doi：10.3969/j.issn.1001-5922.2024.02.032

摘 要：為解決植物類固體廢物稻草秸稈預(yù)處理問題，研究了各種預(yù)處理方式對(duì)稻草酶水解產(chǎn)生還原糖濃度的影響。結(jié)果表明，經(jīng)過2.0%稀硫酸、3.0%氫氧化鈉、微波（450 W、10 min）、稀酸-微波和氫氧化鈉-微波預(yù)處理后的稻草粉，酶水解產(chǎn)生的還原糖濃度比未處理時(shí)分別增大了1.39、2.07、0.39、2.34和3.11倍，起到了良好的預(yù)處理效果，其中氫氧化鈉-微波聯(lián)合預(yù)處理的效果最好。稻草秸稈采用氫氧化鈉-微波聯(lián)合預(yù)處理后，再加入纖維素酶進(jìn)行水解，當(dāng)纖維素酶加量為30 FPU/（g底物）、底物質(zhì)量濃度為60 g/L、水解反應(yīng)為50 h后，酶水解率可達(dá)85%以上，加入質(zhì)量濃度2 g/L的非離子表面活性劑C能夠使酶水解率增大至90%以上。

關(guān)鍵詞：植物類固體廢物；稻草秸稈；環(huán)保資源化利用；預(yù)處理；酶水解

中圖分類號(hào)：TQ920.6；TQ028" " " "文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " "文章編號(hào)：1001-5922（2024）02-0120-04

Study on pretreatment technology for environmental protection and resource utilization of plant solid waste

ZHAO Yu

（Design Academy，Sichuan Fine Arts Institute，Chongqing 401331，China）

Abstract：In order to solve the problem of pretreatment of straw straw in plant solid waste，the effects of various pretreatment methods on the concentration of reducing sugar produced by straw enzyme hydrolysis were studied.The results showed that the concentrations of reducing sugars produced by enzymatic hydrolysis increased by 1.39，2.07，0.39，2.34 and 3.11 times respectively after 2.0% dilute sulfuric acid，3.0% sodium hydroxide，microwave （450 W，10 min），dilute acid-microwave and sodium hydroxide-microwave pretreatment，respectively，showing good pretreatment effect，and the sodium hydroxide-microwave combined pretreatment has the best effect.When the amount of cellulase was 30 FPU/（g substrate），the substrate concentration was 60 g/L，and the hydrolysis reaction was 50 h，the enzymatic hydrolysis rate could reach more than 85%，and the addition of nonionic surfactant C with a mass concentration of 2 g/L could increase the enzymatic hydrolysis rate to more than 90%.

Key words：plant solid waste;straw;environmental protection and resource utilization;pretreatment;enzymatic hydrolysis

植物類固體廢物（稻草秸稈、玉米秸稈以及木材等）經(jīng)過一定預(yù)處理后，通過發(fā)酵制備燃料乙醇，能夠在一定程度上緩解能源問題和環(huán)境污染問題^[1-5]。針對(duì)稻草秸稈生產(chǎn)燃料乙醇的預(yù)處理方法主要包括物理法、化學(xué)法以及生物法等，其中物理方法包括機(jī)械粉碎、熱解、微波處理以及蒸汽爆破等，化學(xué)方法包括使用酸、堿以及其他有機(jī)溶劑等方法，生物方法主要是利用各種微生物代謝產(chǎn)生的酶對(duì)稻草秸稈中的木質(zhì)纖維素進(jìn)行水解來實(shí)現(xiàn)的^[6-10]。各種預(yù)處理方法的原理都是通過降低稻草秸稈中纖維素的結(jié)晶性、瓦解木質(zhì)纖維素結(jié)構(gòu)、增大原料處理時(shí)的可接觸表面積等^[11-15]。以稻草秸稈為研究對(duì)象，分析了稀酸、氫氧化鈉、微波、稀酸-微波以及氫氧化鈉-微波聯(lián)合預(yù)處理措施對(duì)稻草酶水解后產(chǎn)出的還原糖濃度的影響，并針對(duì)氫氧化鈉-微波聯(lián)合預(yù)處理后的稻草粉，開展了酶水解率影響因素的研究，為實(shí)現(xiàn)稻草秸稈的低成本、清潔化回收利用提供技術(shù)支持。

1"實(shí)驗(yàn)部分

1.1"實(shí)驗(yàn)材料與儀器

稻草秸稈：取自重慶市郊區(qū)某農(nóng)村，風(fēng)干粉碎后過60目篩制備成稻草粉；纖維素酶：360 FPU/g酶粉，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；硫酸、氫氧化鈉、檸檬酸、檸檬酸鈉：均為分析純，天津市北聯(lián)精細(xì)化學(xué)品開發(fā)有限公司；3，5-二硝基水楊酸、陰離子表面活性劑A、陽(yáng)離子表面活性劑B、非離子表面活性劑C：均為工業(yè)級(jí)，武漢千和化工有限公司。

MP302電子分析天平（上海舜宇恒平科學(xué)儀器有限公司）、721紫外可見分光光度計(jì)（濟(jì)南童鑫生物科技有限公司）、DG-90A型恒溫鼓風(fēng)干燥箱（杭州奧科環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備有限公司）、TG-21型恒溫水浴振蕩器（上海泰規(guī)檢測(cè)設(shè)備有限公司）、M3-L253C美的智能微波爐（美的集團(tuán)股份有限公司）。

1.2"實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1"還原糖濃度的測(cè)定

還原糖含量采用3，5-二硝基水楊酸（DNS）法定量測(cè)定。

1.2.2"稀酸預(yù)處理

稱取10 g粉碎后過60目篩的稻草粉加入到100 mL不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)（0%、0.5%、1%、2%、3%和4%）的稀硫酸溶液中，攪拌混合均勻，在100 ℃加熱處理1 h后，過濾，反復(fù)洗滌，然后65 ℃烘干。再稱取0.05 g處理后的樣品，測(cè)定其還原糖含量。

1.2.3"氫氧化鈉預(yù)處理

稱取10 g粉碎后過60目篩的稻草粉加入到100 mL不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)（0%、0.5%、1%、2%、3%和4%）的氫氧化鈉溶液中，攪拌混合均勻，在100 ℃下加熱處理2 h后，過濾，反復(fù)洗滌，然后在65 ℃下烘干。再稱取0.05 g處理后的樣品，測(cè)定其還原糖含量。

1.2.4"微波預(yù)處理

稱取10 g粉碎后過60目篩的稻草粉放置于1 L的燒杯中，使用微波爐在不同功率（150、300、450、600和750 W）條件下處理不同時(shí)間（5、10、15 min），再稱取0.05 g處理后的樣品，測(cè)定其還原糖含量。

1.2.5"稀酸-微波聯(lián)合預(yù)處理

將1.2.2中使用質(zhì)量分?jǐn)?shù)2.0%稀硫酸預(yù)處理過的稻草粉繼續(xù)按1.2.4中的實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行微波預(yù)處理，微波預(yù)處理時(shí)間為10 min，測(cè)定在不同微波功率下聯(lián)合預(yù)處理后的還原糖含量。

1.2.6"氫氧化鈉-微波聯(lián)合預(yù)處理

將1.2.3中使用質(zhì)量分?jǐn)?shù)3.0%氫氧化鈉預(yù)處理過的稻草粉繼續(xù)按1.2.4中的實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行微波預(yù)處理，微波預(yù)處理時(shí)間為10 min，測(cè)定在不同微波功率下聯(lián)合預(yù)處理后的還原糖含量。

1.2.7"酶水解實(shí)驗(yàn)

稱取一定量經(jīng)過氫氧化鈉-微波聯(lián)合預(yù)處理后的稻草粉于試管中，然后加入不同量的纖維素酶溶液和一定量的檸檬酸-檸檬酸鈉緩沖液，使混合溶液達(dá)到不同的底物濃度，將試管放置于恒溫水浴振蕩器中，在溫度為50 ℃、轉(zhuǎn)速為150 r/min條件下反應(yīng)1 h。將反應(yīng)后的酶解液使用濾紙過濾，測(cè)定濾液的還原糖與單糖含量，計(jì)算水解率。

2"結(jié)果與討論

2.1"稀酸預(yù)處理對(duì)稻草酶水解的影響

硫酸濃度對(duì)稻草酶水解的影響如圖1所示。

由圖1可知，隨著硫酸溶液濃度的升高，稻草酶水解后產(chǎn)生的還原糖濃度先上升后下降，當(dāng)硫酸溶液濃度為2.0%時(shí)，處理后的還原糖質(zhì)量濃度達(dá)到最大值434.1 μg/mL，相比較于未處理時(shí)的181.2 μg/mL，增大了1.39倍。說明稻草秸稈經(jīng)過稀酸處理后，提高了水解率，起到了較好的預(yù)處理效果。

2.2"氫氧化鈉預(yù)處理對(duì)稻草酶水解的影響

氫氧化鈉濃度對(duì)稻草酶水解的影響如圖2所示。

由圖2可知，隨著氫氧化鈉溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)的升高，稻草酶水解后產(chǎn)生的還原糖質(zhì)量濃度同樣呈現(xiàn)出先上升后下降的趨勢(shì)，當(dāng)氫氧化鈉溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到3.0%時(shí)，處理后的稻草秸稈酶水解后還原糖質(zhì)量濃度達(dá)到最大值為556.8 μg/mL，相比較于未處理時(shí)的181.2 μg/mL，增大了2.07倍，增大幅度更大。說明稻草秸稈經(jīng)過氫氧化鈉溶液處理后，顯著提高了水解效率，比稀酸溶液預(yù)處理取得了更好的效果。

2.3"微波預(yù)處理對(duì)稻草酶水解的影響

微波預(yù)處理對(duì)稻草酶水解的影響如圖3所示。

由圖3可知，微波預(yù)處理的時(shí)間和功率對(duì)稻草酶水解后產(chǎn)生的還原糖濃度具有比較明顯的影響，當(dāng)微波功率較低、處理時(shí)間較短時(shí)，還原糖的產(chǎn)率較低；但微波功率較高、處理時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)，還原糖的產(chǎn)率液也較低；其中在微波功率為450 W，處理時(shí)間為10 min時(shí)，還原糖質(zhì)量濃度能夠達(dá)到最大值325.7 μg/mL，相比較于未處理時(shí)的181.2 μg/mL，增大了0.79倍多。然而，由于微波預(yù)處理技術(shù)對(duì)還原糖質(zhì)量濃度的提高幅度有限，需要和其他預(yù)處理方式進(jìn)行聯(lián)合使用才能取得較好的效果。

2.4"稀酸-微波聯(lián)合預(yù)處理對(duì)稻草酶水解的影響

硫酸-微波聯(lián)合預(yù)處理對(duì)稻草酶水解的影響如圖4所示。

由圖4可知，經(jīng)過質(zhì)量分?jǐn)?shù)2.0%的稀硫酸預(yù)處理后的稻草秸稈，再經(jīng)過不同功率的微波預(yù)處理，稻草酶水解后產(chǎn)生的還原糖質(zhì)量濃度比單獨(dú)使用稀酸和微波預(yù)處理時(shí)的濃度升高。當(dāng)微波功率達(dá)到450 W時(shí)，還原糖的產(chǎn)率最高，最大質(zhì)量濃度達(dá)到605.4 μg/mL，相比較于未處理時(shí)的181.2 μg/mL，增大了2.34倍多。說明稀酸-微波聯(lián)合預(yù)處理的效果較好，這是由于稻草秸稈首先經(jīng)過稀酸預(yù)處理后，其結(jié)構(gòu)中的纖維素的結(jié)晶度大幅度下降，水解反應(yīng)能力增強(qiáng)，在其后經(jīng)過微波的再次預(yù)處理，能夠較大幅度的提高還原糖的產(chǎn)率。

2.5"氫氧化鈉-微波聯(lián)合預(yù)處理對(duì)稻草酶水解的影響

氫氧化鈉-微波聯(lián)合預(yù)處理對(duì)稻草酶水解的影響如圖5所示。

由圖5可知，經(jīng)過質(zhì)量分?jǐn)?shù)3.0%氫氧化鈉溶液預(yù)處理后的稻草秸稈，再經(jīng)過不同功率的微波預(yù)處理，稻草酶水解后產(chǎn)生的還原糖質(zhì)量濃度比單獨(dú)使用氫氧化鈉和微波預(yù)處理時(shí)的質(zhì)量濃度升高。當(dāng)微波功率達(dá)到450 W時(shí)，還原糖的產(chǎn)率最高，最大質(zhì)量濃度達(dá)到745.3 μg/mL，相比較于未處理時(shí)的181.2 μg/mL，增大了3.11倍多，增大幅度明顯。說明氫氧化鈉-微波聯(lián)合預(yù)處理比稀酸-微波聯(lián)合預(yù)處理的效果好。

2.6"酶水解率的影響因素

2.6.1"酶加量

酶加量對(duì)稻草酶水解率的影響如圖6所示。

由圖6可知，隨著纖維素酶加量的增大，稻草秸稈酶水解率逐漸升高，當(dāng)纖維素酶加量為30 FPU/（g底物）。反應(yīng)時(shí)間為50 h時(shí)，稻草粉水解率可達(dá)到85%以上。繼續(xù)增大酶加量至40 FPU/（g底物）時(shí)，稻草秸稈水解率基本不再變化。綜合考慮適宜的纖維素酶加量為30 FPU/（g底物）。

2.6.2"底物濃度

底物濃度對(duì)稻草酶水解率的影響如圖7所示。

由圖7可知，當(dāng)?shù)孜镔|(zhì)量濃度為100 g/L，水解反應(yīng)50 h，稻草酶水解率為48.3%，這是由于較高的底物質(zhì)量濃度導(dǎo)致酶水解產(chǎn)生的葡萄糖升高，從而抑制了纖維素酶的活性，最終水解率較低。當(dāng)?shù)孜镔|(zhì)量濃度分別為40、60、80 g/L時(shí)，反應(yīng)50 h的水解率基本都在80%以上；但底物質(zhì)量濃度為80 g/L時(shí)，混合液的黏度較高，不利于操作。綜合考慮多種因素的影響，選擇底物質(zhì)量濃度以60 g/L為宜。

2.6.3"表面活性劑

根據(jù)前人研究的經(jīng)驗(yàn)，加入表面活性劑會(huì)促進(jìn)酶解反應(yīng)的進(jìn)行。因此，在底物質(zhì)量濃度為60 g/L、纖維素酶加量為30 FPU/（g底物）、反應(yīng)時(shí)間為50 h條件下，考察了不同表面活性劑對(duì)稻草酶水解率的影響，如圖8所示。

由圖8可知，不同表面活性劑的加入對(duì)稻草酶水解率的影響不同，其中加入非離子表面活性劑C后，稻草酶水解率有一定的提升，當(dāng)其加量為2 g/L時(shí)，酶水解率可以達(dá)到90%以上，起到了一定的促進(jìn)作用。但是加入陰離子表面活性劑A和陽(yáng)離子表面活性劑B后，對(duì)稻草的酶水解沒有起到促進(jìn)作用，反而抑制了纖維素酶的作用，使稻草酶水解率出現(xiàn)了下降，并且隨著表面活性劑濃度的增加，抑制作用逐漸增強(qiáng)。

3"結(jié)語(yǔ)

（1）稻草秸稈經(jīng)過稀酸、氫氧化鈉或者微波處理后，酶水解產(chǎn)生的還原糖濃度與未處理前相比均有明顯提高，達(dá)到了良好的預(yù)處理效果;

（2）稻草秸稈經(jīng)過稀酸-微波聯(lián)合預(yù)處理和氫氧化鈉-微波聯(lián)合預(yù)處理后，酶水解產(chǎn)生的還原糖濃度最大值分別可以達(dá)到605.4、745.3 μg/mL，相較于未處理時(shí)分別增大了2.34、3.11倍，比單獨(dú)使用稀酸、氫氧化鈉和微波預(yù)處理時(shí)的效果好，說明聯(lián)合預(yù)處理能夠較好的提高稻草秸稈酶水解的效率;

（3）稻草秸稈經(jīng)過氫氧化鈉-微波聯(lián)合預(yù)處理后，加入纖維素酶進(jìn)行水解，能夠進(jìn)一步促進(jìn)稻草秸稈的酶水解率。最佳條件：纖維素酶加量為30 FPU/（g底物）、底物質(zhì)量濃度為60 g/L、表面活性劑C加量為2 g/L，此時(shí)的酶水解率可以達(dá)到90.3%。

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收稿日期：2023-09-08；修回日期：2023-12-08

作者簡(jiǎn)介：趙"宇（1980-），男，碩士，副教授，主要從事材料科學(xué)及產(chǎn)品設(shè)計(jì)研究；E-mail：3065247995@qq.com。

基金項(xiàng)目：重慶市2020年高等教育課程思政基金項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：201030S）。

引文格式：趙"宇.植物類固體廢物環(huán)保資源化利用預(yù)處理技術(shù)研究[J].粘接，2024，51（2）：120-123.