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液氨预处理对农作物秸秆化学结构及酶解效果的影响

赵相君 李琮 彭何欢 赵超 马中青

赵相君, 李琮, 彭何欢, 赵超, 马中青. 液氨预处理对农作物秸秆化学结构及酶解效果的影响[J]. 浙江农林大学学报. doi: 10.11833/j.issn.2095-0756.20190575
引用本文: 赵相君, 李琮, 彭何欢, 赵超, 马中青. 液氨预处理对农作物秸秆化学结构及酶解效果的影响[J]. 浙江农林大学学报. doi: 10.11833/j.issn.2095-0756.20190575
ZHAO Xiangjun, LI Cong, PENG Hehuan, ZHAO Chao, MA Zhongqing. Effects of LAT on chemical structure and enzymatic hydrolysis of crop straw[J]. Journal of Zhejiang A&F University. doi: 10.11833/j.issn.2095-0756.20190575
Citation: ZHAO Xiangjun, LI Cong, PENG Hehuan, ZHAO Chao, MA Zhongqing. Effects of LAT on chemical structure and enzymatic hydrolysis of crop straw[J]. Journal of Zhejiang A&F University. doi: 10.11833/j.issn.2095-0756.20190575

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液氨预处理对农作物秸秆化学结构及酶解效果的影响

doi: 10.11833/j.issn.2095-0756.20190575
基金项目: 国家自然科学基金资助项目(31500491);浙江省基础公益研究计划(LGN18B060001);浙江省竹资源与高效利用协同创新中心开放基金(2017ZZY2-02);中国科协“青年人才托举工程”项目(2018QNRC001)
详细信息
    作者简介: 赵相君,实验师,从事农林生物质废弃物资源化利用研究。E-mail:zhaoxiangjunzpp@126.com
  • 中图分类号: S216

Effects of LAT on chemical structure and enzymatic hydrolysis of crop straw

  • 摘要:   目的  探索液氨预处理(liquid ammonia treatment,LAT)对生物质原料水解顽抗性和纤维素类生物质酶解效率的影响。  方法  采用LAT法对小麦Triticum aestivum秸秆(以下称麦秸秆)、高粱Sorghum bicolor秸秆、苜蓿Lotus corniculatus草及三者混合物(质量比为1∶1∶1)进行预处理,利用热重分析仪、傅里叶变化红外光谱仪、X-射线衍射仪和扫描电镜等对其预处理前后的化学结构变化进行表征,研究预处理温度和酶解时间对4种原料中葡聚糖和木聚糖的酶解转化率的影响。  结果  LAT预处理对生物质原料的化学结构影响显著。经LAT预处理后,葡聚糖、木聚糖和阿拉伯糖等化学组分的相对含量降低;氧(O)和氢(H)元素的相对含量降低,部分含氢(H)、氧(O)元素的官能团发生脱落;结晶度出现小幅下降,生物质表面孔隙结构增多,酶在生物质化学结构上的可及度增加。麦秸秆和混合物的最佳预处理温度为90 ℃,苜蓿草和高粱秸秆的最佳预处理温度为110 ℃;随酶解时间延长,4种原料中葡聚糖和木聚糖的酶解率都增加;葡聚糖的最大酶解率从大到小为麦秸秆、混合物、高粱秸秆、苜蓿草,木聚糖的最大酶解率从大到小依次为高粱秸秆、麦秸秆、混合物、苜蓿草。  结论  LAT预处理可以提高木质纤维素生物质尤其是麦秸秆和高粱秸秆的酶解效率。图8表2参24
  • 图  1  麦秸秆、高粱秸秆和苜蓿草在LAT预处理前后的热重和微分热重曲线

    Figure  1  TG and DTG curves of wheat straw, sorghum straw and alfalfa before and after LAT

    图  2  LAT预处理前后样品的红外光谱图

    Figure  2  FTIR analysis of samples before and after LAT

    图  3  LAT预处理前后3种原料的表观形貌

    Figure  3  Micrograph of samples before and after LAT pretreatment

    图  4  LAT预处理前后3种原料的XRD谱图

    Figure  4  XRD analysis of samples before and after LAT

    图  5  LAT预处理温度对麦秸秆中葡聚糖/木聚糖酶解转化率的影响

    Figure  5  Effect of temperatureof LAT on the glucan and xylan conversion of wheat straw

    图  6  LAT预处理温度对苜蓿草中葡聚糖/木聚糖酶解转化率的影响

    Figure  6  Effect of temperature of LAT on the glucan and xylan conversion of alfalfa

    图  7  LAT预处理温度对高粱秸秆中葡聚糖/木聚糖酶解转化率的影响

    Figure  7  Effect of temperature of LAT on the glucan and xylan conversion of sorghum straw

    图  8  LAT预处理温度对混合物中葡聚糖/木聚糖酶解转化率的影响

    Figure  8  Effect of temperature of LAT on the glucan and xylan conversion of mixture

    表  1  LAT预处理前后原料的化学组分分析

    Table  1.   Content of chemical components in biomass before and after LAT

    样品葡聚糖/%木聚糖/%阿拉伯聚糖/%Klason木质素/%灰分/%固体得率/%
    未处理的麦秸秆35.5419.063.1918.9213.83100
    LAT预处理的麦秸秆32.8617.993.1915.3411.5999.84
    未处理的苜蓿草27.3812.883.0221.38 5.90100
    LAT预处理的苜蓿草25.8111.533.0120.09 5.0499.77
    未处理的高粱秸秆37.9017.633.3513.53 3.67100
    LAT预处理的高粱秸秆33.7214.693.2810.35 2.7198.99
    未处理的混合物33.5817.233.4416.70 7.89100
    LAT预处理的混合物30.3216.813.4313.61 7.2299.46
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    表  2  LAT预处理前后原料的元素分析

    Table  2.   Ultimate analysis of biomass before and after LAT

    样品碳/%氢/%氧/%氮/%硫/%高位热值/(MJ·kg−1)
    未处理的麦秸秆39.066.6353.160.790.3620.33
    LAT预处理的麦秸秆39.076.4952.691.490.2720.14
    未处理的苜蓿草43.797.2247.471.360.1622.24
    LAT预处理的苜蓿草43.876.9046.833.100.2921.29
    未处理的高粱秸秆43.537.0948.211.010.1722.29
    LAT预处理的高粱秸秆43.576.9146.612.740.1721.52
    未处理的混合物42.466.9349.361.030.2221.25
    LAT预预处理的混合物41.606.5849.232.400.1920.51
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出版历程
  • 收稿日期:  2019-10-08
  • 修回日期:  2020-02-22

液氨预处理对农作物秸秆化学结构及酶解效果的影响

doi: 10.11833/j.issn.2095-0756.20190575
    基金项目:  国家自然科学基金资助项目(31500491);浙江省基础公益研究计划(LGN18B060001);浙江省竹资源与高效利用协同创新中心开放基金(2017ZZY2-02);中国科协“青年人才托举工程”项目(2018QNRC001)
    作者简介:

    赵相君,实验师,从事农林生物质废弃物资源化利用研究。E-mail:zhaoxiangjunzpp@126.com

  • 中图分类号: S216

摘要:   目的  探索液氨预处理(liquid ammonia treatment,LAT)对生物质原料水解顽抗性和纤维素类生物质酶解效率的影响。  方法  采用LAT法对小麦Triticum aestivum秸秆(以下称麦秸秆)、高粱Sorghum bicolor秸秆、苜蓿Lotus corniculatus草及三者混合物(质量比为1∶1∶1)进行预处理,利用热重分析仪、傅里叶变化红外光谱仪、X-射线衍射仪和扫描电镜等对其预处理前后的化学结构变化进行表征,研究预处理温度和酶解时间对4种原料中葡聚糖和木聚糖的酶解转化率的影响。  结果  LAT预处理对生物质原料的化学结构影响显著。经LAT预处理后,葡聚糖、木聚糖和阿拉伯糖等化学组分的相对含量降低;氧(O)和氢(H)元素的相对含量降低,部分含氢(H)、氧(O)元素的官能团发生脱落;结晶度出现小幅下降,生物质表面孔隙结构增多,酶在生物质化学结构上的可及度增加。麦秸秆和混合物的最佳预处理温度为90 ℃,苜蓿草和高粱秸秆的最佳预处理温度为110 ℃;随酶解时间延长,4种原料中葡聚糖和木聚糖的酶解率都增加;葡聚糖的最大酶解率从大到小为麦秸秆、混合物、高粱秸秆、苜蓿草,木聚糖的最大酶解率从大到小依次为高粱秸秆、麦秸秆、混合物、苜蓿草。  结论  LAT预处理可以提高木质纤维素生物质尤其是麦秸秆和高粱秸秆的酶解效率。图8表2参24

English Abstract

赵相君, 李琮, 彭何欢, 赵超, 马中青. 液氨预处理对农作物秸秆化学结构及酶解效果的影响[J]. 浙江农林大学学报. doi: 10.11833/j.issn.2095-0756.20190575
引用本文: 赵相君, 李琮, 彭何欢, 赵超, 马中青. 液氨预处理对农作物秸秆化学结构及酶解效果的影响[J]. 浙江农林大学学报. doi: 10.11833/j.issn.2095-0756.20190575
ZHAO Xiangjun, LI Cong, PENG Hehuan, ZHAO Chao, MA Zhongqing. Effects of LAT on chemical structure and enzymatic hydrolysis of crop straw[J]. Journal of Zhejiang A&F University. doi: 10.11833/j.issn.2095-0756.20190575
Citation: ZHAO Xiangjun, LI Cong, PENG Hehuan, ZHAO Chao, MA Zhongqing. Effects of LAT on chemical structure and enzymatic hydrolysis of crop straw[J]. Journal of Zhejiang A&F University. doi: 10.11833/j.issn.2095-0756.20190575

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