植物類固體廢物環保資源化利用預處理技術研究

doi：10.3969/j.issn.1001-5922.2024.02.032

摘 要：為解決植物類固體廢物稻草秸稈預處理問題，研究了各種預處理方式對稻草酶水解產生還原糖濃度的影響。結果表明，經過2.0%稀硫酸、3.0%氫氧化鈉、微波（450 W、10 min）、稀酸-微波和氫氧化鈉-微波預處理后的稻草粉，酶水解產生的還原糖濃度比未處理時分別增大了1.39、2.07、0.39、2.34和3.11倍，起到了良好的預處理效果，其中氫氧化鈉-微波聯合預處理的效果最好。稻草秸稈采用氫氧化鈉-微波聯合預處理后，再加入纖維素酶進行水解，當纖維素酶加量為30 FPU/（g底物）、底物質量濃度為60 g/L、水解反應為50 h后，酶水解率可達85%以上，加入質量濃度2 g/L的非離子表面活性劑C能夠使酶水解率增大至90%以上。

關鍵詞：植物類固體廢物；稻草秸稈；環保資源化利用；預處理；酶水解

中圖分類號：TQ920.6；TQ028" " " "文獻標志碼：A" " " "文章編號：1001-5922（2024）02-0120-04

Study on pretreatment technology for environmental protection and resource utilization of plant solid waste

ZHAO Yu

（Design Academy，Sichuan Fine Arts Institute，Chongqing 401331，China）

Abstract：In order to solve the problem of pretreatment of straw straw in plant solid waste，the effects of various pretreatment methods on the concentration of reducing sugar produced by straw enzyme hydrolysis were studied.The results showed that the concentrations of reducing sugars produced by enzymatic hydrolysis increased by 1.39，2.07，0.39，2.34 and 3.11 times respectively after 2.0% dilute sulfuric acid，3.0% sodium hydroxide，microwave （450 W，10 min），dilute acid-microwave and sodium hydroxide-microwave pretreatment，respectively，showing good pretreatment effect，and the sodium hydroxide-microwave combined pretreatment has the best effect.When the amount of cellulase was 30 FPU/（g substrate），the substrate concentration was 60 g/L，and the hydrolysis reaction was 50 h，the enzymatic hydrolysis rate could reach more than 85%，and the addition of nonionic surfactant C with a mass concentration of 2 g/L could increase the enzymatic hydrolysis rate to more than 90%.

Key words：plant solid waste;straw;environmental protection and resource utilization;pretreatment;enzymatic hydrolysis

植物類固體廢物（稻草秸稈、玉米秸稈以及木材等）經過一定預處理后，通過發酵制備燃料乙醇，能夠在一定程度上緩解能源問題和環境污染問題^[1-5]。針對稻草秸稈生產燃料乙醇的預處理方法主要包括物理法、化學法以及生物法等，其中物理方法包括機械粉碎、熱解、微波處理以及蒸汽爆破等，化學方法包括使用酸、堿以及其他有機溶劑等方法，生物方法主要是利用各種微生物代謝產生的酶對稻草秸稈中的木質纖維素進行水解來實現的^[6-10]。各種預處理方法的原理都是通過降低稻草秸稈中纖維素的結晶性、瓦解木質纖維素結構、增大原料處理時的可接觸表面積等^[11-15]。以稻草秸稈為研究對象，分析了稀酸、氫氧化鈉、微波、稀酸-微波以及氫氧化鈉-微波聯合預處理措施對稻草酶水解后產出的還原糖濃度的影響，并針對氫氧化鈉-微波聯合預處理后的稻草粉，開展了酶水解率影響因素的研究，為實現稻草秸稈的低成本、清潔化回收利用提供技術支持。

1"實驗部分

1.1"實驗材料與儀器

稻草秸稈：取自重慶市郊區某農村，風干粉碎后過60目篩制備成稻草粉；纖維素酶：360 FPU/g酶粉，國藥集團化學試劑有限公司；硫酸、氫氧化鈉、檸檬酸、檸檬酸鈉：均為分析純，天津市北聯精細化學品開發有限公司；3，5-二硝基水楊酸、陰離子表面活性劑A、陽離子表面活性劑B、非離子表面活性劑C：均為工業級，武漢千和化工有限公司。

MP302電子分析天平（上海舜宇恒平科學儀器有限公司）、721紫外可見分光光度計（濟南童鑫生物科技有限公司）、DG-90A型恒溫鼓風干燥箱（杭州奧科環境試驗設備有限公司）、TG-21型恒溫水浴振蕩器（上海泰規檢測設備有限公司）、M3-L253C美的智能微波爐（美的集團股份有限公司）。

1.2"實驗方法

1.2.1"還原糖濃度的測定

還原糖含量采用3，5-二硝基水楊酸（DNS）法定量測定。

1.2.2"稀酸預處理

稱取10 g粉碎后過60目篩的稻草粉加入到100 mL不同質量分數（0%、0.5%、1%、2%、3%和4%）的稀硫酸溶液中，攪拌混合均勻，在100 ℃加熱處理1 h后，過濾，反復洗滌，然后65 ℃烘干。再稱取0.05 g處理后的樣品，測定其還原糖含量。

1.2.3"氫氧化鈉預處理

稱取10 g粉碎后過60目篩的稻草粉加入到100 mL不同質量分數（0%、0.5%、1%、2%、3%和4%）的氫氧化鈉溶液中，攪拌混合均勻，在100 ℃下加熱處理2 h后，過濾，反復洗滌，然后在65 ℃下烘干。再稱取0.05 g處理后的樣品，測定其還原糖含量。

1.2.4"微波預處理

稱取10 g粉碎后過60目篩的稻草粉放置于1 L的燒杯中，使用微波爐在不同功率（150、300、450、600和750 W）條件下處理不同時間（5、10、15 min），再稱取0.05 g處理后的樣品，測定其還原糖含量。

1.2.5"稀酸-微波聯合預處理

將1.2.2中使用質量分數2.0%稀硫酸預處理過的稻草粉繼續按1.2.4中的實驗方法進行微波預處理，微波預處理時間為10 min，測定在不同微波功率下聯合預處理后的還原糖含量。

1.2.6"氫氧化鈉-微波聯合預處理

將1.2.3中使用質量分數3.0%氫氧化鈉預處理過的稻草粉繼續按1.2.4中的實驗方法進行微波預處理，微波預處理時間為10 min，測定在不同微波功率下聯合預處理后的還原糖含量。

1.2.7"酶水解實驗

稱取一定量經過氫氧化鈉-微波聯合預處理后的稻草粉于試管中，然后加入不同量的纖維素酶溶液和一定量的檸檬酸-檸檬酸鈉緩沖液，使混合溶液達到不同的底物濃度，將試管放置于恒溫水浴振蕩器中，在溫度為50 ℃、轉速為150 r/min條件下反應1 h。將反應后的酶解液使用濾紙過濾，測定濾液的還原糖與單糖含量，計算水解率。

2"結果與討論

2.1"稀酸預處理對稻草酶水解的影響

硫酸濃度對稻草酶水解的影響如圖1所示。

由圖1可知，隨著硫酸溶液濃度的升高，稻草酶水解后產生的還原糖濃度先上升后下降，當硫酸溶液濃度為2.0%時，處理后的還原糖質量濃度達到最大值434.1 μg/mL，相比較于未處理時的181.2 μg/mL，增大了1.39倍。說明稻草秸稈經過稀酸處理后，提高了水解率，起到了較好的預處理效果。

2.2"氫氧化鈉預處理對稻草酶水解的影響

氫氧化鈉濃度對稻草酶水解的影響如圖2所示。

由圖2可知，隨著氫氧化鈉溶液質量分數的升高，稻草酶水解后產生的還原糖質量濃度同樣呈現出先上升后下降的趨勢，當氫氧化鈉溶液質量分數達到3.0%時，處理后的稻草秸稈酶水解后還原糖質量濃度達到最大值為556.8 μg/mL，相比較于未處理時的181.2 μg/mL，增大了2.07倍，增大幅度更大。說明稻草秸稈經過氫氧化鈉溶液處理后，顯著提高了水解效率，比稀酸溶液預處理取得了更好的效果。

2.3"微波預處理對稻草酶水解的影響

微波預處理對稻草酶水解的影響如圖3所示。

由圖3可知，微波預處理的時間和功率對稻草酶水解后產生的還原糖濃度具有比較明顯的影響，當微波功率較低、處理時間較短時，還原糖的產率較低；但微波功率較高、處理時間較長時，還原糖的產率液也較低；其中在微波功率為450 W，處理時間為10 min時，還原糖質量濃度能夠達到最大值325.7 μg/mL，相比較于未處理時的181.2 μg/mL，增大了0.79倍多。然而，由于微波預處理技術對還原糖質量濃度的提高幅度有限，需要和其他預處理方式進行聯合使用才能取得較好的效果。

2.4"稀酸-微波聯合預處理對稻草酶水解的影響

硫酸-微波聯合預處理對稻草酶水解的影響如圖4所示。

由圖4可知，經過質量分數2.0%的稀硫酸預處理后的稻草秸稈，再經過不同功率的微波預處理，稻草酶水解后產生的還原糖質量濃度比單獨使用稀酸和微波預處理時的濃度升高。當微波功率達到450 W時，還原糖的產率最高，最大質量濃度達到605.4 μg/mL，相比較于未處理時的181.2 μg/mL，增大了2.34倍多。說明稀酸-微波聯合預處理的效果較好，這是由于稻草秸稈首先經過稀酸預處理后，其結構中的纖維素的結晶度大幅度下降，水解反應能力增強，在其后經過微波的再次預處理，能夠較大幅度的提高還原糖的產率。

2.5"氫氧化鈉-微波聯合預處理對稻草酶水解的影響

氫氧化鈉-微波聯合預處理對稻草酶水解的影響如圖5所示。

由圖5可知，經過質量分數3.0%氫氧化鈉溶液預處理后的稻草秸稈，再經過不同功率的微波預處理，稻草酶水解后產生的還原糖質量濃度比單獨使用氫氧化鈉和微波預處理時的質量濃度升高。當微波功率達到450 W時，還原糖的產率最高，最大質量濃度達到745.3 μg/mL，相比較于未處理時的181.2 μg/mL，增大了3.11倍多，增大幅度明顯。說明氫氧化鈉-微波聯合預處理比稀酸-微波聯合預處理的效果好。

2.6"酶水解率的影響因素

2.6.1"酶加量

酶加量對稻草酶水解率的影響如圖6所示。

由圖6可知，隨著纖維素酶加量的增大，稻草秸稈酶水解率逐漸升高，當纖維素酶加量為30 FPU/（g底物）。反應時間為50 h時，稻草粉水解率可達到85%以上。繼續增大酶加量至40 FPU/（g底物）時，稻草秸稈水解率基本不再變化。綜合考慮適宜的纖維素酶加量為30 FPU/（g底物）。

2.6.2"底物濃度

底物濃度對稻草酶水解率的影響如圖7所示。

由圖7可知，當底物質量濃度為100 g/L，水解反應50 h，稻草酶水解率為48.3%，這是由于較高的底物質量濃度導致酶水解產生的葡萄糖升高，從而抑制了纖維素酶的活性，最終水解率較低。當底物質量濃度分別為40、60、80 g/L時，反應50 h的水解率基本都在80%以上；但底物質量濃度為80 g/L時，混合液的黏度較高，不利于操作。綜合考慮多種因素的影響，選擇底物質量濃度以60 g/L為宜。

2.6.3"表面活性劑

根據前人研究的經驗，加入表面活性劑會促進酶解反應的進行。因此，在底物質量濃度為60 g/L、纖維素酶加量為30 FPU/（g底物）、反應時間為50 h條件下，考察了不同表面活性劑對稻草酶水解率的影響，如圖8所示。

由圖8可知，不同表面活性劑的加入對稻草酶水解率的影響不同，其中加入非離子表面活性劑C后，稻草酶水解率有一定的提升，當其加量為2 g/L時，酶水解率可以達到90%以上，起到了一定的促進作用。但是加入陰離子表面活性劑A和陽離子表面活性劑B后，對稻草的酶水解沒有起到促進作用，反而抑制了纖維素酶的作用，使稻草酶水解率出現了下降，并且隨著表面活性劑濃度的增加，抑制作用逐漸增強。

3"結語

（1）稻草秸稈經過稀酸、氫氧化鈉或者微波處理后，酶水解產生的還原糖濃度與未處理前相比均有明顯提高，達到了良好的預處理效果;

（2）稻草秸稈經過稀酸-微波聯合預處理和氫氧化鈉-微波聯合預處理后，酶水解產生的還原糖濃度最大值分別可以達到605.4、745.3 μg/mL，相較于未處理時分別增大了2.34、3.11倍，比單獨使用稀酸、氫氧化鈉和微波預處理時的效果好，說明聯合預處理能夠較好的提高稻草秸稈酶水解的效率;

（3）稻草秸稈經過氫氧化鈉-微波聯合預處理后，加入纖維素酶進行水解，能夠進一步促進稻草秸稈的酶水解率。最佳條件：纖維素酶加量為30 FPU/（g底物）、底物質量濃度為60 g/L、表面活性劑C加量為2 g/L，此時的酶水解率可以達到90.3%。

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收稿日期：2023-09-08；修回日期：2023-12-08

作者簡介：趙"宇（1980-），男，碩士，副教授，主要從事材料科學及產品設計研究；E-mail：3065247995@qq.com。

基金項目：重慶市2020年高等教育課程思政基金項目（項目編號：201030S）。

引文格式：趙"宇.植物類固體廢物環保資源化利用預處理技術研究[J].粘接，2024，51（2）：120-123.