齊 慧 武小芬 陳 亮 鄧 明 王克勤
( 湖南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院核農(nóng)學(xué)與航天育種研究所/湖南省農(nóng)業(yè)生物輻照工程技術(shù)研究中心/生物輻照技術(shù)湖南省工程研究中心,湖南 長(zhǎng)沙 410125)
隨著工業(yè)化及社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,我國(guó)能源消耗量逐年增加,能源危機(jī)日益凸顯,發(fā)展清潔可再生能源刻不容緩。生物質(zhì)能作為一種豐富的可再生能源,越來越受到各國(guó)能源機(jī)構(gòu)的重視。然而,生物質(zhì)中致密的木質(zhì)纖維素結(jié)構(gòu)使其直接利用效率極低,因此充分利用生物質(zhì)發(fā)展生物質(zhì)能源的必要步驟就是對(duì)原材料進(jìn)行一定的預(yù)處理。目前,利用木質(zhì)纖維素制備生物質(zhì)能源產(chǎn)品的技術(shù)瓶頸是如何有效破壞生物質(zhì)原料的結(jié)構(gòu),從而提升其酶解效率[1-2]。諸多研究表明,相對(duì)于常用的預(yù)處理方式,如粉碎、蒸汽爆破、酸堿處理及生物方法等[3-6],高能輻照技術(shù)具有操作簡(jiǎn)單、破壞程度大、明顯提升酶解轉(zhuǎn)化率且反應(yīng)條件溫和、對(duì)環(huán)境友好等優(yōu)勢(shì),已成為生物質(zhì)高效利用過程中的有效技術(shù)手段之一[7]。陳靜萍等[8]研究表明,采用 1 000~1 500 kGy輻照劑量的γ射線處理稻草秸稈,能有效破壞其纖維組織結(jié)構(gòu),輻照與酶復(fù)合處理能極顯著提高稻草纖維素轉(zhuǎn)化率。目前,關(guān)于輻照技術(shù)與化學(xué)方法協(xié)同預(yù)處理工藝的研究已有大量報(bào)道。彭姿等[9]采用稀硫酸協(xié)同輻照技術(shù)處理芒草促進(jìn)了木質(zhì)纖維素酶解糖化;Siriwattana[10]采用尿素協(xié)同γ射線處理研究其對(duì)稻草和玉米秸稈纖維素降解的影響。前人研究主要集中在堿協(xié)同輻照處理,其作用原理是生物質(zhì)經(jīng)輻照預(yù)處理后,自由基誘導(dǎo)的多級(jí)降解作用使原料結(jié)構(gòu)和組分發(fā)生變化,如降低纖維素的聚合度,結(jié)合堿液的浸潤(rùn)處理使得部分半纖維素、木質(zhì)素等被溶出,為后續(xù)纖維素與纖維素酶的充分接觸提供條件,能夠在更低的輻照劑量下提升酶解糖化效率[9-11]。彭勝男等[12]對(duì)氨水協(xié)同60Co-γ射線輻照預(yù)處理芒草的工藝進(jìn)行優(yōu)化,發(fā)現(xiàn)固液比為1∶10(g∶mL)條件下,10% (v:v)氨水浸泡經(jīng)400 kGy輻照48 h后的芒草,再經(jīng)酶解處理,其還原糖得率達(dá)到471.74 mg ·g-1,表明氨水處理與輻照處理對(duì)芒草木質(zhì)纖維素酶解糖化具有協(xié)同效應(yīng)。而采用NaOH結(jié)合輻照處理的工藝條件優(yōu)化研究尚鮮見報(bào)道。本試驗(yàn)參照Wu等[13]的研究方法,在50℃條件下,采用2%NaOH協(xié)同輻照對(duì)稻草進(jìn)行預(yù)處理,研究協(xié)同預(yù)處理對(duì)稻草組分含量及酶解轉(zhuǎn)化率的影響機(jī)制,篩選出最適輻照劑量,并采用正交試驗(yàn)對(duì)輻照協(xié)同NaOH處理?xiàng)l件進(jìn)行優(yōu)化,以期降低生物質(zhì)預(yù)處理成本,提升生物質(zhì)利用率,為生物質(zhì)大規(guī)模利用提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐。
稻草由湖南省核農(nóng)學(xué)與航天育種研究所提供,自然晾干,水分含量為10%左右。
纖維素酶Celluclast?1.5 L[諾維信(中國(guó))生物技術(shù)有限公司]。乙酸、乙酸鈉、硫酸、鹽酸、氫氧化鈉等均為分析純。葡萄糖、木糖標(biāo)準(zhǔn)品(美國(guó)Sigma公司)。
BlueStar A紫外分光光度計(jì),北京萊伯泰科儀器股份有限公司;HZQ-F100恒溫?fù)u床,常州諾基儀器有限公司;TG-16WS離心機(jī),湖南邁克爾實(shí)驗(yàn)儀器有限公司;XH-C渦旋混合器,江蘇金怡儀器科技有限公司;GZX-9246 MBE電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱,上海博訊實(shí)業(yè)有限公司;FA 2004C電子天平,上海佑科儀器儀表有限公司;YSQ-LS-50S11立式壓力蒸汽滅菌鍋,上海博訊醫(yī)療生物儀器股份有限公司;JSM-6380LV掃描電鏡光譜儀,日本電子株式會(huì)社;Nicolet is5紅外分析儀,美國(guó)賽默飛世爾科技公司;Ulti Mate 3000液相色譜儀(檢測(cè)器:Refracto Max 520),美國(guó)賽默飛世爾科技公司。
1.3.1 樣品處理
1)樣品輻照:稻草60Co-γ射線輻照預(yù)處理在湖南省核農(nóng)學(xué)與航天育種研究所湖南省技術(shù)中心完成。輻照處理在室溫下進(jìn)行,共設(shè)置5個(gè)輻照劑量,即0、200、400、600、800 kGy,將經(jīng)不同輻照處理后的稻草樣品剪成0.5 cm長(zhǎng)度大小,密封保存。
2)NaOH溶液浸泡處理:稱取不同劑量輻照后的稻草各1 g于三角瓶中,按照固液比1∶10(g∶mL),向三角瓶加入2%NaOH溶液,在50℃下浸泡2 h,10 000 r·min-1離心5 min,收集上清液,加入1∶3(v∶v)鹽酸溶液調(diào)節(jié)pH值至7.0,備用。濾渣加入250 mL去離子水反復(fù)沖洗5次后,加入20 mL去離子水,渦旋振蕩均勻后,用1∶3(v∶v)鹽酸溶液調(diào)節(jié)pH值至7.0,10 000 r·min-1離心5 min,棄上清液,殘?jiān)鼈溆谩?/p>
1.3.2 酶解反應(yīng) 準(zhǔn)確稱取經(jīng)不同劑量輻照后的稻草各1 g于100 mL三角瓶中,按照10 FPU·g-1加入纖維素酶溶液。將三角瓶置于50℃恒溫?fù)u床,130 r·min-1酶解24 h,5 000 r·min-1離心3 min,取上清液,將上清稀釋10倍后,利用高效液相色譜(high performance liquid chromatography, HPLC)測(cè)定葡萄糖含量。對(duì)低濃度NaOH溶液協(xié)同輻照處理的稻草樣品,按照1.3.1中2)的方法對(duì)其殘?jiān)M(jìn)行酶解,酶解步驟同上。
1.3.3 掃描電子顯微鏡分析 將僅經(jīng)NaOH預(yù)處理、僅輻照預(yù)處理以及NaOH協(xié)同輻照預(yù)處理的稻草分別于65℃烘干粉碎,然后采用導(dǎo)電的雙面膠帶粘在樣品臺(tái)上,將樣品放于真空罩內(nèi),在真空狀態(tài)下噴鍍一層金屬導(dǎo)電膜后進(jìn)行掃描電子顯微鏡(scanning electron microscope, SEM)觀察,檢測(cè)電壓為20 kV。
1.3.4 傅里葉轉(zhuǎn)換紅外光譜分析 將僅經(jīng)NaOH預(yù)處理、僅輻照預(yù)處理以及NaOH協(xié)同輻照預(yù)處理的稻草分別于65℃烘干粉碎,取適量粉末樣品與KBr研磨均勻后壓片,在4 000~500 cm-1波數(shù)范圍進(jìn)行傅里葉轉(zhuǎn)換紅外光譜(Fourier transform infrared spectroscopy, FT-IR)分析。
1.3.5 測(cè)定指標(biāo)及方法
1)水分含量:分別準(zhǔn)確稱取2 g經(jīng)0、200、400、600、800 kGy輻照處理后的稻草樣品,過40目篩后置于鋁盒中,105℃恒溫烘干4 h,冷卻0.5 h后稱重(直至質(zhì)量差小于0.002 g)。按照公式計(jì)算水分含量:
水分含量=(w1-w2)/(w1-w3)×100%
(1)
式中,w1:鋁盒與烘干前樣品質(zhì)量,g;w2:鋁盒與烘干后樣品質(zhì)量,g;w3:鋁盒質(zhì)量,g。
2)水洗質(zhì)量損失率:分別準(zhǔn)確稱取3 g經(jīng)0、200、400、600、800 kGy輻照處理后的稻草樣品,按固液比 1∶10(g∶mL)加入超純水,于室溫條件下浸泡1 h后,過濾,將過濾殘?jiān)娓珊蠓Q重。按照公式分別計(jì)算水洗質(zhì)量損失率和樣品絕干質(zhì)量:
水洗質(zhì)量損失率=(樣品絕干質(zhì)量-水洗后殘?jiān)娓少|(zhì)量)/樣品絕干質(zhì)量×100%
(2)
樣品絕干質(zhì)量=樣品稱樣量×(1-水分含量)×100%
(3)。
3)堿洗質(zhì)量損失率:準(zhǔn)確稱取3 g輻照后稻草樣品,按固液比1∶10(g∶mL)加入2%NaOH溶液,50℃下浸泡2 h,保留過濾殘?jiān)?05℃烘干后稱重,按照公式計(jì)算堿洗質(zhì)量損失率:
堿洗質(zhì)量損失率=(樣品絕干質(zhì)量-稀堿處理后殘?jiān)娓少|(zhì)量)/樣品絕干質(zhì)量×100%
(4)。
4)水洗或堿洗殘?jiān)心举|(zhì)素、纖維素、半纖維素含量: 參照美國(guó)可再生能源實(shí)驗(yàn)室標(biāo)準(zhǔn)分析方法[14]測(cè)定木質(zhì)素、纖維素和半纖維素的含量。準(zhǔn)確稱取0.3 g經(jīng)1.3.5中2)或3)處理后,經(jīng)65℃干燥24 h的稻草殘?jiān)糜谌瞧恐校尤? mL 72%硫酸,30℃水浴反應(yīng)1 h,每5~10 min振搖1次,加入84 mL蒸餾水,于高壓滅菌鍋內(nèi)121℃反應(yīng)1 h,過濾,濾渣于105℃烘干至恒重,即為酸不溶性木質(zhì)素;濾液定容至100 mL,利用HPLC測(cè)定葡萄糖和木糖含量,于320 nm波長(zhǎng)下測(cè)定酸溶性木質(zhì)素含量。按照公式分別計(jì)算木質(zhì)素、纖維素、半纖維素含量和纖維素酶解轉(zhuǎn)化率:
木質(zhì)素含量=(酸溶性木質(zhì)素質(zhì)量+酸不溶性木質(zhì)素質(zhì)量)/樣品絕干質(zhì)量×100%
(5)
纖維素含量=(0.9×葡萄糖質(zhì)量)/樣品絕干質(zhì)量×100%
(6)
半纖維素含量=(0.88×木糖質(zhì)量)/樣品絕干質(zhì)量×100%
(7)
纖維素酶解轉(zhuǎn)化率=(0.9×葡萄糖質(zhì)量)/[樣品質(zhì)量×(1-堿洗損失率) ×濾渣中纖維素含量] ×100%
(8)。
5)還原糖含量:利用HPLC測(cè)定還原糖含量。色譜柱:Bio-RAD AminexRHPX-87H Ion Exclusion Column(300 mm×7.8 mm);流動(dòng)相:0.005 mol·L-1H2SO4;流速:0.6 mL·min-1;柱溫:55℃;柱后冷卻溫度:30℃;檢測(cè)器:示差折光檢測(cè)器(refractive index detector,RID);檢測(cè)器溫度:45℃;進(jìn)樣體積:10 μL。
采用SAS 8.1和Microsoft Excel 2010分析整理數(shù)據(jù);Origin 8.0制圖。
由表1可知,經(jīng)輻照預(yù)處理后,稻草的水洗質(zhì)量損失率隨著輻照劑量的增加而增大。這與陳亮等[15]的研究結(jié)果一致。這是由于隨著輻照劑量的增加,稻草木質(zhì)纖維結(jié)構(gòu)的破壞程度也進(jìn)一步增大,大分子不溶性物質(zhì)進(jìn)一步降解為小分子可溶性物質(zhì)。由表2可知,NaOH協(xié)同輻照處理下,稻草的堿洗質(zhì)量損失率也隨著輻照劑量的增加而增大,當(dāng)輻照劑量超過400 kGy后,稻草堿洗質(zhì)量損失率持續(xù)增加,但不顯著。
由表1、2可知,隨著輻照劑量的增大,輻照后水洗處理的稻草纖維素、半纖維素含量變化規(guī)律并不明顯;而NaOH協(xié)同輻照處理后的稻草纖維素含量則呈先增加后減小的趨勢(shì),半纖維素含量呈逐漸減少的趨勢(shì),木質(zhì)素含量也呈逐漸減少的趨勢(shì)。這與唐洪濤等[16]的研究結(jié)果類似。這是由于NaOH可部分溶解木質(zhì)素和半纖維素,進(jìn)而導(dǎo)致在輻照劑量為0~400 kGy范圍內(nèi),纖維素相對(duì)含量增加。但隨著輻照劑量進(jìn)一步增加,稻草內(nèi)部木質(zhì)纖維素結(jié)構(gòu)受破壞程度進(jìn)一步加強(qiáng),堿處理效果增強(qiáng),進(jìn)而導(dǎo)致纖維素含量下降;半纖維素、木質(zhì)素的損失也逐步增加,含量減少,但當(dāng)輻照劑量大于600 kGy后,由于堿處理后纖維素、半纖維素的減少,卻使得木質(zhì)素的相對(duì)含量有所增加,但不顯著。
表1 輻照對(duì)稻草水洗質(zhì)量損失率及主要成分含量的影響Table 1 Effect on the straw quality loss after waterwashing and the main component content by irradiation pretreatment
注:同列不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)。下同。
Note: Different lowercase letters in the same column indicate significant difference at 0.05 level. The same as following.
表2 NaOH協(xié)同輻照處理對(duì)稻草堿洗質(zhì)量損失率及主要成分含量的影響Table 2 Effect of NaOH solution collaborated with irradiation pretreatment on the straw quality loss after aqueous alkali washing and the main component content
由圖1可知,稻草直接酶解時(shí),隨著輻照劑量的增大,纖維素轉(zhuǎn)化率呈增大的趨勢(shì),輻照劑量為800 kGy時(shí)的纖維素轉(zhuǎn)化率最大,約為60%。經(jīng)2%NaOH,50℃浸泡處理2 h后的稻草纖維素轉(zhuǎn)化率大幅提升,0、200、400、600、800 kGy輻照結(jié)合2%NaOH浸泡處理使稻草纖維素轉(zhuǎn)化率較單一輻照處理分別增加 5 930.56%、3 840.03%、101.51%、42.76%、28.69%;400 kGy劑量輻照結(jié)合NaOH處理后稻草的纖維素轉(zhuǎn)化率達(dá)到73.81%,較單一800 kGy輻照劑量處理的稻草增加了23.49%,說明輻照與NaOH處理具有協(xié)同效應(yīng),能明顯提升稻草纖維素的酶解轉(zhuǎn)化率。600 kGy輻照結(jié)合NaOH預(yù)處理后稻草的纖維素轉(zhuǎn)化率達(dá)到最大值,為78.44%,輻照劑量為800 kGy時(shí)酶解轉(zhuǎn)化率有所下降,這是由于高劑量輻照對(duì)稻草木質(zhì)纖維素結(jié)構(gòu)的破壞程度加劇,增強(qiáng)了后續(xù)稀堿的作用效果,纖維素的含量有所降低,使纖維素酶解轉(zhuǎn)化率有所減小。NaOH協(xié)同輻照處理?xiàng)l件下,輻照劑量為600 kGy時(shí)的稻草纖維素轉(zhuǎn)化率高于400 kGy,但差異不顯著。綜上,為降低預(yù)處理成本,以400 kGy作為最佳協(xié)同預(yù)處理輻照劑量。
圖1 NaOH協(xié)同輻照處理對(duì)稻草纖維素酶解轉(zhuǎn)化率的影響Fig.1 Effect of the enzymatic hydrolysis conversion rate of cellulose in rice straw by using NaOH solution collaborated with irradiation pretreatment
2.3.1 輻照處理及NaOH協(xié)同輻照處理對(duì)稻草表觀形貌特征的影響 未經(jīng)處理的稻草,表面比較光滑、緊密有序(圖2-4);存在較多明顯的球狀或塊狀物質(zhì)附著于纖維表面(圖2-B);NaoH處理的稻草表面變得較粗糙,出現(xiàn)較為明顯的孔洞(圖2-C);400 kGy輻照協(xié)同NaoH處理的稻草表面纖維有大量的裂紋、裂片,纖維素束發(fā)生分離,出現(xiàn)層層剝離的現(xiàn)象(圖2-D),但相比于單獨(dú)輻照處理,其表面球狀或塊狀物質(zhì)明顯減少。
注:A:0 kGy;B:400 kGy輻照處理;C:2%NaOH溶液,50℃,固液比1∶10處理2 h;D:400 kGy輻照處理+2%NaOH溶液,50℃,固液比1∶10處理2 h。Note:A: Untreated. B: Irradiation at 400 kGy. C: Soaked with 2% NaOH (solid-liquid ratio=1∶10) in 50℃ for 2 hours. D: Irradiation at 400 kGy and soaked with 2% NaOH (solid-liquid ratio=1∶10) in 50℃ for 2 hours.圖2 不同處理?xiàng)l件下稻草掃描電鏡圖譜Fig.2 Picture of rice straw by electron microscope with four different pretreatment
2.3.2 輻照處理及NaOH結(jié)合輻照處理對(duì)稻草分子結(jié)構(gòu)的影響 由圖3可知,試樣1和試樣2在898、1 162、1 380、1 735、1 653 cm-1處吸收峰強(qiáng)度均隨著輻照劑量的增大而減弱;而在1 513cm-1處吸收峰強(qiáng)度隨著輻照劑量變化的趨勢(shì)并不明顯。由試樣3和試樣4的紅外光譜圖可知,相對(duì)于僅進(jìn)行NaOH預(yù)處理,NaOH協(xié)同輻照預(yù)處理稻草樣品在898、1 162、 1 380 cm-1處吸收峰強(qiáng)度有所增強(qiáng),在1 735、1 450 cm-1處吸收峰消失;在1 653 cm-1處吸收峰強(qiáng)度減弱。比較試樣2和4的紅外光譜圖發(fā)現(xiàn),相對(duì)于僅進(jìn)行輻照預(yù)處理,NaoH協(xié)同輻照預(yù)處理稻草樣品在898、1 162、 1 380 cm-1處的吸收峰強(qiáng)度均有所增強(qiáng);在1 513、1 735、1 450 cm-1處吸收峰均消失;在1 653 cm-1處吸收峰強(qiáng)度減弱。
注:1: 0 kGy;2: 400 kGy輻照處理;3: 2%NaOH溶液,50℃,固液比1∶10處理2 h;4: 400 kGy輻照處理+2%NaOH溶液,50℃,固液比1∶10處理2 h。Note:1: Untreated. 2: Irradiation at 400 kGy. 3: Soaked with 2%NaOH(Solid-liquid ratio=1∶10) in 50℃for 2 hours. 4: Irradiation at 400 kGy and soaked with 2%NaOH(Solid-liquid ratio=1:10) in 50℃for 2 hours.圖3 紅外掃描圖譜Fig.3 FT-IR spectra
2.4.1 預(yù)處理?xiàng)l件的優(yōu)化 對(duì)稻草酶解葡萄糖得率影響較大的因素有NaOH溶液濃度(A)、浸泡時(shí)間(B)、浸泡溫度(C)以及固液比(D)。綜合文獻(xiàn)信息,在盡可能節(jié)省能源、試劑消耗和時(shí)間的基礎(chǔ)上,按常規(guī)方法確定正交因素水平(表3)。以稻草纖維素酶解轉(zhuǎn)化率為評(píng)價(jià)指標(biāo),選擇400 kGy輻照后的稻草為試驗(yàn)材料,采用L9(34)正交試驗(yàn)確定稀堿協(xié)同處理的最佳處理?xiàng)l件。NaOH浸泡預(yù)處理?xiàng)l件優(yōu)化正交試驗(yàn)因素水平如表4所示,方差分析如表5所示。通過查詢F-分布表,F(xiàn)0.01(2,4)=18,F(xiàn)0.05(2,4)=6.94,表明稀堿處理時(shí)間(B)對(duì)稻草纖維素酶解轉(zhuǎn)化率具有極顯著影響,這是由于時(shí)間過短,解聚效果不理想,時(shí)間過長(zhǎng)導(dǎo)致纖維素組分流失和成本浪費(fèi);浸泡溫度(C)對(duì)纖維素酶解轉(zhuǎn)化率具有顯著影響,這是由于溫度過高,堿液溶脹纖維素的速率增加,易使纖維素發(fā)生解聚,導(dǎo)致纖維素?fù)p失,不利于后續(xù)酶解[17]。極差數(shù)據(jù)表明,各因素對(duì)稻草纖維素酶解轉(zhuǎn)化率的影響程度依次為浸泡時(shí)間(B)>浸泡溫度(C)>堿濃度(A)>固液比(D),最佳稀堿協(xié)同預(yù)處理?xiàng)l件為B3C2A2D3,即采用2%NaOH溶液,固液比為1∶15,在50℃條件下處理4 h。
表3 NaOH浸泡預(yù)處理?xiàng)l件優(yōu)化正交試驗(yàn)因素水平表Table 3 Factors and levels of orthogonal experiments for NaOH pretreatment conditions optimization
表5 NaOH浸泡預(yù)處理?xiàng)l件優(yōu)化正交試驗(yàn)方差分析表Table 5 Variance analysis of orthogonal experiments for NaOH pretreatment conditions optimization
注:**和*分別表示在0.01和0.05水平下該因素有顯著影響。
Note: ** and * indicate that this factor has significant influence at 0.01 and 0.05 level, respectively.
2.4.2 工藝驗(yàn)證 根據(jù)2.4.1中正交試驗(yàn)結(jié)果篩選的最佳工藝參數(shù)B3C2A2D3進(jìn)行3次驗(yàn)證試驗(yàn)。稱取1 g經(jīng)400 kGy輻照后的稻草為試驗(yàn)材料,按1.3.2、1.3.3中的操作步驟及2.4.1中最佳預(yù)處理?xiàng)l件進(jìn)行輻照協(xié)同稀堿處理,然后利用HPLC測(cè)定葡萄糖含量,并折算成纖維素酶解轉(zhuǎn)化率。試驗(yàn)所得最終稻草酶解24 h后的纖維素酶解轉(zhuǎn)化率為78.54%±1.20%。結(jié)果表明,該工藝穩(wěn)定可行。
研究發(fā)現(xiàn)稻草經(jīng)輻照預(yù)處理,其內(nèi)部致密的木質(zhì)纖維結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生破壞,大分子鏈斷裂,生成小分子可溶性物質(zhì),且其結(jié)構(gòu)破壞程度隨著輻照劑量的增加而增強(qiáng)[18]。這與本研究中水洗損失量的變化結(jié)果類似。白獻(xiàn)曉等[19]研究表明,堿與熱處理結(jié)合有利于小麥秸稈中半纖維素和木質(zhì)素的降解,這是由于熱處理破壞小麥秸稈物理結(jié)構(gòu)的同時(shí)促進(jìn)了堿的溶解效果,使得木質(zhì)素、半纖維素與纖維素之間連接鍵斷裂。這與本試驗(yàn)結(jié)果在作用機(jī)制上相統(tǒng)一。本研究中,輻照處理能促進(jìn)NaOH溶液對(duì)稻草中部分半纖維素和木質(zhì)素的溶解,導(dǎo)致堿洗損失量隨著輻照劑量的增大而增加,但當(dāng)超過一定輻照劑量后,堿洗損失量增長(zhǎng)不明顯。稻草經(jīng)輻照預(yù)處理后,其化學(xué)組分也隨著輻照劑量的變化而發(fā)生改變,特別是協(xié)同NaOH溶液浸泡處理后,其化學(xué)組分變化更為明顯。唐洪濤等[16]研究發(fā)現(xiàn)經(jīng) 200 kGy 輻照處理后小麥秸稈成分變化不明顯,半纖維素的變化幅度大于纖維素,但結(jié)合NaOH溶液浸泡處理后,纖維素相對(duì)含量增大,半纖維素、木質(zhì)素相對(duì)含量均有所降低。這與本研究試驗(yàn)結(jié)果一致。Bak等[20]研究發(fā)現(xiàn)高能輻照能有效破壞稻草秸稈纖維組織結(jié)構(gòu),輻照與纖維素酶復(fù)合處理稻草秸稈能顯著提高稻草秸稈纖維的轉(zhuǎn)化率。這與本研究結(jié)果相同。本研究中,800 kGy輻照處理的稻草纖維素酶解轉(zhuǎn)化率較未輻照提高近100倍。這是由于稻草受破壞的程度隨著輻照劑量的增大而增強(qiáng),增大了纖維素酶與底物的接觸面積,從而提高反應(yīng)速率和效率。沈志強(qiáng)等[21]以小麥秸稈為試驗(yàn)材料,研究γ輻照與NaOH溶液的協(xié)同效應(yīng),發(fā)現(xiàn)輻照能促進(jìn)NaOH對(duì)木質(zhì)素和半纖維素的溶解效果,純化纖維素,進(jìn)一步增大纖維素酶與底物的接觸面積,從而提高了酶解轉(zhuǎn)化率。這與本研究結(jié)果一致。此外,本研究中,掃描電鏡試驗(yàn)結(jié)果對(duì)上述觀點(diǎn)進(jìn)行了論證,經(jīng)400 kGy輻照處理的稻草樣品,其表面由光滑、緊密有序變成有較多球狀或塊狀物質(zhì)附著于纖維表面,這可能是木質(zhì)素[22],表明高能輻照能夠破壞稻草的表觀和內(nèi)部結(jié)構(gòu)。NaOH溶液浸泡后,稻草表面變得粗糙并產(chǎn)生明顯孔洞,這是由于NaOH溶液浸泡處理對(duì)稻草物質(zhì)結(jié)構(gòu)具有侵蝕作用,使得表面乙?;鶖嗔选aOH協(xié)同輻照處理后,稻草表面纖維出現(xiàn)的裂紋、裂片以及纖維素束發(fā)生分離而出現(xiàn)的層層剝離現(xiàn)象,證明NaOH溶液浸泡處理與輻照處理具有協(xié)同作用,對(duì)稻草內(nèi)部木質(zhì)纖維結(jié)構(gòu)的破壞性更徹底。這與前人[23-24]認(rèn)為堿作用下能溶解表層木質(zhì)素的結(jié)論相同。這是由于比表面積的增大,孔洞的增多均促進(jìn)了纖維素酶與纖維素的充分接觸,從而有利于酶解轉(zhuǎn)化率的提高。研究表明,898 cm-1是纖維素β-糖苷鍵特征峰[25],經(jīng)400 kGy輻照預(yù)處理后的稻草樣品,該處特征峰強(qiáng)度減弱,這是由于輻照預(yù)處理能破壞稻草的木質(zhì)纖維結(jié)構(gòu),導(dǎo)致纖維素β-糖苷鍵的斷裂;經(jīng)NaOH預(yù)處理稻草樣品,其898 cm-1處峰強(qiáng)度增強(qiáng),這是由于NaOH溶解了部分半纖維素和木質(zhì)素,使得濾渣中纖維素相對(duì)含量增多;經(jīng)NaOH結(jié)合輻照預(yù)處理的稻草樣品較單獨(dú)NaOH預(yù)處理的稻草樣品,其898 cm-1處峰強(qiáng)度更強(qiáng),這是由于NaOH預(yù)處理與輻照預(yù)處理具有協(xié)同作用,濾渣中纖維素的相對(duì)含量進(jìn)一步增大,纖維素的酶解轉(zhuǎn)化率進(jìn)一步提高。研究發(fā)現(xiàn) 1 380 cm-1、1 420 cm-1均是纖維素的特征吸收峰[16,26-27],其峰強(qiáng)度隨著預(yù)處理?xiàng)l件改變的變化規(guī)律同898 cm-1處吸收峰,這也進(jìn)一步證明了輻照結(jié)合NaOH溶液預(yù)處理具有協(xié)同作用。1 735 cm-1是半纖維素區(qū)別于其他組分的乙?;螩=O伸縮振動(dòng)特征峰[28-29]。本研究中,單一輻照處理使得1 735 cm-1處吸收峰變?nèi)?,這是由于輻照對(duì)稻草內(nèi)部半纖維素結(jié)構(gòu)具有破壞作用;單獨(dú)NaOH溶液處理后,1 735 cm-1處吸收峰消失,這是由于在堿溶液具有脫乙?;饔?。1 653 cm-1來自于半纖維素吸附水的彎曲振動(dòng)[30],輻照預(yù)處理使半纖維素含量減少,當(dāng)進(jìn)一步結(jié)合NaOH溶液處理后,半纖維含量急劇下降,因此 1 653 cm-1峰的強(qiáng)度呈逐漸下降的趨勢(shì)。研究發(fā)現(xiàn) 1 513 cm-1峰是木質(zhì)素芳香環(huán)骨架振動(dòng)的特征峰[31]。本研究中,1 513 cm-1峰的強(qiáng)度在經(jīng)400 kGy輻照預(yù)處理后的變化并不明顯,但協(xié)同NaOH溶液處理后,峰強(qiáng)度明顯下降,這也進(jìn)一步證實(shí)堿對(duì)木質(zhì)素有一定去除能力。1 450 cm-1峰是木質(zhì)素中C-H彎曲振動(dòng)的特征峰[32]。本研究發(fā)現(xiàn),NaOH溶液結(jié)合輻照預(yù)處理后,該峰幾乎消失。紅外光譜分析表明,輻照處理能破壞稻草內(nèi)部木質(zhì)纖維素結(jié)構(gòu),輻照處理結(jié)合NaOH溶液浸泡后的稻草樣品,其濾渣中的半纖維素、木質(zhì)素含量均有所降低,而纖維素含量有所提升,為后續(xù)稻草纖維素酶解轉(zhuǎn)化提供了有利的條件。魯杰等[33]研究發(fā)現(xiàn)NaOH預(yù)處理是有效植物纖維素原料預(yù)處理方法,經(jīng)NaOH預(yù)處理后更易于酶解。遲聰聰?shù)萚34]研究堿預(yù)處理對(duì)玉米秸稈酶解效果的影響,發(fā)現(xiàn)優(yōu)化所得的堿處理最佳條件為15%NaOH溶液,70℃處理6 h,酶解總糖得率約35%。相對(duì)于僅進(jìn)行堿預(yù)處理,協(xié)同預(yù)處理極大降低了堿處理時(shí)間、濃度和溫度,不僅節(jié)約成本,保護(hù)環(huán)境,且較大提升了酶解轉(zhuǎn)化率。本研究?jī)?yōu)化確立的最佳稀堿協(xié)同預(yù)處理?xiàng)l件下,酶解時(shí)間僅24 h,纖維素酶解轉(zhuǎn)化率達(dá)到78.54%±1.20%,極大地節(jié)省了輻照預(yù)處理時(shí)間和成本。
本研究結(jié)果表明,60Co-γ射線輻照對(duì)稻草內(nèi)部的木質(zhì)纖維結(jié)構(gòu)具有較強(qiáng)的破壞作用,能促進(jìn)堿預(yù)處理作用的發(fā)揮,溶解去除大量的半纖維素和木質(zhì)素,使得纖維素酶與底物接觸更充分,從而提高纖維素酶解糖化效率。輻照預(yù)處理與堿處理具有較好的協(xié)同效應(yīng)。本研究采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)對(duì)協(xié)同預(yù)處理?xiàng)l件進(jìn)行優(yōu)化,最適條件下,酶解時(shí)間僅24 h,稻草纖維素酶解轉(zhuǎn)化率達(dá)到78.54%±1.20%,極大縮短了預(yù)處理時(shí)間和成本,為生物質(zhì)資源能源化利用提供了理論依據(jù)和技術(shù)支撐。