【目的】降低預處理成本、提高秸稈預處理后的酶解效果,模擬自然界低溫環(huán)境并結合氨水對高粱秸稈進行預處理�！痉椒ā客ㄟ^單因素試驗分別探究氨水低溫凍融預處理中浸泡液的液固質量比、冷凍溫度、冷凍時長、氨水質量分數(shù)對高粱秸稈酶解的影響,采用正交試驗對預處理條件進行優(yōu)化,對預處理前后高粱秸稈的成分采用范式法測定,物理化學結構用紅外光譜和X射線衍射分析。【結果】單因素試驗中,浸泡液的液固質量比、冷凍溫度、冷凍時長和氨水質量分數(shù)在不同水平下均顯著提高了高粱秸稈酶解還原糖的產量（P<0.05）。正交試驗最優(yōu)預處理條件為浸泡液的液固質量比12,冷凍時長12 h,冷凍溫度-10℃,氨水質量分數(shù)8%。相較于未進行預處理的秸稈,氨水低溫凍融處理的秸稈半纖維素含量下降42.42%;木質素含量下降50.76%;秸稈的還原糖產量為302.87 mg·g-1,較未預處理組提高了80.34%;纖維素結晶度提高了57.02%�！窘Y論】氨水低溫凍融預處理能有效破壞高粱秸稈木質纖維素間原有的連接結構,溶解半纖維素,木質素的單體和聚合結構被破壞,提高了高粱秸稈的酶解還原糖得率以及纖維素結晶度。 

【文章來源】：華南農業(yè)大學學報. 2020,41(04)北大核心CSCD

【文章頁數(shù)】：7 頁

【部分圖文】：

不同單因素對高粱秸稈酶解還原糖產量的影響

傅里葉紅外變換光譜可以對木質纖維原料進行掃描，通過對比高粱秸稈預處理前后的譜圖，準確分析秸稈化學結構的變化。由圖2可見，氨水低溫凍融預處理前后除某些特征峰的消失或吸收強度的變化外，紅外吸收峰形狀基本相同。經(jīng)過氨水低溫凍融聯(lián)合預處理后，波數(shù)830 cm-1處C—H彎曲振動增強，899 cm-1處的β–1,4糖苷鍵振動吸收峰[26]增強，表明秸稈中的聚糖降解，官能團更充分地暴露出來。與未處理秸稈相比，波數(shù)1 050 cm-1處的C—O和—CH2的伸縮振動吸收峰[27]經(jīng)預處理后明顯上升，說明了氨水低溫凍融聯(lián)合預處理能夠使晶體結構遭到有效破壞，從而使纖維素聚合度下降。波數(shù)1 250 cm-1處的譜峰為乙酰脂鍵、酚類C—O振動和—OH的變形振動[28]，經(jīng)預處理后在該處的峰明顯減弱，這說明部分半纖維素和木質素得到有效降解。波數(shù)1 380和1 610 cm-1處小峰和寬峰均為木質纖維素中的COO-1對稱伸縮振動吸收特征峰，與未處理秸稈的譜圖相比，經(jīng)預處理后在該處附近的峰明顯增強，這是預處理對木質纖維素的結構進行有效破壞的結果。波數(shù)1 510 cm-1處的譜峰為木質素振動吸收峰，此處吸收峰主要為—CH2、C—O和苯環(huán)中的C—C，表明在預處理過程中部分木質素聚合體被破壞，聚合度下降。波數(shù)1 730 cm-1處的單肩譜峰是COOH上的C=O鍵的伸縮振動吸收峰[29]，與未處理秸稈的譜圖比，預處理后該處譜峰基本消失，這表明了預處理使半纖維素中酯鍵發(fā)生了斷裂，半纖維素降解。波數(shù)2 920 cm-1處為木質纖維素結構中的—CH、—CH2的對稱和不對稱伸縮振動吸收峰。波數(shù)3 400 cm-1處為木質纖維素中酚羥基—OH的振動吸收峰，與未處理秸稈的圖譜相比，經(jīng)氨水低溫凍融預處理后破壞了木質纖維素的氫鍵，并有酚羥基或脂肪族羥基產生。紅外光譜圖分析結果表明，氨水低溫凍融聯(lián)合預處理對高粱秸稈木質纖維素之間的氫鍵進行了有效破壞，部分半纖維素因C=O鍵斷開而溶解；同時，高粱秸稈中木質素的—CH2、C—O，苯環(huán)中C—C鍵充分暴露出來，對木質素的單體和聚合結構均有一定程度的破壞；纖維素中的β–1,4糖苷鍵、—CH2和—OH原有連接結構被打破。預處理前后的化學結構特性變化有效破壞了高粱秸稈的抗降解屏障，提高了纖維素酶對秸稈微觀結構的可及度，降低了傳質阻力，提高了酶解效率和還原糖得率。

圖3是未處理原料和氨水低溫凍融聯(lián)合預處理后的X射線衍射圖譜。如圖3所示，試驗最優(yōu)預處理和未處理的衍射峰在16.0°附近的峰型基本一致，但試驗最優(yōu)預處理樣品的衍射強度明顯減弱。試驗最優(yōu)預處理組在2θ=18.0°的波谷較未處理組位置向左偏移，這表明纖維素無定形區(qū)單體結構產生變化。在2θ=22.0°處出現(xiàn)明顯的衍射強度單峰，預處理后樣品衍射峰強度顯著增強，根據(jù)公式計算出未處理組纖維素結晶度為24.36%，試驗最優(yōu)預處理后秸稈纖維素的結晶度為38.25%，提高了57.02%，這表明高粱秸稈在預處理后，半纖維素和木質素2種無定形區(qū)降解溶出并暴露在外，纖維素相對含量增加并導致纖維素基質的部分重結晶，纖維結構發(fā)生重排，原料的有序結構受到破壞，部分結晶區(qū)變?yōu)闊o定形區(qū)且有少量結晶生成或結晶重定向，使該衍射角度下吸收強度大幅增加，這與紅外光譜圖中1 050、1 380和2 920 cm-1處的木質纖維素化學基團的吸收峰增強相對應。由圖可以看到試驗最優(yōu)預處理后在2θ=28.0、30.5和34.5°處的衍射峰相較于未處理組基本消失，這表明氨水低溫凍融聯(lián)合預處理使纖維素的結晶結構產生顯著變化。X射線衍射分析結果表明，氨水低溫凍融聯(lián)合預處理對秸稈的纖維素結晶度有雙重作用，一方面經(jīng)過預處理破壞纖維素結晶區(qū)的氫鍵降低了結晶度，但與此同時無定形區(qū)木質素的去除和半纖維素的溶解使總體的結晶度大于對結晶區(qū)的破壞而升高，這與Kim等[30]采用氨水、陳尚钘等[31]采用稀酸、Pang等[32]采用微波蒸汽聯(lián)合預處理玉米秸稈時均發(fā)現(xiàn)了預處理使秸稈纖維素結晶度上升或者具有雙重作用的事實一致。

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本文編號：3500339