稀硫酸预处理对杂交狼尾草木质纤维素化学组分和表征结构的影响

作者：高凤芹; 景媛媛; 德英; 万其号; 刘鹰昊; 塔娜^*

来源：中国农业科学, 2020, 53(21): 4516-4526.

• 杂交狼尾草
• 木质纤维素
• 稀硫酸预处理
• 最佳工艺

【目的】研究稀硫酸预处理下,酸浓度、固液比、处理时间及温度对杂交狼尾草木质纤维素降解效率的影响,分析稀硫酸对木质纤维素降解的作用机理,并筛选最佳预处理工艺。【方法】以杂交狼尾草为研究对象,以H2SO4浓度(0.5%、1.0%、1.5%、2.0%、2.5%)、固液比(1﹕6、1﹕8、1﹕10、1﹕12、1﹕14)、时间(15、30、45、60、90 min)和温度(80、100、110、120、125℃)4个单因素进行试验,每个因素取5个水平,3次重复,分析单因素对固体分解率、纤维素降解率、半纤维素降解率、木质素脱除率及水解糖的影响。在单因素试验基础上,采用4因素2水平的L8(24)正交试验确定主要影响因素,并对最佳工艺条件预处理下的杂交狼尾草进行SEM分析和XRD分析。【结果】单因素试验结果表明,各因素下半纤维素降解率均高于木质素降解率。其中,硫酸浓度的增加使纤维素和半纤维素的降解率增加,木质素脱除率降低;由纤维素水解产生的葡萄糖产量也随着浓度的增加而增加,但木糖含量逐渐降低;低浓度的硫酸(0.5%—1.5%)促进杂交狼尾草固体物质降解消化,继续增加硫酸浓度(>1.5%)杂交狼尾草的固体降解无显著变化。固液比对各指标的影响差异较小,固液比增加至1﹕10时,固体分解率、半纤维素和木质素脱除均达到最大。预处理时间的长短对固体分解率、半纤维素和木质素的降解影响不明显,但促进半纤维素降解和葡萄糖生成。温度对固体分解率、纤维素、半纤维素和木质素的降解及水解糖产量的影响效果明显,100℃是重要的临界温度,有效降解木质纤维素需要温度达100℃以上。正交试验结果表明,影响半纤维素降解的因素依次为:温度-浓度-时间-固液比。稀硫酸预处理后杂交狼尾草木质纤维素结构塌陷,非纤维物质被显著脱除,纤维束裸露(SEM);纤维素结晶聚合度增加(XRD)。【结论】稀硫酸预处理杂交狼尾草主要降解半纤维素,对木质素的降解效果较差。温度是最主要的影响因素,其次为酸浓度。4因素影响下的最佳工艺条件为:浓度1.5%,固液比1﹕6,时间15 min,温度120℃。

• 单位
  中国农业科学院草原研究所