以杨木水解液为原料年产3000吨酵母工厂设计文献综述

 2022-03-02 09:03

  1. 前言
    1. 研究背景

目前，我国人工林规模发展迅速，早已成为世界上人工林保存面积最大的国家[1]，丰富的人工林资源可以有效解决我国木材缺乏的问题。在人工速生丰产林工程中，杨树是主要造林树种之一，生长速度快，生长周期短[2]，在我国生长范围广泛，不仅能作为木材，在加工业领域也有应用，如制成胶合板、纤维板、造纸火柴、卫生筷和包装业等。然而杨木在加工过程会产生大量废弃物，不仅浪费资源，还会由于直接焚烧处理而污染环境。如果将杨木及其剩余物作为生物质转化的原料，提高其利用率，即可解决资源浪费以及环境污染的问题。杨木作为丰富的植物纤维素资源，含有大量纤维素、半纤维素和木质素[3]，将其进行酶水解，转化为低聚糖或单糖，可供微生物利用。

酵母属于单细胞真菌微生物，在自然界分布广泛，能够利用糖进行发酵生成酒精和二氧化碳，是一种典型的兼性厌氧微生物，作为最早被人类发现并利用的真菌之一，酵母在食品、医药、饲料方面都有广泛应用，如生产发酵食品调味品、生产燃料乙醇等，还具有保护肝脏，提高免疫力等功能。生产酵母具有很高的经济效益，杨木酶解液作为优良的营养物质，来源广泛，价格低廉，可以替代淀粉类生物质用于酵母的发酵生产[2]。

    1. 立题依据

我国每年产生大量农林废弃物，例如玉米秸秆、蔗渣、棉籽壳等秸秆就高达9亿多吨，以及杨木等速生的植物资源。这些资源除了应用于饲料、造纸等，大多数作为废弃物处理[4]，利用率不高，容易造成资源浪费。杨木是典型的木质纤维原料，如果杨木资源进行生物转化，可以解决我国农林废物过多的问题，避免直接焚烧从而降低二氧化碳等温室气体的排放，减轻环境负担，符合我国现行的可持续绿色发展理念及环保相关法律法规。传统用于生产酵母的原料如玉米淀粉、葡萄糖等[5]价格较高，从资源循环、废弃物再利用的角度来考虑，以杨木酶解液作为碳源替代传统工艺发酵制备酵母具有实际应用意义[6]。绿色经济研究设计也可以提高我国酵母的年产量，有利于加速国民经济发展。综上所述，本课题利用杨木水解液培养酵母的工厂设计是可行且具有意义的。

  1. 文献综述

杨木的高值化利用

杨木中含有的木质纤维素在生物医药、建筑、纺织、运输乃至光电子器件等诸多领域有着应用，例如利用纤维素合成高值化材料去补充或替代化石基合成材料[4]。杨木的利用方式多种多样，除了将杨木用于添加饲料、纸浆造纸等低附加值应用外以，以杨木原料制备各种生物质产品，可以更加提高杨木资源利用率，解决部分能源和环境问题[2]，是现阶段研究的热点。较热门的研究方向主要有将木质纤维原料转化为生物燃料，如生物乙醇、丁醇等。还有将纤维原料的水解液用作生物培养，例如一些学者将杨木直接用于培养食用菌类。郑光耀[7]利用杨树木屑和树皮替代棉籽壳栽培姬菇和金针菇。王庆武等[8]研究发现，利用杨木培养黑木耳，菌袋成品率可达87.3%。更多学者用杨木发酵液培养微生物，例如林丽云[9]将杨木作为原料，利用戊糖乳杆菌突变株进行同步糖化发酵生产乳酸。

预处理

木质纤维原料结构有序，结合紧密，直接降解得到的低聚糖或单糖产率极低，因此，对杨木原料进行预处理是非常关键的一步。预处理的目标是打破纤维素的致密结构以及木质素和半纤维素对纤维素的包裹，破坏纤维素的结晶结构，或使纤维素、半纤维素与木质素相对分离，从而提高后续液化的适应性和催化效率，或酶解剂对纤维素的可及度，使碳水化合物易于转变成可发酵糖[10]。目前常用的预处理方法可以分类为物理法、化学法、物理化学法和生物法或其组合方法，具体的预处理手段主要有蒸汽爆破法、高温热水法、酸处理法、碱处理法等。

李鸣[12]通过对杨木进行纯水浸渍加蒸汽爆破预处理与稀酸浸渍加蒸汽爆破预处理进行对比分析，发现相较于纯水蒸汽爆破，采用稀磷酸浸渍加蒸汽爆破的预处理方式明显提高了还原糖的得率。其中，稀酸浸渍加蒸汽爆破预处理还原糖浓度最高可达到23.61 g/L，比纯水加蒸汽爆破预处理还原糖含量13.07 g/L高出10.54 g/L。袁素娟等[13]研究了热水预处理法，结论发现保温温度170 °C、保温时间大于60 min时，杨木水解液中木素的含量增大，得率可达85.37% ，且杨木的纤维破裂，表面有不规则碎片和孔洞出现。Park[14]等发现，在酸碱预处理方法中，两步法相较于平常的一步法预处理，具有更好的灵活性，通过处理剧烈程度和化学药品的不同组合，可优化预处理结果，使得后续的纤维素酶水解最大化。例如陈雪艳[15]运用碱性磺化-蒸汽爆破和碱性氧化-蒸汽爆破两步法预处理后，木质素脱除率分别达到56.02%和47.18%，半纤维素回收率分别达到78.37%和73.05%，纤维素回收率分别达到95.27%和93.63%，纤维素酶解率分别提高至了81.09%和74.38%。房桂干[16]研究了物理化学方法中的湿氧化预处理技术。湿氧化法通过加热、高压、碱性环境、水和氧气的共同作用处理植物纤维原料。实验得出，在初始pH值10、氧压1.2 MPa、温度195 °C的条件下处理15 min，物料得率可以达到51.7%，还原糖得率可以达到46.8%，同时该法使原料中半纤维素含量下降到1.43%，克拉松木质素含量下降到13.5%，木质素溶出量达到43%，酶解效率显著提高。

传统的蒸汽爆破、酸碱预处理等方法可以提高酶解产率，却存在着污染大、转化效率低、酶使用量大和组分利用率低等缺点。研究者发现运用乙酸和乙酸-双氧水两步预处理杨木，可降低木质素含量，并且制备低聚木糖和单糖，是一种较为绿色的生物质转化方法。Zhang[17]等采用pH值2.7的乙酸在150 °C下处理玉米芯30 min，低聚木糖得率达45.91%，乙酸预处理后玉米芯经过碱泡后，酶水解得率达到了90%以上。Huang等人[18]使用6.5%乙酸在172 °C下对杨木处理了27 min，低聚木糖得率为36.0%，杨木的酶水解得率达到51%。文沛瑶[2]发现用5 %浓度的乙酸在170 °C温度下预处理杨木30 min效果最佳，此条件下木聚糖移除率为71.3%，纤维素仅损失5.5%，低聚木糖得率可达55.8%。同时，研究[2]发现在60 °C、80%过氧化氢-乙酸条件下处理杨木2 h，杨木的木质素移除率可达92.7%，纤维素损失率仅有5.6%，酶水解的葡萄糖得率可达67.2%，酶水解效率得到提高。

酶水解

木质纤维素酶水解的主要目标是将其中的纤维素和半纤维素水解为可发酵单糖。纤维素是由葡萄糖通过beta;-1,4糖苷键连接起来的聚合物。半纤维素则是由几种不同类型的单糖构成的多聚体，这些单糖主要为木糖、阿拉伯糖、葡萄糖和半乳糖等，其中最多的是木糖[19]。水解木质纤维素涉及的酶主要是内切葡聚糖酶、外切葡聚糖酶和纤维二糖酶，其中内切葡聚糖酶作用于纤维素和半纤维素的糖苷键，将长链切成短链，外切葡聚糖酶继而将短链水解为纤维二糖，最后由纤维二糖酶水解为单糖。纤维素酶产生菌有木霉、青霉、曲霉、细菌、放线菌等，其中木霉属被认为是纤维素酶系最全面，分解天然纤维素活力最高的一类丝状真菌[20]，而里氏木霉又是其中运用最多的菌种[21]。另外还有白腐菌、褐腐菌等同样也可以被用来水解木质纤维原料。王伟[22]筛选出可以高效降解黑杨木质素的菌株，可降解杨木中高达58.1%的木质素，经过酶水解后,处理后的样品可释放41.3%的还原糖。杨木酶水解液后续即可用于生物转化，例如制浆造纸、生产生物燃料以及用于微生物的培养和发酵。张梅娟等[23]研究了玉米皮、醋糟、白酒酒糟的酶水解液，发现这3种原料酶解后可得到总还原糖的质量分数依次为96.46%、86.11%、86.68%。Pan等[24]研究发现水解液中乙酸、丙酸、丁酸等,这些酸类能够有效抑制病原菌的生长,为有益菌的生长创造条件,其中丙酸还能够参与三梭酸循环,提供新陈代谢所需的能量。

酵母菌的应用

酵母菌种类繁多，有56个属以及500多个种类[25]，生长繁殖快，代谢周期短，产蛋白质速率为植物合成蛋白质的几百到几万倍，是动物合成蛋白质的几十到几十万倍；它含极丰富的蛋白质(45%~56%)、酶类、生理活性物质及动物所需的18种必需氨基酸，生产原料易收集，代谢方式多样，适应性强，生产不受气候和地区限制[26]。它在食品加工、环境治理、农牧饲料、医学研究、基因重组等众多方面都有应用，具有极高的研究价值和经济效益。

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