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1、第 17 卷第 3 期2009 年 9 月纤维素科学与技术Journal of Cellulose Science and TechnologyVol.17 No.3Sept.2009文章编号：1004-8405(2009)03-0035-04 预处理方法对玉米秸秆利用的影响张荫雷，李莉，戴天纭，李蕴，马中良*（上海大学生命科学学院生命科学实验教学中心，上海 200444）摘要：分别用化学方法（稀硫酸、氢氧化钠、聚乙二醇-4000、曲拉通 X-100）和物理方法（液氮超低温处理）对玉米秸秆进行预处理，比较了预处理后木质纤维素酶降解的效果。结果表明：氢氧化钠和液氮超低温处理的降解效率比较好，生成
2、的糖最多。扫描电镜检测证明预处理后的秸秆物理结构发生了较大改变。对预处理后的秸秆进行发酵产沼气能力比较的结果表明，液氮处理后的秸秆产沼气的量最多。关键词：玉米秸秆；预处理；降解；木质纤维素；发酵中图分类号：TS721 文献标识码：A 木质纤维素是重要的可再生资源，其可利用部分主要是纤维素1。木质纤维素如玉米等农作物的废弃物难以被利用的主要原因是木质素和半纤维素共价结合、纤维素的结晶结构以及纤维素被木质素和半纤维素包覆2，因此有必要对木质纤维素进行有效的预处理，破坏木质素的包裹，改变纤维素的结晶结构，以增大酶与纤维素的接触面积。有效的预处理方法是目前提高利用纤维素利用率的主要途径。本文研究了不同
3、的预处理方法对玉米秸秆降解效率的影响及产生生物质能沼气的效果。1 材料与方法1.1 材料玉米秸秆购自江苏盐城，晒干，粉碎，备用。纤维素酶 R-10 购自北京鼎国生物技术有限责任公司，纤维素酶活（以滤纸酶活表示）为 133.4 FPU/mL。1.2 方法1.2.1 样品的初步预处理称取高温灭菌过的玉米秸杆粉0.5 g，分别放入编号的锥形瓶中。1.2.2 化学法预处理试剂的制备上述样品分别用2%氢氧化钠，2%稀硫酸，10%曲拉通（Triton-X-100），1%聚乙二醇（PEG-4000），每种处理平行做三个样本，于37 过夜。样品过滤，烘干备用。收稿日期：2009-03-18?通讯作者基金项目：
4、上海大学创新项目资助课题（A.10-0112-07-042）。作者简介：张荫雷（1984），男，硕士研究生；主要从事生物质能的研究。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 1 页，共 4 页 -纤 维 素 科 学 与 技 术第 17 卷36 1.2.3 物理预处理方法将上述玉米秸秆置于超低温环境（液氮）处理30 min 后，用研钵研磨5 min，研磨过程保持秸秆始终被液氮浸没，样品备用。1.2.4 酶解效果的测定将处理后的样品各0.1 g，pH 4.5 NaAc-HAc 缓冲液 3 mL以及 10 g/L（133.4 FPU/mL）的纤维素酶溶液，置于50水浴锅中静置反应2 h，其间
5、不时振摇数次。还原糖含量测定采用DNS 比色法3，总糖含量测定采用蒽酮比色法4。1.2.5 木质纤维素产沼气效果的测定分别称取预处理后的秸秆1 g，置于 100 mL 反应瓶中。在厌氧工作台操作，以上海大学池塘的深层污泥为接种物，混匀后加入10 mL，另外加入基础培养基10 mL。用N2充满反应瓶。用排水法收集气体5。2 结果与讨论2.1 化学预处理方法的比较用四种化学试剂处理玉米秸秆粉后，用纤维素酶水解处理后的样品，测定所产生的总糖的量，结果见图1。图1 化学试剂处理秸秆后降解效果的比较0.0040.0080.00120.00水氢氧化钠硫酸PEG-4000Triton-X-100化学处理剂w
6、(总糖)/%由图 1 可知，玉米秸秆经氢氧化钠、硫酸、PEG-4000 和 Triton-X-100四种化学试剂预处理后，从总糖的量来看（以 NaOH 处理过的秸秆酶解反应中测得的总糖OD600 值为 100%），NaOH 处理的效果明显优于其他的几种试剂，而另外三种预处理试剂的差别并不是很大。由图 2 可见，氢氧化钠作为玉米秸杆预处理的试剂效果明显好于硫酸和水，而硫酸和水预处理的效果差别不明显，酶解所产生还原糖的量也相近。图2 不同预处理玉米秸杆降解效果的比较0.00100.00200.00300.00水氢氧化钠硫酸液氮处理剂w(总糖)/%2.2 物理方法与化学方法的比较物理方法用液氮超低温
7、处理，同时选取化学方法效果较好的氢氧化钠及用稀酸预处理秸秆。比较处理后秸秆酶解生成还原糖名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 2 页，共 4 页 -第 3 期张荫雷等：预处理方法对玉米秸秆利用的影响37的量。图 2 比较了化学法与物理法预处理对玉米秸秆降解的影响，从图中可以看出，液氮超低温对玉米秸秆处理后降解的效果比化学法好。而在几种化学试剂中，氢氧化钠预处理的效果比硫酸好。这一点与图1 中总糖含量测定的结果相一致。2.3 预处理后木质纤维素结构的改变将预处理过的秸秆在扫描电镜下观察（图3），硫酸（3b）和氢氧化钠（3c）处理后样品与对照样品（3a）在结构上已经有明显改变，致密程度
8、下降。液氮超低温处理后对秸秆的破坏更明显（3d），这也解释了液氮超低温处理后酶解效果好得多的原因。a.水b.硫酸c.氢氧化钠d.液氮图 3 预处理后秸秆结构的电镜照片2.4 预处理后木质纤维素发酵产沼气能力的比较预处理后的玉米秸秆按“1.2.5”方法进行产沼气能力的测定。反应器置于37水浴，反应 20 天。从图 4 可以看出，液氮处理后的玉米秸秆产生的沼气体积最大为120 mL，约为氢氧化钠处理后样品产气量的两倍。图4 预处理后秸秆产沼气能力的比较0.0040.0080.00120.00160.00水氢氧化钠硫酸液氮处理剂V(沼气)/mL2.5 讨论从经济成本和环境的角度看，氢氧化钠和PEG-
9、4000 的价格便宜，对环境影响较小6-7。Triton-X-100 由于其本身难溶于水，黏性大，操作不方便，效果也不明显。液氮超低温处理技术在预处理中没有任何污染，且降解效果显著。常用的氨纤维爆破法比较繁琐，成本较高8。沼气发酵的结果表明，液氮处理后的秸秆产沼气的能力最强。并且实验中也发现液氮处理后的反应器中最先出现气泡，说明秸秆容易被降解发酵。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 3 页，共 4 页 -纤 维 素 科 学 与 技 术第 17 卷38 3 结 论本文比较了利用化学试剂（稀硫酸、氢氧化钠、PEG-4000 和 Triton-X-100）预处理方法与液氮超低温预处理的
10、物理方法对玉米秸秆降解的影响。酶解试验结果表明，液氮和氢氧化钠预处理的玉米秸秆降解效率较高，生成的还原糖和总糖最多。经过预处理的秸秆物理结构发生了改变，以液氮处理的秸秆的变化最明显。液氮处理后的秸秆产沼气的量最多，至少是其他处理方法产气量的2 倍。本研究为进一步研究超低温预处理木质纤维素及其生物能转化的机制奠定了基础。参考文献：1 Bae K S,Lee Y Y.Difusion of sulfuric acid within lignocellulosic biomass particles and its impact on dilute acid pretreatmentJ.Biores
11、our Techno,2002,83(1):165-17l.2 Liu Y,Zhang Y P,Lee R,et al.Enzyme-microbe synery during cellulose hydrolysis by Clostridium thermocellum J.Proc Natl Acad Sci USA,2006,103(44):16165-16169.3 Chen H Z,Liu L Y,Yang X X,et al.New process of maize stalk amination treatment by steam explosionJ.Biomass Bio
12、energy,2005,28(4):411-417.4 Sun X F,Sun R C,Tomkinson J,et al.Degradation of wheat straw lignin and hemicellulosic polymers by a totally chlorine free methodJ.Polym Degrad Stab,2004,83(1):47-57.5 陈彬,赵由才,曹伟,等.水葫芦厌氧发酵工程化应用研究J.环境污染与防治,2007,29(6):455-458.6 Sun V,Cheng J J.Dilute acid pretreatment of rye
13、 straw and bermudagrass for ethanol productionJ.Bioresour Technol,2005,96(14):1599-1606.7 Xu F,Sun J X,Liu C F,et al.Comparative study of alkaliand acidic organicsolvent soluble hemicellulosic polysaccharides fromsugarcane bagasseJ.Carbohydr Res,2006,314(2):253-261.8 Teymouri F,Laureano-Perez F,Hasa
14、n Alizadeh,et al.Optimization of the ammonia fiber explosion(AFEX)treatment parameters for enzymatic hydrolysis of corn stoverJ.Bioresour Technol,2005,96(18):2014-2018.Effects of Pretreatment on Degradation of Corn Stalk ZHANG Yin-lei,LI Li,DAI Tian-yun,LI Yun,MA Zhong-liang*（School of Life Sciences
15、,Life Sciences Experimental Teaching Center of Shanghai University,Shanghai 200444,China）Abstract:Chemical pretreatment on corn stalk by different chemicals such as dilute acid,NaOH,PEG-4000 and Triton-X-100 and by physical pretreatment in ultra low temperature were investigated.The results showed t
16、hat,NaOH and ultra low temperature pretreatment were better,and more sugar was obtained.The structure of corn stalk pretreated had been destroyed.Measuring the production of biogas from pretreated stalk,liquid nitrogen-pretreatment saw best results.Key words:corn stalk;pretreatment;degradation;lignocelluloses;fermentation 名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 4 页，共 4 页 -