NaOH/AQ預處理對玉米秸稈脫木質(zhì)素及酶解性能的影響

劉雯雯， 梁 龍， 沈葵忠,2*， 房桂干， 田慶文

(1. 中國林業(yè)科學研究院 林產(chǎn)化學工業(yè)研究所；生物質(zhì)化學利用國家工程實驗室；國家林業(yè)局 林產(chǎn)化學工程重點開放性實驗室；江蘇省 生物質(zhì)能源與材料重點實驗室， 江蘇 南京 210042； 2. 中國林業(yè)科學研究院 林業(yè)新技術研究所， 北京 100091)

·研究報告——生物質(zhì)材料·

NaOH/AQ預處理對玉米秸稈脫木質(zhì)素及酶解性能的影響

劉雯雯1，2， 梁 龍1， 沈葵忠1,2*， 房桂干1， 田慶文1

(1. 中國林業(yè)科學研究院 林產(chǎn)化學工業(yè)研究所；生物質(zhì)化學利用國家工程實驗室；國家林業(yè)局 林產(chǎn)化學工程重點開放性實驗室；江蘇省 生物質(zhì)能源與材料重點實驗室， 江蘇 南京 210042； 2. 中國林業(yè)科學研究院 林業(yè)新技術研究所， 北京 100091)

對玉米秸稈進行氫氧化鈉/蒽醌(NaOH/AQ)去木質(zhì)化預處理，考察了預處理溫度、 時間和NaOH用量對玉米秸稈脫木質(zhì)素程度的影響，并探討了脫木質(zhì)素程度對提高預處理后物料酶解性能的影響。L9(34)正交試驗得出較適宜預處理工藝條件為：溫度160 ℃，時間60 min，NaOH用量(以絕干原料質(zhì)量計)2.8 %；其他條件為AQ用量0.05 %，固液比1∶5(g∶mL)，此時木質(zhì)素脫除率為75 %，酶解后聚糖轉(zhuǎn)化率達到73.79 %。隨著物料脫木質(zhì)素程度的提高，其酶解效率相應增加；當木質(zhì)素脫除率達到一定程度后，預處理后的聚糖轉(zhuǎn)化率達到最大值，繼續(xù)提高木質(zhì)素脫除率，聚糖轉(zhuǎn)化率反而降低。響應面優(yōu)化的酶水解工藝條件為纖維素酶用量30 FPU/g，β-葡萄糖苷酶10 IU/g，反應時間72 h，溫度50 ℃，底物質(zhì)量分數(shù)2.5 %，此時還原糖得率為85.62 %。對酶解液進行HPLC分析，酶解液中的葡萄糖質(zhì)量濃度為14.83 g/L，木糖質(zhì)量濃度為4.83 g/L。XRD分析顯示，預處理前后纖維素的晶型沒有變化，而結(jié)晶度由31.40 %提高至46.91 %，表明物料中木質(zhì)素和半纖維素發(fā)生了不同程度的溶出。

玉米秸稈；NaOH/AQ預處理；酶水解；聚糖轉(zhuǎn)化率

自然界中生物質(zhì)資源儲量豐富，地球上的植物每年通過光合作用所固定的碳可達到2×1011t，能量高達3×1021J[1]。生物質(zhì)原料通過物理法、 化學法、 生物酶解法等方法可轉(zhuǎn)化為低聚糖或可發(fā)酵糖，并可進一步制備得到生物基材料或燃料乙醇等高附加值產(chǎn)品，減少人類對化石燃料的依賴[2]。在生物質(zhì)的多種預處理方法中，生物酶解法由于具有高效、 低污染、 低能耗等優(yōu)勢而被廣泛研究和應用[3]。生物質(zhì)原料主要由纖維素、 半纖維素、 木質(zhì)素和少量的果膠組成，其中，纖維素大分子是由葡萄糖通過β-1,4糖苷鍵聯(lián)結(jié)而成的線性高分子聚合物，常以結(jié)晶的聚集態(tài)存在；半纖維素與木質(zhì)素相互交聯(lián)形成致密的保護層，覆蓋于纖維素表面，加上生物質(zhì)的復雜結(jié)構(gòu)和天然不均一性，阻礙了生物酶對纖維素的可及性，構(gòu)成了生物質(zhì)酶解過程中的屏障，降低了生物質(zhì)原料酶解轉(zhuǎn)化效率[4-5]。為了提高生物質(zhì)原料的酶解轉(zhuǎn)化率，研究者們開發(fā)出各種預處理方法，如稀酸預處理、 堿預處理和亞硫酸鹽預處理等，其中堿預處理在脫除木質(zhì)素、 增加孔隙率、 提高酶對纖維素的可及度、 減少酶解抑制物等方面具有明顯優(yōu)勢，成為有效的預處理方法之一，受到越來越多的關注[5-9]。堿預處理常用的試劑有氫氧化鈉、 碳酸鈉、 氨和石灰等[10]，其中，NaOH最為常用。影響NaOH脫木質(zhì)素的因素很多，主要有反應溫度、 時間、 堿用量和固液比等，采用不同預處理條件，會使樣品的脫木質(zhì)素程度不同，進而對后續(xù)酶解產(chǎn)生不同的影響。Wang等[11]研究了百慕大海草在不同NaOH用量(0.75 %～3 %)預處理前后結(jié)構(gòu)和化學組分的變化，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在NaOH用量1 %以上時實現(xiàn)了明顯的去木質(zhì)化作用。蒽醌(AQ)或蒽醌衍生物是目前使用最多的有機氧化助劑，在堿性溶液中可降低脫木質(zhì)素的活化能，提高脫木質(zhì)素速率并加深脫木質(zhì)素程度，在蔗渣清潔制漿中取得了良好的效果[12]。本研究使用氫氧化鈉/蒽醌(NaOH/AQ)對玉米秸稈進行去木質(zhì)化預處理，以木質(zhì)素脫除率和聚糖轉(zhuǎn)化率為考察指標，采用單因素和正交試驗對預處理條件進行了優(yōu)化，并探討了玉米秸稈NaOH/AQ預處理過程中木質(zhì)素脫除率對提高后續(xù)酶解效率的影響，旨在探索低成本、 高效率的堿預處理工藝，為生物質(zhì)大規(guī)模聯(lián)合利用提供基礎數(shù)據(jù)。

1 實 驗

1.1 原料、試劑及儀器

玉米秸稈(山東日照)，全稈運輸至南京實驗室，去葉后按相應的國家標準分析原料組分，結(jié)果為水分9.96 %、 纖維素(硝酸乙醇法)36.51 %、 聚戊糖23.38 %、 酸不溶木質(zhì)素(Klason法)17.57 %、 酸溶木質(zhì)素1.95 %、 苯醇抽出物7.01 %、 灰分3.62 %。原料經(jīng)去葉洗滌、 切斷、 粉碎，篩選出粒徑0.18～0.85 mm的部分分裝保存于聚氯乙烯塑料袋中，于0～5 ℃冷藏保存，備用。3,5-二硝基水楊酸(DNS)、 酒石酸鉀鈉、 無水亞硫酸鈉、 苯酚、 葡萄糖，均為分析純。纖維素酶(Celluclast 1.5 L, 酶活127 FPU/mL)和β-葡萄糖苷酶(Novozyme 188,酶活350 IU/mL)來自Novozymes公司，酶活按文獻[13]提供的方法測定。

T6新世紀紫外分光光度計，北京普析通用儀器有限公司；Agilent 1100液相色譜儀，美國安捷倫公司；Aminex HPX-87P、 Aminex HPX-87H糖色譜柱，美國伯樂公司；D8-FOCUS型X射線衍射儀，德國布魯克公司。

1.2 NaOH/AQ預處理過程及優(yōu)化

先將樣品取出平衡水分并測定干度。然后取150 g絕干原料放入3 L蒸煮罐中，加入1.2 %～4.4 % NaOH(以絕干原料質(zhì)量計)和0.05 %蒽醌(以絕干原料質(zhì)量計)，并補充水分至絕干原料與水分固液比1∶5(g∶mL，下同),然后將蒸煮罐置于空氣浴中，加熱，由20 ℃經(jīng)60 min升至140～180 ℃，然后保溫15～120 min進行反應。反應結(jié)束后轉(zhuǎn)移物料至37.4 μm濾袋中擠出并收集液體，供分析預處理液組分；洗滌預處理后固體物料(簡稱物料)至洗出液呈中性，固體物料經(jīng)離心并擠壓脫水、打散后放入聚乙烯袋中密封平衡水分，冷藏，供化學分析和酶水解使用。

在單因素試驗基礎上，采用L9(34)正交試驗進行工藝條件優(yōu)化，選擇NaOH用量、 預處理時間和預處理溫度3個因素，固定固液比1∶5和AQ用量0.05 %。

1.3 酶水解實驗及響應曲面優(yōu)化

取NaOH/AQ預處理后的物料，采用纖維素酶(Celluclast 1.5 L)和β-葡萄糖苷酶(Novozyme 188)進行酶解。分別取1 g絕干物料放入250 mL的錐形瓶中，按固液比1∶40加水，然后分別加入30 FPU/g纖維素酶(以絕干原料質(zhì)量計，下同)和10 IU/gβ-葡萄糖苷酶，用1 mol/L的乙酸-乙酸鈉緩沖溶液調(diào)節(jié)pH值至4.8。酶解實驗在50 ℃恒溫培養(yǎng)振蕩器中進行，在轉(zhuǎn)速130 r/min下振蕩72 h；酶解結(jié)束后，加熱試樣使酶失活，冷卻后放入高速離心機中離心5 min，過濾分離酶解液和殘渣。酶解液用來測定還原糖得率、 糖組分和酸溶木質(zhì)素含量。

在前期實驗基礎上，選取纖維素酶用量、 反應時間、 反應溫度作為Box-Behnken設計的自變量，聚糖轉(zhuǎn)化率為響應值，采用3因素3水平的響應面分析方法優(yōu)化酶解條件，進行中心組合優(yōu)化試驗。

1.4 分析表征

1.4.1 原料和物料的組分分析 原料和預處理后物料中的酸不溶木質(zhì)素、 酸溶木質(zhì)素及其他組分按照美國NREL方法進行分析[14-15]。

1.4.2 木質(zhì)素脫除率 木質(zhì)素脫除率由預處理前后固體物料的總木質(zhì)素質(zhì)量分數(shù)計算獲得，見式(1)：

(1)

式中：RL—木質(zhì)素脫除率，%；L1—原料中總木質(zhì)素質(zhì)量分數(shù)，%；L2—預處理后物料中總木質(zhì)素質(zhì)量分數(shù)，%。

由于玉米秸稈為禾本科原料，含有較多酸溶木質(zhì)素，式中的原料和預處理后物料的總木質(zhì)素質(zhì)量分數(shù)均包括酸不溶木質(zhì)素和酸溶木質(zhì)素。

1.4.3 糖組分及總糖轉(zhuǎn)化率的測定 采用Agilent 1100色譜儀以及Aminex HPX-87P色譜柱檢測酶解液的糖組分，主要是葡萄糖和木糖。原料中糖組分的分析按照文獻[14]的方法，預處理后物料酶解液中的糖組分分析按照文獻[15]的方法。 色譜檢測條件：柱溫80 ℃，流量為0.6 mL/min，進樣量10～50 μL，HPLC級水作為流動相，檢測器采用示差折光檢測器(RI)。

1.4.4 還原糖得率及聚糖轉(zhuǎn)化率的測定 按照文獻[16]的方法繪制還原糖質(zhì)量濃度標準曲線，經(jīng)擬合獲得還原糖質(zhì)量濃度和吸光度關系方程，見公式(2)，其中R2=0.995，并通過公式(3)計算還原糖得率。

A=1.753C+0.001

(2)

(3)

式中：C—還原糖質(zhì)量濃度，g/L；A—吸光度；YR—還原糖產(chǎn)率，%；m1—預處理后物料絕干質(zhì)量，g；V—水解液總體積，L；n—測定還原糖質(zhì)量濃度時稀釋的倍數(shù)。

聚糖轉(zhuǎn)化率是指原料的纖維素和半纖維素轉(zhuǎn)化成葡萄糖和木糖的轉(zhuǎn)化率，可以通過測定酶解后還原糖得率計算獲得[16]，具體計算公式見式(4)：

(4)

式中：YC—聚糖轉(zhuǎn)化率，%；y—預處理后物料得率，%；YT—還原糖的理論得率，%(針對纖維素水解得到葡萄糖時，YT=111.1 %，針對聚戊糖水解得到木糖時，YT=113.6 %，YT根據(jù)原料中葡萄糖和木糖的比例進行取值)；yc—原料中的聚糖質(zhì)量分數(shù)為原料中纖維素和聚戊糖之和， 59.89 %。

1.4.5 結(jié)晶度分析 玉米秸稈原料和預處理后固體物料采用梯度乙醇逐級脫水，再進行低溫真空干燥和研磨，所得樣品的結(jié)晶度用X 射線衍射儀采用分峰法測定。測試條件：用Cu的Kα譜線和Ni作為輻射源，λ=0.154 nm，電壓10 kV，測角儀的移動速度為2(°)/min。結(jié)晶度計算見式(5)：

(5)

式中：ICr—結(jié)晶度指數(shù)，%；I002—002晶面的最大衍射強度；Iam—非結(jié)晶背景衍射的散射強度。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同預處理條件對木質(zhì)素脫除率和酶解的影響

圖 1 反應時間對木質(zhì)素脫除率及酶解的影響Fig. 1 Effects of retention time on lignin removing rate and polysaccharide conversion rate

2.1.1 反應時間 固定固液比1∶5，反應溫度150 ℃，NaOH用量2.8 %，AQ用量0.05 %，探討了反應時間(15、 30、 60、 90和120 min)對物料木質(zhì)素脫除率和聚糖轉(zhuǎn)化率的影響，結(jié)果如圖1所示。

從圖1可以看出，開始階段，隨著反應時間的增加，木質(zhì)素的脫除率增大，預處理后物料的得率相應降低；反應后期(≥60 min)，木質(zhì)素脫除率增加變緩，物料得率的下降趨勢也變緩。物料的聚糖轉(zhuǎn)化率隨反應時間增加呈現(xiàn)先升高再降低的趨勢，當反應時間為60 min時，聚糖轉(zhuǎn)化率達到較高值，此后聚糖轉(zhuǎn)化率下降，這可能是因為隨著反應時間的延長，碳水化合物開始較多地發(fā)生降解，導致物料得率的下降，雖然脫木質(zhì)素程度提高，但聚糖轉(zhuǎn)化率呈現(xiàn)下降趨勢。因此，反應時間不宜過長，過長的反應時間(≥90 min)會增加碳水化合物的降解，從而影響聚糖轉(zhuǎn)化率。綜合考慮，合適的反應時間為60 min。

2.1.2 NaOH用量 固定反應溫度160 ℃、 時間60 min、 固液比1∶5、 AQ用量0.05 %，探討了NaOH用量為1.2 %、1.6 %、2.4 %、2.8 %、3.2 %、3.6 %、4.0 %和4.4 %對木質(zhì)素脫除率及聚糖轉(zhuǎn)化率的影響，結(jié)果見圖2。

由圖2可以看出，隨著NaOH用量的增加，物料木質(zhì)素脫除率迅速增加，當NaOH用量超過3.2 %時，木質(zhì)素脫除率增加變緩，表明進入緩慢脫木質(zhì)素階段。與此同時，伴隨脫木質(zhì)素程度的增加，NaOH預處理后物料得率也較快下降。在NaOH用量為1.2 %時，物料得率為63.07 %；NaOH用量為4.4 %時，物料得率僅為38.48 %。

從圖2還可以看出，隨著NaOH用量的增加，物料的聚糖轉(zhuǎn)化率先增加，后期出現(xiàn)較快速的下降。這是因為采用較高的NaOH用量，雖然脫木質(zhì)素作用增加會提高物料的酶解率，但同時也因為失去木質(zhì)素的保護作用，物料中碳水化合物的堿性降解增加，導致物料得率快速下降，物料酶解率的增加不足以抵消物料得率下降造成的損失。當NaOH用量為2.4 %～3.6 %時，木質(zhì)素脫除率為62 %～87 %，物料的聚糖轉(zhuǎn)化率也較高，其中，NaOH用量為2.8 %時，聚糖轉(zhuǎn)化率達到極值。因此，選擇NaOH用量為2.8 %。

2.1.3 反應溫度 溫度也是影響NaOH預處理的重要因素之一。固定固液比1∶5，反應時間60 min， NaOH用量2.8 %，AQ用量0.05 %，探討了預處理溫度(140、 150、 160、 170和180 ℃)對木質(zhì)素脫除率和聚糖轉(zhuǎn)化率的影響，結(jié)果如圖3所示。

從圖3中可以看出，隨著反應溫度的增加，脫木質(zhì)素化作用增加。當反應溫度從140 ℃增加到160 ℃時，木質(zhì)素脫除率快速增加，繼續(xù)增加反應溫度，木質(zhì)素脫除率增加趨緩。另一方面，隨著反應溫度的增加，預處理后物料得率持續(xù)下降，反應溫度為140 ℃時，物料得率為73.57 %；當溫度增加到180 ℃，物料得率下降到50.02 %，此時木質(zhì)素脫除率也僅為66.03 %，表明預處理溫度過高時，物料中的纖維素和半纖維素發(fā)生了較大程度的降解。因此，對于NaOH預處理，過高的預處理溫度并不能取得較好的預處理效果。

圖 2 NaOH用量對木質(zhì)素脫除率及酶解的影響 圖 3 溫度對木質(zhì)素脫除率及酶解的影響

Fig. 2 Effects of NaOH charges on lignin removing rate and polysaccharide conversion rate Fig. 3 Effects of temperature on lignin removing rate and polysaccharide conversion rate

物料的聚糖轉(zhuǎn)化率隨溫度升高呈先增加后降低的趨勢。較低溫度時，雖然物料得率較高，但由于物料去木質(zhì)化程度較低，導致物料的酶解率較低，最終物料的聚糖轉(zhuǎn)化率不高；較高反應溫度(≥170 ℃)時，物料的木質(zhì)素脫除率增加，酶解率增加，但由于物料得率下降，導致最終物料的聚糖轉(zhuǎn)化率下降。聚糖轉(zhuǎn)化率最高值73.5 %出現(xiàn)在木質(zhì)素脫除率為64 %時，此時溫度為160 ℃。

2.2 NaOH/AQ預處理的正交試驗優(yōu)化

確定L9(34)正交試驗設計的反應溫度(A)、 NaOH用量(B)和反應時間(C)3個因素水平為：反應溫度150、 160和170 ℃，NaOH用量1.6 %、 2.8 %和4.0 %，反應時間30、 60和90 min。其他反應條件為固液比1∶5，AQ用量0.05 %。正交試驗結(jié)果見表1。

表 1 正交試驗結(jié)果Table 1 Results of orthogonal experiment

由表1可知，試驗3、 6和9木質(zhì)素脫除率均達到了85 %以上，說明這3組試驗對玉米秸稈的去木質(zhì)化效果均較好，但卻沒有取得與之相應的聚糖轉(zhuǎn)化率；而試驗2、 3和5的聚糖轉(zhuǎn)化率均達到70%以上，但其木質(zhì)素脫除率卻并不一致。這說明雖然在一定范圍內(nèi)提高木素脫除率可顯著提高酶解的聚糖轉(zhuǎn)化率，但酶解效率不僅與脫木質(zhì)素總量有關，也會受到木質(zhì)素在物料中的分布位置和分布面積影響[13]。對取得較高聚糖轉(zhuǎn)化率的3組試驗進一步分析，試驗2的木質(zhì)素脫除率只有50.17 %，而聚糖轉(zhuǎn)化率也低于試驗3和5，表明在該條件下，脫木質(zhì)素程度還沒達到合適的范圍，酶解效率還有提升的空間。試驗3和試驗5的聚糖轉(zhuǎn)化率雖然相差不大，但試驗3的木質(zhì)素脫除率達到87.53%，由于脫木質(zhì)素程度過高會加速物料中碳水化合物的降解，從而影響到酶解效率，因此初步確定試驗5(A2B2C3)為較適宜的預處理條件。而通過極差分析可知，各因素對木質(zhì)素脫除率的影響次序為NaOH用量>反應時間>反應溫度；對聚糖轉(zhuǎn)化率的影響次序為反應時間>NaOH用量>反應溫度，因此反應時間對聚糖轉(zhuǎn)化率的影響比較顯著，為了進一步優(yōu)化反應時間，以A2B2C3和A2B2C2條件進行驗證實驗，聚糖轉(zhuǎn)化率分別為72.31 %和73.79 %，表明在較短反應時間條件下也能達到較好的預處理效果，最終確定最優(yōu)工藝條件為A2B2C2，即溫度160 ℃、 NaOH用量2.8 %、 反應時間60 min，此時木質(zhì)素脫除率為75 %。

2.3 X射線衍射分析

圖4 樣品的X射線衍射圖Fig. 4 XRD patterns of samples

圖4為預處理前后玉米秸稈的XRD圖。從圖4可以看出，玉米秸稈預處理前后結(jié)晶度指數(shù)或多或少發(fā)生了改變，但纖維素的晶型沒有變化。結(jié)晶度由原料的31.40 %提高為預處理后物料的46.91 %，可能與物料中木質(zhì)素和半纖維素發(fā)生不同程度的溶出有關。

2.4 酶解條件的響應曲面優(yōu)化

使用上述正交試驗優(yōu)化的最佳試驗條件制備的物料進行酶解，對纖維素酶用量(X1)、 酶解時間(X2)以及酶解溫度(X3)進行3因素3水平響應面分析試驗，試驗過程中其他酶解條件為底物質(zhì)量分數(shù)2.5 %，β-葡萄糖苷酶10 IU/g，pH值4.8，轉(zhuǎn)速130 r/min，試驗設計及結(jié)果見表2。

表 2 響應面試驗結(jié)果Table 2 The results of the response surface optimization

表 3 回歸模型方差分析Table 3 Variance analysis of regression model

3 結(jié) 論

3.1 以玉米秸稈為原料探討NaOH/AQ預處理玉米秸稈過程中，不同工藝條件對原料木質(zhì)素脫除率和最終酶解效率的影響。經(jīng)正交試驗分析，發(fā)現(xiàn)酶解不僅與物料的木質(zhì)素質(zhì)量分數(shù)有關，也與木質(zhì)素的分布位置和分布面積有關。優(yōu)化的預處理工藝條件為：溫度160 ℃，反應時間60 min，NaOH用量2.8 %，其他條件為AQ用量0.05 %，固液比1∶5(g∶mL)，此時木質(zhì)素脫除率為75 %，酶解后聚糖轉(zhuǎn)化率達到73.79 %。

3.2 對預處理前后玉米秸稈進行XRD分析發(fā)現(xiàn)，預處理前后纖維構(gòu)型并沒有發(fā)生明顯的變化，結(jié)晶度由原料的31.40 %提高為預處理后物料的46.91 %，可能與物料中木質(zhì)素和半纖維素發(fā)生不同程度的溶出有關。

3.3 對預處理后物料的酶解條件進行響應面試驗優(yōu)化，得到最佳工藝條件為：纖維素酶用量30 FPU/g，β-葡萄糖苷酶10 IU/g，反應時間72 h，溫度50 ℃，底物質(zhì)量分數(shù)2.5 %，此時還原糖得率為85.62 %。用HPLC對經(jīng)最佳酶解工藝條件處理的酶解液進行分析，物料經(jīng)纖維素酶和β-葡萄糖苷酶水解后，葡萄糖質(zhì)量濃度為14.83 g/L，木糖質(zhì)量濃度為4.83 g/L。

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[16]房桂干,劉姍姍,沈葵忠. 楊木廢棄物稀酸水解預處理條件的響應面優(yōu)化[J]. 生物質(zhì)化學工程,2014,48(6):18-24.

計量標準器具 竭誠歡迎使用檢定

松香色度標準塊

本產(chǎn)品具有國內(nèi)行業(yè)中質(zhì)量檢驗的權(quán)威性
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松香色度標準裝置(又名《松香顏色分級標準》玻璃比色塊)，是符合我國松香光學特性具有完整體系的松香顏色分級標準。1982年榮獲林業(yè)部科技成果二等獎。1987年至今，被《脂松香》、《松香試驗方法》國家標準所采用，并多次經(jīng)國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局復查考核合格。

Effects of NaOH/AQ Pretreatment on Delignification and Enzymatic Digestibility of Corn Stover

LIU Wenwen1,2, LIANG Long1, SHEN Kuizhong1,2, FANG Guigan1, TIAN Qingwen1

(1. Institute of Chemical Industry of Forest Products,CAF;National Engineering Lab. for Biomass Chemical Utilization;Key and Open Lab. of Forest Chemical Engineering,SFA;Key Lab. of Biomass Energy and Material,Jiangsu Province, Nanjing 210042, China; 2. Research Institute of Forestry New Technology,CAF, Beijing 100091, China)

The optimized conditions of NaOH/AQ pretreatment and the effects of the lignin removing rate on the enzymatic digestibility of the pretreated corn stover were investigated. The optimized conditions of the NaOH/AQ pretreatment obtained by the orthogonal experimental design were the reaction temperature 160 ℃,the reaction time 60 min, the NaOH dosage(based on the mass of dried material)2.8 %,the anthraquinone(AQ) dosage 0.05 % and the solid to liquor ratio 1∶5(g∶mL). Under these conditions,the lignin removing rate reached 75 % and the polysaccharides conversion rate of the enzymatic digestibility reached 73.79 %. The enzymatic efficiency of the pretreated samples improved with the increase of the lignin removing rate. The maximum polysaccharide conversion rate of the pretreated biomass could be obtained as the lignin removing rate reached some degree and then the polysaccharides conversion rate decreased with the continued increase of the lignin removing rate. The optimized conditions of enzymatic hydrolysis by using response surface experimental design were as follows:the temperature 50 ℃,the time 72 h,the substrate consistency 2.5 %, the cellulase dosage 30 FPU/g and the cellubiase enzyme dosage 10 IU/g. Then the reducing sugar yield was 85.62 %. The HPLC analyses showed that the glucose and xylose mass concentrations in the enzymatic hydrolyzates were 14.83 and 4.83 g/L,respectively. The results of XRD showed that the crystal form of cellulose before and after pretreatment didn′t change and the crystallinity of the pretreated corn stover was increased to 46.91 % from 31.40 % because of the dissolving of lignin and hemicellulose.

corn stover;NaOH/AQ pretreatment;enzymatic hydrolysis;polysaccharide conversion rate

聯(lián)系地址:210042 南京市鎖金五村16號中國林科院林產(chǎn)化學工業(yè)研究所電 話:(025)85482449,85482448聯(lián)系人:譚衛(wèi)紅傳 真:(025)85482450

2016-04-21

江蘇省自然科學基金資助項目(BK20160151)；江蘇省生物質(zhì)能源與材料重點實驗室項目(JSBEM2014012) 作者簡介：劉雯雯(1991— )，女，江蘇淮安人，碩士生，研究方向為制漿造紙及生物質(zhì)預處理技術；E-mail:wenwenready@163.com

10.3969/j.issn.1673-5854.2017.04.006

TQ35

A

1673-5854(2017)04-0039-08

*通訊作者：沈葵忠，研究員，研究領域為制漿造紙新技術及生物質(zhì)預處理技術；E-mail:shenkuizhong@aliyun.com。