2011
纤维素生物转化燃料乙醇对缓解当前世界能源 危机、粮食短缺和环境污染等问题具有重要意义。 作为一类相对集中的大量的可再生纤维质资源，甘 蔗渣生产燃料乙醇受到国内外各有关部门越来越广 泛的重视[1]。目前，蔗渣纤维素酶解反应方面的探 讨很多，但由于纤维素的不溶性的刚性结构使纤维 素的酶解效率较低， 使酶解糖化过程酶的耗量过高， 酶的费用占到总成本的 50%～60%[2]，以蔗渣生产 燃料酒精在经济上远远不能与糖类和淀粉发酵石油 同类产品竞争[3]。因此，如何大幅度地提高蔗渣的 酶解糖化率， 将是实现蔗渣酶法降解产业化的关键， 而以探讨蔗渣纤维素表面 Zeta 电位变化特性及与酶 水解效果之间的关系尚未见报道。在进行不同粒径 蔗渣纤维素酶解试验时发现，纤维素颗粒大小的改 变，其表面 Zeta 电位也相应发生变化，影响酶解效 果，这是一个非常有趣的问题。为了进一步考察纤 维素酶水解蔗渣纤维素时纤维的表面 Zeta 电位变化 特性与酶解效果的关系，本文通过改变蔗渣纤维尺 寸、悬浮液中添加多聚磷酸盐等，测定其纤维素颗 粒的 Zeta 电位变化特性，并考察了甘蔗渣纤维 Zeta 电位的变化对纤维素酶水解转化还原糖的影响。
本实验所用的甘蔗渣由广东英德糖厂提供。甘 蔗渣中含纤维素约 34.6%， 半纤维素 22.1%， 木质素 18.6%，蔗渣用纯水充分洗净后在 105℃烘箱中干燥 至恒重。
纤维素酶购自 Worthington 纤维素酶，是由 Trichoderma reeseir ATCC26921 菌产生的酶粉剂， 其 活性为 106 U.mg-1
激光粒度测试仪（欧美克 LS900 型）测定甘蔗 渣纤维粉体尺寸。测定原理：利用颗粒对光的散射 现象，根据散射光能的分布推算被测颗粒的粒度分 布。
在蔗渣纤维素粉中添加一定量的纯净水，配成 0.1%质量浓度蔗渣纤维素粉液，用微电泳仪（Zeta 电位仪）测定纤维的 Zeta 电位[4]。原理为通过测定 外加电场下细小纤维粒子的淌度，每个样品分别测 定 5 次，取其平均值，再由相关公式进行计算获得 纤维的 Zeta 电位。
将甘蔗渣底物称量后加入 250mL 三角瓶中，按 每克底物 10FPIU 滤纸酶活单位加入纤维素酶粉， 再 加入所需量的纯净水或多聚磷酸盐溶液，于 50℃在 恒温振荡器中(150r/min)酶解一定时间，定时取样。
超高压纳米均质机，超微粉碎机，粉碎机，pH/ 电导率/离子综合测试仪（Sevenmulti） ；水浴锅；紫 外可见分光光度计； 激光粒度测试仪 （欧美克 LS900 型） ；微电泳仪（中晨） 。
按图 1 所示流程， 甘蔗渣分别经过粉碎机粉碎、 超微粉碎处理、超高压均质处理后，得到不同粒度 分布的 3 种蔗渣粉样品。然后用激光粒度测试仪测 定其粒度分布情况，其中位径（D50,μm）大小见 表 1。结果表明，蔗渣纤维的细微化效果超高压均 质处理＞超微粉碎处理＞一般粉碎机粉碎。
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图 1 蔗渣粉体的制备流程 |
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表 1 不同破碎处理方式制备的蔗渣粉的中位径大小 |
将不同中位径大小的蔗渣粉， 配成 0.1%质量浓 度，用 Zeta 电位仪测定 Zeta 电位，每个样品分别测 定 5 次取平均值，结果如图 2 所示。
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图 2 不同中位径纤维悬浮液的 Zeta 电位 |
结果发现，不同大小的甘蔗渣纤维颗粒的 Zeta 电位均为负值，负值越大，悬浮液粒子的表观电位 值越大。粗纤维和微细纤维的 Zeta 电位值存在很大 差异，微细纤维的 Zeta 电位(负值)明显大于粗大组 分的 Zeta 电位。 由此可以看出， 细小纤维含量越多， Zeta 电位负值越大。这主要因为细小纤维的比表面积大，电荷密度高的原因。
按方法 1.5 所述，取相同质量的不同粒径分布 的纤维素粉， 加入纯净水配成质量分数为 8%的纤维 素粉浆液进行酶解反应。酶解反应 12 h，测定生成 还原糖量，计算糖化率如图 3 所示。
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图 3 不同中位径蔗渣纤维酶解效果 |
结果显示，中位径越小，即纤维颗粒平均尺寸 越小，纤维素酶水解后的糖化率越高，说明酶解越 容易。主要原因是纤维颗粒尺寸越小，增加了纤维 素酶系与纤维素底物的有效接触，利于酶解反应的 进行[6]。结合 2.2 的结果，推测蔗渣纤维颗粒的 Zeta 电位与酶解效率有正相关关系。
按方法 1.4 所述，将不同中位径大小的蔗渣粉 配成 0.1%质量浓度。用 Zeta 电位仪测定 Zeta 电位， 每个样品分别测定 5 次取平均值，结果见图 4。按 方法 1.5 所述，取相同质量的不同粒径分布的纤维 素粉加入 0.02%质量分数的六偏磷酸钠溶液，配成 质量分数为 8%的纤维素粉浆液进行酶解反应。 酶解 反应 12 h，测定生成还原糖量，计算糖化率见图 5。
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图 4 多磷酸盐水溶液不同中位径纤维悬浮液的 Zeta 电位 |
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图 5 多磷酸盐水溶液中不同中位径蔗渣纤维酶解效果 |
蔗渣纤维素不溶于水，纤维素纤维的酶催化水 解反应是一多相反应，酶分子也是高分子物，所以 反应的空间较大，而由于与纤维素纤维不能充分发 生吸附（活性部位的结合） ，催化效率不高，甚至不 能发生催化反应。所以吸附对酶的活性部位与纤维 素分子链段的结合及催化均有很大影响。
图 4 结果表明，当往甘蔗渣悬浮液中添加多聚 磷酸盐，如六偏磷酸钠等多价电解质时，不同中位 径纤维悬浮液的表观 Zeta 电位均有不同程度的增 加， 中位径越小的纤维表观 Zeta 电位增加幅度越大。 而随纤维的表观 Zeta 电位增加， 其 12 h 酶解的糖化 率也有不同程度的提高；一般粉碎机粉碎的甘蔗渣 （中位径 169μm） 在六偏磷酸钠溶液相中酶解 12 h 后， 相比水相条件下糖转化率提高了 29% （如图 6） 。 其可能的机理是：此类电解质的加入改变了纤维上 的表面电荷(图 7)，使纤维上的表观 Zeta 电势升高， 纤维相互之间的斥力增大，从而构成了稳定的带阴 性电荷的悬浮液，降低了纤维素酶分子与纤维素分 子之间的空间阻碍，因此酶分子应能够非常接近纤 维并吸附在纤维素纤维某些部位（通常首先吸附在 纤维表面） ，再发生配位络合，利于纤维素酶的催化 反应[6,7]。
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图 6 多聚磷酸盐对甘蔗渣纤维（中位径 169μm）Zeta 电位变化及酶水解效果的影响 |
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图 7 纤维颗粒表面电荷变化示意图 |
（1） 纤维颗粒越小， Zeta 电位值 （负值） 越大。
（2）加入多聚磷酸盐，蔗渣纤维的表观 Zeta 电位（负值）均有不同程度的增加。
（3）蔗渣纤维颗粒的 Zeta 电位与酶解效率有正相关关系。 提高蔗渣纤维的表观 Zeta 电位 （负值） ， 利于纤维素酶的催化反应。
本文的研究成果，特别是在普通粉碎机粉碎后 的蔗渣纤维中，通过加入多聚磷酸盐提高蔗渣纤维 的表观 Zeta 电位（负值） ，增强了纤维素酶对纤维 素纤维的吸附性，从而提高纤维素酶的酶解效果， 对降低纤维素酶解纤维素原料生成葡萄糖的成本有 一定的借鉴意义。但是，水解性的高低并不仅仅决 定于吸附性，酶的催化活力应是更重要的因素，因 为酶的高效、专一性，不仅决定于活性部位的专一 性结合，还决定于专一性的催化作用。对甘蔗渣纤 维生物转化乙醇的研究，仍需进一步探索提高纤维 素酶活性，深入研究纤维素酶降解纤维素的作用机 理，以提高纤维素酶降解纤维素的效率。
| [1] | [1] 陈秀萍，谢文化，梁磊．木质纤维素转化燃料乙醇研究现状与前景[J]．甘蔗糖业，2008(5)：30-32,44． ( 1)
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| [2] | 黄祖新，陈由强，陈如凯．甘蔗渣的酶降解研究进展[J]．甘蔗，2004，11(4)：52-56． (1)
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| [3] | 袁晓燕，盛京，张瑛．纤维素废弃物的生物转化[J]．功能高分子学报，1996,9(4)：622-630． (1)
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| [4] | 何北海．纸浆悬浮液Zeta电位分析的初步研究[J]．中国造纸学报，1999，(14)：69-74． (1)
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| [5] | 梁磊，张远平，朱明军，等．甘蔗块固定化酵母的制备及其在蔗汁燃料乙醇生产中的应用[J]．食品与发酵工业，2009，35(2)：76-79． (1)
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| [6] | 郑成，黄开勋，刘海玲，等．蔗渣酶法水解过程的酶吸附和活性[J]．现代化工，2001，21(5)：24- 27． (2)
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| [7] | 苏东海，孙君社．提高纤维素酶水解效率和降低水解 成本[J]．化学进展，2007，19(7)：1147-1152． (1)
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