NaOH協(xié)同輻照預(yù)處理提高稻草纖維素酶解轉(zhuǎn)化率

齊 慧 武小芬 陳 亮 鄧 明 王克勤

( 湖南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院核農(nóng)學(xué)與航天育種研究所/湖南省農(nóng)業(yè)生物輻照工程技術(shù)研究中心/生物輻照技術(shù)湖南省工程研究中心，湖南 長沙 410125)

隨著工業(yè)化及社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，我國能源消耗量逐年增加，能源危機(jī)日益凸顯，發(fā)展清潔可再生能源刻不容緩。生物質(zhì)能作為一種豐富的可再生能源，越來越受到各國能源機(jī)構(gòu)的重視。然而，生物質(zhì)中致密的木質(zhì)纖維素結(jié)構(gòu)使其直接利用效率極低，因此充分利用生物質(zhì)發(fā)展生物質(zhì)能源的必要步驟就是對(duì)原材料進(jìn)行一定的預(yù)處理。目前，利用木質(zhì)纖維素制備生物質(zhì)能源產(chǎn)品的技術(shù)瓶頸是如何有效破壞生物質(zhì)原料的結(jié)構(gòu)，從而提升其酶解效率[1-2]。諸多研究表明，相對(duì)于常用的預(yù)處理方式，如粉碎、蒸汽爆破、酸堿處理及生物方法等[3-6]，高能輻照技術(shù)具有操作簡單、破壞程度大、明顯提升酶解轉(zhuǎn)化率且反應(yīng)條件溫和、對(duì)環(huán)境友好等優(yōu)勢(shì)，已成為生物質(zhì)高效利用過程中的有效技術(shù)手段之一[7]。陳靜萍等[8]研究表明，采用 1 000～1 500 kGy輻照劑量的γ射線處理稻草秸稈，能有效破壞其纖維組織結(jié)構(gòu)，輻照與酶復(fù)合處理能極顯著提高稻草纖維素轉(zhuǎn)化率。目前，關(guān)于輻照技術(shù)與化學(xué)方法協(xié)同預(yù)處理工藝的研究已有大量報(bào)道。彭姿等[9]采用稀硫酸協(xié)同輻照技術(shù)處理芒草促進(jìn)了木質(zhì)纖維素酶解糖化；Siriwattana[10]采用尿素協(xié)同γ射線處理研究其對(duì)稻草和玉米秸稈纖維素降解的影響。前人研究主要集中在堿協(xié)同輻照處理，其作用原理是生物質(zhì)經(jīng)輻照預(yù)處理后，自由基誘導(dǎo)的多級(jí)降解作用使原料結(jié)構(gòu)和組分發(fā)生變化，如降低纖維素的聚合度，結(jié)合堿液的浸潤處理使得部分半纖維素、木質(zhì)素等被溶出，為后續(xù)纖維素與纖維素酶的充分接觸提供條件，能夠在更低的輻照劑量下提升酶解糖化效率[9-11]。彭勝男等[12]對(duì)氨水協(xié)同60Co-γ射線輻照預(yù)處理芒草的工藝進(jìn)行優(yōu)化，發(fā)現(xiàn)固液比為1∶10(g∶mL)條件下，10% (v:v)氨水浸泡經(jīng)400 kGy輻照48 h后的芒草，再經(jīng)酶解處理，其還原糖得率達(dá)到471.74 mg ·g-1，表明氨水處理與輻照處理對(duì)芒草木質(zhì)纖維素酶解糖化具有協(xié)同效應(yīng)。而采用NaOH結(jié)合輻照處理的工藝條件優(yōu)化研究尚鮮見報(bào)道。本試驗(yàn)參照Wu等[13]的研究方法，在50℃條件下，采用2%NaOH協(xié)同輻照對(duì)稻草進(jìn)行預(yù)處理，研究協(xié)同預(yù)處理對(duì)稻草組分含量及酶解轉(zhuǎn)化率的影響機(jī)制，篩選出最適輻照劑量，并采用正交試驗(yàn)對(duì)輻照協(xié)同NaOH處理?xiàng)l件進(jìn)行優(yōu)化，以期降低生物質(zhì)預(yù)處理成本，提升生物質(zhì)利用率，為生物質(zhì)大規(guī)模利用提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料與試劑

稻草由湖南省核農(nóng)學(xué)與航天育種研究所提供，自然晾干，水分含量為10%左右。

纖維素酶Celluclast?1.5 L[諾維信(中國)生物技術(shù)有限公司]。乙酸、乙酸鈉、硫酸、鹽酸、氫氧化鈉等均為分析純。葡萄糖、木糖標(biāo)準(zhǔn)品(美國Sigma公司)。

1.2 試驗(yàn)儀器

BlueStar A紫外分光光度計(jì)，北京萊伯泰科儀器股份有限公司；HZQ-F100恒溫?fù)u床，常州諾基儀器有限公司；TG-16WS離心機(jī)，湖南邁克爾實(shí)驗(yàn)儀器有限公司；XH-C渦旋混合器，江蘇金怡儀器科技有限公司；GZX-9246 MBE電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱，上海博訊實(shí)業(yè)有限公司；FA 2004C電子天平，上海佑科儀器儀表有限公司；YSQ-LS-50S11立式壓力蒸汽滅菌鍋，上海博訊醫(yī)療生物儀器股份有限公司；JSM-6380LV掃描電鏡光譜儀，日本電子株式會(huì)社；Nicolet is5紅外分析儀，美國賽默飛世爾科技公司；Ulti Mate 3000液相色譜儀(檢測(cè)器：Refracto Max 520)，美國賽默飛世爾科技公司。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與方法

1.3.1 樣品處理

1)樣品輻照：稻草60Co-γ射線輻照預(yù)處理在湖南省核農(nóng)學(xué)與航天育種研究所湖南省技術(shù)中心完成。輻照處理在室溫下進(jìn)行，共設(shè)置5個(gè)輻照劑量，即0、200、400、600、800 kGy，將經(jīng)不同輻照處理后的稻草樣品剪成0.5 cm長度大小，密封保存。

2)NaOH溶液浸泡處理：稱取不同劑量輻照后的稻草各1 g于三角瓶中，按照固液比1∶10(g∶mL)，向三角瓶加入2%NaOH溶液，在50℃下浸泡2 h，10 000 r·min-1離心5 min，收集上清液，加入1∶3(v∶v)鹽酸溶液調(diào)節(jié)pH值至7.0，備用。濾渣加入250 mL去離子水反復(fù)沖洗5次后，加入20 mL去離子水，渦旋振蕩均勻后，用1∶3(v∶v)鹽酸溶液調(diào)節(jié)pH值至7.0，10 000 r·min-1離心5 min，棄上清液，殘?jiān)鼈溆谩?/p>

1.3.2 酶解反應(yīng) 準(zhǔn)確稱取經(jīng)不同劑量輻照后的稻草各1 g于100 mL三角瓶中，按照10 FPU·g-1加入纖維素酶溶液。將三角瓶置于50℃恒溫?fù)u床，130 r·min-1酶解24 h，5 000 r·min-1離心3 min，取上清液，將上清稀釋10倍后，利用高效液相色譜(high performance liquid chromatography, HPLC)測(cè)定葡萄糖含量。對(duì)低濃度NaOH溶液協(xié)同輻照處理的稻草樣品，按照1.3.1中2)的方法對(duì)其殘?jiān)M(jìn)行酶解，酶解步驟同上。

1.3.3 掃描電子顯微鏡分析 將僅經(jīng)NaOH預(yù)處理、僅輻照預(yù)處理以及NaOH協(xié)同輻照預(yù)處理的稻草分別于65℃烘干粉碎，然后采用導(dǎo)電的雙面膠帶粘在樣品臺(tái)上，將樣品放于真空罩內(nèi)，在真空狀態(tài)下噴鍍一層金屬導(dǎo)電膜后進(jìn)行掃描電子顯微鏡(scanning electron microscope, SEM)觀察，檢測(cè)電壓為20 kV。

1.3.4 傅里葉轉(zhuǎn)換紅外光譜分析 將僅經(jīng)NaOH預(yù)處理、僅輻照預(yù)處理以及NaOH協(xié)同輻照預(yù)處理的稻草分別于65℃烘干粉碎，取適量粉末樣品與KBr研磨均勻后壓片，在4 000～500 cm-1波數(shù)范圍進(jìn)行傅里葉轉(zhuǎn)換紅外光譜(Fourier transform infrared spectroscopy, FT-IR)分析。

1.3.5 測(cè)定指標(biāo)及方法

1)水分含量：分別準(zhǔn)確稱取2 g經(jīng)0、200、400、600、800 kGy輻照處理后的稻草樣品，過40目篩后置于鋁盒中，105℃恒溫烘干4 h，冷卻0.5 h后稱重(直至質(zhì)量差小于0.002 g)。按照公式計(jì)算水分含量：

水分含量=(w1-w2)/(w1-w3)×100%

(1)

式中，w1：鋁盒與烘干前樣品質(zhì)量，g；w2：鋁盒與烘干后樣品質(zhì)量，g；w3：鋁盒質(zhì)量,g。

2)水洗質(zhì)量損失率：分別準(zhǔn)確稱取3 g經(jīng)0、200、400、600、800 kGy輻照處理后的稻草樣品，按固液比 1∶10(g∶mL)加入超純水，于室溫條件下浸泡1 h后，過濾，將過濾殘?jiān)娓珊蠓Q重。按照公式分別計(jì)算水洗質(zhì)量損失率和樣品絕干質(zhì)量：

水洗質(zhì)量損失率=(樣品絕干質(zhì)量-水洗后殘?jiān)娓少|(zhì)量)/樣品絕干質(zhì)量×100%

(2)

樣品絕干質(zhì)量=樣品稱樣量×(1-水分含量)×100%

(3)。

3)堿洗質(zhì)量損失率：準(zhǔn)確稱取3 g輻照后稻草樣品，按固液比1∶10(g∶mL)加入2%NaOH溶液，50℃下浸泡2 h，保留過濾殘?jiān)?05℃烘干后稱重，按照公式計(jì)算堿洗質(zhì)量損失率：

堿洗質(zhì)量損失率=(樣品絕干質(zhì)量-稀堿處理后殘?jiān)娓少|(zhì)量)/樣品絕干質(zhì)量×100%

(4)。

4)水洗或堿洗殘?jiān)心举|(zhì)素、纖維素、半纖維素含量： 參照美國可再生能源實(shí)驗(yàn)室標(biāo)準(zhǔn)分析方法[14]測(cè)定木質(zhì)素、纖維素和半纖維素的含量。準(zhǔn)確稱取0.3 g經(jīng)1.3.5中2)或3)處理后，經(jīng)65℃干燥24 h的稻草殘?jiān)糜谌瞧恐?，加? mL 72%硫酸，30℃水浴反應(yīng)1 h，每5～10 min振搖1次，加入84 mL蒸餾水，于高壓滅菌鍋內(nèi)121℃反應(yīng)1 h，過濾，濾渣于105℃烘干至恒重，即為酸不溶性木質(zhì)素；濾液定容至100 mL，利用HPLC測(cè)定葡萄糖和木糖含量，于320 nm波長下測(cè)定酸溶性木質(zhì)素含量。按照公式分別計(jì)算木質(zhì)素、纖維素、半纖維素含量和纖維素酶解轉(zhuǎn)化率：

木質(zhì)素含量=(酸溶性木質(zhì)素質(zhì)量+酸不溶性木質(zhì)素質(zhì)量)/樣品絕干質(zhì)量×100%

(5)

纖維素含量=(0.9×葡萄糖質(zhì)量)/樣品絕干質(zhì)量×100%

(6)

半纖維素含量=(0.88×木糖質(zhì)量)/樣品絕干質(zhì)量×100%

(7)

纖維素酶解轉(zhuǎn)化率=(0.9×葡萄糖質(zhì)量)/[樣品質(zhì)量×(1-堿洗損失率) ×濾渣中纖維素含量] ×100%

(8)。

5)還原糖含量：利用HPLC測(cè)定還原糖含量。色譜柱：Bio-RAD AminexRHPX-87H Ion Exclusion Column(300 mm×7.8 mm)；流動(dòng)相：0.005 mol·L-1H2SO4；流速：0.6 mL·min-1；柱溫：55℃；柱后冷卻溫度：30℃；檢測(cè)器：示差折光檢測(cè)器(refractive index detector，RID)；檢測(cè)器溫度：45℃；進(jìn)樣體積：10 μL。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用SAS 8.1和Microsoft Excel 2010分析整理數(shù)據(jù)；Origin 8.0制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 輻照及NaOH協(xié)同輻照處理對(duì)稻草主要成分含量的影響

由表1可知，經(jīng)輻照預(yù)處理后，稻草的水洗質(zhì)量損失率隨著輻照劑量的增加而增大。這與陳亮等[15]的研究結(jié)果一致。這是由于隨著輻照劑量的增加，稻草木質(zhì)纖維結(jié)構(gòu)的破壞程度也進(jìn)一步增大，大分子不溶性物質(zhì)進(jìn)一步降解為小分子可溶性物質(zhì)。由表2可知，NaOH協(xié)同輻照處理下，稻草的堿洗質(zhì)量損失率也隨著輻照劑量的增加而增大，當(dāng)輻照劑量超過400 kGy后，稻草堿洗質(zhì)量損失率持續(xù)增加，但不顯著。

由表1、2可知，隨著輻照劑量的增大，輻照后水洗處理的稻草纖維素、半纖維素含量變化規(guī)律并不明顯；而NaOH協(xié)同輻照處理后的稻草纖維素含量則呈先增加后減小的趨勢(shì)，半纖維素含量呈逐漸減少的趨勢(shì)，木質(zhì)素含量也呈逐漸減少的趨勢(shì)。這與唐洪濤等[16]的研究結(jié)果類似。這是由于NaOH可部分溶解木質(zhì)素和半纖維素，進(jìn)而導(dǎo)致在輻照劑量為0～400 kGy范圍內(nèi)，纖維素相對(duì)含量增加。但隨著輻照劑量進(jìn)一步增加，稻草內(nèi)部木質(zhì)纖維素結(jié)構(gòu)受破壞程度進(jìn)一步加強(qiáng)，堿處理效果增強(qiáng)，進(jìn)而導(dǎo)致纖維素含量下降；半纖維素、木質(zhì)素的損失也逐步增加，含量減少，但當(dāng)輻照劑量大于600 kGy后，由于堿處理后纖維素、半纖維素的減少，卻使得木質(zhì)素的相對(duì)含量有所增加，但不顯著。

表1 輻照對(duì)稻草水洗質(zhì)量損失率及主要成分含量的影響Table 1 Effect on the straw quality loss after waterwashing and the main component content by irradiation pretreatment

注：同列不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)。下同。

Note: Different lowercase letters in the same column indicate significant difference at 0.05 level. The same as following.

表2 NaOH協(xié)同輻照處理對(duì)稻草堿洗質(zhì)量損失率及主要成分含量的影響Table 2 Effect of NaOH solution collaborated with irradiation pretreatment on the straw quality loss after aqueous alkali washing and the main component content

2.2 輻照處理及NaOH協(xié)同輻照處理對(duì)稻草酶解轉(zhuǎn)化率的影響

由圖1可知，稻草直接酶解時(shí)，隨著輻照劑量的增大，纖維素轉(zhuǎn)化率呈增大的趨勢(shì)，輻照劑量為800 kGy時(shí)的纖維素轉(zhuǎn)化率最大，約為60%。經(jīng)2%NaOH，50℃浸泡處理2 h后的稻草纖維素轉(zhuǎn)化率大幅提升，0、200、400、600、800 kGy輻照結(jié)合2%NaOH浸泡處理使稻草纖維素轉(zhuǎn)化率較單一輻照處理分別增加 5 930.56%、3 840.03%、101.51%、42.76%、28.69%；400 kGy劑量輻照結(jié)合NaOH處理后稻草的纖維素轉(zhuǎn)化率達(dá)到73.81%，較單一800 kGy輻照劑量處理的稻草增加了23.49%，說明輻照與NaOH處理具有協(xié)同效應(yīng)，能明顯提升稻草纖維素的酶解轉(zhuǎn)化率。600 kGy輻照結(jié)合NaOH預(yù)處理后稻草的纖維素轉(zhuǎn)化率達(dá)到最大值，為78.44%，輻照劑量為800 kGy時(shí)酶解轉(zhuǎn)化率有所下降，這是由于高劑量輻照對(duì)稻草木質(zhì)纖維素結(jié)構(gòu)的破壞程度加劇，增強(qiáng)了后續(xù)稀堿的作用效果，纖維素的含量有所降低，使纖維素酶解轉(zhuǎn)化率有所減小。NaOH協(xié)同輻照處理?xiàng)l件下，輻照劑量為600 kGy時(shí)的稻草纖維素轉(zhuǎn)化率高于400 kGy，但差異不顯著。綜上，為降低預(yù)處理成本，以400 kGy作為最佳協(xié)同預(yù)處理輻照劑量。

圖1 NaOH協(xié)同輻照處理對(duì)稻草纖維素酶解轉(zhuǎn)化率的影響Fig.1 Effect of the enzymatic hydrolysis conversion rate of cellulose in rice straw by using NaOH solution collaborated with irradiation pretreatment

2.3 輻照處理及NaOH協(xié)同輻照處理對(duì)稻草微觀結(jié)構(gòu)的影響

2.3.1 輻照處理及NaOH協(xié)同輻照處理對(duì)稻草表觀形貌特征的影響 未經(jīng)處理的稻草，表面比較光滑、緊密有序(圖2-4)；存在較多明顯的球狀或塊狀物質(zhì)附著于纖維表面(圖2-B)；NaoH處理的稻草表面變得較粗糙，出現(xiàn)較為明顯的孔洞(圖2-C)；400 kGy輻照協(xié)同NaoH處理的稻草表面纖維有大量的裂紋、裂片，纖維素束發(fā)生分離，出現(xiàn)層層剝離的現(xiàn)象(圖2-D)，但相比于單獨(dú)輻照處理，其表面球狀或塊狀物質(zhì)明顯減少。

注：A：0 kGy；B:400 kGy輻照處理；C：2%NaOH溶液，50℃，固液比1∶10處理2 h；D：400 kGy輻照處理+2%NaOH溶液，50℃，固液比1∶10處理2 h。Note：A: Untreated. B: Irradiation at 400 kGy. C: Soaked with 2% NaOH (solid-liquid ratio=1∶10) in 50℃ for 2 hours. D: Irradiation at 400 kGy and soaked with 2% NaOH (solid-liquid ratio=1∶10) in 50℃ for 2 hours.圖2 不同處理?xiàng)l件下稻草掃描電鏡圖譜Fig.2 Picture of rice straw by electron microscope with four different pretreatment

2.3.2 輻照處理及NaOH結(jié)合輻照處理對(duì)稻草分子結(jié)構(gòu)的影響 由圖3可知，試樣1和試樣2在898、1 162、1 380、1 735、1 653 cm-1處吸收峰強(qiáng)度均隨著輻照劑量的增大而減弱；而在1 513cm-1處吸收峰強(qiáng)度隨著輻照劑量變化的趨勢(shì)并不明顯。由試樣3和試樣4的紅外光譜圖可知，相對(duì)于僅進(jìn)行NaOH預(yù)處理，NaOH協(xié)同輻照預(yù)處理稻草樣品在898、1 162、 1 380 cm-1處吸收峰強(qiáng)度有所增強(qiáng)，在1 735、1 450 cm-1處吸收峰消失；在1 653 cm-1處吸收峰強(qiáng)度減弱。比較試樣2和4的紅外光譜圖發(fā)現(xiàn)，相對(duì)于僅進(jìn)行輻照預(yù)處理，NaoH協(xié)同輻照預(yù)處理稻草樣品在898、1 162、 1 380 cm-1處的吸收峰強(qiáng)度均有所增強(qiáng)；在1 513、1 735、1 450 cm-1處吸收峰均消失；在1 653 cm-1處吸收峰強(qiáng)度減弱。

注：1： 0 kGy；2： 400 kGy輻照處理；3： 2%NaOH溶液,50℃,固液比1∶10處理2 h；4： 400 kGy輻照處理+2%NaOH溶液,50℃,固液比1∶10處理2 h。Note：1: Untreated. 2: Irradiation at 400 kGy. 3: Soaked with 2%NaOH(Solid-liquid ratio=1∶10) in 50℃for 2 hours. 4: Irradiation at 400 kGy and soaked with 2%NaOH(Solid-liquid ratio=1:10) in 50℃for 2 hours.圖3 紅外掃描圖譜Fig.3 FT-IR spectra

2.4 NaOH結(jié)合輻照處理稻草條件的優(yōu)化

2.4.1 預(yù)處理?xiàng)l件的優(yōu)化 對(duì)稻草酶解葡萄糖得率影響較大的因素有NaOH溶液濃度(A)、浸泡時(shí)間(B)、浸泡溫度(C)以及固液比(D)。綜合文獻(xiàn)信息，在盡可能節(jié)省能源、試劑消耗和時(shí)間的基礎(chǔ)上，按常規(guī)方法確定正交因素水平(表3)。以稻草纖維素酶解轉(zhuǎn)化率為評(píng)價(jià)指標(biāo)，選擇400 kGy輻照后的稻草為試驗(yàn)材料，采用L9(34)正交試驗(yàn)確定稀堿協(xié)同處理的最佳處理?xiàng)l件。NaOH浸泡預(yù)處理?xiàng)l件優(yōu)化正交試驗(yàn)因素水平如表4所示，方差分析如表5所示。通過查詢F-分布表，F(xiàn)0.01(2,4)=18，F(xiàn)0.05(2,4)=6.94，表明稀堿處理時(shí)間(B)對(duì)稻草纖維素酶解轉(zhuǎn)化率具有極顯著影響，這是由于時(shí)間過短，解聚效果不理想，時(shí)間過長導(dǎo)致纖維素組分流失和成本浪費(fèi)；浸泡溫度(C)對(duì)纖維素酶解轉(zhuǎn)化率具有顯著影響，這是由于溫度過高，堿液溶脹纖維素的速率增加，易使纖維素發(fā)生解聚，導(dǎo)致纖維素?fù)p失，不利于后續(xù)酶解[17]。極差數(shù)據(jù)表明，各因素對(duì)稻草纖維素酶解轉(zhuǎn)化率的影響程度依次為浸泡時(shí)間(B)>浸泡溫度(C)>堿濃度(A)>固液比(D)，最佳稀堿協(xié)同預(yù)處理?xiàng)l件為B3C2A2D3，即采用2%NaOH溶液，固液比為1∶15，在50℃條件下處理4 h。

表3 NaOH浸泡預(yù)處理?xiàng)l件優(yōu)化正交試驗(yàn)因素水平表Table 3 Factors and levels of orthogonal experiments for NaOH pretreatment conditions optimization

表5 NaOH浸泡預(yù)處理?xiàng)l件優(yōu)化正交試驗(yàn)方差分析表Table 5 Variance analysis of orthogonal experiments for NaOH pretreatment conditions optimization

注：**和*分別表示在0.01和0.05水平下該因素有顯著影響。

Note: ** and * indicate that this factor has significant influence at 0.01 and 0.05 level, respectively.

2.4.2 工藝驗(yàn)證 根據(jù)2.4.1中正交試驗(yàn)結(jié)果篩選的最佳工藝參數(shù)B3C2A2D3進(jìn)行3次驗(yàn)證試驗(yàn)。稱取1 g經(jīng)400 kGy輻照后的稻草為試驗(yàn)材料，按1.3.2、1.3.3中的操作步驟及2.4.1中最佳預(yù)處理?xiàng)l件進(jìn)行輻照協(xié)同稀堿處理，然后利用HPLC測(cè)定葡萄糖含量，并折算成纖維素酶解轉(zhuǎn)化率。試驗(yàn)所得最終稻草酶解24 h后的纖維素酶解轉(zhuǎn)化率為78.54%±1.20%。結(jié)果表明，該工藝穩(wěn)定可行。

3 討論

研究發(fā)現(xiàn)稻草經(jīng)輻照預(yù)處理，其內(nèi)部致密的木質(zhì)纖維結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生破壞，大分子鏈斷裂，生成小分子可溶性物質(zhì)，且其結(jié)構(gòu)破壞程度隨著輻照劑量的增加而增強(qiáng)[18]。這與本研究中水洗損失量的變化結(jié)果類似。白獻(xiàn)曉等[19]研究表明，堿與熱處理結(jié)合有利于小麥秸稈中半纖維素和木質(zhì)素的降解，這是由于熱處理破壞小麥秸稈物理結(jié)構(gòu)的同時(shí)促進(jìn)了堿的溶解效果，使得木質(zhì)素、半纖維素與纖維素之間連接鍵斷裂。這與本試驗(yàn)結(jié)果在作用機(jī)制上相統(tǒng)一。本研究中，輻照處理能促進(jìn)NaOH溶液對(duì)稻草中部分半纖維素和木質(zhì)素的溶解，導(dǎo)致堿洗損失量隨著輻照劑量的增大而增加，但當(dāng)超過一定輻照劑量后，堿洗損失量增長不明顯。稻草經(jīng)輻照預(yù)處理后，其化學(xué)組分也隨著輻照劑量的變化而發(fā)生改變，特別是協(xié)同NaOH溶液浸泡處理后，其化學(xué)組分變化更為明顯。唐洪濤等[16]研究發(fā)現(xiàn)經(jīng) 200 kGy 輻照處理后小麥秸稈成分變化不明顯，半纖維素的變化幅度大于纖維素，但結(jié)合NaOH溶液浸泡處理后，纖維素相對(duì)含量增大，半纖維素、木質(zhì)素相對(duì)含量均有所降低。這與本研究試驗(yàn)結(jié)果一致。Bak等[20]研究發(fā)現(xiàn)高能輻照能有效破壞稻草秸稈纖維組織結(jié)構(gòu)，輻照與纖維素酶復(fù)合處理稻草秸稈能顯著提高稻草秸稈纖維的轉(zhuǎn)化率。這與本研究結(jié)果相同。本研究中，800 kGy輻照處理的稻草纖維素酶解轉(zhuǎn)化率較未輻照提高近100倍。這是由于稻草受破壞的程度隨著輻照劑量的增大而增強(qiáng)，增大了纖維素酶與底物的接觸面積，從而提高反應(yīng)速率和效率。沈志強(qiáng)等[21]以小麥秸稈為試驗(yàn)材料，研究γ輻照與NaOH溶液的協(xié)同效應(yīng)，發(fā)現(xiàn)輻照能促進(jìn)NaOH對(duì)木質(zhì)素和半纖維素的溶解效果，純化纖維素，進(jìn)一步增大纖維素酶與底物的接觸面積，從而提高了酶解轉(zhuǎn)化率。這與本研究結(jié)果一致。此外，本研究中，掃描電鏡試驗(yàn)結(jié)果對(duì)上述觀點(diǎn)進(jìn)行了論證，經(jīng)400 kGy輻照處理的稻草樣品，其表面由光滑、緊密有序變成有較多球狀或塊狀物質(zhì)附著于纖維表面，這可能是木質(zhì)素[22]，表明高能輻照能夠破壞稻草的表觀和內(nèi)部結(jié)構(gòu)。NaOH溶液浸泡后，稻草表面變得粗糙并產(chǎn)生明顯孔洞，這是由于NaOH溶液浸泡處理對(duì)稻草物質(zhì)結(jié)構(gòu)具有侵蝕作用，使得表面乙?；鶖嗔?。NaOH協(xié)同輻照處理后，稻草表面纖維出現(xiàn)的裂紋、裂片以及纖維素束發(fā)生分離而出現(xiàn)的層層剝離現(xiàn)象，證明NaOH溶液浸泡處理與輻照處理具有協(xié)同作用，對(duì)稻草內(nèi)部木質(zhì)纖維結(jié)構(gòu)的破壞性更徹底。這與前人[23-24]認(rèn)為堿作用下能溶解表層木質(zhì)素的結(jié)論相同。這是由于比表面積的增大，孔洞的增多均促進(jìn)了纖維素酶與纖維素的充分接觸，從而有利于酶解轉(zhuǎn)化率的提高。研究表明，898 cm-1是纖維素β-糖苷鍵特征峰[25]，經(jīng)400 kGy輻照預(yù)處理后的稻草樣品，該處特征峰強(qiáng)度減弱，這是由于輻照預(yù)處理能破壞稻草的木質(zhì)纖維結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致纖維素β-糖苷鍵的斷裂；經(jīng)NaOH預(yù)處理稻草樣品，其898 cm-1處峰強(qiáng)度增強(qiáng)，這是由于NaOH溶解了部分半纖維素和木質(zhì)素，使得濾渣中纖維素相對(duì)含量增多；經(jīng)NaOH結(jié)合輻照預(yù)處理的稻草樣品較單獨(dú)NaOH預(yù)處理的稻草樣品，其898 cm-1處峰強(qiáng)度更強(qiáng)，這是由于NaOH預(yù)處理與輻照預(yù)處理具有協(xié)同作用，濾渣中纖維素的相對(duì)含量進(jìn)一步增大，纖維素的酶解轉(zhuǎn)化率進(jìn)一步提高。研究發(fā)現(xiàn) 1 380 cm-1、1 420 cm-1均是纖維素的特征吸收峰[16,26-27]，其峰強(qiáng)度隨著預(yù)處理?xiàng)l件改變的變化規(guī)律同898 cm-1處吸收峰，這也進(jìn)一步證明了輻照結(jié)合NaOH溶液預(yù)處理具有協(xié)同作用。1 735 cm-1是半纖維素區(qū)別于其他組分的乙?；螩=O伸縮振動(dòng)特征峰[28-29]。本研究中，單一輻照處理使得1 735 cm-1處吸收峰變?nèi)酰@是由于輻照對(duì)稻草內(nèi)部半纖維素結(jié)構(gòu)具有破壞作用；單獨(dú)NaOH溶液處理后，1 735 cm-1處吸收峰消失，這是由于在堿溶液具有脫乙酰基作用。1 653 cm-1來自于半纖維素吸附水的彎曲振動(dòng)[30]，輻照預(yù)處理使半纖維素含量減少，當(dāng)進(jìn)一步結(jié)合NaOH溶液處理后，半纖維含量急劇下降，因此 1 653 cm-1峰的強(qiáng)度呈逐漸下降的趨勢(shì)。研究發(fā)現(xiàn) 1 513 cm-1峰是木質(zhì)素芳香環(huán)骨架振動(dòng)的特征峰[31]。本研究中，1 513 cm-1峰的強(qiáng)度在經(jīng)400 kGy輻照預(yù)處理后的變化并不明顯，但協(xié)同NaOH溶液處理后，峰強(qiáng)度明顯下降，這也進(jìn)一步證實(shí)堿對(duì)木質(zhì)素有一定去除能力。1 450 cm-1峰是木質(zhì)素中C-H彎曲振動(dòng)的特征峰[32]。本研究發(fā)現(xiàn)，NaOH溶液結(jié)合輻照預(yù)處理后，該峰幾乎消失。紅外光譜分析表明，輻照處理能破壞稻草內(nèi)部木質(zhì)纖維素結(jié)構(gòu)，輻照處理結(jié)合NaOH溶液浸泡后的稻草樣品，其濾渣中的半纖維素、木質(zhì)素含量均有所降低，而纖維素含量有所提升，為后續(xù)稻草纖維素酶解轉(zhuǎn)化提供了有利的條件。魯杰等[33]研究發(fā)現(xiàn)NaOH預(yù)處理是有效植物纖維素原料預(yù)處理方法，經(jīng)NaOH預(yù)處理后更易于酶解。遲聰聰?shù)萚34]研究堿預(yù)處理對(duì)玉米秸稈酶解效果的影響，發(fā)現(xiàn)優(yōu)化所得的堿處理最佳條件為15%NaOH溶液，70℃處理6 h，酶解總糖得率約35%。相對(duì)于僅進(jìn)行堿預(yù)處理，協(xié)同預(yù)處理極大降低了堿處理時(shí)間、濃度和溫度，不僅節(jié)約成本，保護(hù)環(huán)境，且較大提升了酶解轉(zhuǎn)化率。本研究優(yōu)化確立的最佳稀堿協(xié)同預(yù)處理?xiàng)l件下，酶解時(shí)間僅24 h，纖維素酶解轉(zhuǎn)化率達(dá)到78.54%±1.20%，極大地節(jié)省了輻照預(yù)處理時(shí)間和成本。

4 結(jié)論

本研究結(jié)果表明，60Co-γ射線輻照對(duì)稻草內(nèi)部的木質(zhì)纖維結(jié)構(gòu)具有較強(qiáng)的破壞作用，能促進(jìn)堿預(yù)處理作用的發(fā)揮，溶解去除大量的半纖維素和木質(zhì)素，使得纖維素酶與底物接觸更充分，從而提高纖維素酶解糖化效率。輻照預(yù)處理與堿處理具有較好的協(xié)同效應(yīng)。本研究采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)對(duì)協(xié)同預(yù)處理?xiàng)l件進(jìn)行優(yōu)化，最適條件下，酶解時(shí)間僅24 h，稻草纖維素酶解轉(zhuǎn)化率達(dá)到78.54%±1.20%，極大縮短了預(yù)處理時(shí)間和成本，為生物質(zhì)資源能源化利用提供了理論依據(jù)和技術(shù)支撐。