1、不同预处理方法对甘草渣酶解产糖量及内部结构的影响马彩梅,尚明东*(新疆石河子职业技术学院,新疆 石河子8 3 2 0 0 0)摘要:为提高甘草渣的酶解产糖量,采用1%N a OH、1%C a(OH)2、1.5%H2S O4、蒸馏水浸泡法进行预处理,考察了不同预处理方法对甘草渣的损失量及预处理后甘草渣产糖量的影响。结果表明:水浴较微波、水浴+微波预处理方法的产糖效果好;而采用氢氧化钠作预处理剂的甘草渣水解率最大,水浴、微波、水浴+微波处理后产糖量分别为5 8,7 7,1 0 6m g/g。氢氧化钠预处理甘草渣内部结构最松散,木质纤维素外层结构破坏最明显,此种预处理方法下的酶对纤维素的可及性最高。
2、关键词:甘草渣 预处理 微波 产糖量中图分类号:R 2 8 4.1 文献标识码:A D O I:1 0.2 0 0 7 5/j.c n k i.i s s n.1 0 0 3-9 3 8 4.2 0 2 3.0 4.0 1 0 甘草废渣是工业上提取甘草酸等有效物质后排出的固体废弃物,提取甘草酸后的甘草废渣中仍含有一定的甘草酸、黄酮类、糖、氨基酸、甾体、三萜类、有机酸、香豆素、萜类内酯等化合物1。目前,只有少量的甘草渣被用于提取黄酮、制作甘草薄片、有机肥料、甘草浸膏、栽培食用菌等2-5,大部分以固体废弃物丢掉,从而造成了较大的环境污染和资源浪费。甘草渣中纤维素含量为3 1.7 1%6,利用纤维素
3、酶将可再生的纤维素物质转化为能源、食物和化工原料7。纤维素经酶水解后可以得到葡萄糖,进而可以发酵生产酒精或生产蛋白饲料,使得甘草渣可以回收再利用,但甘草渣中木质素、纤维素、半纤维素相互包裹的结构降低了酶对纤维素的可及性8,因此,需要对甘草渣进行预处理以提高其生物降解性。本文报道了不同预处理方法下甘草渣的损失率、水解率及产糖量,为提高酶对纤维素的可及性和可行的甘草渣预处理方法选择提供参考。1 实 验1.1 主要材料和仪器甘草渣,新疆石河子市国家经济开发区天德中药厂。纤维素酶(酶活3 00 0 0 I F P U/g),沂源康源生物科技有限公司;浓硫酸、氢氧化钠、氢氧化钙、柠檬酸、柠檬酸钠、葡萄糖
4、,分析纯,国药集团化学试剂有限公司;3,5-二硝基水杨酸(D N S)(w=9 9%)。7 5 5 1 3型紫外可见分光光度计,上海箐华科技仪器有限公司;P H S-3 C型p H计,上海箐华科技仪器有限公司;GM S X-2 8 0手提式压力蒸汽消毒器,北京市永光明医疗仪器厂;S-4 8 0 0场发射扫描电子显微镜,日本日立高新技术。1.2 实验方法1.2.1 物理粉碎将干燥的甘草渣用植物粉碎机粉碎后,过4 0目筛子筛分,过筛颗粒干燥至恒重后备用。1.2.2 预处理称取一定量的甘草渣于三角瓶中,按固液比(质量比)11 0的比例分别加入氢氧化钠、氢氧化钙、稀硫酸、蒸馏水,在沸水浴(2h)、微波
5、(5 2 0W,2h)、先水浴后微波(先沸水浴1h后,在5 2 0W微波1h;后续略写为水浴+微波)的条件下进行预处理。预处理结束后调p H至中性,过滤,烘干备用。收稿日期:2 0 2 2 0 9 0 7;修改稿收到日期:2 0 2 3 0 3 2 3作者简介:马彩梅(1 9 8 1),副教授,主要从事职业教育和秸秆回收再利用工作。E-m a i l:1 2 0 6 4 0 0 2 5q q.c o m基金项目:新疆石河子职业技术学院环境监测与控制科研创新团队项目*通信联系人,E-m a i l:1 1 6 3 3 8 1 0 6 4q q.c o m24 精 细 石 油 化 工S P E C
6、 I A L I T YP E T R O CHEM I C A L S第4 0卷 第4期2 0 2 3年7月1.2.3 产糖实验分别称取1.0g甘草渣和预处理后的甘草渣于三角瓶中,加入p H=4.8的醋酸缓冲溶液,1 2 1在高压灭菌器中灭菌3 0m i n,加入适量的纤维素酶,在4 5、摇床转速1 5 0r/m i n条件下水解2 4h,过滤,以高锰酸钾滴定的方法测滤液中还原糖含量,计算甘草渣、预处理甘草渣水解率及1.0g甘草渣经预处理后的产糖量。1.2.4 扫描电镜分析将经不同溶剂水浴预处理后的甘草渣干燥,进行电镜扫描,观察甘草渣内部结构变化。1.2.5 预处理损失率损失率=处理前试样质
7、量-处理后试样质量处理前试样质量1 0 0%1.2.6 葡萄糖标准曲线采用二硝基水杨酸法(D N S)制作葡萄糖标准曲线9。得到葡萄糖标准曲线见图1,其线性回归方程为y=2.0 7 5x-0.0 1 18,葡萄糖质量浓度在0.00.4g/L范围内线性关系良好。图1 葡萄糖标准曲线1.2.7 水解率及产糖量根据标准曲线,对照测定溶液中还原糖含量。水解率=预处理甘草渣产糖量预处理甘草渣质量1 0 0%产糖量=预处理甘草渣产糖量(1-损失率)2 结果与分析2.1 甘草渣产糖量及水解率1.0g甘草渣经纤维素酶水解后,测得滤液中还原糖含量平均值为1 3.4m g/g,水解率为1.3 4%。2.2 预处理
8、后甘草渣损失率图2为不同预处理条件与甘草渣损失率的关系。由图2可知:在同一损失率大小为1%N a OH1.5%H2S O4H2O1%C a(OH)2;同一种溶剂不同水热处理方法下甘草渣的损失率大小为水浴+微波微波水浴。原因是强碱N a OH能使甘草渣中木质素的醚键断裂,削弱纤维素、半纤维素的氢键,皂化半纤维素和木质素之间的酯键,使断裂的木质素及半纤维素溶解;而强酸H2S O4仅破坏木质素和纤维素的连接,溶解半纤维素;高温蒸煮只能使纤维素分子间氢键的断裂,分子间发生润涨1 0;C a(OH)2碱性较N a OH弱且溶解度较低,预处理效果不明显1 1。同一种预处理溶剂不同水热处理方法下甘草渣的损失
9、率大小为水浴+微波微波水浴。这是因为:水浴和微波共同处理下,甘草渣中有机成分扩散速度较快、溶解更充分,与预处理剂接触面积最大,更有助于甘草渣降解,甘草渣损失最多;而微波处理比纯水浴处理法效果好的原因可能是在微波作用下,甘草渣与预处理剂接触面积比在水浴下更大,降解效果较好,损失较多。图2 不同预处理条件与甘草渣损失率的关系2.3 预处理后甘草渣水解率和产糖量图3为预处理后甘草渣的水解率;图4为预处理后甘草渣产糖量。图3 不同预处理条件与甘草渣水解率的关系由图3可见,不同溶剂预处理得到的甘草渣,经纤维素酶水解后,1%N a OH水解率最大,水解率大 小 为1%N a OH H2O1%C a(OH)
10、21.5%H2S O4。研究发现,p H对甘草渣水解率影响较明显,1%N a OH预处理的甘草渣水解率最34第4 0卷 第4期马彩梅,等.不同预处理方法对甘草渣酶解产糖量及内部结构的影响 高,1.5%H2S O4处理的甘草渣经经纤维素酶水解后的水解率最低,这可能是因为p H过低会对纤维素酶的空间构象造成一定的影响,造成酶活性降低。H2O和1%C a(OH)2预处理后的甘草渣经纤维素酶水解后的水解率相近且较低,这是因为C a(OH)2溶解较少,其中解离的OH-浓度较低,与蒸馏水中OH-浓度相近,对纤维素酶的活性促进作用不明显,也没有较大的抑制作用。同一种溶剂不同方法预处理甘草渣的水解率大小为水浴
11、微波水浴+微波。由图4可见,同一种溶剂预处理后,经不同方式的水热法处理后的产糖量不同。由1%N a OH的溶剂预处理后,经水浴热处理后的甘草渣产糖量最高;而由1.5%H2S O4溶剂预处理后的甘草渣,三种热处理方法的产糖量均最低。这可能是1%N a OH溶剂预处理后水解率最大,水解后的甘草渣更容易产糖,所以在1%N a OH溶剂预处理后经过水浴热处理的甘草渣产糖量最多,但是经过“水浴+微波”或者微波处理后,损失率增加,导致糖源减少,产糖量降低。图4 不同预处理条件与甘草渣产糖量的关系2.4 不同溶剂处理后甘草渣的微观形貌因水浴方法比微波、水浴+微波的方法原料损失率小、产糖量高,故选择了四种不同
12、溶剂的水浴预处理甘草渣,利用扫描电镜观察其内部形态变化,结果见图5。由图5可以看出,经蒸馏水、1.5%H2S O4、1%C a(OH)2预处理的甘草渣表面比较紧密,木质纤维素包裹严实;经1%N a OH水浴处理后的甘草渣表面呈蜂窝状,这是部分半纤维素、木质素与纤维素分离脱除后造成的。这样纤维素酶分子与底物的接触位点将变多,从而有利于纤维素酶与纤维素的作用,提高后续的酶水解效果,有助于甘草渣产糖,并且扫描电镜表征的结果与甘草渣的水解转化结果相符。图5 蒸馏水水浴处理甘草渣3 结 论用1.5%H2S O4、1%N a OH、1%C a(OH)2、蒸馏水4种溶剂分别在微波、水浴、水浴+微波条件下对甘
13、草渣进行预处理。同一溶剂预处理后不同水热法下,水浴方法甘草渣损失量最小,水解率及产糖量最大,微波+水浴方法损失量最大,水解率及产糖量最小;同一水热法不同溶剂预处理下,氢氧化钠预处理后的甘草渣虽损失量最大,但水解率及产糖量最大,其次为蒸馏水、氢氧化钙、稀硫酸。参 考 文 献1 杨晓辉.甘草废渣中的有机成分鉴定J.甘肃环境研究与监测,1 9 9 6,9(3):3 5-3 7.2 解先利,刘云云,余强,张宇,张荣清,邱雨心.低共熔溶剂预处理提高甘草渣酶解效果优化J.化工进展,2 0 2 2,4 1(3):1 3 4 9-1 3 5 6.3 张晓晶.甘草渣碱提多糖的提取分离、结构及降血糖活性研究D.天
14、津科技大学,2 0 2 0.4 王婷,李鑫,李婷婷,等.碱处理法降解甘草渣中木质素、纤维素和半纤维素工艺研究J.黑龙江畜牧兽医,2 0 1 9(2 1):1 1 8-1 2 1.5 朱子博.甘草提取甘草酸后废料的综合利用D.河南科技大学,2 0 1 9.6 刘梦佳,魏高杰,于晨曦,等.典型预处理对甘草渣酶解产糖及其结构的影响J.生物质化学工程,2 0 2 3,5 7(3):3 1-3 8.7 杨金凤,马彩梅,刘红,等.纤维素酶水解甘草废渣产糖条件的研究J.饲料研究,2 0 1 6(5):4 7-5 1.8 徐曼.甘草渣纤维配抄烟末在烟草薄皮中的应用研究D.华南理工大学.2 0 1 3.9 王伟
15、业,王玉珍.甘草渣制作生物有机肥技术J.农村科技,2 0 1 0(4):2 0.1 0 高发奎,张数蔚,杨晓辉,等.甘草废渣的开发利用技术J.甘肃环境研究与监测,2 0 0 2(1):2 7-2 8.1 1 L a s e rM,S c h u l m a nD,A i i e n S,e ta l.Ac o m p a r i s i o no f l i q-u i dh o tw a t e ra n ds t e a mp r e t r e a t m e n t so fs u g a rc a n eb a-g a s s e f o rb i o c o n v e r s i
16、 o nt oe t h a n o lJ.B i o r e s o u r c e st e c h-n o l o g y,2 0 0 2(8 1):3 3-4 4.44 精 细 石 油 化 工2 0 2 3年7月E F F E C TO FD I F F E R E N TP R E T R E A TME N TME T H O D SO NS U G A RY I E L DA N DI N T E R N A LS T R U C T U R EO FL I C O R I C ER E S I D U EM aC a i m e i,S h a n gM i n g d o n g(X i n j i a n gS h i h e z iV o c a t i o n a lT e c h n i c a lC o l l e g e,S h i h e z i8 3 2 0 0 0,X i n j i a n g,C h i n a)A b s t r a c t:T o i m p r o v e t h es u g a rp r o d u c t i o no
