CrCl3預(yù)處理和表面活性劑對(duì)楊木酶解效率的影響

麥燊怡 ，趙宸彪 ，張紅丹 ，謝 君

（華南農(nóng)業(yè)大學(xué)生物質(zhì)工程研究院，廣州 510642）

0 引 言

長期以來能源生產(chǎn)主要以煤炭、石油、天然氣等化石能源為主，然而，過度消耗化石燃料嚴(yán)重破壞了環(huán)境，導(dǎo)致全球變暖、環(huán)境污染和生態(tài)平衡破壞[1]，因此越來越多的人不斷尋求可持續(xù)性和環(huán)境友好型的可再生能源[2-3]。生物質(zhì)能源具有可循環(huán)利用和環(huán)境友好的優(yōu)勢，其中木質(zhì)纖維素因其來源廣泛且貯量豐富，被認(rèn)為是優(yōu)質(zhì)的生物質(zhì)資源[3]。而林木資源作為中國重要可持續(xù)發(fā)展資源，可以通過生物煉制方法轉(zhuǎn)化為乙醇等生物燃料，對(duì)緩解中國能源供應(yīng)壓力，維護(hù)國家能源戰(zhàn)略安全、減輕污染、實(shí)現(xiàn)雙碳戰(zhàn)略等起著重要作用[4-5]。

楊木作為一種速生豐產(chǎn)的樹種，在中國南方和北方均有廣泛種植，由于它們生長迅速、且纖維素含量相對(duì)較高，是優(yōu)良的生產(chǎn)生物質(zhì)能源的原料。然而楊木原料的纖維素、半纖維素和木素相互交織，形成致密結(jié)構(gòu)，使得木質(zhì)纖維素很難被直接酶解或微生物降解，因此需要進(jìn)行預(yù)處理以解構(gòu)生物質(zhì)原料[6-7]。目前常用的預(yù)處理方法有酸堿預(yù)處理、高溫液態(tài)水預(yù)處理、金屬氯化物預(yù)處理、蒸汽爆破和有機(jī)溶劑預(yù)處理、微波預(yù)處理等[8-10]。金屬氯化物如CrCl3、AlCl3、FeCl3等絡(luò)合金屬鹽具有良好的催化性能，可用于生物質(zhì)的預(yù)處理，這是由于金屬氯化物溶于水后生成的水合氫離子能有效破壞木質(zhì)纖維素的緊密結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)木質(zhì)纖維素組分的有效分離[11]。相比于AlCl3、FeCl2、ZnCl2，CrCl3作為催化劑進(jìn)行預(yù)處理能很好地去除半纖維素，同時(shí)，相比于FeCl3，預(yù)處理后產(chǎn)生的糠醛較少[12]。金屬氯化物預(yù)處理能夠?qū)崿F(xiàn)半纖維素的大量去除，但對(duì)木素的溶解有限，而殘留的木素會(huì)造成對(duì)纖維素酶的無效吸附，進(jìn)一步阻礙了纖維素酶對(duì)纖維素的結(jié)合。通過在酶解段添加表面活性劑能夠減弱木素存在對(duì)酶解的影響，原因是表面活性劑可以通過疏水作用與木質(zhì)素結(jié)合，進(jìn)而促進(jìn)酶解效率。此外添加劑的加入可以縮短酶解時(shí)間，節(jié)省纖維素酶的用量，從而降低酶解成本，提高生產(chǎn)可行性。

本研究以楊木為原料，對(duì)不同溫度下CrCl3預(yù)處理的效果進(jìn)行比較，確定最佳預(yù)處理溫度以獲得更好的預(yù)處理效果及酶解效率。在此基礎(chǔ)上，考察了表面活性劑的種類、用量及酶添加量對(duì)酶解效率的促進(jìn)作用。通過XRD（X-ray Diffraction）、FT-IR（fourier transform infrared）和SEM（scanning electron microscope）分析方法對(duì)楊樹和預(yù)處理后的固體進(jìn)行表征，分析了CrCl3預(yù)處理后表面形態(tài)和內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化，進(jìn)一步探索了預(yù)處理?xiàng)l件和酶解條件對(duì)提高酶解效率的作用機(jī)理，為提高楊木的預(yù)處理效率和降低酶解成本提供一種有效的方法。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

本試驗(yàn)所用楊木原料由華南農(nóng)業(yè)大學(xué)木工廠所提供，經(jīng)自然風(fēng)干至含水率約10%左右，室溫條件下保存。所用纖維素酶購買于丹麥諾維信生物工程技術(shù)有限公司，通過DNS法測定出其濾紙酶活力為138 FPU/mL。試驗(yàn)過程中所用CrCl3、乙酸、乙酸鈉等化學(xué)試劑均為分析純。

1.2 CrCl3預(yù)處理

稱取15 g絕干楊木原料，以固液比1：10將0.05 mol/L CrCl3均勻倒入150 mL去離子水溶液中，攪拌均勻后倒入反應(yīng)釜中，密封后進(jìn)行反應(yīng)。將攪拌速度設(shè)定為300 r/min，分別在150、160、170、180和190 °C下反應(yīng)20 min。反應(yīng)結(jié)束后，將預(yù)處理后樣品采用布氏漏斗進(jìn)行固液分離，固體部分用去離子水洗滌至pH值為中性，并保存在4 °C冰箱中，用于后續(xù)的酶解和分析試驗(yàn)。

1.3 預(yù)處理樣品的酶解試驗(yàn)

準(zhǔn)確稱取2 g絕干底物置于150 mL錐形瓶中，加入一定量的纖維素酶（20FPU/g預(yù)處理后樣品）和100 mL的乙酸-乙酸鈉緩沖溶液（0.05 mol/L，pH值為4.8）。將酶解樣品置于搖床上進(jìn)行反應(yīng)，搖床溫度為50 °C，搖床轉(zhuǎn)速為150 r/min，定時(shí)取1 mL酶解上清液，用于酶解液中糖濃度測定。

1.4 表面活性劑添加試驗(yàn)

選取5種表面活性劑（乳清蛋白、木質(zhì)素磺酸鈣、吐溫80、聚乙二醇8 000和曲拉通X-100）為研究對(duì)象，按照150 mg/g底物進(jìn)行添加，探究表面活性劑種類對(duì)于酶解效率的影響。

在表面活性劑用量優(yōu)化試驗(yàn)中，添加濃度梯度為5、10、25、50、75、100和150 mg/g（絕干底物）的表面活性劑進(jìn)行酶解試驗(yàn)，并探究表面活性劑用量對(duì)于酶解得率的影響。

在酶用量優(yōu)化試驗(yàn)中，按照5、7.5、10、15、20 FPU/g的纖維素酶進(jìn)行添加，探究表面活性劑用量對(duì)于纖維素酶用量的影響。

1.5 分析方法

1.5.1 組分分析

楊木原料中纖維素、半纖維素和木質(zhì)素的化學(xué)組成按照美國可再生能源實(shí)驗(yàn)室（NREL）分析方法進(jìn)行測定[13]。

1.5.2 葡萄糖濃度的測定

通過高效液相色譜，使用KS-801陽離子交換柱和示差檢測器，以0.4 mL/min的超純水為流動(dòng)相，在60 °C下對(duì)葡萄糖濃度進(jìn)行分析。葡萄糖得率及添加表面活性劑后葡萄糖增長率分別按下式（1）、式（2）進(jìn)行計(jì)算：

式中m1為酶解液中葡萄糖的質(zhì)量，g；m2為原料中葡聚糖的質(zhì)量，g。

式中Y1為添加表面活性劑時(shí)葡萄糖得率，%；Y2為未添加表面活性劑時(shí)葡萄糖得率，%。

1.5.3 回收率的測定

預(yù)處理后固體殘?jiān)欣w維素、半纖維素和木質(zhì)素含量同樣采用NREL的組分分析方法測定。固體回收率、纖維素回收率、半纖維素和木質(zhì)素去除率按下式（3）～（6）進(jìn)行計(jì)算：

式中m3為預(yù)處理后楊木的質(zhì)量，g；m4為預(yù)處理前楊木的質(zhì)量，g。

式中m5為固體殘?jiān)欣w維素的質(zhì)量，g；m6為楊木原料中纖維素的質(zhì)量，g。

式中m7為固體殘?jiān)邪肜w維素的質(zhì)量，g；m8為楊木原料中半纖維素的質(zhì)量，g。

式中m9為固體殘?jiān)心举|(zhì)素的質(zhì)量，g；m10為楊木原料中木質(zhì)素的質(zhì)量，g。

1.5.4 SEM(scanning electron microscope)分析

采用掃描電鏡（EVO18, ZEISS, Germany）分析楊木原料和CrCl3預(yù)處理后樣品的表面形貌特征。為增加纖維樣品的導(dǎo)電性，在進(jìn)行電鏡觀察之前，要對(duì)樣品進(jìn)行噴金處理，并對(duì)樣品放大5 000倍后進(jìn)行觀察和拍照。

1.5.5 X-射線衍射分析

使用X射線衍射儀（Bruker D8-ADVANCE，Karlsruhe, Germany）對(duì)楊木原料和CrCl3預(yù)處理樣進(jìn)行結(jié)晶度測定。采用Cu Kα (λ=1.54 ?) 輻射源，掃描范圍在2θ=5°～60°。結(jié)晶度指數(shù)（XCrI）根據(jù)Segal 公式(7)進(jìn)行計(jì)算[14]：

式中I002和Iam分別表示002衍射面（2θ=22.5o）和基線的衍射強(qiáng)度（2θ=18.5o）。

1.5.6 紅外分析

采用傅立葉紅外光譜儀（Vertex70，Bruker, Germany）測定了楊木原料和CrCl3預(yù)處理后楊木的官能團(tuán)變化。將樣品與光譜純溴化鉀（KBr）混合，研磨成粉末后用壓片機(jī)將混合物壓成薄片，在范圍為4 000～400 cm-1，掃描次數(shù)為32次。

2 結(jié)果與討論

2.1 CrCl3預(yù)處理溫度的優(yōu)化

2.1.1 CrCl3預(yù)處理溫度對(duì)預(yù)處理后楊木化學(xué)組成的影響

預(yù)處理溫度是影響預(yù)處理效果的關(guān)鍵因素，本研究在固液比為1:10，預(yù)處理時(shí)間為20 min，攪拌速度為300 r/min條件下，分別考察在預(yù)處理溫度為150、160、170、180、190 °C時(shí)，CrCl3預(yù)處理對(duì)楊木化學(xué)組成的影響，預(yù)處理前后楊木各組分含量的變化如表1所示，試驗(yàn)結(jié)果表明，CrCl3預(yù)處理對(duì)楊木組分分離有良好的促進(jìn)效果。預(yù)處理前楊木原料纖維素、半纖維素、木質(zhì)素質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為45.6%、15.0%、22.9%，當(dāng)CrCl3預(yù)處理溫度從150 °C逐漸升高至170 °C時(shí)，半纖維素的去除率由84.7%逐漸增加至95.7%，木質(zhì)素的去除率在10.4%～14.2%之間，90.4%以上的葡聚糖被保留在預(yù)處理后樣品中，此時(shí)固體回收率由75.1%逐漸降低至66.1%，這說明預(yù)處理后大部分半纖維素、小部分木質(zhì)素和纖維素發(fā)生降解，同時(shí)引起了固體回收率的降低。繼續(xù)提升預(yù)處理溫度至190 °C時(shí)，可以基本實(shí)現(xiàn)半纖維素的完全去除。木質(zhì)素的含量雖然呈現(xiàn)逐漸升高的趨勢，但由于溶出的木質(zhì)素部分重新吸附在纖維表面，阻礙了酸溶木質(zhì)素的溶出，導(dǎo)致去除率沒有明顯提升[15]。纖維素的降解比較明顯，纖維素含量呈現(xiàn)逐漸降低趨勢，其回收率迅速降低至35.5%，從預(yù)處理后樣品顏色形態(tài)來看，經(jīng)190 °C的CrCl3預(yù)處理后樣品炭化明顯，導(dǎo)致其回收率和葡聚糖回收率迅速降低，造成原料損失，故認(rèn)為不適宜選用過高溫度進(jìn)行反應(yīng)。

表1 原料和預(yù)處理后固體組分分析Table 1 Component analysis of raw and solids after pretreatment%

2.1.2 CrCl3預(yù)處理溫度對(duì)楊木酶解葡萄糖得率的影響

為進(jìn)一步評(píng)價(jià)預(yù)處理效果，探討不同預(yù)處理溫度（150、160、170、180、190 °C）對(duì)CrCl3預(yù)處理?xiàng)钅久附馄咸烟堑寐实挠绊?，結(jié)果見圖1所示。圖1對(duì)比了楊木原料、在不同溫度下經(jīng)CrCl3預(yù)處理?xiàng)钅炯?60 °C下不添加CrCl3預(yù)處理?xiàng)钅镜拿附馄咸烟堑寐?，楊木原料在酶?4 h后的葡萄糖得率為11.3%，當(dāng)酶解時(shí)間延長到72 h時(shí)，原料的葡萄糖得率降至9.9%。經(jīng)CrCl3預(yù)處理后，楊木酶解葡萄糖得率高于原料酶解后的葡萄糖得率，這說明CrCl3預(yù)處理能有效提高楊木的酶解效率。隨著CrCl3預(yù)處理溫度從150 °C升高到170 °C，葡萄糖得率逐漸升高，從43.3%提升至66.7%，其原因是適當(dāng)升高溫度有利于半纖維素去除，解構(gòu)楊木組成，暴露更多的纖維素酶可接觸位點(diǎn)，增加其與纖維素酶的接觸，進(jìn)而提高葡萄糖得率[16]。當(dāng)CrCl3預(yù)處理溫度逐漸由170 °C增加至190 °C時(shí)，酶解葡萄糖得率發(fā)生明顯下降，從66.7 %下降到31.1%。從CrCl3預(yù)處理后樣品的組分分析可以看出，從170 °C到190 °C，雖然半纖維素得到完全的去除，但纖維素回收率也從90.4%降至35.5%，纖維素的大量損失，導(dǎo)致酶解得率的降低[17]。然而，在170 °C條件下預(yù)處理后楊木的葡萄糖得率，較在160 °C條件下僅提高0.8%，因此從能量損耗和成本方面考慮，選擇160 °C作為CrCl3預(yù)處理的最佳溫度條件進(jìn)行后續(xù)試驗(yàn)研究。在固液比為1:10，預(yù)處理時(shí)間為20 min，反應(yīng)溫度為160 °C的條件下經(jīng)CrCl3預(yù)處理后，楊木的纖維素回收率、半纖維素和木質(zhì)素去除率分別為93.6%、90.0%和10.4%，預(yù)處理后楊木中纖維素、半纖維素和木質(zhì)素質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為61.8%、2.2%、29.7%。相比楊木原料，纖維素質(zhì)量分?jǐn)?shù)提高35.6%，半纖維素和木質(zhì)素質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別降低85.5%和29.9%，酶解72 h后葡萄糖的得率比未處理原料提高了568.1%，比不添加CrCl3提高了508.3%。

圖1 預(yù)處理溫度對(duì)葡萄糖得率的影響Fig.1 Effect of pretreatment temperature on glucose yield

2.2 表面活性劑的添加對(duì)酶解的促進(jìn)作用

2.2.1 表面活性劑類型對(duì)CrCl3預(yù)處理?xiàng)钅久附獾挠绊?/p>

研究發(fā)現(xiàn)，表面活性劑和部分添加劑可以通過減少酶對(duì)木質(zhì)素的無效吸附，實(shí)現(xiàn)纖維素酶解效率的提高[18]。而表面活性劑主要被分為4種類型：非催化蛋白、非離子表面活性劑、離子表面活性劑和生物表面活性劑。本研究主要從3種不同類型的添加劑中選擇了五個(gè)具有代表性的表面活性劑（非催化蛋白：乳清蛋白；非離子表面活性劑：聚乙二醇 8 000、吐溫80、曲拉通X-100；離子表面活性劑：木質(zhì)素磺酸鈣）探究表面活性劑的添加對(duì)酶解的影響[19-20]。本研究在pH值為4.8，酶解溫度為50 °C，搖床轉(zhuǎn)速為150 r/min，酶添加量為20FPU/g底物，表面活性劑用量為150 mg/g底物的條件下，考察了五種不同表面活性劑的添加對(duì)CrCl3預(yù)處理后楊木酶解效率的影響，結(jié)果見圖2所示。

圖2 不同表面添加劑對(duì)葡萄糖得率及其增長率的影響Fig.2 Effect on glucose yield and increased yield with different kinds of surfactant

從圖2a可以看出，添加表面活性劑對(duì)CrCl3預(yù)處理后樣品酶解效率有明顯的提升作用，雖然5種表面活性劑間的提升效果差別不大，但添加木質(zhì)素磺酸鈣后，酶解過程中的葡萄糖得率均高于添加其他表面活性劑。在樣品中添加木質(zhì)素磺酸鈣并酶解24 h后，葡萄糖得率達(dá)到69.7%，高于未加添加劑的樣品酶解72 h的葡萄糖得率（65.9%），這說明木質(zhì)素磺酸鈣的加入能顯著縮短酶解時(shí)間。繼續(xù)延長酶解時(shí)間至72 h，葡萄糖得率增加至85.5%。由此可見，木素磺酸鈣對(duì)CrCl3預(yù)處理?xiàng)钅镜拿附饩哂辛己玫拇龠M(jìn)作用。從圖2b中可以看出,隨著酶解時(shí)間的延長，不同表面活性劑對(duì)葡萄糖的提升效率不同，但均呈現(xiàn)先增加后降低趨勢，在酶解24 h時(shí)提升效率最明顯，增長率處于47.9%～55.0%范圍內(nèi)。當(dāng)酶解時(shí)間延長至72 h后，其葡萄糖增長率仍然保持在27.6%以上，這是因?yàn)楸砻婊钚詣┛梢耘c木素進(jìn)行吸附，有效地促進(jìn)酶解過程中纖維素和酶的結(jié)合，提高酶解效率[21]。其中，添加木質(zhì)素磺酸鈣后，在酶解6、24和72 h的葡萄糖增長率均高于添加其他表面活性劑（乳清蛋白、吐溫80、聚乙二醇8 000和曲拉通X-100）。通過對(duì)圖2的綜合分析可知，添加木質(zhì)素磺酸鈣不僅能縮短酶解時(shí)間且能大幅提高酶解效率，是行之有效的促進(jìn)酶解過程的方法，因此我們將選擇木質(zhì)素磺酸鈣為表面活性劑進(jìn)行后續(xù)試驗(yàn)。

2.2.2 表面活性劑用量對(duì)CrCl3預(yù)處理?xiàng)钅久附獾挠绊?/p>

以木素磺酸鈣作為表面活性劑，探討不同添加量對(duì)CrCl3預(yù)處理?xiàng)钅久附庑实挠绊?，結(jié)果如圖3所示。從圖3a中可以看出，隨著表面活性劑用量從0 增加至75 mg/g底物，葡萄糖得率也逐漸從65.9%增加到85.0%，說明表面活性劑用量對(duì)于酶解效率有著顯著影響，足夠的表面活性劑可以與木素充分接觸，為酶提供更多的可接觸纖維素，進(jìn)而提高酶解效率[22]。繼續(xù)提升木素磺酸鈣的用量，當(dāng)用量達(dá)到150 mg/g底物時(shí)，酶解72 h后的葡萄糖得率達(dá)到85.5%。

圖3 表面活性劑用量對(duì)葡萄糖得率和增長率的影響Fig.3 Effect of surfactant dosage on glucose yield and increased yield

通過圖3b中葡萄糖增長率的分析可以看出，隨著酶解時(shí)間的延長，其葡萄糖增長率呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢，在酶解24 h時(shí)達(dá)到最大，在14.0%～49.0%范圍內(nèi)。隨著木素磺酸鈣用量的增加，在酶解前期（<24 h），其葡萄糖增長率逐漸增加，這說明在酶解前期表面活性劑用量對(duì)酶解有著顯著影響，表面活性劑用量越多，葡萄糖得率和提升效率增加越明顯[23]。當(dāng)酶解達(dá)到72 h后，其葡萄糖增長率隨著木素磺酸鈣用量的增加呈現(xiàn)先增加后逐漸趨于平緩的趨勢。結(jié)合圖3a分析，木素磺酸鈣添加量為75和150 mg/g底物時(shí)，葡萄糖得率相近（85.0%和85.5%）且葡萄糖增長率提升較少（從29.0%到29.6%），進(jìn)一步表明75 mg/g底物是木素磺酸鈣的最優(yōu)添加量，因此，為節(jié)省酶解生產(chǎn)成本，將木質(zhì)素磺酸鈣的用量減少至75 mg/g底物用于后續(xù)研究。

2.2.3 纖維素酶添加量對(duì)CrCl3預(yù)處理?xiàng)钅久附獾挠绊?/p>

纖維素酶成本是影響以木質(zhì)纖維素為原料制備燃料乙醇生產(chǎn)成本的關(guān)鍵因素，通過以上的分析可以發(fā)現(xiàn)，隨著酶解時(shí)間的延長，酶解效率依然不斷提高，故選擇酶解72 h葡萄糖收率進(jìn)行對(duì)比，同時(shí)為了節(jié)省酶解成本，選擇木素磺酸鈣用量為75 mg/g底物進(jìn)行酶添加量的優(yōu)化試驗(yàn)，結(jié)果見圖4所示。由圖4a可以看出，無論是否添加表面活性劑，隨著纖維素酶添加量的增加，葡萄糖得率均呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢，說明酶添加量對(duì)酶解效率具有決定性的促進(jìn)作用，當(dāng)酶添加量較大時(shí)，可與纖維素結(jié)合的酶越多，酶解效率越好，則葡萄糖得率越高[24]。此外，通過對(duì)添加表面活性劑前后酶解效果進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)在不同酶添加量下，添加木素磺酸鈣對(duì)預(yù)處理樣品的酶解效率都有明顯的提升作用。在木素磺酸鈣作用下，當(dāng)纖維素酶添加量為5FPU/g底物時(shí)，葡萄糖得率為68.0%，與在酶添加量為20FPU/g底物但不添加表面活性劑時(shí)所得葡萄糖得率（65.9%）相當(dāng)，由此可見，木素磺酸鈣的添加可有效降低酶添加量，并獲得更高葡萄糖得率。在木素磺酸鈣的添加量一定時(shí)，當(dāng)酶添加量從5FPU/g底物逐漸增加到15FPU/g底物，葡萄糖得率也逐漸增加至82.2%，而當(dāng)酶添加量繼續(xù)增加到20FPU/g底物時(shí)，葡萄糖得率增加不大，僅增至85.0%，這可能是由于參與反應(yīng)的纖維素酶已經(jīng)達(dá)到飽和狀態(tài)。圖4b展示了酶添加量對(duì)葡萄糖增長率的影響，由結(jié)果可知，在木素磺酸鈣的添加量一定時(shí)，隨著纖維素酶添加量的增加（由5FPU/g增至20FPU/g），其葡萄糖增長率由69.6%逐漸降至28.9%，可見在較低酶添加量下，表面活性劑對(duì)酶解的促進(jìn)作用更為明顯。葡萄糖增長率與酶添加量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系可能是因?yàn)樵诿柑砑恿枯^多的情況下，可以與纖維素結(jié)合的酶越多，表面活性劑發(fā)揮作用越有限[25]。綜上所述，加入木質(zhì)素磺酸鈣可以有效縮減纖維素酶用量，同時(shí)提升酶解效率，進(jìn)而節(jié)省酶解成本，因此后續(xù)試驗(yàn)可在較低酶添加量條件下進(jìn)行。

圖4 纖維素酶添加量對(duì)72 h葡萄糖得率和增長率的影響Fig.4 Effect of cellulase loading on glucose yield and increased yield at 72 h

2.3 預(yù)處理前后樣品的表征

2.3.1 掃描電鏡（SEM ）分析

對(duì)較優(yōu)條件下楊木CrCl3預(yù)處理前后樣品表面形貌變化進(jìn)行了分析，結(jié)果如圖5所示。與預(yù)處理后樣品相比，楊木原料的表面結(jié)構(gòu)光滑、完整，呈現(xiàn)致密的結(jié)構(gòu)形態(tài)，纖維素、半纖維素和木質(zhì)素的有序排列使得纖維素酶很難接觸到內(nèi)部的纖維素束，因此直接進(jìn)行酶解其葡萄糖得率極低[26]。經(jīng)過CrCl3預(yù)處理后，楊木表面變得粗糙，且出現(xiàn)一些裂痕和孔隙，部分結(jié)構(gòu)松散，大部分纖維素已經(jīng)暴露出來，預(yù)處理過程中的纖維素的溶脹率增大，降低了楊木原料完整結(jié)構(gòu)對(duì)酶解的阻礙，提高了纖維素的可接觸面，進(jìn)而提高了酶解效率[27]。

圖5 原料和CrCl3預(yù)處理后楊木的SEM圖Fig.5 SEM scanning electron microscope of raw and chromium (Ⅲ)chloride pretreated poplar

2.3.2 X射線衍射分析

木質(zhì)纖維素生物質(zhì)的結(jié)晶度是影響酶解效率的重要因素之一，因此，對(duì)楊木原料和CrCl3預(yù)處理后的樣品進(jìn)行XRD圖譜和相應(yīng)的纖維素結(jié)晶度指數(shù)CrI的分析，結(jié)果如圖6所示。從圖6可以看出，原料和預(yù)處理后樣品在2θ=15.8°、22.5°和34.5°處都出現(xiàn)了衍射峰，分別對(duì)應(yīng)于結(jié)晶纖維素I的101、002和034晶面[28]。木原料CrI值為63.84%，經(jīng)CrCl3預(yù)處理后樣品的結(jié)晶度指數(shù)CrI升高到71.07%，這是因?yàn)轭A(yù)處理過程中無定型態(tài)半纖維素的去除，使得預(yù)處理后樣品中結(jié)晶態(tài)纖維素的相對(duì)含量增加，從而使得其結(jié)晶度CrI值增加[29]。

圖6 原料和預(yù)處理后楊木的XRD譜圖Fig.6 XRD (X-ray diffraction) patterns of raw and pretreated poplar

2.3.3 紅外光譜分析分析

楊木原料經(jīng)CrCl3預(yù)處理前后樣品的紅外光譜圖如圖7所示。1 740 cm-1附近存在半纖維素中乙酰基的C=O特征吸收峰，經(jīng)過CrCl3預(yù)處理后此特征吸收峰強(qiáng)度與原料相比明顯減弱，表明CrCl3預(yù)處理導(dǎo)致半纖維素的大量降解[30]。而在1 510 cm-1處仍保留了較強(qiáng)的苯環(huán)特征吸收峰，說明CrCl3預(yù)處理對(duì)木素影響較小。在898 cm-1附近出現(xiàn)的β糖苷鍵的特征峰，經(jīng)CrCl3預(yù)處理后該峰強(qiáng)度基本沒有變化，說明CrCl3對(duì)楊木的預(yù)處理不會(huì)導(dǎo)致纖維素的大量降解，保留了大部分纖維素，這也與之前的組分分析結(jié)果相一致[31-32]。綜上所述，通過紅外光譜結(jié)果進(jìn)一步證明，CrCl3預(yù)處理能夠?qū)Π肜w維素實(shí)現(xiàn)大量去除，但對(duì)木質(zhì)素降解不顯著，并保留大量纖維素，促進(jìn)后續(xù)的酶解過程，這與本研究的結(jié)果高度吻合。

圖7 原料和預(yù)處理后楊木的紅外光譜圖Fig.7 FTIR(Fourier transform infrared spectroscopy) spectra of raw and pretreated poplar

3 結(jié) 論

CrCl3預(yù)處理具有優(yōu)良的去除半纖維素的能力，能解構(gòu)木質(zhì)纖維素原料并有效保留纖維素。本文考察了CrCl3預(yù)處理溫度對(duì)楊木組分和酶解效果的影響，并對(duì)不同表面活性劑的添加、表面活性劑添加量以及纖維素酶添加量對(duì)葡萄糖得率和增長率的影響進(jìn)行了探討，主要結(jié)論如下：

1）預(yù)處理溫度為160oC時(shí)可得較優(yōu)的酶解效果，在0.05 mol/L CrCl3、固液比1：10、160oC、20 min的預(yù)處理?xiàng)l件下，楊木的纖維素回收率、半纖維素和木質(zhì)素去除率分別為93.6%、90.0%和10.4%，相較于楊木原料，纖維素含量提高35.6%，半纖維素和木質(zhì)素含量分別降低85.5%和29.9%，72 h后葡萄糖的得率提高了568.1%。

2）在pH值為4.8、酶解溫度為50 °C、搖床轉(zhuǎn)速為150 r/min的酶解條件下，加入75 mg/g底物用量的木質(zhì)素磺酸鈣可以有效縮減纖維素酶用量，同時(shí)提升酶解效率。

3）通過SEM、XRD、FT-IR分析手段對(duì)較優(yōu)條件下預(yù)處理前后樣品進(jìn)行了表征分析，進(jìn)一步證明，CrCl3預(yù)處理能夠?qū)Π肜w維素實(shí)現(xiàn)大量去除，并保留大量纖維素，但對(duì)木質(zhì)素降解不顯著，為金屬鹽的廣泛應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

4）未來在提高預(yù)處理效率和降低酶解成本方面，可采用組合預(yù)處理以及組合添加劑來開展研究。