碱处理中温度对不同底物特性木质纤维素结构及酶解的影响
摘要：为研究碱法预处理中温度对不同底物特性的木质纤维素结构及酶解效率的影响，选用柠条锦鸡儿（Caragana korshinskii Kom，简称CKK，以下简称柠条）、水稻秸秆、小麦秸秆为原料，用NaOH溶液分别在常温和高温条件下进行预处理；通过扫描电镜（简称SEM）分析、傅立叶转换红外光谱（简称FTIR）分析、X-射线衍射（简称XRD）分析等分析预处理后木质纤维素的表面形态、化学成分及结晶度的变化，并用纤维素酶对预处理后的木质纤维素原料进行酶解糖化试验。SEM和成分分析结果表明，NaOH溶液碱处理能有效去除木质纤维素的木质素成分，破坏致密的物理结构；FTIR图谱表明，经NaOH溶液处理后，柠条、水稻秸秆和小麦秸秆的木质素结构受到一定程度的破坏，羟基、亚甲基、甲氧基和酯键等部分官能团发生断裂；XRD分析和酶解结果显示，碱处理能破坏木质纤维素原料中的结晶区，增大原料的孔隙率和内表面积，从而增加纤维素酶的可及性和酶解转化率，经过24 h酶解后，高温下碱处理能使水稻秸秆葡聚糖的转化率高达9487%；其中，温度又作为一个重要的因素影响NaOH溶液碱处理的效果，当温度升高时，NaOH溶液碱处理对木质素的去除效果更好，对底物的物理结构破坏更严重，因此升高温度会促进NaOH溶液碱处理的作用效果。
关键词：碱法预处理；温度；木质纤维素；柠条；水稻秸秆；小麦秸秆；成分分析；酶解糖化
中图分类号： TQ3513；TQ91文献标志码： A
文章编号：1002-1302（2017）21-0292-05
收稿日期：2016-06-15
基金项目：公益性行业（农业）科研专项（编号：201503135-15）。
作者简介：何士成（1991—），男，山东枣庄人，硕士，主要从事木质纤维素生物质降解研究。E-mail：hsctust@163com。
通信作者：钟成，博士，教授，主要从事纤维素的生物合成代谢与降解机制研究。E-mail：czhong@tusteducn。
能源危机与环境压力一直迫使人们寻求一种可代替现有化石能源的新能源，木质纤维素是地球上大量存在的一种极具开发潜力的可再生能源。中国木质纤维素资源丰富，仅农作物秸秆年产生量就有约7亿t，林木枝叶和林业废弃物约 9亿t1]。木质纤维素是一种具有高度结晶区、结构非常稳定的超分子，主要由40%～50%纤维素、15%～30%半纤维素以及15%～30%木质素3种化学物质组成2-3]。在植物细胞壁中，木质素填充于纤维素和半纤维素之间，通过氢键和共价键与糖类聚合物连接在一起。这种结构严重阻碍了纤维素酶对它的降解，合适的预处理是打破这种抗性的有效手段。常用的预处理方法有物理法、化学法和物理化学法等，其中碱法预处理是一种备受关注的化学预处理方法，碱法预处理可去除原料中的部分木质素，提高剩余多聚糖的酶可及性。但由于不同原料间底物分子结构存在差异，同一种预处理方法在相同预处理条件下对不同底物产生的预处理效果具有一定的差异。
本研究选用柠条锦鸡儿（Caragana korshinskii Kom，简称CKK，以下简称柠条，木本植物）、水稻秸秆、小麦秸秆（草本植物）作底物，采用NaOH溶液分别在常温和高温条件下对这3种原料进行预处理，研究碱在同一预处理条件下对不同底物的预处理效果及预处理后木质纤维素底物酶解规律的差异，为生物质能源开发利用过程中木质纤维素原料预处理参数的选择提供理论依据。
1材料与方法
11生物质材料
柠条锦鸡儿采自内蒙古自治区乌兰察布市凉城县，水稻秸秆采自湖南省永州市新田县，小麦秸秆采自山东省枣庄市，以上原料自然风干，剪成2～3 cm小段，用FZ102微型植物试验粉碎机（河北省黄骅市齐家务科學仪器厂）粉碎，过20目筛。
12预处理
柠条、水稻秸秆和小麦秸秆分别与01 molL NaOH溶液按料液比1 g ∶20 mL混合，分别在室温条件下，于高压蒸汽灭菌锅中121 ℃预处理1 h，4 000 rmin离心15 min，弃去上清液，固体残渣水洗至中性。
13木质纤维素的特征分析
131扫描电镜（简称SEM）分析
用扫描电镜观察预处理前后木质纤维素的表面结构。样品观察前先喷金处理，电压5～15 kV。
132傅立叶转换红外光谱（简称FTIR）分析
用傅立叶红外光谱测定碱法预处理前后木质纤维素化学成分的变化，仪器分辨率为4 cm-1，波数范围为400～4 000 cm-1，扫描次数为16次，样品处理采用KBr压片法，2 mg样品与300 mg KBr混合，压片，使样品粒径降低，分散均匀。
133X-射线衍射（简称XRD）分析
用X-射线衍射方法分析NaOH溶液预处理前后柠条、水稻秸秆和小麦秸秆纤维素结晶度的变化，在 2θ=10°～40°范围内扫描，变化速率为 2 °min。结晶度计算公式为
结晶度（简称CrI）=（I002-I180°）I002×100%
式中：I002为002衍射晶面2θ=228°的强度，I180°为2θ=180°散射峰的强度。
134预处理前后木质纤维素的成分分析
预处理前后柠条、水稻秸秆和小麦秸秆的葡聚糖、木聚糖和酸不溶性木质素的含量参照美国可再生能源实验室（简称NREL）的试验方法进行测定4]。
葡聚糖、木聚糖含量的测定方法：原料用72%硫酸在 30 ℃ 下水解1 h，再加入84 mL去离子水，在121 ℃下水解 1 h。水解液用022 μm水相滤膜过滤，用高效液相色谱（简称HPLC）测定水解液中的糖分含量。D（+）-葡萄糖、D-（+）-木糖和L-（+）-阿拉伯糖作为混合标品，采用外标法进行定量分析。葡聚糖、木聚糖含量的计算公式为