Page 166 - 《精细化工》2020年第8期

·1664· 精细化工 FINE CHEMICALS
玉米秸秆降 解率 =22.04+0.97A+0.83B+0.64C+
0.70D–0.75AB+0.14AC+1.27AD–0.31BC–0.72BD+
2
2
2
2
0.41CD–2.63A –1.31B –2.71C –0.26D
由表 6 可知：此模型的 P 值小于 0.0001，说明极
其显著；失拟项 P 值为 0.1829>0.05，说明不显著
由此可知，该模型选择正确，可用于优化放线菌
GS-4-21 降解玉米秸秆。
从表 6 还可以看出，各因素的效应关系为
A>B>D>C，即培养基初始 pH>摇床转速>接菌量>发
酵温度；其中，AB、AD、BD 对实验有显著影响，交
互作用响应曲面如图 12 所示。由图 12a、b 和 c 可
见，曲面的坡度比较陡，说明两两因素之间的交互
作用是比较显著的。
综合以上单因素和响应曲面分析结果，使用
Design-expert 8.0 进行多响应值的最优条件选择，从
而得出优化工艺参数：培养基初始 pH 为 6.46，摇
床转速 157.62 r/min，发酵温度 28.47 ℃，接菌量的
体积分数为 3%，在此工艺参数下预测的玉米秸秆降
解率为 23.12%。考虑实际操作情况，确定 4 个因素
分别为培养基初始 pH 6，摇床转速 160 r/min，发
酵温度 28 ℃，接菌量的体积分数为 3%，在此条件
下进行玉米秸秆降解实验，摇瓶发酵 5 d 后，玉米
秸秆的降解率为 23.54%，与预测值差别不大，证明
模型可靠，优化条件有效。
2.7 SEM 分析
为从表观层面观察菌株对玉米秸秆的降解能
力，用 SEM 对玉米秸秆降解前后的形貌进行观察，
如图 13 所示。
图 13 降解前（a）后（b）玉米秸秆的 SEM 图
Fig. 13 SEM images of corn straw before (a) and after (b)
degradation
由图 13 可见，玉米秸秆降解前的表面结构比较
完整，致密且有规则，玉米秸秆降解后的表面出现
较大的裂缝和孔洞，菌株 GS-4-21 在降解过程中对
玉米秸秆的结构进行一定的破坏，增加了纤维素的
暴露面积，提高了纤维素的利用率。结果表明：放线
菌 GS-4-21 具有较高的玉米秸秆降解能力。
2.8 玉米秸秆中主要成分的测定
玉米秸秆的主要成分变化情况如表 7 所示。
第 37 卷
表 7 玉米秸秆的主要成分变化情况
Table 7 Main compositions of corn straw
原料 纤维素含量/% 半纤维素含量/% 木质素含量/%
降解前 36.47±0.89 28.76±1.04 16.08±0.87
[25] 。 降解后 25.41±0.48 19.57±0.98 13.04±0.77
玉米秸秆中纤维素含量>半纤维素含量>木质素
含量。当被放线菌 GS-4-21 降解后，其主要成分的
含量（纤维素、半纤维素和木质素）均有不同程度的
下降。从表 7 中数据可以计算出玉米秸秆中纤维素、
半纤维素、木质素的降解率分别为 30.33%、31.95%、
18.91%。放线菌 GS-4-21 对半纤维素的降解率是最
高的，其次是纤维素，最后是木质素。
3 结论
（1）从寒地黑土中筛选出的放线菌 GS-4-21 可
产纤维素酶并对玉米秸秆具有较好的降解能力。
（2）当发酵时间为 5 d，培养基初始 pH 为 6，
发酵温度为 28 ℃，摇床转速为 160 r/min，接菌量
的体积分数为 3%时，玉米秸秆的降解率可达到
23.54 %。其中，纤维素、半纤维素、木质素的降解
率分别为 30.33%、31.95%和 18.91%。
（3）考虑在后续实验中采用培养基成分的优化、
复合菌群的构建和紫外诱变等手段，提高菌株 GS-4-21
产纤维素酶的能力，更好地降解玉米秸秆，为秸秆
类生物质降解及利用提供菌种资源和理论依据。
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