不同预处理方法对啤酒糟产糖产酸特性的影响.pdf

不同预处理方法对啤酒糟产糖产酸特性的影响张书源1袁 赵鸣峰2袁 唐永3袁吴玮1袁 许晓毅1渊1.苏州科技大学 环境科学与工程学院袁江苏 苏州 215009曰2.昆山市污水处理有限公司袁江苏 苏州 215300曰3.青岛啤酒渊昆山冤有限公司袁江苏 苏州 215300冤摘要院 木质纤维素含量丰富的啤酒糟可通过产生可发酵糖及挥发性脂肪酸渊VFAs冤实现生物质能源回收遥 分别采用稀酸尧热碱尧超声-酸以及超声-碱等方法预处理袁在分析啤酒糟预处理前后组分与结构变化以及预处理液的化学组分基础上袁进行了预处理联合酶解产糖及厌氧发酵产酸特性的研究遥 扫描电镜尧X 射线衍射尧红外光谱等结果表明袁不同预处理方法对啤酒糟表面微观形貌尧结晶度及官能团的变化具有不同程度影响遥 稀酸与超声-酸预处理能降解去除 98.35%和 84.24%的半纤维素袁其预处理联合酶解产糖率为 433.16 和 332.90 mg/g遥 热碱与超声-碱预处理可脱除 79.97%与 58.42%的木质素袁酶解产糖率分别为 262.69 与 224.26 mg/g遥稀酸处理与热碱处理对固体回收率较低但对有机物增溶能力较强袁实验条件下 VFAs 产生量分别为 13 268.84 与 11 836.22 mg COD/L遥稀酸预处理酶解产糖与厌氧产酸是啤酒糟生物质资源回收的优良途径遥关键词院 啤酒糟曰预处理方法曰还原糖曰酶解曰挥发性脂肪酸中图分类号院 X797文献标识码院 A文章编号院 2096-3270渊2023冤03-0048-10啤酒糟渊又称麦糟冤为麦芽和辅料在糖化工艺单元的残渣袁由麦芽的种皮尧外壳和少量未完全溶解的淀粉胚乳颗粒等组成袁占啤酒生产过程总副产物的 85%左右1遥 我国是啤酒生产与消费大国袁啤酒糟现状年产生量超 1 000 万 t袁通常用作畜禽养殖饲料袁但市场需求有限且不易储存2遥 碳双减战略目标下啤酒糟中生物质提取转化成为啤酒工业副产品资源化利用的重要研究方向遥 啤酒糟属于木质纤维素类生物质材料的一种袁由纤维素尧半纤维素与少量木质素组成袁适宜的预处理方法可破坏啤酒糟顽固的木质纤维素结构袁提升后续生化反应中酶与微生物的可及性袁从而提升原料酶解或厌氧发酵过程的产糖尧产酸效能遥 已有报道的木质纤维素类生物质预处理方法包括物理尧化学尧生物法等3遥 研究已经证明了酸尧碱处理在半纤维素增溶或木质素脱除方面的可行性和经济性4遥 碱处理主要通过对木质素的选择性溶解实现后续酶解效果的提升5袁稀酸处理主要通过水解半纤维素获得富含木糖的上清液实现糖的回收袁同时通过促进固体残渣孔隙率的增加袁实现后续酶解产糖量或厌氧发酵产酸的良好促进遥 超声波技术能够对含水物质产生空化作用袁有助于打破木质纤维素的复杂结构并增加溶剂的渗透性袁也被用于稻杆尧甘蔗渣等生物质酸尧碱预处理产糖过程的辅助6-8遥目前袁关于预处理方法对啤酒糟产糖尧产酸特性的研究成果仍较为有限袁制约了啤酒糟作为生物质能源的资源化利用遥 有研究表明啤酒糟经稀酸处理后可获得较高的产糖量9袁其预处理产物进行厌氧发酵所产生的挥发性脂肪酸产量也较为可观10遥 啤酒糟经热碱处理后发酵可实现 70%理论乙醇产量11袁热碱处理对其他生物质的优良酶解效果已有较多报道遥 超声处理啤酒糟能促进表面侵蚀尧增加孔径12袁已有相关研究表明超声-酸/碱处理利于生物质的酶促糖化13-14袁能有效提高生物乙醇或挥发性脂肪酸的产量13袁15遥不同预处理方法对固体回收率尧产糖率及产物组分变化等影响也有待深入讨论遥 考虑啤酒糟生物质组分特征与底物效应的差异袁本文主要针对啤酒生产企业实际的啤酒糟袁选用稀酸处理尧热碱处理尧超声-酸处理及超声-碱处理为预处理方法袁对啤酒糟进行预处理及酶解产糖量尧厌氧发酵产酸量及过程特性的比较袁以期为探寻技术可行的啤酒糟生物质能源回收提供理论与技术支撑遥要要要要要要要要要要要要要要要要要要要收稿日期 2023-05-26基金项目 苏州市水利水务科技项目渊2022001冤作者简介 张书源渊1998-冤袁男袁山东临沂人袁硕士研究生遥通信联系人院 许晓毅渊1974-冤袁女袁教授袁博士袁主要从事废水生物处理理论与技术研究袁Email院遥第 36 卷第 3 期苏州科技大学学报渊工程技术版冤灾燥造援 36晕燥援 3圆园23 年 9 月允燥怎则灶葬造 燥枣 Suzhou 哉灶蚤增藻则泽蚤贼赠 燥枣 杂糟蚤藻灶糟藻 葬灶凿 栽藻糟澡灶燥造燥早赠渊耘灶早蚤灶藻藻则蚤灶早 葬灶凿 栽藻糟澡灶燥造燥早赠 Edition冤Sep援 圆园23第 3 期1材料与方法1.1试验材料啤酒糟取自苏州市某大型啤酒生产企业袁60 益烘干后粉碎过 50 目筛备用遥 用于酶解反应的纤维素酶渊纤维素酶活 1伊105U/g冤购于上海麦克林生化科技有限公司遥3袁5-二硝基水杨酸尧硫酸尧氢氧化钠等实验试剂均为分析纯遥 厌氧发酵所用的颗粒污泥购于诸城市益清环保材料有限公司袁为减少产甲烷菌消耗 VFAs袁颗粒污泥在使用前用破壁机搅碎袁倒入 1 L 烧杯置于 105 益的烘箱中加热 1 h袁室温冷却后装至塑料瓶中袁置于4 益的冰箱中密封储存备用遥1.2试验方法1.2.1预处理方法渊1冤稀酸尧热碱处理称取 30 g 磨碎的干啤酒糟于 500 mL 锥形烧瓶中袁加入 300 mL 浓度为 2.0%渊v/v冤的 H2SO4 溶液或 300mL 浓度为 2.0%(w/v)的 NaOH 溶液遥 混合均匀后置于高压灭菌锅在 121 益下反应 30 min 后袁冷却降温的混合液 5 000 rpm 离心 10 min 以固液分离遥 液体部分用于糖的测定遥 固体残渣分为两部分袁一部分直接烘干备用袁一部分用纯水清洗至 pH 为中性后烘干粉碎用于酶解遥渊2冤超声-酸处理称取 5 g 经烘干磨碎的啤酒糟于 100 mL 烧杯中袁 加入 50 mL 浓度 3%渊v/v冤 的 H2SO4或 2%w/v 的NaOH袁置于超声探头下以 600 W 功率反应 60 min遥反应结束后袁在 5 000 转下离心 10 min 以固液分离遥固体残渣分为两部分袁一部分直接烘干备用袁一部分用纯水清洗至 pH 为中性后烘干粉碎用于酶解遥渊3冤超声-碱处理称取 5 g 经烘干磨碎的啤酒糟于 100 mL 烧杯中袁加入 50 mL 浓度 2%w/v 的 NaOH袁置于超声探头下以600 W 功率反应 30 min遥 反应结束后袁在 5 000 转下离心 10 min 以固液分离遥 固体残渣分为两部分袁一部分直接烘干备用袁一部分用纯水清洗至 pH 为中性后烘干粉碎用于酶解遥1.2.2酶解试验预处理后离心回收残渣洗至中性尧烘干磨碎后袁取 1.0 g 于 20 mL 的柠檬酸与柠檬酸钠缓冲液渊0.1 mol/L袁pH 4.8冤中袁加入 0.1 g 纤维素酶粉末后置于温度为 50 益的水浴摇床中振荡 24 h遥 反应结束后将混合液三角瓶放入沸水中持续 35 min 灭活袁冷却后在 12 000 转下离心 5 min 进行固液分离遥1.2.3厌氧发酵产酸试验对照组以未处理的 10 g 啤酒糟作为发酵底物曰 实验组将 10 g 啤酒糟分别经不同预处理后的混合产物渊包含液体与固体冤作为发酵底物遥 对照组与实验组的发酵底物装入 250 mL 发酵瓶中袁按底物与接种物挥发性固体浓度渊VS冤为 1颐1 的比例加入接种污泥袁加纯水至 200 mL袁调 pH 至 7.0遥 向各发酵瓶中通入氮气保持5 min袁排出氧气营造厌氧环境袁随后密封发酵瓶遥 将发酵瓶置于 35 益的摇床中袁以 100 r/min 的震荡速度运行以进行厌氧发酵遥 整个发酵过程维持 10 d袁每 24 h 取发酵液测 VFAs遥1.3分析方法1.3.1还原糖测定与产糖率计算取稀释一定倍数的预处理液与酶解液抽滤液 0.5 mL袁用二硝基水杨酸渊DNS冤法16显色反应袁紫外分光光度计 540 nm 波长下测定样品吸光度袁计算还原糖含量遥 还原糖产率计算方法如下还原糖产率渊mg/g冤=还原糖质量/啤酒糟原料质量渊1冤总还原糖产率渊mg/g冤=预处理还原糖产率+酶解还原糖产率渊2冤1.3.2单糖与副产物浓度的测定稀释一定倍数的预处理液经 0.22 滋m 滤膜过滤后袁 使用安捷伦 1260 Infinity 高效液相色谱仪测定各单糖与副产物浓度袁仪器所用检测器为 Waters 2414 示差折光检测器袁色谱柱型号为 BIO-RAD Aminex HPX-87H遥张书源袁等院不同预处理方法对啤酒糟产糖产酸特性的影响492023苏州科技大学学报渊工程技术版冤1.3.3木质纤维素组分分析啤酒糟原料尧预处理残渣中的纤维素尧半纤维素和木质素组分测定采用范氏分析法17遥 固体回收率袁纤维素尧半纤维素回收率及木质素去除率计算方法如下固体回收率=固体残渣质量/原料质量伊100%渊3冤渊半冤纤维素回收率=固体残渣渊半冤纤维素含量伊固体回收率原料渊半冤纤维素含量伊100%渊4冤木质素去除率=1-固体残渣木质素含量伊固体回收率原料木质素含量伊100%渊5冤1.3.4形态结构分析渊1冤扫描电镜取待测样品表面喷金后用日本 Hitachi Regulus 8100 扫描电子显微镜(日本)进行扫描拍照袁观察分析啤酒糟在预处理前后的微观结构形态变化遥渊2冤红外光谱取待测样品与 KBr 混合研磨压片后袁采用 Nicolet iS50 型傅里叶红外光谱仪对供试样品进行扫描分析袁扫描波数范围为 4004 000 cm-1袁绘制红外谱图遥渊3冤X 射线衍射光谱采用日本理学株式会社的 Ultima IV 型 X 射线衍射仪对样品进行分析袁Cu 靶扫描角度范围为 5毅40毅袁扫描速率为 2毅/min遥 根据衍射图谱强度袁采用 Segal 法计算相对结晶度渊CrI冤袁其计算公式为CrI渊%冤=渊I002-Iam冤/I002伊100%渊6冤式中袁I002为 2兹=22.5毅时结晶部分的强度曰Iam为 2兹=18毅时无定形区部分的强度遥1.3.5挥发性脂肪酸测定从发酵瓶中抽取一定量的发酵液在 10 000 r/min 下离心 10 min袁 经 0.22 滋m 滤头膜过滤以去除其中的杂质后袁随后用纯水稀释确保其 VFAs 浓度在标线范围内袁最后将其取至气相色谱瓶内袁使用 3%的 H3PO4调节 pH 至 3.0 以下袁置于安捷伦 GC 8860 型气相色谱仪中进行检测遥1.4数据统计与分析各批次实验均设置平行实验组渊n=3冤遥 数据处理以及图形绘制使用 Excel 2016袁OriginPro 2018c 进行遥2结果与讨论2.1不同预处理方法的化学组分特性图 1 为预处理前后啤酒糟固体的化学组分变化袁表 1 列出了啤酒糟预处理后各组分回收/去除情况遥 未处理的啤酒糟半纤维素是其主要组分袁占比为 45.97%袁纤维素尧木质素组分的占比分别为 14.41%尧4.68%遥14.4122.9324.0915.3517.1645.972.0126.4715.7635.714.685.531.744.332.44未处理稀酸处理热碱处理超声-酸处理超声-碱处理020406080100组分占比（%）纤维素 半纤维素 木质素图 1预处理前后啤酒糟的化学组分50第 3 期由表 1 可知袁稀酸处理与热碱处理固体回收率分别为 37.82%尧53.87%袁而超声-酸/碱的固体回收率分别为 65.43%尧79.75%袁超声预处理具有更高的固体回收率遥半纤维素的降解与木质素的去除是导致固体损失的主要原因遥 半纤维素是一种多种单糖的复合结构袁酸处理可破坏半纤维素和纤维素聚合链中糖单体之间的杂环醚键袁导致半纤维素的解聚袁从而能降低纤维素酶解的难度18遥经稀酸预处理尧超声-酸预处理后袁啤酒糟中半纤维素含量占比降低最为明显袁由处理前的 45.97%分别降至 2.01%和 15.76%遥 Chen19通过稀酸预处理去除了玉米秸秆中大量的半纤维素渊占比从 19.7%降至 9.28%冤袁并证明有益于酶解遥 其中稀酸处理对啤酒糟中的半纤维素具有更高效的水解能力遥 Fl佗via20在其研究中也有相似的发现院相比于超声酸处理袁麦皮和燕麦皮在 121 益下糖的释放更充分袁木质纤维组分的变化也更为显著遥 有报道认为超声-酸处理过程中较低的温度是半纤维素降解效果相对较弱的原因21遥木质素是一种无定形酚类大分子袁通过 4-羟基苯丙烷偶联而具有高度异质性遥 碱处理能破坏生物质木质素中的醚键袁实现木质素的优良选择性去除遥 热碱处理与超声-碱处理对木质素组分占比的降低相对较为显著袁木质素含量由 4.68%分别降低至 1.74%与 2.44%遥 同时袁热碱处理对样品中木质素去除率最高袁约为79.97%袁与其他类似研究中碱处理所表现出的良好木质素脱除效果较为一致曰然而啤酒糟经超声-碱预处理后袁木质素组分占比为 2.44%袁但去除率仅为 58.42%袁可能与该预处理途径的固体回收率较高有关遥 超声波能可产生氧化剂促进木质素分解袁也可形成空化作用袁并提高碱性溶液对生物质原料的渗透能力22遥各种预处理方法导致啤酒糟纤维素组分含量均有不同程度上升遥 由于半纤维素的大量去除袁经稀酸处理后的啤酒糟固体残渣中纤维素含量上升至 22.93%遥 热碱处理后的啤酒糟纤维素含量最高袁为 24.09%曰超声-酸尧超声-碱处理后的啤酒糟纤维素含量分别为 15.35%和 17.16%遥2.2不同预处理方法的形态结构表征2.2.1扫描电镜分析原酒糟材料和预处理后残渣扫描电子显微镜图像渊5 000 倍冤如图 2 所示遥 预处理前啤酒糟渊如图 2渊a冤所示冤呈现了典型木质纤维材料的致密结构袁木质素和半纤维素在纤维素之间形成表面坚硬尧光滑的片层结构袁对微生物与酶的附着与分解存在较大阻碍效应遥 经稀酸处理后渊如图 2渊b冤所示冤袁材料表面形态发生纤维扭曲尧断裂且形成孔洞或裂缝并增加了表面的粗糙度袁材料比表面积和孔体积增加袁可能由半纤维素的溶解所导致遥 超声-酸处理渊如图 2渊d冤所示冤材料表面具有更加丰富的孔洞袁主要由于超声作用产生稀酸微泡的高分散性和传质强化袁有效促进了材料半纤维素水解及酶的附着袁这也是超声-酸预处理残渣的酶解产糖量更高的原因遥 经热碱处理后渊如图 2渊c冤所示冤袁表面没有明显纤维断裂但出现结构膨胀现象袁可能是一些木质素或木质素-碳水化合物复合物集结在表面23袁酶水解的可用表面积明显增加袁与 Barman 等人24的研究相似遥 超声-碱处理渊如图 2渊e冤所示冤后材料表面均出现较多不均匀微小孔洞袁表面产生较小的碎片袁归因于超声作用过程中微泡内爆引起的超声局部冲击波对木质素的破碎袁这些变化提高了酶的可及性袁进而实现超声-碱预处理残渣在酶解过程的较高产糖量遥2.2.2X 射线衍射分析啤酒糟中有木质素尧半纤维素等无定形物质袁也有纤维素晶态物质遥 结晶态纤维素在木质纤维类生物质中所占比例是影响后续酶解的重要因素遥 通过预处理可以破坏纤维素链间和链内氢键来改变其晶体结构袁一般地袁预处理对木质素和半纤维素整体去除越好袁结晶度相对越高25遥 对各供试样品的 X 射线衍射分析渊XRD冤图谱及的结晶度指数渊CrI冤如图 3 所示遥 由图可知袁结晶纤维素峰信号较强袁非结晶纤维素显示出更宽预处理方法 固体回收率 纤维素回收率 半纤维素回收率 木质素去除率 稀酸 37.821.71 60.151.41 1.650.84 55.330.79 热碱 53.871.69 90.051.64 31.021.33 79.970.52 超声-酸 65.432.12 69.700.66 22.431.87 39.461.30 超声-碱 79.752.46 94.970.60 61.951.98 58.421.22 表 1预处理后啤酒糟固体组分去除/回收率%张书源袁等院不同预处理方法对啤酒糟产糖产酸特性的影响512023苏州科技大学学报渊工程技术版冤和更弱的信号26遥与原啤酒糟相比袁经预处理后啤酒糟的结晶度均有不同程度增加遥稀酸处理后袁样品的特征峰最为尖突袁结晶度数值最高渊27.97%冤袁与前述组分占比和去除效能的结果相匹配袁其余 3 种预处理方法的结晶度数值范围为 21.24%25.22%遥 热碱预处理过程在 20.3毅与 21.5毅处出现两峰袁说明晶型为纤维素 II 型袁改变纤维素的异构体可提高后续酶催化的效率遥2.2.3红外光谱分析图 4 为与处理前后啤酒糟样品的红外光谱渊FT-IR冤图遥 根据检测图谱分析袁各样品 FT-IR 图谱的峰形总体较为相似袁这与它们的结构中存在相似的化学基团有关遥 在红外光谱中 1 0001 200 cm-1处的吸收峰与纤维素和半纤维素的结构特征有关袁 1 0001 100 cm-1吸收峰的增强则表明固体残渣中纤维素含量增加27袁与abced图 2预处理前后啤酒糟样品的扫描电镜图像渊a冤未处理曰渊b冤稀酸处理曰渊c冤热碱处理曰渊d冤超声-酸处理曰渊e冤超声-碱处理5101520253035402/未处理,CrI=16.36%稀酸处理,CrI=27.97%热碱处理,CrI=23.51%超声-酸处理,CrI=21.24%超声-碱处理,CrI=25.22%强度图 3啤酒糟预处理前后的 X 射线衍射图谱2兹/渊毅冤52第 3 期组分分析的结果一致遥 1 740 cm-1处的峰代表半纤维素的乙酰基和糖醛酸酯基或者是木质素/半纤维素中的阿魏酸和对香豆酸的羧酸酯键袁经稀酸处理与超声-酸处理后该峰消失袁可能酸处理在水解半纤维素的过程中对破坏了上述键遥 1 526 cm-1代表木质素中芳香环的芳香族 C=C袁经热碱处理尧超声-碱处理后袁该峰的强度明显减小甚至消失袁与组分分析中木质素脱除程度相对应袁碱性预处理的木质素脱除作用与该键存在关联遥 在 2 900 cm-1处观察到的谱带对应于-CH2伸展袁归因于木质素和多糖渊纤维素和半纤维素冤中的脂肪族部分袁与原酒糟相比袁预处理后样品吸光度减小袁归因于木质素和半纤维素含量的减少遥 所有的光谱都具有一个 3 4003 200 cm-1宽的吸收带袁对应于的 O-H 伸展袁表明材料的酚类和脂肪族结构中存在氢键相互作用和分子间氢键袁而预处理后的波宽变长表明经处理后的啤酒糟结构更为松散而更易于酶解28遥2.3不同预处理后对啤酒糟产糖效果影响预处理液化学组分见表 2袁 可知各预处理液还原糖含量存在较大差异其中稀酸处理预处理液还原糖浓度最高袁达到了 35.6 g/L袁主要成分是木糖与阿拉伯糖袁而这两种单糖正是半纤维素的水解产物遥 实验结果渊见表 1冤表明袁稀酸处理过程中半纤维素回收率仅为 1.65%袁这进一步证实了稀酸预处理液中还原糖主要来源于半纤维素的水解遥葡萄糖是纤维素酸水解的产物袁其浓度仅有 3.81 g/L袁仅为木糖浓度的 17.12%袁这表明在稀酸处理过程中纤维素具有更强的稳定性遥 超声-酸预处理液中还原糖含量为 18.77 g/L袁其来源与稀酸处理相似袁是在酸溶剂与超声产生的热能的相互作用下导致半纤维素溶解所致遥 尽管超声处理可造成空化作用袁但产生的热量较稀酸处理还有较大差距袁因此其产糖量较稀酸处理低遥 使用可能是由于超声-酸处理使用了更高浓度的酸溶液导致更多纤维素转化袁最终葡萄糖浓度比酸处理高 18.2%遥经热碱处理与超声-碱后袁预处理液中还原糖浓度分别为 4.14 与 0.86 g/L袁均低于酸法处理遥主要归因为半纤维素在碱性溶液下的增溶作用相对较弱遥 与热碱处理相比袁超声-碱处理预处理液中各糖的浓度更低袁这是因为超声-碱主要依靠超声波的空化作用增强碱溶液对木质素的脱除袁 而不是依靠高温热能引起糖的水解袁因此其预处理过程还原糖产量最少遥为了综合比较各预处理方法总产糖率袁分别测定了稀酸处理尧热碱处理尧超声-酸处理尧超声-碱处理在优化工况下的预处理产糖率与酶解产糖率袁并结合固体回收率等计算出基于啤酒糟原料干重的产糖率袁以便500100015002000250030003500400011601526超声碱-处理超声-酸处理热碱处理稀酸处理透过率(%)波长(cm-1)对照329017401033图 4啤酒糟预处理前后红外光谱图预处理方法 还原糖浓度 葡萄糖浓度 木糖浓度 阿拉伯糖浓度 乙酸浓度 糠醛浓度 HMF 浓度 稀酸处理 35.60 2.57 3.810.27 22.251.26 5.360.37 1.840.08 0.140.03 0.190.04 热碱处理 4.140.83 1.520.14 1.060.10 0.140.02 1.360.11-超声-酸处理 18.772.70 4.500.19 8.010.72 3.250.24 0.730.05 0.030.01 0.010.01 超声-碱处理 0.860.15 0.120.05 0.410.06 0.170.04 0.120.02-表 2啤酒糟预处理液化学组分分析张书源袁等院不同预处理方法对啤酒糟产糖产酸特性的影响波长/cm-1g 窑 L-1532023苏州科技大学学报渊工程技术版冤进行均一化对比袁分析结果如图 5 所示遥 由图可知袁酸性预处理与碱性预处理在预处理和酶解两个阶段的产糖率差异较大遥热碱处理与超声-碱处理在预处理阶段产糖率极低袁分别为 41.00 mg/g 与 10.75 mg/g遥而稀酸处理与超声-酸处理二者的预处理产糖率分别为 356 mg/g 与 234.63 mg/g袁远高于热碱处理与超声-碱处理遥但热碱处理与超声-碱处理在酶解产糖率上更具有优势袁分别为 262.69 mg/g 与 224.26 mg/g袁大于稀酸处理与超声-酸处理的 77.16 mg/g 与 98.27 mg/g遥综合计算总产糖率袁稀酸处理尧热碱处理尧超声-酸处理尧超声-碱处理联合酶解的总产糖率分别为 433.16 mg/g尧306.69 mg/g尧332.90 mg/g 和 235.00 mg/g遥 可发现酸法处理过程总产糖率高于碱法处理袁这可能归因为啤酒糟半纤维素更高袁而酸性溶剂对其水解效果更好袁因此酸性处理获得了更高的总产糖率遥2.4不同预处理对啤酒糟产酸效果影响图 6渊a冤为经过不同预处理的啤酒糟在厌氧发酵过程中的 VFAs 产量遥 在前 5 天内袁各发酵体系的 VFA浓度快速上升袁之后缓慢增加直至达到最高值遥 类似的趋势在草类生物质的厌氧发酵中也被观察到29遥 经稀酸处理及超声-酸处理的啤酒糟在前两天的发酵中 VFA 积累迅速袁产量分别为 7 685.50 mgCOD/L 与6 720.22 mgCOD/L遥 经稀酸处理及超声-酸预处理后袁半纤维素水解转化为戊糖袁可以直接被微生物利用袁从而缩短了厌氧发酵过程中的水解步骤遥 因此袁发酵体系在初始状态下可溶性有机物含量较高袁可以更快地转化为 VFA30遥 发酵第 3 天袁经过热碱处理的啤酒糟的 VFAs 产量已经超过了超声-酸处理袁可能是因为之前溶解在液相中的有机物渊如蛋白质冤开始被微生物利用袁此时提供给微生物的有机物含量更多遥 然而袁超声-碱处理主要是用于去除啤酒糟中的木质素袁对半纤维素及其他有机物的溶出作用较弱袁因此厌氧发酵的 VFAs产量不及其他几种预处理方式遥稀酸处 理热碱处 理超声-酸处 理超声-碱处 理0100200300400产糖率（mg/g）预处理产糖 酶解产糖图 5不同预处理方法还原糖产率的对比02468102000400060008000100001200014000VFAs产量(mg COD/L)时间(d)超声-碱处理 超声-酸处理 热碱处理 稀酸处理 对照对照稀酸处理热碱处理超声-酸处理 超声-碱处理020406080100VFAs组分占比(%)乙酸 丙酸 异丁酸 正丁酸 异戊酸 正戊酸（a）（b）图 6 预处理方法对 VFAs 的产量及组分的影响渊a冤 VFAs 产量变化渊b冤 VFAs 组分54第 3 期到第 10 天 VFAs 产量基本平稳袁周期结束时 VFAs 产量为院稀酸处理热碱处理超声-酸处理超声-碱处理对照组遥 稀酸处理的 VFAs 产量最高袁 为 13 268.84 mg COD/L袁 相较对照组提升了 2.4 倍袁 但略低于Juan 等10的研究结果袁后续可通过调节 pH 等操作进行优化曰超声-碱处理尧超声-酸处理尧超声-碱处理则分别提升 99.69%尧76.43%尧25.49%遥 不同预处理途径均可以不同程度实现啤酒糟中半纤维素的增溶以及木质素的降解并破坏木质纤维素结构袁使得其中的有机物等更容易被发酵体系中的微生物所利用遥与 Xue 等人30的研究结论不同袁本研究结果表明使用固体回收率更低的稀酸与热碱预处理方法实现了更高的 VFAs 产量袁可能因为固体回收率在一定程度上反映了预处理方法的增溶能力遥Guo 等人31也得出了类似的结论遥在预处理过程产生的乙酸尧糠醛与 5-羟甲基糠醛渊HMF冤等可能会抑制后续的厌氧发酵遥由表 2 可知袁尽管稀酸处理与热碱处理过程中产生的副产物相对较高袁但仍具有较高的 VFAs 产量袁由此可知副产物的抑制作用并非是造成厌氧产酸差异的决定性因素遥图 6渊b冤所示为经过各方法预处理后啤酒糟在厌氧发酵产 VFAs 组分构成占比遥 厌氧发酵 VFAs 组分构成对其下游的进一步利用至关重要袁也在一定程度上决定了其实际价值遥 例如袁对于作为废水处理的碳源利用过程袁有机酸的利用顺序为乙酸丁酸戊酸丙酸遥 不同预处理方法会导致 VFA 的比例有所不同遥 乙酸尧丙酸和正丁酸是三种最常见的 VFA袁 在各体系中分别占总挥发性脂肪酸产量的 95.27%尧94.42%尧94.01%尧89.23%和 91.62%遥 经各方法预处理后的发酵体系中袁乙酸占比均超过 50%袁而丙酸和正丁酸的变化幅度相对较大遥 稀酸处理后的发酵体系中袁正丁酸占比相对最高渊34.95%冤袁浓度为 3 652.22 mg/L袁丙酸占比仅为2.66%袁而在热碱处理和超声-碱预处理的发酵体系中占比分别为 18.81%和 14.04%遥 除对照组外袁各个体系中都检测到了异丁酸的产生袁但浓度均低于 300 mg/L遥 在各个体系中都检测到了前五种 VFA袁仅在超声-碱体系中检测到了极少量的正戊酸渊91.01 mg/L冤遥3结语渊1冤不同预处理方法对啤酒糟组分特性具有不同影响遥热碱处理可脱除 79.97%的木质素袁稀酸处理实现了98.35%的半纤维素降解遥 经超声-酸/碱处理对啤酒糟组分特性影响相对较小袁 但该法固体回收率相对较高遥渊2冤采用 SEM尧XRD 和 FTIR 法对预处理前后的啤酒糟的形态结构表征结果表明袁经预处理后袁啤酒糟表面出现不同程度的孔洞尧裂缝袁有效增加了后续联合酶解反应的接触面积曰随着木质素尧半纤维素的脱除袁纤维素结晶度由 16.36%最高增加至 27.97%袁FTIR 相关官能团信号强度变化验证了预处理后半纤维素尧 纤维素及木质素等成分组成的变化趋势遥渊3冤酸性处理的预处理产糖率要远高于碱性预处理袁而碱性处理更利于酶解产糖遥 稀酸处理尧热碱处理尧超声-酸处理尧超声-碱处理还原糖总产率分别为 433.16尧306.69尧332.90尧235.00 mg/g遥 啤酒糟半纤维素更高且酸性溶剂对其具有更好的水解效果袁因此从总产糖率的角度看酸法预处理的产糖性能更佳遥渊4冤 各预处理后的啤酒糟厌氧发酵 VFAs 产量顺序为稀酸处理热碱处理超声-酸处理超声-碱处理袁VFAs 产量与预处理对有机物的增溶能力相关袁 可由固体回收率反映遥 各发酵体系中袁 乙酸所占比例均在50%以上袁是最主要的 VFA遥参考文献院1 MUSSATTO S I,DRAGONE G,ROVETO I C.Brewers spent grain:generation,characteristics and potential applicationsJ.Journal of Cereal Sci鄄ence,2006,43渊1冤院1-14.2 郭萌萌袁赵建德袁杜金华袁等.啤酒糟在国内外食品加工中的利用现状J.中国酿造袁2013袁32渊9冤院24-27.3 张毅,张宏,刘云云,等.纤维素燃料乙醇预处理技术研究进展J.可再生能源袁2021袁39渊2冤院148-155.4 WYMAN C E,DALE B E,ELANDER R T,et al.Coordinated development of leading biomass pretreatment technologiesJ.Bioresource Technolo鄄gy,2005,96渊18冤院1959-1966.5 CHEN M,ZHAO 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