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液氨预处理法(liquid ammonia treatment，LAT)在氨纤维爆破预处理法(ammonia fiber explosion, AFEX)的基础上改进得来，通过提高反应温度、去除爆破工艺，将氨由快速释放转化为慢速释放，从而降低预处理工艺操作难度，具有非常广阔的发展前景[1]。赵相君等[2]研究了液氨预处理法和双氧水预处理法对稻草(水稻Oryza sativa)酶解转化率的影响，发现双氧水预处理后的葡聚糖和木聚糖的酶解转化率仅为61.6%和47.8%，显著低于液氨预处理法(88.6%和79.3%)。OLADI等[3]和ZHAO等[4]利用响应面法对液氨预处理工艺(温度、氨添加量、反应时间等)进行了优化，当反应温度为170 ℃、氨与原材料质量比为5∶1、载水与原材料质量比为0.8~1.6∶1.0、反应时间为10 min时，芦竹Arundo donax葡聚糖和木聚糖的酶解转化率最高，达到了94.2%和84.4%，总糖回收率高达530.9 g·kg−1。现有文献主要集中于研究LAT预处理工艺对单种生物质原料酶解率的影响[5-7]，而对多种生物质经预处理后化学结构的变化规律(如微观形貌结构、表面化学官能团、纤维素结晶度等)的研究还鲜有报道。中国是农业生产大国，农业生物质资源丰富[8]。小麦Triticum aestivum、高粱Sorghum bicolor和苜蓿Lotus corniculatus作为传统且非常有潜力的农作物，具有栽植面积广，产量可观的优势[9-11]。本研究以麦秸秆、苜蓿草、高粱秸秆及其混合物(质量比为1∶1∶1)为原料，在不同温度条件下开展LAT预处理试验，利用热重分析仪(TGA)、傅里叶变化红外光谱仪(FTIR)、X-射线衍射仪(XRD)、扫描电镜(SEM)等对原料预处理前后的物理化学特性进行表征分析，并利用高效液相色谱(HPLC)对4类原料中葡聚糖/木聚糖的酶解转化率进行对比，探究最理想的LAT预处理温度及预处理前后材性的变化，为LAT预处理工艺设计提供理论依据，也为农作物转化为生物燃料建立基础。
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麦秸秆取自浙江省杭州市临安区清凉峰镇，苜蓿草和高粱秸秆取材于甘肃省白银市会宁县，混合物由麦秸秆、苜蓿草、高粱秸秆按质量比1∶1∶1混合而成。先将原料烘干至含水率低于15%，再粉碎成粒径为50~100目的粉末。用水分分析仪(MA35，赛多利斯科学仪器有限公司)测试实际含水率，测试后用密封袋密封低温(−20 ℃)保存。纤维素酶(NS50013)和β-葡萄糖苷酶(NS50010)由诺维信公司(中国)提供。
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称取各生物质原料20 g，加去离子水，使固液质量比达到70%，搅拌均匀并平衡10 min后转移到高压反应釜(GCF-1 L20/350，大连自控设备厂)中，并对反应釜抽真空。将液氨注入称量小钢瓶，使氨与原材料的质量比为1∶1；加热小钢瓶至50 ℃，用以提升氨的压力，再将氨注入反应釜。控制每组样品的反应釜温度在70、90、110、130、150和170 ℃下各反应5 min，反应结束后快速冷却反应釜并释放氨气。取出原料，40 ℃真空烘箱中干燥24 h后测量质量和含水率，计算预处理后原料得率，再将处理后的原料放入−20 ℃的冰箱冷藏备用。
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采用元素分析仪(Vario EL Ⅲ，德国 Elementary 公司) 测定预处理前后原料的元素组成；根据国家可再生能源实验室(NREL)标准中的LAP002方法[12]测定碳水化合物相对含量，根据LAP003方法[12]测定酸不溶性木质素(Klason木质素)相对含量；采用高效液相色谱(HPLC-1200，美国安捷伦科技有限公司)测定各种单糖质量分数，并计算葡聚糖(纤维素)、木聚糖、阿拉伯聚糖等组分的相对含量；根据GB/T 2677.3−1993《造纸原料灰分的测定》标准测定原料灰分测定原料灰分。
采用热重分析仪(TG209F1，德国耐驰仪器制造有限公司)分析预处理前后的原料的热失重规律。称取10 mg原料放入三氧化二铝坩埚中，以20 ℃·min−1升温速率升至600 ℃；载气为高纯氮气(99.999%)，载气流量为40 mL·min−1，保护气流量为20 mL·min−1。采用傅里叶红外光谱仪(Nicolet 6700，美国尼高力仪器公司)分析预处理前后原料的表面官能团。称取1 mg样品粉末与溴化钾(质量比1∶200)混合研磨均匀并压片，在4 000~500 cm−1波长范围内扫描。采用冷场发射扫描电镜(SEM，SU8010，日本日立公司)观察预处理前后样品微观结构。采用 X 射线衍射仪(XRD-6000，日本岛津公司)分析预处理前后原料的结晶度进行。称取200 mg粉末样品，压片处理后放入样品室，扫描范围为5°~40°，步长为0.05°，扫描速度为5°·min−1。根据公式计算纤维素结晶度ICr=(I002−Iam)/I002×100%。其中，I002为结晶峰的衍射强度，Iam为无定形区域衍射强度。
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根据NREL标准中的LAP009[12]规程进行酶水解实验。称取150 mg葡聚糖当量的原料，用pH 4.8的蒸馏水-柠檬酸钠缓冲溶液溶解得到15 mL酶解液，加入抗生素(四环素和环己酰亚胺)防止菌落滋生。预混合1 h，添加纤维素酶和β-葡萄糖苷酶，放入摇床。酶解温度为50 ℃，摇床转速为150 r·min−1。
酶解24和72 h时取样，酶解液摇匀后用移液枪量取1 mL样品注入离心管，100 ℃下放置20 min，使酶蛋白变性完全失效，−20 ℃下冷却5 min，15 000 r·min−1转速下离心5 min，经0.22 μm聚醚砜膜过滤后注入HPLC分析瓶中，测定酶解液中的单糖相对含量。HPLC采用示差检测器，色谱柱(HPX-87H Ion Exclusion Column，Bio-Rad公司)条件：进样量为15 μL，每个样品运行20 min，柱温为50 ℃，流动相为0.005 mol·L−1稀硫酸，流速为0.5 mL·min−1。
用实际获得的单糖与原料中聚糖理论上可转换的同类单糖之比表示酶解率。计算其中葡聚糖和木聚糖的酶解率d=g×15/m×c×k×1 000×100%。其中：g为HPLC测得的酶解液中葡萄糖或木糖的质量浓度(g·L−1)；m为加入原料的干基质量(g)；c为原料成分分析(酸解法)葡聚糖或木聚糖相对含量(%)；k为葡聚糖或木聚糖分别转化为葡萄糖或木糖的系数，取0.90和0.88。总糖回收量定义为1 000 g干基材料经LAT预处理72 h后酶解所释放的葡聚糖和木聚糖总质量之和。
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由表1可知：预处理前高粱秸秆中葡聚糖、木聚糖以及阿拉伯聚糖的总相对含量(58.88%)高于麦秸秆和苜蓿草，而Klason木质素和灰分的总相对含量(17.20%)低于麦秸秆和苜蓿草，表明高粱秸秆中能有效转化为乙醇的多糖组分更多，其水解制备乙醇的潜力更大。经LAT预处理，3种原料的固体得率均出现少量下降；以高粱秸秆为例，葡聚糖、木聚糖以及阿拉伯聚糖相对含量分别从37.90%、17.63%和3.35%下降至33.72%、14.69%和3.28%，木质素从13.53%下降至10.53%；分析原因可能是液氨预处理过程中产生的诱导效应使木质素中的α-醚键发生断裂，引起木质素大分子结构部分断裂，木质素苯环上的甲基芳基醚键在氢氧根(OH−)作用下断裂，发生脱甲基反应，木质素的亲水性增强[13]，使得部分小分子组分从生物质中脱落，溶解于预处理反应溶液中；与此同时，多糖组分的水解转化率得到提高[9]。如表2所示：预处理前，苜蓿草中碳和氢元素相对含量(43.79%和7.22%)及热值(22.24 MJ·kg−1)最高，麦秸秆中氧元素相对含量(53.16%)最高；经LAT预处理，3种原料中的碳元素相对含量都有所增加，而氢和氧相对含量下降，表明LAT预处理使得生物质原料中少量含氧和氢的官能团和联接键出现断裂和脱落，如羟基(—OH)、β—O—4芳基醚键，造成生物质结构疏松，有利于提高酶解率[14]。此外，预处理后原料中的氮元素相对含量增加，以苜蓿草为例，氮元素相对含量增加了1.2倍，表明在LAT预处理过程中，液氨中的氮元素与生物质中的官能团发生了化学反应，形成了少量的乙酰基[15]。
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 35.54 19.06 3.19 18.92 13.83 100 LAT预处理的麦秸秆 32.86 17.99 3.19 15.34 11.59 99.84 未处理的苜蓿草 27.38 12.88 3.02 21.38 5.90 100 LAT预处理的苜蓿草 25.81 11.53 3.01 20.09 5.04 99.77 未处理的高粱秸秆 37.90 17.63 3.35 13.53 3.67 100 LAT预处理的高粱秸秆 33.72 14.69 3.28 10.35 2.71 98.99 未处理的混合物 33.58 17.23 3.44 16.70 7.89 100 LAT预处理的混合物 30.32 16.81 3.43 13.61 7.22 99.46 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 39.06 6.63 53.16 0.79 0.36 20.33 LAT预处理的麦秸秆 39.07 6.49 52.69 1.49 0.27 20.14 未处理的苜蓿草 43.79 7.22 47.47 1.36 0.16 22.24 LAT预处理的苜蓿草 43.87 6.90 46.83 3.10 0.29 21.29 未处理的高粱秸秆 43.53 7.09 48.21 1.01 0.17 22.29 LAT预处理的高粱秸秆 43.57 6.91 46.61 2.74 0.17 21.52 未处理的混合物 42.46 6.93 49.36 1.03 0.22 21.25 LAT预预处理的混合物 41.60 6.58 49.23 2.40 0.19 20.51 -
用20 ℃·min−1的升温速率对原料做热重分析，发现LAT预处理前后原料的热重(TG)曲线和微分热重(DTG)曲线不同。经LAT预处理的样品，热解后残余质量百分比增加，平均增幅为2%~3%(图1A、图1B和图1C)。由DTG曲线(图1D，图1E和图1F)可知：原料的热解过程可分为脱水、快速热解和炭化3个阶段[16-17]。30~200 ℃为脱水阶段，此时质量损失来源于游离水和结合水的脱除，由于样品已经经过烘干处理，因此原料失重率非常低[18-19]。当温度升至200~400 ℃时，生物质中的纤维素和半纤维素发生快速热解失重，预处理导致原料在此阶段的最大失重峰处的失重率下降；麦秸秆从13.02%·min−1下降至12.16%·min−1，高粱秸秆从13.57%·min−1下降至12.72%·min−1，苜蓿草从14.37%·min−1下降至13.62%·min−1。结合表1可知：LAT预处理造成生物质中的葡聚糖、木聚糖和阿拉伯糖相对含量下降，使得此阶段可降解物质相对含量下降，是本阶段失重率下降的原因[20]。此外，由图1E可知：高粱秸秆原料热解时存在1个热解失重肩峰，主要是由半纤维素热降解产生的；但LAT预处理后的高粱秸秆此肩峰消失，表明部分半纤维素(木聚糖和阿拉伯糖)已经在LAT预处理过程中移出，半纤维素的分解使得木质素-碳水化合物复合体(LCC)被破坏，提高了样品酶解可及度。400~800 ℃为炭化阶段，此阶段主要由木质素热降解造成，木质素经过慢速热解后逐步转化为生物质炭[21]。
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
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由图2可知：LAT预处理前后样品的部分特征官能团的吸光度出现了轻微的变化。3 450 cm−1为羟基(—OH)的伸缩振动峰，主要来源于自由水以及纤维素、半纤维素和木质素化学结构上的羟基，经过LAT预处理后的样品在此处的吸光度强度出现一定程度下降，表明生物质中羟基含量下降，纤维素中的氢键被破坏，使得生物质结构更加疏松，与ZHAO等[8]的研究结论一致。1 631 cm−1处为碳—氮(C—N)伸缩振动吸收峰，经过LAT预处理后的样品在此处的吸光度强度出现一定程度增加，说明氨水与样品中的3大组分(纤维素、半纤维素和木质素)发生了化学反应，氮元素以酰胺的形式存在于样品中，与元素分析结果一致。1 595 cm−1处为苯环上碳=碳(C=C)键振动吸收峰，是木质素中苯丙烷基本结构单元的特征吸收峰，与原料谱图对比，LAT预处理后峰强度减弱，且有分峰出现，说明预处理使木质素结构发生改变，部分木质素溶解于液氨并脱除出生物质，使得生物质化学结构紧密程度降低，从而降低酶解顽抗性。3种原料吸收峰从大到小依次为苜蓿草、麦秸秆、高粱秸秆，侧面证明木质素相对含量大小依次为苜蓿草、麦秸秆、高粱秸秆。1 268 cm−1处吸收峰来自于纤维素和半纤维素的碳—氧(C—O )伸缩振动，对比发现，LAT预处理后该峰略微增强，归因于木质素和半纤维素联结生成LCC复合体，存在大量醚键，在碱性条件下，醚键断裂，LCC复合体破坏生成苯丙烷结构单元和多糖类物质[15，22-23]。
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由图3可知：LAT预处理前后样品的微观形貌存在差异。未处理的麦秸秆纤维形状规则，排列整齐，纤维表面存在着规则排列的硅质细胞(图3A)，预处理后纤维排列疏松膨胀，孔隙度增加(图3D)，有利于进一步酶解反应。经过LAT预处理的高粱秸秆纤维表面暴露程度增加(图3B和图3E)，苜蓿草表面结构发生扭曲和破坏，纤维暴露并出现裂纹和气孔，表面粗糙度变大，多孔性增加(图3C和图3F)。由此认为：LAT预处理能有效提高样品的比表面积，在压力作用下，氨水渗透进细胞腔和胞间层，引起纤维素的溶胀和结晶体的相变，LCC复合体被破坏，生成大量活性基团[24]。
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
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生物质的纤维素上存在结晶区和非结晶区，结晶度是用来表征纤维素结晶区含量的重要指标。结晶区域，纤维素链间以氢键紧密结合，纤维素大分子长链紧密排列，化学结构相对致密；非结晶区域，纤维素链随机排列、结构疏松，较有利于纤维素酶在其表面的键结。因此，纤维素的结晶度能够显著影响木质纤维素的酶解率。由图4可知：3种原料XRD谱图中主要存在2个峰，分别为16°和22°处纤维素的非结晶区和结晶区衍射峰；经过LAT预处理后纤维素结晶度下降，表明LAT预处理能破坏纤维素结晶区，氢键发生断裂，导致部分结晶区转化为无定形区，使得酶在纤维素化学结构上的可及度增加，从而提升酶解转化率[5]。
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
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如图5所示：随着LAT预处理温度升高，葡聚糖的酶解转化率呈现先增加后减小的趋势，90 ℃时达到最大。在90 ℃下酶解24 h，葡聚糖酶解率为79.98%，是未经预处理原料的葡聚糖转化率(30.74%)的1.60倍；酶解至72 h时，进一步增至89.98%，达到最大值。木聚糖的酶解转化率也在90 ℃、72 h时达最高(79.03%)，是未经处理原料的木聚糖转化率(14.87%)的4.34倍。认为90 ℃、酶解72 h为LAT预处理的最优条件。研究发现：HP预处理的最佳工艺条件下，麦秸秆总糖回收率为368.9 g；而利用优化条件下的LAT预处理，干基麦秸秆可转化单糖569.7 g·kg−1，是未经预处理原料产糖量(195.0 g)的2.92倍，是双氧水预处理的1.50倍，说明LAT预处理对麦秸秆酶解非常有效[11]。
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
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如图6所示：随着LAT预处理温度升高，苜蓿草葡聚糖的酶解转化率呈现先增加后减小趋势，110℃时达到最大值。在110 ℃下酶解24 h，葡聚糖酶解率为62.07%，比未经预处理原料的葡聚糖转化率(45.67%)提高了36.00%。继续酶解至72 h，葡聚糖酶解率最高可达到68.95%。木聚糖酶解转化率与葡聚糖大致相同，110 ℃下酶解72 h时，转化率达到最高值(68.22%)，是未经处理原料的木聚糖转化率(11.96%)的4.70倍。110℃预处理后酶解72 h后，葡萄糖和木糖转化的单糖得率分别为244.0和102.6 g·kg−1，单糖总产量为316.3 g·kg−1。相比之下，低于麦秸秆的单糖产量(569.7 g·kg−1)，推测原因是苜蓿草木质素相对含量较高，阻碍酶对纤维素和半纤维素的可及性，并与水解酶结合，导致酶水解速度降低，影响了酶解效果[8]。
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
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如图7所示：随着LAT预处理温度升高，高粱秸秆中葡聚糖酶解转化率呈现先增加后减小的趋势，110 ℃时转化率达到最大值。110 ℃下酶解24 h，葡聚糖酶解率为65.26%，比未经预处理原料(51.03%)增加了14.23%。继续酶解至72 h时，葡聚糖酶解率达到最大值(82.12%)。木聚糖酶解转化率与葡聚糖大致相同，但相同温度下大于葡聚糖。110 ℃酶解24 h，木聚糖转化为率为78.58%，比未处理样品(47.00%)提高了31.58%，酶解72 h时达到最大(91.21%)。预处理促进了原料中葡聚糖和木聚糖的酶解效果，高粱秸秆(干基)在110 ℃下酶解72 h，总糖回收量为559.5 g·kg−1，高于未处理原料(329.7 g·kg−1)，说明液氨预处理提高了高粱秸秆单糖产量，LAT预处理有效。
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
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麦秸秆、苜蓿草、高粱秸秆按质量比1∶1∶1混合，混合物葡聚糖和木聚糖的酶解转化率随LAT预处理温度升高呈现先增加后减小的趋势(图8)，在90 ℃时达到最大值；当温度由90℃升至170℃，混合物酶解转化率差异不明显。90℃下酶解24 h，混合物葡聚糖酶解率为70.19%，比未经预处理样品的葡聚糖酶解率(50.72%)提高了19.47%；继续酶解至72 h，葡聚糖酶解率为84.90%，比未处理样品提高了34.18%。木聚糖酶解转化率与葡聚糖大致相同，在90℃下酶解24 h，混合物木聚糖转化为率70.68%，比未经预处理样品的木聚糖转化率(30.39%)提高了40.29%，继续酶解至72 h，木聚糖转化率为81.02%，比未处理样品提高了50.63%。
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
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采用LAT法对麦秸秆、苜蓿草、高粱秸秆以及三者混合物(质量比1∶1∶1)进行预处理，研究预处理温度与葡聚糖和木聚糖酶解转化率的关系，得到结论如下：①LAT预处理对生物质原料的化学结构影响显著。LAT预处理后，原料化学组分中葡聚糖、木聚糖和阿拉伯糖的相对含量下降；元素组分中的氧和氢相对含量下降，碳和氮相对含量上升；结晶度小幅下降，生物质表面孔隙结构增强，使得酶在生物质化学结构上的可及度增加。②麦秸秆和混合物中葡聚糖和木聚糖的酶解率在LAT预处理温度为90 ℃时达到最大值，苜蓿草和高粱秸秆在110 ℃时达到最大值。随着酶解时间延长，4种原料葡聚糖和木聚糖的酶解率均增加；葡聚糖的最大酶解率从大到小依次为麦秸秆、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。
Effects of LAT on chemical structure and enzymatic hydrolysis of crop straw
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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 Abstract:Objective This study aims to investigate the effects of liquid ammonia treatment (LAT) pretreatment on the hydrolysis resistance of biomass and the enzymatic hydrolysis rate of lignocellulosic biomass. Method Four different types of lignocelluloses biomass, namely wheat straw (Triticum aestivum), alfalfa (Lotus corniculatus), sorghum straw (Sorghum bicolor), and their mixture (mass ratio 1∶1∶1), were pretreated by LAT method, and the effect of LAT on their chemical structure changes was studied by using thermo gravimetric analysis (TGA), Fourier transform infrared spectrometer (FTIR), X-ray diffractometer (XRD), and scanning electron microscope (SEM). Then, the effect of pretreatment temperature and enzymatic hydrolysis time on the enzymatic hydrolysis conversion rates of glucan and xylan in the four raw materials was investigated. Result LAT had a significant effect on the chemical structure of biomass materials. After this pretreatment, the relative content of glucan, xylan, and arabinan in four types of lignocelluloses biomass slightly decreased. The relative content of O and H decreased because some functional groups containing O and H dropped off. The crystallinity decreased slightly, while the surface pore structure significantly increased, and the availability of enzymes in the chemical structure of biomass increased. The optimum pretreatment temperature of wheat straw and mixture was 90 ℃, while that of alfalfa and sorghum straw was 110 ℃. The enzymatic hydrolysis rates of glucan and xylan increased with the increase of enzymatic hydrolysis time. Among the four types of lignocelluloses biomass, the highest enzymatic hydrolysis rate of glucan obtained at the optimal enzymatic hydrolysis condition was wheat straw, followed by the mixture, sorghum straw, and alfalfa. The enzymatic hydrolysis rate of xylan ranging from large to small was sorghum straw, wheat straw, the mixture, and alfalfa. Conclusion LAT can improve the enzymatic hydrolysis efficiency of lignocellulosic biomass, especially that of wheat straw and sorghum straw. [Ch, 8 fig. 2 tab. 24 ref.] -
Key words:
- wheat straw /
- alfalfa /
- sorghum straw /
- liquid ammonia treatment /
- enzymatic hydrolysis /
- cellulose ethanol
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山核桃Carya cathayensis为落叶乔木，是含油率极高的胡桃科Juglandaceae高档干果，其果实为世界四大名优坚果之一[1-2]。因其口味独特、营养价值高而受到人们的广泛喜爱。浙江省杭州市临安区是中国山核桃主产区之一，种植历史悠久[3]。近几十年来，临安山核桃产业迅猛发展，现有种植面积已达5.3万 hm2，已成为当地林农重要的经济来源[4]。山核桃在临安广泛种植，但由于各镇林地有着不同的土壤特征，导致经济效益存在较大差异，即使在同一乡镇，产量大小年份的情况也依然存在[5]。这些问题在一定程度上限制了山核桃产业的发展。国内对于山核桃生长规律、规范施肥、产量提升等方面多有研究。杨慧思等[6]发现：山核桃产地土壤中大量及微量元素的空间分布特征与变异规律有着对应关系；张红桔等[7]揭示了山核桃产区主要养分因子和产量的关系以及空间分布特征；丁立忠等[8]研究结果指出：近10 a临安7 个山核桃主产镇的林地土壤有机碳含量总体呈升高趋势，而土壤碱解氮、有效磷和速效钾含量下降明显，养分现状不容乐观。但是有关水解酶活性与土壤肥力的关系，以及在山核桃产区空间上的分布特点还没有详细的报道和深入研究。水解酶与土壤中营养物质循环、能量转化以及环境质量等密切相关，并参与了土壤环境中重要的生物化学过程[9]。水解酶活性的空间分布特点可以灵敏地反映不同区域土壤中物质循环的速率，这种速率极大程度影响着林地土壤生态系统的功能。同时，水解酶活性能表征土壤养分转化的潜力，度量土壤污染程度和生产力，是人们评价土壤质量和土壤健康的重要经验指标之一[10]，因此，对土壤水解酶活性空间分布特点的研究十分重要。
本研究分析山核桃林土壤水解酶活性的空间分布特点，并通过地统计方法揭示土壤养分与水解酶的空间异质性及其影响因子，为林农掌握土壤肥力特性及养分转化潜力，合理经营山核桃林提供理论依据和技术支撑，对山核桃产业可持续发展具有重要的指导意义。
1. 材料与方法
1.1 研究区概况与样品采集
研究区位于浙江省杭州市临安区(31°14′N，119°42′E)，是中国山核桃的核心产区，属亚热带季风气候，年平均气温为16.0 ℃，极端最高和最低气温分别为41.7和−13.3 ℃。山核桃产区土壤以红壤土类分布最广，多发育于泥岩、页岩、砂岩、凝灰岩、花岗岩、流纹岩以及第四世纪红土[11]。山核桃是该地重要的经济树种，主要分布在海拔50~1100 m的丘陵和山地。林农一般在每年5月上旬和9月上旬将氮肥、复合肥与微肥配合施用。
样地按1 km×1 km网格在全市范围内布设，与临安区森林资源分布图相叠加，有山核桃分布的网格点即为山核桃林样地。根据均匀分布原则，2019年7—8月在山核桃分布较集中的岛石、龙岗、清凉峰、昌化、河桥、湍口、太阳等7个镇，共选取259个样地。在选定的区域内，采集0~20 cm的5个样点土壤样品后，混合，并在样地中心以全球定位系统(GPS)定位，记录经纬度。土壤样品带回实验室，去除石块、植物残体等异物，用木棒碾碎后过2 mm筛。将土壤样品分成2份，一份置于4 ℃冰箱保存，尽快测定土壤酶活性；另一份摊开后在室内自然风干，用于测定土壤养分指标和pH。
1.2 样品测定方法
测定涉及与土壤碳、氮、磷循环的α-葡萄糖苷酶(AG)、β-葡萄糖苷酶(BG)、纤维二糖水解酶(CBH)、木糖苷酶(XYL)、亮氨酸氨基肽酶(LAP)、N-乙酰-β-氨基葡萄糖苷酶(NAG)、酸性磷酸酶(PHOS)等7种土壤水解酶。土壤酶活性测定参照SAIYA-CORK等[12]的荧光微孔板检测技术。具体操作为：称取2 g鲜土于离心管中，加入30 mL提前配置好的pH为5.0的醋酸铵缓冲液，在25 ℃ 180 r·min−1摇床上震荡30 min，再用70 mL醋酸铵缓冲液冲洗至烧杯中，用磁力搅拌器搅拌1 min，用排枪取200 μL土壤悬液于96孔板中，并立即加入50 μL反应底物，放入25 ℃培养箱中避光培养3 h，取出后迅速加入15 μL 0.5 mol·L−1的氢氧化钠结束反应，用多功能酶标仪检测吸光值并计算土壤酶活性。土壤养分指标和pH参照鲁如坤[13]方法测定：土壤pH采用土水比(质量比)为1.0∶2.5的悬浊液，微电极法测定；土壤有机质采用浓硫酸-重铬酸钾外加热法测定；土壤碱解氮采用碱解扩散法测定；土壤有效磷采用盐酸-氟化铵(HCl-NH4F)浸提，钼锑抗比色法测定；土壤速效钾采用醋酸铵浸提，火焰光度计测定。
1.3 数据处理
1.3.1 空间自相关水平
水解酶活性的空间分布特征采用地统计分析方法。半方差变异函数是研究区域化变量模型，其公式为:
$$ y=\frac{1}{2 N} \sum_{i=1}^{N}[Z(x_i)-Z(x_i+h)]^{2} 。 $$ 其中：y表示间隔距离为h点的半方差值，h为空间间隔点的距离，即步长；N为样点观测数值成对的数目；Z(xi+h)和Z(xi)为样点测定值[14]。常用的半方差变异函数模型有球状(Spherical)、高斯(Gaussian)、指数(Exponential)[15]模型。模型中，C0代表块金值，C+C0代表基台值，当块基比C0/(C+C0)＜25%时，表明变量具有强烈的空间自相关，即主要受到结构性变异的影响；当C0/(C+C0)为25%~75%时，变量属于中等程度空间自相关；当C0/(C+C0)＞75%的，变量空间自相关程度较弱，即主要受随机因素影响[16-17]。
采用全局莫兰指数(Ig)来体现研究区域土壤水解酶的空间自相关水平。使用GeoDa软件对样点构建空间权重矩阵，可以根据局部莫兰指数(IL)绘制局部空间自相关聚类图[18]，采用Canoco 5.0对酶活性高、低聚集样点间总体差异采用999次的蒙特卡罗排列检验（Monte Carlo permutation test，999 permutations，full model），然后找出土壤酶活性关系密切的环境因子进行冗余分析(RDA)。
$$ {I_{\rm{g}}} = {\frac{{N\displaystyle \sum\limits_{i = 1}^N {{W_{ij}}({Z_i} - \overline Z )({Z_j} - \overline Z )} }}{{\displaystyle \sum\limits_{i = 1}^N {\displaystyle \sum\limits_{j = 1}^N {{W_{ij}}{{({Z_i} - \overline Z )}^2}} } }}_{}} ; $$ $$ {I_{\rm{L}}} = \frac{{{Z_i} - \overline Z }}{{{\sigma ^2}}}\sum\limits_{i = 1}^N {[{W_{ij}}({Z_i} - \overline Z )]} 。 $$ 其中：
$\overline Z$ 为变量Z的平均值；Zi、Zj分别是变量Z在空间i、j处的数值(i≠j)；σ2是变量Z的方差；Wij是Zi与Zj之间的空间权重函数，在选定尺度内时赋予权重值为1，超过尺度时权重值为0。当Ig＞0，表示目标样点与邻近样点有空间结构上的相似性，存在空间集聚区；当Ig＜0，表示空间区域异常[19]。1.3.2 土壤肥力分值
用SPSS 22.0对土壤水解酶活性与土壤性质数据进行描述性统计分析，计算变异系数，Pearson相关性分析设置显著水平为0.05。在Excel 2007中进行数据的对数转化。采用因子分析中的主成分分析法(PCA)和系统聚类分析，对山核桃林地土壤肥力情况进行评价[20]。通过因子分析确定参评土壤指标主成分特征值和特征向量，选取特征值较高的关键主成分，计算各主成分得分，再利用得分公式求出各样点土壤肥力分值(IIF)[21]，采用类平均法对分值进行系统聚类。肥力分值计算采用肥力指数和法。公式为：
$$ I_{\rm{IF}} = \frac{{{x_1}}}{{\displaystyle \sum\limits_{i = 1}^m {{x_i}} }}{F_1} + \frac{{{x_2}}}{{\displaystyle \sum\limits_{i = 1}^m {{x_i}} }}{F_2} + \frac{{{x_3}}}{{\displaystyle \sum\limits_{i = 1}^m {{x_i}} }}{F_3}+ \cdots + \frac{{{x_n}}}{{\displaystyle \sum\limits_{i = 1}^m {{x_i}} }}{F_n} 。 $$ 可简化为：IIF=λ1F1+λ2F2+λ3F3
$+\cdots+ $ λnFn。其中：Fi表示单个主成分得分；λi表示对应主成分解释的总变异。2. 结果与讨论
2.1 土壤性质描述性统计分析
土壤pH平均为5.76，最小为4.50，说明山核桃林地土壤主要为酸性土壤，且酸化较为严重。土壤有机质为5.41~98.08 g·kg−1，平均为37.39 g·kg−1；土壤有效磷为0.52~22.43 mg·g−1；土壤速效钾为22.06~466.07 mg·g−1；土壤碱解氮为28.62~192.53 mg·g−1。研究区域土壤变异系数从大到小依次为有效磷、速效钾、有机质、碱解氮、pH。土壤酶活性变异系数从大到小依次为CBH、XYL、AG、NAG、LAP、BG、PHOS，其中CBH、XYL为高度变异，AG、NAG、LAP、BG、PHOS为中等变异(表1)。根据ZHANG等[22]对变异系数的划分，当变异系数＜10%时为弱变异，在10%~90%时为中等变异，＞90%时则为高度变异。研究区域有效磷质量分数变异系数＞90%，具有明显的变异性，为高度变异。这可能是由于山核桃产区地势起伏较大，在雨水冲刷后有效磷极易流失，且林农施用磷肥量不均匀，土壤利用率较低，常年累积造成。土壤pH变异系数为10.28%，变异较小，与张红桔等[7]研究结果基本一致，说明山核桃林地土壤总体pH比较接近。
表 1 土壤性质描述性统计分析Table 1 Descriptive statistics of soil properties项目 有机质/
(g·kg−1)有效磷/
(mg·kg−1)速效钾/
(mg·kg−1)碱解氮/
(mg·kg−1)pH AG/
(mol·g−1·h−1)最小值 5.41 0.52 22.06 28.62 4.50 0.12 最大值 98.08 22.43 466.07 192.53 7.48 1.67 平均值 37.39 4.23 113.77 132.40 5.76 0.35 标准差 15.38 3.90 72.58 43.47 0.59 0.30 变异系数/% 41.15 92.20 63.80 32.83 10.28 88.12 项目 BG/
(mol·g−1·h−1)CBH/
(mol·g−1·h−1)XYL/
(mol·g−1·h−1)LAP/
(mol·g−1·h−1)NAG/
(mol·g−1·h−1)PHOS/
(mol·g−1·h−1)最小值 4.58 0.04 0.17 0.10 0.15 18.31 最大值 192.62 63.06 62.91 32.95 93.60 1042.63 平均值 47.06 8.14 7.44 4.44 17.75 160.43 标准差 31.50 8.09 6.91 3.62 15.27 89.10 变异系数/% 66.95 99.48 92.98 81.54 86.07 55.54 2.2 土壤水解酶活性与土壤肥力指标及pH相关性分析
土壤有机质和碱解氮与7种水解酶均呈极显著正相关(P＜0.01)；有效磷与BG 、NAG呈极显著正相关，与CBH呈显著正相关(P＜0.05)；pH与CBH呈极显著正相关(P＜0.01)，与BG呈显著正相关(P＜0.05)，与PHOS、XYL呈极显著负相关(P＜0.01)；速效钾与7种水解酶均没有表现出明显的相关性(表2)。土壤酶主要来源于土壤微生物、土壤动物和植物根系的分泌，土壤养分质量分数可以直接影响土壤动植物长势、微生物的活性与分布，整合了土壤理化条件的信息[23]，因此土壤水解酶活性与土壤养分因子密切相关，水解酶活性也通常被作为土壤质量的生物活性指标[24]。对土壤水解酶活性与土壤肥力指标及pH的相关性分析发现：土壤有机质和碱解氮与7种酶存在极显著正相关(P＜0.01)。土壤有机质是评价土壤肥力的重要指标，土壤有机质的形成与分解都与酶的作用有关[25]。水解酶可以吸附在土壤有机质上，以酶-腐殖质复合物的形式从土壤中提取出来，并仍可保留有活性。土壤碱解氮主要集中在土壤表层，其含量受人为施肥的影响较大[26]。山核桃林农为提高产量大量撒施氮肥。氮素供应的增加可以使植物细胞原生质合成加快，细胞数量增多，有了更多的水解酶产出渠道。此外，土壤微生物也会通过分泌多种水解酶固定氮素[27]。PHOS与有效磷质量分数和pH之间存在显著正相关和极显著负相关。由于PHOS会参加土壤磷的矿化作用过程，使土壤有机态磷转化为植物可吸收的无机态磷，有效磷质量分数增加。pH是控制土壤中磷有效性和PHOS活性的关键因子，在山核桃林地土壤酸化的环境下，pH小幅降低可能有利于植物对有效磷的吸收，PHOS参与矿化作用的活性增强[28]。
表 2 土壤水解酶与养分因子及pH相关性分析表Table 2 Correlation coefficients of soil hydrolase activities and soil nutrient factors and pH水解酶 有机质 有效磷 速效钾 碱解氮 pH AG 0.355** 0.061 0.060 0.419** 0.102 BG 0.406** 0.172** 0.066 0.354** 0.147* CBH 0.356** 0.158* 0.060 0.275** 0.196** XYL 0.302** 0.088 −0.090 0.278** −0.283** LAP 0.170** 0.042 −0.015 0.230** −0.028 NAG 0.431** 0.267** 0.114 0.357** 0.109 PHOS 0.272** 0.123* 0.007 0.346** −0.286** 说明：*P＜0.05, **P＜0.01 2.3 不同土壤水解酶活性空间变异特征及聚集效应
7种土壤水解酶活性在山核桃林地表现出不同的空间异质性(表3)。在GS+ 9.0中进行方差变异函数拟合，分别选用最优模型。不同水解酶拟合模型的差异，表示相应的酶在土壤中的空间变化规律不同。本研究中，AG、BG、CBH、LAP、NAG、XYL活性具有中等空间自相关性，活性均呈现斑块状分布；不同水解酶活性区域分布呈现差异性，块基比分别为55%、42%、56%、49%、66%、47%、78%，说明它们的变异情况主要受到人为因素和结构性因素共同影响。PHOS块基比为78%，具有较弱的空间自相关，其活性空间分布主要受随机因素如施肥方式和耕作强度的影响[29]。本研究中, 虽然各酶活性的空间自相关性存在差异，但变程均大于最小采样距离，因此，本研究所选择的采样距离能够反映土壤水解酶活性在研究区域最小尺度下的空间变异特征。从土壤水解酶活性的空间分布情况来看(图1)：活性较高的区域位于临安区西北方向的岛石镇。该镇有中国“山核桃第一镇”的美称，这可能与当地特色生态化经营方式有关，如：林下种植茶Camellia sinensis、黑麦草Lolium perenne、油菜Brassica napus等适生植物，丰富林下土壤生态结构的同时起到涵养水肥、改良酸性土质的作用；林间饲养家禽吃掉害虫、消灭虫卵，产生的鸡粪也可作为有机肥为山核桃树生长提供养分。这些特色经营方式都为植物根系发育、土壤微生物的快速新陈代谢提供了有利的条件，从而提高了相关水解酶参与复杂生化反应的活性。
表 3 土壤水解酶活性半方差函数理论模型及其相关参数Table 3 Theoretical model of semi-variance function of soil hydrolase activities and its related parameters水解酶 函数模型 块金值(C0) 基台值(C+C0) 块基比[C0/(C+C0)] 变程 决定系数 AG 球状模型 0.050 0.090 0.55 9.63 0.46 BG 指数模型 136.800 324.400 0.42 8.76 0.65 CBH 指数模型 0.140 0.250 0.56 1.60 0.43 XYL 高斯模型 0.080 0.170 0.47 2.12 0.37 LAP 高斯模型 10.970 21.960 0.49 11.20 0.73 NAG 高斯模型 197.150 294.260 0.66 27.30 0.45 PHOS 球状模型 0.032 0.041 0.78 14.60 0.54 根据全局莫兰指数，AG、BG、CBH、XYL、LAP、NAG、PHOS等7种水解酶活性在空间分布上都存在相关性(Ig＞0)，且存在高低值聚集区域。在本研究中，7种水解酶活性在高低值聚类上呈现出了相似的特点，岛石镇为水解酶活性高值聚集(high-high)区域，部分水解酶(如AG)在太阳镇北部也有高值聚集的现象；低值聚集(low-low)区域多位于清凉峰以及河桥、龙岗、昌化三镇交界处附近(图2)。在冗余分析结果中，高低值聚集区域样点的水解酶活性在第1轴有明显的分离，第1轴和第2轴分别有82.92%和14.42%的贡献度(图3)。结果显示：碱解氮、有机质、pH与水解酶活性有极显著正相关(P＜0.01)。水解酶活性高低值聚类结果和土壤肥力分值高低值聚类情况相似，说明土壤水解酶活性大小和周围可利用的营养物质关系十分密切。由于山核桃林地土壤常年受到不同程度的人为经营干扰，造成这种现象的原因多为当地经营方式的不同，如氮肥、有机肥的投入是增加土壤肥力较为直接的方式，因此各区域出现高低值聚集的现象可以一定程度反映当地肥力水平以及施肥情况。岛石镇高值聚集，一方面可能是由于岛石镇山核桃林氮肥、有机肥常年投入量高于清凉峰等区域，同时岛石镇明确规定当地所有山核桃林地禁用除草剂，防止除草剂的不合理使用破坏产区生态平衡，影响山核桃产量。另一方面，岛石镇相对其他镇海拔较高，大部分产区山高树茂，年降水量充沛，林下、林间生态系统的结构与功能较为完整，因此土壤微生物活动旺盛，作物根系发达，从而成为水解酶活性的高值聚集区。而清凉峰以及河桥、龙岗、昌化交界处的冒尖山、石柱山、云台山、鸡哺山等区域地势极为陡峭，当地山核桃林水土流失现象严重，养分较为贫乏，相对其他区域处于较低的水平，水解酶活性受到影响，产生低值聚集。杭瑞高速经过清凉峰镇与龙岗镇南部，该区域交通便利，人类活动造成了一定程度的干扰。当地存在铅锌矿、钨钼矿以及铜矿等正在开发的金属矿[30]。采矿活动产生的粉尘、废水和尾矿渣可能会对土壤水解酶活性和分布造成一定影响[31]。
图 3 高低聚类点冗余分析结果Figure 3 Redundancy analysis of high-high and low-low clustering points2.4 土壤肥力状况
据浙江省地方标准，山核桃林地土壤样地中碱解氮、有效磷、速效钾、有机质位于丰富等级的样地分别占64%、56%、23%、45%，绝大部分样点各养分指标等级处于中等以上(表4)，能够满足山核桃的生长发育需求，但是由于各区域土壤中养分比例以及酸碱度的不同，综合肥力状况也有所差异。在主成分分析结果中，IIF均值为91.67，变幅为35.29~277.05，变异系数为42.73%。第1主成分解释了48.39%的总变异，第2主成分解释了26.50%的总变异，第3主成分解释了17.12%的总变异(表5)。采用类平均法对土壤肥力分值(IIF)进行系统聚类，将259个样本分为4类，即第Ⅰ类IIF≥146.83，第Ⅱ类87.11≤IIF＜146.83，第Ⅲ类59.72≤IIF＜87.11，第Ⅳ类IIF＜59.72，分别对应土壤肥力高、较高、中、低4个等级。结果显示：IIF变异系数为42.73%，属于中等变异，但其中有174个样本处于中低水平，肥力相对较差。从采样区域土壤肥力分值所占比例来看，山核桃林地有58.7%的样地土壤肥力低于平均水平，有32.7%的样地土壤肥力为Ⅰ和Ⅱ等级，大部分样地土壤肥力处于Ⅲ、Ⅳ等级，说明大部分山核桃林地土壤肥力还有提高的空间。从使用IIF绘制的空间分布图来看，岛石镇山核桃林地土壤肥力在所有山核桃产区中最高，该区域的土壤管理方法值得借鉴。沈一凡等[32]研究了近10 a山核桃林地主要分布区域的土壤养分变化情况，发现林地土壤酸化的现象一直在加重，肥力也有不断下降的趋势。这是由于大多数山核桃林农缺乏相关技术指导和对立地环境的认知，长期施用以氮素为主的化学肥料造成的。而且从20世纪80年代开始，山核桃林地不断扩张，但大多数新兴产区酸化严重，土壤宜肥、宜种性较差。针对这一现象，还需要增施有机肥，并施用一定量的石灰，逐渐改善各地土壤酸化的情况，规范林地生草管理和生态化采收技术，以稳步提升山核桃林地的土壤肥力。
表 4 山核桃土壤肥力指标丰缺等级及各等级占比Table 4 Level of soil fertility indexs and the proportion of each level项目 碱解氮 有效磷 速效钾 有机质 质量分数/(mg·kg−1) 占比/% 质量分数/(mg·kg−1) 占比/% 质量分数/(mg·kg−1) 占比/% 质量分数/(g·kg−1) 占比/% 缺乏 ＜80 6 ＜5 12 ＜80 34 ＜10 7 中等 80~120 30 5~10 32 80~110 43 10~40 48 丰富 ＞120 64 ＞10 56 ＞110 23 ＞40 45 说明：土壤肥力指标丰缺等级参考浙江省地方标准 DB33/T 2205—2019《山核桃分区施肥技术规范》 表 5 主成分贡献率与各因子得分Table 5 Principal component contribution rates and each factor score因子 主成分得分 第1主成分(48.39%) 第2主成分(26.50%) 第3主成分(17.12%) 有机质 0.144 0.268 0.225 有效磷 0.071 0.451 0.116 速效钾 0.027 0.481 0.046 碱解氮 0.061 0.040 0.652 AG 0.160 −0.058 0.039 BG 0.205 0.017 −0.299 CB 0.182 0.064 −0.393 XYL 0.177 −0.240 0.042 LAP 0.122 −0.238 0.345 NAG 0.179 0.111 −0.130 PHOS 0.184 −0.219 0.100 3. 结论
研究区山核桃林土壤水解酶活性均具有较好的空间变异结构和空间分布格局，结构性变异占总变异的比例较小。研究区山核桃林土壤受到人为因素的干扰较多，人为施肥与经营强度是影响其空间格局形成的最直接因素。土壤水解酶活性空间分布和养分分布联系密切，在养分质量分数较高的区域有高值聚集的现象，低值聚集区域多位于清凉峰等区域。特色的生态经营方式可以使土壤水解酶活性处于相对较高的水平，从而提高山核桃的宜种性。
研究区山核桃林土壤酸化较为普遍，平均pH为5.76，严重限制了山核桃的生长。岛石镇、太阳镇北部土壤肥力得分较高。从总体来看，大部分区域土壤各肥力指标等级处于中等以上，但有过半土壤综合肥力未达到平均水平。产区内部各镇土壤肥力也有着明显差异，大部分区域土壤肥力还有待提高；土壤水解酶活性变异系数较高，且与有机质、碱解氮、pH、有效磷等肥力因子有较强的相关性。
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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 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 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 35.54 19.06 3.19 18.92 13.83 100 LAT预处理的麦秸秆 32.86 17.99 3.19 15.34 11.59 99.84 未处理的苜蓿草 27.38 12.88 3.02 21.38 5.90 100 LAT预处理的苜蓿草 25.81 11.53 3.01 20.09 5.04 99.77 未处理的高粱秸秆 37.90 17.63 3.35 13.53 3.67 100 LAT预处理的高粱秸秆 33.72 14.69 3.28 10.35 2.71 98.99 未处理的混合物 33.58 17.23 3.44 16.70 7.89 100 LAT预处理的混合物 30.32 16.81 3.43 13.61 7.22 99.46 
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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 39.06 6.63 53.16 0.79 0.36 20.33 LAT预处理的麦秸秆 39.07 6.49 52.69 1.49 0.27 20.14 未处理的苜蓿草 43.79 7.22 47.47 1.36 0.16 22.24 LAT预处理的苜蓿草 43.87 6.90 46.83 3.10 0.29 21.29 未处理的高粱秸秆 43.53 7.09 48.21 1.01 0.17 22.29 LAT预处理的高粱秸秆 43.57 6.91 46.61 2.74 0.17 21.52 未处理的混合物 42.46 6.93 49.36 1.03 0.22 21.25 LAT预预处理的混合物 41.60 6.58 49.23 2.40 0.19 20.51
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