轉(zhuǎn)化率普遍高于酶解24 h的。因此，超微粉碎預(yù)處理的最優(yōu)方式為錘式粉碎機(jī)、盤式粉碎機(jī)依次粉碎，得到50 μm粒徑的稻草秸稈酶解48 h的還原糖轉(zhuǎn)化率最高，為49.50%。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，50 μm和60 μm粒徑的稻草秸稈與纖維素酶的接觸面積最大，其纖維素的結(jié)晶度最低，在一定程度上提高了還原糖轉(zhuǎn)化率，但稻草秸稈中木質(zhì)素結(jié)構(gòu)并未被有效破壞，木質(zhì)素去除率僅2.6%。因此，超微粉碎預(yù)處理的酶解效率不夠理想[15]。

2.2 高溫蒸煮預(yù)處理對稻草秸稈酶解糖化的影響(圖2)

從圖2可知，稻草秸稈分別經(jīng)120 ℃ 、160 ℃和180 ℃蒸煮預(yù)處理1 h后進(jìn)行纖維素酶酶解，酶解24 h的還原糖轉(zhuǎn)化率分別為48.06%、30.24%、29.16%，酶解48 h的還原糖轉(zhuǎn)化率分別為52.14%、33.81%、32.16%；酶解48 h的還原糖轉(zhuǎn)化率普遍高于酶解24

圖2 高溫蒸煮預(yù)處理對稻草秸稈酶解糖化的影響Fig.2 Effect of high temperature cooking pretreatment on enzymatic saccharification of rice straw

h的；120 ℃蒸煮預(yù)處理的酶解效果優(yōu)于160 ℃和180 ℃。這是因?yàn)?，高溫高壓會促使纖維素內(nèi)部氫鍵斷裂，其脫落的羥基會增強(qiáng)纖維素的吸附能力，半纖維素和木質(zhì)素脫離纖維素的包裹，并進(jìn)一步水解和轉(zhuǎn)化，但溫度過高會一定程度破壞纖維素和半纖維素的結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致酶解效率降低，進(jìn)而影響還原糖轉(zhuǎn)化率。因此，高溫蒸煮預(yù)處理的最優(yōu)方式為120 ℃處理1 h，得到的稻草秸稈酶解48 h的還原糖轉(zhuǎn)化率最高，為52.14%。但高溫高壓不能改變木質(zhì)素結(jié)構(gòu)、有效去除木質(zhì)素、降低纖維素結(jié)晶度，因此，其應(yīng)用在一定程度上受到限制[16]。荊磊等[17]研究發(fā)現(xiàn)，稻草秸稈經(jīng)160 ℃自水解預(yù)處理，在混合酶用量為40 FPU·g-1時，葡聚糖和木聚糖的總轉(zhuǎn)化率分別約為68%和45%，總糖轉(zhuǎn)化率近60%。

2.3 稀硫酸預(yù)處理對稻草秸稈酶解糖化的影響(圖3)

圖3 稀硫酸預(yù)處理對稻草秸稈酶解糖化的影響Fig.3 Effect of dilute sulfuric acid pretreatment on enzymatic saccharification of rice straw

從圖3可知，稻草秸稈分別經(jīng)1%、5%、10%、15%、20%、25%的稀硫酸預(yù)處理后進(jìn)行纖維素酶酶解，隨著稀硫酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，還原糖轉(zhuǎn)化率總體呈降低的趨勢；在稀硫酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%時，酶解48 h的還原糖轉(zhuǎn)化率達(dá)到最高，為37.69%。這是因?yàn)椋?%稀硫酸能明顯降低纖維素的平均聚合度、改變木質(zhì)素的結(jié)構(gòu)、增強(qiáng)反應(yīng)能力、最大程度提高酶解效率。因此，稀硫酸預(yù)處理的最優(yōu)方式為1%稀硫酸預(yù)處理稻草秸稈，酶解48 h的還原糖轉(zhuǎn)化率為37.69%。但稀硫酸在處理過程中會產(chǎn)生多種抑制發(fā)酵的產(chǎn)物[15]，并且稀硫酸預(yù)處理對木質(zhì)素的去除率較低，只有16.67%。孫萬里等[18]曾報(bào)道，經(jīng)酸預(yù)處理的稻草秸稈酶解的纖維素轉(zhuǎn)化率為43.4%、葡萄糖含量為24.1 g·L-1；經(jīng)酸堿聯(lián)合處理的稻草秸稈酶解的纖維素轉(zhuǎn)化率為60.6%、葡萄糖含量為47.7 g·L-1。

2.4 NaOH溶液預(yù)處理對稻草秸稈酶解糖化的影響

經(jīng)檢測，稻草秸稈中纖維素含量為34.8%、半纖維素含量為23.2%、木質(zhì)素+灰分含量為18.38%。NaOH溶液預(yù)處理前后及酶解后，稻草秸稈中各組分含量變化如圖4所示。

從圖4可知，NaOH預(yù)處理后，纖維素含量增加15.66%；半纖維素?fù)p失率為10.05%；而木質(zhì)素+灰分含量明顯降低，殘留量只有3.93%，損失率達(dá)到85.93%；酶解后殘?jiān)心举|(zhì)素+灰分含量增加48.69%。有研究報(bào)道，NaOH溶液預(yù)處理對纖維素含量變化無影響，半纖維素與木質(zhì)素的損失比較大。此外，NaOH溶液預(yù)處理過程中，由于木質(zhì)素、半纖維素溶出較多，使得纖維素充分暴露，增大了稻草秸稈的比表面積，提高了酶解效率[15,19]。

NaOH溶液預(yù)處理對稻草秸稈酶解糖化的影響如圖5所示。

從圖5可知，隨著NaOH質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，還原糖轉(zhuǎn)化率呈先升高后降低的趨勢；在NaOH質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.5%時，酶解24 h和48 h的還原糖轉(zhuǎn)化率均達(dá)到最高，分別為61.94%和82.51%。纖維素酶會不斷將纖維素和半纖維素酶解成可利用還原糖，而木質(zhì)纖維素的結(jié)構(gòu)對纖維的結(jié)晶度、孔隙率及木質(zhì)素的含量影響很大[20]。稻草秸稈經(jīng)1.5%NaOH溶液預(yù)處理后，其稻草秸稈結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，木質(zhì)素-碳水化合物復(fù)合體被破壞，使部分纖維素脫出，木質(zhì)纖維素的內(nèi)部結(jié)構(gòu)更加疏松，酶對纖維素的可及度增加，此外稻草纖維的結(jié)晶度降低，稻草秸稈膨脹、孔隙率增加，且木質(zhì)素被NaOH溶解后被溶出。因此，纖維素不斷被酶解糖化成葡萄糖，半纖維素被酶解成木糖和阿拉伯糖。酶解后殘?jiān)心举|(zhì)素含量較高，結(jié)晶度也較高，不僅可以用來提純木質(zhì)素用作工業(yè)原料，也可以將酶解殘?jiān)苯犹砑又辆廴樗嶂?，制備新型生物可降解材料，?shí)現(xiàn)木質(zhì)纖維的全組分利用[21]。

綜上，結(jié)合李輝勇等[22]的研究結(jié)果，確定稻草秸稈的最佳預(yù)處理方式為：按固液比1∶7.5(g∶mL)加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.5%的NaOH溶液，于30 ℃、200 r·min-1振蕩處理24 h；結(jié)合沙如意等[12]的研究結(jié)果，確定最佳酶解工藝為：按固液比1∶20(g∶mL)加入pH值4.8的檸檬酸緩沖液，加入2.5 IU·g-1纖維素酶溶液，于50 ℃、200 r·min-1酶解48 h。

2.5 稻草秸稈酶解糖化液中還原糖的含量

稻草秸稈酶解糖化液的HPLC圖譜如圖6所示，稻草秸稈酶解糖化液中各還原糖的含量如圖7所示。

經(jīng)單糖定量分析可知，稻草秸稈酶解糖化液中的還原糖主要有D-纖維二糖(16.214 min)、乳糖(17.890 min)、葡萄糖(19.026 min)、木糖(20.285 min)、阿拉伯糖(22.748 min)。其中，葡萄糖含量最高，酶解24 h的含量為17.62 g·L-1、酶解48 h的含量為23.44 g·L-1；其次為乳糖、木糖、D-纖維二糖、阿拉伯糖。據(jù)報(bào)道，稻草秸稈中主要還原糖為阿拉伯聚糖、半乳聚糖、葡聚糖和木聚糖[17]。經(jīng)纖維素酶酶解后，阿拉伯聚糖被分解為阿拉伯糖，葡聚糖被完全分解為葡萄糖、不完全分解為D-纖維二糖，木聚糖被完全分解為木糖，而酶解糖化液中乳糖由半乳聚糖不完全分解得到。稻草秸稈經(jīng)1.5%NaOH溶液預(yù)處理后，半纖維素和木質(zhì)素脫除，因此由半纖維素水解而成的木糖含量明顯偏低，而纖維素更加高效水解為葡萄糖，因此還原糖中的葡萄糖含量最高。

2.6 利用稻草秸稈酶解糖化液發(fā)酵生產(chǎn)衣康酸

土曲霉KY-013利用NaOH溶液預(yù)處理后的稻草秸稈酶解糖化液發(fā)酵生產(chǎn)衣康酸的結(jié)果如表1所示。

從表1可知：

(1)稻草秸稈酶解糖化液中未額外添加葡萄糖和木糖時(1#～5#)，隨著酶解糖化液中葡萄糖和木糖濃度的增加，衣康酸的產(chǎn)量先升高后降低；在葡萄糖濃度為30 g·L-1、木糖濃度為3.5 g·L-1時，衣康酸產(chǎn)量達(dá)到最高，為9.78 g·L-1，糖酸轉(zhuǎn)化率為20.77%。這是因?yàn)?，酶解糖化液雖然在一定條件下能被土曲霉KY-013發(fā)酵生產(chǎn)衣康酸，但1.5%NaOH溶液預(yù)處理稻草秸稈酶解糖化液中含有抑制土曲霉KY-013發(fā)酵的物質(zhì)，使得發(fā)酵利用受阻；高濃度的酶解糖化液中抑制物濃度較高，此時雖然葡萄糖和木糖濃度高，但不足以應(yīng)對抑制物的抑制作用；而低濃度的酶解糖化液中抑制物濃度較低，土曲霉KY-013對酶解糖化液中葡萄糖和木糖的發(fā)酵利用作用強(qiáng)于抑制物的抑制作用，因此衣康酸產(chǎn)量相對升高；當(dāng)酶解糖化液中葡萄糖和木糖濃度很低時，又無法滿足土曲霉發(fā)酵對糖的需求，因此隨著酶解糖化液濃度的降低，衣康酸產(chǎn)量先升高后降低。另外，隨著酶解糖化液中葡萄糖和木糖濃度的增加，發(fā)酵液pH值逐漸減小、菌體干重逐漸升高、糖酸轉(zhuǎn)化率逐漸降低。

表1利用稻草秸稈酶解糖化液發(fā)酵生產(chǎn)衣康酸的結(jié)果

Tab.1 Results of production of itaconic acid by fermentation of enzymatic saccharification liquid of rice straw

(2)稻草秸稈酶解糖化液中額外添加葡萄糖和木糖時(6#～11#)，隨著酶解糖化液中葡萄糖和木糖濃度的增加，衣康酸產(chǎn)量逐漸升高；在葡萄糖濃度為80 g·L-1、木糖濃度為40 g·L-1時，衣康酸產(chǎn)量達(dá)到最高，為53.88 g·L-1；隨著酶解糖化液中葡萄糖和木糖濃度的增加，糖酸轉(zhuǎn)化率逐漸升高、發(fā)酵液pH值逐漸減小、菌體干重逐漸下降。

表明，底物濃度直接影響微生物的生長和代謝，發(fā)酵過程中碳源濃度過高或過低均會不同程度影響菌株的生長[23]。

3 結(jié)論

以稻草秸稈生物轉(zhuǎn)化制備衣康酸為目標(biāo)，選擇稻草秸稈酶解糖化液為原料，利用土曲霉KY-013發(fā)酵生產(chǎn)衣康酸。研究了超微粉碎、高溫蒸煮、稀硫酸和NaOH溶液等預(yù)處理方式對稻草秸稈酶解糖化的影響，確定稻草秸稈的最佳預(yù)處理方式為：按固液比1∶7.5(g∶mL)加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.5%的NaOH溶液，于30 ℃、200 r·min-1振蕩處理24 h；最佳酶解工藝為：按固液比1∶20(g∶mL)加入pH值4.8的檸檬酸緩沖液，加入2.5 IU·g-1纖維素酶溶液，于50 ℃、200 r·min-1酶解48 h。在此條件下，還原糖轉(zhuǎn)化率達(dá)到最高，為82.51%。HPLC分析表明，酶解糖化液中還原糖成分為D-纖維二糖、乳糖、葡萄糖、木糖、阿拉伯糖。在不添加葡萄糖和木糖條件下，酶解糖化液中葡萄糖濃度為30 g·L-1、木糖濃度為3.5 g·L-1時，衣康酸產(chǎn)量達(dá)到最高，為9.78 g·L-1；隨著添加葡萄糖和木糖濃度的增加，土曲霉KY-013對稻草秸稈糖化液的利用效率逐漸升高，衣康酸產(chǎn)量逐漸升高，最終達(dá)53.88 g·L-1。

本研究表明土曲霉KY-013能利用合適底物濃度的酶解糖化液發(fā)酵生產(chǎn)衣康酸，為衣康酸工業(yè)化生產(chǎn)原料找到非糧的替代品，也為生物發(fā)酵行業(yè)碳源的原料供應(yīng)提供了新的途徑。