氫氧化鈉和堿性雙氧水預(yù)處理對水稻秸稈酶解效果的影響

陳思哲，劉國華*，李 波，齊 魯，王洪臣

1. 中國人民大學(xué)環(huán)境學(xué)院低碳水環(huán)境技術(shù)研究中心，北京 100872

2. 申能環(huán)境科技有限公司，江蘇 杭州 311100

隨著我國經(jīng)濟(jì)社會快速發(fā)展，以化石燃料為主的能源消費(fèi)不斷增加，對環(huán)境造成了極大的破壞. 近年來，生物質(zhì)燃料受到學(xué)者的廣泛關(guān)注. 在生物燃料研究領(lǐng)域中，發(fā)展較快且技術(shù)較為成熟的是谷物基乙醇的研究，谷物基乙醇的制備原料主要是甘蔗、玉米和大豆等一些傳統(tǒng)農(nóng)作物，具有一定的市場前景[1]. 然而，玉米、大豆等是我國重要的糧食作物，對維持我國社會的穩(wěn)定發(fā)展尤為重要，大量使用甘蔗、玉米等糧食作物制造生物燃料，會造成我國糧食短缺的風(fēng)險(xiǎn). 水稻秸稈是我國的主要農(nóng)業(yè)廢棄物，每年種植產(chǎn)生的水稻秸稈約為2×108t[2]，其中僅有少部分得到合理利用，廢棄的水稻秸稈不僅浪費(fèi)資源，也對環(huán)境造成污染[3-4]. 利用水稻秸稈作為原料制備生物燃料，可以實(shí)現(xiàn)資源的再生利用，同時(shí)降低對化石能源的依賴，減少環(huán)境污染問題.

水稻秸稈的主要成分為纖維素(占35%~50%)、半纖維素(占20%~35%)和木質(zhì)素(占15%~20%)[5]，可以通過酶解處理使水稻秸稈降解產(chǎn)生可發(fā)酵性糖，用于制備生物燃料. 雖然水稻秸稈纖維素含量豐富，但是水稻秸稈作為木質(zhì)纖維素原料，其纖維素成分與木質(zhì)素、半纖維素成分緊密結(jié)合，使得酶分子難以與纖維素分子接觸，阻礙了纖維素的酶解反應(yīng). 此外，纖維素本身結(jié)構(gòu)具有許多高度結(jié)晶形態(tài)，對纖維素酶的催化水解反應(yīng)速率影響較大，降低了纖維素的利用效率. 因此，為了充分使纖維素原料糖化，需要使用預(yù)處理方法破壞木質(zhì)纖維素原料中木質(zhì)素與半纖維素的結(jié)構(gòu)，同時(shí)將纖維素的結(jié)晶形態(tài)轉(zhuǎn)化為無定形態(tài)，使得其更容易被酶或微生物降解[6]. 目前常用的預(yù)處理方法有超聲波與微波處理[7-8]、酸處理[9-11]、堿處理[12-13]、有機(jī)溶劑處理[14]、蒸汽爆破處理[15-17]、光催化處理[18]和生物處理[19-20]等，其中堿預(yù)處理工藝相對簡單，反應(yīng)條件較為溫和，可以通過皂化反應(yīng)破壞木質(zhì)纖維素原料中纖維素與木質(zhì)素、半纖維素緊密結(jié)合結(jié)構(gòu)，同時(shí)使纖維素發(fā)生潤脹作用，增加纖維素原料的比表面積，降低纖維素成分結(jié)晶度，促進(jìn)酶解反應(yīng). 如Li等[21]研究了微波輔助氫氧化鈉預(yù)處理水稻秸稈的特性，發(fā)現(xiàn)氫氧化鈉能夠顯著降解水稻秸稈中的木質(zhì)素成分，在微波功率為800 W下，用1%的氫氧化鈉預(yù)處理1 h后，水稻秸稈糖化率達(dá)到86%；Tri等[22]研究了氫氧化鈉預(yù)處理對利用竹葉生產(chǎn)生物乙醇的促進(jìn)作用，結(jié)果表明，使用7%的氫氧化鈉預(yù)處理竹葉樣品后，竹葉的糖化率從41.0%提至89.5%，且1.0%氫氧化鈉預(yù)處理的竹葉樣品乙醇生產(chǎn)效率最高，轉(zhuǎn)化率為38.1%；Correia等[23]在研究腰果渣用于生物乙醇生產(chǎn)的過程中發(fā)現(xiàn)，氫氧化鈉和雙氧水搭配使用，可以利用氫氧化鈉活化雙氧水的特性，提高雙氧水氧化纖維素原料中的半纖維素與木質(zhì)素效果，且在35 ℃的條件下，使用4.3%的過氧化氫預(yù)處理6 h后糖化效果最好，總糖回收率約為89%；Alvarez-Vasco等[24]以軟木為原料，研究了堿性雙氧水預(yù)處理的機(jī)理，發(fā)現(xiàn)堿性雙氧水預(yù)處理能夠去除軟木原料中的大量木質(zhì)素和葡甘露聚糖，同時(shí)幾乎沒有降解原料中的纖維素成分.

該研究對水稻秸稈分別進(jìn)行氫氧化鈉預(yù)處理與堿性雙氧水預(yù)處理，以預(yù)處理后的水稻秸稈酶解上清液中還原糖含量作為評價(jià)指標(biāo)，對氫氧化鈉預(yù)處理工藝與堿性雙氧水預(yù)處理工藝進(jìn)行優(yōu)化，通過掃描電鏡、傅里葉紅外光譜和X射線衍射分析方法，解析水稻秸稈預(yù)處理后的結(jié)構(gòu)變化對酶解糖化效率的影響，旨在初步揭示氫氧化鈉和堿性雙氧水對水稻秸稈的預(yù)處理機(jī)制，為水稻秸稈的資源化利用提供理論依據(jù).

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)原料

該試驗(yàn)所用原料為水稻秸稈，將原料置于70 ℃烘箱中烘干24 h后粉碎，過40目(0.425 mm)篩，干燥貯存?zhèn)溆? 使用的纖維素酶采購自和氏璧生物科技有限公司，最佳使用溫度為50 ℃，pH為4.8，酶活力為104U/g.

1.2 試驗(yàn)方法

堿性雙氧水預(yù)處理. 稱取5 g水稻秸稈，添加到裝有100 mL濃度分別為0.5%、0.75%、1%、1.25%、1.5%和1.75%氫氧化鈉和濃度為1%雙氧水的三角瓶中，在40 ℃的條件下，水浴處理5 h，處理后使用蒸餾水清洗水稻秸稈粉末至中性，烘干后取1 g烘干物進(jìn)行酶解，酶解體系為100 mL，使用濃度為5 mol/L的檸檬酸緩沖液調(diào)節(jié)溶液pH為4.8，每g秸稈粉末中加入酶0.2 g，于50 ℃的氣浴振蕩箱(120 r/min)中酶解72 h后，測定上清液中的還原糖含量，采用One-way ANOVA分析(顯著水平為0.05)，確定最佳氫氧化鈉濃度. 在最佳氫氧化鈉濃度下，配置溶液中雙氧水濃度分別為0.5%、1%、1.5%、2%、2.5%和3%，在40 ℃的條件下，水浴處理5 h，在相同條件下對處理后的水稻秸稈進(jìn)行酶解，測定上清液中的還原糖含量，確定最佳雙氧水濃度. 在最佳氫氧化鈉和雙氧水濃度下，處理溫度不變，分別以1、3、5、7、9、11 h處理水稻秸稈，在相同條件下對處理后的水稻秸稈進(jìn)行酶解，測定上清液鐘的還原糖含量，確定最佳處理時(shí)間. 氫氧化鈉和雙氧水濃度不變，在最佳處理時(shí)間下，分別在20、30、40、50、60和70 ℃的條件下處理水稻秸稈，在相同條件下對處理后的水稻秸稈進(jìn)行酶解，測定上清液中的還原糖含量，確定最佳處理溫度，以上每個(gè)處理重復(fù)3次.

1.3 測定方法

該試驗(yàn)使用二硝基水楊酸法測定還原糖含量[25].首先進(jìn)行葡萄糖標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制，使用紫外分光光度計(jì)測定標(biāo)準(zhǔn)葡萄糖溶液在波長為540 nm下的吸光度.以葡萄糖濃度(mg/mL)為橫坐標(biāo)，吸光度(ABS)為縱坐標(biāo)繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線，得到線性回歸方程y=0.293 2x+0.039 8(R2=0.990 9)，將紫外分光光度計(jì)測得的吸光度代入葡萄糖標(biāo)準(zhǔn)曲線，得到還原糖含量.

1.4 掃描電鏡分析

取未預(yù)處理的水稻秸稈與分別經(jīng)過氫氧化鈉處理和堿性雙氧水處理后的水稻秸稈樣品分別烘干粉碎后，使用日立SU8020掃描電子顯微鏡(日本)進(jìn)行掃描拍照，觀察分析水稻秸稈在預(yù)處理前后的微觀結(jié)構(gòu)形態(tài)變化.

1.5 紅外光譜分析

取未預(yù)處理的水稻秸稈與分別經(jīng)過氫氧化鈉處理和堿性雙氧水處理后的水稻秸稈樣品烘干粉碎，與KBr混合研磨壓片后，采用美國尼高力公司iS10 FTIR spectrometer傅里葉紅外光譜儀對水稻秸稈樣品進(jìn)行掃描分析，掃描波數(shù)范圍為400~4 000 cm?1，繪制紅外譜圖.

1.6 X射線衍射光譜分析

取未預(yù)處理的水稻秸稈與分別經(jīng)過氫氧化鈉處理和堿性雙氧水處理后的水稻秸稈樣品分別烘干粉碎，采用德國布魯克公司D8 ADVANCE X射線衍射儀對樣品進(jìn)行分析，Cu靶，工作電壓為40 kV，工作電流為40 mA，掃描角度范圍為5°~60°，掃描速率為4 °/min. 根據(jù)衍射圖譜強(qiáng)度，采用Segal法計(jì)算相對結(jié)晶度，其計(jì)算公式為

式中，CrI為相對結(jié)晶度，I002為晶格衍射角的極大強(qiáng)度，Iam為2θ=18°時(shí)非結(jié)晶背景衍射的散射強(qiáng)度.

2 結(jié)果與討論

2.1 氫氧化鈉預(yù)處理對水稻秸稈酶解效果的影響

2.1.1 氫氧化鈉濃度的影響

CEFTIN片用于治療由化膿性鏈球菌敏感菌株引起的成人和兒童（13歲及以上）患者的輕‐中度咽炎或扁桃體炎。

如圖1所示，氫氧化鈉濃度在一定范圍(0.5%~1.25%)內(nèi)與水稻秸稈酶解效率成正比，氫氧化鈉溶液中的OH?同半纖維素與木質(zhì)素之間的酯鍵發(fā)生皂化反應(yīng)，溶解水稻秸稈中的木質(zhì)素，提高酶水解效果，酶解上清液中的還原糖含量由132.70 mg/g增至431.70 mg/g. 氫氧化鈉濃度增至1.25%后，繼續(xù)增加氫氧化鈉濃度，水稻秸稈酶解效率顯著下降(P<0.05)，濃度較高的氫氧化鈉溶液會與水稻秸稈原料反應(yīng)產(chǎn)生糠醛和酮類物質(zhì)等副產(chǎn)物[26]，對水稻秸稈的酶解過程起抑制作用，使得預(yù)處理后的水稻秸稈酶解后還原糖含量降低. 綜上，濃度為1.25%的氫氧化鈉處理水稻秸稈最適宜.

圖1 不同氫氧化鈉濃度下氫氧化鈉預(yù)處理水稻秸稈酶解后還原糖含量的變化Fig.1 Changes of the reducing sugar content from rice straw pretreated by different concentrations of sodium hydroxide

2.1.2 氫氧化鈉預(yù)處理時(shí)間的影響

如圖2所示，在最佳氫氧化鈉濃度下，隨預(yù)處理時(shí)間從1 h延至3 h，處理后的水稻秸稈酶解產(chǎn)生的還原糖含量從380.08 mg/g提至431.47 mg/g，酶解效率得到顯著提升(P<0.05). 預(yù)處理時(shí)間達(dá)到3 h后，繼續(xù)增加預(yù)處理時(shí)間，對水稻秸稈酶解效率的影響差異不顯著(P>0.05)，在濃度和溫度固定的條件下，預(yù)處理時(shí)間的增加并不能顯著提高木質(zhì)素和半纖維素的降解率[27]，考慮能耗與處理效果，選擇3 h為氫氧化鈉預(yù)處理水稻秸稈的最佳預(yù)處理時(shí)間.

圖2 不同處理時(shí)間下氫氧化鈉預(yù)處理水稻秸稈酶解后還原糖含量的變化Fig.2 Changes of the reducing sugar content from rice straw pretreated by sodium hydroxide under different reaction time condition

2.1.3 氫氧化鈉預(yù)處理溫度的影響

選用濃度為1.25%的氫氧化鈉溶液，預(yù)處理3 h，考察預(yù)處理溫度對水稻秸稈酶解糖化的影響. 如圖3所示，在40~80 ℃的溫度范圍內(nèi)，隨著預(yù)處理溫度的升高，水稻秸稈酶解效率有了顯著的提高(P<0.05)，在80 ℃時(shí)，預(yù)處理水稻秸稈酶解后得到還原糖含量達(dá)到480.81 mg/g，酶解產(chǎn)糖率較未預(yù)處理水稻秸稈(132.70 mg/g)提高了262.3%. 當(dāng)預(yù)處理溫度超過80 ℃時(shí)，氫氧化鈉會繼續(xù)降解纖維素與半纖維素為非糖物質(zhì)，影響了水稻秸稈中纖維素的利用率，預(yù)處理溫度為80～90 ℃，對水稻秸稈酶解糖化效果影響不顯著.因此，選擇80 ℃為最佳預(yù)處理溫度.

圖3 不同處理溫度下氫氧化鈉預(yù)處理水稻秸稈酶解后還原糖含量的變化Fig.3 Changes of the reducing sugar content from rice straw pretreated by sodium hydroxide under different reaction temperature condition

2.2 堿性雙氧水預(yù)處理對水稻秸稈酶解效率的影響

2.2.1 堿性雙氧水中氫氧化鈉濃度的優(yōu)化

如圖4所示，堿性雙氧水預(yù)處理后，水稻秸稈酶解還原糖含量顯著提升，隨著氫氧化鈉濃度的增加，水稻秸稈外側(cè)的木質(zhì)素和半纖維素會被進(jìn)一步降解，處于內(nèi)側(cè)的纖維素大部分被保留并潤脹，有利于進(jìn)行酶解過程[28]. 堿性雙氧水中氫氧化鈉濃度為0.5%時(shí)，在40 ℃下，水浴處理5 h后，水稻秸稈酶解糖化產(chǎn)生的還原糖含量從未預(yù)處理的132.70 mg/g提高至464.89 mg/g，是未預(yù)處理水稻秸稈直接酶解產(chǎn)生還原糖含量的3.5倍. 當(dāng)氫氧化鈉濃度增至1.5%，水稻秸稈酶解還原糖含量達(dá)到最大值，為553.12 mg/g，繼續(xù)增加堿性雙氧水中氫氧化鈉的濃度，水稻秸稈酶解率呈下降趨勢，過高的氫氧化鈉濃度會破壞內(nèi)側(cè)纖維素結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致有效成分流失過多. 因此，應(yīng)使用濃度為1.5%的氫氧化鈉制備堿性雙氧水預(yù)處理水稻秸稈效果最佳.

圖4 不同氫氧化鈉濃度下堿性雙氧水預(yù)處理水稻秸稈酶解后還原糖含量的變化Fig.4 Changes of the reducing sugar content from rice straw pretreated by alkaline hydrogen peroxide with different concentrations of sodium hydroxide

2.2.2 堿性雙氧水中雙氧水濃度的優(yōu)化

由圖5可知，在濃度為1.5%的氫氧化鈉和一定范圍的雙氧水濃度(0.5%~2%)下，固定預(yù)處理溫度40 ℃和預(yù)處理時(shí)間5 h不變，水稻秸稈酶解糖化產(chǎn)生的還原糖含量與雙氧水濃度呈正相關(guān)，水稻秸稈酶解糖化效率得到顯著提升(P<0.05)，雙氧水濃度為2%時(shí)，水稻秸稈酶解糖化產(chǎn)生的還原糖含量達(dá)到最大，為568.58 mg/g. 雙氧水可利用過氧根離子氧化作用降解木質(zhì)素，同時(shí)雙氧水濃度的增加能夠提高氫氧化鈉對水稻秸稈的潤脹作用，增加水稻秸稈的比表面積，增強(qiáng)纖維素酶對水稻秸稈的酶解效果[29]. 當(dāng)雙氧水濃度超過2%時(shí)，水稻秸稈酶解糖化效率降低，過量的雙氧水會造成水稻秸稈中半纖維素成分的減少，同時(shí)產(chǎn)生抑制酶解反應(yīng)進(jìn)行的副產(chǎn)物. 因此，2%的雙氧水濃度是影響水稻秸稈酶解效率的臨界點(diǎn)，使用濃度為2%的雙氧水制備堿性雙氧水預(yù)處理水稻秸稈效果最佳.

圖5 不同雙氧水濃度下堿性雙氧水預(yù)處理水稻秸稈酶解后還原糖含量的變化Fig.5 Changes of the reducing sugar content from rice straw pretreated by alkaline hydrogen peroxide with different concentrations of hydrogen peroxide

2.2.3 堿性雙氧水預(yù)處理時(shí)間的影響

在1.5%氫氧化鈉和2%雙氧水的溶液中，40 ℃的條件下水浴處理水稻秸稈，考察預(yù)處理時(shí)間對水稻秸稈酶解糖化效果的影響. 由圖6可知，預(yù)處理時(shí)間由1 h增至5 h，水稻秸稈酶解后還原糖含量顯著增加，由509.91 mg/g增至568.58 mg/g. 繼續(xù)延長預(yù)處理時(shí)間，水稻秸稈酶解后還原糖含量差異不顯著(P>0.05)，試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，堿性雙氧水與水稻秸稈反應(yīng)初期，有大量泡沫產(chǎn)生，在3 h左右泡沫逐漸消失，由此可見，雙氧水在預(yù)處理初期已充分反應(yīng)，預(yù)處理時(shí)間延長對水稻秸稈酶解效率促進(jìn)效果不明顯，堿性雙氧水預(yù)處理時(shí)間選用5 h較為適宜.

圖6 不同預(yù)處理時(shí)間下堿性雙氧水預(yù)處理水稻秸稈酶解后還原糖含量的變化Fig.6 Changes of the reducing sugar content from rice straw pretreated by alkaline hydrogen peroxide under different time condition

2.2.4 堿性雙氧水預(yù)處理溫度的影響

由圖7可知，在1.5%氫氧化鈉和2%雙氧水的溶液中，水浴處理水稻秸稈5 h，水稻秸稈酶解后還原糖含量隨著一定范圍溫度(20~50 ℃)的增加，得到顯著提高(P<0.05)，還原糖含量由458.53 mg/g逐步提至575.85 mg/g，酶解產(chǎn)糖率較未預(yù)處理水稻秸稈(132.70 mg/g)提高了336.2%. 但是，當(dāng)預(yù)處理溫度超過50 ℃，酶解得到還原糖含量出現(xiàn)下降，雙氧水穩(wěn)定性較差，溫度升高使得雙氧水分解速率提高，堿性雙氧水中有效成分降低，導(dǎo)致木質(zhì)素脫除效果下降[30].所以，在溫度為50 ℃條件下進(jìn)行堿性雙氧水預(yù)處理最為適宜.

圖7 不同預(yù)處理溫度下堿性雙氧水預(yù)處理水稻秸稈酶解后還原糖含量的變化Fig.7 Changes of the reducing sugar content from rice straw pretreated by alkaline hydrogen peroxide under different temperature condition

2.3 掃描電鏡分析

分別對未預(yù)處理、1.25%的氫氧化鈉80 ℃處理3 h、堿性雙氧水(1.5%的氫氧化鈉+2%的雙氧水) 50 ℃處理5 h的水稻秸稈進(jìn)行電鏡掃描分析，結(jié)果如圖8所示. 在預(yù)處理前后水稻秸稈的表面形態(tài)結(jié)構(gòu)發(fā)生了明顯的變化，未預(yù)處理的水稻秸稈結(jié)構(gòu)完整緊密，具有連續(xù)緊湊的纖維束，部分?jǐn)嗔咽怯捎诜鬯闀r(shí)的物理作用力導(dǎo)致. 比較氫氧化鈉預(yù)處理水稻秸稈前后的電鏡掃描圖片后發(fā)現(xiàn)，氫氧化鈉溶液會與水稻秸稈發(fā)生潤脹作用，在氫氧化鈉處理后水稻秸稈表面出現(xiàn)了較為明顯的糊化現(xiàn)象，處理后的水稻秸稈變成許多碎裂的小塊，水稻秸稈中木質(zhì)素成分被溶出導(dǎo)致緊密的纖維束被破壞，氫氧化鈉對水稻秸稈的潤脹作用增加了纖維素的比表面積，提高了酶解糖化效率[31]. 比較堿性雙氧水預(yù)處理水稻秸稈前后的電鏡掃描圖片后發(fā)現(xiàn)，在堿性雙氧水處理后水稻秸稈表面出現(xiàn)了許多孔洞，且表面呈現(xiàn)更為明顯的糊化現(xiàn)象，由此可見，雙氧水促進(jìn)了氫氧化鈉對水稻秸稈的潤脹作用，使得水稻秸稈變得更加松散，增大了水稻秸稈的比表面積，水稻秸稈表面出現(xiàn)的孔洞是由于雙氧水對水稻秸稈中木質(zhì)素與半纖維素的分解作用，使得水稻秸稈中的纖維素與木質(zhì)素、半纖維素的鏈接被破壞，提高了纖維素酶對水稻秸稈的水解效率.

圖8 預(yù)處理前后水稻秸稈的掃描電鏡圖片F(xiàn)ig.8 SEM images of rice straw before and after pretreatment

2.4 紅外光譜分析

分別對未預(yù)處理、1.25%氫氧化鈉80 ℃處理3 h、堿性雙氧水(1.5%的氫氧化鈉+2%的雙氧水) 50 ℃處理5 h的水稻秸稈進(jìn)行紅外光譜分析，所得到的紅外光譜如圖9所示. 在紅外光譜圖中，898 cm?1處為纖維素β-糖苷鍵的特征峰[32]，經(jīng)過氫氧化鈉預(yù)處理和堿性雙氧水預(yù)處理后的水稻秸稈，在該特征峰處強(qiáng)度增加，這是由于氫氧化鈉和雙氧水溶解了部分半纖維素與木質(zhì)素，使得處理后的水稻秸稈纖維素含量增加. 1 515 cm?1處為木質(zhì)素芳香族苯環(huán)骨架振動的特征峰，1 720 cm?1處的特征峰對應(yīng)木質(zhì)素中非共軛羰基的伸縮振動峰[33]，與未預(yù)處理水稻秸稈相比，這兩個(gè)特征峰在經(jīng)過氫氧化鈉預(yù)處理或堿性雙氧水預(yù)處理后強(qiáng)度明顯減弱，可見氫氧化鈉預(yù)處理和堿性雙氧水預(yù)處理能夠很好地消解水稻秸稈中的木質(zhì)素成分.1 062、1 159、1 420與1 639 cm?1處均為纖維素的特征吸收峰，2 910和3 410 cm?1附近的吸收峰分別對應(yīng)碳水化合物?OH和C?H的伸縮振動峰[34]，經(jīng)過預(yù)處理后的水稻秸稈樣品與未預(yù)處理的水稻秸稈樣品相比，這幾個(gè)特征峰的強(qiáng)度均有明顯的增加，表明氫氧化鈉預(yù)處理和堿性雙氧水預(yù)處理均能在破壞纖維素結(jié)構(gòu)的同時(shí)，能夠較好保留纖維素和半纖維素等碳水化合物，提高酶解糖化效果.

圖9 水稻秸稈預(yù)處理前后紅外光譜圖Fig.9 FTIR images of rice straw before and after pretreatment

2.5 X射線衍射光譜分析

分別對未預(yù)處理、1.25%氫氧化鈉80 ℃處理3 h、堿性雙氧水(1.5%的氫氧化鈉+2%的雙氧水)50 ℃處理5 h的水稻秸稈進(jìn)行X射線衍射分析，所得到的X射線衍射圖譜如圖10所示. 纖維素是水稻秸稈最主要的部分，是以β-1,4糖苷鍵鏈接D-葡萄糖組成的天然鏈狀高分子化合物，纖維素的結(jié)構(gòu)有結(jié)晶結(jié)構(gòu)和無定形結(jié)構(gòu)，纖維素的結(jié)晶度表示纖維素結(jié)晶部分占纖維素整體的比例，反映了纖維素的結(jié)晶程度. 預(yù)處理前后的水稻秸稈在2θ=22°處有明顯的衍射單峰，對應(yīng)纖維素Ⅰ的(002)晶面，預(yù)處理后該衍射峰強(qiáng)度顯著增強(qiáng). 由表1可知，與未預(yù)處理的水稻秸稈相比，經(jīng)過氫氧化鈉預(yù)處理和堿性雙氧水預(yù)處理的水稻秸稈結(jié)晶度有所升高，從21.54%分別升至28.95%和32.33%，這是由于氫氧化鈉預(yù)處理和堿性雙氧水預(yù)處理去除了水稻秸稈中的木質(zhì)素和半纖維素成分，氫氧化鈉的潤脹作用會破壞纖維素的無定形結(jié)構(gòu)，使得水稻秸稈的結(jié)晶度增加[35]. 相比氫氧化鈉預(yù)處理，堿性雙氧水預(yù)處理后的水稻秸稈結(jié)晶度變化更大，可見在堿性雙氧水預(yù)處理中，雙氧水能強(qiáng)化氫氧化鈉的潤脹效果，加強(qiáng)對水稻秸稈中木質(zhì)素和半纖維素成分的分解能力[36]. 在26°處出現(xiàn)的尖銳衍射峰為半纖維素的衍射峰，水稻秸稈經(jīng)氫氧化鈉預(yù)處理和堿性雙氧水預(yù)處理后，該衍射峰強(qiáng)度降低，說明氫氧化鈉和堿性雙氧水能夠有效降解半纖維素，提高酶解糖化效率[37].

圖10 水稻秸稈預(yù)處理前后XRD圖譜Fig.10 XRD images of rice straw before and after pretreatment

表1 預(yù)處理前后水稻秸稈X射線衍射圖譜分析Table 1 XRD analysis of rice straw before and after pretreatment

3 結(jié)論

a) 分別對氫氧化鈉預(yù)處理和堿性雙氧水預(yù)處理的條件進(jìn)行優(yōu)化，氫氧化鈉預(yù)處理和堿性雙氧水預(yù)處理都能較好地促進(jìn)水稻秸稈的酶解糖化過程，得到較高的還原糖含量. 氫氧化鈉預(yù)處理在使用濃度1.25%、時(shí)間3 h、溫度80 ℃的條件下對水稻秸稈進(jìn)行處理最優(yōu)，酶解溶液中還原糖含量為480.81 mg/g，比未預(yù)處理水稻秸稈酶解液中還原糖含量(132.70 mg/g)提高了262.3%. 堿性雙氧水預(yù)處理在使用氫氧化鈉濃度為1.5%與雙氧水濃度為2%的堿性雙氧水、時(shí)間5 h、溫度50 ℃的條件下對水稻秸稈進(jìn)行處理最優(yōu)，酶解溶液中還原糖含量為575.85 mg/g，比未預(yù)處理水稻秸稈酶解液中還原糖含量(132.70 mg/g)提高了336.2%.

b) 電鏡掃描分析表明，氫氧化鈉預(yù)處理與堿性雙氧水預(yù)處理均能破壞水稻秸稈纖維之間的緊密結(jié)構(gòu)，使水稻秸稈發(fā)生斷裂，產(chǎn)生大量孔洞，同時(shí)表面出現(xiàn)了明顯的糊化現(xiàn)象，增加了水稻秸稈的表面積，提高了纖維素酶的酶解產(chǎn)糖效率.

c) 紅外光譜與X射線衍射分析表明，氫氧化鈉和堿性雙氧水均能較好地消解水稻秸稈中的木質(zhì)素，并保留大量纖維素與半纖維素. 雙氧水能夠強(qiáng)化氫氧化鈉對木質(zhì)素的分解能力，相比氫氧化鈉，堿性雙氧水對水稻秸稈木質(zhì)素成分的消解效果更好.