不同方法预处理的玉米秸秆结构与酶解分析

NaOH预处理后的玉米秸纤维素酶水解效果试验研
究的开题报告
引言：
随着人口的增加和能源需求的增大，替代传统化石能源的生物质能源逐渐成为人们关注的研究热点之一。

玉米秸秆作为一种常见的农业废弃物，具有丰富的纤维素组分，可作为生物质能源精细化利用的重要原料。

但是，纤维素的结构复杂、难以分解，生物降解技术成为纤维素资源利用的关键技术之一。

本研究旨在通过NaOH预处理玉米秸秆，提高其纤维素酶水解效果，为生物质能源的利用提供参考。

研究方法：
1.预处理方法：取一定量的玉米秸秆，采用NaOH预处理方法，控制NaOH浓度、反应温度和反应时间等因素，得到一定条件下处理后的玉米秸秆样品。

2.酶解条件：选用适当的纤维素酶，在一定的酶解条件下，对NaOH 预处理后的玉米秸秆进行水解反应。

3.结构性质分析：通过扫描电镜、红外光谱等方法分析预处理前后样品的结构性质，探究NaOH预处理对玉米秸秆纤维素的影响。

预期结果：
NaOH预处理能够有效破坏纤维素的结构，提高酶解效率。

通过分析玉米秸秆在NaOH预处理前后的结构性质，揭示预处理对纤维素酶水解效果的影响机理。

结果可为生物质能源的精细化利用提供理论基础和实验依据。

研究意义：
1.研究NaOH预处理对纤维素水解效果的影响，为优化生物质能源的生产工艺提供科学依据。

2.探究NaOH预处理对玉米秸秆结构性质的影响，为深入理解生物质水解机理提供参考。

3.提高玉米秸秆作为生物质资源利用的效率，减少传统化石能源的使用，推动可持续发展。

山西农业科学 2023，51（12）：1426-1434Journal of Shanxi Agricultural SciencesCFS 预处理对不同秸秆原料酶解和理化结构的影响田鑫，王雨萌，徐师苗，汪强杰，胡轲，张海波，程红艳（山西农业大学 资源环境学院，山西 太谷 030801）摘要：高铁酸钾复合液（CFS ）是制备高铁酸钾的剩余滤液，其含有大量碱（OH -）和氧化剂（ClO -和Fe 6+），具有破坏木质纤维素顽固结构、提升酶解效率的潜力。

为实现秸秆的资源化利用与高铁酸钾制备废液的再利用，以山西储量丰富的玉米秸秆（CS ）、高粱秸秆（SS ）和谷子秸秆（MS ）为原料，采用CFS 进行预处理，对比3种秸秆的酶解糖化率，分析秸秆的理化结构变化。

结果表明，CFS 预处理中碱和氧化剂共同参与了3种秸秆的降解，促进了酶解糖化率；在最佳预处理时间24 h 下，CS 、SS 和MS 的还原糖产量分别较对照提高252.77%、236.39%、216.66%，其中CS 的酶解效率最高；组分分析表明，CFS 处理能有效去除3种秸秆中木质素成分，增加纤维素相对含量，进而有利于纤维素酶的可及性；结构分析显示，CFS 处理后，3种秸秆的理化结构发生了不同程度变化，粗糙度增加，官能团发生断裂，纤维结晶度升高，热稳定性变差。

在3种秸秆中，CS 结构变化最明显，更有利于被生物转化。

综上，CFS 预处理可改变作物秸秆的理化结构，破坏其致密结构，促进后续酶解效率，是一种理想的预处理技术。

关键词：高铁酸钾复合液（CFS ）；预处理；作物秸秆；还原糖产量；理化结构中图分类号：S141.4 文献标识码：A 文章编号：1002‒2481（2023）12‒1426‒09Effects of CFS Pretreatment on Enzymatic Hydrolysis and PhysicochemicalStructure of Different Straw MaterialsTIAN Xin ，WANG Yumeng ，XU Shimiao ，WANG Qiangjie ，HU Ke ，ZHANG Haibo ，CHENG Hongyan（College of Resources and Environment ，Shanxi Agricultural University ，Taigu 030801，China ）Abstract ： Composite ferrate solution(CFS) is the residual filtrate for preparing potassium ferrate. It contains a lot of alkali (OH -) and oxidant(ClO - and Fe 6+), which has the potential to destroy the recalcitrant structure of lignocellulose and improve the efficiency of enzymatic hydrolysis. In order to realize the utilization of straw resources and reuse of preparation waste liquid of potassium ferrate, in this paper, corn straw(CS), sorghum straw(SS), and millet straw(MS), which are abundant in Shanxi province, were pretreated with CFS, the enzymolysis and saccharification rates of the three kinds of straw were compared, and the change of physicochemical structure of the straw was analyzed. The results showed that the alkali and oxidant in the pretreatment of CFS were involved in the degradation of three kinds of straw, which promoted the enzymatic hydrolysis rate and saccharification rate. Under the optimal pretreatment time of 24 h, the reducing sugar yield of CS, SS, and MS was increased by 252.77%, 236.39%, and 216.66% compared with that of the control, respectively, and the enzymatic hydrolysis efficiency of CS was the highest. Component analysis showed that CFS treatment could effectively remove lignin in three kinds of straw and increase the relative content of cellulose, which was beneficial to the accessibility of cellulase. Structural analysis showed that after CFS treatment, the physicochemical structure of the three kinds of straw changed in different degrees, roughness increased, functional group fractured, fiber crystallinity increased, and thermal stability decreased. Among the three kinds of straw, CS had the most obvious structural change and was more conducive to biotransformation. In conclusion, CFS pretreatment could change the physicochemical structure of crop straws, destroy the dense structure and promote the efficiency of subsequent enzymatic hydrolysis, so it was an ideal pretreatment technology.Key words ：composite ferrate solution(CFS); pretreatment; crop straw; reducing sugar yield; physicochemical structuredoidoi:10.3969/j.issn.1002-2481.2023.12.11收稿日期：2023-01-04基金项目：山西省高等学校科技创新项目（2020L0137）；山西农业大学科技创新基金项目 （2018YJ39）；山西省优秀博士来晋工作奖励基金（SXYBKY201803）；国家自然科学基金（52100149）；山西省水利科学技术研究与推广项目（2022GM034）作者简介：田　鑫（1997-），女，山西汾阳人，在读硕士，研究方向：农业环境保护与废弃物资源化利用。

一、玉米秸秆预处理实验（因素：固液比、温度、时间、浓度）
1.物理处理（1g玉米秸粉+20ml buffer）固液比：1：20
高温处理121℃20min 40min 60min
2.化学处理（2g玉米秸粉+40ml buffer）
1）1%NaOH 0.5%NaOH 1%H2SO4 0.25%H2SO4
1h 2h 4h
2)氨水处理（2g玉米秸粉+40ml buffer）
1% 2% 5%NH3.H2O
50℃8h 16h 24h 36h 48h
注：buffer配制0.02mol/L NaCOOH+0.02mol/L HCOOH (pH 4.8)
处理完成后离心取上清测葡萄糖浓度，沉淀置于培养皿中烘箱烘干实验结果
以较好结果的测其成分（高效液相色谱法）
由结果葡萄糖产率高的重复
3）72%硫酸处理实验
0.5g/0.1g/0.2g玉米秸粉+5ml72%硫酸室温放置2.5h 摇晃
↓
181.7ml蒸馏水121℃1h
↓
Ba（OH）2调制中性（试纸检验）
↓
1ml上清12000r/m 10min
↓
200ul上清+800ul超纯水
↓
高效液相色谱测成分（葡萄糖、木糖）
4）生物处理
摇瓶糖化实验（酶处理）每个做两个平行
1g玉米秸粉（400种）+20ml buffer+35ul糖化酶+叠氮钠（抑菌作用）
↓
50℃恒温摇床120rpm 3day
↓
↓
取2ml样品4℃冰箱存放
结果处理：①取1ml上清12000rpm/min 10min
取上清50ul+200ul纯水液相测成分
②用生化分析仪测葡萄糖浓度。

摘要：开发了基于机械生物处理法的玉米秸秆利用技术，该技术将玉米秸秆加工为机械浆、葡萄糖和木糖。

首先对风干的玉米秸秆进行单螺旋搓丝和筛分，实现皮瓤分离，所得皮、瓤的质量比为1∶8；所得的玉米秸秆皮进行机械磨浆和0.18 m m缝筛精制，所得纸浆相对玉米秸秆的得率为75%。

硫酸盐针叶木浆和玉米秸秆机械浆进行配抄，针叶浆加入量为20%时，纸浆撕裂指数为6.0 m N .m 2/g、抗张指数为22.7 N .m/g。

所得的玉米秸秆瓤加入纤维素酶和木聚糖酶进行酶解糖化，50 ℃、48 h的葡萄糖产量为37.5 kg/t玉米秸秆瓤，木糖产量为16.28 kg/t玉米秸秆瓤。

关键词：玉米秸秆；皮瓤分离；机械浆；酶解；葡萄糖；木糖Abstract: In this study, a technology for utilization of corn straw based on mechanical biological treatment was developed, which processed corn straw into mechanical pulp, glucose and xylose. The air-dried corn straw was first separated by single spiral rolling and sieving to achieve a skin-to-flesh ratio of 1:8. The corn straw skin was mechanically milled and refined by 0.18 mm slit sieve, resultingin a pulp yield of 75% relative to corn straw. The pulp tear indexwas 6.0 mN·m 2/g and tensile index was 22.7 N·m/g when the pulp was copied with sulfate coniferous pulp and corn straw mechanical, which the sulfate coniferous pulp accounted for 20%. The corn straw flesh was enzymatically saccharified by adding cellulase and xylanase, and the glucose yield was 37.5 kg/t corn straw flesh and the xylose yield was 16.28 kg/ton corn straw flesh at 50°C and 48 h.Key words: corn straw; skin-flesh separation; mechanical pulp; enzymatic hydrolysis ; glucose生物机械法处理玉米秸秆制备纸浆、葡萄糖和木糖⊙ 蒋晓静1许振利2孙建功2高帅1梁俊1李朱霖1倪书振1傅英娟1王兆江1*[1.齐鲁工业大学（山东省科学院），轻工学部、生物基材料与绿色造纸国家重点实验室，济南 250013；2.山东天和纸业有限公司，山东宁阳 271400]Biomechanical Treatment of Corn Straw for the Preparation of Pulp, Glucose and Xylose⊙ Jiang xiaojing 1, Xu Zhenli 2, Sun Jiangong 2, Gao Shuai 1, Liang Jun 1, Li Zhulin 1, Ni Shuzhen 1, Fu Yingjuan 1, Wang Zhaojiang 1* (1.State Key Laboratory of Bio-based Materials and Green Papermaking, Qilu University of Technology, Jinan, Shandong 250013, China; 2.Shandong Tianhe Paper Co., Ltd., Ningyang, Shandong 271400, China)□ 基金项目：国家自然科学基金项目(22208175); 济南市基金项目（202228076）。

1、玉米秸秆简介主要由植物细胞壁组成,基本成分为纤维素、半纤维素和木质素等。

木质素将纤维素和半纤维素层层包围。

纤维素是一种直链多糖,多个分子平行排列成丝状不溶性微小纤维;半纤维素主要由木糖、少量阿拉伯糖、半乳糖、甘露糖组成；木质素是以苯丙烷及衍生物为基本单位组成的高分子芳香族化合物。

其中,木质素是一种燃料,半纤维素可水解为五碳糖,而纤维素水解为六碳糖比较困难。

秸秆中的主要成分为纤维素、半纤维素和木质素，前两者可以降解为单糖用于发酵生产丁醇。

但是纤维素的降解条件较为苛刻，需要消耗的大量纤维素酶才能使其有效降解，这样从秸秆中的己糖来生产丁醇就面临高成本的压力。

而秸秆中的半纤维素较容易降解，使用稀酸处理的方法可以将半纤维素几乎全部降解为单糖纤维素生物质是由纤维素(Cellulose 30-50%），半纤维素（Hemicellulose20-40%），和木质素（Lignin 15-30%）组成的复杂材料。

纤维素分子是由n个葡萄糖苷通过β-1,4糖苷键连接起来的链状聚合体，纤维素大分子之间通过氢键聚合在一起形成纤维束。

半纤维素是一大类结构不同的多聚糖的统称，这类聚糖包括葡萄糖、甘露聚糖、半乳聚糖、木聚糖、阿拉伯聚糖以及果胶，而木聚糖占组分的一半以上。

木质素是由苯基丙烷结构单元通过碳~碳键连接而成的具有三维空间结构的高分子聚合物。

半纤维素位于许多纤维素之间，就像一种填充在纤维素框架中的填充料；而木质素是一种镶嵌物质，在纤维素周围形成保护层。

纤维素、半纤维素和木质素在不同原料中所占的比例各不相同，故利用的难易程度也会有差异。

一些常见的植物纤维素各组分比例见表1.表1 常见植物纤维原料的组成木质纤维素原料纤维素Cellulose（w%）半纤维素Hemicellulo木质素LigninLignocellulose（w%）（w%）se小麦杆[2]35~45 20~30 8~15玉米杆[3]40 30 24玉米纤维[4]19 29 8稻壳[5]36 12 15甘蔗渣[6]43 31 11大豆杆[7]25 12 18树木硬木[8]40~55 24~40 18~25软木45~50 25~35 25~35新闻纸40~55 25~40 18~30废纸60~70 10~20 5~10纤维素生物质中的糖以纤维素和半纤维素的形式存在。

膨化预处理玉米秸秆的还原糖酶解工艺其中，生物质的主要成分是纤维素和半纤维素，它们有着长链结构，不易降解。

为了有效地利用这些成分，需要通过预处理技术来改变其物理和化学特性，使其更易于生物转化和微生物降解。

在膨化预处理技术中，主要利用了高温和高压的作用，打破了细胞壁的结构，使纤维素和半纤维素变得更加易于转化和降解。

一些研究证明，使用膨化预处理技术可以将玉米秸秆中的纤维素和半纤维素转化为可用的还原糖。

还原糖是一种重要的生物质基础化学品，可以用于制备生物质能源、高附加值化学品、生物质化肥等。

其中，纤维素通过酶解反应变成葡萄糖，并进行发酵、糖醇或其他化学转化，形成不同的生物质基础化学品；而半纤维素则发生酸解反应，变成木糖和木醇等还原糖。

在膨化预处理的还原糖酶解工艺中，首先需要对玉米秸秆进行物理预处理，以去除杂质和硬木质素。

该步骤通常包括筛选、石灰浸泡、清洗和干燥等过程。

接着，将物理预处理后的玉米秸秆送入膨化设备，通过高温和高压的作用，将其膨化，打开了纤维素和半纤维素的结构。

最后，使用酶解剂，将膨化后的玉米秸秆中的纤维素和半纤维素酶解成还原糖。

酶解过程通常分为两个阶段，首先是β-葡萄糖苷酶的作用，将纤维素分解成葡萄糖；然后是木聚糖酶的作用，将半纤维素分解成木糖和木醇等还原糖。

由于玉米秸秆中的纤维素和半纤维素之间的结构是紧密相连的，因此需要进行特殊的还原糖酶解处理，才能有效地将其转化为有用的基础化学品。

在酶解过程中，需要注意酶解剂的种类、浓度和作用时间等因素，以及酶解过程中的温度、pH值等条件。

此外，由于玉米秸秆中的纤维素和半纤维素的含量比例不同，因此也需要根据实际情况进行相应的处理。

总之，膨化预处理是一种有效的生物质能源利用技术，可以将玉米秸秆转化为可用的还原糖。

还原糖酶解工艺是将还原糖转化为有用的基础化学品的关键技术。

该技术的研究和应用不仅有助于提高生物质能源的利用效率，还有助于减轻环境负担，推进环保和可持续发展。

第26卷第11期农业工程学报V ol.26 No.112010年11月Transactions of the CSAE Nov. 2010 265 膨化预处理玉米秸秆提高还原糖酶解产率的效果寇巍，赵勇，闫昌国，李世密，张晓健，张大雷※（辽宁省能源研究所，营口 115003）摘 要：为了提高玉米秸秆的可发酵还原糖转化率，采用膨化技术对玉米秸秆木质纤维素进行预处理。

扫描电镜观察，玉米秸秆的纤维束受到破坏，木质素包裹作用减弱，纤维素酶的空间作用面积提高。

红外光谱分析表明有部分半纤维素和少量木质素水解；X射线衍射测定纤维素结晶度降低了12.68%。

通过进一步纤维素酶解试验，与未处理的相比膨化处理后原料酶解时间可缩短16 h，未经膨化处理原料还原糖的酶解产率为13.48%，膨化处理后原料还原糖的酶解产率可达24.91%。

结果表明，膨化预处理技术可明显提高玉米秸秆木质纤维素的能源化利用效率。

该试验为膨化玉米秸秆酶解工艺的进一步研究提供依据。

关键词：秸秆，膨化，纤维素，木质纤维素，预处理，还原糖，酶解产率doi：10.3969/j.issn.1002-6819.2010.11.046中图分类号：S216.2 文献标志码：A 文章编号：1002-6819(2010)-11-0265-05寇 巍，赵 勇，闫昌国，等.膨化预处理玉米秸秆提高还原糖酶解产率的效果[J].农业工程学报，2010，26(11)：265－269.Kou Wei, Zhao Yong, Yan Changguo, et al. Corn straw expansion pretreatment to improve enzymolysis reducing sugar yield[J].Transactions of the CSAE, 2010, 26(11): 265－269. (in Chinese with English abstract)0 引 言农作物秸秆的主要成分为纤维素、半纤维素和木质素，三者占秸秆总量的80%，其中纤维素占30%～40%，半纤维素占25%～30%，木质素占10%～15%。

玉米秸秆稀酸-蒸汽爆破预处理和水解糖化的试验研究韩沐昕;谭羽非;刘欢鹏;李冬梅【摘要】考察了玉米秸秆经1％ (w/w)稀硫酸和水分别浸泡后在不同汽爆压力(分别确定研究压力为1.5 MPa,1.8 MPa和2.0 MPa)和保压时间(分别为4 min,6 min和8 min)下进行蒸汽爆破预处理的处理效果.分析了预处理后固体和液体部分的主要成分和含量.通过考察预处理后固体部分经过纤维素酶作用后所得到的葡萄糖得率,确定了最佳的稀酸-蒸汽爆破预处理工艺.在1％稀硫酸预浸12h后,采用1.8 MPa汽爆条件保压8 min,经过预处理玉米秸秆的最大葡萄糖得率为26.9 g/100g 原料;在该条件下,预处理后过滤液中总糖得率最高为34.5 g/100 g原料.【期刊名称】《科学技术与工程》【年(卷),期】2014(014)010【总页数】5页(P290-294)【关键词】预处理;玉米秸秆;稀酸;稀酸-蒸汽爆破;酶水解【作者】韩沐昕;谭羽非;刘欢鹏;李冬梅【作者单位】哈尔滨工业大学城市水资源和水环境国家重点实验室,市政环境工程学院,哈尔滨150090;黑龙江建筑职业技术学院,哈尔滨150025;哈尔滨工业大学城市水资源和水环境国家重点实验室,市政环境工程学院,哈尔滨150090;哈尔滨工业大学能源科学与工程学院,哈尔滨150001;哈尔滨工业大学城市水资源和水环境国家重点实验室,市政环境工程学院,哈尔滨150090【正文语种】中文【中图分类】X712玉米是我国的主要粮食作物之一，每年的产量约1.3×1012t，同时产玉米秸秆1.56 亿t，玉米秸秆是一种应用价值很高的可再生纤维素资源;但是这种资源长期没有得到合理地开发，约2/3 秸秆被焚烧掉，造成了资源的浪费和大气污染［1］。

秸秆类生物质作为能源，是一种贮存太阳能的可再生物质，生长过程中吸收大气中的CO2，因此在利用过程中排放的CO2，属于大气CO2的正常循环，不存在使全球变暖的效应。

玉米秸秆中不同木质素脱除方法对纤维素酶吸附及酶解效果的比较田顺风;程力;顾正彪;洪雁;李兆丰;李才明【摘要】利用不同预处理方法获得的玉米秸秆底物研究木质素脱除对纤维素酶吸附量及酶解效率的影响.相比于其他处理方法,2%(质量分数)NaOH处理的底物具有最高的木质素脱除率(85%),最高的底物可及性[4.7 mg·(g葡聚糖)?1]及酶解效率(18.9%).通过对不同处理获得的底物进行Langmuir吸附等温曲线模拟,获得了最大吸附量(Wmax)与吸附平衡常数(K),且木质纤维素酶水解效率与纤维素酶吸附量具有很好的线性关系(R2>0.8),表明脱除木质素能很好地提高底物可及性与酶解效率.然而,提高NaOH浓度(3%,4%)进一步脱除木质素时,底物可及性与碳水化合物转化为单糖的效率反而明显下降.因此,适当脱除木质素而提高底物对纤维素酶的可及性将有助于获得更有效的酶水解效果.%Experiments were conducted for various pretreated substrates to investigate the impact of lignin content on cellulase adsorption and substrate digestibility. Compared with other treatments, 2% (mass) NaOH pretreated solids with the highest level of lignin removal (85%) exhibited the highest accessibility to cellulase [4.7 mg protein·(gglucan)?1] and enzymatic digestibility (18.9%). The obtained maximum adsorption capacity (Wmax) and equilibrium constant (K) derived from fitting the Langmuir adsorption isotherm for different delignified substrates indicated that the removal of lignin benefited cellulase adsorption. The relationship between cellulase adsorption capacities and enzymatic digestibility for raw and pretreated solids correlated well (R2>0.8), supporting the hypothesis that carbohydrateconversion was primarily dominated by enhancing substrate accessibility owing to lignin removal. Nevertheless, further delignification by NaOH with concentrations of 3% (mass) and 4% (mass) was unfavorable to improving substrate accessibility to cellulase and enhancing carbohydrates conversion to monosaccharide. It appeared that the appropriate delignification to some degree was a significant pretreatment factor to be taken into consideration to achieve more effectively enzymatic digestibility.【期刊名称】《化工学报》【年(卷),期】2016(005)005【总页数】9页(P2084-2092)【关键词】玉米秸秆;生物质;生物能源;纤维素酶吸附;预处理;木质素脱除;酶水解效率【作者】田顺风;程力;顾正彪;洪雁;李兆丰;李才明【作者单位】江南大学食品科学与技术国家重点实验室,江苏无锡 214122;江南大学食品学院,江苏无锡 214122;江南大学食品营养与安全协同创新中心,江苏无锡214122;江南大学食品科学与技术国家重点实验室,江苏无锡 214122;江南大学食品学院,江苏无锡 214122;江南大学食品营养与安全协同创新中心,江苏无锡214122;江南大学食品科学与技术国家重点实验室,江苏无锡 214122;江南大学食品学院,江苏无锡 214122;江南大学食品营养与安全协同创新中心,江苏无锡214122;江南大学食品科学与技术国家重点实验室,江苏无锡 214122;江南大学食品学院,江苏无锡 214122;江南大学食品营养与安全协同创新中心,江苏无锡214122;江南大学食品科学与技术国家重点实验室,江苏无锡 214122;江南大学食品学院,江苏无锡 214122;江南大学食品营养与安全协同创新中心,江苏无锡214122;江南大学食品科学与技术国家重点实验室,江苏无锡 214122;江南大学食品学院,江苏无锡 214122;江南大学食品营养与安全协同创新中心,江苏无锡214122【正文语种】中文【中图分类】TS721.1DOI：10.11949/j.issn.0438-1157.20151570木质纤维素是地球上最丰富的可再生生物能源［1］，主要由3种聚合物组成：纤维素、半纤维素和木质素。