木质纤维素发酵转化乳酸研究进展

木质纤维素发酵转化乳酸研究进展摘要木质纤维素转化乳酸的重要环节包括木质纤维素原料预处理、纤维原料水解和乳酸发酵。

现阶段发酵生产乳酸存在的主要问题有原料利用率低、酶用量大、产物浓度低以及产品不易分离等,对这些问题进行了分析并提出解决方法。

关键词木质纤维素;乳酸;预处理;生物转化;存在问题ResearchProgressonConversionofLignocelluloseMaterialforLacticAcidbyFermen tationQI XiangSU Zhao-qinTANG YongJIANG Jian-xin *(Department of Chemical Engineering,Beijing Forestry University,Beijing100083)AbstractThe important procedures in lactic acid production included the pre-treatment of raw material,cellulose hydrolysis and fermentation.For the current situation,the main problems in fermentation for lactic acid were low conversion rate of raw material,large consumption of enzyme,low concentration of products,and complicated separation of lactic acid,etc. These problems were analyzed,and the solutions were pointed out.Key wordslignocellulose;lactic acid;pre-treatment;bioconversion;existing problems乳酸,又名丙醇酸(学名α-羟基丙酸,分子式为C3H6O3),分子中含有1个不对称碳原子,具有旋光性。

乳酸按构型及旋光性可分为L-乳酸、D-乳酸和DL-外消旋乳酸3类。

在食品、化学和医药行业,乳酸及其派生物呈现出一类重要化合物作用[1]。

近年来,随着资源的日益紧张和人们对环保问题的日益关注,以乳酸为原料合成可降解聚乳酸引起了世界科研人员的广泛重视。

自1975年以乳酸和乙醇酸共聚物为原料制成的手术缝合线出现以来,聚乳酸在医药、生物材料等方面出现了相当多的应用,在药物缓释、人工血管及其他医用材料方面具有良好的应用前景[2]。

作为可降解聚合物,聚乳酸对于解决白色污染有重要意义。

木质纤维原料由纤维素、半纤维素和木质素所组成,其中纤维素是由葡萄糖聚合而成,半纤维素主要由木糖及少量阿拉伯糖、甘露糖聚合而成[3,4]。

在酶或酸的作用下,木质纤维原料可以降解成以葡萄糖、木糖为主的混合糖液,可用于发酵制备乳酸与乙醇等。

目前利用木质纤维原料制燃料乙醇研究颇广,孙亚东等[5]研究了利用糠醛渣同步糖化制乙醇工艺,经发酵27h乙醇产率可达72.33%。

木质纤维原料制乳酸已逐渐受到人们的关注,传统乳酸发酵所用的主要原料是淀粉类,成本较高,而且大规模工业化生产会消耗大量粮食,加剧粮食与饲料资源的紧张状况。

如果能采用价廉易得的木质纤维原料来生产,不仅能大大拓展其生产原料的来源、降低原料成本,而且对解决粮食危机和减少环境污染有积极意义,其经济效益和社会效益十分明显。

因此,利用木质纤维原料生产乳酸具有重要的社会及经济意义。

1木质纤维原料预处理长期以来木质纤维原料的预处理效果已经得到肯定,预处理的目的就是脱除木质素和半纤维素、降低纤维素的结晶度以及增加原料的疏松性,因此预处理必须满足下列要求:一是促进糖的形成或者提高后续酶水解形成糖的能力;二是避免碳水化合物的降解或损失;三是避免副产物形成阻碍后续水解和发酵过程;四是具有成本效益。

目前木质纤维原料的预处理方法包括物理法、化学法和生物法,预处理的方法并不是单独使用,而是各种方法结合。

1.1物理方法物理方法包括机械粉碎法和微波处理法等。

机械粉碎法主要利用削片和粉碎等手段将物料处理成细小颗粒,以提高物料的比表面积,减少纤维素的结晶区[6]。

由于机械粉碎法没有将木质素及半纤维素从纤维素中分离,酶和底物的接触受到阻碍,所以水解速度及糖化率不高,与其他预处理技术相比,机械粉碎法能耗大、成本高,近年来研究得不多。

微波处理能使纤维素的分子间氢键发生断裂,提高了纤维素酶的可及性和反应活性,从而提高了基质浓度,得到较高浓度的糖化液,处理时间短、操作简单,但其处理费用较高而难以得到工业化应用。

1.2化学处理目前化学处理的方法主要有酸处理、碱处理和有机溶剂法等,处理的目的主要是降低纤维素的结晶度和除去木质素。

传统的酸碱处理方法已成功用于降低木质素和半纤维素含量,使得纤维素水解率提高。

其中,近几年研究较多的是有机溶剂法,有机溶剂或水性有机溶剂和无机酸催化剂的混合物可用来断裂木质素和半纤维素内在的化学键,使用的有机溶剂包括甲醇、乙醇、丙酮、乙二醇和甘油等,在高温条件下无需添加催化剂即可脱除部分木质素。

使用的溶剂可经过排放、蒸发、浓缩和回收处理,既可降低成本又避免了阻碍微生物生长、酶法水解和发酵的化合物生成。

1.3综合法1.3.1蒸汽爆破法。

蒸汽爆破法是常用的木质纤维原料预处理方法。

在此方法中,木片经过高压饱和蒸汽处理,然后压力骤减,使原料经受爆破性减压而碎裂,蒸汽爆破法的典型反应条件为温度160～260℃,压力0.69～4.83MPa,作用时间为几秒或几分钟。

该方法利用高温、高压引起半纤维素降解、木质素转化,使纤维素溶解性增加。

蒋建新等[7]研究蒸汽爆破法预处理的沙柳酶法水解效率可达69.81%,而未经预处理的沙柳水解效率仅为14.5%。

此外,蒋建新等[8]还发现蒸汽爆破后胡枝子纤维素利用率大幅度提高,爆破后的胡枝子糖化发酵乙醇比未经爆破处理的胡枝子提高了4.65倍。

影响蒸汽爆破预处理的因素有爆破时间、温度、原料大小及水分含量,在高温条件下较短的处理时间(270℃,1 min)或者低温条件下较长的处理时间(190℃,10min)均可实现半纤维素增溶和优化水解效果。

最近的研究表明,低温和较长的爆破时间更加有利于水解[9]。

在蒸汽爆破过程中添加H2SO4、SO2或CO2 可以有效地促进酶法水解,使半纤维素脱除更加完全。

Mackie等[10]研究了甘蔗渣蒸汽爆破法预处理工艺,结果表明最佳条件为温度220℃、停留时间30s、液固比2。

与机械磨碎法相比,蒸汽爆破法预处理的优点是能耗低、无环保或回收费用。

在相同的木片长度下,机械法比蒸汽爆破法消耗的能量高70%[11],预处理后木质纤维原料要经过洗涤,以除去抑制物和水溶性半纤维素,一般情况下洗涤会脱除20%～25%的绝干物质,导致整个多糖得率降低[12]。

1.3.2氨和CO2爆破处理。

William 等[13] 利用液态氨在相对较低的压力1.47MPa和温度50～80℃条件下将原料处理一定时间后,突然释放压力爆破原料,其中液氨可以通过回收循环使用,整个过程能耗较低,是一种较有前途的预处理技术。

杨雪霞等[14]对玉米秸秆进行氨爆破处理的结果表明,氨化汽爆可使玉米秸秆中的半纤维素降解,使玉米秸秆的酶解率提高到42.92%,同时可使秸秆中的有机氮含量提高到1.27倍。

与氨爆破法,所不同的是,CO2 爆破法处理过程中CO2会形成碳酸,使水解率增加[15]。

Van等[16]使用CO2爆破法对玉米秸秆进行预处理,结果表明CO2爆破法处理后的玉米秸秆比水蒸汽爆破后的玉米秸秆水解效率高,爆破后原料处理液中木糖和呋喃糖含量明显提高,爆破处理的效果与CO2的压力有关。

2纤维素原料水解工艺木质纤维素原料只有在催化剂存在的情况下才能发生水解,常用的催化剂包括无机酸和酶。

其中,酸水解包括浓硫酸水解和稀硫酸水解。

虽然浓硫酸水解在常温常压下操作,糖产率高,但酸消耗量大,并且硫酸回收困难,容易造成环境污染,因此纤维素的酸解一般采用稀硫酸水解。

相对于酸水解而言,酶水解具有产物单一、糖浓度较高等优点,是目前水解的主要方法。

由于木质纤维原料结构复杂,使得酶与纤维素很难有效接触,水解效率较低,因此在酶水解前必须对木质纤维原料进行预处理。

国内外普遍认为稀酸水解是经济性最好的酶水解预处理工艺,它可以高效溶解半纤维素和部分木质素,从而破坏木质纤维原料内部的稳定结构,使酶水解效率提高[17,18]。

2.1稀酸水解工艺按照木质纤维原料成分分离的顺序,可将稀酸水解分为一步法和两步法[19]。

一步法是传统的水解工艺,将木质纤维原料加到酸液(酸的质量分数为1%～3%)中,在一定反应条件下直接进行水解处理。

该方法的缺点是其产物在反应器中停留时间过长,糖降解比较严重。

两步法的主要原理是先在较低的温度和酸性较弱(甚至无酸)的条件下分离半纤维素,再在较高温度和酸性较强的条件下分离纤维素,这样就避免了糖产物在反应器中停留时间过长,减少了糖的降解。

两步法水解半纤维素的糖得率较高,可达75%～90%,同时可部分溶解纤维素,水解纤维素的糖得率也可以达到50%～70%[20]。

目前,酶水解预处理是指通过预先水解半纤维素和部分木质素,增加纤维素的空隙率和比表面积,从而有效地提高酶水解的效率。

Sun等[21]采用0.6%、0.9%、1.2%和1.5%浓度的稀硫酸在121℃下处理黑麦,处理时间分别为30、60、90min。

当酸浓度高于1.2%的时间超过60min时,有50%～66%的木聚糖(半纤维素的主要成分)被水解为木糖。

2.2酶水解工艺与酸水解法相比,酶解条件温和,常温下即可进行,选择性高且产物单一,从而提纯过程相对简单,能耗低,也避免了环境污染,有取代化学方法水解的潜力。

李稳宏等[22]研究了麦秸秆粉碎预处理对酶解的影响,研究结果表明粉碎得越细,表面积越大,酶解效率越高。

较多研究表明,微波处理能使纤维的分子间氢键发生变化,而超声波预处理能使木浆纤维的形态发生变化,纤维细胞壁出现裂纹,细胞壁发生位移和变形,有更多的次生壁中层暴露出来,有效地提高了纤维素酶的可及性和反应活性。

Zhu 等[23]认为,在用微波进行预处理时,长时间小剂量使用微波和短时间的大剂量使用微波能得到相同的预处理效果。

Curreli等[24]采用一系列化学手段将秸秆中的半纤维素及木素除去后,用纤维素酶水解纤维素,此法不仅水解速度快,而且可以得到高产量和高纯度的葡萄糖。

3乳酸发酵工艺3.1菌种的选育乳酸菌种类很多,一般为耐氧菌,最适生长温度在30～45℃。