管舒儀，竇 妍,2，蔡曉丹，陳欣玥，張 笑，楊明琰,2

(1長安大學 水利與環(huán)境學院，陜西 西安 710054；2旱區(qū)地下水文與生態(tài)效應(yīng)教育部重點實驗室,陜西 西安 710054)

隨著社會的飛速發(fā)展，化石燃料消耗所帶來的能源短缺和環(huán)境污染問題日益嚴重，以纖維素等可再生資源為原料發(fā)展生物燃料成為解決該問題的重要途徑[1]。我國農(nóng)林廢棄物資源豐富，僅林業(yè)加工剩余物、農(nóng)作物秸稈等農(nóng)林廢棄物年產(chǎn)量就達8億t，但實際利用量僅為2.2億t左右，可利用的潛在資源數(shù)量巨大[2]。農(nóng)林廢棄物是木質(zhì)纖維素類生物質(zhì)的重要來源，主要由纖維素、半纖維素和木質(zhì)素(簡稱“三素”)組成，其中纖維素含量占30%～60%，是自然界含量最豐富的可再生資源，其可以通過酶解糖化及生物發(fā)酵制備生物乙醇、生物丁醇、生物柴油等生物燃料[3]。但是纖維素、半纖維素和木質(zhì)素之間通過酯鍵和醚鍵等共價鍵、氫鍵和范德華力等分子間作用力形成了十分復(fù)雜的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，具有較強的機械強度，可抵抗外界微生物侵蝕以及化學試劑滲透[4],必須經(jīng)過適當?shù)念A(yù)處理，脫除其中的木質(zhì)素和半纖維素，降低纖維素的聚合度，才能改善酶對纖維素的可及性，提高酶解糖化效率。農(nóng)林廢棄物傳統(tǒng)的預(yù)處理方法有酸、堿、有機溶劑法等，但這些方法存在處理溫度較高、能耗較大、化學試劑難以回收、污染嚴重等問題[5]。

酸基助水溶劑對甲苯磺酸(p-toluenesulfonic acid,p-TsOH)是一種類表面活性劑，在水中溶解度較高，具有較強的酸性，因此可以利用其酸性和表面活性選擇性溶解木質(zhì)纖維素中的半纖維素和木質(zhì)素而保留纖維素，使得3種大分子得到分級分離。由于p-TsOH水溶液可在≤80 ℃條件下快速分離木質(zhì)纖維素的3種大分子，使用條件溫和，分離效率高，且其自身可以低溫結(jié)晶回收后循環(huán)使用，在木質(zhì)纖維素的快速分離、纖維素的生物轉(zhuǎn)化[6]、糠醛等戊糖的生產(chǎn)[7]以及木質(zhì)纖維素納米材料的制備[8]等方面顯示出廣闊的應(yīng)用前景。如Chen等[9]研究發(fā)現(xiàn)，p-TsOH水溶液(80 ℃，處理時間小于20 min)，對楊木中木質(zhì)素的脫除率與傳統(tǒng)堿法(150 ℃處理2 h)相當；Yang等[6]于2019年發(fā)現(xiàn)，在80 ℃條件下利用p-TsOH預(yù)處理農(nóng)作物廢棄物20 min，纖維素、半纖維素和木質(zhì)素3種組分得到了高效分離，同時p-TsOH可以循環(huán)使用，且處理效果不減。雖然p-TsOH可以選擇性脫除木質(zhì)纖維素中的木質(zhì)素和半纖維素，但其預(yù)處理后的原料中仍然保留了10%以上的木質(zhì)素和10%以上的半纖維素，對后續(xù)酶解糖化及生物乙醇發(fā)酵仍然存在一定的限制。此外，不同原料中的木質(zhì)素含量及構(gòu)成木質(zhì)素分子的單體類型與數(shù)量均不同，木質(zhì)素的分子量、化學結(jié)構(gòu)有較大的差異，這對預(yù)處理的效果也有很大的影響[10],而預(yù)處理方法的普適性是全面評價其應(yīng)用價值的一個重要因素，因此有必要就其對不同種類原料的預(yù)處理效果進行綜合研究。

小麥秸稈是重要的農(nóng)業(yè)廢棄物，其中含有豐富的纖維素，對其進行資源化利用具有廣闊的應(yīng)用前景。芒草具有生物量和纖維素含量高、多年生、對環(huán)境適應(yīng)性強等特性，被認為是最具潛力的能源植物之一。楊木適應(yīng)性廣，生長速度快，資源豐富，在我國南北方均有廣泛種植。本研究以農(nóng)業(yè)廢棄物小麥秸稈、芒草稈及闊葉木楊木為原料，采用p-TsOH耦合堿性過氧化氫(alkaline hydrogen peroxide,AHP)的方法對其進行預(yù)處理，研究酸堿耦合處理對3種原料化學組成、結(jié)構(gòu)形態(tài)、酶解率以及乙醇產(chǎn)率的影響，以期為農(nóng)林廢棄物生物轉(zhuǎn)化制備可發(fā)酵糖及生物燃料提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

小麥秸稈，取自陜西省西安市；芒草稈，購于湖南省懷化市；楊木，購于山東省。用植物粉碎機將上述木質(zhì)纖維素粉碎，過孔徑0.833 mm篩，放入自封袋中備用。纖維素酶Cellic?CTec2，由Novozymes諾維信中國公司提供，酶活性為147 FPU/mL。乙醇發(fā)酵菌種，為高活性干酵母，由安琪酵母股份有限公司生產(chǎn)；p-TsOH、氫氧化鈉、過氧化氫等均為國產(chǎn)分析純級試劑。

1.2 預(yù)處理方法

p-TsOH處理[6]：取芒草稈、小麥秸稈和楊木各10 g(絕干質(zhì)量),加100 g質(zhì)量分數(shù)為70%的p-TsOH溶液，在恒溫水浴鍋中預(yù)熱至80 ℃，將兩者混合并連續(xù)攪拌反應(yīng)20 min后，加入133 mL的去離子水終止反應(yīng)，真空抽濾，固體殘渣用去離子水洗至中性，測定固體產(chǎn)率及纖維素、半纖維素和木質(zhì)素含量。每個樣品重復(fù)3次，計算標準差。

p-TsOH耦合AHP處理[11]：取5 g(絕干質(zhì)量)經(jīng)p-TsOH處理的樣品，與100 mL、體積分數(shù)2% H2O2溶液以1∶20體積比混合，用5 mol/L NaOH溶液調(diào)節(jié)pH至11.5，置于50 ℃、120 r/min 恒溫振蕩器中振搖12 h，真空抽濾，將固體殘渣用去離子水沖洗至中性，測定固體產(chǎn)率及纖維素、半纖維素和木質(zhì)素含量。每個樣品重復(fù)3次，計算標準差。

1.3 纖維素酶添加量對酶解率的影響

取1 g(絕干質(zhì)量)p-TsOH耦合AHP兩步處理(以下簡稱兩步處理)后的樣品于具塞三角瓶中，加入pH為5.6的50 mmol/L的醋酸-醋酸鈉緩沖溶液，使底物質(zhì)量濃度為20 g/L，分別加入不同體積的纖維素酶，使其最終添加量分別為5，10，15 FPU/g(以纖維素的質(zhì)量計算，下同)，之后置于50 ℃、180 r/min的恒溫振蕩器中酶解，分別在酶解4，8，12，24，48，72 h取樣，用SBA-40E生物傳感分析儀測定葡萄糖質(zhì)量濃度，計算酶解率(substrate enzymatic digestibility，SED)。每個樣品重復(fù)3次，計算標準差。

1.4 不同發(fā)酵工藝對乙醇產(chǎn)率的影響

分步糖化發(fā)酵(separate hydrolysis fermentation,SHF)：取2 g(絕干質(zhì)量)p-TsOH耦合AHP處理后的樣品，加入pH 5.6的50 mmol/L的醋酸-醋酸鈉緩沖溶液，使底物質(zhì)量濃度為130 g/L，再加入10 FPU/g纖維素酶，置于50 ℃、180 r/min的恒溫振蕩器中酶解72 h，離心去除沉淀，將上清液在121 ℃滅菌30 min后，接種干酵母，接種量為底物質(zhì)量的6%，于32 ℃、170 r/min條件下振蕩發(fā)酵，分別在發(fā)酵4，8，12，24，48，72，96 h取樣，測定發(fā)酵液中乙醇和葡萄糖的質(zhì)量濃度，計算乙醇的產(chǎn)率。每個樣品重復(fù)3次，計算標準差。

同步糖化發(fā)酵(simultaneous saccharification and fermentation，SSF)：稱取2 g(絕干質(zhì)量)p-TsOH耦合AHP處理后的樣品，121 ℃滅菌30 min后，加入pH 5.6的50 mmol/L 的醋酸-醋酸鈉緩沖溶液，使底物質(zhì)量濃度為130 g/L，再加入10 FPU/g 纖維素酶，接種底物質(zhì)量6%的干酵母，于32 ℃、170 r/min條件下振蕩發(fā)酵，分別于發(fā)酵4，8，12，24，48，72，96 h取樣，測定發(fā)酵液中乙醇和葡萄糖的質(zhì)量濃度，計算乙醇產(chǎn)率。每個樣品重復(fù)3次，計算標準差。

1.5 測定指標及方法

1.5.1 固體產(chǎn)率及三素含量 測定處理后樣品的絕干質(zhì)量。計算固體產(chǎn)率公式為：

S=W1/W2×100%。

式中：S為固體產(chǎn)率，%；W1為處理后樣品的絕干質(zhì)量，g；W2為木質(zhì)纖維素原料的絕干質(zhì)量，g。

小麥秸稈、芒草稈、楊木原料及預(yù)處理樣品木質(zhì)纖維素中纖維素、半纖維素和木質(zhì)素含量分析采用美國能源部可再生能源實驗室(NREL)的方法[12]進行測定。計算半纖維素、木質(zhì)素的脫除率及纖維素保留率：

式中：X為半纖維素的脫除率，%；S為固體產(chǎn)率，%；A1、A0分別為處理后樣品、木質(zhì)纖維素原料的半纖維素含量，%；Y為木質(zhì)素的脫除率，%；B1、B0分別為處理后樣品、木質(zhì)纖維素原料的木質(zhì)素含量，%；Z為纖維素的保留率，C1、C0分別為處理后樣品、木質(zhì)纖維素原料的纖維素含量，%。

1.5.2 樣品的表征 (1)微觀形貌的掃描電鏡(SEM)分析。樣品的微觀形貌采用掃描電鏡(Hitachi S-4800，日本)進行觀察。

(2)吸收特性的傅里葉變換紅外光譜(FT-IR)分析。樣品的紅外光譜分析采用德國布魯克的TENSOR Ⅱ傅里葉紅外光譜儀，測試波長為500～2 000 cm-1，分辨率為4 cm-1。

(3)晶體結(jié)構(gòu)的X-射線衍射分析(XRD)。使用X-射線衍射儀(D8 ADVANCE，布魯克，德國)測定樣品的衍射峰強度，計算結(jié)晶度[13]，具體計算公式如下：

CrI=(I002-Iam)/I002×100%。

式中：CrI為結(jié)晶度，I002為結(jié)晶區(qū)域2θ角接近22.5°的衍射峰強度，Iam為非結(jié)晶區(qū)域2θ角接近18°的衍射峰強度。

(4)保水值。采用離心法測定纖維的保水值(water retention value,WRV)[14]。取不同預(yù)處理后的木質(zhì)纖維素，用孔徑0.037 mm尼龍網(wǎng)布包裹，于4 000 r/min離心20 min，對離心后樣品稱質(zhì)量，記為W1，然后將其于105 ℃條件下干燥至質(zhì)量恒定，并稱質(zhì)量，記為W2。計算WRV：

WRV=(W1-W2)/W2×100%。

式中：W1為離心后濕樣品的質(zhì)量，g；W2為干燥后樣品的質(zhì)量，g。

1.5.3 酶解率 酶解液中葡萄糖質(zhì)量濃度參考文獻[15]的方法測定。計算酶解率(SED)：

式中：Cglu是酶解液中葡萄糖的質(zhì)量濃度，g/L；V是酶解液的體積，L；0.9是葡萄糖和纖維素之間的轉(zhuǎn)換系數(shù)；M是樣品的絕干質(zhì)量，g；Ccel是樣品的纖維素含量，%。

1.5.4 乙醇產(chǎn)率 發(fā)酵液中葡萄糖質(zhì)量濃度參考文獻[15]的方法測定，乙醇質(zhì)量濃度參考文獻[16]的方法測定。計算乙醇產(chǎn)率(y)：

2 結(jié)果與分析

2.1 不同預(yù)處理方法對木質(zhì)纖維素固體產(chǎn)率及化學組分含量的影響

經(jīng)過p-TsOH處理、p-TsOH耦合AHP兩步處理的芒草稈、小麥秸稈和楊木的固體產(chǎn)率及化學組分含量如圖1所示。由圖1可知，經(jīng)過p-TsOH處理，芒草稈、小麥秸稈和楊木原料的固體產(chǎn)率分別為49%，48%和56%，損失部分為脫除的木質(zhì)素和半纖維素，3種原料中楊木的固體產(chǎn)率較高，說明p-TsOH對其處理效率相對較低。經(jīng)p-TsOH耦合AHP兩步處理后，芒草稈、小麥秸稈和楊木的固體產(chǎn)率分別降為39%，36%和46%，說明兩步預(yù)處理進一步脫除了3種原料中的木質(zhì)素和半纖維素。經(jīng)過p-TsOH處理，芒草稈中半纖維素和木質(zhì)素含量分別從原料的29.05%和25.03%降為14.83%和15.00%，纖維素含量從原料的34.10%提高至64.96%；小麥秸稈半纖維素和木質(zhì)素含量分別從原料的24.96%和23.04%降為13.33%和11.22%，纖維素含量從原料的34.10%提高至69.02%；楊木半纖維素和木質(zhì)素含量分別從原料的16.60%和25.91%降為7.22%和18.57%，纖維素含量從原料的39.32%提高至68.15%。結(jié)果表明，經(jīng)過p-TsOH預(yù)處理后，3種原料的纖維素得到了明顯的富集，但樣品中木質(zhì)素和半纖維素含量總體高于10%(楊木半纖維素含量低于10%)，這對進一步的酶解糖化和乙醇發(fā)酵會產(chǎn)生不利的影響。將p-TsOH處理得到的固體殘渣進一步用AHP處理后，芒草稈、小麥秸稈和楊木樣品中纖維素、半纖維素、木質(zhì)素含量分別為76.56%、12.97%、1.91%，81.78%、11.14%、2.20%和77.43%、6.79%、3.26%。計算可知，經(jīng)p-TsOH耦合AHP兩步處理后，芒草稈、小麥秸稈和楊木的纖維素保留率分別為87.97%，87.85%和90.53%，半纖維素脫除率分別為82.50%，84.21%和81.19%，木質(zhì)素脫除率分別為97.01%，96.50%和94.01%?？芍獌刹筋A(yù)處理后3種原料中的木質(zhì)素脫除率均達到94%以上，半纖維素脫除率均達到80%以上，而纖維素的損失均低于15%，說明兩步預(yù)處理可以選擇性地脫除半纖維素和木質(zhì)素，最大程度地保留纖維素。

2.2 不同預(yù)處理方法對木質(zhì)纖維素結(jié)構(gòu)形態(tài)的影響

2.2.1 掃描電鏡(SEM)結(jié)果 從圖2可以看出，未進行預(yù)處理的原料樣品表面光滑，纖維排列緊密整齊。經(jīng)過p-TsOH處理后的木質(zhì)纖維素，原本致密的結(jié)構(gòu)遭到了破壞，表面粗糙，孔隙增多；進一步經(jīng)過AHP處理后木質(zhì)纖維素結(jié)構(gòu)破壞更為嚴重，結(jié)構(gòu)變得疏松不規(guī)則，比表面積增大。這主要是因為大部分半纖維素和木質(zhì)素被脫除后，木質(zhì)纖維素結(jié)構(gòu)變得松散，孔隙增大，纖維素對酶的可及性增加，對之后的酶解有積極的作用。

2.2.2 FT-IR分析結(jié)果 897，1 050和1 160 cm-1處的吸收峰分別為纖維素β-糖苷鍵的不對稱伸縮振動、纖維素和部分半纖維素內(nèi)C-O鍵的伸縮和纖維素C-O-C的不對稱伸縮振動的吸收峰[17]。由圖3可知，經(jīng)過兩步處理后，3種原料樣品在897，1 050，1 160 cm-1處的吸收峰強度均明顯增強，說明樣品中纖維素得到了富集。1 510和1 600 cm-1處的吸收峰均與木質(zhì)素苯環(huán)的芳香骨架振動有關(guān)，1 250 cm-1處的峰由木質(zhì)素酚醚鍵C-O-C伸縮振動所致。經(jīng)p-TsOH處理后，樣品在1 250，1 510和1 600 cm-1處的吸收峰強度減弱，表明p-TsOH處理脫除了一部分木質(zhì)素；之后進一步經(jīng)過AHP處理，這3處的吸收峰強度變得更弱甚至消失，表明大量的木質(zhì)素已被除去。1 736 cm-1處的峰為半纖維素與木質(zhì)素之間酯鍵的吸收峰[18]。經(jīng)過不同預(yù)處理，3種原料在1 736 cm-1處的吸收峰幾乎消失，說明原料中的半纖維素與木質(zhì)素得到了較好的脫除。

2.2.3 X-射線衍射分析結(jié)果 由圖4-A可知，所有樣品在2θ角為16°和22°附近均有明顯的衍射峰，這是纖維素Ⅰ的典型結(jié)構(gòu)特征[19]，說明預(yù)處理過程沒有破壞纖維素固有的晶體結(jié)構(gòu)。從圖4-B可以看出，經(jīng)p-TsOH預(yù)處理后，3種樣品的結(jié)晶度均比原料高，這是因為p-TsOH預(yù)處理可以脫除原料中無定形態(tài)的木質(zhì)素和半纖維素，以及纖維素的無定形區(qū)域，使得樣品中無定形區(qū)破壞而結(jié)晶區(qū)保留，導(dǎo)致樣品結(jié)晶度增高；之后再經(jīng)過AHP處理，進一步脫除了樣品中殘留的木質(zhì)素和半纖維素，樣品的結(jié)晶度進一步增大。

2.2.4 不同預(yù)處理方法對木質(zhì)纖維素保水值的影響 保水值是表征纖維水化潤脹程度的指標，與纖維的表面積和總孔隙率有關(guān)[20]。從圖5可以看出，3種原料經(jīng)過不同方法預(yù)處理后保水值均明顯增大。這是因為原料中的木質(zhì)素和半纖維素得到了脫除，使得纖維素的孔隙率與比表面積增大，導(dǎo)致樣品保水值增大。

此外，兩步處理后3種材料的保水值高于p-TsOH處理樣品，這主要是由于p-TsOH處理后樣品中還含有10%以上的木質(zhì)素，阻礙了纖維素分子中游離羥基與水分子的結(jié)合，從而降低了纖維的潤脹程度；而兩步處理進一步脫除了樣品中的木質(zhì)素和半纖維素，使得樣品保水值進一步增加。3種原料中，楊木原料的兩步處理與p-TsOH處理的保水值差異比其他2種材料大，其原因主要是因為p-TsOH處理后，楊木材料中的木質(zhì)素含量仍然較高，因而其保水值低于另外2種材料；而兩步處理后，由于楊木中木質(zhì)素的大量脫除和纖維素的富集，其保水值明顯提高，致使p-TsOH處理與兩步處理樣品的保水值差異較大。

2.3 纖維素酶添加量對兩步處理木質(zhì)纖維素酶解率的影響

預(yù)處理的目的是脫除木質(zhì)纖維素類生物質(zhì)中的木質(zhì)素和半纖維素，降低纖維素的聚合度，提高原料的孔隙率及纖維素對酶的可及性，從而能夠用較低的酶量達到較高的酶解率。以兩步預(yù)處理的芒草稈、小麥秸稈和楊木為纖維素原料，研究纖維素酶添加量對酶解率的影響，結(jié)果如圖6所示。圖6顯示，隨著纖維素酶添加量的增加和酶解時間的延長，3種材料的酶解率均表現(xiàn)出相似的規(guī)律，即酶解前期酶解率迅速增大，之后趨于平穩(wěn)。3種材料相比，楊木的酶解率相對較低，當纖維素酶添加量為5 FPU/g、酶解72 h時，芒草稈和小麥秸稈的酶解率均超過90%，而楊木的酶解率為78%。當纖維素酶添加量為15 FPU/g、酶解12 h時，芒草稈、小麥秸稈的酶解率均達到100%，而楊木的酶解率為73%。由2.1節(jié)內(nèi)容可知，兩步處理楊木的木質(zhì)素含量比小麥秸稈和芒草稈高，而木質(zhì)素會對纖維素的酶解產(chǎn)生不利的影響，因而造成楊木的酶解效率低于其他2種材料，這與文獻[21]的結(jié)果一致。當纖維素酶添加量為10 FPU/g、酶解24 h時，芒草稈、小麥秸稈和楊木的酶解率均達到95%以上。考慮到纖維素酶的成本，故選擇纖維素酶添加量為10 FPU/g、處理24 h作為最佳酶解條件。

2.4 不同發(fā)酵工藝對乙醇產(chǎn)率的影響

不同發(fā)酵工藝對發(fā)酵液中的葡萄糖和乙醇質(zhì)量濃度及乙醇產(chǎn)率的影響如圖7所示。

圖7顯示，2種發(fā)酵工藝條件下，發(fā)酵初期乙醇質(zhì)量濃度及產(chǎn)率均隨著發(fā)酵時間的延長迅速增加，之后趨于穩(wěn)定。SHF工藝中，發(fā)酵初期葡萄糖質(zhì)量濃度隨著發(fā)酵時間的延長迅速降低，之后趨于穩(wěn)定；SSF工藝中，葡萄糖質(zhì)量濃度隨著發(fā)酵時間的延長始終維持在較低的水平。SHF工藝中，因為酶解和發(fā)酵分開進行，故發(fā)酵前12 h，葡萄糖被迅速消耗，其質(zhì)量濃度迅速降低，乙醇質(zhì)量濃度迅速上升，此時3種原料乙醇質(zhì)量濃度及產(chǎn)率均高于SSF發(fā)酵工藝；至24 h時，芒草稈、小麥秸稈和楊木3種原料葡萄糖質(zhì)量濃度已分別降至0.56，0.52和0.41 g/L，乙醇質(zhì)量濃度分別上升至55，57和45 g/L，說明SHF發(fā)酵在24 h時，葡萄糖已基本耗盡，因而此后乙醇質(zhì)量濃度和產(chǎn)率基本保持不變。SSF工藝中，因為酶解和發(fā)酵同時進行，酶解產(chǎn)生的葡萄糖立即被酵母利用，因此在整個發(fā)酵過程中，葡萄糖質(zhì)量濃度始終維持在較低的水平；發(fā)酵0～48 h，乙醇質(zhì)量濃度和產(chǎn)率一直在升高，48 h之后趨于穩(wěn)定，且乙醇質(zhì)量濃度及產(chǎn)率均超過了SHF工藝。發(fā)酵96 h時，芒草稈、小麥秸稈和楊木SSF發(fā)酵的乙醇質(zhì)量濃度分別為59.5，61.5和51.5 g/L，乙醇產(chǎn)率分別為92.63%，90.07%和88.00%；其SHF發(fā)酵的乙醇質(zhì)量濃度分別為55.5，57.5和45.7 g/L，乙醇產(chǎn)率分別為86.40%，84.21%和78.09%。由此可知，SSF的發(fā)酵效果明顯優(yōu)于SHF。

3 討 論

木質(zhì)纖維素由于具有復(fù)雜致密的結(jié)構(gòu)，故具有很強的頑抗性，木質(zhì)纖維原料未經(jīng)預(yù)處理時其纖維素酶酶解率通常低于20%，且降解速度非常緩慢，沒有應(yīng)用價值[22]，因此必須通過預(yù)處理提高其酶解率。傳統(tǒng)的酸、堿預(yù)處理方法主要通過增加預(yù)處理強度來提高處理效率，如提高酸、堿濃度、溫度、壓力及處理時間，但這些方式均會增加能耗和經(jīng)濟成本，同時造成木質(zhì)纖維素各有效組分的損失，使其工業(yè)化生產(chǎn)受限[23]。近年來，物理、化學及生物方法聯(lián)合的預(yù)處理方法因協(xié)同效應(yīng)明顯，且具有處理強度低、效率高的優(yōu)點，引起了廣泛的關(guān)注。Gao等[24]采用蒸汽爆破和優(yōu)化的綠液預(yù)處理1年生竹子，可以有效降低木質(zhì)纖維素的頑抗性，使纖維素完全糖化；Lee等[25]采用超聲結(jié)合低共熔溶劑的方法預(yù)處理油棕櫚空果束以強化纖維素的酶解糖化，結(jié)果使還原糖產(chǎn)率明顯提高，說明超聲波與低共熔溶劑具有協(xié)同效應(yīng)。此外，近年來更多的研究聚焦在木質(zhì)纖維素全組分的資源化利用方面，因此在預(yù)處理方法中，除了要考慮纖維素和半纖維素的降解效率外，木質(zhì)素的易回收性及結(jié)構(gòu)完整性也是評價預(yù)處理方法一個關(guān)鍵因素[26]?；谝陨蠋c，理想的預(yù)處理策略應(yīng)具有能耗低、處理方式綠色無污染、各組分易回收且結(jié)構(gòu)完整、穩(wěn)定等特點。

助水溶劑(hydrotrope，HP)是指一些短鏈烷基取代的苯甲酸或苯磺酸鹽等小分子兩親化合物，其結(jié)構(gòu)類似于表面活性劑，但疏水性較小，具有較好的水溶性。當溶液中的HP濃度超過其臨界締合濃度時，即可以通過分子間非共價鍵的形式發(fā)生自我締合，形成類似膠束的聚集體，疏水有機物可以通過包裹在這類聚集體內(nèi)而溶解在水溶液中，從而增加有機物的水溶性；當HP濃度低于最低助溶濃度(minimal hydrotrope concentration，MHC)時，聚集體解聚釋放不溶物，從而使不溶物易于回收。p-TsOH除了具有助水溶劑的特性，可以在水溶液中選擇性溶解木質(zhì)素外，由于其具有較強的酸性，還可以選擇性溶解半纖維素，在木質(zhì)纖維素預(yù)處理中可以利用其酸性和助水溶性快速、高效、選擇性地溶解木質(zhì)纖維素中的半纖維素和木質(zhì)素而保留纖維素，并通過稀釋助水溶劑使其濃度 ≤ MHC以回收結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的木質(zhì)素，因而p-TsOH處理是一種極具前景的木質(zhì)纖維素生物精煉方法[9,27]。研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過p-TsOH處理的木質(zhì)纖維素中仍保留有10%以上的木質(zhì)素和一定量的半纖維素，二者仍是纖維素利用的物理障礙[21]，其會對纖維素酶造成無效吸附，降低纖維素對酶的可及性及酶解效率，從而增加纖維素酶的用量，提高生產(chǎn)成本。Ji等[28]采用p-TsOH結(jié)合物理超聲的方法處理楊木，以促進木質(zhì)素的提取，提高纖維素的酶解效率及乙醇的產(chǎn)率，最終得到的乙醇質(zhì)量濃度為40.08 g/L，產(chǎn)率為81.87%。

AHP處理是一種常用的木質(zhì)纖維素預(yù)處理方法，氫氧根離子能催化木質(zhì)素-半纖維素之間酯鍵的皂化反應(yīng)，促進木質(zhì)素及半纖維素的溶解；此外，過氧化氫作為氧化劑可以降解木質(zhì)素和半纖維素，提高纖維素對酶的可及性。AHP預(yù)處理條件溫和，所需堿量較少，常用來處理木質(zhì)纖維素原料，以脫除木質(zhì)素及半纖維素，從而獲得富含纖維素的原料。但單一AHP處理效率較低且時間長，通常需要24 h以上才能達到較好的效果。苗林平等[29]采用AHP處理小麥秸稈，于30 ℃處理24 h后，木質(zhì)素脫除率為48.66%，半纖維素脫除率為41.81%，纖維素保留率為89.52%。近年來，很多研究將AHP處理與其他方法相結(jié)合，以縮短處理時間，提高處理效率。如徐忠等[30]采用超聲波輔助AHP處理玉米皮，在優(yōu)化條件下，使半纖維素和木質(zhì)素得到了有效去除，纖維素含量增加至83.34%；Zhang等[31]采用球磨機輔助AHP處理，從玉米秸稈中生產(chǎn)功能性低聚木糖和可發(fā)酵糖，在優(yōu)化條件下，木質(zhì)素脫除率為84.29%，葡萄糖產(chǎn)率達到68.94%。

本研究選用p-TsOH耦合AHP兩步處理，在溫和條件下分步脫除芒草稈、小麥秸稈和楊木3種原料中的木質(zhì)素和半纖維素，得到富含纖維素的原料，其半纖維素脫除率分別為82.50%，84.21%和81.19%，木質(zhì)素的脫除率分別為97.01%，96.50%和94.01%，纖維素保留率分別為87.97%，87.85%和90.53%，達到了預(yù)期目的。Fu等[32]采用AHP處理芒草，于30 ℃處理24 h后，木質(zhì)素和半纖維素的脫除率分別為70.7%和17%，纖維素保留率為99.8%；Yuan等[33]將小麥秸稈先采用體積分數(shù)50%乙醇于160 ℃處理50 min后，再用質(zhì)量分數(shù)11%碳酸鈉于75 ℃處理50 min，木質(zhì)素和半纖維素的脫除率分別為69.3%和74.8%，纖維素保留率為87.3%；周敏姑等[3]采用體積分數(shù)1%硫酸協(xié)同氯化膽堿/乳酸低共熔溶劑預(yù)處理楊木1 h，木質(zhì)素和半纖維素的脫除率分別為55.3%和90.7%，纖維素保留率為64.6%。與以上研究相比，本研究采用的p-TsOH耦合AHP兩步處理可以高效脫除木質(zhì)纖維素中的半纖維素和木質(zhì)素而保留纖維素，且處理條件溫和，對不同的原料普適性較好，是一種十分有前景的生物質(zhì)精煉方法。

p-TsOH耦合AHP兩步處理對芒草稈、小麥秸稈和楊木3種原料的微觀形態(tài)、結(jié)構(gòu)、結(jié)晶度及保水值也產(chǎn)生了一定的影響。這主要是因為兩步法處理后原料中木質(zhì)素和半纖維素被大量脫除，其致密完整的結(jié)構(gòu)遭到破壞，變得疏松，孔隙度增加，這種變化有利于后續(xù)的酶解糖化作用的進行。兩步處理方法沒有改變3種原料纖維素的晶型，但由于無定形成分的大量脫除，使纖維素的結(jié)晶度和保水值得到了提高。預(yù)處理后材料的結(jié)構(gòu)表征結(jié)果與成分分析結(jié)果一致。

4 結(jié) 論

1)采用p-TsOH耦合AHP兩步處理，在水溶液的溫和處理條件下，芒草稈、小麥秸稈和楊木木質(zhì)纖維素中的木質(zhì)素和半纖維素的脫除率分別為97.01%和82.50%，96.50%和84.21%，94.01%和81.19%，纖維素的保留率分別為87.97%，87.85%和90.53%，說明該方法可以選擇性脫除原料中的木質(zhì)素和半纖維素，得到富含纖維素的原料，且該方法對不同原料的適用性較好，具有較高的應(yīng)用價值。

2)當纖維素酶添加量為10 FPU/g、底物質(zhì)量濃度為130 g/L時，p-TsOH耦合AHP兩步處理芒草稈、小麥秸稈和楊木原料采用同步糖化發(fā)酵工藝時乙醇質(zhì)量濃度分別為59.5，61.5和51.5 g/L，乙醇產(chǎn)率分別為92.63%，90.07%和88.00%。