高鳳芹，景媛媛，德英，萬其號，劉鷹昊，塔娜

稀硫酸預(yù)處理對雜交狼尾草木質(zhì)纖維素化學(xué)組分和表征結(jié)構(gòu)的影響

高鳳芹，景媛媛，德英，萬其號，劉鷹昊，塔娜

（中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院草原研究所，呼和浩特 010010）

【】研究稀硫酸預(yù)處理下，酸濃度、固液比、處理時間及溫度對雜交狼尾草木質(zhì)纖維素降解效率的影響，分析稀硫酸對木質(zhì)纖維素降解的作用機(jī)理，并篩選最佳預(yù)處理工藝。以雜交狼尾草為研究對象，以H2SO4濃度（0.5%、1.0%、1.5%、2.0%、2.5%）、固液比（1﹕6、1﹕8、1﹕10、1﹕12、1﹕14）、時間（15、30、45、60、90 min）和溫度（80、100、110、120、125℃）4個單因素進(jìn)行試驗(yàn)，每個因素取5個水平，3次重復(fù)，分析單因素對固體分解率、纖維素降解率、半纖維素降解率、木質(zhì)素脫除率及水解糖的影響。在單因素試驗(yàn)基礎(chǔ)上，采用4因素2水平的L8（24）正交試驗(yàn)確定主要影響因素，并對最佳工藝條件預(yù)處理下的雜交狼尾草進(jìn)行SEM分析和XRD分析。單因素試驗(yàn)結(jié)果表明，各因素下半纖維素降解率均高于木質(zhì)素降解率。其中，硫酸濃度的增加使纖維素和半纖維素的降解率增加，木質(zhì)素脫除率降低；由纖維素水解產(chǎn)生的葡萄糖產(chǎn)量也隨著濃度的增加而增加，但木糖含量逐漸降低；低濃度的硫酸（0.5%—1.5%）促進(jìn)雜交狼尾草固體物質(zhì)降解消化，繼續(xù)增加硫酸濃度（＞1.5%）雜交狼尾草的固體降解無顯著變化。固液比對各指標(biāo)的影響差異較小，固液比增加至1﹕10時，固體分解率、半纖維素和木質(zhì)素脫除均達(dá)到最大。預(yù)處理時間的長短對固體分解率、半纖維素和木質(zhì)素的降解影響不明顯，但促進(jìn)半纖維素降解和葡萄糖生成。溫度對固體分解率、纖維素、半纖維素和木質(zhì)素的降解及水解糖產(chǎn)量的影響效果明顯，100℃是重要的臨界溫度，有效降解木質(zhì)纖維素需要溫度達(dá)100℃以上。正交試驗(yàn)結(jié)果表明，影響半纖維素降解的因素依次為：溫度-濃度-時間-固液比。稀硫酸預(yù)處理后雜交狼尾草木質(zhì)纖維素結(jié)構(gòu)塌陷，非纖維物質(zhì)被顯著脫除，纖維束裸露（SEM）；纖維素結(jié)晶聚合度增加（XRD）。稀硫酸預(yù)處理雜交狼尾草主要降解半纖維素，對木質(zhì)素的降解效果較差。溫度是最主要的影響因素，其次為酸濃度。4 因素影響下的最佳工藝條件為：濃度1.5%，固液比1﹕6，時間15 min，溫度120℃。

雜交狼尾草；木質(zhì)纖維素；稀硫酸預(yù)處理；最佳工藝

0 引言

【研究意義】木質(zhì)纖維素生物質(zhì)具有可再生性、低污染性、廣泛分布性、資源豐富和碳中性的特點(diǎn)，是重要的可再生能源之一[1-4]。利用木質(zhì)纖維素生產(chǎn)清潔能源，如甲烷、乙醇，不僅能夠緩解目前能源緊張問題，而且對環(huán)境污染小。木質(zhì)纖維素清潔能源的生產(chǎn)極具開發(fā)前景[5-6]，近年來備受關(guān)注，但生產(chǎn)成本還相對較高，其中一個關(guān)鍵的原因是預(yù)處理技術(shù)不成熟。預(yù)處理可以破壞木質(zhì)纖維素結(jié)構(gòu)，改變原材料的組成成分、聚合度、結(jié)晶度等，使酶的可及性增加，以加快降解速度[7]?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】關(guān)于木質(zhì)纖維素的降解，化學(xué)方法仍是目前暴露細(xì)胞壁纖維素最有效的方法之一[8-10]，而酸預(yù)處理主要是對半纖維素進(jìn)行水解，使其從細(xì)胞壁中脫離，增加纖維素酶對纖維素的可及性，從而進(jìn)行后期糖化反應(yīng)[11]。在酸預(yù)處理過程中，酸的種類、濃度、溫度、固液比及反應(yīng)時間不同均會對木質(zhì)素的降解效果產(chǎn)生極大影響[12-13]，根據(jù)試驗(yàn)材料、降解效率、試驗(yàn)過程中能耗及廢液處理等情況，具體的試劑濃度、固液比、反應(yīng)時間及溫度等也不同[6,14-15]。硫酸是一種常用的酸預(yù)處理試劑[15-16]。美國國家可再生能源實(shí)驗(yàn)室曾研制了一種先進(jìn)的稀酸預(yù)處理反應(yīng)器處理玉米秸稈，其反應(yīng)條件為：155—185℃，硫酸濃度1%—2%，固液比1﹕2[17]；LEE等[18]指出稀酸預(yù)處理一般采用0.5%—5%的硫酸（或其他酸），反應(yīng)溫度為121—220℃。SIEVERS等使用1% H2SO4對玉米秸稈在165℃下預(yù)處理10 min，其木糖產(chǎn)量最高，木質(zhì)纖維素降解效果良好[19]。王曉娟等[20]指出稀酸預(yù)處理木質(zhì)纖維素通常在高溫（120—200℃）和高壓（103—520 kPa）條件下進(jìn)行反應(yīng)（30—120 min）。BALLESTEROS等[21]用稀硫酸預(yù)處理朝鮮薊時發(fā)現(xiàn)硫酸濃度和溫度對木糖得率有較大影響，而固體濃度的影響不明顯。很顯然，不同植物木質(zhì)纖維素對稀硫酸預(yù)處理的濃度、溫度、時間等因素的要求不同。【本研究切入點(diǎn)】由于木質(zhì)纖維素的天然結(jié)構(gòu)復(fù)雜，各種類的木質(zhì)纖維素結(jié)構(gòu)又不盡相同，造成預(yù)處理技術(shù)也需要相應(yīng)改變。雜交狼尾草再生性好，是木質(zhì)纖維素豐富的能源草，近年來被廣泛種植[22]，是制備生物能源和化學(xué)品的極具潛力的原料[23]。【擬解決的關(guān)鍵問題】本研究以雜交狼尾草為研究材料，利用稀硫酸進(jìn)行預(yù)處理，并對不同的稀硫酸濃度、固液比、消化時間和消化溫度進(jìn)行單因素分析，找出可以降解雜交狼尾草的最佳工藝條件，并分析影響其降解的主要屏障。

1 材料與方法

1.1 材料

雜交狼尾草（×）于2017年10月從北京市農(nóng)林科學(xué)院小湯山基地獲取，風(fēng)干樣品去雜后切短至2—4 cm，混勻裝入自封袋中帶回實(shí)驗(yàn)室備用。預(yù)處理樣品粉碎過1 mm篩。105℃烘干測定干物質(zhì)含量。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 稀硫酸預(yù)處理單因素試驗(yàn) 采用硫酸濃度、固液比、時間和溫度4因素5水平的單因素試驗(yàn)，每個處理重復(fù)3次（表1）。步驟如下：稱取10 g樣品及相應(yīng)體積的H2SO4，裝入500 mL三角瓶中，置于立式高壓蒸汽滅菌器中。預(yù)處理結(jié)束后用紗布過濾，濾液裝入50 mL離心管低溫（-20℃）保存用于葡萄糖和木糖的測定；殘留物用自來水沖洗至中性，在恒溫鼓風(fēng)干燥箱40—60℃烘干備用。

1.2.2 稀硫酸預(yù)處理正交試驗(yàn) 為優(yōu)化預(yù)處理的工藝條件，研究酸濃度、固液比、時間和溫度4個單因素對雜交狼尾草降解效果影響的主次順序。在單因素試驗(yàn)基礎(chǔ)上，各單因素選取兩種最有效的因子水平進(jìn)行L8（24）正交試驗(yàn)，選取的因子水平詳見表2。

表1 雜交狼尾草稀硫酸預(yù)處理單因素試驗(yàn)設(shè)計

表2 雜交狼尾草硫酸預(yù)處理L8（24）正交試驗(yàn)表

1.3 測定指標(biāo)及方法

1.3.1 化學(xué)成分 中性洗滌纖維（neutral detergent fiber, NDF）、酸性洗滌纖維（acid detergent fiber, ADF）、木質(zhì)素（lignin）：參照VAN SOEST[24]所述方法，采用foss半自動纖維素分析儀進(jìn)行測定。雜交狼尾草的化學(xué)成分見表3。計算方式如下：

木質(zhì)素（%）=（提取ADF后經(jīng)72%硫酸處理并干燥的殘渣重量-粗灰分）/（樣品重×干物質(zhì)含量）×100

纖維素（%）=（ADF重量-提取ADF后經(jīng)72%硫酸處理并干燥的殘渣重量）/（樣品重×干物質(zhì)量含）×100

半纖維素（%） = NDF（%）-ADF（%）

表3 雜交狼尾草的化學(xué)成分含量

1.3.2 葡萄糖和木糖含量 采用高效液相色譜法（LC1200-HPLC, Agilent Technologies Co. Ltd., Santa Clara, California, US）分析葡萄糖和木糖的濃度。分析條件如下，色譜柱：Agilent糖柱，流動相：乙腈-水（80﹕20），檢測器：示差折光檢測器，檢測器溫度：25℃，柱溫：30℃，壓力：40 MPa，進(jìn)樣量：10 μL，流速1 mL·min-1[6]。

1.3.3 SEM和XRD分析 掃描電鏡圖譜（scanning electron microscope, SEM）使用S-530電子顯微鏡掃描（Hitachi S-530, Hitachi manufacturing Co, Tokyo, Japan），X射線衍射圖譜（X-ray diffraction, XRD）使用X'Pert Pro MPD 測得（X'Pert Pro MPD, PANalytical B.V. Co, Netherlands）。

1.4 數(shù)據(jù)分析

單因素試驗(yàn)采用SPSS 19.0 one-way ANOVA分析（顯著水平為0.05），Sigmaplot 10.0作圖；正交試驗(yàn)采用了極差和綜合平衡法相結(jié)合的分析方法。

2 結(jié)果

2.1 稀酸預(yù)處理下單因素對雜交狼尾草固體分解率的影響

固體分解率反映纖維素、半纖維素、木質(zhì)素及其他雜質(zhì)的去除情況，是評價預(yù)處理效果的綜合指標(biāo)。稀硫酸預(yù)處理下，隨著酸濃度的增加，雜交狼尾草固體分解率呈先增后減趨勢。低濃度的硫酸（0.5%—1.5%）促進(jìn)雜交狼尾草固體物質(zhì)降解消化，繼續(xù)增加硫酸濃度（＞1.5%）使雜交狼尾草的降解無顯著變化（圖1）。

固液比增加，雜交狼尾草的固體分解率先增后減。1﹕10時最高為44.27%（＜0.05），其他處理間差異不顯著（＞0.05）。

處理時間增加時固體分解率沒有一定的增減趨勢，相關(guān)關(guān)系不確定。處理30 min固體分解率最大，顯著高于15、45和90 min，與60 min 差異不顯著；除30 min外，其他處理的時間相互之間差異不顯著。說明稀硫酸處理時間的長短對固體分解率的影響不明顯。

溫度增加，固體分解率顯著增加，增溫至120℃之后，固體分解率開始降低。從80℃到100℃時，固體分解率增加2.74倍，從110℃增溫至120℃，固體分解率增加1.24倍。

圖中不同小寫字母表示相互之間差異顯著（P＜0.05）。下同

2.2 稀酸預(yù)處理對雜交狼尾草木質(zhì)纖維素降解率的影響

如圖2所示，不同濃度硫酸預(yù)處理雜交狼尾草時，半纖維素的降解率程度最大（圖2-A）；纖維素降解率最低。隨著硫酸濃度的增加，纖維素和半纖維素的降解率逐漸增加，木質(zhì)素脫除率逐漸降低。硫酸濃度在0.5%—1.0%時，纖維素降解率變化顯著（＜0.05）；0.5%—1.5%時，半纖維素降解率增加顯著（＜0.05），超過1.5%后，纖維素和半纖維素降解率變化都不顯著（＞0.05）。

稀硫酸預(yù)處理下，不同固液比對雜交狼尾草降解率的影響表現(xiàn)如圖2-B。不同固液比條件下，半纖維素的降解程度都最大，經(jīng)預(yù)處理的半纖維素含量低于5%（原材料為27.65%）。稀酸條件下，纖維素降解率和木質(zhì)素的脫除率在1﹕10時均最大，且顯著高于其他處理（＜0.05）；其他處理間的纖維素降解率差異不顯著，1﹕6、1﹕8和1﹕12之間的木質(zhì)素脫除率差異不顯著（＞0.05）。半纖維素降解在1﹕14時最高，顯著高于1﹕6和1﹕12，但與1﹕8、1﹕10之間差異都不顯著，各處理間半纖維素增減幅度不超過5.84%。稀硫酸預(yù)處理下半纖維素降解效率最大，其次為木質(zhì)素，但不同固液比對半纖維素的降解影響差異不大。

稀硫酸預(yù)處理下，不同處理時間對雜交狼尾草降解率的影響表現(xiàn)如圖2-C。隨著處理時間的增加，半纖維素降解增加幅度最大，降解率在87.34%—94.49%之間，且隨著時間的增加而在增加；纖維素降解率為10.67%—16.39%，隨著時間的變化沒有一定的變化規(guī)律；木質(zhì)素脫除率為0.09%—12.48%，隨著時間延長，木質(zhì)素脫除率降低。15 min和30 min之間差異均不顯著，30 min和45 min之間差異顯著，45 min后，繼續(xù)延長處理時間，對半纖維素降解和木質(zhì)素脫除沒有顯著影響。預(yù)處理后纖維素含量在29.3%—32.3%，半纖維素低于4%，木質(zhì)素為9.6%—11.3%。不同時間的稀硫酸預(yù)處理下，半纖維素降解效率都最大；處理時間的不同對木質(zhì)纖維素的降解變化不大。

稀硫酸預(yù)處理下，不同處理溫度對雜交狼尾草降解率的影響如圖2-D：溫度對纖維素、半纖維素和木質(zhì)素的降解效果明顯，尤其是100℃，使半纖維素降解率增加8.39倍，纖維素降解率增加3.86倍，但木質(zhì)素脫除率降低?？梢?，隨著溫度的增加，纖維素和半纖維素降解率增加，木質(zhì)素脫除率下降。處理溫度超過100℃的預(yù)處理，半纖維素含量逐漸降低，且低于7.3%，各處理間差異顯著。溫度增加，纖維素被降解，含量降低，木質(zhì)素增加。最大限度地降解木質(zhì)素和半纖維素的同時，保留纖維素，預(yù)處理溫度需要超過100℃，但過高也會促進(jìn)纖維素的降解。

圖2 不同濃度H2SO4預(yù)處理對雜交狼尾草木質(zhì)纖維素降解的影響

2.3 稀酸預(yù)處理雜交狼尾草對水解糖產(chǎn)量的影響

稀硫酸預(yù)處理下，不同單因素處理對雜交狼尾草水解糖的影響表現(xiàn)如表4所示，木糖的濃度（13—20 g·L-1）明顯高于葡萄糖（0.3—5 g·L-1），表明在稀硫酸處理下半纖維素更易降解產(chǎn)生木糖，而纖維素降解產(chǎn)生葡萄糖的效果明顯低于半纖維素，這與預(yù)處理降解半纖維素而保留大量糖類聚合物的目標(biāo)相吻合。隨著酸濃度、處理時間和溫度的增加，葡萄糖濃度都呈增加趨勢，濃度和溫度兩個影響因子下，各處理水平間差異顯著（表 4）。溫度和濃度對葡萄糖產(chǎn)量的影響與這兩個單因素下纖維素的降解趨勢一致，與處理時間的變化不能相互吻合；固液比增加，葡萄糖產(chǎn)量降低，與纖維素的降解趨勢也不同（圖 2）。

隨著酸濃度、固液比（＞1﹕8）、處理時間和溫度的增加，木糖濃度逐漸遞減。這與半纖維素降解的整體趨勢相反。酸濃度大于1.5%、固液比大于1﹕10后，木糖濃度遞減差異不顯著；15—60 min內(nèi)，時間變化對木糖產(chǎn)量無顯著影響。100℃和110℃之間木糖產(chǎn)量差異不顯著，二者顯著高于80℃，顯著低于120℃和125℃。溫度變化對木糖產(chǎn)量影響較大，其次是酸濃度和固液比，時間的影響最小。

表4 稀酸預(yù)處理下單因素對水解糖產(chǎn)量的影響

同一列的不同小寫字母表示不同處理水平相互之間差異顯著（＜0.05）

Different lowercase letters in the same column indicate that different treatment levels are significantly different from each other (＜0.05)

2.4 正交試驗(yàn)

如表5所示，影響纖維素含量的因素依次為：時間-溫度-固液比-酸濃度；影響半纖維素降解的因素為：溫度-濃度-時間-固液比。稀硫酸預(yù)處理下，半纖維素的降解率高于木質(zhì)素脫除率，因此以半纖維素的降解為主要目的，根據(jù)綜合平衡法及單因素試驗(yàn)分析得出1.5%的硫酸處理時半纖維素降解率增加明顯，高溫有利于半纖維素的脫除，固液比1﹕6和15 min處理組既節(jié)約成本又對試驗(yàn)結(jié)果影響較小。因此最終確定最優(yōu)組合為：濃度1.5%，固液比1﹕6，時間15 min，溫度120℃。

2.5 XRD圖譜和SEM電鏡掃描分析

對最佳工藝條件處理下的雜交狼尾草和未處理的雜交狼尾草進(jìn)行SEM電鏡掃描和XRD分析。結(jié)果如圖3、4所示：稀硫酸預(yù)處理后的峰值更尖銳，結(jié)晶度變高。未處理的雜交狼尾草纖維素表面粗糙，附著大量非纖維物質(zhì)；預(yù)處理后，外表層的非纖維物質(zhì)被脫除，纖維束清晰；內(nèi)表層的纖維素結(jié)構(gòu)發(fā)生塌陷，少量纖維素已清晰可見。

表5 稀酸預(yù)處理雜交狼尾草正交試驗(yàn)

圖3 雜交狼尾草稀硫酸預(yù)處理前后的XRD圖譜

3 討論

3.1 稀硫酸預(yù)處理下各因子對雜交狼尾草木質(zhì)纖維素降解的影響

文中4個單因素對稀硫酸預(yù)處理雜交狼尾草降解木質(zhì)素的影響各不相同，其中預(yù)處理溫度是最主要的影響因素，其次是硫酸濃度，預(yù)處理時間和固液比的影響較小。Ballesteros等[21]也指出預(yù)處理溫度的正效應(yīng)最強(qiáng)，其次為酸濃度，與本文研究結(jié)論一致；但是溫度和酸濃度之間還會發(fā)生負(fù)相互作用從而導(dǎo)致實(shí)際反應(yīng)會有所不同。本研究認(rèn)為持續(xù)增加溫度促進(jìn)半纖維素的降解，而固體分解率則在一定溫度范圍內(nèi)增加（＜120℃），原因是隨著溫度的增加木質(zhì)素脫除率下降，導(dǎo)致固體物質(zhì)分解下降，但不同植物物種對不同預(yù)處理方法的敏感性存在較大差異，還需具體分析[25]。大多數(shù)研究認(rèn)為木質(zhì)纖維素的降解需要100℃以上的溫度[26-28]，本研究也證實(shí)這一點(diǎn)，溫度升至100℃時，固體分解率和半纖維素降解率顯著提高，這與Bensah等[28]的研究一致。0.5%的稀硫酸被廣泛地應(yīng)用在其他木質(zhì)纖維素預(yù)處理工藝上[29]，而本研究也發(fā)現(xiàn)較低濃度的硫酸（0.5%—1.5%）能夠有效地促進(jìn)半纖維素和木質(zhì)纖維素降解，并保留大部分纖維素。

A：預(yù)處理前木質(zhì)纖維素外表面（×1000）；B：預(yù)處理前木質(zhì)纖維素內(nèi)表面（×600）；C：預(yù)處理后木質(zhì)纖維素外表面（×1000）；D：預(yù)處理后木質(zhì)纖維素內(nèi)表面（×600）

理想的預(yù)處理技術(shù)應(yīng)該最大限度地脫除木質(zhì)素并減少多糖（纖維素和半纖維素）的損失，但是由于半纖維素水解糖不能夠很好地利用，因此，應(yīng)盡可能多地脫除半纖維素和木質(zhì)素而保留纖維素。稀硫酸預(yù)處理雜交狼尾草，主要水解半纖維素，半纖維素大部分被降解后，大量木質(zhì)素仍殘留在纖維素表層，但木質(zhì)纖維素結(jié)構(gòu)已經(jīng)被破壞，佀勝利和朱憶魁等利用酸預(yù)處理其他草類植物時也得出相似的結(jié)論[12,30]。一般來說，酸性條件下，木質(zhì)素少部分脫除，與預(yù)處理強(qiáng)度成正比[31-32]，但本研究中木質(zhì)素脫除率卻與濃度、處理時間和溫度呈反比關(guān)系，Gao等在關(guān)于稀硫酸預(yù)處理荻草時也出現(xiàn)類似現(xiàn)象，同時還指出固液比和處理時間對雜交狼尾草降解的貢獻(xiàn)較小[6]，與本研究結(jié)果一致。

本研究中半纖維素的降解效率遠(yuǎn)高于纖維素和木質(zhì)素。一方面是因其本身的結(jié)構(gòu)，纖維素被包裹，可及性低，降解少；另一方面原因是纖維素是線性單糖，具有高度結(jié)晶性，不易水解，而半纖維素是雜多糖，是支鏈，聚合度低，易于水解[33]；第三個原因是：酸性條件下氫離子與水形成的H3O+促進(jìn)半纖維素的增溶，H3O+使半纖維素中糖苷鍵選擇性水解，而在相同條件下，半纖維素的溶出速率高于木質(zhì)素[25]，因此在稀酸預(yù)處理?xiàng)l件下，半纖維素降解效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于木質(zhì)素脫除率。

3.2 稀硫酸預(yù)處理下單因素對雜交狼尾草水解糖的影響

對于草本植物，預(yù)處理后纖維素和半纖維素的主要水解產(chǎn)物是葡萄糖和木糖。葡萄糖和木糖的含量可以更好地反映預(yù)處理對纖維素和半纖維素水解的影響[34]。稀硫酸預(yù)處理半纖維素水解產(chǎn)生木糖的效率遠(yuǎn)大于纖維素水解產(chǎn)生葡萄糖[35]。濃度和溫度的增加對纖維素降解產(chǎn)生葡萄糖的量有明顯確定的促進(jìn)作用，而固液比的變化和處理時間的不同對葡萄糖產(chǎn)量的影響關(guān)系不確定。胡秋龍等指出硫酸濃度和溫度對木糖得率有較大影響，而固體濃度的影響不明顯[36]，與本研究結(jié)論相一致。4個單因素水平的增加使半纖維素降解率都增加，但與木糖產(chǎn)量卻成反比關(guān)系。這主要是因?yàn)槔w維素是由無水葡萄糖單元組成的線性單糖，水解直接產(chǎn)生葡萄糖，而半纖維素是雜多糖，降解生成戊糖、己糖和醛酸，在一定條件下，如高酸、高溫[26,34]等條件下發(fā)生二次反應(yīng)，己糖分解產(chǎn)生有機(jī)酸，戊糖分解為糠醛，糠醛酸也會脫羧分解生成抑制物[9]。因此木糖含量會隨著濃度、固液比、時間和溫度的變化而轉(zhuǎn)換成其他物質(zhì)，降低木糖含量。

3.3 稀硫酸預(yù)處理對雜交狼尾草結(jié)晶度和纖維素結(jié)構(gòu)的影響

稀硫酸預(yù)處理后，木質(zhì)纖維素結(jié)構(gòu)塌陷，大量的纖維素裸露出來，纖維素表層殘留少量的木質(zhì)素和半纖維素。經(jīng)過稀硫酸預(yù)處理的雜交狼尾草XRD特征峰更明顯，纖維素聚合密集，結(jié)晶度升高，但這并沒有阻礙半纖維的脫除，這與吉喆的研究相一致[25]。LI等[37]對蘆竹和荻草進(jìn)行輻射預(yù)處理時也發(fā)現(xiàn)在木質(zhì)纖維結(jié)構(gòu)被破壞的同時，纖維素結(jié)晶度增加，其原因是預(yù)處理后纖維素分子的氫鍵分裂，各分子鏈變得松散，導(dǎo)致衍射強(qiáng)度減弱，會使結(jié)晶度增大；Gao等[6]的研究也發(fā)現(xiàn)同樣現(xiàn)象。稀硫酸預(yù)處理后，大量半纖維素和少量木質(zhì)素被溶解掉，纖維素裸露，使纖維素酶可及性大大增加，并將其分解成單糖。SEM圖像驗(yàn)證了稀硫酸預(yù)處理可以改善木質(zhì)纖維素的降解。

4 結(jié)論

稀硫酸預(yù)處理雜交狼尾草可以有效地降解其半纖維素，而對木質(zhì)素的脫除效果較弱。經(jīng)稀硫酸預(yù)處理后，雜交狼尾草結(jié)晶度增大，木質(zhì)纖維素結(jié)構(gòu)塌陷，非纖維物質(zhì)被大量脫除，纖維束清晰可見。雜交狼尾草稀硫酸預(yù)處理的主要影響因素依次為：溫度-濃度-時間-固液比，最佳工藝條件為：濃度1.5%，固液比1﹕6，時間15 min，溫度120℃。

[1] 高鳳芹. 柳枝稷發(fā)酵產(chǎn)甲烷過程中纖維素降解機(jī)制及微生物多樣性變化[D]. 北京: 中國農(nóng)業(yè)大學(xué), 2015.

GAO F Q. Cellulose hydrolysis mechanism and microbial diversity change during anaerobic digestion of switchgrass for methane[D]. Beijing: China Agriculture University, 2015. (in Chinese)

[2] HOSSEINI K E, DAHADHA S, BAZYAR L A A, AZIZI A, ELBESHBISHY E. Enzymatic pretreatment of lignocellulosic biomass for enhanced biomethane production-A review., 2019, 233:774-784.

[3] ZHENG Y, ZHAO J, XU F Q, LI Y B. Pretreatment of lignocellulosic biomass for enhanced biogas production., 2014, 42(1):35-51.

[4] M?KEL? M R, BREDEWEG E L, MAGNUSON J K, BAKER S E, DE VRIES R P, HILDéN K. Fungal ligninolytic enzymes and their applications., 2016, 4(6):1-13.

[5] RICHA A, NILESH K S, SACHIN K, RAJESH K S. Lignocellulosic ethanol: Feedstocks and bioprocessing., 2019, 165-185.

[6] GAO F Q, YANG F Y, ZHOU H, SUN Q Z, ZHANG Y W, MICHAEL A B. Evaluation of processing technology for(Maxim.) Nakai for ethanol production., 2014, 9(12): e114399.

[7] YANG H Y, SHI Z J, XU G F, QIN Y J, DENG J, YANG J. Bioethanol production from bamboo with alkali-catalyzed liquid hot water pretreatment., 2019, 274: 261-266.

[8] SUMIT K V, YOGENDRA S. Deterministic and stochastic optimization of acid pretreatment for lignocellulosic ethanol production., 2017, 40: 2149-2154.

[9] LEE J W, KIM J Y, JANG H M, LEE M W, PARK J M. Sequential dilute acid and alkali pretreatment of corn stover: Sugar recovery efficiency and structural characterization., 2015, 182: 296-301.

[10] DEMARTINI J D, PATTATHIL S, MILLER J S, LI H J, HAHN M G,WYMAN C E.Investigating plant cell wall components that affect biomass recalcitrance in poplar and switchgrass., 2013, 6(3): 898-909.

[11] SHIMIZU F L, MONTERIRO P Q, GHIRALDI P H C, MELATI R B, PAGNOCCA F C, SOUZA W, ANNA C S, BRIENZO M. Acid, alkali and peroxide pretreatments increase the cellulose accessibility and glucose yield of banana pseudostem., 2018, 115: 62-68.

[12] 佀勝利. 能源植物芒草細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)組成與糖化發(fā)酵關(guān)系的研究[D]. 武漢: 華中農(nóng)業(yè)大學(xué), 2015.

SI S L. Characterization of the wall polymer features that affect biomass saccharification and ethanol production in[D].Wuhan: Huazhong Agriculture University, 2015. (in Chinese)

[13] 希默爾. 生物質(zhì)抗降解屏障-結(jié)構(gòu)植物細(xì)胞壁產(chǎn)生物能. 北京: 化學(xué)工業(yè)出版社, 2010.

HIMMEL M E.. Beijing: Chemical Industry Press, 2010. (in Chinese)

[14] 尤毅娜, 鄧紅, 孟永宏, 房杰, 郭玉蓉, 張英. 堿性雙氧水預(yù)處理對蘋果渣化學(xué)組分和酶解得率的影響. 中國農(nóng)業(yè)科學(xué), 2016, 49(8): 1559-1566.

YOU Y N, DENG H, MENG Y H, FANG J, GUO Y R, ZHANG Y. The impact of alkaline hydrogen peroxide pretreatment on the chemical composition and enzymatic hydrolyzability of apple pomace., 2016, 49(8): 1559-1566. (in Chinese)

[15] IDREES M, ADNAN A, MALIK F, QURESHI F A. Enzymatic saccharification and lactic acid production from banana pseudo-stem through optimized pretreatment at lowest catalyst concentration., 2013, 12(4): 269-281.

[16] MIKULSKI D, KLOSOWSKI G. Efficiency of dilute sulfuric acid pretreatment of distillery stillage in the production of cellulosic ethanol., 2018, 268: 424-433.

[17] SHI S, GUAN W J, KANG L, LEE Y Y. Reaction kinetic model of dilute-acid catalyzed hemicellulose hydrolysis of corn stover under high-solid condition., 2017, 56(39): 10990–10997.

[18] LEE C, ZHENG Y, VANDERGHEYNST J S. Effects of pretreatment conditions and post–pretreatment washing on ethanol production from dilute acid pretreated rice straw., 2015, 137:36-42.

[19] SIEVERS D A, KUHN E M, TUCKER M P, MCMILLAN J D. Effects of dilute-acid pretreatment conditions on filtration performance of corn stover hydrolysate., 2017, 243: 474-480.

[20] 王曉娟, 楊陽, 張曉強(qiáng), 姜少俊, 宋瑜, 周海辰, 金樑. 木質(zhì)素與生物燃料生產(chǎn):降低含量或解除束縛? 中國農(nóng)業(yè)科學(xué), 2015, 48(2): 229-240.

WANG X J, YANG Y, ZHANG X Q, JIANG S J, SONG Y, ZHOU H C, JIN L. To make biofuel: cutting the lignin or loosening lignin’s grip?, 2015, 48(2): 229-240. (in Chinese)

[21] BALLESTEROS I, BALLESTEROS M, MANZANARES P, NEGRO M J, OLIVA J M, SáEZ F. Dilute sulfuric acid pretreatment of cardoon for ethanol production.2008, 42(1):84-91.

[22] 王文強(qiáng), 周漢林, 唐軍. 狼尾草屬牧草研究及利用進(jìn)展. 熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué), 2018, 38(6): 49-55+78.

WANG W Q, ZHOU H L, TANG J. Research advances on development and utilization of forage ofspp., 2018, 38(6): 49-55+78. (in Chinese)

[23] 王敬楓, 郝茜珣, 侯新村, 張軍華. 堿性亞硫酸鹽預(yù)處理對雜交狼尾草酶水解特性的影響. 林業(yè)工程學(xué)報, 2018, 3(2): 95-101.

WANG J F, HAO X X, HOU X C, ZHANG J H. Effect of alkaline sulfite pretreatment on enzymatic hydrolysis of hybrid China wolftailgrass., 2018, 3(2): 95-101. (in Chinese)

[24] VAN SOEST P J, ROBERTSON J B, LEWIS B A. Methods for dietary fiber, neutral detergent fiber, and nonstarch polysaccharides in relation to animal nutrition., 1991, 74(10): 3583-3597.

[25] 吉喆. 稀酸堿預(yù)處理過程中植物細(xì)胞壁解構(gòu)研究[D]. 北京: 北京林業(yè)大學(xué), 2016.

JI Z. Deconstruction of plant cell wall during dilute acid and alkali pretreatment[D]. Beijing: Beijing Forestry University, 2016. (in Chinese)

[26] 劉榮厚. 燃料乙醇的制取工藝與實(shí)例. 北京: 化學(xué)工業(yè)出版社, 2008.

LIU R H.. Beijing: Chemical Industry Press, 2008. (in Chinese)

[27] GEDDES C C, PETERSON J J, ROSLANDER C,ZACCHI G, MULLINNIX M T, SHANMUGAM K T, INGRAM L O. Optimizing the saccharification of sugar cane bagasse using dilute phosphoric acid followed by fungal cellulases., 2010, 101(6): 1851-1857.

[28] BENSAH E C, MENSAH M. Chemical pretreatment methods for the production of cellulosic ethanol: technologies and innovations., 2013(11): 1-21.

[29] 鐘佳, 王剛, 譚力, 孫照勇, 湯岳琴, 木田建次. 稀酸及稀酸-稀堿聯(lián)合預(yù)處理對油菜秸稈酶糖化影響的研究. 中國環(huán)境科學(xué)學(xué)會, 2014: 266-270.

ZHONG J, WANG G, TAN L, SUN Z Y, TANG Y Q, BENTIAN C J. Effects of dilute acid and dilute acid-dilute alkali pretreatment on enzymatic saccharification of rape straw., 2014: 266-270. (in Chinese)

[30] 朱憶魁，徐栩堅，羅偉儒，鄧小梅，吳藹民，李慧玲. 稀酸和稀堿預(yù)處理對四種不同生物質(zhì)資源制備還原糖的影響. 生物資源, 2018, 40(5): 400-404.

ZHU Y K, XU X J, LUO W R, DENG X M, WU A M, LI H L. Effects of dilute acid and alkali pretreatments on reducing sugar production from four different kinds of biomass., 2018, 40(5): 400-404. (in Chinese)

[31] KUMAR L, CHANDRA R, CHUNG P A, SADDLER J. Can the same steam pretreatment conditions be used for the most softwood to achieve good, enzymatic hydrolysis and sugar yields?, 2010, 101(20): 7827-7833.

[32] 周丹丹, 侯慶喜, 劉葦, 馮清. 利用CaO/PAC選擇性去除預(yù)水解液中木質(zhì)素. 林產(chǎn)化學(xué)與工業(yè), 2016, 36(5): 75-80.

ZHOU D D, HOU Q X, LIU W, FENG Q. Selectively removing lignin from pre-hydrolysis liquor by combined CaO/PAC method., 2016, 36(5): 75-80. (in Chinese)

[33] J?NSSON L J, MARTíN C, Pretreatment of lignocellulose: formation of inhibitory by-products and strategies for minimizing their effects., 2016, 199:103–112.

[34] CHEN L L, BERNHARD K, CHITHRA M, ROHIT A, HENRIK V S, MANFRED A, KENNETH P V, BLAKE A S, SEEMA S. Comparison of dilute acid and ionic liquid pretreatment of switchgrass: Biomass recalcitrance, delignification and enzymatic saccharification., 2010, 101: 4900-4906.

[35] 江滔, 路鵬, 李國學(xué). 玉米秸稈稀酸水解糖化法影響因子的研究. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報, 2008, 24(7):175-180.

JIANG T, LU P, LI G X. Influencing factors in saccharification of corn stover by dilute sulfuric acid hydrolyzing method., 2008, 24(7): 175-180. (in Chinese)

[36] 胡秋龍, 熊興耀, 譚琳, 蘇小軍, 賀應(yīng)龍, 劉祥華, 易錦瓊. 木質(zhì)纖維素生物質(zhì)預(yù)處理技術(shù)的研究進(jìn)展. 中國農(nóng)學(xué)通報, 2011, 27(10): 1-7.

HU Q L, XIONG X Y, TAN L, SU X J, HE Y L, LIU X H, YI J Q. Advances in pretreatment technologies of lignocellulosic biomass.2011, 27(10): 1-7. (in Chinese)

[37] LI Q M, LI X J, JIANG Y L, XIONG X Y, HU Q L, TAN X H, WANG K Q, SU X J. Analysis of degradation products and structural characterization of giant reed and Chinese silvergrass pretreated by60Co-γ irradiation., 2016, 83: 307-315.

Effects of Dilute Sulfuric Acid Pretreatment on Chemical Composition and Characterization Structure of Hybrid Pennisetum () Lignocellulose

GAO FengQin, JING YuanYuan, DE Ying, WAN QiHao, LIU YingHao, TANA

(Grassland Research Institute, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Hohhot 010010)

【】 Study the effects of H2SO4concentration, solid-liquid ratio, treatment time and temperature on lignocellulose degradation efficiency of hybrid pennisetum under dilute sulfuric acid pretreatment, analyze the mechanism of dilute sulfuric acid on lignocellulose degradation, and screen the best pretreatment process.【】 Four single factors: H2SO4concentration (0.5%, 1.0%, 1.5%, 2.0%, 2.5%), solid-liquid ratio (1﹕6, 1﹕8, 1﹕10, 1﹕12, 1﹕14), time (15, 30, 45, 60, 90 min) and temperature (80, 100, 110, 120, 125℃) were tested. Five levels of each factor were selected and repeated three times to analyze the effects of single factor on solid decomposition rate, cellulose degradation rate, hemicellulose degradation rate, lignin removal rate and hydrolyzed sugar. On the basis of single factor experiment, L8(24) orthogonal test with 4 factors and 2 levels was used to determine the main influencing factors, and SEM and XRD analysis were carried out for the hybrid pennisetum under the optimal processing conditions. 【】 The results of single factor test showed that the degradation rate of hemicellulose was higher than that of lignin under all factors. With the increase of H2SO4concentration, the degradation rate of cellulose and hemicellulose increased, and the lignin removal rate decreased; the yield of glucose produced by cellulose hydrolysis increased with the increase of concentration, but the content of xylose decreased gradually. The low concentration of H2SO4(0.5%-1.5%) promoted the degradation and digestion of solid substances of hybrid pennisetum, increased concentration (＞1.5%) further did not significantly change the solid degradation. The influence of solid-liquid ratio on each index was small，and when the solid-liquid ratio increased to 1﹕10, the solid decomposition rate, hemicellulose and lignin removal reached the maximum. The pretreatment time had no obvious effect on solid decomposition rate, hemicellulose and lignin degradation, but promoted hemicellulose degradation and glucose production. Temperature has obvious effects on solid decomposition rate, degradation of cellulose, hemicellulose and lignin, and yield of hydrolyzed sugar, and 100℃ is an important critical value, and effective degradation of lignocellulose need temperature above 100℃. The orthogonal test results showed that the factors affecting hemicellulose degradation were temperature – concentration – time – solid - liquid ratio. After pretreatment with dilute sulfuric acid, the structure of lignocellulose collapsed, non-cellulose was removed, cellulose bundles were exposed (SEM), and the degree of crystallization and polymerization of cellulose was increased (XRD). 【】 Hemicellulose was mainly degraded by dilute sulfuric acid pretreatment, but lignin was poorly degraded. Temperature is the most important factor, followed by H2SO4concentration. Under the influence of four factors, the optimum technological conditions are as follows: concentration 1.5%, solid-liquid ratio 1﹕6, time 15 min, temperature 120℃.

hybrid pennisetum; lignocellulose; dilute sulfuric acid pretreatment; optimal conditions

10.3864/j.issn.0578-1752.2020.21.019

2019-05-22；

2020-09-16

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（31802134）、內(nèi)蒙古自治區(qū)科技計劃項(xiàng)目（201802082）、中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院科技創(chuàng)新工程項(xiàng)目（CAAS-ASTIP-IGR 2015-02）

高鳳芹，E-mail：gaofq1211@126.com。通信作者塔娜，E-mail：tana_1980@163.com

（責(zé)任編輯 林鑒非）