超低濃酸預(yù)處理對(duì)麥草秸稈組分分離及纖維素酶水解效率的影響

摘 要：本研究以麥草秸稈為原料，探討了超低濃酸種類(lèi)及預(yù)處理?xiàng)l件對(duì)麥草秸稈組分分離及纖維素酶水解效果的影響。結(jié)果表明，甲酸預(yù)處理效果最佳，在甲酸濃度1 g/L、固液比1∶20（g∶mL）、預(yù)處理溫度170 ℃、預(yù)處理時(shí)間30 min條件下，麥草秸稈纖維素保留率95.55%，半纖維素脫除率81.66%，木質(zhì)素脫除率38.42%，水解液中木糖及低聚木糖總得率80.05%；預(yù)處理殘?jiān)?jīng)過(guò)72 h酶水解后，葡萄糖得率83.37%。通過(guò)物料平衡計(jì)算，該工藝下總糖（葡萄糖和木糖）得率大于95.32%。

關(guān)鍵詞：麥草秸稈；甲酸；預(yù)處理；酶水解

中圖分類(lèi)號(hào)：TS721+. 2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10. 11981/j. issn. 1000?6842. 2025. 02. 01

木質(zhì)纖維生物質(zhì)是自然界中最豐富的可再生碳資源，其主要由纖維素、半纖維素和木質(zhì)素三大組分構(gòu)成［1-2］，由于不同組分在結(jié)構(gòu)和性質(zhì)上的差異較大，對(duì)化學(xué)環(huán)境的敏感度不同，難以采用一鍋法將其選擇性地分離轉(zhuǎn)化為燃料或化學(xué)品［3-4］。因此，需要對(duì)生物質(zhì)原料進(jìn)行預(yù)處理，以打破細(xì)胞壁各木質(zhì)纖維組分之間的交織結(jié)構(gòu)，從而更高效地實(shí)現(xiàn)木質(zhì)纖維素的高值化利用［5-6］。

為滿足下游產(chǎn)品的不同需求，目前已衍生出眾多木質(zhì)纖維生物質(zhì)預(yù)處理技術(shù)，其中聚糖優(yōu)先預(yù)處理技術(shù)在高效利用半纖維素和纖維素方面表現(xiàn)優(yōu)異［7］。半纖維素通常是木質(zhì)纖維原料中最易被利用的組分，生成的低聚木糖是木聚糖衍生物中備受關(guān)注的水解產(chǎn)物，已被廣泛應(yīng)用于飼料和醫(yī)藥保健領(lǐng)域［8-9］。選取合適的預(yù)處理技術(shù)在分離木質(zhì)纖維生物質(zhì)時(shí)優(yōu)先分離半纖維素，亦可改善酶對(duì)纖維素的可及性，進(jìn)而提高糖化率，實(shí)現(xiàn)木質(zhì)纖維生物質(zhì)多組分的綜合利用［10］。

目前常用的聚糖優(yōu)先預(yù)處理技術(shù)是酸法預(yù)處理［11］。在酸環(huán)境下，半纖維素和纖維素間的氫鍵結(jié)合受到破壞，半纖維素發(fā)生水解［12］。然而，過(guò)高的酸濃度會(huì)導(dǎo)致半纖維素降解，使生成的木糖進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為甲酸、乙酸、糠醛等酶水解抑制物，進(jìn)而限制纖維素的糖化發(fā)酵效率［13-14］。超低濃酸預(yù)處理是一種酸濃度不高于 1 g/L 的酸預(yù)處理技術(shù)。相比較其他酸預(yù)處理技術(shù)，該方法具有設(shè)備腐蝕性小、環(huán)保、纖維素保留率高、便于與后續(xù)酶水解工序銜接等特點(diǎn)。因此，采用超低濃酸預(yù)處理結(jié)合纖維素酶水解技術(shù)，可以有效減少木糖的損失，并提高纖維素酶水解得率［15］。

本研究以麥草秸稈為原料，探討超低濃酸種類(lèi)、預(yù)處理?xiàng)l件（固液比、預(yù)處理溫度和時(shí)間）等關(guān)鍵因素對(duì)麥草秸稈組分分離及纖維素酶水解效果的影響。通過(guò)X射線多晶衍射儀（XRD）和場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡（FESEM）對(duì)超低濃酸預(yù)處理殘?jiān)慕Y(jié)構(gòu)及理化性質(zhì)進(jìn)行深入分析，并根據(jù)物料守恒，評(píng)價(jià)預(yù)處理所得低聚糖的酶水解效率。

1 實(shí) 驗(yàn)

1. 1 實(shí)驗(yàn)原料、試劑及儀器

麥草秸稈購(gòu)自易高卓新節(jié)能技術(shù)（上海）有限公司。將麥草秸稈粉碎，用孔徑 0.425 μm 和 0.250 μm的篩網(wǎng)進(jìn)行篩分，然后用丙酮/乙醇 （體積比 2∶1）混合溶劑進(jìn)行抽提，除去抽提物，得到脫蠟麥草秸稈，并用作原料。根據(jù)美國(guó)國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室（NREL） 建立的標(biāo)準(zhǔn)方法［16］，測(cè)定原料的主要化學(xué)組分為纖維素 （43.03%）、半纖維素 （24.08%） 和木質(zhì)素（20.25%）。

本研究所用水均為超純水，實(shí)驗(yàn)室自制。葡萄糖、木糖、阿拉伯糖標(biāo)準(zhǔn)品，購(gòu)自Sigma-Aldrich公司。甲酸、乙酸、扁桃酸、檸檬酸、酒石酸、磷酸、對(duì)甲苯磺酸、咖啡酸、對(duì)苯二甲酸、乙酸鈉，均為分析純，購(gòu)自上海麥克林生化科技有限公司。乙醇，分析純，購(gòu)自國(guó)藥集團(tuán)。丙酮、濃硫酸 （質(zhì)量分?jǐn)?shù)98%），均為分析純，購(gòu)自廣州化學(xué)試劑廠。所有試劑均未進(jìn)一步純化，直接使用。水解酶 （Cellic?CTec2） 由諾維信生物科技有限公司提供，活性138 FPU/mL。

磁力攪拌器 （RCT basic，德國(guó) IKA），分析天平（BSA224SCW，賽多利斯科學(xué)儀器有限公司），電熱鼓風(fēng)干燥箱 （上海一恒科學(xué)儀器有限公司），冰箱（BCD-312WDPV，青島海爾股份有限公司），高壓滅菌鍋 （MLS-3780，日本三洋），實(shí)驗(yàn)室超純水系統(tǒng)（Ultra pure，上海和泰儀器有限公司），水熱反應(yīng)釜（NSC50-P5-T3-SS1-SV-R，安徽科冪儀器有限公司），恒溫振蕩器（KS4000i，德國(guó)IKA）。

1. 2 實(shí)驗(yàn)方法

1. 2. 1 麥草秸稈預(yù)處理

稱取1 g絕干原料，與配制好的超低濃酸 （1 g/L）按照一定固液比 （1∶10、1∶15、1∶20、1∶30，g∶mL） 混合均勻，隨后裝入 50 mL 高壓反應(yīng)釜中，擰緊密封蓋，放入電加熱套中。預(yù)處理?xiàng)l件為：攪拌速度400 r/min，反應(yīng)時(shí)間30～180 min，反應(yīng)溫度150～180 ℃，加熱時(shí)間30 min。溫度達(dá)到預(yù)設(shè)的反應(yīng)溫度時(shí)開(kāi)始計(jì)時(shí)，反應(yīng)結(jié)束后迅速移出反應(yīng)釜，用冷水驟冷至室溫。采用G3漏斗抽濾分離得到反應(yīng)后殘?jiān)c預(yù)處理水解液，固體殘?jiān)?0 ℃熱水洗滌至中性，再用乙醇洗滌至洗液呈無(wú)色，于30 ℃烘箱中干燥12 h，得到預(yù)處理殘?jiān)瑴y(cè)定水分后，用于進(jìn)一步分析和酶水解。

1. 2. 2 酶水解

在50 mL錐形瓶中對(duì)預(yù)處理殘?jiān)M(jìn)行酶水解，預(yù)處理殘?jiān)|(zhì)量分?jǐn)?shù)2%，使用50 mmol/L乙酸鈉水溶液作緩沖液，控制pH值=4.8，纖維素酶用量20 FPU/g。將錐形瓶置于 50 ℃、150 r/min 的恒溫振蕩器中酶水解 72 h。分別間隔 6、12、24、30、48 和 72 h 取樣，樣品需滅活10 min，離心并過(guò)濾后，采用高效液相色譜儀 （HPLC，1260型，美國(guó)安捷倫） 定量表征酶水解液中的單糖含量。酶水解葡萄糖得率 （n1，%） 和木糖得率（n2，%）分別按式（1）和式（2）計(jì)算。

過(guò)濾后的固體殘?jiān)捎?1.2.1 中相同處理方法進(jìn)行洗滌，獲得酶水解殘?jiān)?/p>

1. 3 檢測(cè)與表征

1. 3. 1 組分含量測(cè)定

原料、預(yù)處理殘?jiān)懊杆鈿堅(jiān)慕M分含量采用美國(guó)可再生能源實(shí)驗(yàn)室（NREL）標(biāo)準(zhǔn)分析法進(jìn)行測(cè)定［16］。纖維素保留率（N1，%）、半纖維素脫除率（N2，%）、木質(zhì)素脫除率（N3，%）、固體回收率（N4，%）分別按式（3）～式（6）計(jì)算。

1. 3. 2 單糖含量及低聚糖含量的測(cè)定

預(yù)處理水解液中葡萄糖和木糖等濃度通過(guò)HPLC進(jìn)行檢測(cè)，所用檢測(cè)器為 RID 檢測(cè)器，色譜柱型號(hào)為BIORAD Aminex HPX-87H，流動(dòng)相為5 mmol/L H2SO4溶液，流速0.5 mL/min，檢測(cè)器溫度40 ℃，柱箱溫度60 ℃。

取 5 mL 甲酸預(yù)處理水解液于 100 mL 耐壓瓶中，加 入 5 mL 質(zhì) 量 分 數(shù) 8% 的 H2SO4 溶 液，旋 緊 瓶 塞，在 121 ℃高壓滅菌鍋里水解 60 min，水解結(jié)束后經(jīng)0.22 μm針筒式過(guò)濾器過(guò)濾，得到二次水解液；采用HPLC測(cè)定其單糖含量。低聚糖含量為二次水解液與預(yù)處理水解液中的單糖含量之差。

1. 3. 3 結(jié)晶度測(cè)定

原料、預(yù)處理殘?jiān)懊杆鈿堅(jiān)慕Y(jié)晶度可通過(guò)XRD （D8-ADVANCE 型，德國(guó)布魯克） 表征。測(cè)試條件為掃描步長(zhǎng)0.02°/2θ，掃描范圍2θ=5°～60°。樣品的結(jié)晶度指數(shù)（CrI，%）依據(jù)式（7）進(jìn)行計(jì)算。

1. 3. 4 表面形貌觀察

原料、預(yù)處理殘?jiān)懊杆鈿堅(jiān)谋砻嫘蚊膊捎?FESEM （SU8220 型，日本日立） 進(jìn)行觀察，加速電壓5 kV。

2 結(jié)果與討論

2. 1 酸種類(lèi)及預(yù)處理?xiàng)l件對(duì)麥草秸稈組分分離的影響

2. 1. 1 酸種類(lèi)

本研究對(duì)比研究了 10 種不同酸，包括有機(jī)酸和無(wú)機(jī)酸，考察其在超低濃度下對(duì)麥草秸稈酸預(yù)處理效果的影響，結(jié)果如表1所示。從表1可以看出，在相同的預(yù)處理?xiàng)l件下，硫酸、甲酸、酒石酸及乙酸對(duì)麥草秸稈中的半纖維素脫除率均高于70%；其中，甲酸預(yù)處理不僅半纖維素脫除率高，同時(shí)纖維素保留率高達(dá) 95.16%。通過(guò)測(cè)定上述 4 種酸預(yù)處理水解液的 pH值發(fā)現(xiàn)，甲酸預(yù)處理水解液的酸性較強(qiáng)，其pH值為3.4，與硫酸預(yù)處理水解液相當(dāng)；說(shuō)明甲酸能夠在高溫預(yù)處理?xiàng)l件下解離更多的氫離子，從而有效斷裂聚糖之間的糖苷鍵，顯著脫除半纖維素［17］。然而，硫酸在高效脫除半纖維素的同時(shí)，大量降解了纖維素組分，使得該預(yù)處理體系中麥草秸稈的纖維素保留率僅82.13%［3］。除甲酸和硫酸外，其他有機(jī)酸對(duì)麥草秸稈的半纖維素脫除效果相對(duì)較差，尤其是麥草秸稈經(jīng)咖啡酸預(yù)處理后，半纖維素脫除率僅 34.66%，遠(yuǎn)低于其他有機(jī)酸；且咖啡酸預(yù)處理水解液pH值高達(dá)4.7，說(shuō)明咖啡酸在該預(yù)處理體系中解離氫離子的能力較弱［18］。以下研究選擇甲酸作進(jìn)一步條件優(yōu)化。

2. 1. 2 固液比

在甲酸濃度1 g/L、預(yù)處理溫度160 ℃、預(yù)處理時(shí)間1 h條件下，考查固液比對(duì)麥草秸稈超低濃酸預(yù)處理效果的影響，結(jié)果如圖 1 所示。從圖 1 可以看出，當(dāng)固液比為1∶10時(shí)，原料不能充分接觸甲酸，導(dǎo)致預(yù)處理不完全，木糖和低聚木糖的得率較低，分別為10.32%和53.82%。隨著固液比逐步減小至1∶20，固體回收率從 67.14% 下降至 63.16%，纖維素保留率從96.64%降低至95.16%，半纖維素和木質(zhì)素脫除率分別從 63.59%、27.01% 上升至 76.00%、35.05%。同時(shí)，預(yù)處理水解液中木糖含量及低聚木糖得率分別從10.32%、53.82% 升高至 18.35%、58.24%；預(yù)處理水解液pH值隨固液比減小而下降，說(shuō)明固液比減小更有利于預(yù)處理反應(yīng)的充分發(fā)生。這是由于固液比減小使得超低濃甲酸溶液能與原料充分接觸，從而促進(jìn)反應(yīng)進(jìn)行。但固液比進(jìn)一步減小至1∶30，半纖維素脫除率從76.00%降低至72.04%；預(yù)處理水解液中木糖得率從58.24%降低至43.71%。這是由于過(guò)量的甲酸溶液吸收了反應(yīng)體系的空化能量，導(dǎo)致半纖維素分離得率下降［19］，因此選擇固液比1∶20進(jìn)行后續(xù)實(shí)驗(yàn)。

2. 1. 3 預(yù)處理溫度和時(shí)間

在甲酸濃度 1 g/L、固液比 1∶20、預(yù)處理時(shí)間30～180 min條件下，考察了不同預(yù)處理溫度和時(shí)間對(duì)麥草秸稈預(yù)處理效果的影響。預(yù)處理殘?jiān)墓腆w回收率、纖維素保留率及半纖維素、木質(zhì)素脫除率如圖2所示。從圖2可以看出，隨著預(yù)處理溫度的提高和預(yù)處理時(shí)間的延長(zhǎng)，預(yù)處理殘?jiān)墓腆w回收率、纖維素保留率均逐漸下降，半纖維素及木質(zhì)素脫除率均逐漸上升。在150 ℃條件下，當(dāng)預(yù)處理時(shí)間從30 min延長(zhǎng)到180 min 時(shí)，固體回收率及纖維素保留率從 76.64%、98.33%分別下降至63.27%、93.61%，半纖維素及木質(zhì)素 脫 除 率 分 別 從 45.19%、 22.43% 上 升 至 70.84%、39.33%。同樣，當(dāng)預(yù)處理時(shí)間相同時(shí)，升高預(yù)處理溫度可以達(dá)到相同的效果。如預(yù)處理時(shí)間30 min時(shí)，溫度從150 ℃升高至180 ℃，固體回收率和纖維素保留率分別下降至59.57%、91.48%，半纖維素及木質(zhì)素脫除率分別上升至85.62%、41.66%。觀察不同預(yù)處理?xiàng)l件下的數(shù)據(jù)變化差異發(fā)現(xiàn)，預(yù)處理溫度對(duì)整個(gè)處理過(guò)程的影響大于預(yù)處理時(shí)間，這與前人研究結(jié)果一致［2，16］；且隨著預(yù)處理?xiàng)l件逐漸苛刻，半纖維素脫除率越來(lái)越高。隨著預(yù)處理時(shí)間的延長(zhǎng)或預(yù)處理溫度的升高，纖維素保留率變化較小，保持在98.33%～89.33%。這表明在這些預(yù)處理?xiàng)l件下纖維素受破壞程度相對(duì)較小，可以更好地進(jìn)行后續(xù)分離和應(yīng)用。

為了探究超低濃甲酸預(yù)處理對(duì)水解液中聚糖和單糖得率的影響，本研究分析了在預(yù)處理溫度150～180 ℃和預(yù)處理時(shí)間30～180 min條件下，預(yù)處理水解液中木糖、低聚木糖、葡萄糖和低聚葡萄糖的得率，結(jié)果見(jiàn)圖3。由圖3可知，木糖和低聚木糖是預(yù)處理水解液中的主要產(chǎn)物，預(yù)處理溫度170 ℃、時(shí)間30 min條件下，達(dá)到最大木糖和低聚木糖總得率 80.05%，其中木糖18.12%，低聚木糖61.93% （占總得率的77.36%）。此外，隨著預(yù)處理時(shí)間和溫度的增加，木糖和低聚木糖的得率總體先升高后下降。在150 ℃下，當(dāng)預(yù)處理時(shí)間從30 min延長(zhǎng)至180 min，木糖得率從2.45%增加至19.48%，低聚木糖得率先從41.95%增長(zhǎng)至52.46%，后又下降到44.36%，這是因?yàn)殡S著預(yù)處理時(shí)間的增加，半纖維素水解愈加嚴(yán)重，使木糖和低聚木糖得率上升。但隨著預(yù)處理時(shí)間的進(jìn)一步延長(zhǎng)，部分低聚木糖逐漸降解為木糖或糠醛，導(dǎo)致得率下降。相似地，相同預(yù)處理時(shí)間條件下，隨著預(yù)處理溫度的升高，得率變化呈現(xiàn)與上述相同的趨勢(shì)。如預(yù)處理時(shí)間為30 min時(shí)，溫度從150 ℃升高至170 ℃時(shí)，木糖和低聚木糖得率分別從2.45%和41.95%升高至18.12%和61.93%，但當(dāng)預(yù)處理溫度進(jìn)一步升高至180 ℃時(shí)，低聚木糖得率下降至 33.20%。不同預(yù)處理?xiàng)l件下木糖和低聚木糖得率的變化差異表明，預(yù)處理溫度對(duì)木聚糖水解的影響大于預(yù)處理時(shí)間［20］。

2. 2 麥草秸稈預(yù)處理殘?jiān)拿杆庑?/p>

纖維素的酶水解糖化是實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)全組分分步分離后高值利用的重要途徑之一，也是評(píng)價(jià)不同預(yù)處理工藝效率的一個(gè)重要指標(biāo)［2，21］。本研究考察了不同預(yù)處理溫度 （預(yù)處理時(shí)間30 min） 對(duì)預(yù)處理殘?jiān)拿杆庑实挠绊懀鐖D4所示。從圖4可以發(fā)現(xiàn)，原料及預(yù)處理殘?jiān)?jīng)酶水解72 h后，產(chǎn)生的葡萄糖和木糖的得率僅21.54%和14.94%。相比之下，隨著酶水解時(shí)間從0延長(zhǎng)到72 h，不同預(yù)處理溫度下預(yù)處理殘?jiān)杆庖褐械钠咸烟堑寐曙@著增加，這表明超低濃甲酸預(yù)處理是增強(qiáng)麥草秸稈酶水解效率的有效方法。隨著溫度從150 ℃升高至180 ℃，超低濃甲酸預(yù)處理殘?jiān)杆獾钠咸烟堑寐曙@著從67.58%增加到86.36%。這是由于溫度升高加速了半纖維素和木質(zhì)素屏障的去除，使得更多的纖維素暴露于酶水解環(huán)境中，提高了酶對(duì)纖維素的可及性［22］。在木糖和低聚木糖總得率的最佳工藝條件下 （170 ℃、30 min），預(yù)處理殘?jiān)杆獾钠咸烟堑寐蕿?3.37%，與原料酶水解葡萄糖得率相比，提高了2.7倍。

由圖4（b）可知，預(yù)處理溫度為150 ℃時(shí)，預(yù)處理殘?jiān)杆獾哪咎堑寐士蛇_(dá) 39.65%；當(dāng)溫度升高到180 ℃時(shí)，酶水解液中的木糖得率顯著下降至15.28%，主要因?yàn)楦邷仡A(yù)處理下，半纖維素脫除率高，其在預(yù)處理殘?jiān)械谋Ａ袈实停瑢?dǎo)致酶水解后木糖含量減少。因此，超低濃甲酸預(yù)處理溫度是影響麥草秸稈酶水解效率的重要因素之一。綜合能源消耗情況、木糖和低聚木糖總得率、可發(fā)酵糖得率等，選定預(yù)處理時(shí)間30 min、預(yù)處理溫度170 ℃作為最優(yōu)預(yù)處理?xiàng)l件。

2. 3 原料、預(yù)處理殘?jiān)懊杆鈿堅(jiān)阅芊治?/p>

2. 3. 1 結(jié)晶結(jié)構(gòu)

由于超低濃甲酸預(yù)處理會(huì)不同程度地水解纖維素，必然會(huì)改變?cè)系慕Y(jié)晶結(jié)構(gòu)，進(jìn)而對(duì)后續(xù)的酶水解效率產(chǎn)生一定的影響［23］。因此，本研究測(cè)定了原料、預(yù)處理殘?jiān)懊杆鈿堅(jiān)腦RD譜圖，并進(jìn)一步計(jì)算對(duì)應(yīng)的CrI，以深入分析麥草秸稈在超低濃甲酸預(yù)處理各階段下的結(jié)晶度變化規(guī)律，結(jié)果如圖5和表2所示。

從圖 5 可以看出，原料 CrI 為 34.43%，不同時(shí)間和溫度下預(yù)處理殘?jiān)?CrI 保持在 37.07%～54.59%，均高于原料。這是因?yàn)槌蜐饧姿犷A(yù)處理過(guò)程較溫和，主要破壞纖維素的非結(jié)晶區(qū)，導(dǎo)致纖維素結(jié)晶區(qū)占比增大，進(jìn)而使預(yù)處理殘?jiān)Y(jié)晶度升高。預(yù)處理溫度160、170和180 ℃下，預(yù)處理殘?jiān)腃rI隨著預(yù)處理時(shí)間的延長(zhǎng)均先升高后下降，這是因?yàn)轭A(yù)處理時(shí)間較短時(shí)，只有纖維素非結(jié)晶區(qū)發(fā)生水解，導(dǎo)致結(jié)晶度上升；隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，預(yù)處理?xiàng)l件愈加苛刻，纖維素結(jié)晶區(qū)發(fā)生破壞，結(jié)晶度下降［18］。

從表2可以看出，原料直接酶水解所得殘?jiān)?（記為 MJ-原料） 的 CrI 為 33.36%，相對(duì)于原料僅略有下降，這是因?yàn)樵现心举|(zhì)纖維組分相互交織、結(jié)構(gòu)致密，導(dǎo)致纖維素酶水解效果不佳，因此CrI變化不大。預(yù)處理后再經(jīng)酶水解所得殘?jiān)ㄓ洖镸J-170 ℃-30 min）的CrI為25.36%，相對(duì)于原料明顯下降。這是由于半纖維素的大量去除和木質(zhì)素的部分脫除，使麥草秸稈的復(fù)雜結(jié)構(gòu)發(fā)生較大程度破壞，纖維素、木質(zhì)素和半纖維素之間的相互作用變得松散，更多的纖維素暴露在表面，提高了纖維素的可及度，從而提高了酶水解效率，使纖維素大量酶水解，結(jié)晶度下降［24］。

2. 3. 2 表面形貌

采用 FESEM 對(duì)麥草秸稈在超濃甲酸預(yù)處理不同階段下的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征，進(jìn)一步分析預(yù)處理?xiàng)l件及酶水解對(duì)其表面形貌的影響，結(jié)果見(jiàn)圖 6。從圖 6可以看出，原料呈致密且相對(duì)完整的表面結(jié)構(gòu)。當(dāng)超低濃甲酸預(yù)處理溫度 150 ℃、預(yù)處理時(shí)間 30 min 時(shí)，麥草秸稈纖維表面變得粗糙，纖維表面出現(xiàn)了一些褶皺；這是由脫除半纖維素后纖維的結(jié)構(gòu)變得更加疏松導(dǎo)致的；預(yù)處理時(shí)間60 min時(shí)，纖維表面褶皺更加嚴(yán)重；預(yù)處理時(shí)間90 min時(shí)，纖維表面開(kāi)始出現(xiàn)少量孔洞，預(yù)處理時(shí)間120 min時(shí)，纖維表面褶皺越來(lái)越明顯且孔洞越來(lái)越多，這是半纖維素溶出量增多造成的，使得纖維表面結(jié)構(gòu)的破壞程度加深；預(yù)處理時(shí)間180 min時(shí)，纖維表面破壞更加嚴(yán)重。綜上所述，隨著預(yù)處理時(shí)間的延長(zhǎng)，預(yù)處理對(duì)麥草秸稈的抗降解屏障的破壞也愈加顯著［25］。提高預(yù)處理溫度發(fā)現(xiàn)，在相同預(yù)處理時(shí)間條件下，半纖維素和木質(zhì)素的劇烈脫除導(dǎo)致纖維表面破壞極為嚴(yán)重，預(yù)處理效果更顯著。

從圖 6 還可以看出，對(duì)于酶水解殘?jiān)?（MJ-原料和 MJ-170 ℃-30 min），雖然纖維表面出現(xiàn)許多孔洞，但纖維本身依舊保持完整，這是因?yàn)樵现心举|(zhì)纖維組分相互交織成致密的結(jié)構(gòu)，使得纖維素酶水解效果不佳［13］。MJ-170 ℃-30 min表面的顆粒裂紋明顯增多，出現(xiàn)纖維嚴(yán)重分解的現(xiàn)象，這可能是因?yàn)榇蟛糠掷w維素被酶水解為單糖。

2. 4 最優(yōu)預(yù)處理?xiàng)l件下的物料平衡計(jì)算

為了評(píng)價(jià)預(yù)處理過(guò)程是否充分利用了原料中的多糖類(lèi)物質(zhì)，圖7總結(jié)了在上述最佳預(yù)處理?xiàng)l件（170 ℃、30 min） 下，基于 100 g 原料的物料平衡。由圖 7 可知，原料由 43.03 g 葡萄糖、24.08 g 木糖和阿拉伯糖及 20.25 g 木質(zhì)素組成；經(jīng)超低濃甲酸預(yù)處理后，回收得到 63.52 g 富含纖維素的預(yù)處理殘?jiān)?（葡萄糖41.12 g、木糖4.38 g、木質(zhì)素12.47 g）。木糖和阿拉伯糖含量大幅減少，表明大部分半纖維素在預(yù)處理過(guò)程中被降解，預(yù)處理水解液中含有木糖和低聚木糖總量17.23 g（低聚木糖13.33 g和木糖3.90 g）、葡萄糖和低聚葡萄糖總量 1.41 g （低聚葡萄糖 1.13 g 和葡萄糖 0.28 g）。經(jīng)酶水解，可回收葡萄糖約 38.87 g、木糖約 4.02 g。綜合超低濃甲酸預(yù)處理段與酶水解段的結(jié)果，葡萄糖和低聚葡萄糖，以及木糖和低聚木糖的總回收量分別為 40.28 g 和 21.25 g，分別占麥草秸稈中葡萄糖和木糖的93.61%和98.75%，總糖 （葡萄糖和木糖） 得率超過(guò) 95.32%，這表明本研究中的預(yù)處理方法可以保留大部分可發(fā)酵糖，并有較高的酶水解效率。

3 結(jié) 論

本研究探討了超低濃酸預(yù)處理麥草秸稈的新工藝，分析了 10 種超低濃酸及預(yù)處理?xiàng)l件對(duì)麥草秸稈組分分離及纖維素酶水解效果的影響。

3. 1 相同超低濃度下 （1 g/L），甲酸預(yù)處理效果最好。增加預(yù)處理強(qiáng)度有利于提高預(yù)處理效果，在預(yù)處理溫度170 ℃、預(yù)處理時(shí)間30 min的條件下，麥草秸稈纖維素保留率95.55%，半纖維素脫除率81.66%，木質(zhì)素脫除率38.42%，預(yù)處理水解液中木糖和低聚木糖總得率80.05%（木糖18.12%，低聚木糖61.93%）。預(yù)處理殘?jiān)?jīng)酶水解后，葡萄糖得率83.37%，與未經(jīng)預(yù)處理麥草秸稈酶水解的葡萄糖得率相比提高了2.7倍。

3. 2 通過(guò)物料平衡計(jì)算可知，超低濃酸預(yù)處理及酶水解后，葡萄糖和低聚葡萄糖，以及木糖和低聚木糖的總回收量分別占麥草秸稈中葡萄糖和木糖總量的93.61%和98.75%。

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