微波预处理对水稻秸秆糖化率与成分和结构的影响-农业机械学报.PDF

２０１４年 １０月 农 业 机 械 学 报 第 ４５卷 第 １０期 ｄｏｉ：１０．６０４１／ｊ．ｉｓｓｎ．１０００１２９８．２０１４．１０．０２８ 微波预处理对水稻秸秆糖化率与成分和结构的影响 １ ２，３ ４ １ １ ５ 马　欢 　刘伟伟 　刘　萍 　程备久 　朱苏文 　吴跃进 （１．安徽农业大学生命科学学院，合肥 ２３００３６；２．安徽农业大学工学院，合肥 ２３００３６； ３．中国科学院等离子体物理研究所，合肥 ２３００３１；４．莱斯大学生物工程学院，休斯敦 ７７０３０； ５．中国科学院合肥物质科学研究院技术生物与农业工程研究所，合肥 ２３００３１） 摘要：利用微波辐照对水稻秸秆进行预处理，研究了优化条件下以水为媒介的微波辐照对秸秆酶解糖化率及酶吸 附能力的影响。通过预处理前后秸秆主要化学成分的变化，以及 ＦＴＩＲ、ＸＲＤ和 ＡＦＭ对其表面形貌结构的表征，研 究了微波促进水稻秸秆酶解的机制。结果表明：微波辐照可以破坏水稻秸秆表面特殊的“角质 双硅层”结构和木质 素 半纤维素复合体，去除部分硅和木质素含量，因此能有效减少秸秆对酶的吸附，同时提高纤维素酶的酶解效率。 关键词：水稻秸秆　微波　预处理　糖化率　表征 中图分类号：Ｓ２１６；Ｘ７１２ 文献标识码：Ａ 文章编号：１０００１２９８（２０１４）１００１８００７ 微波辐照因为与传统的加热方法不同，已成功 　　引言 应用于诸多领域。其特有的热效应和非热效应是由 水稻秸秆是我国产量最丰富的农业废弃物之 微波的加热速率，形成的“热区”，离子的加速运动， ８ ［１］ 一，其平均年产量高达 １８×１０ ｔ 。其复杂刚性 分子之间的剧烈碰撞以及极性分子的快速转动（例 结构中包裹的有效糖分可以被转化成许多有价值的 如水分子在微波的辐照下会以２４５亿次／ｓ的频率 ［１７］ ［１８］ ［１９］ 产物（乙醇、Ｌ乳酸等），因此秸秆的高效利用引起 进行转动）而引起的 。Ｐａｎ等 和Ｚｅｈｒａ 的研 了广泛关注。破坏秸秆内聚合体的复杂结构并释放 究已经表明微波辐照在木质纤维素类生物质的高效 出更多的单糖，是水稻秸秆利用技术中的首要难题。 利用上起到了积极的作用，同时它是一种颇具潜力 目前，非催化汽爆、稀酸水解、湿氧化和氨化等方法 的新型处理方法。特别是在纯水相处理体系中，微 已被广泛用于木质纤维素的预处理研究中［２－９］。这 波辐照对水稻秸秆表面物理化学特性影响的研究还 些方法的中心思想均是通过去除或改变半纤维素和 未见报道，更缺少对秸秆结构中硅的考察和分析。 木质素以及降低纤维素结晶度，来增加酶或微生物 基于前期对纯水相体系中（不加入其他化学试 与秸秆的接触面积［６－１０］。然而，大多数预处理方法 剂）微波处理条件的优化［１］，本文将分析微波辐照 具有以下缺点：需要高温／高压，能耗较高；需要加入 对秸秆酶解糖化率及酶吸附能力的影响。通过预处 一定剂量的化学试剂，会对后续酶或微生物发酵产 理前、后秸秆木质纤维素、纤维素、半纤维素和硅等 生毒害作用；而有毒物质的去除又会使得处理方法 主要化学成分的变化，以及 ＦＴＩＲ、ＸＲＤ和ＡＦＭ对其 繁琐且成本高昂。此外，从水稻秸秆自身的成分和 表面形貌结构的表征，研究微波促进水稻秸秆酶解 结构出发，其为典型的喜硅作物，根部及秸秆中硅的