氨水低温冻融联合预处理对高粱秸秆酶解产糖的影响
发布时间：2021-11-17 05:57
【目的】降低预处理成本、提高秸秆预处理后的酶解效果,模拟自然界低温环境并结合氨水对高粱秸秆进行预处理。【方法】通过单因素试验分别探究氨水低温冻融预处理中浸泡液的液固质量比、冷冻温度、冷冻时长、氨水质量分数对高粱秸秆酶解的影响,采用正交试验对预处理条件进行优化,对预处理前后高粱秸秆的成分采用范式法测定,物理化学结构用红外光谱和X射线衍射分析。【结果】单因素试验中,浸泡液的液固质量比、冷冻温度、冷冻时长和氨水质量分数在不同水平下均显著提高了高粱秸秆酶解还原糖的产量（P<0.05）。正交试验最优预处理条件为浸泡液的液固质量比12,冷冻时长12 h,冷冻温度-10℃,氨水质量分数8%。相较于未进行预处理的秸秆,氨水低温冻融处理的秸秆半纤维素含量下降42.42%;木质素含量下降50.76%;秸秆的还原糖产量为302.87 mg·g-1,较未预处理组提高了80.34%;纤维素结晶度提高了57.02%。【结论】氨水低温冻融预处理能有效破坏高粱秸秆木质纤维素间原有的连接结构,溶解半纤维素,木质素的单体和聚合结构被破坏,提高了高粱秸秆的酶解还原糖得率以及纤维素结晶度。
【文章来源】：华南农业大学学报. 2020,41(04)北大核心CSCD
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
不同单因素对高粱秸秆酶解还原糖产量的影响
傅里叶红外变换光谱可以对木质纤维原料进行扫描，通过对比高粱秸秆预处理前后的谱图，准确分析秸秆化学结构的变化。由图2可见，氨水低温冻融预处理前后除某些特征峰的消失或吸收强度的变化外，红外吸收峰形状基本相同。经过氨水低温冻融联合预处理后，波数830 cm-1处C—H弯曲振动增强，899 cm-1处的β–1,4糖苷键振动吸收峰[26]增强，表明秸秆中的聚糖降解，官能团更充分地暴露出来。与未处理秸秆相比，波数1 050 cm-1处的C—O和—CH2的伸缩振动吸收峰[27]经预处理后明显上升，说明了氨水低温冻融联合预处理能够使晶体结构遭到有效破坏，从而使纤维素聚合度下降。波数1 250 cm-1处的谱峰为乙酰脂键、酚类C—O振动和—OH的变形振动[28]，经预处理后在该处的峰明显减弱，这说明部分半纤维素和木质素得到有效降解。波数1 380和1 610 cm-1处小峰和宽峰均为木质纤维素中的COO-1对称伸缩振动吸收特征峰，与未处理秸秆的谱图相比，经预处理后在该处附近的峰明显增强，这是预处理对木质纤维素的结构进行有效破坏的结果。波数1 510 cm-1处的谱峰为木质素振动吸收峰，此处吸收峰主要为—CH2、C—O和苯环中的C—C，表明在预处理过程中部分木质素聚合体被破坏，聚合度下降。波数1 730 cm-1处的单肩谱峰是COOH上的C=O键的伸缩振动吸收峰[29]，与未处理秸秆的谱图比，预处理后该处谱峰基本消失，这表明了预处理使半纤维素中酯键发生了断裂，半纤维素降解。波数2 920 cm-1处为木质纤维素结构中的—CH、—CH2的对称和不对称伸缩振动吸收峰。波数3 400 cm-1处为木质纤维素中酚羟基—OH的振动吸收峰，与未处理秸秆的图谱相比，经氨水低温冻融预处理后破坏了木质纤维素的氢键，并有酚羟基或脂肪族羟基产生。红外光谱图分析结果表明，氨水低温冻融联合预处理对高粱秸秆木质纤维素之间的氢键进行了有效破坏，部分半纤维素因C=O键断开而溶解；同时，高粱秸秆中木质素的—CH2、C—O，苯环中C—C键充分暴露出来，对木质素的单体和聚合结构均有一定程度的破坏；纤维素中的β–1,4糖苷键、—CH2和—OH原有连接结构被打破。预处理前后的化学结构特性变化有效破坏了高粱秸秆的抗降解屏障，提高了纤维素酶对秸秆微观结构的可及度，降低了传质阻力，提高了酶解效率和还原糖得率。
图3是未处理原料和氨水低温冻融联合预处理后的X射线衍射图谱。如图3所示，试验最优预处理和未处理的衍射峰在16.0°附近的峰型基本一致，但试验最优预处理样品的衍射强度明显减弱。试验最优预处理组在2θ=18.0°的波谷较未处理组位置向左偏移，这表明纤维素无定形区单体结构产生变化。在2θ=22.0°处出现明显的衍射强度单峰，预处理后样品衍射峰强度显著增强，根据公式计算出未处理组纤维素结晶度为24.36%，试验最优预处理后秸秆纤维素的结晶度为38.25%，提高了57.02%，这表明高粱秸秆在预处理后，半纤维素和木质素2种无定形区降解溶出并暴露在外，纤维素相对含量增加并导致纤维素基质的部分重结晶，纤维结构发生重排，原料的有序结构受到破坏，部分结晶区变为无定形区且有少量结晶生成或结晶重定向，使该衍射角度下吸收强度大幅增加，这与红外光谱图中1 050、1 380和2 920 cm-1处的木质纤维素化学基团的吸收峰增强相对应。由图可以看到试验最优预处理后在2θ=28.0、30.5和34.5°处的衍射峰相较于未处理组基本消失，这表明氨水低温冻融联合预处理使纤维素的结晶结构产生显著变化。X射线衍射分析结果表明，氨水低温冻融联合预处理对秸秆的纤维素结晶度有双重作用，一方面经过预处理破坏纤维素结晶区的氢键降低了结晶度，但与此同时无定形区木质素的去除和半纤维素的溶解使总体的结晶度大于对结晶区的破坏而升高，这与Kim等[30]采用氨水、陈尚钘等[31]采用稀酸、Pang等[32]采用微波蒸汽联合预处理玉米秸秆时均发现了预处理使秸秆纤维素结晶度上升或者具有双重作用的事实一致。
【参考文献】：
期刊论文
[1]稻秸酶解和沼气发酵臭氧氨水联合预处理技术研究[J]. 王殿龙,艾平,张衍林. 农业机械学报. 2018(09)
[2]高粱秸秆预处理方法的研究进展[J]. 李洪飞,孙大庆,曹龙奎. 安徽农学通报. 2018(09)
[3]低温冻融-酶解预处理对稻秆厌氧发酵产气特性的影响[J]. 邓媛方,邱凌,王雅君,戴本林,徐继明. 农业机械学报. 2017(10)
[4]盐冻融循环对沥青混合料低温性能的影响[J]. 常睿,郝培文. 建筑材料学报. 2017(03)
[5]水稻秸秆田间焚烧残留物的结构特征初探[J]. 胡林潮,陈莉娜,尹勇,黄兆琴,代静玉. 光谱学与光谱分析. 2015(07)
[6]液氨过氧化氢联合预处理对玉米芯酶解的影响[J]. 赵超,邵千钧,曹艳,丁为民,彭何欢. 农业机械学报. 2015(06)
[7]稻秸厌氧消化纤维制取乙醇实验研究[J]. 王殿龙,艾平,鄢烈亮,郁亮,晏水平,张衍林. 农业机械学报. 2015(05)
[8]大田作物秸秆量评估中秸秆系数取值研究[J]. 王晓玉,薛帅,谢光辉. 中国农业大学学报. 2012(01)
[9]稀酸预处理对玉米秸秆纤维组分及结构的影响[J]. 陈尚钘,勇强,徐勇,朱均均,余世袁. 中国粮油学报. 2011(06)
[10]中国禾谷类大田作物收获指数和秸秆系数[J]. 谢光辉,韩东倩,王晓玉,吕润海. 中国农业大学学报. 2011(01)
博士论文
[1]生物质秸秆—高密度聚乙烯定向秸塑板的制备及其热压成材机理研究[D]. 漆楚生.西北农林科技大学 2013
硕士论文
[1]冻融对煤体损伤及瓦斯放散影响实验研究[D]. 武世亮.中国矿业大学 2017
[2]低温环境下钢筋混凝土轴拉构件试验研究及有限元分析[D]. 陈曦.天津大学 2017
本文编号：3500339
【文章来源】：华南农业大学学报. 2020,41(04)北大核心CSCD
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
不同单因素对高粱秸秆酶解还原糖产量的影响
傅里叶红外变换光谱可以对木质纤维原料进行扫描，通过对比高粱秸秆预处理前后的谱图，准确分析秸秆化学结构的变化。由图2可见，氨水低温冻融预处理前后除某些特征峰的消失或吸收强度的变化外，红外吸收峰形状基本相同。经过氨水低温冻融联合预处理后，波数830 cm-1处C—H弯曲振动增强，899 cm-1处的β–1,4糖苷键振动吸收峰[26]增强，表明秸秆中的聚糖降解，官能团更充分地暴露出来。与未处理秸秆相比，波数1 050 cm-1处的C—O和—CH2的伸缩振动吸收峰[27]经预处理后明显上升，说明了氨水低温冻融联合预处理能够使晶体结构遭到有效破坏，从而使纤维素聚合度下降。波数1 250 cm-1处的谱峰为乙酰脂键、酚类C—O振动和—OH的变形振动[28]，经预处理后在该处的峰明显减弱，这说明部分半纤维素和木质素得到有效降解。波数1 380和1 610 cm-1处小峰和宽峰均为木质纤维素中的COO-1对称伸缩振动吸收特征峰，与未处理秸秆的谱图相比，经预处理后在该处附近的峰明显增强，这是预处理对木质纤维素的结构进行有效破坏的结果。波数1 510 cm-1处的谱峰为木质素振动吸收峰，此处吸收峰主要为—CH2、C—O和苯环中的C—C，表明在预处理过程中部分木质素聚合体被破坏，聚合度下降。波数1 730 cm-1处的单肩谱峰是COOH上的C=O键的伸缩振动吸收峰[29]，与未处理秸秆的谱图比，预处理后该处谱峰基本消失，这表明了预处理使半纤维素中酯键发生了断裂，半纤维素降解。波数2 920 cm-1处为木质纤维素结构中的—CH、—CH2的对称和不对称伸缩振动吸收峰。波数3 400 cm-1处为木质纤维素中酚羟基—OH的振动吸收峰，与未处理秸秆的图谱相比，经氨水低温冻融预处理后破坏了木质纤维素的氢键，并有酚羟基或脂肪族羟基产生。红外光谱图分析结果表明，氨水低温冻融联合预处理对高粱秸秆木质纤维素之间的氢键进行了有效破坏，部分半纤维素因C=O键断开而溶解；同时，高粱秸秆中木质素的—CH2、C—O，苯环中C—C键充分暴露出来，对木质素的单体和聚合结构均有一定程度的破坏；纤维素中的β–1,4糖苷键、—CH2和—OH原有连接结构被打破。预处理前后的化学结构特性变化有效破坏了高粱秸秆的抗降解屏障，提高了纤维素酶对秸秆微观结构的可及度，降低了传质阻力，提高了酶解效率和还原糖得率。
图3是未处理原料和氨水低温冻融联合预处理后的X射线衍射图谱。如图3所示，试验最优预处理和未处理的衍射峰在16.0°附近的峰型基本一致，但试验最优预处理样品的衍射强度明显减弱。试验最优预处理组在2θ=18.0°的波谷较未处理组位置向左偏移，这表明纤维素无定形区单体结构产生变化。在2θ=22.0°处出现明显的衍射强度单峰，预处理后样品衍射峰强度显著增强，根据公式计算出未处理组纤维素结晶度为24.36%，试验最优预处理后秸秆纤维素的结晶度为38.25%，提高了57.02%，这表明高粱秸秆在预处理后，半纤维素和木质素2种无定形区降解溶出并暴露在外，纤维素相对含量增加并导致纤维素基质的部分重结晶，纤维结构发生重排，原料的有序结构受到破坏，部分结晶区变为无定形区且有少量结晶生成或结晶重定向，使该衍射角度下吸收强度大幅增加，这与红外光谱图中1 050、1 380和2 920 cm-1处的木质纤维素化学基团的吸收峰增强相对应。由图可以看到试验最优预处理后在2θ=28.0、30.5和34.5°处的衍射峰相较于未处理组基本消失，这表明氨水低温冻融联合预处理使纤维素的结晶结构产生显著变化。X射线衍射分析结果表明，氨水低温冻融联合预处理对秸秆的纤维素结晶度有双重作用，一方面经过预处理破坏纤维素结晶区的氢键降低了结晶度，但与此同时无定形区木质素的去除和半纤维素的溶解使总体的结晶度大于对结晶区的破坏而升高，这与Kim等[30]采用氨水、陈尚钘等[31]采用稀酸、Pang等[32]采用微波蒸汽联合预处理玉米秸秆时均发现了预处理使秸秆纤维素结晶度上升或者具有双重作用的事实一致。
【参考文献】：
期刊论文
[1]稻秸酶解和沼气发酵臭氧氨水联合预处理技术研究[J]. 王殿龙,艾平,张衍林. 农业机械学报. 2018(09)
[2]高粱秸秆预处理方法的研究进展[J]. 李洪飞,孙大庆,曹龙奎. 安徽农学通报. 2018(09)
[3]低温冻融-酶解预处理对稻秆厌氧发酵产气特性的影响[J]. 邓媛方,邱凌,王雅君,戴本林,徐继明. 农业机械学报. 2017(10)
[4]盐冻融循环对沥青混合料低温性能的影响[J]. 常睿,郝培文. 建筑材料学报. 2017(03)
[5]水稻秸秆田间焚烧残留物的结构特征初探[J]. 胡林潮,陈莉娜,尹勇,黄兆琴,代静玉. 光谱学与光谱分析. 2015(07)
[6]液氨过氧化氢联合预处理对玉米芯酶解的影响[J]. 赵超,邵千钧,曹艳,丁为民,彭何欢. 农业机械学报. 2015(06)
[7]稻秸厌氧消化纤维制取乙醇实验研究[J]. 王殿龙,艾平,鄢烈亮,郁亮,晏水平,张衍林. 农业机械学报. 2015(05)
[8]大田作物秸秆量评估中秸秆系数取值研究[J]. 王晓玉,薛帅,谢光辉. 中国农业大学学报. 2012(01)
[9]稀酸预处理对玉米秸秆纤维组分及结构的影响[J]. 陈尚钘,勇强,徐勇,朱均均,余世袁. 中国粮油学报. 2011(06)
[10]中国禾谷类大田作物收获指数和秸秆系数[J]. 谢光辉,韩东倩,王晓玉,吕润海. 中国农业大学学报. 2011(01)
博士论文
[1]生物质秸秆—高密度聚乙烯定向秸塑板的制备及其热压成材机理研究[D]. 漆楚生.西北农林科技大学 2013
硕士论文
[1]冻融对煤体损伤及瓦斯放散影响实验研究[D]. 武世亮.中国矿业大学 2017
[2]低温环境下钢筋混凝土轴拉构件试验研究及有限元分析[D]. 陈曦.天津大学 2017
本文编号：3500339
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