超微粉碎預處理和酶解對玉米秸稈結構的影響

摘"要：為了研究超微粉碎預處理和酶解對玉米秸稈結構的影響，對玉米秸稈進行短時間超微粉碎預處理及酶解試驗，再選取預處理和酶解前后的固體組分進行結構表征。掃描電鏡結果顯示，預處理時間越長，秸稈的維管束結構被破壞程度越大，酶解后表面變得疏松多孔。X射線光電子能譜全譜顯示，預處理后O/C值升高，酶解后O/C值降低。X射線衍射顯示，預處理0.5 h、1.0 h、1.5 h、2.0 h后結晶度依次逐漸降低，超微粉碎時間越長，對秸稈粉體的晶型結構破壞程度越大，結晶度降低越顯著。比表面積和孔體積分析顯示，玉米秸稈預處理后，比表面積和孔體積明顯增大，進一步驗證超微粉碎破壞玉米秸稈的維管束結構和纖維素晶體結構，內腔的表面積暴露出來，產生新的表面，暴露更多的酶結合位點。綜合分析可以看出，超微粉碎預處理和酶解對玉米秸稈結構的改變，有利于后續秸稈的轉化利用。

關鍵詞：玉米秸稈；超微粉碎；預處理；酶解；結構表征

中圖分類號：S513""文獻標識碼：A""文章編號：0488-5368（2024）12-0021-06

Effects of Ultrafine Grinding Pretreatment and Enzymatic Hydrolysis on Structure of Corn Straw

LI Yaping

（Handan Agricultural Environmental Protection Monitoring Station，Handan，Hebei 056000，China）

Abstract： "To investigate the effects of ultrafine grinding pretreatment and enzymatic hydrolysis on the structure of corn straw， a short-duration ultrafine grinding pretreatment was followed by enzymatic hydrolysis， and the solid components before and after these processes underwent structural characterization.The results showed that prolonged pretreatment led to increasingly severe disruption of the vascular bundle structure， as observed by scanning electron microscopy （SEM）. After enzymatic hydrolysis， the surface of the straw became looser and more porous. X-ray photoelectron spectroscopy （XPS） analysis showed an increase in the oxygen-to-carbon （O/C） ratio after pretreatment， which subsequently decreased after enzymatic hydrolysis. X-ray diffraction （XRD） indicated a progressive reduction in crystallinity with pretreatment durations of 0.5 h， 1.0 h， 1.5 h， and 2.0 h. This confirmed that extended ultrafine grinding caused substantial damage to the crystalline structure of straw powder， leading to a significant decrease in crystallinity. Analysis of the specific surface area and pore volume showed that the pretreatment significantly enhanced both parameters， supporting the idea that ultrafine grinding disrupted the vascular bundle and cellulose crystalline structure of corn straw. This process exposed the surface area of the inner cavity， generated new surfaces， and revealed additional enzyme-binding sites. Overall， the structural changes induced by ultrafine grinding and enzymatic hydrolysis are advantageous for the subsequent conversion and utilization of corn straw.

Key words： Corn straw; Ultrafine grinding; Pretreatment; Enzymolysis; Structural characterization

生物質能源作為目前唯一一種可再生碳源，擁有來源豐富、清潔低碳、可再生性等特點[1]，是解決能源問題重要的方案之一[2]。農作物秸稈作為重要的生物質能源材料之一，在中國具有廣闊的來源[3]。其中玉米、水稻和小麥3類農作物秸稈占總量的79.19％[4]"。結合《中國統計年鑒2023》及糧食產量和秸稈量換算關系，2022年玉米秸稈約占農作物秸稈總量的1/3。玉米秸稈資源十分豐富，但大量秸稈低效焚燒，不僅浪費資源，且污染環境。因此，將玉米秸稈資源化開發利用具有很大的社會經濟效益，是助力“和美鄉村”建設和碳達峰碳中和的重要舉措。

以秸稈為原料生產生物乙醇成為資源化利用的途徑之一。玉米秸稈主要由纖維素、半纖維素、木質素等組成，然而，植物細胞壁成分的難降解性、纖維素的高結晶度、木質素對纖維素強力包裹纏繞、低的可接近表面積以及半纖維素對纖維素的包裹[5]，這些都是限制其進一步利用開發的障礙。因此需要進行預處理克服木質纖維素的頑固性，增加纖維素溶解度，有效地分離可利用的木質纖維素組分，增加孔隙度和表面積，提高原料的可及性[6]。預處理后通過酶水解將秸稈中的纖維素和半纖維素降解為纖維二糖和葡萄糖，進一步發酵轉化為生物乙醇[7]。

該研究選擇綠色、安全的超微粉碎預處理方法對玉米秸稈進行預處理，并對預處理后的秸稈樣品進行酶解試驗研究。對預處理和酶解前后的固體組分進行結構表征，通過掃描電鏡（SEM）觀察玉米秸稈原樣、預處理樣品及酶解72 h玉米秸稈的表面特征；利用X射線衍射儀（XRD）分析預處理和酶解72 h前后玉米秸稈結晶度的變化；利用X射線光電子能譜（XPS）觀察預處理及酶解72 h前后玉米秸稈表面元素及成分的變化；利用比表面積孔徑分析測試儀分析處理前后秸稈的比表面積（SSA）和孔體積（PV）。研究超微粉碎預處理和酶解對玉米秸稈結構的影響，有效推動秸稈的資源化利用及秸稈生物乙醇產業化發展進程，以期更好地指導實際生產。

1"材料與方法

1.1"試驗材料

玉米秸稈，采自云南省曲靖市羅平縣農田。取回后于通風處自然晾干，粉碎至 40 目后封裝于密封袋中室溫避光保存備用。

1.2"試劑與儀器

纖維素酶（ Cellulast 1.5L） 、纖維二糖酶（Novozyme 188） 和pNPG購于Sigma; 氫氧化鈉、一水合檸檬酸，分析純，北京化工廠; pNP，分析純，百靈威科技有限公司; 四環素鹽酸鹽，分析純，北京藍弋化工產品有限責任公司；RT－34 靜音研磨粉碎機，香港榮聰精密科技有限公司; CJM－SY－B高能納米球磨粉碎機，秦皇島市太極環納米制品有限公司; XS205電子天平，METTLER TOLEDO 公司;SHA－B（A） 水浴恒溫振蕩器，金壇市科析儀器有限公司;SevenEasy pH 計，METTLER TOLEDO 公司;掃描電子顯微鏡，Hitachi；X射線光電子能譜儀，美國熱電公司；X射線衍射儀，Bruker；比表面積孔徑分析測試儀，Quantachrome Instruments，FL，USA。

1.3"玉米秸稈超微粉碎預處理

詳見文獻“超微粉碎預處理對玉米秸稈酶解效果的影響”中的1.3[8]。

1.4"酶解方法

詳見文獻“超微粉碎預處理對玉米秸稈酶解效果的影響”中的1.6[8]。酶解反應72 h 后離心分離，固體部分用去離子水多次沖洗至中性后，真空冷凍干燥 24 h 后測定結晶度（XRD）、掃描電子顯微鏡（SEM）、X射線光電子能譜（XPS）、比表面積和孔徑分布等指標。

1.5"結構表征

1.5.1"掃描電子顯微鏡（SEM）測定"SEM是介于光學顯微鏡和透射電鏡間的一種微觀形貌觀測手段[9]。這里利用其觀察玉米秸稈預處理前后及酶解后表面形貌的變化。

測試前，首先用導電膠將秸稈固定在載物臺上，然后給樣品表面噴Pt以增加樣品表面的導電性，處理時間為200 s，最后將載物臺放置于測試室內抽真空，測定時加速電壓為3 kv。

1.5.2"X射線光電子能譜（XPS）的測定"利用XPS根據光電子峰的面積對元素進行定量分析，主要觀察玉米秸稈原樣、超微粉碎預處理后樣品及酶解后樣品表層10 nm以內的元素組成和成分構成。

測試時設備選用Al陽極單色靶，電荷校正采用污染碳C1s=284.8 eV進行校正，功率150 W，樣品室真空度為3.4×10-9 Torr，掃描面積為650 μm×650 μm，掃樣深度小于10 nm。

1.5.3"X射線衍射（XRD）分析"實驗利用XRD分析玉米秸稈原樣、超微粉碎預處理不同時間后樣品及酶解后樣品中纖維素的結晶度。纖維素的結晶區占整個纖維素的百分率即為纖維素的結晶度[10]，它反映了纖維素在聚集時形成結晶的程度。

測量時將適量秸稈粉末樣品置于載物臺上壓平，測試時X光管電壓為40 kv，電流為40 mA，掃描角度為5°～40°，步長0.02°，掃描頻率是2°/min。

結晶度的計算采用Segal經驗峰強度法[11]，公式為：＼$＼$

CrI=I002-IamI002×100＼$＼$

式中，

I002——衍射峰強度最大值

Iam——2θ=18°時的衍射峰強度

1.5.4"比表面積（SSA）和孔體積（PV）測定"利用比表面積孔徑分析測試儀測量玉米秸稈原樣、超微粉碎預處理后樣品的比表面積和孔徑分布。

測試前先將樣品在 80 ℃下脫氣 8 h ，隨后將樣品放在液氮-195℃環境中冷卻，進行物理吸附，使氮氣富集在樣品外表面和內部孔隙中。當吸附達到平衡后，通過測量平衡吸附壓力和吸附氣體量，分別以 Brunauer-Emmett-Teller（BET）模型[12]及 Barrett- Joyner- Halenda（BJH）模型[13]計算樣品的比表面積和孔體積。

2"結果與分析

2.1"掃描電子顯微鏡（SEM）分析結果

玉米秸稈原樣、超微粉碎預處理后樣品及酶解后樣品的掃描電鏡結果如圖1～2所示。

圖1a顯示玉米秸稈原樣結構完整，表面緊密有序排列，這樣的結構使纖維素的可及度降低，嚴重影響酶解效率。圖1b為超微粉碎預處理0.5 h的玉米秸稈樣品，維管束結構基本被破壞，說明機械粉碎預處理對玉米秸稈的組織結構有較大破壞。圖1c顯示球磨1 h后，纖維束結構進一步被破壞，出現更細小的碎片。圖1d為超微粉碎預處理1.5 h后的樣品，此時已基本看不到維管束狀結構，呈顆粒狀分布排列。

圖2a可看出原樣經過酶解72 h后雖然發生一定程度降解，表面變得粗糙，且有較大的薄片結構出現，但結構還是較為完整，說明原樣酶解過程中纖維素酶的可及度很低，降解作用很有限。圖2b、2c、2d、2e可看出超微粉碎預處理越長時間的秸稈酶解72 h后結構被降解破壞的越嚴重，表面變得越疏松多孔。說明增加超微粉碎時間有助于促進酶解過程進行。

2.2"X射線光電子能譜（XPS）分析結果

玉米秸稈原樣、超微粉碎預處理樣品及酶解72 h樣品的X射線光電子能譜全譜的結果分別如圖3～4所示。

圖3 、圖4 "X射線光電子能譜數據處理需要采用專門的XPSPEAK英文軟件進行，所以導出的圖中每個小圖橫縱坐標為英文。每個圖中都標明了O/C值，文章重點對O/C這個指標進行了比較分析。

XPS的結果用以表征不同處理后秸稈表面元素和成分變化。玉米秸稈表面的元素組成主要是C和O，在XPS檢測中氧碳比O/C作為一個重要的測量指標。理論上，生物質中纖維素、半纖維素、木質素、抽提物的氧碳比值分別為0.83、0.81、0.33、0.04～0.11[14～17]。由圖3可知，玉米秸稈原樣O/C值較低為0.36。因為秸稈表面有抽提物附著，如蠟[18]和脂肪酸、甘油三脂和固醇類等親脂性物質[16]。酶解72 h后，O/C值升高為0.43，這是由于酶解72 h后秸稈中木質纖維成分的網狀結構在一定程度上被破壞，纖維素被暴露出來。

超微粉碎預處理0.5 h、1.0 h、1.5 h、2.0 h后樣品的O/C分別為0.41、0.46、0.50、0.56，隨球磨時間延長，O/C值逐漸升高。酶解72 h，O/C分別降低為0.39、0.41、0.43、0.45。結合SEM圖像可知，超微粉碎預處理時間越長，維管束結構破壞程度越深，顆粒表面纖維素和半纖維素含量增加，O/C增加[19]。BM0.5 h、BM1.0 h、BM1.5 h、BM2.0 h樣品酶解72 h后纖維素和半纖維素被降解程度越來越大，氧碳比依次降低。

2.3"X射線衍射（XRD）分析結果

玉米秸稈原樣、超微粉碎預處理樣品及酶解72 h后樣品的纖維素結晶度如表1所示。

由表1可知，玉米秸稈原樣的結晶度較低為37.91，超微粉碎預處理0.5 h、1.0 h、1.5 h、2.0 h后結晶度依次逐漸降低。在0～2 h范圍內，超微粉碎時間越長，對秸稈粉體的晶型結構破壞程度越大，結晶度降低越顯著。相比于原樣，BM2.0 h樣品的結晶度降低了76.3%。原樣酶解72 h后結晶度變為35.10，變化不大，因為原樣酶解效率較低。BM0.5 h、BM1.0 h、BM1.5 h、BM2.0 h樣品酶解72 h后，結晶度均有所升高。

2.4"比表面積（SSA）和孔體積（PV）分析結果

玉米秸稈原樣、超微粉碎預處理樣品的比表面積和孔體積的結果如表2所示。

氣體BET法測出的比表面積SSA是秸稈顆粒內部通孔和外部的總表面積。由表2可知，玉米秸稈超微粉碎預處理后，比表面積和孔體積明顯增大，比表面積由原樣的1.182 m²/g增加到BM0.5 h的3.320 m²/g，增大了1.81倍，孔體積由原樣的6.816×10-3 cm3/g增加到BM0.5 h的23.68×10-3 cm3/g，增加了2.47倍。超微粉碎時間增加到1.5 h時，SSA和PV均達到最大值。進一步驗證超微粉碎破壞了玉米秸稈的維管束結構，內腔的表面積暴露出來，同時破壞了纖維素晶體結構，產生了新的表面。機械粉碎預處理可破壞木質纖維素結構，擾亂緊密排列的纖維束，暴露更多的酶結合位點[20～21]。

3"結"論

SEM結果顯示，不同預處理后的玉米秸稈表面形貌差異較大。原樣結構完整。超微粉碎預處理時間越長，秸稈的維管束結構被破壞程度越大，粉碎2 h后呈顆粒狀分布。超微粉碎預處理秸稈酶解后表面變得疏松多孔。X射線光電子能譜（XPS）全譜結果顯示，超微粉碎預處理后O/C值有不同程度升高，酶解后，O/C值降低。X射線衍射（XRD）結果顯示，超微粉碎預處理0.5 h、1.0 h、1.5 h、2.0 h后結晶度依次逐漸降低，說明超微粉碎時間越長，對秸稈粉體的晶型結構破壞程度越大，結晶度降低越顯著。比表面積和孔體積分析結果顯示，玉米秸稈超微粉碎預處理后，比表面積和孔體積明顯增大，進一步驗證超微粉碎破壞了玉米秸稈的維管束結構，內腔的表面積暴露出來，破壞了纖維素晶體結構，產生了新的表面，暴露更多的酶結合位點。

參考文獻：

[1]"趙思語，耿利敏.我國生物質能源的空間分布及利用潛力分析[J].中國林業經濟，2019（5）：75-79.

[2]"張仁健，沈文星.農林生物質資源潛力評估研究與展望[J].中國林業經濟，2021（6）：46-49.

[3]"丁文斌，王雅鵬，徐勇.生物質能源材料——主要農作物秸稈產量潛力分析[J].中國人口·資源與環境，2007（5）：84-89.

[4]"石祖梁，賈濤，王亞靜，等.我國農作物秸稈綜合利用現狀及焚燒碳排放估算[J].中國農業資源與區劃，2017，38（9）：32-37.

[5]"Lorenci Woiciechowski A， Dalmas Neto C J， Porto de Souza Vandenberghe L， et al. Lignocellulosic biomass： Acid and alkaline pretreatments and their effects on biomass recalcitrance – Conventional processing and recent advances[J]. Bioresource Technology， 2020， 304： 122 848.

[6]"何志.基于光催化與堿性H_2O_2協同預處理的玉米秸稈酶解糖化研究[D].洛陽：河南農業大學，2023.

[7]"馬彩云.玉米秸稈資源化利用及制備生物乙醇的預處理研究[C].2023年有機固廢處理與資源化利用大會論文集.2023.

[8]"李亞平，項福星，韓建國，等.超微粉碎預處理對玉米秸稈酶解效果的影響[J].陜西農業科學，2020，66（5）：9-13.

[9]"凌妍，鐘嬌麗，唐曉山，等.掃描電子顯微鏡的工作原理及應用[J].山東化工，2018，47（9）：78-79+83.

[10]"楊蕊，韓景泉，蘭平，等.生物質纖維素結晶度的研究進展[J].木材加工機械，2018，29（4）：29-35.

[11]"Segal L.，Creely J．J.，Martin Jr A，E.An Empirical Method for Estimating the Degree of Crystallinity of Native Cellulose Using the X-Ray Diffractometer[J].Textile Research Journal，1959（29）：786-794．

[12]"Brunauer S， Emmett P H， Teller E. Adsorption of Gases in Multimolecular Layers[J]. Journal of the American Chemical Society， 1938，60（2）：309-319.

[13]"Barrett E P，Joyner L G， Skold R. The Determination of Pore Volume and Area Distributions in Porous Substances. I. Comparison from Nitrogen Isotherm[J]. Journal of the American Chemical Society， 1951，73（1）：373-380.

[14]"Dorris G.M.， Gray D.G.. The surface analysis of paper and wood fibers by ESCA.I. Application to cellulose and lignin[J].Cellulose Chemistry and Technology， 1978a（12）：9-23.

[15]"Dorris G.M.， Gray D.G.. The surface analysis of paper and wood fibers by ESCA.II. Surface composition of mechanical pulp[J]. Cellulose Chemistry and Technology， 1978b（12）：721-734.

[16]"Laine J， Stenius P， Carlsson G， et al. Surface characterization of unbleached kraft pulps by means of ESCA[J]. Cellulose， 1994，1（2）：145-160.

[17]"Hua X， Kaliaguine S， Kokta B V， et al. Surface analysis of explosion pulps by ESCA Part 1. Carbon （1s） spectra and oxygen-to-carbon ratios. Wood Science and Technology， 1993，27（6）：449-459.

[18]"Chen S F，Mowery R A，Scarlata C J， et al. Compositional analysis of water-soluble materials in corn stover[J]. Journal of Agricultural and Food Chemistry， 2007，55（15）：5 912-5 918.

[19]"Zhao L， Boluk Y. XPS and IGC characterization of steam treated triticale straw[J].Applied Surface Science， 2010，257（1）：180-185.

[20]"Fougere J D， Lynch M， Jie Z， et al. Impact of Mechanical Downsizing on the Physical Structure and Enzymatic Digestibility of Pretreated Hardwood. Energy amp; Fuels， 2014，28（4）：2 645-2 653.

[21]"Lin Z， Huang H， Zhang H， et al. Ball Milling Pretreatment of Corn Stover for Enhancing the Efficiency of Enzymatic Hydrolysis. Applied Biochemistry and Biotechnology， 2010，162（7）：1 872-1 880.