董 倩，唐 松，徐祿江，方 真

（南京農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，南京 210031）

0 引 言

中國(guó)是棉花種植和生產(chǎn)第一大國(guó)，棉稈作為主要副產(chǎn)物年產(chǎn)量達(dá)5 400多萬(wàn)t[1]，目前對(duì)棉稈的處理方式多是隨意丟棄或燃燒，這造成了環(huán)境污染和資源浪費(fèi)[2]。棉稈的主要組分為纖維素（32%～46%）、半纖維素（20%～28%）和木質(zhì)素（17%～26%）[3]。棉稈的致密結(jié)構(gòu)和復(fù)雜組分限制了其直接轉(zhuǎn)化成生物燃料和化學(xué)品的效率[4]。因此，需要對(duì)棉稈進(jìn)行預(yù)處理，選擇性分離其中的木質(zhì)纖維素組分，打破致密緊湊的物理屏障[5]，提高水解棉稈制備可發(fā)酵性糖的效率，為生產(chǎn)生物燃料和化學(xué)品提供可持續(xù)的生物基原料[6-7]，有利于促進(jìn)棉稈的資源化和高值化利用。

研究表明硫酸[8-9]、硝酸[10-11]和鹽酸[12-13]等傳統(tǒng)無(wú)機(jī)酸催化預(yù)處理生物質(zhì)，雖能有效分離木質(zhì)纖維素組分，實(shí)現(xiàn)纖維素酶的高效水解，但對(duì)設(shè)備的耐腐蝕性要求高，且易產(chǎn)生發(fā)酵抑制物，不適于規(guī)模化生產(chǎn)[14]。目前，研究學(xué)者采用路易斯酸（如氯化鐵[15]）替代傳統(tǒng)無(wú)機(jī)酸作為催化劑用于生物質(zhì)的預(yù)處理，其原因是路易斯酸溶于水后生成的水合氫離子能有效破壞木質(zhì)纖維素的緊密結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)木質(zhì)纖維素組分的有效分離，達(dá)到傳統(tǒng)酸預(yù)處理效果的同時(shí)還可規(guī)避對(duì)設(shè)備的腐蝕等缺點(diǎn)[16-17]。氯化鐵作為催化劑進(jìn)行預(yù)處理能有效水解半纖維素組分，并留下更容易被酶水解的固體殘留物[18]，此外，F(xiàn)e3+離子對(duì)酶活性有積極影響[19]，常用于糖發(fā)酵培養(yǎng)基的制備[20]。Zhang等[21]利用FeCl3催化水熱預(yù)處理（160 ℃和30 min）甘蔗渣，半纖維素幾乎被完全去除，但仍含有 44%堿木質(zhì)素。Chen等[22]利用 FeCl3催化水熱預(yù)處理（170 ℃和30 min）甘蔗渣、水稻秸稈和桉木，大量半纖維素被去除，但木質(zhì)素?zé)o明顯變化。氯化鐵催化高溫水熱預(yù)處理能夠去除生物質(zhì)中大量半纖維素，但對(duì)木質(zhì)素幾乎無(wú)影響。為了提高木質(zhì)素的分離，需要找到可有效替代水的溶劑。乙二醇因具有很好的木質(zhì)素溶解性而被廣泛用于生物質(zhì)預(yù)處理[23-24]。Wei等[25]利用酸堿催化乙二醇預(yù)處理甘蔗渣，乙二醇-鹽酸預(yù)處理能夠去除99.3%半纖維素和67.1%木質(zhì)素，乙二醇-氫氧化鈉預(yù)處理去除 90.9%木質(zhì)素和28.8%半纖維素。以上兩種預(yù)處理都沒(méi)有達(dá)到同時(shí)高效去除木質(zhì)素和半纖維素的效果。因此，將乙二醇和氯化鐵聯(lián)合運(yùn)用于生物質(zhì)預(yù)處理以期達(dá)到優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，提高木質(zhì)纖維素組分的分離效果。目前關(guān)于乙二醇結(jié)合氯化鐵用于預(yù)處理棉稈以提高其纖維素酶水解效率的研究鮮有報(bào)道。

本研究以棉稈為原料，探索乙二醇-氯化鐵的預(yù)處理工藝，通過(guò)正交試驗(yàn)對(duì)預(yù)處理?xiàng)l件進(jìn)行優(yōu)化，并在此基礎(chǔ)上優(yōu)化酶水解條件，以期實(shí)現(xiàn)棉稈的高效酶水解。通過(guò)表征分析探究乙二醇-氯化鐵預(yù)處理?xiàng)l件對(duì)脫除棉稈木質(zhì)素和半纖維素的影響，以及預(yù)處理?xiàng)l件和酶水解條件對(duì)提高酶水解效率的作用機(jī)理，為棉稈的預(yù)處理提供一種新的方法。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)原料與試劑

試驗(yàn)中所用試劑：六水合氯化鐵（≥99.0%）、乙二醇（≥99.5%）、硫酸（≥98.0%）、3,5-二硝基水楊酸（≥ 95.0%）、氫氧化鈉（≥96.0%）、酒石酸鉀鈉（≥ 99.0%）、苯酚（≥99.0%）、偏亞硫酸氫鈉（≥99.0%）、檸檬酸三鈉（≥99.5%）和檸檬酸（≥90.0%）均為分析純，購(gòu)買于國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司（上海）；碳酸鈣（≥ 99.0%；分析純）購(gòu)買于西隴化工股份有限公司（廣東佛山）；甲醇（≥99.0%）、葡萄糖（≥99.0%）、木糖（≥ 99.0%）、阿拉伯糖（≥99.0%）均為分析純，購(gòu)買于阿拉丁生化股份有限公司（上海）；纖維素酶（Cellic?CTec2，SAE0020-50 mL）購(gòu)買于西格瑪奧德里奇（上海）貿(mào)易有限公司，根據(jù)美國(guó)國(guó)家可再生能源試驗(yàn)室（US National Renewable Energy Lab，NREL）的酶活測(cè)定方法[26]進(jìn)行纖維素酶活測(cè)定，纖維素濾紙酶活為166 FPU/mL。

棉稈收集于新疆維吾爾自治區(qū)喀什地區(qū)巴楚縣，自然風(fēng)干后（含水率 8.8%），經(jīng)機(jī)械粉碎，過(guò)直徑 0.425～0.250 mm篩，密封常溫保存。棉稈含有 32.9%纖維素，16.3%半纖維素，27.8%木質(zhì)素，7.4%醇溶性物質(zhì)，6.7%其他物質(zhì)（灰分、蠟質(zhì)和可溶性糖等）。

1.2 預(yù)處理反應(yīng)裝置

乙二醇-氯化鐵預(yù)處理反應(yīng)裝置如圖1所示，主要有三口燒瓶、加熱套、熱電偶、冷凝器和機(jī)械攪拌器組成。

1.3 乙二醇-氯化鐵預(yù)處理方法

1.3.1 乙二醇預(yù)處理體系催化劑的選擇

采用單因素試驗(yàn)研究催化劑及其濃度對(duì)棉稈組分變化的影響。準(zhǔn)確稱取2.5 g棉稈放入100 mL西林瓶中，加入50 mL 90%乙二醇的水溶液（乙二醇與去離子水的體積比為9∶1）和 0.1 mol/L催化劑或0～0.15 mol/L 氯化鐵，混合均勻，放入滅菌鍋，升溫至 121 ℃后保持60 min，冷卻至室溫取出。用G1砂型漏斗（80～120μm孔徑）過(guò)濾，加入去離子水將固體部分洗至中性，即得預(yù)處理后棉稈樣品，真空冷凍（-48 ℃，48 h ）干燥后，密封保存?zhèn)溆谩?/p>

1.3.2 乙二醇-氯化鐵預(yù)處理正交試驗(yàn)

采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)優(yōu)化預(yù)處理?xiàng)l件，確定棉稈乙二醇-氯化鐵預(yù)處理的主要因素為氯化鐵濃度、固液比、預(yù)處理時(shí)間和溫度，每個(gè)因素取 5個(gè)水平，試驗(yàn)因素及水平見(jiàn)表1。

表1 棉稈乙二醇-氯化鐵預(yù)處理正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)Table 1 Orthogonal experimental design for ethylene glycol-ferric chloride pretreatment of cotton stalks

準(zhǔn)確稱取不同質(zhì)量（3.3～10 g）的棉稈置于三口燒瓶（500 mL）中，加入100 mL 90%乙二醇的水溶液，固液比分別達(dá)到1∶10～1∶30，加入不同濃度（0.02～0.18 mol/L）的氯化鐵。將三口燒瓶置于加熱套（ZNHW 500 mL，河南愛(ài)博特科技公司，鄭州）中進(jìn)行加熱，同時(shí)利用機(jī)械攪拌（150 r/min）進(jìn)行混勻，待溫度升至設(shè)定值（130～170 ℃），恒溫處理一段時(shí)間（20～60 min） 后，自然冷卻至室溫。采用真空抽濾，利用G1砂芯漏斗進(jìn)行固液分離。用去離子水將固體殘?jiān)糠窒粗林行?，通過(guò)真空冷凍干燥器進(jìn)行干燥（-48 ℃，48 h ），密封保存?zhèn)溆谩?/p>

1.4 纖維素酶水解方法

準(zhǔn)確稱取1.0 g預(yù)處理前后棉稈分別放入100 mL絲口瓶中，加入20 mL檸檬酸緩沖液（0.05 mol/L，pH 值4.8，基質(zhì)濃度5%）和不同量（1.66、4.15、6.64、8.3和12.45 FPU/g）的纖維素酶，封蓋后置于 50 ℃恒溫?fù)u床（150 r/min）進(jìn)行水解反應(yīng)。分別于24、48和72 h時(shí)取樣，樣品離心（6 000 r/min，2 min），取上清液過(guò)膜（0.22μm）后，采用高效液相色譜儀（High Performance Liquid Chromatography，HPLC）檢測(cè)分析樣品中葡萄糖的濃度，并以此計(jì)算棉稈經(jīng)纖維素酶水解的葡萄糖產(chǎn)率。

式（1）中，采用葡萄糖產(chǎn)率評(píng)估生物質(zhì)樣品的纖維素酶水解效率。

1.5 檢測(cè)分析方法

根據(jù) GB 5009.3—2016標(biāo)準(zhǔn)[27]測(cè)定樣品中水分含量。根據(jù)NREL提出的生物質(zhì)中抽提物[28]和碳水化合物[29]的分析方法，首先利用索氏抽提器對(duì)樣品進(jìn)行醇提，再依次經(jīng)過(guò)兩步酸水解、抽濾、干燥、焙燒等處理，測(cè)定生物質(zhì)中的醇溶性物質(zhì)和木質(zhì)纖維素組分的含量。采用HPLC定量檢測(cè)樣品中葡萄糖、木糖和阿拉伯糖濃度，然后計(jì)算樣品中的纖維素和半纖維素含量。其中，HPLC檢測(cè)中所用色譜柱為 Aminex HPX-87C，流動(dòng)相為0.005 mol/L硫酸溶液，流動(dòng)相的流速為0.6 mL/min，色譜柱箱的溫度為60 ℃。相關(guān)組分計(jì)算公式如下

式（4）中0.087為液體體積；0.9為由葡萄糖計(jì)算纖維素含量的校正因子，0.97為葡萄糖在高壓滅菌鍋中的損失校正系數(shù)。

式（5）中0.087為液體體積系數(shù)；0.88為由五碳糖（木糖和阿拉伯糖）計(jì)算半纖維素含量的校正因子，0.84、0.89分別為木糖、阿拉伯糖在高壓滅菌鍋中的損失校正系數(shù)。

式（6）中，UV-abs為樣品在198 nm波長(zhǎng)處的平均UV-Vis吸光度；ε為生物量在特定波長(zhǎng)的吸收能力（取55 L/g·cm）；V為液體總體積，87 mL。

預(yù)處理后固體殘?jiān)械睦w維素、半纖維素和木質(zhì)素含量同樣采用 NREL的組分分析方法[25]測(cè)定，并用于計(jì)算纖維素回收率，半纖維素和木質(zhì)素的去除率。

1.6 表征分析方法

利用熱重分析儀（TGA；Pyris 1 DSC，PerKinElmer，Waltham，Massachusetts）檢測(cè)樣品的熱穩(wěn)定性。采用氮?dú)馕锢砦?脫附儀（Nova 4200e，Quantachrome Instruments，Boynton Beach，F(xiàn)L），并結(jié)合Barrett-Emmet and Taller（BET）和Barrett-Joyner-Halenda（BJH）方法對(duì)樣品的比表面積、孔隙體積和孔半徑進(jìn)行分析[30]。利用裝備有銅靶的X射線衍射儀（XRD；X’TRA，Thermo Fisher Scientific Inc.，Waltham，Massachusetts）分析樣品的纖維素結(jié)晶度（Crystallinity of cellulose，CrI），入射波長(zhǎng)λ=0.154 nm，掃描范圍 2θ= 5°～55°，掃描速度 2( °)/min。根據(jù)樣品的XRD曲線計(jì)算樣品的纖維素結(jié)晶度CrI[31]

式（13）中I002表示纖維素結(jié)晶區(qū)對(duì)應(yīng)的衍射峰強(qiáng)度，其對(duì)應(yīng)角度為2θ≈ 22.5°（θ是XRD圖譜上衍射角度）；Iam表示纖維素非結(jié)晶區(qū)對(duì)應(yīng)的衍射峰強(qiáng)度，其對(duì)應(yīng)角度2θ≈18.7°。

2 結(jié)果與分析

2.1 乙二醇預(yù)處理體系催化劑的選擇結(jié)果分析

在121 ℃，反應(yīng)時(shí)間60 min，固液比1∶20條件下，考察了催化劑及其濃度對(duì)棉稈組分變化的影響。表2試驗(yàn)結(jié)果表明，路易斯酸對(duì)木質(zhì)纖維素的組分分離具有促進(jìn)作用，其原因是路易斯酸溶于水產(chǎn)生的水合氫離子（H3O+）能夠破壞木質(zhì)纖維素致密復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。相較其他路易斯酸，氯化鐵對(duì)纖維素的回收、木質(zhì)素和半纖維素的去除具有較好選擇性。在乙二醇預(yù)處理中加入氯化鐵對(duì)半纖維素的去除具有顯著效果，低濃度時(shí)對(duì)木質(zhì)素的去除基本無(wú)影響，這與已有研究報(bào)道一致[26]。增大氯化鐵濃度至0.07 mol/L后，木質(zhì)素去除率顯著提高，其原因是氯化鐵濃度增加使溶液酸性增強(qiáng)，加劇了預(yù)處理反應(yīng)，對(duì)木質(zhì)纖維素結(jié)構(gòu)的破壞程度增強(qiáng)，從而使木質(zhì)素分離。在0.15 mol/L 氯化鐵條件下，乙二醇-氯化鐵預(yù)處理棉稈半纖維素和木質(zhì)素去除率分別為 80.83%和63.74%，相較單一乙二醇的水溶液預(yù)處理，半纖維素和木質(zhì)素去除率分別提高349.8%和108.0%。

表2 棉稈乙二醇預(yù)處理的催化劑選擇試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Results of catalyst selection for ethylene glycol pretreatment of cotton stalks

2.2 乙二醇-氯化鐵預(yù)處理?xiàng)l件的優(yōu)化

如表3所示，分別以葡萄糖產(chǎn)率，纖維素回收率，半纖維素和木質(zhì)素去除率為指標(biāo)設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)以優(yōu)化棉稈的乙二醇-氯化鐵預(yù)處理?xiàng)l件。試驗(yàn)結(jié)果表明，纖維素回收率隨氯化鐵濃度增大而降低，這說(shuō)明高濃度氯化鐵會(huì)加劇木質(zhì)纖維素的解構(gòu)作用，尤其當(dāng)氯化鐵濃度超過(guò) 0.1 mol/L時(shí)，纖維素發(fā)生顯著降解。表4和表5分別為針對(duì)表3中半纖維素和木質(zhì)素去除率的極差和方差分析，結(jié)果表明，在棉稈的乙二醇-氯化鐵預(yù)處理過(guò)程中，各因素影響半纖維素和木質(zhì)素去除率的順序?yàn)椋郝然F濃度＞固液比＞反應(yīng)溫度＞反應(yīng)時(shí)間。分析可知最優(yōu)的預(yù)處理?xiàng)l件為：氯化鐵濃度0.1 mol/L，固液比1∶15，溫度160 ℃和時(shí)間20 min。在此條件下，棉稈的纖維素回收率、半纖維素和木質(zhì)素去除率分別為 79.72%、88.86%和 85.74%，棉稈纖維素含量提高133.0%，半纖維素和木質(zhì)素含量分別降低67.2%和58.0%。預(yù)處理后棉稈中纖維素、半纖維素和木質(zhì)素含量分別為74.12%、5.36%和11.68%。Wang等[32]對(duì)比分析了稀硫酸預(yù)處理、超聲輔助堿預(yù)處理和高溫輔助堿預(yù)處理對(duì)棉稈組分的影響，發(fā)現(xiàn)預(yù)處理后棉稈纖維素含量較低（51%～64%），且木質(zhì)素含量較高（21%～32%）。Singh等[33]研究了微波輔助氯化鐵預(yù)處理棉稈，發(fā)現(xiàn)預(yù)處理后棉稈纖維素、半纖維素和木質(zhì)素含量分別為 52%、16%和 12%。對(duì)比之下，本預(yù)處理方法在高效去除棉稈木質(zhì)素和半纖維素的同時(shí)，可有效保留纖維素，說(shuō)明乙二醇-氯化鐵預(yù)處理工藝較其他預(yù)處理方法在棉稈組分分離方面具有一定優(yōu)勢(shì)。

表3 乙二醇-氯化鐵預(yù)處理棉稈去除木質(zhì)素和半纖維素的試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Experimental results of ethylene glycol-ferric chloride pretreatment for removal of lignin and hemicellulose of cotton stalks

表4 乙二醇-氯化鐵預(yù)處理正交試驗(yàn)的極差分析Table 4 Range analysis of orthogonal experimental forethylene glycol-ferric chloride pretreatment

表5 乙二醇-氯化鐵預(yù)處理正交試驗(yàn)的方差分析Table 5 Variance analysis of orthogonal experimental for ethylene glycol-ferric chloride pretreatment

2.3 乙二醇-氯化鐵預(yù)處理對(duì)棉稈酶水解的影響

表3對(duì)比分析了不同乙二醇-氯化鐵預(yù)處理?xiàng)l件下棉稈的纖維素酶水解效率，結(jié)果表明，在0.1 mol/L氯化鐵、固液比1∶15、160 ℃和20 min條件下預(yù)處理后棉稈的葡萄糖產(chǎn)率達(dá)到了最高（88.45%），較未處理棉稈（11.14%）提高了694.0%倍，這說(shuō)明乙二醇-氯化鐵預(yù)處理能有效提高棉稈的酶水解效率，這是因?yàn)轭A(yù)處理去除了棉稈中大量的木質(zhì)素和半纖維素[30]。此外，為確定最優(yōu)酶水解條件，進(jìn)一步考察了不同酶載量（1.66、4.15、6.64、8.3和12.45 FPU/g）和酶水解時(shí)間對(duì)預(yù)處理（0.1 mol/L氯化鐵、固液比1∶15、160 ℃和20 min）后棉稈的葡萄糖產(chǎn)率的影響，結(jié)果如圖2a、2b所示。由圖2a可知，酶載量從1.66增加至8.3 FPU/g，預(yù)處理后棉稈的葡萄糖產(chǎn)率得到顯著提高，8.3 FPU/g時(shí)達(dá)到88.5%，是1.66 FPU/g的4倍。繼續(xù)增加酶載量，預(yù)處理后棉稈的葡萄糖產(chǎn)率變化較?。?9% ～93%），這可能是由于水解過(guò)程中參與水解的纖維素酶已經(jīng)達(dá)到飽和狀態(tài)[34]。因此，最優(yōu)酶載量為8.3 FPU/g。在此基礎(chǔ)上，研究了不同酶水解時(shí)間對(duì)酶水解效率的影響。由圖2b可知，棉稈酶水解效率與水解時(shí)間呈正相關(guān)，并在72 h時(shí)的葡萄糖產(chǎn)率達(dá)到100%，遠(yuǎn)高于水解24 h的葡萄糖產(chǎn)率（68%），所以最優(yōu)水解時(shí)間為72 h。

為明確乙二醇-氯化鐵預(yù)處理是如何影響，并改善棉稈酶水解效率的機(jī)制，本研究利用一系列分析儀器對(duì)預(yù)處理（0.1 mol/L氯化鐵、固液比1∶15、160 ℃和20 min；木質(zhì)素和半纖維素去除率分別為88.9%和85.7%）前后棉稈的微孔特征、結(jié)晶度以及熱穩(wěn)定性等理化性質(zhì)進(jìn)行表征分析。

2.4 表征分析

2.4.1 BET分析

利用氮?dú)猓∟2）物理吸附-脫附儀對(duì)未預(yù)處理和最優(yōu)預(yù)處理?xiàng)l件下處理后的棉稈的物理特性進(jìn)行測(cè)定，分析結(jié)果見(jiàn)表6。由數(shù)據(jù)可知預(yù)處理后棉稈比表面積、孔容和孔半徑均有不同程度的增大，這意味著棉稈與纖維素酶或其他微生物的可接觸面積增大，這有利于后續(xù)的纖維素酶水解和發(fā)酵。

表6 預(yù)處理前后棉稈的物理化學(xué)特性變化Table 6 Physicochemical properties of untreated and pretreated cotton stalks

2.4.2 XRD分析

利用X射線衍射儀對(duì)預(yù)處理前后的棉稈進(jìn)行纖維素結(jié)晶度分析，衍射圖譜見(jiàn)圖3，由圖可知，在2θ≈ 22.20°和2θ≈15.40°處均出現(xiàn)了衍射峰，根據(jù)相關(guān)研究文獻(xiàn)可知[26]，2θ≈ 22.20°處是纖維素 I結(jié)晶區(qū)的特征峰，2θ≈ 15.40°處是纖維素I無(wú)定形區(qū)的特征峰。由計(jì)算公式（13）算出未處理和預(yù)處理后棉稈的結(jié)晶度分別為 45.19%和49.49%，經(jīng)過(guò)預(yù)處理后棉稈的結(jié)晶度有略微升高（9.52%），推測(cè)其原因是預(yù)處理去除了部分半纖維素和木質(zhì)素，使纖維素溶出部分增多，從而導(dǎo)致結(jié)晶度稍有升高，這一趨勢(shì)與大多數(shù)文獻(xiàn)報(bào)道結(jié)果一致[30,35]。

2.4.3 TGA分析

Yang等[36]研究發(fā)現(xiàn)纖維素、半纖維素和木質(zhì)素降解溫度的區(qū)間分別為240～390、160～360和100～900 ℃。圖4為不同樣品經(jīng)10 ℃/min加熱至600 ℃過(guò)程中的質(zhì)量保留分?jǐn)?shù)(ω)-溫度（Thermogravimetric analysis，TG）和質(zhì)量變化速率(dm/dt)-溫度（Derivative thermogravimetric analysis，DTG）的曲線，基質(zhì)最大失重速率發(fā)生在 297～372 ℃，棉稈原料在 329 ℃時(shí)失重最快，預(yù)處理后，其最大失重發(fā)生在 344 ℃。此外，在400 ℃時(shí)，棉稈原料失重 63%，預(yù)處理后，失重增加到89%，這說(shuō)明預(yù)處理后棉稈的熱穩(wěn)定性顯著降低。

綜上所述，棉稈經(jīng)乙二醇-氯化鐵預(yù)處理（0.1 mol/L氯化鐵，160 ℃和20 min）后，去除大量木質(zhì)素（85.74%）和半纖維素（88.86%），葡萄糖產(chǎn)率提高 7.6倍，達(dá)到100%，這主要是因?yàn)橐叶?氯化鐵預(yù)處理后，棉稈致密結(jié)構(gòu)被破壞，更多的內(nèi)部纖維被暴露出來(lái)，其比表面積、孔徑和孔容顯著增加，極大改善了對(duì)纖維素酶的可及性，提高了酶水解效率。預(yù)處理后棉稈的結(jié)晶度有略微升高，但對(duì)預(yù)處理效果沒(méi)有明顯影響，可能并不是影響秸稈酶水解的主要因素[30]。

3 結(jié) 論

本文研究了乙二醇-氯化鐵預(yù)處理中氯化鐵濃度、固液比、反應(yīng)時(shí)間和溫度對(duì)棉稈物理特性和主要化學(xué)組分等的影響，并進(jìn)一步研究了預(yù)處理?xiàng)l件、酶水解時(shí)間和酶載量對(duì)棉稈酶水解效率的影響，主要結(jié)論如下：

1）乙二醇-氯化鐵預(yù)處理最優(yōu)條件為0.1 mol/L 氯化鐵、90%乙二醇水溶液、固液比1∶15、160 ℃、20 min，該條件下棉稈的纖維素回收率、木質(zhì)素和半纖維素去除率分別達(dá)到79.72%、85.74%和88.86%，棉稈纖維素含量提高133.0%、半纖維素和木質(zhì)素含量分別降低 67.2%和58.0%。葡萄糖產(chǎn)率達(dá)到88.45%（酶載量8.3 FPU/g，底物濃度 5%，pH 值 4.8，溫度 50 ℃，恒溫?fù)u床轉(zhuǎn)速150 r/min酶解48 h）相較未處理棉稈提高694.0%。

2）通過(guò)對(duì)酶水解時(shí)間和酶載量的優(yōu)化，發(fā)現(xiàn)在 5%底物濃度，酶載量8.3 FPU/g，pH 值4.8條件下50 ℃恒溫水解72 h后，棉稈的葡萄糖產(chǎn)率達(dá)到100%。

3）通過(guò)BET、TGA和XRD等分析手段，對(duì)預(yù)處理前后棉稈的物理特性、結(jié)晶度和熱穩(wěn)定性進(jìn)行了表征，預(yù)處理后棉稈纖維素的結(jié)晶度升高9.52%，比表面積、孔容和孔徑均有增大，熱穩(wěn)定性顯著降低，這有利于后續(xù)生物轉(zhuǎn)化利用。