低温稀酸预处理玉米秸秆的研究
酸处理玉米秸秆生物转化单细胞蛋白的研究
酸处理玉米秸秆生物转化单细胞蛋白的研究摘要: 研究了经稀酸(pH 为2～ 3 的硫酸) 处理的玉米秸秆木质纤维素的成分变化及对木霉降解秸秆纤维物质作用的影响, 并探讨了木霉2酵母菌混合发酵转化酸处理秸秆的发酵工艺。
研究表明: 对玉米秸秆进行常温48h 稀酸处理, 可以有效地破坏木质素2半纤维素的包蔽层结构, 利于木霉对秸秆的生物降解。
木霉单菌种发酵8 d 后, 粗纤维分解率可达到65% , 其中, 纤维素分解率达到57%; 经木霉2酵母菌混合发酵后,粗纤维分解率达到70% , 其中, 纤维素分解率达到60% , 粗蛋白得率为23% , 使玉米秸秆的营养价值有了非常大的提高, 为低成本转化秸秆材料生产富含蛋白质饲料提供了有效途径。
农作物秸秆中含有许多有机营养物质, 是自然界存在量巨大的可再生资源。
我国年产农作物秸秆达5 亿t, 其中, 除少部分秸秆被用做牛羊等反刍动物的饲料或还田作肥料外, 大部分被焚烧、废弃, 既造成了资源的巨大浪费, 也对环境产生污染。
因此,研究利用秸秆中的有机物质生物转化生产单细胞蛋白、酒精、甘油等产品, 变废为宝, 对解决人类面临的能源短缺、蛋白质短缺、环境污染等问题具有重大意义, 已越来越受到各国科学家的重视。
由于秸秆中干物质的50%～ 60% 是由木质化程度较高的纤维素类物质组成, 并且其中的木质素和半纤维素形成牢固结合层, 将结晶化程度很高的纤维素包裹在里面,形成所谓的包蔽层结构, 使其很难被生物直接分解利用, 所以, 在很大程度上限制了秸秆的生物利用。
在进行秸秆生物转化时往往需要对其进行适当的预处理。
秸秆的预处理可以采用物理、化学或微生物方法。
酸法处理是常用的化学处理手段。
以往国内外研究工作集中在酸解糖化工艺, 或以提高酶解糖化效率为目的的酸处理工艺。
为了提高秸秆的糖化或酶解效率, 酸处理工艺主要采用稀酸高温水解法(2%～ 4% 稀硫酸, 95～ 100 °C 水解1h)，二段式浓酸低温水解法。
低温酵解玉米秸秆的细菌菌株及其发酵培养方法和应用[发明专利]
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专利名称：低温酵解玉米秸秆的细菌菌株及其发酵培养方法和应用
专利类型：发明专利
发明人：李凤兰,徐媛媛,徐永清,冯艳忠,杨秀梅,袁强,王丽娟
申请号：CN201810591553.7
申请日：20180610
公开号：CN108865927A
公开日：
20181123
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本发明公开了低温酵解玉米秸秆的细菌菌株及其发酵培养方法和应用。
本发明首先公开了一株分离的短小芽胞杆菌菌株，其微生物保藏编号为：CGMCC No.15177。
本发明对所分离的短小芽胞杆菌菌株的发酵制备方法的有关参数进行了优化。
本发明所分离的短小芽胞杆菌在不同温度下都可生长，在4℃低温条件下，仍然具有旺盛的生长力。
本发明所分离的菌株能够在低温条件下高效酵解秸秆，可以单独或与EM菌联合应用于酵解秸秆。
将本发明菌株的发酵液同EM菌液混合后在低温下酵解玉米秸秆，秸秆酵解效果呈显著提升，酵解率提高了47.4％。
本发明所分离的短小芽胞杆菌菌株在制备秸秆腐熟剂，尤其是玉米秸秆腐熟剂中应用前景广泛。
申请人：东北农业大学
地址：150030 黑龙江省哈尔滨市香坊区长江路600号
国籍：CN
代理机构：北京思元知识产权代理事务所(普通合伙)
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预处理方法对玉米秸秆利用的影响
第17卷第3期2009年9月纤维素科学与技术Journal of Cellulose Science and TechnologyV ol. 17 No.3Sept. 2009文章编号：1004-8405(2009)03-0035-04预处理方法对玉米秸秆利用的影响张荫雷，李莉，戴天纭，李蕴，马中良*（上海大学生命科学学院生命科学实验教学中心，上海 200444）摘要：分别用化学方法（稀硫酸、氢氧化钠、聚乙二醇-4000、曲拉通X-100）和物理方法（液氮超低温处理）对玉米秸秆进行预处理，比较了预处理后木质纤维素酶降解的效果。
结果表明：氢氧化钠和液氮超低温处理的降解效率比较好，生成的糖最多。
扫描电镜检测证明预处理后的秸秆物理结构发生了较大改变。
对预处理后的秸秆进行发酵产沼气能力比较的结果表明，液氮处理后的秸秆产沼气的量最多。
关键词：玉米秸秆；预处理；降解；木质纤维素；发酵中图分类号：TS721 文献标识码：A木质纤维素是重要的可再生资源，其可利用部分主要是纤维素[1]。
木质纤维素如玉米等农作物的废弃物难以被利用的主要原因是木质素和半纤维素共价结合、纤维素的结晶结构以及纤维素被木质素和半纤维素包覆[2]，因此有必要对木质纤维素进行有效的预处理，破坏木质素的包裹，改变纤维素的结晶结构，以增大酶与纤维素的接触面积。
有效的预处理方法是目前提高利用纤维素利用率的主要途径。
本文研究了不同的预处理方法对玉米秸秆降解效率的影响及产生生物质能——沼气的效果。
1 材料与方法1.1 材料玉米秸秆购自江苏盐城，晒干，粉碎，备用。
纤维素酶R-10购自北京鼎国生物技术有限责任公司，纤维素酶活（以滤纸酶活表示）为133.4 FPU/mL。
1.2 方法1.2.1 样品的初步预处理称取高温灭菌过的玉米秸杆粉0.5 g，分别放入编号的锥形瓶中。
1.2.2 化学法预处理试剂的制备上述样品分别用2%氢氧化钠，2%稀硫酸，10%曲拉通（Triton-X-100），1%聚乙二醇（PEG-4000），每种处理平行做三个样本，于37℃过夜。
玉米秸秆预处理实验
一、玉米秸秆预处理实验（因素：固液比、温度、时间、浓度）
1.物理处理（1g玉米秸粉+20ml buffer）固液比：1：20
高温处理121℃20min 40min 60min
2.化学处理（2g玉米秸粉+40ml buffer）
1）1%NaOH 0.5%NaOH 1%H2SO4 0.25%H2SO4
1h 2h 4h
2)氨水处理（2g玉米秸粉+40ml buffer）
1% 2% 5%NH3.H2O
50℃8h 16h 24h 36h 48h
注：buffer配制0.02mol/L NaCOOH+0.02mol/L HCOOH (pH 4.8)
处理完成后离心取上清测葡萄糖浓度，沉淀置于培养皿中烘箱烘干实验结果
以较好结果的测其成分（高效液相色谱法）
由结果葡萄糖产率高的重复
3）72%硫酸处理实验
0.5g/0.1g/0.2g玉米秸粉+5ml72%硫酸室温放置2.5h 摇晃
↓
181.7ml蒸馏水121℃1h
↓
Ba（OH）2调制中性（试纸检验）
↓
1ml上清12000r/m 10min
↓
200ul上清+800ul超纯水
↓
高效液相色谱测成分（葡萄糖、木糖）
4）生物处理
摇瓶糖化实验（酶处理）每个做两个平行
1g玉米秸粉（400种）+20ml buffer+35ul糖化酶+叠氮钠（抑菌作用）
↓
50℃恒温摇床120rpm 3day
↓
↓
取2ml样品4℃冰箱存放
结果处理：①取1ml上清12000rpm/min 10min
取上清50ul+200ul纯水液相测成分
②用生化分析仪测葡萄糖浓度。
玉米秸秆预处理优化实验条件研究
（ ｖ） ｍ／ ） 或氢 氧化钠 （ ％、 ． ％ 、 、 ． ％、 ％ （／ ） ， 拌均 匀 ， Ｏ ０ ５ １ １５ ３ ｖ ｖ）搅 高压 蒸 汽下 （ ２ １ １℃ ，． ａ 处 理 不 同的 ０ １Ｐ ）
时 间（ ０ ４ 、０ｒｉ） 反 应结束 时 以 自然 降压 和急 速 降 压两 种 降 压 方式 使 反 应体 系 降 至 室温 ， 得 处理 样 ２ 、０ ８ ｎ ， ａ 获
第 ５期
王
歌 等 ： 米秸 秆 预 处 理 优 化 实验 条 件研 究 玉
１５ ７
２ １ 高压 蒸汽 下硫酸对 玉米 秸秆 处理 的最佳优 化条 件 ． 图１ ～３所示 ， 高压蒸 汽下 ， 以相 同硫 酸浓度处 理秸 秆 ， 还原 糖产 量 随处 理 时间 的延 长 而增 加 ； 同处 理 相
关键词 ： 玉米秸秆 ； 预处理 ； 还原性 糖 中 图 分 类 号 ： ８５ Ｑ１ 文 献标志码 ： Ａ
现如今能 源短缺 已成 为 困扰 人类发 展 的重 大 问题 ， 以生 物 质为 原料 生 产燃 料 乙醇 有着 越 来越 广 阔 的市 场前景 ． 因此近 年来利 用废弃 的木 质纤维 原料生 产 乙醇已在各个 国家引起 越来 越广泛 的关 注［ ． １ 但在 以纤 维 ］ 素为原 料生产燃 料 乙醇的过 程 中， 最大 的问题是原 料 的预处 理． 预处 理 的 主要作 用 是 改变 天然 纤 维 的结 构 ， 降低纤 维素 的结 晶 ， 去木质ห้องสมุดไป่ตู้素 ， 加酶 与纤维素 的接触 面积 ， 脱 增 从而 提高酶 解 的效率． 目前预 处理 的方法 主要 有物理 、 化学 、 物和氨 冷冻爆 破法［ ， 生 ２ 但预处 理效果 不理想 ， ］ 且对 生产 设备 的腐 蚀 、 磨损 和耗 能较 严 重 ， ｊ 因此开 发高效 、 低成本 的预处 理方法 成为 了亟待解 决 的技术 问题 ． 研 究 以玉米 秸秆 为 原 材料 ， 本 采用 物 理与
稀酸水解玉米秸秆两步发酵联产纤维素乙醇和氢气
稀酸水解玉米秸秆两步发酵联产纤维素乙醇和氢气潘春梅;杏艳;樊耀亭【摘要】A two - phase process combined production of cellulosic ethanol and hydrogen from cornstalk was constructed in this paper.The effect of detoxification methods on the production of ethanol and hydrogen from acid-hydrolysis cornstalk were investigated.The results showed that using anion - exchange resins detoxification followed by evaporation, the maximal ethanol and hydrogen yields from cornstalk were 131.1 mg/g TS and 44.6 mL/g TS, ing acid hydrolysis method, the hemicellulose in cornstalk was degraded for ethanol production.The natural hydrogen- producing microorganism had the ability to directly degrade cellulose for hydrogen fermentation.%构建了玉米秸秆两步发酵联产乙醇-氢气体系,系统考察了多种脱毒方法对秸秆稀酸水解物发酵生产乙醇和氢气的影响,探讨了秸秆的降解机理.结果表明:当以稀酸水解玉米秸秆时,采用离子交换树脂吸附结合真空旋转蒸发对玉米秸秆稀酸水解液进行脱毒处理效果最好,乙醇和氢气的最大产量分别为131.1 mg/g TS和44.6 mL/g Ts,其秸秆的能量回收率为33.2%.玉米秸秆经稀酸处理后绝大多数半纤维素被降解用于发酵生产乙醇,而天然产氢微生物具有直接降解纤维素发酵产氢的能力.【期刊名称】《食品与发酵工业》【年(卷),期】2011(037)003【总页数】5页(P65-69)【关键词】秸秆;脱毒处理;发酵;纤维素乙醇;氢气【作者】潘春梅;杏艳;樊耀亭【作者单位】郑州牧业工程高等专科学校生物工程系,河南,郑州,450011;陕西省环境监测中心站,陕西,西安,710054;郑州大学化学系,河南,郑州,450052【正文语种】中文能源供应和环境保护是全球经济实现可持续发展所面临的两个关键性问题[1],开发新型可再生清洁能源已迫在眉睫。
玉米秸秆稀酸预处理条件对糠醛类抑制物产生的影响
玉米秸秆稀酸预处理条件对糠醛类抑制物产生的影响张莎莎;张坤;陈晓晓;王晓俊;左小明;薛冬桦【摘要】To explore the factors that affect the generation of furfural inhibitor during the process,corn stover was pretreated using diluted sulfuric acid.The correlation between pretreatment conditions and re-ducing sugar and furfural was analysed by partial correlation.The analysis showed that the main factor af-fecting furfural generation was the concentration of the sulfuric acid.There was a positive correlation be-tween the concentration of furfural and sulfuric acid.Pretreatment temperature and time were associated with the furfural concentration significantly;however the solid liquid ratio was not associated with the generation of furfural.The results showed that the optimal results were achieved by usi ng 1% sulfuric acid to pretreat the corn stover at 120 ℃ for 90 minutes and ratio of solid to liquid 1∶10,as results,the furfural concentration was measured as 0.99 mg/mL with reducing sugar at 27.6mg/mL.%以玉米秸秆为原料，探讨稀硫酸预处理玉米秸秆过程中影响糠醛类抑制物产生的因素，运用偏相关性分析法分析不同预处理条件与还原糖、糠醛的相关性。
不同方法预处理的玉米秸秆结构与酶解分析
DOI :10.11895/j.issn.0253⁃3820.171238不同方法预处理的玉米秸秆结构与酶解分析史旭洋1 钱程2 刘艳1 刘心同1 尚鑫1 刘硕2刘禹廷2 于藴波2 张军2 任晓冬*11(吉林大学生命科学学院,长春130012) 2(吉林省公安厅物证鉴定中心,长春130000)摘 要 在利用秸秆进行工业转化时,因为秸秆结构复杂,导致转化效率低,所以需对秸秆进行预处理,破坏秸秆复杂结构,提高转化效率㊂采用扫描电镜(SEM)㊁傅里叶变换红外光谱(FT⁃IR)和X 射线衍射技术分析不同预处理方式对玉米秸秆微观结构的影响,并利用纤维素酶对不同预处理秸秆进行酶解,评价预处理效果㊂扫描电镜结果表明,不同预处理方式对秸秆表面形态和秸秆整体结构造成不同程度的破坏,其中NaOH 预处理后的秸秆表面结构坍塌明显,表明木质纤维素结构被有效打破㊂利用傅里叶变换红外光谱对不同预处理方式的秸秆进行分析,其中1600和1510cm -1为木质素的特征峰,NaOH 预处理后的秸秆在此处的特征峰基本消失,表明NaOH 预处理对秸秆木质素的去除效率比较明显㊂1744~1734cm -1为=C O 伸缩振动特征峰,此峰的强度与木质素和半纤维素的含量有关,采用不同方法预处理后,此峰的吸收强度不同程度地减少,表明各种预处理方法不同程度地去除了秸秆的木质素和半纤维素㊂X⁃射线衍射分析表明,不同预处理后秸秆的结晶度均发生不同程度的改变,其中H 2SO 4预处理后秸秆的结晶度提高最大,达到43.4%㊂其中NaOH 预处理秸秆后,用纤维素酶酶解60h,使其酶解产糖量达到33.32g /L㊂本研究分析了不同秸秆预处理方法的效果,为利用玉米秸秆生产生物化工产品提供了理论依据㊂关键词 秸秆;扫描电镜;傅里叶变换红外光谱;X 射线衍射;预处理;酶解 2017⁃09⁃08收稿;2018⁃07⁃14接受本文系公安部应用创新计划项目(No.2017YYCXJLST020)资助*E⁃mail:renxiaodong@1 引言木质纤维素是自然界上最丰富的自然资源,利用木质纤维素可以生产多种生物化工产品㊂目前,农业废弃物秸秆㊁麦秆等的处理成为影响环境和生态的重大问题㊂通过生物炼制的手段将秸秆㊁麦秆等木质纤维素制成生物化工产品,是秸秆高效转化的重要途径[1]㊂利用木质纤维素进行生物炼制,首先需要对木质纤维素进行糖化,将木质纤维素转化为葡萄糖等单糖后,再通过发酵将葡萄糖转化成生物化工产品[2]㊂木质纤维素主要由纤维素㊁半纤维素和木质素3种成分组成,其中半纤维素和木质素相互缠绕,将纤维素包裹起来形成一种相互缠绕的结构,这种复杂的空间结构使木质纤维素可以有效抵抗外部环境㊂在进行生物炼制时,这种特性使得纤维素酶降解纤维素的效率降低[3]㊂因此,在利用木质纤维素时,需要对其进行预处理,打开纤维素㊁半纤维素和木质素相互缠绕的结构,以提高纤维素酶的水解效率㊂目前,工业上使用的预处理方法主要有H 2SO 4㊁NaOH㊁CaO 和H 2O 2处理等方法[4]㊂其中H 2SO 4等稀酸溶液在预处理过程中主要是破坏秸秆中的半纤维素成分,通过溶解部分半纤维素,从而打开秸秆本身纤维素㊁半纤维素和木质素相互缠绕的结构;NaOH㊁CaO 和H 2O 2等碱性溶液主要是破坏秸秆中木质素成分,从而破坏秸秆原有的结构㊂本研究采用不同方法对玉米秸秆进行预处理,分别用扫描电镜㊁傅里叶变换红外光谱和X⁃射线衍射对预处理的秸秆进行分析,探讨了不同的预处理方式对秸秆结构的影响㊂对不同方式预处理的秸秆进行了纤维素酶酶解效率评价,为利用玉米秸秆生产生物化工产品提供了理论依据㊂第46卷2018年9月 分析化学(FENXI HUAXUE) 研究报告Chinese Journal of Analytical Chemistry 第9期1501~15062051 分析化学第46卷2 实验部分2.1 仪器与试剂1200Series高效液相色谱仪(德国安捷伦公司);FEI Quanta200扫描电镜(荷兰FEI公司); Shimadzu IRPrestige⁃21傅里叶变换红外光谱仪(日本岛津公司);Bruker D8晶体衍射仪(XRD,德国布鲁克公司);HZ⁃8802S水浴恒温振荡器(上海智诚公司);722E型可见分光光度计(上海光谱公司);标准品均购于自Sigma⁃Aldrich公司;H2SO4㊁NaOH㊁CaO和H2O2等试剂均为优级纯;实验用水为去离子水㊂玉米秸秆为吉林省种植的玉米的秸秆㊂2.2 秸秆的预处理秸秆的预处理参照文献[4]的方法㊂向500mL摇瓶中加入30g玉米秸秆,分别加入60mL10% (m/V)H2SO4㊁60mL10%(m/V)NaOH或12g CaO,加水至总体积为300mL,使H2SO4㊁NaOH或CaO 的终浓度分别为2%㊁2%和4%㊂用封口膜封口,121℃反应1h;另向500mL摇瓶中加入30g秸秆,之后加入20mL30%H2O2,加水至总体积为300mL,即H2O2的终浓度为2%,用5mol/L NaOH调节至pH11.5,然后在65℃水浴摇床中摇振3h㊂在500mL摇瓶中加入30g秸秆,加水至总体积为300mL,煮沸1h㊂待上述各反应体系温度降至室温后,用八层纱布过滤预处理液,用去离子水冲洗处理后的秸秆,室温晾干后,-20℃保存,备用㊂2.3 成分分析玉米秸秆中纤维素㊁半纤维素和木质素的含量按美国能源部可再生能源实验室(NREL)的方法测定[5]㊂2.4 电镜观察取少量预处理后的样品,分别烘干㊁粉碎㊁过筛,用导电双面胶带固定在样品台上,在真空环境下进行镀金处理,物料表面形成一层导电膜后,用扫描电子显微镜(SEM)进行观察㊂2.5 傅里叶变换红外光谱(FT⁃IR)分析取预处理后的样品,以1∶100比例同KBr混匀后,在玛瑙研钵中研磨至200~300目粉末,于红外压片机上制成透明薄片,利用傅里叶变换红外光谱仪进行测试,波数扫描范围为4000~400cm-1,分辨率为4cm-1,单一样品共进行32次累加㊂2.6 X⁃射线衍射分析取预处理后的样品,用Bruker D8晶体衍射仪进行纤维素的结晶度分析㊂其中,扫描范围10°~50°(2θ),扫描速度2°/min,扫描电压30kV,扫描电流30mA㊂样品的结晶度(CrI)采用公式(1)计算:CrI(%)=[(I002-I am)/I002]×100(1)式中,I002为002晶格衍射角的峰值,即结晶区的衍射强度;I am为无定形区域衍射强度峰值㊂2.7 纤维素酶酶解反应取含1.2g纤维素的上述预处理秸秆,加入pH5.0的50mmol/L柠檬酸缓冲液和15FPU/(g纤维素)的纤维素酶,补加水至40mL㊂置于水浴摇床上,50℃以130r/min酶解72h,每12h取样一次,离心,取上清液㊂利用高效液相色谱仪,采用伯乐Aminex HPX⁃87H柱测定葡萄糖浓度㊂高效液相色谱条件为:柱温65℃,用0.005mol/L H2SO4以0.6mL/min的流速洗脱㊂3 结果与讨论3.1 不同预处理方式对秸秆成分的影响秸秆中纤维素㊁半纤维素和木质素三者之间复杂的结构关系,严重阻碍了纤维素酶对纤维素的可及性,从而降低了纤维素酶水解产率㊂因此,需要采用化学和物理方法对秸秆进行预处理,尽可能除去秸秆中的木质素和半纤维素,打破秸秆原有的结构,从而提升酶解效率[6]㊂采用不同方式预处理的秸秆成分如表1所示㊂经过不同方式预处理后,秸秆的纤维素含量均上升,而木质素含量均下降㊂H2SO4预处理后秸秆的纤维素含量最高,达59.8%,木质素含量为16.8%㊂NaOH 预处理后,纤维素含量为52.1%,木质素含量仅为8.3%㊂CaO 和碱性H 2O 2处理后,纤维素含量分别为41.5%和49.9%,木质素含量分别为14.7%和13.0%㊂相比于其它预处理方法,H 2SO 4预处理后,半纤维素含量下降最大表1 采用不同方式预处理后秸秆的成分分析Table 1 Composition of corn stover pretreated with different methods 预处理方法Pretreatment method 纤维素Cellulose (%)半纤维素Hemicellulose (%)木质素Lignin (%)H 2SO 459.822.616.8NaOH 52.130.28.3CaO 41.532.614.7H 2O 249.929.113.0热水Hot water 38.730.818.8未处理Untreated 35.835.319.1(22.6%),表明H 2SO 4预处理可有效去除半纤维素㊂热水预处理后,秸秆成分变化不明显㊂在所有预处理方式中,NaOH 去除木质素效果最好㊂在利用纤维素酶水解秸秆时,木质素会吸附纤维素酶,从而降低纤维素酶对纤维素的有效降解㊂通过预处理去除木质素,有利于提高纤维素酶对纤维素的降解效率㊂3.2 电镜分析利用扫描电镜观察到预处理后秸秆表面结构和形貌的变化,如图1F 所示,未处理的秸秆表面被蜡质成分紧密包裹,十分光滑㊂稀H 2SO 4处理后(图1A),秸秆整齐㊁紧密的长管结构被打乱和切断,这是由于秸秆中的大部分半纤维素被稀酸水解[7],秸秆的部分结构被破坏所致㊂NaOH 处理后的秸秆如图1B 所示,由于NaOH 溶解后,很多木质素被去除[8],秸秆表面变得粗糙不平,而且表面结构有大片明显塌陷,部分纤维素被剥离,呈片状结构㊂图1C 为碱性H 2O 2预处理后的秸秆,可以看出,由于部分木质素的去除,出现很多的 碎片”㊂图1D 为CaO 预处理后的秸秆,相比NaOH 处理和碱性H 2O 2处理,CaO 处理对木质纤维素结构的改变不明显,因为木质素脱除效果不佳,秸秆表面结构未出现明显的坍塌情况㊂图1E 为热水处理后的秸秆结构图,秸秆表面出现凹形小孔,而秸秆的长管结构未被切断,表面也没有出现大片的明显塌陷㊂100滋m A 10滋m B 10滋m C 100滋m D 10滋m E 10滋mF图1 不同方法预处理后秸秆的电镜图:(A)H 2SO 4预处理后的秸秆;(B)NaOH 预处理;(C)碱性H 2O 2预处理后;(D)CaO 预处理后的秸秆;(E)热水处理;(F)未处理的秸秆Fig.1 Scanning electron microscopy (SEM)images of corn stove pretreated with (A)H 2SO 4;(B)NaOH;(C)H 2O 2;(D)CaO;(E)hot water;(F)SEM image of untreated corn stover 3.3 傅里叶变换红外光谱分析结果利用傅里叶变换红外光谱对不同预处理的秸秆进行分析,结果如图2所示㊂预处理和未处理秸秆红外吸收峰的主要差异在于某些特征峰的增强㊁减弱或者消失,这表明采用不同预处理方法后,秸秆各成分的分子结构㊁空间结构或排列发生了变化㊂3300~3500cm -1的红外吸收为分子间缔合态羟基OH 和酚羟基伸缩振动谱带㊂如图2所示,在3300~3500cm -1,经过NaOH 和碱性H 2O 2预处理后,振动谱带明显减弱,说明碱处理能够打破纤维素分子间的氢键㊂而氢键的破坏能够使秸秆的纤维素结构发生变化,纤维素酶的可及度增加,有利于纤维素的降解[9]㊂2910cm -1处的峰为CH 3㊁CH 2伸缩振动吸收峰,相比于对照组,预处理后的样品其吸收峰减弱,表明预处理后部分碳链遭到破坏[4]㊂1744~1734cm -1处的峰表示非共轭的酮和酯中的3051第9期史旭洋等:不同方法预处理的玉米秸秆结构与酶解分析 0.6Wavenumber （cm -1）A b s o r b a n c e 0.80.70.50.40.30.20.10.01002003004000H 2SO 4pretreatment NaOH pretreatment CaO pretreatment H 2O 2pretreatment Hot water pretreatment Raw material 5015025003500图2 不同预处理方式秸秆的傅里叶变换红外光谱图Fig.2 Fourier transform⁃infrared (FT⁃IR)spectra ofcorn stover pretreated with different methods =C O 伸缩振动,=C O 的伸缩振动与秸秆中的木质素和半纤维素有关[10]㊂未处理的秸秆此吸收峰较为明显,而经过酸或碱处理后,吸收峰的强度都不同程度地下降,其中经过NaOH 预处理后,吸收峰已基本消失,表明NaOH 对木质素的去除效果较好㊂碱性H 2O 2和CaO 处理后的秸秆,在此波数处吸收峰强度也下降,但不及NaOH 预处理后吸收峰强度变化明显㊂H 2SO 4预处理后的秸秆在此波数处的吸收峰强度减弱,但特征峰仍明显存在㊂经过预热水处理后的秸秆,1744~1734cm -1处特征峰的强度基本未变,表明热水预处理不能去除木质素或半纤维素㊂1600和1510cm -1处为木质素的特征峰,NaOH 处理的秸秆在此处的特征峰基本消失,说明经过强碱处理后的秸秆,木质素结构被较大破坏,木质素成分已经基本去除㊂碱性H 2O 2和CaO 处理后的秸秆,此特征峰的强度明显下降,表明碱对木质素的去除效果明显,但不及NaOH 强烈㊂H 2SO 4和热水处理后的秸秆与未处理秸秆相比,在此处的吸收峰强度没有明显改变,表明H 2SO 4和热水不能有效去除木质素㊂1431和1164cm -1处的吸收峰为纤维素的特征峰,在不同预处理前后变化不大,表明纤维素结构在预处理前后变化不大㊂3.4 X⁃射线衍射分析结果纤维素中存在结晶区和无定形两种区域,结晶区占纤维素整体的百分率称为纤维素的结晶度㊂纤维素的结晶度是衡量纤维素性能的重要指标,反映纤维素聚集时形成结晶的程度[11]㊂利用XRD 技术分析预处理后的秸秆,比较预处理前后秸秆结晶度变化,考察各种预处理方法的效果㊂经过不同的预处理后,由于秸秆中一些成分去除,秸秆结构发生改变,结晶度也发生改变㊂如表2所示,NaOH㊁碱性H 2O 2和CaO 这3种碱性方式预处理秸秆后,秸秆的结晶度分别为40.5%㊁35.4%和14.2%㊂其中,NaOH 处理的秸秆结晶度上升幅度最大㊂NaOH 处理秸秆后,由于半纤维素和木质素这两种无定形区组分的溶出,使得纤维素含量增加,从而使整体结晶度大大提高[12]㊂而碱性H 2O 2和CaO 的碱性比NaOH 低,因此预处理后秸秆结晶度提升不大㊂H 2SO 4预处理秸秆后会引起纤维素基质的部分重结晶,因此秸表2 不同预处理后秸秆的结晶度Table 2 Crystalline of corn stover pretreated with different methods 预处理方法Pretreatment method 结晶度Crystalline (%)1H 2SO 443.42NaOH 40.53CaO 14.24H 2O 235.45热水Hot water25.46未处理Untreated 22.3秆的结晶度得到明显提升[13]㊂由表2可见,H 2SO 4预处理后秸秆的结晶度最高(43.4%),结晶度的增加可能是由于H 2SO 4去除了部分木质素和较多的半纤维素成分(表1),使秸秆纤维结构发生重排,有序度增加,形成比较完整的结晶晶格,因此结晶度提高㊂热水预处理后秸秆的结晶度变化不明显(25.4%),表明热水预处理对秸秆的结构改变很小,其结晶度未发生明显改变㊂3.5 纤维素酶酶解分析在利用秸秆进行生物化工产品生产的过程中,需将秸秆进行酶解,这是秸秆利用的基础;为了提高秸秆的酶解效率,需要采用不同的预处理方法对秸秆进行处理,从而打开秸秆本身的结构㊂本研究以不同方式预处理的秸秆为底物,用纤维素酶进行酶解,评价预处理效果㊂酶解结果如图3所示,不同方式预处理的秸秆酶解效果差异较大㊂以未处理的秸秆为底物酶解,葡萄糖产量在60h 达到最高,浓度达到11.95g /L,而预处理秸秆酶解后葡萄糖产量都比未预处理秸秆高㊂其中NaOH 预处理秸秆所产生的葡萄糖在60h 时达到最大浓度(33.32g /L),明显高于其它预处理方式㊂NaOH 预处理后秸秆表面结构有明显坍塌(图1),能够增加酶与底物接触面积㊂红外光谱分析表明,NaOH 预处理后,木质素得到有4051 分析化学第46卷3012t （h ）C g m c o s e (g /L )03525201510502436486072NaOH H 2SO 4H 2O 2CaO Hot water Untreated 40图3 不同方法预处理后的秸秆的纤维素酶降解结果Fig.3 Enzymatic hydrolysis of pretreated corn stovers hydrolyzed with cellulase效消除,有利于纤维素酶吸附到纤维素上,使得NaOH 预处理后秸秆的酶解产糖量达到最大㊂H 2O 2预处理的秸秆酶解60h 时,产糖量最高(24.49g /L)㊂CaO 处理的秸秆酶解后在60h 时,产糖量最高达15.88g /L㊂电镜和红外光谱分析结果表明,碱性H 2O 2和CaO 预处理与NaOH 预处理结果相似,都是通过不同程度地溶解木质素,增加纤维素和纤维素酶的可及度,从而增加酶解产糖量㊂由于碱性H 2O 2和CaO 碱性较弱,对木质素的溶解作用不强,因此酶解效果比NaOH 预处理差㊂H 2SO 4预处理秸秆后,酶解产葡萄糖量在60h 时达到最大值(21.21g /L),与未处理秸秆相比,糖化效果明显提升㊂电镜分析表明,H 2SO 4处理后的秸秆表面出现明显塌陷,有利于纤维素酶附着㊂红外光谱分析表明,半纤维素和木质素等成分被去除,有利于纤维素酶作用于纤维素㊂热水预处理秸秆酶解后产糖量在60h 时达到最大值(13.13g /L),相比于未处理秸秆,产糖量略有提升㊂从图1可见,热水预处理秸秆结构基本未发生变化;秸秆的红外光谱分析结果同样表明,热水预处理后,木质素和半纤维素等特征峰的强度均没有明显的改变,即秸秆的结构未明显改变,糖化产糖效率较低㊂4 结论采用不同方式预处理秸秆,利用扫描电镜㊁红外光谱和X⁃射线衍射对不同方式预处理后的秸秆微观结构进行了分析,考察了不同的预处理方式对秸秆结构的影响㊂通过纤维素酶酶解预处理后的秸秆,对预处理秸秆效果进行了评价㊂本研究通过分析比较不同的方式预处理的秸秆,评价酶解效果,为利用秸秆高效生产生物化工产品提供了依据㊂References 1 Sarks C,Jin M,Sato T K,Balan V,Dale B E.Biotechnol.Biofuels ,2014,7:732 Saha B C,Cotta M A.New Biotechnol.,2010,27(1):10-163 Papa G,Rodriguez S,George A,Schievano A,Orzi V,Sale K L,Singh S,Adani F,Simmons B A.Bioresource Technol.,2015,183:101-1104 Cao W,Sun,Liu R H,Yin R Z,Wu X W.Bioresource Technol.,2012,111:215-2215 Sluiter A,Hames B,Scarlata C.United States:National Renewable Energy Laboratory Golden,20076 Brownell H H,Saddler J N.Biotechnol.Bioengineer.,1987,29(2):228-2357 Chen M,Zhao J,Xia L M.Biomass Bioenergy ,2009,13:1381-13858 Li Q,Gao Y,Wang H S,Li B,Liu C,Yu G,Mu X D.Bioresource Technol.,2012,125:193-1999 ZHENG Ming⁃Xia,LI Lai⁃Qing,ZHENG Ming⁃Yue,WANG Xu,MA Hai⁃Ling,WANG Kai⁃Jun.Environmental Science &Technology ,2012,35(6):27-31郑明霞,李来庆,郑明月,王旭,马海玲,王凯军.环境科学与技术,2012,35(6):27-3110 Gastaldi G,Capretti G,Focher B,Cosentino C.Industrial Crops.Products ,1998,8(3):205-21811 LIU Shu⁃Chai.Analysis and testing of pulping paper.Beijing:Chemical Industry Press,2004,19:13-17刘书钗.制浆造纸分析与检测㊂北京:化学工业出版社,2004,19:13-1712 TANG Hong⁃Tao,WANG Feng,LI Wei⁃Ming,LI An,LI Yan⁃Jie,HA Yi⁃Ming.Journal of Nuclear Agricultural Sciences ,2012,26(3):0535-0542唐洪涛,王锋,李伟明,李安,李彦杰,哈益明.核农学报,2012,26(3):0535-054213 WANG Yong⁃Zhong,RAN Yao,CHEN Rong,LIAO Qiang,ZHU Xun.Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering ,2013,29(1):225-231王永忠,冉尧,陈蓉,廖强,朱恂.农业工程学报,2013,29(1):225-2315051第9期史旭洋等:不同方法预处理的玉米秸秆结构与酶解分析6051 分析化学第46卷Structure and Enzymatic Hydrolysis Analysis of CornStover Pretreated with Different Pretreatment MethodsSHI Xu⁃Yang1,QIAN Cheng2,LIU Yan1,LIU Xin⁃Tong1,SHANG Xin1,LIU Shuo2,LIU Yu⁃Ting2,YU Yun⁃Bo2,ZHANG Jun2,REN Xiao⁃Dong*11(School of Life Sciences,Jilin University,Changchun130012,China)2(Certificate Appraisal Center of Public Security Department of Jilin Province,Changchun130000,China) Abstract In the process of industrial transformation of straw,due to the complicated structural relationship of straw itself,the conversion efficiency is low.Therefore,different pretreatment methods are required to pretreat straw to destroy the inherent structure of the straw and improve its enzymatic efficiency.In this study,the effects of different pretreatments on the microstructure of corn stover were investigated by scanning electron microscopy(SEM),Fourier transform infrared spectroscopy(FT⁃IR)and X⁃ray diffraction(XRD). Moreover,the hydrolysis of different pretreated corn stover with cellulase was studied.It was showed that the surface and structure of corn stover were damaged in some extent in pretreatment.The surface of corn stover pretreated with NaOH collapsed mostly,which showed that the structure of lignocellulose was broken effectively.The pretreated corn stover was analyzed with Fourier transform infrared spectroscopy.It was show that the characteristic peaks of ligin at1600and1510cm-1disappeared for corn stover pretreated with NaOH, which indicated that the lignin was removed effectively.The peaks at1744-1734cm-1of pretreated corn stovers(the characteristic peak of C O=),which related to ligin and hemicellulose,reduced in different extent.It was shown that the lignin and hemicellulose were removed with different pretreated methods. Moreover,it was shown that the crystallinities of pretreated corn stovers changed in different extent with X⁃ray scanning.The crystallinity of corn stover pretreated with H2SO4got the maxium value of43.4%.The effects of different pretreated methods were evaluated with corn stover hydrolysis by cellulase.The maxium value of glucose was33.32g/L.This study provided basis for the efficient production of biochemicals with different pretreated corn stover.Keywords Corn stover;Scanning electron microscopy;Fourier transform infrared spectroscopy;X⁃ray diffraction;Pretreatment;Enzymatic hydrolysis(Received8September2017;accepted14July2018) This work was supported by the Project of Applied Innovation Plan of Ministry of Public Security of China(No.2017YYCXJLST020).。
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新 能源 ， 以木质 生物 资 源 为 原 料用 生 物 转 化 法 制备
第 一 作 者 简 介 ： 娜 娜 （ ９ ５ ） 女 ， 士 研 究 生 ， 究 方 向 ： 生 王 １８ 一 ， 硕 研 微 物 资 源 开 发 与 生 物化 工 。 通 信 作 者 简 介 ： 秀 清 （１７ 一 ） 硕 士 ， 师 。 Ｅｍａ ： ａｘ 姚 ９８ ， 讲 ． ｉ ｙｏｉ ｌ —
１ １ 实验材 料 和药 品 ．
玉米秸 秆 ， 自抚 顺 周 边 ， 用 粗 纤 维 测 定 仪 取 利 （ Ｑ ） 照 Ｖ ｎ Ｓ ｅｔ 重 法 ＿ 测 得 其 半 纤 维 ｓＬ 参 ａ ｏ ｓ 称 ８ 素 、 维 素 和 木 质 素 含 量 分 别 为 ２ ． ％ 、２ ８ 和 纤 ６ １ ３．％ １ ． ％ ， 成 粉 状 备用 ； 萄 糖 （ ６３ 磨 葡 生化 级 ） 木 糖 （ ， 生
接 触 Ｊ未 经 预处理 的天 然状 态 的木 质 生物 资 源 的 ，
酶解率 小 于 ２ ％ ［ 。 因此 必 须 采 用 一 定 的预 处 理 ０ ４ Ｊ
和 。本文通 过 正 交 试 验 来 确 定 在 低 温 稀 酸 条 件 下 ， 玉米秸 秆 最佳 的 预处理 条件 。 对
１ 实验 部分
⑥
２ １ Ｓ ｉ ｅｈ Ｅ ｇ ｇ ０ ｃ Ｔ ｃ． ｎｎ ． １ ．
化 工 技 术
低 温 稀 酸 预 处 理 玉 米秸 秆 的研 究
王娜 娜 ’ 谢 小莉 杨翔 华 张 全 姚 秀 清
（ 宁 石 油 化 工 大 学 环 境 与 生 物工 程 学 院 ’抚 顺 １ ３０ ； 顺 石 油 化 工 研 究 院 ， 辽 ， ０ １抚 １ 抚顺 １ ３０ ） １０ １
第１ １卷
第１期 １
２ １ 年 ４月 ０１
科
学
技
术
与
工
程
Ｖｏ．１ Ｎｏ １ Ａｐ ． １ １ ．１ ｔ ２０１ １
１ ７ 一 ｌ １ （ ０ ） ２ ０ — ３ ６ １ ８５ ２ １ １—６ ７０ １ １
Ｓｃｅ ｃ ｃ ｎｏｏ ｙ ａ ｄ Ｅｎ ｉ ｅｉ ｇ ｉｎ ｅ Ｔｅ ｈ ｌ ｇ ｎ ｇｎｅ ｒｎ
摘
要
采 用 低 温稀 酸 法预 处 理 玉 米 秸 秆 。利 用 正 交 实 验 方 法考 察 了反 应 时 间 、 应 温 度 、 酸 浓 度 三 个 因 素 对 预 处 理 效 果 反 硫
的 影 响 。 以水 解液 中木 糖 浓度 和 葡 萄 糖 浓度 比值 和 预 处 理 后 的 物 料 酶 解 液 中葡 萄 糖 的 浓 度 作 为评 价 指 标 。 实 验 结 果 表 明 ： 在 固液 质 量 比 １５时 ， 酸 浓 度 ２％ ， 度 ９ 反 应 时 间 １ 最 佳 处 理 条 件 ， 时 水 解 液 中木 糖 浓 度 和 葡 萄 糖 比值 为 ４ ： 硫 温 ０ｏ Ｃ， ２ｈ为 此 ． ４ ， 解 液 中葡 萄 糖 的 浓 度 为 ２ ７ ％ 。 ３酶 ．６ 关 键 词 纤 维 乙醇 稀 酸 正 交 试 验
燃料 乙 醇成 为 国 内外 研 究 的热 点 … 。燃 料 乙醇 是 将 乙醇 以 １ ％ ～ ０ 的质量 比掺 人 汽油 中 ， ５ ２％ 可作 为
汽 油的替 代物 来减 少 汽 油 的 消耗 量 ， 可 以减 少 汽 还 车尾 气 中污染 物 的排 放 。 木质 生物 资 源 经 过 预 处 理 、 解 、 酵 和 脱 水 水 发 纯化 后 可制 备 燃 料 乙 醇 。木 质 生 物 资 源 主 要 由纤 维素 、 半纤 维素 和 木质 素 三 大 部 分组 成 。半纤 维 素 结合 在纤维 素 和木 质 素之 间 ， 质 素 包 围并加 固纤 木 维素 和半 纤 维 素 。纤 维 素 本 身 的线 性 巨 分 子 结 构 使 其具 有 高度结 晶 和难 溶 性 ， 而且 受 难 降解 高聚 物 木 质 素的包 裹 使 纤 维 素 难 以溶 于 水 解 溶 剂 或 与 酶
维 素 的结 晶结 构 被 破 坏 ， 料 结 构 疏 松 ， 而 提 高 原 从 了纤维 素的可 发 酵 性 。反 应 持续 进 行 一 定 时 问后 ，
生 成 的单 糖将 会 发 生 降解 ， 成糠 醛 。单 糖 降 解 不 生 仅 降低 了糖 的得率 ， 且 糠 醛 和 其 他 副产 物 还 会对 并 后续 的发 酵过 程产 生抑 制作 用 Ｊ 。
ｕ ｉｇ ４１ ＠ １ ３ ｏ ｍ ｑｎ０ ８ ６ ．ｏ
科
学
技
术
与
工
程
１ 卷 １
１ ３ 实验 设计 方法 ．
解液 中的葡 萄糖 浓 度 （ ） 两 者 的 比值 、 处 理 物 ％ 、 预 料 酶解液 中的葡 萄糖浓度 （ ） ％ 。
中图法分类号
Ｔ ｏ １５ Ｑ ３． ；
文献标志码
Ｂ
随着 化 石 能 源 尤 其 是 石 油 资 源 的 日益 枯 竭 及
环境 的 日益破 坏 ， 类 不 得 不 开 发 清 洁 的可 再 生 的 人
目前 ， 木质 生物 资源 的预 处 理 方法 主要 有 物理
法、 化学 法 、 物 法 ｊ 生 。物 理 法 需 要 较 高 的能 量 和
化 级 ） 浓硫 酸 ， 析纯 。 ； 分
１ ２ 实 验 原 理 ．
手 段 ， 纤 维 素 、 纤 维 素 、 质 素 分 开 ， 能 充 分 使 半 木 才
提 高纤 维素 酶对木 质生 物资 源 的酶解 。
２ 一定 的温 度 、 间 、 时 酸浓 度 下 ， 中 其 的半纤 维素水 解生 成 五碳 糖 （ 主要 是木 糖 ） 同时 纤 ，