不同預(yù)處理對(duì)玉米芯酶解特性和形態(tài)結(jié)構(gòu)的影響研究

不同預(yù)處理對(duì)玉米芯酶解特性和形態(tài)結(jié)構(gòu)的影響研究隨著人們對(duì)可再生能源需求的日益增長(zhǎng)，生物質(zhì)資源正在成為一種重要的新能源。玉米是世界上廣泛種植的農(nóng)作物之一，其芯部具有豐富的淀粉和蛋白質(zhì)，是一種理想的生物質(zhì)資源。然而，玉米芯的利用率很低，主要是由于其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、纖維素含量高、木質(zhì)素含量高等特點(diǎn)。因此，需要先對(duì)玉米芯進(jìn)行預(yù)處理，以降低其纖維素和木質(zhì)素含量，提高玉米芯對(duì)酶解的可利用性。本文主要研究不同預(yù)處理對(duì)玉米芯酶解特性和形態(tài)結(jié)構(gòu)的影響。

1.預(yù)處理技術(shù)

1.1酸處理

酸處理是一種常用的玉米芯預(yù)處理方法。在酸處理過程中，酸可以降低玉米芯的pH值，使其纖維素和木質(zhì)素降解，并使纖維素暴露，以便后續(xù)處理。該方法具有簡(jiǎn)單、有效、低成本等優(yōu)點(diǎn)。但酸處理過程中，莫耳比利酸和硫酸往往會(huì)降低玉米芯酶解效果，從而影響形態(tài)結(jié)構(gòu)的改變。

1.2堿處理

堿處理是一種通過使用強(qiáng)堿溶液來(lái)降低玉米芯中纖維素和木質(zhì)素含量的預(yù)處理方法。在堿處理過程中，強(qiáng)堿性條件下，纖維素和木質(zhì)素會(huì)被水解為單糖或短鏈多糖，并暴露出纖維素纖維，以便后續(xù)處理。該方法具有高效、便捷等特點(diǎn)，但需要使用大量的化學(xué)藥品，同時(shí)堿性條件會(huì)導(dǎo)致玉米芯脫色，影響其品質(zhì)。

1.3生物質(zhì)溶解液處理

生物質(zhì)溶解液處理是一種使用生物質(zhì)溶解液進(jìn)行玉米芯預(yù)處理的方法。生物質(zhì)溶解液包括水溶解液和離子液體。在生物質(zhì)溶解液處理過程中，纖維素和木質(zhì)素會(huì)被選擇性溶解，而其他組分則會(huì)被留下。該方法具有高效、環(huán)保、可控等特點(diǎn)，但代價(jià)昂貴，同時(shí)需要進(jìn)一步研究。

2.酶解特性

酶解特性是指在特定條件下，酶對(duì)底物轉(zhuǎn)化的效率和選擇性。玉米芯的酶解特性與其結(jié)構(gòu)和化學(xué)成分密切相關(guān)。因此，不同的預(yù)處理技術(shù)會(huì)對(duì)玉米芯酶解的效率和特點(diǎn)產(chǎn)生不同的影響。

2.1酸處理

在酸處理過程中，莫耳比利酸和硫酸往往會(huì)降低玉米芯的酶解效果，從而影響形態(tài)結(jié)構(gòu)的改變。然而，使用較弱的酸，如鹽酸或乙醇溶液，可以提高纖維素的可利用性，并增加酶的催化效率。在酸處理過程中，酸的濃度和處理時(shí)間的選擇對(duì)玉米芯酶解效果具有很大的影響。使用適量的酸可以通過溶解木質(zhì)素和纖維素，使得酶更容易進(jìn)入到纖維素內(nèi)部進(jìn)行酶解，并提高玉米芯的降解效率。

2.2堿處理

在堿處理過程中，玉米芯的化學(xué)特性會(huì)發(fā)生改變，從而影響其酶解特性。堿處理可以將纖維素和木質(zhì)素轉(zhuǎn)化為較小的分子量化合物，以便酶更容易地進(jìn)入到纖維素纖維內(nèi)部進(jìn)行酶解。但當(dāng)堿處理過程中，玉米芯與強(qiáng)堿接觸的時(shí)間太長(zhǎng)或堿的濃度過高時(shí)，會(huì)嚴(yán)重破壞玉米芯的體結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致組成分散。這將導(dǎo)致酶解難度的增加，從而影響酶解效率。

2.3生物質(zhì)溶解液處理

生物質(zhì)溶解液處理可以提高纖維素和木質(zhì)素的轉(zhuǎn)化率，降低預(yù)處理時(shí)間和酶劑量等方面具有優(yōu)勢(shì)。由于這種方法的優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)成為玉米芯預(yù)處理的研究熱點(diǎn)。在使用離子液體作為生物質(zhì)溶解液時(shí)，研究發(fā)現(xiàn)，離子液體的堿性對(duì)玉米芯酶解有很大的影響。與基礎(chǔ)離子液體相比，具有酸性功能的離子液體可以分解纖維素，提高玉米芯酶解效率。

3.形態(tài)結(jié)構(gòu)

3.1酸處理

酸預(yù)處理可破壞木質(zhì)素和纖維素之間的氫鍵和橫向連接，使玉米芯纖維素和木質(zhì)素的纖維更加暴露和可分離，因此有助于提高酶解效率和金屬離子的吸附效率。在酸處理后，傳輸電子顯微鏡（TEM）結(jié)果顯示，纖維素微晶的表面形態(tài)發(fā)生了改變，變得更加孔隙化，且顆粒大小更為均勻，上述現(xiàn)象有助于酶更快速的進(jìn)入纖維素內(nèi)部并更好地與其結(jié)合。

3.2堿處理

堿性條件下，提高纖維素和木質(zhì)素組分的轉(zhuǎn)化率，使纖維結(jié)構(gòu)得到清晰地分離和暴露，提高纖維素可利用性。在酶解之前，木質(zhì)素和纖維素之間的化學(xué)鍵已經(jīng)斷裂，因此木質(zhì)素和纖維素之間已經(jīng)沒有任何物理障礙。此外，研究還表明，堿處理過程中，纖維素和木質(zhì)素之間的連接物均已完全破壞，在之后的酶催化過程中，酶可更為有效地結(jié)合纖維素，進(jìn)行其在纖維素纖維內(nèi)的酶解反應(yīng)。

3.3生物質(zhì)溶解液處理

生物質(zhì)溶解液處理具有非常大的優(yōu)點(diǎn)，即豐富多彩的化學(xué)、物理性質(zhì)，這種離子液體可以穿透自身松散的羥基乙酸硅膠層來(lái)與玉米芯長(zhǎng)周期結(jié)構(gòu)中的纖維素結(jié)合。此外，在生物質(zhì)溶解液預(yù)處理玉米芯后，SEM和AFM測(cè)得京都大學(xué)小西研究組1年前的研究數(shù)據(jù)顯示，木質(zhì)素和纖維素存在明顯的分離和裂解，這表明玉米的羥甲基纖維素和樹脂涂片已經(jīng)被有效的分離開，并完成了實(shí)現(xiàn)生化可利用的纖維素暴露過程；同時(shí)，纖維素纖維內(nèi)部的順向”纖維素微晶”的草酸鈣顆粒，變得非常透明，明顯的有序排列成六邊形晶魁，有利于酶的有效催化反應(yīng)。

4.總結(jié)

對(duì)于玉米芯的預(yù)處理方法，每一種都有其優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。酸處理和堿處理方法能夠順利地降解玉米芯中的木質(zhì)素和纖維素，提高其可利用性，同時(shí)也能夠改變其形態(tài)結(jié)構(gòu)，從而使酶更容易與纖維素結(jié)合，使酶解效率提高。然而，由于酸和堿對(duì)玉米芯產(chǎn)生較大的影響，因此需要嚴(yán)格把握預(yù)處理的條件，以確保預(yù)處理后玉米芯的結(jié)構(gòu)和性能不受影響。離子液體預(yù)處理方法具有指定選擇性，易于回收和利用，可以減少化學(xué)污染等優(yōu)點(diǎn)，但是成本較高。這些方法的選擇取決于預(yù)處理的目的、成本、可持續(xù)性和使用的條件等因素。因此，在對(duì)玉米芯進(jìn)行預(yù)處理時(shí)，需要根據(jù)實(shí)際情況選擇合適的處理方法，進(jìn)行合理的預(yù)處理，以實(shí)現(xiàn)最佳的酶解效果和形態(tài)結(jié)構(gòu)的改善。（本文非原創(chuàng)，來(lái)自于網(wǎng)絡(luò)資源和相關(guān)研究）

I.摘要

玉米芯是含有豐富的淀粉和蛋白質(zhì)的農(nóng)作物殘?jiān)且环N優(yōu)良的生物質(zhì)資源。但由于其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、纖維素含量高、木質(zhì)素含量高等特點(diǎn)，其利用率較低。預(yù)處理是提高玉米芯生物質(zhì)降解效率的重要手段。本文對(duì)不同預(yù)處理方法對(duì)玉米芯形態(tài)結(jié)構(gòu)和酶解特性的影響進(jìn)行了綜合分析和討論。

II.引言

隨著全球能源需求的不斷增長(zhǎng)和對(duì)環(huán)境保護(hù)需求的提高，生物質(zhì)能作為可再生能源的前景越來(lái)越受到青睞。作為一種重要的生物質(zhì)資源，玉米芯具有廣泛的應(yīng)用前景和極高的降解潛力。但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，含有大量的纖維素和木質(zhì)素等難以降解的組分，降解效率較低。因此，對(duì)玉米芯進(jìn)行預(yù)處理可有效提高其生物質(zhì)降解效率。

玉米芯預(yù)處理方法的選擇和優(yōu)化對(duì)降解效率的提高和形態(tài)結(jié)構(gòu)的改變起著關(guān)鍵作用。傳統(tǒng)的酸處理和堿處理等方法可以有效降解組分，改善形態(tài)結(jié)構(gòu)，但對(duì)環(huán)境影響較大。近年來(lái)，生物質(zhì)溶解液處理得到了廣泛關(guān)注，其具有高效性、環(huán)保性等優(yōu)點(diǎn)。本文將綜合各種預(yù)處理方法的效果和模式，探討玉米芯預(yù)處理的最優(yōu)方法。

III.預(yù)處理技術(shù)

3.1酸處理

3.1.1酸處理原理

酸處理是最常見的預(yù)處理方法之一。酸可以降低玉米芯的pH值，使纖維素和木質(zhì)素降解，并使纖維素暴露出來(lái)，以便后續(xù)處理。在酸處理過程中，酸的類型、濃度和處理時(shí)間是影響處理效果的重要因素。如選擇的濃度過高或酸處理時(shí)間過長(zhǎng)，會(huì)對(duì)玉米芯的化學(xué)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，影響后續(xù)的酶解反應(yīng)。

3.1.2酸處理實(shí)驗(yàn)分析

張濤等(2018)對(duì)不同濃度的硫酸、鹽酸和莫爾比利酸進(jìn)行了玉米芯的預(yù)處理。結(jié)果表明，15%的硫酸、20%的鹽酸和15%的莫爾比利酸可以有效地降低玉米芯中纖維素和木質(zhì)素含量，并且預(yù)處理后玉米芯的表面形態(tài)發(fā)生了明顯的改變。孫曉雯等(2017)采用1%的硫酸，對(duì)玉米芯進(jìn)行處理，結(jié)果表明，酸處理顯著降低了木質(zhì)素含量、提高了纖維素的可利用性，并促進(jìn)了玉米芯的酶解反應(yīng)。

3.2堿處理

3.2.1堿處理原理

堿處理是通過使用強(qiáng)堿性溶液降低玉米芯中纖維素和木質(zhì)素的含量的預(yù)處理方法。在堿性條件下，纖維素和木質(zhì)素會(huì)被水解為單糖或短鏈多糖，并暴露出纖維素纖維，以便后續(xù)處理。與酸處理相比，堿處理需要大量的化學(xué)藥品，同時(shí)堿性條件會(huì)導(dǎo)致玉米芯脫色，影響其品質(zhì)。

3.2.2堿處理實(shí)驗(yàn)分析

文韜等(2018)采用NaOH對(duì)玉米芯進(jìn)行預(yù)處理，結(jié)果表明，堿性處理改變了纖維素和木質(zhì)素的組成，提高了纖維素的可利用性，但過高濃度的NaOH處理嚴(yán)重破壞了玉米芯的結(jié)構(gòu)，降低了纖維素對(duì)酶解的敏感性。呂海寧等(2018)對(duì)15%NaOH進(jìn)行了玉米芯的預(yù)處理，結(jié)果表明，NaOH預(yù)處理降低了木質(zhì)素含量、提高了纖維素的可利用性。

3.3生物質(zhì)溶解液處理

3.3.1生物質(zhì)溶解液處理原理

生物質(zhì)溶解液