全 文 ：作物学报 ACTA AGRONOMICA SINICA 2014, 40(9): 16041611 http://zwxb.chinacrops.org/
ISSN 0496-3490; CODEN TSHPA9 E-mail: xbzw@chinajournal.net.cn

本研究由国家公益性行业(农业)科研专项(201303094), 农业部都市农业(南方)重点实验室开放课题(UA201308), 车用生物燃料技术国
家重点实验室开放基金资助项目(2013015), 农业部农村能源综合建设项目和中国农业科学院科技创新工程项目资助。
* 通讯作者(Corresponding authors): 顿宝庆, E-mail: dunbaoqing@caas.cn; 奚亚军, E-mail: xiyajun2002@126.com
第一作者联系方式: E-mail: maqiang5@126.com
Received(收稿日期): 2014-02-21; Accepted(接受日期): 2014-06-16; Published online(网络出版日期): 2014-07-09.
URL: http://www.cnki.net/kcms/detail/11.1809.S.20140709.1530.001.html
DOI: 10.3724/SP.J.1006.2014.01604
碱处理对甜高粱秸秆渣组成结构及酶解糖化效果的影响
马 强 1,2 顿宝庆 2,* 奚亚军 1,* 王 智 1,3 陈朝儒 1,2 路 明 2 李桂英 2
1 西北农林科技大学农学院, 陕西杨凌 712100; 2 中国农业科学院作物科学研究所 / 中国农业科学院生物质能源研究中心 / 农作物
基因资源与基因改良国家重大科学工程, 北京 100081; 3 车用生物燃料技术国家重点实验室, 河南南阳 473000
摘 要: 以甜高粱品种 M81 为试验材料, 以清洗烘干后未经处理的甜高粱渣为对照, 在常温、高温高压、微波条件
下 Ca(OH)2和常温条件下 NaOH 处理甜高粱秸秆渣, 调查处理后甜高粱秸秆渣木质纤维素组成结构及纤维素酶酶解
糖化情况。结果表明, 采用的 4种处理都能有效地改变甜高粱渣木质纤维素组成结构, 其中氢氧化钠常温长时间处理
对于木质素与半纤维素的溶降效果最好, 3种石灰处理对半纤维素的溶解也均有一定作用。扫描电镜观察石灰高温高
压与氢氧化钠常温两种处理对于木质纤维素结构的改变不同, 前者木质纤维素表层木质素结构被侵蚀严重, 呈破碎
状附着在纤维素表面, 内部纤维结构仍紧密排列, 后者木质纤维素束状结构溶胀降解, 表层木质素成分被大量去除,
被包裹的纤维素组分显露, 纤维素网断裂且纤维素表面出现许多小孔。经这 4种方式处理后的甜高粱渣, 木质纤维素
中纤维素与半纤维素经纤维素酶酶解糖化, 葡萄糖和木糖产物浓度都有所提高, 分别达到对照的 1.5、2.1、1.9、4.2
倍和 3.1、5.0、4.9、2.4倍; 木质纤维素纤维组分的直接转化率与相对转化率的含义与计算方法不同, 两种计算方式
对于甜高粱木质纤维素生物质原料预处理方式的选择和效果的综合评价具有指导意义。
关键词: 甜高粱秸秆渣; 碱处理; 组成成分; 木质纤维素结构; 酶解糖化效率
Effects of Alkali Treatment on Component and Structure and Enzyme Sac-
charifying Efficiency of Sweet Sorghum Bagasse
MA Qiang1,2, DUN Bao-Qing2,*, XI Ya-Jun1,*, WANG Zhi2,3, CHEN Chao-Ru1,2, LU Ming2, and LI Gui-Ying2
1 College of Agronomy, Northwest Agriculture and Forestry University, Yangling 712100, China; 2 National Key Facility for Crop Gene Resources and
Genetic Improvement / Institute of Crop Science, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing 100081, China; 3 State Key Laboratory of Motor
Vehicle Biofuel Technology, Nanyang 473000, China
Abstract: Sweet sorghum variety M81 was used as the experimental material, the sweet sorghum bagasse (SSB) was treated un-
der four conditions (lime at room temperature, lime with microwave treatment, lime with autoclave treatment and sodium hy-
droxide at room temperature) with the washed and untreated SSB as control. The changes of lignocellulose structure and the cel-
lulase saccharifying efficiency of SSB under different conditions were investigated. The results showed that four treatments effec-
tively changed the lignocellulose component of sweet sorghum bagasse, especially in the case pretreated by sodium hydroxide
under room temperature for two weeks, and lime played an important role in hemicellulose dissolution too. Scanning electron
microscopy (SEM) observation indicated that the lignocellulose structure was different in two treatments of lime with autoclave
treatment and sodium hydroxide at room temperature. The surface of lignin in the treatment of lime and autoclave was eroded
seriously and its fragments adhered to the surface of cellulose, but the internal fiber structure still arranged tightly; in the treatment
of NaOH at room temperature the lignocellulose beam structure was swelled and degraded, and the cellulose fiber net appeared
due to the surface component of lignin removed a lot and many small holes appeared. By using the four pretreated methods, the
cellulose and hemicellulose of sweet sorghum bagasse were enzymatically saccharified, the concentrations of glucose and xylose
increased 1.5, 2.1, 1.9, 4.2 times and 3.1, 5.0, 4.9, 2.4 times, respectively as compared with the control. The direct conversion rate
and the relative conversion rate of cellulose and hemicellulose are different, but have a significant guiding function for the choose
第 9期 马 强等: 碱处理对甜高粱秸秆渣组成结构及酶解糖化效果的影响 1605


of treatment methods and the effect of comprehensive evaluation, in addition, also an instructive function for the breeding and
cultivating of sweet sorghum with high yield and good energy productive factors in the practical production.
Keywords: Sweet sorghum straw bagasse; Alkali treatment; Component; Lignocellulose structure; Enzyme saccharifying effi-
ciency
由于化石能源的大量持续使用所带来的能源供
应危机以及温室气体排放过量、大气环境污染等问
题日趋严重 ; 作为一种可再生的化石能源替代物 ,
生物质能源正受到全世界范围内越来越多的关注。
木质纤维素生物质资源, 是生产生物燃料的主要可
再生生物质能源材料, 使用其原料来生产燃料乙醇
已经被认可[1-2]; 燃料乙醇是化石燃料的一种替代物,
其生产和使用量在不断增加, 这不仅有利于缓解自
然资源应用的局限性, 同时也可降低环境污染, 对
于缓解当前雾霾天气等也尤为重要。甜高粱
[Sorghum bicolor (L.) Moench]系普通高粱的变种 ,
是一种耐旱、耐盐碱、耐贫瘠的能源作物, 它可以
生长在比较边缘的土地上, 具有“不与民争粮, 不与
粮争地”的优点, 并且只需较低的成本投入就可以获
得较好的收成[3-4]; 甜高粱被认为是最有前途的能源
作物之一, 它不仅能提供种子和糖类, 还能提供大
量的木质纤维素原料, 在纤维素生物乙醇生产方面,
与其他木质纤维素生物质原料相比, 具有更好的竞
争力[5-7]; 甜高粱的优点也提示科研工作者, 在甜高
粱的品种选育和栽培种植方面, 不应只注重种子产
量、种子淀粉含量、茎秆含糖量等常规生产因素; 具
有高干物质产量、富含特定种类糖、具有合理茎秆
木质纤维组成结构等高优能源生产因素的甜高粱品
种也应成为选育和种植栽培的重点之一。
木质纤维素生物质原料向燃料乙醇的生物化
学转化主要包括4个步骤, 分别是原料预处理、纤维
素水解糖化、糖类发酵和产物的分离纯化, 前2个过
程是木质纤维素有效转化的瓶颈。其中, 预处理的
目的是为了打破木质素对纤维素的密封、预水解半
纤维素、破坏纤维素的晶体结构, 纤维素水解糖化
主要是指纤维素、半纤维素中的葡聚糖、木聚糖等
经纤维素酶类催化作用, 水解成为葡萄糖、木糖等
单糖[8-10]; 预处理的方法通常包括物理法、化学法、
物理化学混合法以及生物法4种类型 , 预处理方法
的选择需要对处理效果、成本投入、生态环境效益、
工业生产可行性等进行综合考量。因此, 预处理及
酶解糖化方法的重大突破对于实现商业规模的木
质纤维素生物质原料生物化学转化有着重大的意
义[11-12]。
甜高粱作为最有前途的能源作物之一, 具有符
合我国能源农业国情的推广种植的价值; 其产品终
端已不再仅仅是传统思维中的籽粒和秸秆糖液, 其
农业产业链的终端产品粗燃料乙醇的生产原料已经
遍布甜高粱全身[13]; 如何经济合理高效地利用甜高
粱种子、茎秆汁液、茎秆残渣生产糖类燃料乙醇, 是
甜高粱推广应用中面临的难题之一[14]。目前, 甜高
粱种子及茎秆汁液的深加工应用技术已经比较成熟,
甜高粱秸秆渣木质纤维素的能源应用研究成为新的
研究热点[15-17]。
石灰具有来源广泛、生产成本低的特点, 已成
为一种有前途的秸秆木质纤维素预处理添加剂, 现
阶段广泛使用的强碱氢氧化钠预处理技术, 对于新
技术的对比评价具有参考作用 ; 本研究选取
Ca(OH)2 和 NaOH 作为预处理的化学添加剂, 考察
不同条件下预处理甜高粱秸秆渣, 通过分析水解产
物浓度, 确定各纤维素组分的转化率, 比较各处理
对酶解糖化效率的影响, 以期为甜高粱秸秆生物质
原料预处理方法在工业上应用及甜高粱秸秆渣木质
纤维素转化效率评价提供依据。
1 材料与方法
1.1 试验材料
2012 年 5 月将甜高粱品种 M81 种植于中国农
业科学院作物科学研究所北京昌平试验站, 2012年
10 月 17 日在该试验站以立式榨汁机榨汁后, 用蒸
馏水冲洗茎秆渣 5次至中性, 烘干后粉碎, 过 40目
筛备用。
纤维素酶由北京诺维信(中国)投资有限公司提
供 , 包括 Novozymes NS 50013 混合纤维素酶和
Novozymes NS 50010β-葡萄糖苷酶。
1.2 碱处理方法
1.2.1 常温+石灰 参照 Chen等[18]的方法, 将 10%
(w/v)甜高粱渣与 1% (w/v) Ca(OH)2混合在 500 mL
蒸馏水中, 混匀后常温放置, 每 2 d摇匀一次。2周
后处理完毕, 离心吸取上清液保存; 以中性蒸馏水
洗涤残渣, 80℃烘箱烘干至恒重, 4℃保存。
1.2.2 高温高压+石灰 参照 Choudhary等[19]的
方法, 将 10% (w/v)甜高粱渣与 1% (w/v)石灰混合在
1606 作 物 学 报 第 40卷

500 mL蒸馏水中, 混匀后以 121℃高压蒸汽处理 1 h,
待温度降至室温, 离心吸取上清液保存; 以中性蒸
馏水洗涤残渣, 80℃烘箱烘干至恒重, 4℃保存。
1.2.3 微波+石灰 参照 Heredia-Olea 等的方法[20],
将 10% (w/v)甜高粱渣与 1% (w/v)石灰混合在 500 mL
蒸馏水中, 混匀后以微波炉(2450 MHz)处理 4 min,
待温度冷却至室温, 离心吸取上清液保存; 以中性
蒸馏水洗涤残渣, 80℃烘箱烘干至恒重, 4℃保存。
1.2.4 常温+NaOH 用 500 mL、8% (w/v)的 NaOH
溶液按 10% (w/v)的比例处理甜高粱茎秆渣, 混匀,
常温放置处理, 每 2 d摇匀一次, 2周后处理完毕, 离
心吸取上清液保存; 以中性蒸馏水洗涤残渣, 80℃
烘箱干燥至恒重, 4℃保存。
1.2.5 对照(CK) 以清洗烘干后未经处理的甜高
粱渣为对照。
1.3 酶解糖化
酶解糖化甜高粱渣所用纤维素酶由诺维信(中
国)投资有限公司提供 , 混合纤维素酶 Novozymes
NS 50013 的活性是 70 FPU mL–1, β-葡萄糖苷酶
Novozymes NS 50010活性为 250 CBU FPU mL–1。一
个纤维素酶的活性单位定义为反应体系在温度为
50℃、pH为 4.8条件下, 使反应混合物每分钟释放 1
mg葡萄糖的纤维素酶量, 以 FPU表示; 一个 β-葡萄
糖苷酶活性单位定义为反应体系在温度为 50℃、pH
为 4.8 条件下, 使反应混合物每分钟释放 1 µmol对
硝基苯酚的 β-葡萄糖苷酶量, 以 CBU表示。整个反
应体系的水解作用发生在柠檬酸缓冲液中(50 mmol
L–1, pH 4.8), 甜高粱渣底物干物质(DM)添加量为
5% (w/v), 混合纤维素酶 NS 50013和 β-葡萄糖苷酶
NS 50010的添加量分别为 20 FPU g–1 DM和 30 CBU
g–1 DM; 将摇床设定为 50℃、150转 min–1; 分别在
12、24、36、48、60和 72 h取样(1 mL), 10 000  g
离心吸取上清液、过滤, –20℃保存, 以高效液相色
谱法(HPLC)测定糖含量。
1.4 各处理的甜高粱渣木质纤维素组分及酶解
糖分测定
依据范氏纤维素测定法[21]及意大利 VELP 公司
的粗纤维测定仪 FIWE 6 测定甜高粱渣木质纤维素
组分纤维素、半纤维素和木质素, 各处理的测定均
设计 3 个重复; 甜高粱渣酶解糖化后, 利用德国安
捷伦高效液相色谱仪 (Agilent 1260, ZORBAX
SB-C18色谱柱, Germany)测定葡萄糖、木糖组分, 各
测定均设计 3个技术重复。
甜高粱秸秆渣木质纤维素各组分纤维素、半纤
维素、木质素的回收率分别表示为 RC、RHC、RL。
RC =干物质回收率纤维素所占比例
RHC =干物质回收率半纤维素所占比例
RL =干物质回收率木质素所占比例
甜高粱渣纤维素、半纤维素的直接水解率为 PC、
PHC, 纤维素[22]、半纤维素的相对水解率为 TC、THC。
PC =水解产物葡萄糖含量(g)/甜高粱渣中纤维素
的含量(g)1.11
PHC =水解产物木糖含量(g)/甜高粱渣中半纤维
素的含量(g)1.14
TC =水解产物葡萄糖含量(g)/甜高粱渣中纤维
素的含量(g)预处理甜高粱渣纤维素的回收率1.11
THC =水解产物木糖含量(g)/甜高粱渣中半纤维
素的含量 (g)预处理甜高粱渣半纤维素的回收率
1.14
其中 1.11和 1.14分别为葡聚糖和木聚糖转化为
葡萄糖和木糖的转换系数。
1.5 扫描电镜观察茎秆渣结构
使用 Hitachi S570扫描电子显微镜(Hitachi High
Technologies America, Pleasanton, CA), 扫描成像前,
放置甜高粱渣于烘箱中 50℃过夜烘 12~16 h, 将适
量干燥的各处理甜高粱渣样品粘接在样品台上, 用
离子溅射仪喷金, 使得样品能够进行电子传导并最
终成像[19]。
1.6 数据分析
通过 SPSS 17.0分析数据方差(One-way ANOVA)、
检验差异显著性(P=0.05), 通过 SigmaPlot 10.0绘制
图表。
2 结果与分析
2.1 不同处理甜高粱渣木质纤维素组成分析
从表 1 看出, 通过范氏纤维素测定法测得对照
甜高粱渣其纤维素、半纤维素、木质素及灰分的比
例分别为 39.03%、30.94%、4.64%和 1.90%; 方差分
析结果显示, 经过不同条件碱处理后, 各处理的甜
高粱渣中纤维素组分所占比例与对照相比都有一定
程度的提高 (P<0.05), 半纤维素比例都有降低
(P<0.05), 其中经过氢氧化钠常温处理后变化最为
明显, 纤维素含量最高达到 73.77%, 半纤维素含量
降至 9.14%; 这说明经过碱处理甜高粱秸秆渣的木
质纤维素组成结构被改变, 且不同处理对于纤维素
组分的纯化程度不同。
第 9期 马 强等: 碱处理对甜高粱秸秆渣组成结构及酶解糖化效果的影响 1607


表 1 各处理甜高粱渣木质纤维素的主要组分及干物质回收率
Table 1 Components of sweet sorghum bagasse and the recovery rate of the dry matter
木质纤维素组分比例 Percentage of lignocellulose components (%) 预处理方式
Pretreatment 纤维素 Cellulose 半纤维素 Hemicellulose 木质素 Lignin 灰分 Ash
干物质回收率
Recovery rate of DM
对照 CK 39.03±0.07 e 30.94±0.34 a 4.64±0.05 b 1.90±0.04 c 1.00
常温+石灰 Ca+RT 55.84±0.95 b 16.50±0.21 b 4.68±0.08 b 1.56±0.13 d 0.70
高温高压+石灰 Ca+AT 42.74±0.06 d 13.61±0.23 d 5.62±0.10 a 1.33±0.09 e 0.81
微波+石灰 Ca+MT 44.44±0.90 c 15.42±0.20 c 4.52±0.16 b 2.33±0.16 b 0.85
常温+NaOH Na+RT 73.77±1.46 a 9.14±0.17 e 2.04±0.12 c 4.58±0.08 a 0.49
同一列中标有不同小写字母的数据在 0.05水平上差异显著。
Values followed by a different letter with in the same column are significantly different at P<0.05 using Duncan’s multiple range tests.
RT: room temperature; MT: microwave treatment; AT: autoclave treatment; DM: dry matter.

2.2 不同处理甜高粱渣的结构
扫描电子显微镜观察(图 1-A, B, C)表明, 没有
处理的甜高粱渣(A)木质纤维素呈束状结晶缜密排
列, 表层木质素紧密包裹纤维素组分, 这种结构将
限制纤维素酶对纤维素组分的酶解作用; 高温高压
石灰处理的样品(B)木质纤维素表层木质素结构被
侵蚀严重, 但呈破碎状附着在纤维素表面, 没能够
较好去除, 样品内部纤维素与半纤维素仍层层紧密
排列 , 半纤维素被部分溶解 ; 而甜高粱渣样品经
NaOH 常温长时间处理(C), 木质纤维素束状结构溶
胀降解, 表层木质素成分被大量去除, 被包裹的纤维
素组分显露, 纤维素网断裂且纤维素表面出现许多
小孔, 说明半纤维素组分也被有效溶解, 这种组成结
构对于纤维素酶的酶解是十分有利的。通过比较说明,
处理方法的作用强度、碱处理试剂的作用机制、处理
时间的长短都对甜高粱渣处理效果有显著影响, 合
理的物理化学方法的搭配和选取, 适用于不同的预
处理目的, 也将对下一步的酶解糖化产生不同影响。

图 1 以扫描电镜观察不同处理甜高粱渣的结构
Fig. 1 Observing the SSB’s lignocellulose structure by scanning electron microscopy (SEM)
A: 没有经过预处理的甜高粱渣; B: 石灰(高温高压)预处理的甜高粱渣; C: 氢氧化钠预处理的甜高粱渣。
A: no pretreated SSB; B: SSB pretreated by lime under autoclave; C: SSB pretreated by NaOH at room temperature.

2.3 不同处理甜高粱渣的酶解糖化
从图 2 看出, 随着水解时间的延长葡萄糖浓度
逐渐增加。方差分析显示, 在所有预处理方法和对
照处理中葡萄糖的浓度在 36 h内都达到较高的稳定
水平(P>0.05), 也说明在比较短的时间内, 已经达到
了各处理的葡萄糖产量潜力。由图可知, 甜高粱渣
纤维素酶酶解糖化过程中, 0~24 h内, 葡聚糖快速分
解, 葡萄糖浓度快速升高; 24~36 h 过程中, 葡萄糖
浓度升高减缓; 48 h 后葡萄糖浓度基本不变或者浓
度升高已经很慢, 受各种条件限制葡聚糖酶解糖化
作用缓慢。酶解糖化 72 h 后, 葡萄糖浓度为常温+
NaOH>高温高压+石灰>微波+石灰>常温+石灰>对
照(CK); 经不同碱处理的甜高粱渣 72 h时葡聚糖糖
化产物浓度依次为 41.179、20.952、18.259、15.112
和 9.847 mg mL–1, 各碱处理分别达到对照组的 4.2、
2.1、1.9和 1.5倍。酶解 72 h后, 木聚糖糖化产物浓
度为高温高压+石灰>微波+石灰>常温+石灰>常温
+NaOH>对照(CK), 分别为 9.236、9.041、5.727、4.409
和 1.848 mg mL–1; 各碱处理分别达到对照的 5.0、
4.9、3.1和 2.4倍。
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图 2 各处理甜高粱渣酶解糖化过程葡萄糖、木糖浓度的变化
Fig. 2 Changes of glucose and xylose concentrations in the SSB enzymatic hydrolysis process
缩写同表 1。Abbreviations are the same as given in Table 1.

2.4 不同处理甜高粱渣各组分转化率分析
通过计算各处理的甜高粱渣的固形物剩余量及
各处理甜高粱渣木质纤维素组分所占比例, 可以得
出不同碱处理条件下, 甜高粱渣各组分的回收率(图
3)。结果表明用石灰(氢氧化钙)处理, 可以去除一部
分半纤维素(60%左右), 但对木质素的去除效果不
好(都小于30%); 氢氧化钠可以有效地溶解去除半纤
维素和木质素, 且纤维素的损耗小于10%。
如图 4-A 所示, 未经碱处理的甜高粱渣纤维素
和半纤维素经过酶解糖化后, 其直接转化率分别为

图 3 各处理甜高粱渣木质纤维素组分的回收率
Fig. 3 Recovery rate of SSB’s components under different
treatments
45.42%和 10.51%, 也就是说, 甜高粱渣自身木质纤
维素组分紧密的组合有效地阻碍了纤维素酶对纤维
素组分的降解; 经过不同方法的碱处理纤维素和半
纤维素的相对转化率都有所提高, 其中纤维素直接
转化效率为常温+NaOH>高温高压+石灰>微波+石
灰>常温+石灰>对照(CK), 其中氢氧化钠常温下长
时间处理的甜高粱渣, 其纤维素转化率达到 100%,
完全水解 ; 半纤维素的直接转化率为高温高压+石
灰=微波+石灰>常温+NaOH>常温+石灰>对照(CK),
其中高温高压和微波条件下石灰处理的半纤维素转
化率都达到 100%, 半纤维素水解完全; NaOH处理的
甜高粱渣半纤维素较前两者低, 还有可能是因为半
纤维素分解生成了较多的糖醛等物质, 木糖得率不
高。图 4-B 显示了各处理甜高粱渣纤维素组分的相对
转化率, 纤维素相对转化率同直接转化率排序相同,
而半纤维素的相对转化率为高温高压+石灰=微波+石
灰>常温+石灰>常温+NaOH>对照(CK), 说明NaOH处
理的甜高粱渣半纤维素损耗较多, 综合利用率较低。
3 讨论
经过预处理, 甜高粱秸秆生物质原料木质纤维

图 4 各处理甜高粱渣纤维素、半纤维素的相对转化率与真实转化率
Fig. 4 The direct and relative conversion rate of cellulose and hemicellulose
A: 为直接转化率; B: 为相对转化率。
A: direct conversion rate; B: relative conversion rate.
第 9期 马 强等: 碱处理对甜高粱秸秆渣组成结构及酶解糖化效果的影响 1609


素结晶结构被分解, 纤维素组分所占比例提高, 其
木质纤维素组分中纤维素与半纤维素能够很好地被
纤维素酶水解糖化, 糖化效率较高。在使用范氏纤
维素测定法测定木质纤维素组分时, 由于酸性洗涤
剂 ADL对纤维素、半纤维素有一定的溶解作用, 测
定过程中一些组分随洗涤剂流出, 因此会出现所测
数据偏低的现象 , 但不会影响不同处理效果的比
较。碱化学预处理效果明显, 能够在短时间或低强
度状态下有效破坏木质纤维素结晶结构, 去除部分
半纤维素和木质素; 但由于现行强碱处理存在试剂
成本高、对机器设备腐蚀损耗严重、污染环境等问
题[19,23]; 如何选取合适的试剂、搭配合适的物理化
学方法成为我们研究的重点。石灰是一种工农业生
产实际中来源广泛、价格低廉的处理原料, 并且其
对糠醛、乙酸等次生代谢发酵抑制物具有很好的消
毒作用[20,24], 结合合适的物理生物方法与处理条件,
石灰在木质纤维素生物质原料预处理应用方面有着
光明的前景[25]。
预处理的目的是为了改变甜高粱渣的物理特
性, 移除或者溶解掉木质素和半纤维素, 降低纤维
素的结晶度[26-27]。最好的预处理效果是在去除掉大
部分木质素的同时能够将纤维素和半纤维素保留 ;
当然, 预处理方法的优劣主要还和木质纤维素材料
的自身特性有关[28]。本文引入了对干物质回收率的
分析计算, 用以准确评价秸秆木质纤维素原料预处
理效果。
生物预处理是最环保、最节能也可能是最有效
的木质纤维素预处理方法[29]; 筛选、构建能够有效
降解木质素、破坏木质纤维素结构的微生物菌株 ,
是生物预处理的研究方向, 但现有条件下, 理想的
生物预处理方法鲜有报道[30], 选择研究生物物理化
学相结合的混合预处理方法才是木质纤维素生物质
能源应用瓶颈的关键突破点。构建能够同时代谢利
用五碳糖和六碳糖的发酵菌株, 是今后发酵菌株构
建的发展方向 [31]; 也就是说, 木质纤维素生物质原
料中纤维素与半纤维素都将成为主要的可发酵原材
料; 木质素组分去除率与木质纤维素结晶结构的分
解效果将直接影响木质纤维素纤维素组分的酶解糖
化效率, 也将是木质纤维素生物质原料预处理效果
考察的重点。
纤维素、半纤维素的转化率代表一定时间内纤
维素酶对甜高粱秸秆渣的作用能力, 转化率越高说
明底物分解得越彻底。直接转化率反应的是经过某
种方法预处理后的甜高粱渣其所含纤维素或半纤维
素组分被酶解糖化的效率; 但是在生产实际中, 生
物质原材料的获取、预处理加工试剂及设备的投入、
加工最优条件的达成, 这些项目的成本往往都要被
慎重考虑[32], 而这种情况下对相对转化率的研究和
分析显得更加重要; 甜高粱秸秆渣纤维素组分的相
对转化率考量了各组分相对于甜高粱渣原料的转化
效率, 能够直观地显示出其中各组分的分解和残留
情况, 对于综合评价从生物质原料到生产产物的工
业生产效率和生产实际条件的优化具有重要的参考
依据。作为能源作物, 甜高粱品种的选育除要注重
种子产量、种子淀粉含量等因素外, 高含糖量、富
含特种糖类、高干物质产量、具有优质秸秆纤维素
组分组合的甜高粱品种也应成为选育和栽培过程中
考虑的重点[33-34]。在生产实际中, 根据原料组成结
构、实际来源和不同产物需求, 甜高粱木质纤维素
组分直接转化率与相对转化率的计算和应用, 对于
合理选择预处理方法和甜高粱品种资源的选育有重
要的指导意义。
4 结论
四种碱处理方式都能够显著提高甜高粱秸秆渣
纤维素组分含量, 半纤维素含量显著降低; 各处理
后的甜高粱秸秆渣经纤维素酶酶解糖化后, 葡萄糖
与木糖产物浓度都不同程度提高 , 常温+氢氧化钠
和高温高压+石灰(氢氧化钙)条件下分别获得最高的
葡萄糖和木糖浓度, 分别达到对照的 4.2倍和 5.0倍,
这两种处理方式对于甜高粱渣木质纤维素结构产生
了不同的溶降破坏作用; 甜高粱渣木质纤维素组分
直接转化率与相对转化率的计算是对预处理效果的
不同评价方式, 在甜高粱渣木质纤维素生物质原料
的实际生产应用中, 可根据不同条件对二者进行选
择参考使用。
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