于德涵 朱穎怡 黎莉 武海玲
摘要:為破壞玉米芯木質(zhì)纖維素的緊密結(jié)構(gòu)以利于酶解、發(fā)酵,先通過篩選試驗確定最適有機酸及其濃度;再以復合酶解試驗確定最佳玉米芯水解酶組成及配比;最后通過響應面試驗優(yōu)化最佳預處理工藝。結(jié)果表明,以10%的馬來酸對玉米芯預處理后酶水解的最優(yōu)工藝為料液比25∶1、超聲功率310 W,在71 ℃條件下超聲處理34 min,處理后殘余物用纖維素酶、β-葡萄糖苷酶和木聚糖酶(1∶2∶1)在pH 4.8、50 ℃條件下復合酶解48 h。此條件下還原糖得率達34.49%,接近玉米芯中纖維素含量,證明了該預處理酶解工藝穩(wěn)定、可靠,可為玉米芯發(fā)酵生產(chǎn)燃料乙醇提供前期技術(shù)支持。
關(guān)鍵詞:超聲輔助;有機酸預處理;玉米芯;酶解;工藝優(yōu)化
中圖分類號:TS210.9???????? 文獻標識碼:A
文章編號:0439-8114(2024)05-0168-07
DOI:10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2024.05.030??????????? 開放科學(資源服務)標識碼(OSID):
Optimization of ultrasonic-assisted compound enzymatic hydrolysis process of corncob pretreated with organic acid
YU De-han, ZHU Ying-yi, LI Li, WU Hai-ling
(School of Food and Pharmaceutical Engineering, Suihua University, Suihua? 152061, Heilongjiang,China)
Abstract:The purpose was to destroy the tight structure of corncob lignocellulose for enzymatic hydrolysis and fermentation. The optimum organic acid and its concentration were determined by screening experiment firstly. Then the optimal composition and ratio of hydrolases for corncob were determined by compound enzymatic hydrolysis experiment. Finally, the optimal pretreatment process was optimized by response surface experiment. The results showed that the optimum process of enzymatic hydrolysis of corncob pretreated with 10% maleic acid was as follows: the liquid-solid ratio of 25∶1,ultrasonic power of 310 W, and ultrasonic treatment time of 34 min at 71 ℃, and the residue was hydrolyzed with cellulase, β-glucosidase and xylanase (1∶2∶1) for 48 h at pH 4.8 and temperature 50 ℃. Under this condition, the yield of reducing sugar was 34.49%,which was close to the cellulose content in corncob. The method was proved to be stable and reliable,and could provide preliminary technical support for ethanol production from corncob by fermentation.
Key words: ultrasonic-assisted; organic acid pretreatment; corncob; enzymatic hydrolysis; process optimization
收稿日期:2022-10-13
基金項目:黑龍江省大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目(202110236017);黑龍江省教育廳基本科研業(yè)務費項目(YWK10236210231)
作者簡介:于德涵(1982-),男,黑龍江綏化人,講師,碩士,主要從事活性物質(zhì)的分離與應用開發(fā)研究,(電話)18245528558(電子信箱)
yudehan@163.com。
于德涵,朱穎怡,黎 莉,等. 超聲輔助有機酸預處理玉米芯復合酶解工藝優(yōu)化[J]. 湖北農(nóng)業(yè)科學,2024,63(5):168-174.
玉米芯是玉米加工后的殘余物,中國每年產(chǎn)生的玉米芯約7 000萬~8 000萬t,而利用率不足年產(chǎn)量的20%,大量焚燒和丟棄的玉米芯既提高了環(huán)境治理的成本,又造成了極大的浪費,所以合理利用這些農(nóng)林廢棄物資源變得尤為重要。
玉米芯的能量密度約為5 000 kJ/m3,較玉米秸稈和柳枝稷高出1倍[1],在燃料乙醇的生產(chǎn)、運輸和存儲成本控制方面更有優(yōu)勢,是一種優(yōu)良的木質(zhì)纖維素資源。玉米芯中的纖維素是以葡萄糖為基礎單元的聚合物,其最安全、最經(jīng)濟的糖化方法之一是纖維素酶水解法,但是纖維素通常會被半纖維素等物質(zhì)連接、包裹,并被木質(zhì)素嚴密覆蓋,其外部的致密結(jié)構(gòu)導致纖維素酶無法作用于底物使其分解為用于發(fā)酵的單糖和寡糖,所以使用玉米芯作原料發(fā)酵生產(chǎn)燃料乙醇的關(guān)鍵是利用某些方法對其預先處理,以脫除纖維素外部的木質(zhì)素和半纖維素成分,為微生物的纖維素酶能透過木質(zhì)纖維素表層與底物結(jié)合提供必要通道和合理的空間[2]。
現(xiàn)階段,預處理木質(zhì)纖維素材料的方法主要有物理法、化學法和生物法。物理法多采用粉碎、蒸汽爆破等方式,一般要求大型設備,能耗大,不易控制商業(yè)成本[3];化學法最常用無機強酸或強堿,但該類方法對設備的耐腐蝕要求高,在安全生產(chǎn)和環(huán)境治理的成本控制方面難度大,還會在處理后產(chǎn)生影響后續(xù)酶水解和發(fā)酵的副產(chǎn)物,導致纖維素糖化率低[4];生物法是使用微生物發(fā)酵的方式分解木質(zhì)素,這種方法的缺點是難以尋找適用微生物[5]。
有機酸是目前較受歡迎的預處理試劑,因為在一定酸性條件下,木質(zhì)纖維素中的半纖維素會分解為木糖和木聚寡糖等成分從木質(zhì)纖維素中脫除,使其“結(jié)晶”結(jié)構(gòu)被破壞。Zhang等[6]的研究表明乙酸在處理木質(zhì)纖維素材料產(chǎn)低聚木糖方面有一定的選擇性;De等[7]報道了利用甲酸/乙酸對廢棄稻草進行預處理,能夠有效移除稻草結(jié)構(gòu)中的木質(zhì)素和溶解半纖維素;Barisik等[8]報道馬來酸和草酸在210 ℃等條件下麥秸的糖化效率能達90%以上,乙醇產(chǎn)率接近80%。當前,已報道的有機酸預處理工藝條件多是高溫、高壓等極端條件,本研究選擇在常壓溫和條件下采用超聲輔助小分子有機酸預處理玉米芯,以玉米芯還原糖得率評價預處理效果,以期開發(fā)出一種低污染、高效率的玉米芯預處理工藝,為燃料乙醇產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供助力。
1 材料與方法
1.1 材料與儀器
材料與試劑:玉米芯,采集于黑龍江省綏化市北林區(qū),品種為先玉335;纖維素酶,食品級,河南俊一生物科技有限公司;果膠酶,食品級,山東隆科特酶制劑有限公司;木聚糖酶,食品級,河南仰韶生化工程有限公司;β-葡萄糖苷酶,BR,上海源葉生物科技有效公司;其他試劑皆為國產(chǎn)分析純。
儀器與設備:UV-759型分光光度計,上海精密科學儀器有限公司;JY92-IIDN型超聲波儀,寧波新芝生物科技股份有限公司;FW100型粉碎機,天津市泰斯特儀器有限公司;HH-M6型恒溫水浴鍋,江蘇春蘭科學儀器有限公司;PHSJ-5型酸度計,上海儀電科學儀器股份有限公司;SHB-IIIG型循環(huán)水真空泵,鄭州長城科工貿(mào)有限公司。
1.2 試驗方法
1.2.1 玉米芯試驗前處理 將玉米芯清洗干凈后于65 ℃干燥4 h,粉碎后過40目篩,再將粉末干燥至恒重,密封、備用。
1.2.2 超聲-有機酸液預處理 稱取1.0 g玉米芯粉末,加入20 mL有機酸溶液充分混勻,置超聲儀中調(diào)節(jié)溫度60 ℃、功率300 W,超聲處理20 min,反應結(jié)束后樣品經(jīng)布氏漏斗抽濾,濾渣經(jīng)去離子水沖洗2次后烘干至恒重,記錄重量并室溫密封保存。
1.2.3 酶水解試驗 取0.1 g預處理完畢的玉米芯粉末置于50 mL碘量瓶中,加入10 mL pH 4.8的醋酸緩沖液混勻,再加入纖維素酶和β-葡萄糖苷酶,使得兩種酶的終濃度分別達到50 FPU/g底物和50 CB/g底物,最后用緩沖液補齊至20 mL,蓋好瓶塞,在恒溫搖床中以50 ℃、100 r/min水解,分別在1、6、12、24、48、72 h測定水解液中葡萄糖含量,計算還原糖得率,評價預處理效果。還原糖得率計算公式如下。
還原糖得率=[葡萄糖含量×0.9×10玉米芯粉末質(zhì)量×1? 000×玉米芯預處理后殘余質(zhì)量玉米芯粉末質(zhì)量×]100%?????????????? ???????? ? (1)
葡萄糖含量的測定選擇DNS比色法[9],纖維素酶活(FPU)和β-葡萄糖苷酶活(CB)測定方法及操作參見文獻[10]。
1.2.4 有機酸篩選試驗 試驗選擇馬來酸、丙二酸、富馬酸、檸檬酸、蘋果酸、乙酸和丁二酸共7種有機酸,分別使用5%濃度溶液進行操作,預處理和酶解流程同“1.2.2”和“1.2.3”,使用去離子水處理后玉米芯粉末沉淀進行酶解作對照。
1.2.5 有機酸最適濃度篩選試驗 將經(jīng)“1.2.4”篩選出的有機酸配制成濃度為1%、3%、5%、10%、15%和20%的溶液分別進行預處理和酶水解操作,篩選出預處理效果最好的有機酸濃度。
1.2.6 酶配比的優(yōu)化 樣品材料經(jīng)預處理后主要成分為纖維素,還可能含有一部分木質(zhì)素、半纖維素、果膠、葡聚糖等成分,試驗使用的基礎水解酶是纖維素酶(最優(yōu)溫度50 ℃、最佳pH 4.8)和β-葡萄糖苷酶(最優(yōu)溫度50 ℃,最佳pH 4.8)混合物,通過篩選纖維素酶和β-葡萄糖苷酶的比例、酶蛋白中添加的木聚糖酶或果膠酶的比例等,優(yōu)化水解酶的組成。
在50 ℃、pH 4.8的最適酶解條件下,設置纖維素酶和β-葡萄糖苷酶比例(1∶1、1∶2、2∶1)進行酶解試驗,確定兩種基礎酶的最適比例;固定兩種基礎酶的比例和用量,向酶中分別添加不同比例的木聚糖酶或果膠酶,測定還原糖得率,以此得到最佳水解酶組成和配比。
1.2.7 預處理條件單因素試驗 將依次經(jīng)“1.2.4”和“1.2.5”篩選出的有機酸分別改變超聲功率(100、200、300、400、500 W)、超聲溫度(40、50、60、70、80、90 ℃)、超聲時間(5、10、20、30、40、50 min)和液料比(10∶1、15∶1、20∶1、25∶1、30∶1、35∶1、40∶1)等單因素試驗條件,其他操作同“1.2.2”和“1.2.3”。
1.2.8 響應面試驗設計 根據(jù)“1.2.7”試驗結(jié)果及顯著性分析,以還原糖得率(Y)為響應值,選擇合適的響應因素和水平進行Box-Behnken設計,采用響應面分析確定最佳預處理工藝。具體響應因素和水平見表1。
1.3 數(shù)據(jù)處理
所有試驗進行3組平行操作,數(shù)據(jù)取平均值;響應面試驗設計及數(shù)據(jù)處理使用Design expert 8.0.6軟件;單因素試驗數(shù)據(jù)處理使用SPSS 16.0和Microsoft office excel 2016軟件。
2 結(jié)果與分析
2.1 有機酸的篩選
玉米芯經(jīng)過7種有機酸溶液的預處理后質(zhì)量會有不同程度的減少,預處理后物料減少質(zhì)量和酶解后還原糖得率見圖1。
使用有機酸處理玉米芯粉末,會使物料脫除一部分物質(zhì)而導致質(zhì)量下降,脫下的主要成分為分解的半纖維素,還有少量的酸溶木質(zhì)素及其他成分[11]。由圖1a可知,使用馬來酸處理材料時,物料質(zhì)量減少量最大,其次是檸檬酸,但二者差異不顯著(P>0.05),其余幾種有機酸脫除物質(zhì)的質(zhì)量都顯著減少;7種有機酸(馬來酸至丁二酸)的酸性是依次降低的,除馬來酸酸性最高、脫除效果最好外,其他有機酸的脫除效果和酸性并不完全正相關(guān)。從酶解后還原糖得率(圖1b)看,所有試驗組的還原糖得率均隨著酶解時間的延長而增加,至48 h時基本達到最大值,再延長反應時間,沒有顯著變化(P>0.05);馬來酸預處理物料后酶水解48 h和72 h的還原糖得率沒有顯著差異,但48 h值顯著高于其他幾種有機酸的峰值,故選擇預處理用有機酸為馬來酸,酶解時間為48 h。
2.2 有機酸最適濃度篩選試驗
分別使用不同濃度的馬來酸進行預處理和酶解操作,還原糖得率結(jié)果如圖2所示。由圖2可知,隨著馬來酸濃度的上升,還原糖得率呈先顯著上升后趨于平穩(wěn)略有下降的趨勢,濃度達10%后,酸濃度的增加對還原糖得率的影響不再顯著(P>0.05)。隨著馬來酸濃度的增加,半纖維素分解速度加快,酸溶成分的溶解度逐漸增大,玉米芯中纖維素、半纖維素和木質(zhì)素之間的化學鍵斷裂,結(jié)構(gòu)被破壞[12],使得酶解效率提高,還原糖得率上升;濃度達10%以后,再增加有機酸濃度還原糖得率有下降趨勢,這可能是因為有機酸濃度過大會使纖維素水解流失,造成后續(xù)酶解時葡萄糖產(chǎn)量降低,所以馬來酸的最佳濃度為10%。
2.3 水解酶配比優(yōu)化
分別調(diào)整水解體系中纖維素酶和β-葡萄糖苷酶的比例(1∶1、1∶2、2∶1),酶解不同時長時還原糖得率見圖3。3種配比方案中,纖維素酶∶β-葡萄糖苷酶為1∶2時,水解前、中期反應速度較快,6、12、24 h的水解還原糖得率都明顯高于另兩種配比方案,但48 h后還原糖得率只是稍高于另外兩種,沒有明顯差異;二者比例為1∶2、酶解72 h的還原糖得率同48 h無明顯差異(P>0.05)。這說明改變纖維素酶和β-萄萄糖苷酶的比例并不能明顯提高水解反應終點的還原糖得率,但纖維素酶∶β-葡萄糖苷酶=1∶2時會縮短酶促反應時間,更快地完成水解。
在纖維素酶和β-葡萄糖苷酶中添加一定的木聚糖酶(1∶2∶1、1∶2∶2)或果膠酶(1∶2∶1、1∶2∶2)進行酶解,測量還原糖得率,以纖維素酶∶β-葡萄糖苷酶=1∶2作對照,結(jié)果見圖4。
由圖4可知,在纖維素酶和β-葡萄糖苷酶中加入木聚糖酶,水解后還原糖得率有所提高,在酶解48 h時,3種酶比例為1∶2∶1和1∶2∶2時,還原糖得率分別為32.64%和32.28%,都顯著高于不添加木聚糖酶的酶解還原糖得率,但二者之間沒有明顯差距,說明在水解酶中加入木聚糖酶有助于提高還原糖的得率,但是在試驗范圍內(nèi)添加量的多少對試驗結(jié)果不會造成明顯差異;另外,在水解酶中加入果膠酶后還原糖得率和不加入果膠酶結(jié)果無明顯差異,說明在經(jīng)過超聲和有機酸處理過后的玉米芯材料中沒有果膠酶作用的底物。
綜上,在50 ℃、pH 4.8條件下使用纖維素酶:β-葡萄糖苷酶∶木聚糖酶=1∶2∶1酶解預處理后的玉米芯材料,效果最為理想。
2.4 預處理條件單因素試驗結(jié)果
使用濃度為10%的馬來酸進行超聲輔助預處理操作,考察超聲功率、超聲溫度、超聲時間和液料比對預處理效果的影響。
2.4.1 超聲功率對還原糖得率的影響 由圖5可知,還原糖得率隨超聲功率的增加呈先上升后下降的趨勢,且差異顯著(P<0.05)。超聲波主要通過空化效應和熱效應破壞木質(zhì)纖維素,增大酶和纖維素的接觸面積,一方面超聲波破壞纖維素結(jié)晶分子內(nèi)和分子間的化學鍵,使纖維素內(nèi)部孔隙增大,酶可結(jié)合于纖維素結(jié)構(gòu)內(nèi)部;另一方面超聲波促使半纖維素分解,并破壞木質(zhì)素分子間結(jié)構(gòu),使木質(zhì)纖維素的表面形態(tài)發(fā)生改變,讓被緊密包裹的纖維素結(jié)構(gòu)暴露出來,使酶更易與纖維素外部接觸,發(fā)生作用[13]。因此,超聲功率較弱時,上述作用能力不強,還原糖得率較低,隨著超聲功率的加大,超聲對木質(zhì)纖維素的破壞作用越強,酶解效果越理想。但當超聲功率過大時,體系中出現(xiàn)過多的空化泡,產(chǎn)生較強的消能作用[14],超聲對木質(zhì)素和半纖維素的破壞作用反而降低,對預處理不利;超聲能量過強還會導致纖維素分解,這也是導致還原糖得率降低的原因。
2.4.2 超聲溫度對還原糖得率的影響 由圖6可知,超聲溫度對還原糖得率有顯著的影響。溫度低時,糖轉(zhuǎn)化率隨著溫度的升高而增加,到70 ℃時達到最高值,為28.87%;再提高溫度,預處理效果反而下降。較高的溫度對超聲處理木質(zhì)纖維素是有積極作用的,有助于木質(zhì)纖維素化學鍵的斷裂和木質(zhì)素的去除,尤其有利于半纖維素的降解[15],所以相對較高的溫度有助于提高預處理效果;但是溫度過高,也會使得纖維素在超聲和酸性作用下分解,降低酶解后還原糖得率。
2.4.3 超聲時間對還原糖得率的影響 由圖7可知,超聲預處理時間由5 min升至30 min時,還原糖的轉(zhuǎn)化率顯著增加,繼續(xù)延長超聲時間,轉(zhuǎn)化率又有所下降。這是因為超聲作用時間短時,預處理對木質(zhì)纖維素中半纖維素的水解和木質(zhì)素的脫除作用能力不強,而隨著超聲處理時間的延長,空化效應和能量的累積使得這種能力增強,加大了預處理的效果[16];而超聲時間超過30 min后,隨著對物料輻射超聲能量的時間延長,更多的纖維素會被降解,降低后續(xù)酶解時還原糖的得率。
2.4.4 液料比對還原糖得率的影響 由圖8可知,液料比較低時,隨著試劑用量的增加預處理效果越好,酶解還原糖的得率越高,這是因為半纖維素在有機酸和超聲的作用下分解,溶劑的使用量增加,促進了木糖等可溶成分的溶解,進一步加強了半纖維素的分解[17],提高了預處理效果;液料比為25∶1時還原糖得率達到最大值,再增加預處理試劑,還原糖得率基本不變。
2.5 響應面試驗結(jié)果與優(yōu)化分析
2.5.1 回歸模型建立與顯著性檢驗 依據(jù)Box-Behnken設計了總計29組試驗,包含了回歸模型中的5個中心點、8個軸點和16個析因點,設計及結(jié)果見表2。
對上表數(shù)據(jù)進行二次多項式回歸擬合,4因素回歸方程式如下:
Y=33.87+0.84A+0.38B+0.82C-0.21D-0.25AB+0.032AC-0.29AD-0.19BC+0.23BD-0.045CD-3.61A2-1.59B2-0.95C2-1.89D2。
從方差分析結(jié)果(表3)可知,該回歸模型P<0.001,表明其可靠程度高、結(jié)果有效;R2=0.986 0、校正系數(shù)R2Adj =0.971 9、失擬項P=0.999 9>0.05不顯著,表明模型擬合度高,即擬合值與實際結(jié)果高度相關(guān),試驗結(jié)果誤差對試驗結(jié)果影響較小。模型的CV值為1.13%、信噪比為26.84,表明模型的試驗精度高、可靠性好,模型能真實地反映試驗結(jié)果。在所有考察因素中,超聲功率、超聲溫度和超聲時間對水解后還原糖得率有顯著影響;其中,對還原糖得率影響最大的是超聲功率,其次為超聲時間和超聲溫度,影響最小的是液料比。
2.5.2 數(shù)學模型及響應面分析 根據(jù)所得到的模型對超聲功率(A)、超聲溫度(B)、超聲時間(C)和液料比(D)的交互作用進行分析。響應曲面的陡峭和平緩程度與上述各因素之間相互作用的強弱是正相關(guān)的。各參數(shù)交互作用的響應曲面見圖9。在A、B、C、D 4個因素中任意2個因素交互作用時,一個因素條件值不發(fā)生變化時,還原糖得率總是隨著另一因素的增加呈先升后降的趨勢;影響還原糖得率的各交互作用因素中,交互作用最強的是AD,其響應面最為陡峭;而響應面最為平緩的是AC,即二者的交互作用對還原糖得率的影響最弱。
2.5.3 最優(yōu)工藝驗證 經(jīng)過Design Expert 8.0.6對數(shù)據(jù)進行優(yōu)化得到的最佳預處理工藝為超聲功率311.81 W、超聲溫度70.80 ℃、超聲時間34.28 min、液料比24.68∶1,理論預計值為34.12%。在實際驗證試驗中,考慮操作的可實現(xiàn)性,將玉米芯預處理酶解操作工藝參數(shù)調(diào)整為濃度為10%的馬來酸與玉米芯粉末以25∶1比例混勻,在功率310 W、溫度71 ℃條件下超聲處理34 min后,再將沉淀物于50 ℃、pH 4.8環(huán)境下以纖維素酶∶β-葡萄糖苷酶∶木聚糖酶=1∶2∶1水解48 h。最終得到的還原糖得率實際平均值為34.49%,與軟件模擬預測值誤差為1.1%,實際與模型優(yōu)化符合良好,證實了優(yōu)化條件有效、可靠。
3 小結(jié)
試驗采用有機酸結(jié)合超聲輔助在較溫和條件下對玉米芯進行預處理和復合酶解。經(jīng)過有機酸種類和濃度的篩選、水解酶配比及預處理工藝的優(yōu)化,最終得到的對玉米芯的最優(yōu)預處理酶解工藝為10%的馬來酸,在液料比25∶1、功率310 W、71 ℃條件下超聲處理34 min后,在pH 4.8、溫度為50 ℃緩沖液中用1∶2∶1的纖維素酶、β-葡萄糖苷酶和木聚糖酶復合酶解48 h。此條件下還原糖的得率為34.49%,該值與模型的預測值相符,也與文獻中報道的玉米芯中纖維素含量一致[18]。和常規(guī)的酸預處理木質(zhì)纖維素工藝相比,采用超聲輔助有機酸法,既大幅降低了使用強酸對環(huán)境的嚴重污染和對耐腐蝕設備的要求,又避免了工藝中對高溫、高壓的要求,是一種安全、經(jīng)濟的預處理玉米芯工藝,為打破后續(xù)乙醇發(fā)酵生產(chǎn)的技術(shù)瓶頸提供支持。
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