液氨預(yù)處理對農(nóng)作物秸稈化學(xué)結(jié)構(gòu)及酶解效果的影響

趙相君，李 琮，彭何歡，趙 超，馬中青

（浙江農(nóng)林大學(xué) 工程學(xué)院 浙江省竹資源與高效利用協(xié)同創(chuàng)新中心，浙江 杭州 311300）

液氨預(yù)處理法 (liquid ammonia treatment，LAT)在氨纖維爆破預(yù)處理法 (ammonia fiber explosion,AFEX)的基礎(chǔ)上改進(jìn)得來，通過提高反應(yīng)溫度、去除爆破工藝，將氨由快速釋放轉(zhuǎn)化為慢速釋放，從而降低預(yù)處理工藝操作難度，具有非常廣闊的發(fā)展前景[1]。趙相君等[2]研究了液氨預(yù)處理法和雙氧水預(yù)處理法對稻草(水稻Oryza sativa)酶解轉(zhuǎn)化率的影響，發(fā)現(xiàn)雙氧水預(yù)處理后的葡聚糖和木聚糖的酶解轉(zhuǎn)化率僅為61.6%和47.8%，顯著低于液氨預(yù)處理法(88.6%和79.3%)。OLADI等[3]和ZHAO等[4]利用響應(yīng)面法對液氨預(yù)處理工藝(溫度、氨添加量、反應(yīng)時間等)進(jìn)行了優(yōu)化，當(dāng)反應(yīng)溫度為170 ℃、氨與原材料質(zhì)量比為5∶1、載水與原材料質(zhì)量比為0.8～1.6∶1.0、反應(yīng)時間為10 min時，蘆竹Arundo donax葡聚糖和木聚糖的酶解轉(zhuǎn)化率最高，達(dá)到了94.2%和84.4%，總糖回收率高達(dá)530.9 g·kg?1。現(xiàn)有文獻(xiàn)主要集中于研究LAT預(yù)處理工藝對單種生物質(zhì)原料酶解率的影響[5?7]，而對多種生物質(zhì)經(jīng)預(yù)處理后化學(xué)結(jié)構(gòu)的變化規(guī)律(如微觀形貌結(jié)構(gòu)、表面化學(xué)官能團(tuán)、纖維素結(jié)晶度等)的研究還鮮有報道。中國是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)大國，農(nóng)業(yè)生物質(zhì)資源豐富[8]。小麥Triticum aestivum、高粱Sorghum bicolor和苜蓿Lotus corniculatus作為傳統(tǒng)且非常有潛力的農(nóng)作物，具有栽植面積廣，產(chǎn)量可觀的優(yōu)勢[9?11]。本研究以麥秸稈、苜蓿草、高粱秸稈及其混合物(質(zhì)量比為1∶1∶1)為原料，在不同溫度條件下開展LAT預(yù)處理試驗(yàn)，利用熱重分析儀(TGA)、傅里葉變化紅外光譜儀(FTIR)、X-射線衍射儀(XRD)、掃描電鏡(SEM)等對原料預(yù)處理前后的物理化學(xué)特性進(jìn)行表征分析，并利用高效液相色譜(HPLC)對4類原料中葡聚糖/木聚糖的酶解轉(zhuǎn)化率進(jìn)行對比，探究最理想的LAT預(yù)處理溫度及預(yù)處理前后材性的變化，為LAT預(yù)處理工藝設(shè)計提供理論依據(jù)，也為農(nóng)作物轉(zhuǎn)化為生物燃料建立基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 材料

麥秸稈取自浙江省杭州市臨安區(qū)清涼峰鎮(zhèn)，苜蓿草和高粱秸稈取材于甘肅省白銀市會寧縣，混合物由麥秸稈、苜蓿草、高粱秸稈按質(zhì)量比1∶1∶1混合而成。先將原料烘干至含水率低于15%，再粉碎成粒徑為50～100目的粉末。用水分分析儀(MA35，賽多利斯科學(xué)儀器有限公司)測試實(shí)際含水率，測試后用密封袋密封低溫(?20 ℃)保存。纖維素酶(NS50013)和β-葡萄糖苷酶(NS50010)由諾維信公司(中國)提供。

1.2 LAT 預(yù)處理

稱取各生物質(zhì)原料20 g，加去離子水，使固液質(zhì)量比達(dá)到70%，攪拌均勻并平衡10 min后轉(zhuǎn)移到高壓反應(yīng)釜(GCF-1 L20/350，大連自控設(shè)備廠)中，并對反應(yīng)釜抽真空。將液氨注入稱量小鋼瓶，使氨與原材料的質(zhì)量比為1∶1；加熱小鋼瓶至50 ℃，用以提升氨的壓力，再將氨注入反應(yīng)釜?？刂泼拷M樣品的反應(yīng)釜溫度在70、90、110、130、150和170 ℃下各反應(yīng)5 min，反應(yīng)結(jié)束后快速冷卻反應(yīng)釜并釋放氨氣。取出原料，40 ℃真空烘箱中干燥24 h后測量質(zhì)量和含水率，計算預(yù)處理后原料得率，再將處理后的原料放入?20 ℃的冰箱冷藏備用。

1.3 LAT預(yù)處理前后原料的物理化學(xué)特性分析

采用元素分析儀(Vario EL Ⅲ，德國 Elementary 公司) 測定預(yù)處理前后原料的元素組成；根據(jù)國家可再生能源實(shí)驗(yàn)室(NREL)標(biāo)準(zhǔn)中的LAP002方法[12]測定碳水化合物相對含量，根據(jù)LAP003方法[12]測定酸不溶性木質(zhì)素(Klason木質(zhì)素)相對含量；采用高效液相色譜(HPLC-1200，美國安捷倫科技有限公司)測定各種單糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)，并計算葡聚糖(纖維素)、木聚糖、阿拉伯聚糖等組分的相對含量；根據(jù)GB/T 2677.3?1993《造紙原料灰分的測定》標(biāo)準(zhǔn)測定原料灰分測定原料灰分。

采用熱重分析儀(TG209F1，德國耐馳儀器制造有限公司)分析預(yù)處理前后的原料的熱失重規(guī)律。稱取10 mg原料放入三氧化二鋁坩堝中，以20 ℃·min?1升溫速率升至600 ℃；載氣為高純氮?dú)?99.999%)，載氣流量為 40 mL·min?1，保護(hù)氣流量為 20 mL·min?1。采用傅里葉紅外光譜儀 (Nicolet 6700，美國尼高力儀器公司)分析預(yù)處理前后原料的表面官能團(tuán)。稱取1 mg樣品粉末與溴化鉀(質(zhì)量比1∶200)混合研磨均勻并壓片，在4 000～500 cm?1波長范圍內(nèi)掃描。采用冷場發(fā)射掃描電鏡(SEM，SU8010，日本日立公司)觀察預(yù)處理前后樣品微觀結(jié)構(gòu)。采用 X 射線衍射儀(XRD-6000，日本島津公司)分析預(yù)處理前后原料的結(jié)晶度進(jìn)行。稱取200 mg粉末樣品，壓片處理后放入樣品室，掃描范圍為5°～40°，步長為0.05°，掃描速度為5°·min?1。根據(jù)公式計算纖維素結(jié)晶度ICr=(I002?Iam)/I002×100%。其中，I002為結(jié)晶峰的衍射強(qiáng)度，Iam為無定形區(qū)域衍射強(qiáng)度。

1.4 酶水解實(shí)驗(yàn)

根據(jù)NREL標(biāo)準(zhǔn)中的LAP009[12]規(guī)程進(jìn)行酶水解實(shí)驗(yàn)。稱取150 mg葡聚糖當(dāng)量的原料，用pH 4.8的蒸餾水-檸檬酸鈉緩沖溶液溶解得到15 mL酶解液，加入抗生素(四環(huán)素和環(huán)己酰亞胺)防止菌落滋生。預(yù)混合1 h，添加纖維素酶和β-葡萄糖苷酶，放入搖床。酶解溫度為50 ℃，搖床轉(zhuǎn)速為150 r·min?1。

酶解24和72 h時取樣，酶解液搖勻后用移液槍量取1 mL樣品注入離心管，100 ℃下放置20 min，使酶蛋白變性完全失效，?20 ℃下冷卻 5 min， 15 000 r·min?1轉(zhuǎn)速下離心5 min， 經(jīng)0.22 μm聚醚砜膜過濾后注入HPLC分析瓶中，測定酶解液中的單糖相對含量。HPLC采用示差檢測器，色譜柱(HPX-87H Ion Exclusion Column，Bio-Rad 公司)條件：進(jìn)樣量為 15 μL，每個樣品運(yùn)行 20 min，柱溫為50 ℃，流動相為 0.005 mol·L?1稀硫酸，流速為 0.5 mL·min?1。

用實(shí)際獲得的單糖與原料中聚糖理論上可轉(zhuǎn)換的同類單糖之比表示酶解率。計算其中葡聚糖和木聚糖的酶解率d=g×15/m×c×k×1 000×100%。其中：g為HPLC測得的酶解液中葡萄糖或木糖的質(zhì)量濃度(g·L?1)；m為加入原料的干基質(zhì)量(g)；c為原料成分分析(酸解法)葡聚糖或木聚糖相對含量(%)；k為葡聚糖或木聚糖分別轉(zhuǎn)化為葡萄糖或木糖的系數(shù)，取0.90和0.88?？偺腔厥樟慷x為1 000 g干基材料經(jīng)LAT預(yù)處理72 h后酶解所釋放的葡聚糖和木聚糖總質(zhì)量之和。

2 結(jié)果與討論

2.1 LAT 預(yù)處理前后原料的物理化學(xué)特性

2.1.1 元素和化學(xué)組分分析 由表1可知：預(yù)處理前高粱秸稈中葡聚糖、木聚糖以及阿拉伯聚糖的總相對含量(58.88%)高于麥秸稈和苜蓿草，而Klason木質(zhì)素和灰分的總相對含量(17.20%)低于麥秸稈和苜蓿草，表明高粱秸稈中能有效轉(zhuǎn)化為乙醇的多糖組分更多，其水解制備乙醇的潛力更大。經(jīng)LAT預(yù)處理，3種原料的固體得率均出現(xiàn)少量下降；以高粱秸稈為例，葡聚糖、木聚糖以及阿拉伯聚糖相對含量分別從37.90%、17.63%和3.35%下降至33.72%、14.69%和3.28%，木質(zhì)素從13.53%下降至10.53%；分析原因可能是液氨預(yù)處理過程中產(chǎn)生的誘導(dǎo)效應(yīng)使木質(zhì)素中的α-醚鍵發(fā)生斷裂，引起木質(zhì)素大分子結(jié)構(gòu)部分?jǐn)嗔?，木質(zhì)素苯環(huán)上的甲基芳基醚鍵在氫氧根(OH?)作用下斷裂，發(fā)生脫甲基反應(yīng)，木質(zhì)素的親水性增強(qiáng)[13]，使得部分小分子組分從生物質(zhì)中脫落，溶解于預(yù)處理反應(yīng)溶液中；與此同時，多糖組分的水解轉(zhuǎn)化率得到提高[9]。如表2所示：預(yù)處理前，苜蓿草中碳和氫元素相對含量(43.79%和7.22%)及熱值(22.24 MJ·kg?1)最高，麥秸稈中氧元素相對含量(53.16%)最高；經(jīng)LAT預(yù)處理，3種原料中的碳元素相對含量都有所增加，而氫和氧相對含量下降，表明LAT預(yù)處理使得生物質(zhì)原料中少量含氧和氫的官能團(tuán)和聯(lián)接鍵出現(xiàn)斷裂和脫落，如羥基(—OH)、β—O—4芳基醚鍵，造成生物質(zhì)結(jié)構(gòu)疏松，有利于提高酶解率[14]。此外，預(yù)處理后原料中的氮元素相對含量增加，以苜蓿草為例，氮元素相對含量增加了1.2倍，表明在LAT預(yù)處理過程中，液氨中的氮元素與生物質(zhì)中的官能團(tuán)發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)，形成了少量的乙?；鵞15]。

2.1.2 熱重 (TGA)分析 用 20 ℃·min?1的升溫速率對原料做熱重分析，發(fā)現(xiàn) LAT 預(yù)處理前后原料的熱重(TG)曲線和微分熱重(DTG)曲線不同。經(jīng)LAT預(yù)處理的樣品，熱解后殘余質(zhì)量百分比增加，平均增幅為2%～3%(圖1A、圖1B和圖1C)。由DTG曲線(圖1D，圖1E和圖1F)可知：原料的熱解過程可分為脫水、快速熱解和炭化3個階段[16?17]。30～200 ℃為脫水階段，此時質(zhì)量損失來源于游離水和結(jié)合水的脫除，由于樣品已經(jīng)經(jīng)過烘干處理，因此原料失重率非常低[18?19]。當(dāng)溫度升至200～400 ℃時，生物質(zhì)中的纖維素和半纖維素發(fā)生快速熱解失重，預(yù)處理導(dǎo)致原料在此階段的最大失重峰處的失重率下降；麥秸稈從 13.02%·min?1下降至 12.16%·min?1，高粱秸稈從 13.57%·min?1下降至 12.72%·min?1，苜蓿草從14.37%·min?1下降至13.62%·min?1。結(jié)合表1可知：LAT預(yù)處理造成生物質(zhì)中的葡聚糖、木聚糖和阿拉伯糖相對含量下降，使得此階段可降解物質(zhì)相對含量下降，是本階段失重率下降的原因[20]。此外，由圖1E可知：高粱秸稈原料熱解時存在1個熱解失重肩峰，主要是由半纖維素?zé)峤到猱a(chǎn)生的；但LAT預(yù)處理后的高粱秸稈此肩峰消失，表明部分半纖維素(木聚糖和阿拉伯糖)已經(jīng)在LAT預(yù)處理過程中移出，半纖維素的分解使得木質(zhì)素-碳水化合物復(fù)合體(LCC)被破壞，提高了樣品酶解可及度。400～800 ℃為炭化階段，此階段主要由木質(zhì)素?zé)峤到庠斐?，木質(zhì)素經(jīng)過慢速熱解后逐步轉(zhuǎn)化為生物質(zhì)炭[21]。

表 1 LAT 預(yù)處理前后原料的化學(xué)組分分析Table 1 Content of chemical components in biomass before and after LAT

表 2 LAT 預(yù)處理前后原料的元素分析Table 2 Ultimate analysis of biomass before and after LAT

圖 1 麥秸稈、高粱秸稈和苜蓿草在LAT預(yù)處理前后的熱重和微分熱重曲線Figure 1 TG and DTG curves of wheat straw, sorghum straw and alfalfa before and after LAT

2.1.3 傅里葉變化紅外光譜(FTIR)分析 由圖2可知：LAT預(yù)處理前后樣品的部分特征官能團(tuán)的吸光度出現(xiàn)了輕微的變化。3 450 cm?1為羥基(—OH)的伸縮振動峰，主要來源于自由水以及纖維素、半纖維素和木質(zhì)素化學(xué)結(jié)構(gòu)上的羥基，經(jīng)過LAT預(yù)處理后的樣品在此處的吸光度強(qiáng)度出現(xiàn)一定程度下降，表明生物質(zhì)中羥基含量下降，纖維素中的氫鍵被破壞，使得生物質(zhì)結(jié)構(gòu)更加疏松，與ZHAO等[8]的研究結(jié)論一致。1 631 cm?1處為碳—氮(C—N)伸縮振動吸收峰，經(jīng)過LAT預(yù)處理后的樣品在此處的吸光度強(qiáng)度出現(xiàn)一定程度增加，說明氨水與樣品中的3大組分(纖維素、半纖維素和木質(zhì)素)發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)，氮元素以酰胺的形式存在于樣品中，與元素分析結(jié)果一致。1 595 cm?1處為苯環(huán)上碳=碳(C=C)鍵振動吸收峰，是木質(zhì)素中苯丙烷基本結(jié)構(gòu)單元的特征吸收峰，與原料譜圖對比，LAT預(yù)處理后峰強(qiáng)度減弱，且有分峰出現(xiàn)，說明預(yù)處理使木質(zhì)素結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，部分木質(zhì)素溶解于液氨并脫除出生物質(zhì)，使得生物質(zhì)化學(xué)結(jié)構(gòu)緊密程度降低，從而降低酶解頑抗性。3種原料吸收峰從大到小依次為苜蓿草、麥秸稈、高粱秸稈，側(cè)面證明木質(zhì)素相對含量大小依次為苜蓿草、麥秸稈、高粱秸稈。1 268 cm?1處吸收峰來自于纖維素和半纖維素的碳—氧(C—O )伸縮振動，對比發(fā)現(xiàn)，LAT預(yù)處理后該峰略微增強(qiáng)，歸因于木質(zhì)素和半纖維素聯(lián)結(jié)生成LCC復(fù)合體，存在大量醚鍵，在堿性條件下，醚鍵斷裂，LCC復(fù)合體破壞生成苯丙烷結(jié)構(gòu)單元和多糖類物質(zhì)[15，22?23]。

圖 2 LAT 預(yù)處理前后樣品的紅外光譜圖Figure 2 FTIR analysis of samples before and after LAT

2.1.4 掃描電鏡(SEM)分析 由圖3可知：LAT預(yù)處理前后樣品的微觀形貌存在差異。未處理的麥秸稈纖維形狀規(guī)則，排列整齊，纖維表面存在著規(guī)則排列的硅質(zhì)細(xì)胞(圖3A)，預(yù)處理后纖維排列疏松膨脹，孔隙度增加(圖3D)，有利于進(jìn)一步酶解反應(yīng)。經(jīng)過LAT預(yù)處理的高粱秸稈纖維表面暴露程度增加(圖3B和圖3E)，苜蓿草表面結(jié)構(gòu)發(fā)生扭曲和破壞，纖維暴露并出現(xiàn)裂紋和氣孔，表面粗糙度變大，多孔性增加(圖3C和圖3F)。由此認(rèn)為：LAT預(yù)處理能有效提高樣品的比表面積，在壓力作用下，氨水滲透進(jìn)細(xì)胞腔和胞間層，引起纖維素的溶脹和結(jié)晶體的相變，LCC復(fù)合體被破壞，生成大量活性基團(tuán)[24]。

2.1.5 X-射線衍射(XRD)衍射分析 生物質(zhì)的纖維素上存在結(jié)晶區(qū)和非結(jié)晶區(qū)，結(jié)晶度是用來表征纖維素結(jié)晶區(qū)含量的重要指標(biāo)。結(jié)晶區(qū)域，纖維素鏈間以氫鍵緊密結(jié)合，纖維素大分子長鏈緊密排列，化學(xué)結(jié)構(gòu)相對致密；非結(jié)晶區(qū)域，纖維素鏈隨機(jī)排列、結(jié)構(gòu)疏松，較有利于纖維素酶在其表面的鍵結(jié)。因此，纖維素的結(jié)晶度能夠顯著影響木質(zhì)纖維素的酶解率。由圖4可知：3種原料XRD譜圖中主要存在2個峰，分別為16°和22°處纖維素的非結(jié)晶區(qū)和結(jié)晶區(qū)衍射峰；經(jīng)過LAT預(yù)處理后纖維素結(jié)晶度下降，表明LAT預(yù)處理能破壞纖維素結(jié)晶區(qū)，氫鍵發(fā)生斷裂，導(dǎo)致部分結(jié)晶區(qū)轉(zhuǎn)化為無定形區(qū)，使得酶在纖維素化學(xué)結(jié)構(gòu)上的可及度增加，從而提升酶解轉(zhuǎn)化率[5]。

2.2 LAT 預(yù)處理對麥秸稈酶解效果的影響

如圖5所示：隨著LAT預(yù)處理溫度升高，葡聚糖的酶解轉(zhuǎn)化率呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢，90 ℃時達(dá)到最大。在90 ℃下酶解24 h，葡聚糖酶解率為79.98%，是未經(jīng)預(yù)處理原料的葡聚糖轉(zhuǎn)化率(30.74%)的1.60倍；酶解至72 h時，進(jìn)一步增至89.98%，達(dá)到最大值。木聚糖的酶解轉(zhuǎn)化率也在90 ℃、72 h時達(dá)最高(79.03%)，是未經(jīng)處理原料的木聚糖轉(zhuǎn)化率(14.87%)的4.34倍。認(rèn)為90 ℃、酶解72 h為LAT預(yù)處理的最優(yōu)條件。研究發(fā)現(xiàn)：HP預(yù)處理的最佳工藝條件下，麥秸稈總糖回收率為368.9 g；而利用優(yōu)化條件下的LAT預(yù)處理，干基麥秸稈可轉(zhuǎn)化單糖569.7 g·kg?1，是未經(jīng)預(yù)處理原料產(chǎn)糖量(195.0 g)的2.92倍，是雙氧水預(yù)處理的1.50倍，說明LAT預(yù)處理對麥秸稈酶解非常有效[11]。

圖 3 LAT 預(yù)處理前后 3 種原料的表觀形貌Figure 3 Micrograph of samples before and after LAT pretreatment

圖 4 LAT 預(yù)處理前后 3 種原料的 XRD 譜圖Figure 4 XRD analysis of samples before and after LAT

2.3 LAT 預(yù)處理對苜蓿草酶解效果的影響

如圖6所示：隨著LAT預(yù)處理溫度升高，苜蓿草葡聚糖的酶解轉(zhuǎn)化率呈現(xiàn)先增加后減小趨勢，110℃時達(dá)到最大值。在110 ℃下酶解24 h，葡聚糖酶解率為62.07%，比未經(jīng)預(yù)處理原料的葡聚糖轉(zhuǎn)化率(45.67%)提高了36.00%。繼續(xù)酶解至72 h，葡聚糖酶解率最高可達(dá)到68.95%。木聚糖酶解轉(zhuǎn)化率與葡聚糖大致相同，110 ℃下酶解72 h時，轉(zhuǎn)化率達(dá)到最高值(68.22%)，是未經(jīng)處理原料的木聚糖轉(zhuǎn)化率(11.96%)的4.70倍。110℃預(yù)處理后酶解72 h后，葡萄糖和木糖轉(zhuǎn)化的單糖得率分別為244.0和102.6 g·kg?1，單糖總產(chǎn)量為 316.3 g·kg?1。相比之下，低于麥秸稈的單糖產(chǎn)量 (569.7 g·kg?1)，推測原因是苜蓿草木質(zhì)素相對含量較高，阻礙酶對纖維素和半纖維素的可及性，并與水解酶結(jié)合，導(dǎo)致酶水解速度降低，影響了酶解效果[8]。

2.4 LAT 預(yù)處理對高粱秸稈酶解效果的影響

如圖7所示：隨著LAT預(yù)處理溫度升高，高粱秸稈中葡聚糖酶解轉(zhuǎn)化率呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢，110 ℃時轉(zhuǎn)化率達(dá)到最大值。110 ℃下酶解24 h，葡聚糖酶解率為65.26%，比未經(jīng)預(yù)處理原料(51.03%)增加了14.23%。繼續(xù)酶解至72 h時，葡聚糖酶解率達(dá)到最大值(82.12%)。木聚糖酶解轉(zhuǎn)化率與葡聚糖大致相同，但相同溫度下大于葡聚糖。110 ℃酶解24 h，木聚糖轉(zhuǎn)化為率為78.58%，比未處理樣品(47.00%)提高了31.58%，酶解72 h時達(dá)到最大(91.21%)。預(yù)處理促進(jìn)了原料中葡聚糖和木聚糖的酶解效果，高粱秸稈(干基)在110 ℃下酶解72 h，總糖回收量為559.5 g·kg?1，高于未處理原料(329.7 g·kg?1)，說明液氨預(yù)處理提高了高粱秸稈單糖產(chǎn)量，LAT預(yù)處理有效。

圖 5 LAT 預(yù)處理溫度對麥秸稈中葡聚糖/木聚糖酶解轉(zhuǎn)化率的影響Figure 5 Effect of temperatureof LAT on the glucan and xylan conversion of wheat straw

圖 6 LAT 預(yù)處理溫度對苜蓿草中葡聚糖/木聚糖酶解轉(zhuǎn)化率的影響Figure 6 Effect of temperature of LAT on the glucan and xylan conversion of alfalfa

2.5 LAT預(yù)處理對多種農(nóng)作物秸稈混合物酶解效果的影響

麥秸稈、苜蓿草、高粱秸稈按質(zhì)量比1∶1∶1混合，混合物葡聚糖和木聚糖的酶解轉(zhuǎn)化率隨LAT預(yù)處理溫度升高呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(圖8)，在90 ℃時達(dá)到最大值；當(dāng)溫度由90℃升至170℃，混合物酶解轉(zhuǎn)化率差異不明顯。90℃下酶解24 h，混合物葡聚糖酶解率為70.19%，比未經(jīng)預(yù)處理樣品的葡聚糖酶解率(50.72%)提高了19.47%；繼續(xù)酶解至72 h，葡聚糖酶解率為84.90%，比未處理樣品提高了34.18%。木聚糖酶解轉(zhuǎn)化率與葡聚糖大致相同，在90℃下酶解24 h，混合物木聚糖轉(zhuǎn)化為率70.68%，比未經(jīng)預(yù)處理樣品的木聚糖轉(zhuǎn)化率(30.39%)提高了40.29%，繼續(xù)酶解至72 h，木聚糖轉(zhuǎn)化率為81.02%，比未處理樣品提高了50.63%。

圖 7 LAT 預(yù)處理溫度對高粱秸稈中葡聚糖/木聚糖酶解轉(zhuǎn)化率的影響Figure 7 Effect of temperature of LAT on the glucan and xylan conversion of sorghum straw

圖 8 LAT 預(yù)處理溫度對混合物中葡聚糖/木聚糖酶解轉(zhuǎn)化率的影響Figure 8 Effect of temperature of LAT on the glucan and xylan conversion of mixture

3 結(jié)論

采用LAT法對麥秸稈、苜蓿草、高粱秸稈以及三者混合物(質(zhì)量比1∶1∶1)進(jìn)行預(yù)處理，研究預(yù)處理溫度與葡聚糖和木聚糖酶解轉(zhuǎn)化率的關(guān)系，得到結(jié)論如下：①LAT預(yù)處理對生物質(zhì)原料的化學(xué)結(jié)構(gòu)影響顯著。LAT預(yù)處理后，原料化學(xué)組分中葡聚糖、木聚糖和阿拉伯糖的相對含量下降；元素組分中的氧和氫相對含量下降，碳和氮相對含量上升；結(jié)晶度小幅下降，生物質(zhì)表面孔隙結(jié)構(gòu)增強(qiáng)，使得酶在生物質(zhì)化學(xué)結(jié)構(gòu)上的可及度增加。②麥秸稈和混合物中葡聚糖和木聚糖的酶解率在LAT預(yù)處理溫度為90 ℃時達(dá)到最大值，苜蓿草和高粱秸稈在110 ℃時達(dá)到最大值。隨著酶解時間延長，4種原料葡聚糖和木聚糖的酶解率均增加；葡聚糖的最大酶解率從大到小依次為麥秸稈、混合物、高粱秸稈、苜蓿草，木聚糖的最大酶解率從大到小依次為高粱秸稈、麥秸稈、混合物、苜蓿草。