超微粉碎預(yù)處理和酶解對(duì)玉米秸稈結(jié)構(gòu)的影響

摘"要：為了研究超微粉碎預(yù)處理和酶解對(duì)玉米秸稈結(jié)構(gòu)的影響，對(duì)玉米秸稈進(jìn)行短時(shí)間超微粉碎預(yù)處理及酶解試驗(yàn)，再選取預(yù)處理和酶解前后的固體組分進(jìn)行結(jié)構(gòu)表征。掃描電鏡結(jié)果顯示，預(yù)處理時(shí)間越長，秸稈的維管束結(jié)構(gòu)被破壞程度越大，酶解后表面變得疏松多孔。X射線光電子能譜全譜顯示，預(yù)處理后O/C值升高，酶解后O/C值降低。X射線衍射顯示，預(yù)處理0.5 h、1.0 h、1.5 h、2.0 h后結(jié)晶度依次逐漸降低，超微粉碎時(shí)間越長，對(duì)秸稈粉體的晶型結(jié)構(gòu)破壞程度越大，結(jié)晶度降低越顯著。比表面積和孔體積分析顯示，玉米秸稈預(yù)處理后，比表面積和孔體積明顯增大，進(jìn)一步驗(yàn)證超微粉碎破壞玉米秸稈的維管束結(jié)構(gòu)和纖維素晶體結(jié)構(gòu)，內(nèi)腔的表面積暴露出來，產(chǎn)生新的表面，暴露更多的酶結(jié)合位點(diǎn)。綜合分析可以看出，超微粉碎預(yù)處理和酶解對(duì)玉米秸稈結(jié)構(gòu)的改變，有利于后續(xù)秸稈的轉(zhuǎn)化利用。

關(guān)鍵詞：玉米秸稈；超微粉碎；預(yù)處理；酶解；結(jié)構(gòu)表征

中圖分類號(hào)：S513""文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A""文章編號(hào)：0488-5368（2024）12-0021-06

Effects of Ultrafine Grinding Pretreatment and Enzymatic Hydrolysis on Structure of Corn Straw

LI Yaping

（Handan Agricultural Environmental Protection Monitoring Station，Handan，Hebei 056000，China）

Abstract： "To investigate the effects of ultrafine grinding pretreatment and enzymatic hydrolysis on the structure of corn straw， a short-duration ultrafine grinding pretreatment was followed by enzymatic hydrolysis， and the solid components before and after these processes underwent structural characterization.The results showed that prolonged pretreatment led to increasingly severe disruption of the vascular bundle structure， as observed by scanning electron microscopy （SEM）. After enzymatic hydrolysis， the surface of the straw became looser and more porous. X-ray photoelectron spectroscopy （XPS） analysis showed an increase in the oxygen-to-carbon （O/C） ratio after pretreatment， which subsequently decreased after enzymatic hydrolysis. X-ray diffraction （XRD） indicated a progressive reduction in crystallinity with pretreatment durations of 0.5 h， 1.0 h， 1.5 h， and 2.0 h. This confirmed that extended ultrafine grinding caused substantial damage to the crystalline structure of straw powder， leading to a significant decrease in crystallinity. Analysis of the specific surface area and pore volume showed that the pretreatment significantly enhanced both parameters， supporting the idea that ultrafine grinding disrupted the vascular bundle and cellulose crystalline structure of corn straw. This process exposed the surface area of the inner cavity， generated new surfaces， and revealed additional enzyme-binding sites. Overall， the structural changes induced by ultrafine grinding and enzymatic hydrolysis are advantageous for the subsequent conversion and utilization of corn straw.

Key words： Corn straw; Ultrafine grinding; Pretreatment; Enzymolysis; Structural characterization

生物質(zhì)能源作為目前唯一一種可再生碳源，擁有來源豐富、清潔低碳、可再生性等特點(diǎn)[1]，是解決能源問題重要的方案之一[2]。農(nóng)作物秸稈作為重要的生物質(zhì)能源材料之一，在中國具有廣闊的來源[3]。其中玉米、水稻和小麥3類農(nóng)作物秸稈占總量的79.19％[4]"。結(jié)合《中國統(tǒng)計(jì)年鑒2023》及糧食產(chǎn)量和秸稈量換算關(guān)系，2022年玉米秸稈約占農(nóng)作物秸稈總量的1/3。玉米秸稈資源十分豐富，但大量秸稈低效焚燒，不僅浪費(fèi)資源，且污染環(huán)境。因此，將玉米秸稈資源化開發(fā)利用具有很大的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益，是助力“和美鄉(xiāng)村”建設(shè)和碳達(dá)峰碳中和的重要舉措。

以秸稈為原料生產(chǎn)生物乙醇成為資源化利用的途徑之一。玉米秸稈主要由纖維素、半纖維素、木質(zhì)素等組成，然而，植物細(xì)胞壁成分的難降解性、纖維素的高結(jié)晶度、木質(zhì)素對(duì)纖維素強(qiáng)力包裹纏繞、低的可接近表面積以及半纖維素對(duì)纖維素的包裹[5]，這些都是限制其進(jìn)一步利用開發(fā)的障礙。因此需要進(jìn)行預(yù)處理克服木質(zhì)纖維素的頑固性，增加纖維素溶解度，有效地分離可利用的木質(zhì)纖維素組分，增加孔隙度和表面積，提高原料的可及性[6]。預(yù)處理后通過酶水解將秸稈中的纖維素和半纖維素降解為纖維二糖和葡萄糖，進(jìn)一步發(fā)酵轉(zhuǎn)化為生物乙醇[7]。

該研究選擇綠色、安全的超微粉碎預(yù)處理方法對(duì)玉米秸稈進(jìn)行預(yù)處理，并對(duì)預(yù)處理后的秸稈樣品進(jìn)行酶解試驗(yàn)研究。對(duì)預(yù)處理和酶解前后的固體組分進(jìn)行結(jié)構(gòu)表征，通過掃描電鏡（SEM）觀察玉米秸稈原樣、預(yù)處理樣品及酶解72 h玉米秸稈的表面特征；利用X射線衍射儀（XRD）分析預(yù)處理和酶解72 h前后玉米秸稈結(jié)晶度的變化；利用X射線光電子能譜（XPS）觀察預(yù)處理及酶解72 h前后玉米秸稈表面元素及成分的變化；利用比表面積孔徑分析測(cè)試儀分析處理前后秸稈的比表面積（SSA）和孔體積（PV）。研究超微粉碎預(yù)處理和酶解對(duì)玉米秸稈結(jié)構(gòu)的影響，有效推動(dòng)秸稈的資源化利用及秸稈生物乙醇產(chǎn)業(yè)化發(fā)展進(jìn)程，以期更好地指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)。

1"材料與方法

1.1"試驗(yàn)材料

玉米秸稈，采自云南省曲靖市羅平縣農(nóng)田。取回后于通風(fēng)處自然晾干，粉碎至 40 目后封裝于密封袋中室溫避光保存?zhèn)溆谩?/p>

1.2"試劑與儀器

纖維素酶（ Cellulast 1.5L） 、纖維二糖酶（Novozyme 188） 和pNPG購于Sigma; 氫氧化鈉、一水合檸檬酸，分析純，北京化工廠; pNP，分析純，百靈威科技有限公司; 四環(huán)素鹽酸鹽，分析純，北京藍(lán)弋化工產(chǎn)品有限責(zé)任公司；RT－34 靜音研磨粉碎機(jī)，香港榮聰精密科技有限公司; CJM－SY－B高能納米球磨粉碎機(jī)，秦皇島市太極環(huán)納米制品有限公司; XS205電子天平，METTLER TOLEDO 公司;SHA－B（A） 水浴恒溫振蕩器，金壇市科析儀器有限公司;SevenEasy pH 計(jì)，METTLER TOLEDO 公司;掃描電子顯微鏡，Hitachi；X射線光電子能譜儀，美國熱電公司；X射線衍射儀，Bruker；比表面積孔徑分析測(cè)試儀，Quantachrome Instruments，F(xiàn)L，USA。

1.3"玉米秸稈超微粉碎預(yù)處理

詳見文獻(xiàn)“超微粉碎預(yù)處理對(duì)玉米秸稈酶解效果的影響”中的1.3[8]。

1.4"酶解方法

詳見文獻(xiàn)“超微粉碎預(yù)處理對(duì)玉米秸稈酶解效果的影響”中的1.6[8]。酶解反應(yīng)72 h 后離心分離，固體部分用去離子水多次沖洗至中性后，真空冷凍干燥 24 h 后測(cè)定結(jié)晶度（XRD）、掃描電子顯微鏡（SEM）、X射線光電子能譜（XPS）、比表面積和孔徑分布等指標(biāo)。

1.5"結(jié)構(gòu)表征

1.5.1"掃描電子顯微鏡（SEM）測(cè)定"SEM是介于光學(xué)顯微鏡和透射電鏡間的一種微觀形貌觀測(cè)手段[9]。這里利用其觀察玉米秸稈預(yù)處理前后及酶解后表面形貌的變化。

測(cè)試前，首先用導(dǎo)電膠將秸稈固定在載物臺(tái)上，然后給樣品表面噴Pt以增加樣品表面的導(dǎo)電性，處理時(shí)間為200 s，最后將載物臺(tái)放置于測(cè)試室內(nèi)抽真空，測(cè)定時(shí)加速電壓為3 kv。

1.5.2"X射線光電子能譜（XPS）的測(cè)定"利用XPS根據(jù)光電子峰的面積對(duì)元素進(jìn)行定量分析，主要觀察玉米秸稈原樣、超微粉碎預(yù)處理后樣品及酶解后樣品表層10 nm以內(nèi)的元素組成和成分構(gòu)成。

測(cè)試時(shí)設(shè)備選用Al陽極單色靶，電荷校正采用污染碳C1s=284.8 eV進(jìn)行校正，功率150 W，樣品室真空度為3.4×10-9 Torr，掃描面積為650 μm×650 μm，掃樣深度小于10 nm。

1.5.3"X射線衍射（XRD）分析"實(shí)驗(yàn)利用XRD分析玉米秸稈原樣、超微粉碎預(yù)處理不同時(shí)間后樣品及酶解后樣品中纖維素的結(jié)晶度。纖維素的結(jié)晶區(qū)占整個(gè)纖維素的百分率即為纖維素的結(jié)晶度[10]，它反映了纖維素在聚集時(shí)形成結(jié)晶的程度。

測(cè)量時(shí)將適量秸稈粉末樣品置于載物臺(tái)上壓平，測(cè)試時(shí)X光管電壓為40 kv，電流為40 mA，掃描角度為5°～40°，步長0.02°，掃描頻率是2°/min。

結(jié)晶度的計(jì)算采用Segal經(jīng)驗(yàn)峰強(qiáng)度法[11]，公式為：＼$＼$

CrI=I002-IamI002×100＼$＼$

式中，

I002——衍射峰強(qiáng)度最大值

Iam——2θ=18°時(shí)的衍射峰強(qiáng)度

1.5.4"比表面積（SSA）和孔體積（PV）測(cè)定"利用比表面積孔徑分析測(cè)試儀測(cè)量玉米秸稈原樣、超微粉碎預(yù)處理后樣品的比表面積和孔徑分布。

測(cè)試前先將樣品在 80 ℃下脫氣 8 h ，隨后將樣品放在液氮-195℃環(huán)境中冷卻，進(jìn)行物理吸附，使氮?dú)飧患跇悠吠獗砻婧蛢?nèi)部孔隙中。當(dāng)吸附達(dá)到平衡后，通過測(cè)量平衡吸附壓力和吸附氣體量，分別以 Brunauer-Emmett-Teller（BET）模型[12]及 Barrett- Joyner- Halenda（BJH）模型[13]計(jì)算樣品的比表面積和孔體積。

2"結(jié)果與分析

2.1"掃描電子顯微鏡（SEM）分析結(jié)果

玉米秸稈原樣、超微粉碎預(yù)處理后樣品及酶解后樣品的掃描電鏡結(jié)果如圖1～2所示。

圖1a顯示玉米秸稈原樣結(jié)構(gòu)完整，表面緊密有序排列，這樣的結(jié)構(gòu)使纖維素的可及度降低，嚴(yán)重影響酶解效率。圖1b為超微粉碎預(yù)處理0.5 h的玉米秸稈樣品，維管束結(jié)構(gòu)基本被破壞，說明機(jī)械粉碎預(yù)處理對(duì)玉米秸稈的組織結(jié)構(gòu)有較大破壞。圖1c顯示球磨1 h后，纖維束結(jié)構(gòu)進(jìn)一步被破壞，出現(xiàn)更細(xì)小的碎片。圖1d為超微粉碎預(yù)處理1.5 h后的樣品，此時(shí)已基本看不到維管束狀結(jié)構(gòu)，呈顆粒狀分布排列。

圖2a可看出原樣經(jīng)過酶解72 h后雖然發(fā)生一定程度降解，表面變得粗糙，且有較大的薄片結(jié)構(gòu)出現(xiàn)，但結(jié)構(gòu)還是較為完整，說明原樣酶解過程中纖維素酶的可及度很低，降解作用很有限。圖2b、2c、2d、2e可看出超微粉碎預(yù)處理越長時(shí)間的秸稈酶解72 h后結(jié)構(gòu)被降解破壞的越嚴(yán)重，表面變得越疏松多孔。說明增加超微粉碎時(shí)間有助于促進(jìn)酶解過程進(jìn)行。

2.2"X射線光電子能譜（XPS）分析結(jié)果

玉米秸稈原樣、超微粉碎預(yù)處理樣品及酶解72 h樣品的X射線光電子能譜全譜的結(jié)果分別如圖3～4所示。

圖3 、圖4 "X射線光電子能譜數(shù)據(jù)處理需要采用專門的XPSPEAK英文軟件進(jìn)行，所以導(dǎo)出的圖中每個(gè)小圖橫縱坐標(biāo)為英文。每個(gè)圖中都標(biāo)明了O/C值，文章重點(diǎn)對(duì)O/C這個(gè)指標(biāo)進(jìn)行了比較分析。

XPS的結(jié)果用以表征不同處理后秸稈表面元素和成分變化。玉米秸稈表面的元素組成主要是C和O，在XPS檢測(cè)中氧碳比O/C作為一個(gè)重要的測(cè)量指標(biāo)。理論上，生物質(zhì)中纖維素、半纖維素、木質(zhì)素、抽提物的氧碳比值分別為0.83、0.81、0.33、0.04～0.11[14～17]。由圖3可知，玉米秸稈原樣O/C值較低為0.36。因?yàn)榻斩挶砻嬗谐樘嵛锔街缦瀃18]和脂肪酸、甘油三脂和固醇類等親脂性物質(zhì)[16]。酶解72 h后，O/C值升高為0.43，這是由于酶解72 h后秸稈中木質(zhì)纖維成分的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)在一定程度上被破壞，纖維素被暴露出來。

超微粉碎預(yù)處理0.5 h、1.0 h、1.5 h、2.0 h后樣品的O/C分別為0.41、0.46、0.50、0.56，隨球磨時(shí)間延長，O/C值逐漸升高。酶解72 h，O/C分別降低為0.39、0.41、0.43、0.45。結(jié)合SEM圖像可知，超微粉碎預(yù)處理時(shí)間越長，維管束結(jié)構(gòu)破壞程度越深，顆粒表面纖維素和半纖維素含量增加，O/C增加[19]。BM0.5 h、BM1.0 h、BM1.5 h、BM2.0 h樣品酶解72 h后纖維素和半纖維素被降解程度越來越大，氧碳比依次降低。

2.3"X射線衍射（XRD）分析結(jié)果

玉米秸稈原樣、超微粉碎預(yù)處理樣品及酶解72 h后樣品的纖維素結(jié)晶度如表1所示。

由表1可知，玉米秸稈原樣的結(jié)晶度較低為37.91，超微粉碎預(yù)處理0.5 h、1.0 h、1.5 h、2.0 h后結(jié)晶度依次逐漸降低。在0～2 h范圍內(nèi)，超微粉碎時(shí)間越長，對(duì)秸稈粉體的晶型結(jié)構(gòu)破壞程度越大，結(jié)晶度降低越顯著。相比于原樣，BM2.0 h樣品的結(jié)晶度降低了76.3%。原樣酶解72 h后結(jié)晶度變?yōu)?5.10，變化不大，因?yàn)樵瓨用附庑瘦^低。BM0.5 h、BM1.0 h、BM1.5 h、BM2.0 h樣品酶解72 h后，結(jié)晶度均有所升高。

2.4"比表面積（SSA）和孔體積（PV）分析結(jié)果

玉米秸稈原樣、超微粉碎預(yù)處理樣品的比表面積和孔體積的結(jié)果如表2所示。

氣體BET法測(cè)出的比表面積SSA是秸稈顆粒內(nèi)部通孔和外部的總表面積。由表2可知，玉米秸稈超微粉碎預(yù)處理后，比表面積和孔體積明顯增大，比表面積由原樣的1.182 m²/g增加到BM0.5 h的3.320 m²/g，增大了1.81倍，孔體積由原樣的6.816×10-3 cm3/g增加到BM0.5 h的23.68×10-3 cm3/g，增加了2.47倍。超微粉碎時(shí)間增加到1.5 h時(shí)，SSA和PV均達(dá)到最大值。進(jìn)一步驗(yàn)證超微粉碎破壞了玉米秸稈的維管束結(jié)構(gòu)，內(nèi)腔的表面積暴露出來，同時(shí)破壞了纖維素晶體結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生了新的表面。機(jī)械粉碎預(yù)處理可破壞木質(zhì)纖維素結(jié)構(gòu)，擾亂緊密排列的纖維束，暴露更多的酶結(jié)合位點(diǎn)[20～21]。

3"結(jié)"論

SEM結(jié)果顯示，不同預(yù)處理后的玉米秸稈表面形貌差異較大。原樣結(jié)構(gòu)完整。超微粉碎預(yù)處理時(shí)間越長，秸稈的維管束結(jié)構(gòu)被破壞程度越大，粉碎2 h后呈顆粒狀分布。超微粉碎預(yù)處理秸稈酶解后表面變得疏松多孔。X射線光電子能譜（XPS）全譜結(jié)果顯示，超微粉碎預(yù)處理后O/C值有不同程度升高，酶解后，O/C值降低。X射線衍射（XRD）結(jié)果顯示，超微粉碎預(yù)處理0.5 h、1.0 h、1.5 h、2.0 h后結(jié)晶度依次逐漸降低，說明超微粉碎時(shí)間越長，對(duì)秸稈粉體的晶型結(jié)構(gòu)破壞程度越大，結(jié)晶度降低越顯著。比表面積和孔體積分析結(jié)果顯示，玉米秸稈超微粉碎預(yù)處理后，比表面積和孔體積明顯增大，進(jìn)一步驗(yàn)證超微粉碎破壞了玉米秸稈的維管束結(jié)構(gòu)，內(nèi)腔的表面積暴露出來，破壞了纖維素晶體結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生了新的表面，暴露更多的酶結(jié)合位點(diǎn)。

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