CFS 預(yù)處理對不同秸稈原料酶解和理化結(jié)構(gòu)的影響

田 鑫，王雨萌，徐師苗，汪強(qiáng)杰，胡 軻，張海波，程紅艷

（山西農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院，山西 太谷 030801）

環(huán)境問題和能源多樣化導(dǎo)致人們對生物質(zhì)可再生資源日益關(guān)注。木質(zhì)纖維素生物質(zhì)分布廣泛、儲量巨大，具有生產(chǎn)生物燃料的巨大潛力[1]。木質(zhì)纖維素生物質(zhì)由纖維素、半纖維素和木質(zhì)素組成，可分為草、作物秸稈、闊葉林和針葉林等[2]，其中作物秸稈由于來源廣泛，易被生物轉(zhuǎn)化，受到研究者廣泛關(guān)注。通常作物秸稈會被遺棄田地隨意堆放或被焚燒處理，導(dǎo)致嚴(yán)重的環(huán)境問題及資源浪費(fèi)[1]，故將其資源化利用迫在眉睫。未處理作物秸稈由于木質(zhì)纖維素的緊密結(jié)構(gòu)，很難用于高效的生物燃料生產(chǎn)。因此，通過有效的預(yù)處理方式去除木質(zhì)素、破壞緊密結(jié)構(gòu)是高效利用作物秸稈不可或缺的一環(huán)[3]。

高鐵酸鉀（K2FeO4）擁有極強(qiáng)氧化性，是一種新型高效多功能水處理劑，在廢水處理中被廣泛應(yīng)用[4-5]。次氯酸鹽氧化法是一種成熟的高鐵酸鉀制備技術(shù)，其原理是在強(qiáng)堿溶液中加入過量ClO-氧化Fe3+制備高濃度的K2FeO4溶液，再經(jīng)結(jié)晶、純化干燥后形成固體K2FeO4[6]。高鐵酸鉀復(fù)合液（CFS）是制備高鐵酸鉀的剩余廢棄濾液，其內(nèi)含有大量堿（OH-）與氧化劑（Fe6+和ClO-）[7]。大量研究已證實(shí)，OH-和ClO-具有斷裂木質(zhì)素與半纖維素間的酯鍵以及木質(zhì)素間的醚鍵，降解木質(zhì)素，破壞木質(zhì)纖維素復(fù)雜結(jié)構(gòu)的作用[8-11]。由此推測，CFS 同樣具備較強(qiáng)的木質(zhì)纖維素降解能力。然而，目前并無CFS 預(yù)處理木質(zhì)纖維素原料的相關(guān)報道。

玉米秸稈（CS）、高粱秸稈（SS）和谷子秸稈（MS）為山西省主要糧食作物秸稈，每年產(chǎn)量高達(dá)1 600 萬t[12]。這3 種秸稈的生物轉(zhuǎn)化潛力已被報道過，例如LI 等[13]采用高溫烘烤對玉米秸稈進(jìn)行預(yù)處理，還原糖得率提高了46.41%。DAI 等[14]以高粱秸稈生物廢料為原料，經(jīng)葡萄糖酸預(yù)處理后的高粱秸稈固體可獲得90.8%的酶解率。YADAV等[15]利用球形毛殼菌對珍珠谷子秸稈進(jìn)行預(yù)處理，發(fā)現(xiàn)在預(yù)處理后的珍珠谷子秸稈中添加降解細(xì)菌可提高沼氣產(chǎn)量57%。由于3 種秸稈原料化學(xué)組分、理化結(jié)構(gòu)具有差異性，其生物轉(zhuǎn)化潛力也不同。此外，酶水解產(chǎn)糖率是評估預(yù)處理的關(guān)鍵指標(biāo)[16]。

本研究采用CFS 對CS、SS 和MS 進(jìn)行預(yù)處理，首先，評價了CFS 預(yù)處理對3 種秸稈的酶解糖化效果；其次，分析了CFS 預(yù)處理前后3 種秸稈木質(zhì)纖維素含量的變化；最后，利用掃描電鏡（SEM）、原子力顯微鏡（AFM）、傅立葉變換紅外光譜（FTIR）、X-射線衍射儀（XRD）、熱重（TG）等測試技術(shù)，對比分析了CFS 預(yù)處理前后3 種秸稈理化結(jié)構(gòu)的變化，進(jìn)一步評估了CFS 預(yù)處理3 種秸稈的效果。CFS 為制備高鐵酸鉀的剩余廢液，采用CFS對作物秸稈進(jìn)行預(yù)處理實(shí)現(xiàn)了“以廢治廢”的目的，可為生物能源的生產(chǎn)提供新思路。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

CS、SS、MS 均取自山西省晉中市太谷區(qū)，新鮮秸稈切斷至1～2 cm，風(fēng)干，于60 ℃烘箱烘干、粉碎后過0.25 mm 篩，儲存?zhèn)溆谩Ｔ囼?yàn)中所用的水解酶為纖維素酶（50 U/mg）和葡萄糖苷酶（100 U/g）。Fe（NO3）3?9H2O、KOH、NaClO、3，5-二硝基水楊酸等藥品均為分析純，購自天津市化學(xué)試劑有限公司。

1.2 預(yù)處理試驗(yàn)

在預(yù)處理前，采用次氯酸鈉法[7]制備高鐵酸鉀，收集其濾液即為CFS，濾液內(nèi)Fe6+、ClO-、OH-的含量分別為40.2、704.5、2 500.1 mmol/L。預(yù)處理試驗(yàn)在250 mL 三角瓶中進(jìn)行，固液比設(shè)置為10%（m/V）。具體操作步驟為：首先將秸稈粉末置于三角瓶中，加入CFS 并將三角瓶放入25 ℃恒溫振蕩器（SHZ-82A，常州，華冠）中，同時設(shè)置不同預(yù)處理時間（3、6、12、24、48 h）。在規(guī)定時間內(nèi)取樣，用去離子水多次沖洗樣品，將其置于60 ℃的烘箱中烘干后稱量裝袋，備用。所有試驗(yàn)均進(jìn)行3 次重復(fù)。

單獨(dú)OH-預(yù)處理試驗(yàn)所采用的化學(xué)試劑為KOH，配制濃度等同于CFS 中OH-濃度，其余操作步驟同上。

1.3 酶解糖化

稱取0.8 g 預(yù)處理樣品置于100 mL 塑料瓶中，加入經(jīng)121 ℃高壓蒸汽滅菌20 min、pH 值為4.8的0.1 mol/L 的檸檬酸-檸檬酸鈉緩沖液，使酶解液總體積為40 mL。然后分別加入纖維素酶（50 U/mg）和葡萄糖苷酶（100 U/g），將其置于50 ℃的培養(yǎng)箱中酶解糖化48 h，經(jīng)離心分離后取上清液，測定濾液中還原糖含量。

式中，C代表根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線上計算出的樣品測定管中葡萄糖含量（mg）；Vt代表樣品提取液總體積（mL）；W代表樣品干質(zhì)量（g）；Vs代表測定時取樣體積（mL）。

1.4 指標(biāo)分析方法

采用分光光度法[17]在515 nm 波長下測定Fe6+的濃度；向紫紅色CFS 中加入Ba（NO3）2，通過生成難溶物BaFeO4去除濾液顏色，獲取無色濾液后，再分別采用碘量法[18]和滴定法（酚酞指示劑）測定濾液中的ClO-和OH-；使用DNS 法[19]測定溶液中還原糖含量；采用Van Soest 法[20]測定秸稈中的纖維素、半纖維素和木質(zhì)素含量；秸稈樣品噴金后，利用掃描電鏡（Regulus8100，日本，日立）觀察預(yù)處理前后秸稈表面形態(tài)變化；使用原子力顯微鏡（Bruker Dimension lcon，德國，Bruker）采集預(yù)處理前后秸稈樣品的振幅圖和三維高度圖；秸稈樣品經(jīng)KBr 壓片后，置于PerkinElmer 傅立葉紅外測試儀（Tensor 27，德國，Bruker）中掃描測定表面官能團(tuán)結(jié)構(gòu)變化；采用XRD 儀（布魯克D8 advance，德國，Bruker）分析秸稈樣品，并計算纖維素結(jié)晶度[21]；將預(yù)處理前后秸稈樣品干燥后用同步熱分析儀（STA 449C，德國，耐馳）分析樣品的熱穩(wěn)定性。

1.5 數(shù)據(jù)分析

采用Microsoft Excel 2016 軟件整理試驗(yàn)數(shù)據(jù)；使用Origin Pro 2018 軟件作圖；使用SPSS 22.0 軟件（P＜0.05）進(jìn)行顯著性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 預(yù)處理對3 種秸稈酶解糖化的影響

酶水解產(chǎn)糖率是評估預(yù)處理效率的關(guān)鍵指標(biāo)[16]。3 種秸稈的還原糖產(chǎn)量隨CFS 預(yù)處理時間變化趨勢如圖1 所示，未處理的CS、SS、MS 的還原糖產(chǎn)量較低，分別為88.76、86.39、65.36 mg/g。當(dāng)預(yù)處理時間由3 h 增加至24 h 時，3 種秸稈的還原糖含量顯著升高（P＜0.05），隨預(yù)處理時間繼續(xù)增加，還原糖含量基本保持不變，且差異不顯著（P＞0.05）。在最佳預(yù)處理時間24 h 時，CS 的還原糖含量最高，為313.12 mg/g，其次為SS（290.61 mg/g），MS 的還原糖含量最低（206.97 mg/g），較未處理對照分別顯著提高了252.77%、236.39%、216.66%（P＜0.05）。以上結(jié)果充分說明，CFS 預(yù)處理可成功破壞秸稈緊密結(jié)構(gòu)，促進(jìn)后續(xù)的酶解糖化過程，同時最佳預(yù)處理時間為24 h。相較SS 和MS，預(yù)處理前后CS 的還原糖含量最高，說明CS 生物轉(zhuǎn)化潛力最大，這可能是由秸稈內(nèi)部化學(xué)組成和理化結(jié)構(gòu)共同決定的。

圖1 預(yù)處理時間對3 種秸稈酶解糖化的影響Fig.1 Effects of pretreatment time on enzymatic hydrolysis and saccharification of three kinds of straw

為進(jìn)一步了解CFS 對秸稈的降解情況，分析了CFS與單獨(dú)OH-預(yù)處理（濃度同CFS中OH-濃度）對3 種秸稈還原糖含量的影響，結(jié)果如圖2 所示，經(jīng)單獨(dú)OH-預(yù)處理后，CS、SS、MS 的還原糖含量較未處理分別顯著提高了207.72%、179.50%、138.34%（P＜0.05）。而經(jīng)CFS 預(yù)處理后，CS、SS、MS 的還原糖含量則高于單獨(dú)OH-預(yù)處理，分別較單獨(dú)OH-預(yù)處理顯著增加了14.64%、15.56%、15.12%（P＜0.05）。說明OH-和CFS 預(yù)處理均可降解木質(zhì)纖維素，增加纖維素酶的可及性。

圖2 CFS 和單獨(dú)OH-處理對3 種秸稈酶解糖化的影響Fig.2 Effects of CFS and individual OH- treatments on enzymatic hydrolysis and saccharification of three kinds of straw

CFS 預(yù)處理效果明顯優(yōu)于單獨(dú)OH-預(yù)處理，暗示CFS 中氧化劑（ClO-/Fe6+）在秸稈的降解過程中發(fā)揮一定的作用。氧化還原電位（ORP）是反映體系中所有物質(zhì)表現(xiàn)出來的宏觀氧化-還原性[22]，ORP 越高，則氧化性越強(qiáng)。由預(yù)處理過程中ORP 變化趨勢可知（圖3），CFS 預(yù)處理3 種秸稈在前24 h 的ORP值由400 mV 顯著降低至-800～-600 mV（P＜0.05），進(jìn)一步驗(yàn)證了CFS 中氧化劑參與了秸稈降解。

圖3 CFS 和單獨(dú)OH-處理對3 種秸稈預(yù)處理過程中ORP 變化的影響Fig.3 Effects of CFS and individual OH- treatments on ORP changes during pretreatment of three kinds of straw

2.2 預(yù)處理前后化學(xué)組分含量的變化

木質(zhì)纖維素生物質(zhì)主要由纖維素、半纖維素和木質(zhì)素等成分組成，這些成分共同構(gòu)成了復(fù)雜三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，尤其是木質(zhì)素對纖維素和半纖維素的保護(hù)作用，使纖維素酶難以在酶解過程中直接接觸纖維素[23]。由圖4 可知，3 種秸稈木質(zhì)素含量為CS 和SS 較低，而MS 最高；纖維素含量大小則表現(xiàn)為CS＞SS＞MS。CS 含豐富纖維素和較少木質(zhì)素的特點(diǎn)，暗示其生物轉(zhuǎn)化潛力較強(qiáng)。經(jīng)CFS 預(yù)處理后，與未處理相比，CS、SS、MS 纖維素含量分別提高了26.75%、19.71%、10.50%，且差異顯著（P＜0.05），木質(zhì)素含量分別顯著降低了51.81%、41.30%、26.43%（P＜0.05），半纖維素含量分別顯著降低了29.33%、12.61%、8.18%（P＜0.05）。說明CFS 預(yù)處理已去除了大量的木質(zhì)素和半纖維素，導(dǎo)致纖維素相對含量升高，這可能與復(fù)合液中堿和氧化劑具有破壞木質(zhì)素與半纖維素間的酯鍵以及木質(zhì)素間的醚鍵的能力相關(guān)[24-25]。雖然CFS 預(yù)處理對MS 木質(zhì)素有一定程度的去除，但其內(nèi)部高含量木質(zhì)素與纖維素和半纖維素形成的緊密交聯(lián)結(jié)構(gòu)使得木質(zhì)素去除效果不如CS 和SS 明顯。另外，MS 纖維素含量低的特點(diǎn)導(dǎo)致其酶解效率遠(yuǎn)低于CS 和SS（圖1）。

不同小寫字母表示同種木質(zhì)纖維素不同處理間差異顯著（P＜0.05）The different lowercase letters indicated significant difference between the different treatments of the same lignocellulose(P＜0.05)圖4 CFS 預(yù)處理前后3 種秸稈的化學(xué)組分含量Fig.4 Chemical components content of three kinds of straw before and after CFS pretreatment

2.3 預(yù)處理前后秸稈形態(tài)結(jié)構(gòu)的變化

2.3.1 預(yù)處理前后秸稈掃描電鏡（SEM）分析 為進(jìn)一步了解秸稈的微觀結(jié)構(gòu)變化，利用掃描電鏡（SEM）觀察預(yù)處理前后3 種秸稈表面形態(tài)，結(jié)果如圖5 所示，未處理的秸稈纖維結(jié)構(gòu)完整且緊密，形狀規(guī)則，排列整齊，表面光滑，無明顯的破壞，這些纖維層會阻礙了微生物對秸稈的利用。經(jīng)過CFS預(yù)處理后，秸稈的表面形態(tài)變化明顯。預(yù)處理后的CS 表面結(jié)構(gòu)發(fā)生扭曲和破壞，表面粗糙度增加，呈中空結(jié)構(gòu)，SS 的表面纖維排列疏松、膨脹并伴有裂紋，MS 纖維表面暴露程度增加并出現(xiàn)裂紋。預(yù)處理對CS 表面形態(tài)的破壞較SS 和MS 更為嚴(yán)重，原因可能是由于CFS 預(yù)處理CS 后去除更多的木質(zhì)素或半纖維素，使秸稈表面粗糙并出現(xiàn)裂紋，這會增大秸稈的表面積，有利于進(jìn)一步酶解反應(yīng)。

圖5 CFS 預(yù)處理前后3 種秸稈的SEM 圖像Fig.5 SEM images of three kinds of straw before and after CFS pretreatment

2.3.2 預(yù)處理前后秸稈AFM 分析 原子力顯微鏡（AFM）形成的高分辨率形貌圖，可在納米尺度上顯示秸稈表面微觀結(jié)構(gòu)的變化[26]。預(yù)處理前后3 種秸稈的振幅圖和三維高度圖如圖6 所示，AFM圖像的明暗分別代表秸稈的親疏水性，纖維素是親水的（每個糖環(huán)含有3 個羥基），而木質(zhì)素是疏水的[27]。未處理秸稈表面有1 層疏水性的木質(zhì)素，振幅圖顏色較暗，說明秸稈原料含較多的木質(zhì)素；而CFS 預(yù)處理后秸稈表面明亮，這表明部分木質(zhì)素被去除，更多的親水性纖維素被暴露出來[27]。在3 種秸稈中，MS 的顏色最深，這與其木質(zhì)素含量高的分析結(jié)果一致（圖4）。另外，粗糙度參數(shù)Ra和Rmax（表1）分別代表平均表面粗糙度以及高、低數(shù)據(jù)點(diǎn)之間的最大垂直距離，其數(shù)值越大代表秸稈表面越粗糙。預(yù)處理后CS、SS、MS 的粗糙度參數(shù)Ra分別從處理前的17.8、13.5、13.0 nm 增加到122.0、25.7、19.3 nm，Rmax分別從處理前的192、147、117 nm 增加到890、754、471 nm。說明預(yù)處理后3 種秸稈的粗糙度均增加，其中CS 粗糙度最大，這與SEM 的觀察結(jié)果一致（圖5）。

表1 CFS 預(yù)處理前后3 種秸稈表面粗糙度參數(shù)Tab.1 Surface roughness parameters of three kinds of straw before and after CFS pretreatmentnm

圖6 CFS 預(yù)處理前后3 種秸稈的AFM 圖像Fig.6 AFM images of three kinds of straw before and after CFS pretreatment

2.3.3 預(yù)處理前后秸稈FTIR 分析 FTIR 可分析預(yù)處理前后3 種秸稈表面官能團(tuán)和化學(xué)鍵變化，從而定性推測3 種秸稈化學(xué)組分變化。3 種秸稈預(yù)處理前后的FTIR 進(jìn)行了比較，結(jié)果如圖7 所示，預(yù)處理前后3 種秸稈的特征吸收峰形狀基本相似，但一些特征峰呈不同程度的增強(qiáng)或減弱，說明CFS 預(yù)處理改變了秸稈的化學(xué)組分和結(jié)構(gòu)。其中，在波數(shù)3 326 cm-1處出現(xiàn)寬峰，對應(yīng)纖維素分子間氫鍵引起的-OH 伸縮振動[28]；波數(shù)2 917 cm-1處代表纖維素-CH2的拉伸振動[27]，CFS 預(yù)處理可使上述2 波峰明顯變寬或變強(qiáng)；波數(shù)890 cm-1處是纖維素內(nèi)葡萄糖單元間β-糖苷鍵的特征峰[23]，預(yù)處理增強(qiáng)了該處波峰強(qiáng)度，說明CFS 預(yù)處理可有效保留纖維素，使纖維素相對含量增加。在波數(shù)1 735 cm-1處非共軛羰基-C=O 伸縮振動的吸收峰是木質(zhì)素-半纖維素復(fù)合物的糖醛酸酯基團(tuán)特征峰[9]，在預(yù)處理后明顯減弱或消失，這是由于CFS 中的OH-能與酯鍵發(fā)生皂化反應(yīng)，使得木質(zhì)素與纖維素、半纖維素間的結(jié)構(gòu)被打開，乙酸和酚類物質(zhì)被釋放出來[29]。波數(shù)1 235 cm-1處的吸收峰為木質(zhì)素（愈創(chuàng)木基）中C=O 的伸縮振動[9]，波數(shù)1 605、1 515 cm-1的振動可歸因于木質(zhì)素鏈的芳香C-C 拉伸[26]，波數(shù)834 cm-1處為木質(zhì)素中紫丁香基中的C-H 面外彎曲振動[30]。CFS 預(yù)處理后可減弱以上4 個峰的強(qiáng)度，說明預(yù)處理后3 種秸稈中有大量木質(zhì)素被溶解。

圖7 CFS 預(yù)處理前后3 種秸稈的FTIR 圖像Fig.7 FTIR images of three kinds of straw before and after CFS pretreatment

2.3.4 預(yù)處理前后秸稈XRD 分析 纖維結(jié)晶度（CrI）也會影響木質(zhì)纖維素生物質(zhì)酶解效率[31]。預(yù)處理前后3 種秸稈的XRD 圖譜如圖8 所示，圖譜22.46°處為結(jié)晶區(qū)特征峰，15.98°處為非結(jié)晶區(qū)特征峰，所有圖譜均在22.46°和15.98°附近出現(xiàn)2 個特征峰，說明預(yù)處理對秸稈的晶體類型沒有顯著影響，仍為結(jié)晶和非結(jié)晶區(qū)共存。而經(jīng)CFS 預(yù)處理后，結(jié)晶區(qū)特征峰強(qiáng)度明顯增大，峰值更尖銳。根據(jù)Segal 公式[21]計算可知，預(yù)處理后3 種秸稈的CrI大小分別表現(xiàn)為CS（55.40%）＞SS（49.30%）＞MS（44.44%），分別較未處理增加了26.77%、26.60%和23.17%。以上結(jié)果說明CFS 主要破壞秸稈的非結(jié)晶區(qū)，使部分的可溶性多糖、木質(zhì)素、半纖維素和非晶型纖維素等無定形區(qū)域物質(zhì)被溶解，導(dǎo)致結(jié)晶纖維素相對含量升高[32]，這與其他研究結(jié)果相類似，例如，稀酸預(yù)處理、蒸汽爆破和堿性H2O2預(yù)處理秸稈[30,32-33]。預(yù)處理后CS 的結(jié)晶纖維素相對含量最高，高的纖維素含量可為纖維素酶提供更多反應(yīng)底物，這進(jìn)一步驗(yàn)證了預(yù)處理后CS 含豐富纖維素和較少木質(zhì)素（圖4）且酶解效率高（圖1）的結(jié)論。

圖8 CFS 預(yù)處理前后3 種秸稈的XRD 圖像Fig.8 XRD images of three kinds of straw before and after CFS pretreatment

2.3.5 預(yù)處理前后秸稈TG 分析 通過TG 分析可測定木質(zhì)纖維素的熱穩(wěn)定性[27]。熱解過程的TG 曲線和DTG 曲線如圖9 所示，半纖維素、纖維素和木質(zhì)素的降解溫度分別為180～340、230～450、180～900 ℃[28]。由圖9 可知，秸稈預(yù)處理前后的熱解經(jīng)歷了3 個階段：干燥、高效熱解和成炭，這與其他生物質(zhì)熱解過程類似，如松木[34]、帕拉草[35]和珍珠谷子殘渣[36]。干燥階段的溫度范圍為室溫至150 ℃，主要涉及表面張力保持的外部水分和細(xì)胞內(nèi)部水分的釋放[37]。高效熱解階段（150～600 ℃）主要涉及揮發(fā)性產(chǎn)物釋放，半纖維素和纖維素完全降解與木質(zhì)素部分降解[28]。第2 階段的質(zhì)量損失最大，為72.87%～91.50%。第3 階段（600～900℃）主要為木質(zhì)素分解階段，失重率為2.65%～10.48%。由圖9 還可知，CFS 預(yù)處理后3 種秸稈DTG 曲線的峰值溫度均發(fā)生了變化，但不影響降解過程。預(yù)處理前CS、SS、MS 的峰值溫度分別為349.18、354.88、346.04 ℃，預(yù)處理后CS、SS、MS 的峰值溫度分別為355.48、356.54、357.58 ℃。此外，預(yù)處理后3 種秸稈的最大質(zhì)量損失速率（DTGmax）也隨之提高，預(yù)處理前CS、SS、MS 的DTGmax分別為每分鐘12.22%、13.42%、8.07%，預(yù)處理后的DTGmax分別升高至每分鐘17.32%、15.69%、14.52%。說明預(yù)處理后3種秸稈的熱穩(wěn)定性均變差，其原因可能是預(yù)處理使3 種秸稈的纖維素含量升高。與SS 和MS 相比，CS的熱穩(wěn)定性最差，故其被轉(zhuǎn)化為生物燃料的潛力最大。

圖9 CFS 預(yù)處理前后3 種秸稈的TG 和DTG 圖像Fig.9 TG and DTG images of three kinds of straw before and after CFS pretreatment

3 結(jié)論與討論

CFS 可有效破壞作物秸稈頑固結(jié)構(gòu)促進(jìn)酶解糖化過程。本研究通過分析對比CFS 預(yù)處理對3 種秸稈酶解糖化的影響發(fā)現(xiàn)，在最佳預(yù)處理時間24 h下，CS、SS 和MS 的還原糖含量分別較對照提高了252.77%、236.39%、216.66%，CS 的酶解糖化效率最高；CFS 預(yù)處理中堿和氧化劑共同參與了木質(zhì)纖維素的降解；ORP 變化進(jìn)一步驗(yàn)證了CFS 中氧化劑參與了降解秸稈。高靜等[38]使用離子液預(yù)處理水稻秸稈，1-乙基-3 甲基咪唑醋酸鹽/環(huán)己烷/TX-100/正丁醇微乳液在500 MPa、50 ℃預(yù)處理4 h，還原糖產(chǎn)率為75.3%。JIN 等[2]采用高壓均質(zhì)預(yù)處理玉米秸稈，雖然沒有廢液產(chǎn)生，但該處理耗能高，且還原糖含量僅為161.62 mg/g，較對照提高68.4%。MA 等[24]用2%（W/V）的堿性高錳酸鉀預(yù)處理玉米芯，在50 ℃預(yù)處理6 h，還原糖產(chǎn)量為對照的1.44 倍。陳思哲等[39]用氫氧化鈉預(yù)處理水稻秸稈，在80 ℃預(yù)處理3 h，還原糖含量為480.81 mg/g，較對照提高了262.3%。上述研究預(yù)處理成本高，且預(yù)處理效果低于本研究。與不同處理的預(yù)處理技術(shù)相比，CFS 預(yù)處理是一種有效且成本低廉的處理技術(shù)。

本研究通過分析對比CFS 預(yù)處理對3 種秸稈理化結(jié)構(gòu)的影響發(fā)現(xiàn)，CFS 預(yù)處理能有效去除3 種秸稈中木質(zhì)素成分，增加纖維素相對含量，破壞秸稈的緊密結(jié)構(gòu)，提高了纖維素酶的可及性；CFS 預(yù)處理后，3 種秸稈的理化結(jié)構(gòu)發(fā)生了不同程度變化，粗糙度增加，官能團(tuán)發(fā)生斷裂，纖維素結(jié)晶度升高，熱穩(wěn)定性降低，3 種秸稈中，CS 變化最明顯，其生物轉(zhuǎn)化潛力最大。秸稈中纖維素成分與木質(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)[39]。木質(zhì)素的去除可以增加底物與纖維素酶或微生物的接觸機(jī)會，從而提高木質(zhì)纖維素的糖化率[38]，有利于秸稈的資源化利用。纖維結(jié)晶度升高說明預(yù)處理去除了秸稈中的木質(zhì)素和半纖維素成分，破壞了纖維素的無定形結(jié)構(gòu)[39]，可為纖維素酶提供更多的反應(yīng)底物，從而提高酶解糖化效率。木質(zhì)素的降解和結(jié)晶度的升高等指標(biāo)的變化，說明CFS 預(yù)處理能有效破壞木質(zhì)纖維素的復(fù)雜頑固結(jié)構(gòu)，有利于后續(xù)酶解糖化，被微生物所利用。

綜上，CFS 預(yù)處理破壞作物秸稈的致密結(jié)構(gòu)，促進(jìn)酶解效率，是一種理想的預(yù)處理方法。此項預(yù)處理技術(shù)的研究結(jié)果實(shí)現(xiàn)了“以廢治廢”的綠色環(huán)保目標(biāo)，為農(nóng)業(yè)廢棄物的資源化利用提供了新思路。