【文章內容簡介】 NaOH對預處理效果的影響實驗數據NaOH質量分數NaOH質量，gNa2S質量，g稻稈粉末質量，g蒸餾水質量，g吸光度E%%1%2%注 吸光度E為稀釋20倍后在390nm波長下測得 Na2S質量分數對預處理效果的影響在水稻秸稈粉末與NaOH水溶液固液比為1:30，%，微波加熱功率為中火、作用時間為5min的試驗條件下，考察不同質量分數的Na2S作為催化劑對水稻秸稈預處理效果的影響。具體實驗數據參見表34。表34 不同質量分數Na2S對預處理效果的影響實驗數據Na2S質量分數NaOH質量，gNa2S質量，g稻稈粉末質量，g蒸餾水質量，g吸光度E%%%%注 吸光度E為稀釋20倍后在390nm波長下測得 微波作用時間對預處理效果的影響在水稻秸稈粉末與NaOH水溶液的固液比為1:30，%，%，微波加熱功率為中火的試驗條件下，考察不同微波作用時間對水稻秸稈預處理效果的影響。具體實驗數據參見表35。表35 微波作用時間對預處理效果的影響實驗數據微波作用時間，minNaOH質量，gNa2S質量，g稻稈粉末質量，g蒸餾水質量，g吸光度E3579注 吸光度E為稀釋20倍后在390nm波長下測得 微波加熱功率對預處理效果的影響在水稻秸稈粉末與NaOH水溶液的固液比為1:30，%，%，微波作用時間為5min的試驗條件下，考察不同微波加熱功率對水稻秸稈預處理效果的影響。具體實驗數據參見表36。表36 微波加熱功率對預處理效果的影響實驗數據微波加熱功率NaOH質量，gNa2S質量，g稻稈粉末質量，g蒸餾水質量，g吸光度E低 火中低火中 火中高火高 火注 吸光度E為稀釋20倍后在390nm波長下測得 酶解及還原糖濃度的測定1. 分別將未經任何處理、%NaOH微波中火加熱5min、%%Na2S微波中火加熱5min后的水稻秸稈粉末放入烘箱中，在50℃下烘干至恒重。取烘干后的粉末1g，按固液比1:20加入去離子水（其中3ml纖維素酶按液體計算），放入錐形瓶中，在溫度為50℃、恒溫水浴時間為12h的條件下進行酶解。2. 分別取酶解液各5ml，加入去離子水定容至10mL，取中和后的樣品1mL，加去離子水9mL，使稀釋10倍，制成試樣備用。，混合均勻，沸水浴加熱5min，取出，用水冷卻，每管加入4mL蒸餾水稀釋，置分光光度計上540nm處測定吸光度，以試劑為空白樣。計算還原糖濃度，比較預處理效果。 表征方法 采用分光光度計測不同條件處理后稻稈濾液吸光度將經過預處理的水稻秸稈粉末真空抽濾，取1ml濾液加去離子水稀釋20倍后置分光光度計上390nm處測定吸光度，對比木質素的脫除效果。 采用SEM觀察不同條件處理前后稻稈表面形貌的變化將未經任何處理、%NaOH微波中火加熱5min、%%Na2S微波中火加熱5min后的水稻秸稈粉末，微量分散地裝載在載玻片上，使用小型粒子濺射儀對水稻秸稈粉末進行噴金，然后再使用掃描電鏡一一對其進行觀察，并得到電鏡掃描圖。 本章小結本章簡述了實驗所用的原料、藥品和儀器設備，并分別介紹了具體的實驗內容、產物的表征和測定方法。第4章 實驗結果與分析 不同預處理條件的處理效果分析 NaOH質量分數對預處理效果的影響在水稻秸稈粉末與NaOH水溶液固液比為1:30，%，微波加熱功率為中火、作用時間為5min的試驗條件下，考察不同質量分數的NaOH對預處理效果的影響，以吸光度E對其進行表征。實驗結果參見表41及圖41。表41 不同質量分數的NaOH預處理后稻稈濾液吸光度NaOH質量分數%%1%2%吸光度E注 吸光度E為稀釋20倍后在390nm波長下測得圖41 稻稈濾液吸光度E與預處理的NaOH質量分數關系示意圖由圖41可知，稻稈濾液吸光度E的值隨著NaOH質量分數的增加而迅速上升，%時達到最大，隨后又緩慢下降，%時，預處理效果較好。出現這種現象的原因，有以下幾點：第一，堿預處理的機理是OH—能夠削弱纖維素和半纖維素之間的氫鍵及皂化半纖維素和木質素分子之間的酯鍵。第二，NaOH預處理引起纖維素原料潤脹，結果導致內部表面積增加，聚合度降低，結晶度下降，木質素和碳水化合物之間化學鍵斷裂，木質素結構受到破壞，使得木質素易溶解脫去。第三，NaOH質量分數增大，OH—數量也隨之增大，也就更易于進入纖維素的晶區(qū)和非晶區(qū)進行溶脹以及溶解稻稈中的木質素，但溶液中OH—數量增大到一定程度后，由于進入同一晶區(qū)和非晶區(qū)的OH—的幾率增大，同時溶液中可能含帶有各種電荷的離子，根據同種電荷相斥、異種電荷相吸理論，離子間會產生相互作用，可能使OH—遠離稻稈表面，因此預處理效果下降。 Na2S質量分數對預處理效果的影響在水稻秸稈粉末與NaOH水溶液固液比為1:30，%，微波加熱功率為中火、作用時間為5min的試驗條件下，考察不同質量分數的Na2S作為催化劑對預處理效果的影響，以吸光度E對其進行表征。實驗結果參見表42及圖42。表42 不同質量分數的Na2S預處理后稻稈濾液吸光度Na2S質量分數%%%%吸光度E注 吸光度E為稀釋20倍后在390nm波長下測得圖42 稻稈濾液吸光度E與預處理的Na2S質量分數關系示意圖從圖42可以看出，當以Na2S為催化劑時，稻稈濾液吸光度E的值隨Na2S質量分數的變化趨勢同樣是先升高后降低，且降低趨勢比升高的要快。%時。出現這種現象的原因，可能是：第一，Na2S的存在可有效地促進木質素結構單元的主要連接鍵型βO4醚鍵的斷裂，使得木質素脫除效果比未加Na2S時好。第二，稻稈木質纖維素的水解主要是纖維素去除表層木質素和纖維素的水解，而Na2S在微波加熱下放出H2S氣體，進而可能形成H2S流體，能夠催化纖維素水解，導致其結構出現明顯的斷裂。第三，隨著Na2S質量分數的增加，體系中H2S氣體含量也增加，H2S流體對纖維素水解的催化作用受到抑制，從而影響了木質素的脫除，使得預處理效果下降。 微波作用時間對預處理效果的影響在水稻秸稈粉末與NaOH水溶液的固液比為1:30，%，%，微波加熱功率為中火的試驗條件下，考察不同微波作用時間對預處理效果的影響，以吸光度E對其進行表征。實驗結果參見表43及圖43。表43 不同微波作用時間預處理后稻稈濾液吸光度微波作用時間，min3579吸光度E注 吸光度E為稀釋20倍后在390nm波長下測得圖43 稻稈濾液吸光度E與預處理的微波作用時間關系示意圖由圖43可知，濾液吸光度E的值隨著微波加熱時間的增大同樣呈先上升后下降的趨勢，并在5min時達到最大，說明在此時間長度下預處理效果較好。產生上述現象的原因，可能是在微波交頻電磁場的作用下，分子間的碰撞加劇使得纖維素氫鍵被打斷，但是隨著反應時間的延長，由于微波的作用，使分子內部產生大量的熱能，氫鍵在微波輻射產生的熱之后可能再一次發(fā)生締結，反而使預處理效果下降。 微波加熱功率對預處理效果的影響在水稻秸稈粉末與NaOH水溶液的固液比為1:30，%，%，微波作用時間為5min的試驗條件下，考察不同微波加熱功率對預處理效果的影響，以吸光度E對其進行表征。實驗結果參見表44及圖44。表44 不同微波加熱功率預處理后稻稈濾液吸光度微波加熱功率低火中低火中火中高火高火吸光度E注 吸光度E為稀釋20倍后在390nm波長下測得圖44 稻稈濾液吸光度E與預處理的微波加熱功率關系示意圖由圖44可知，稻稈濾液吸光度E的值隨著微波功率的增大而呈先上升后下降趨勢，并在中火時達到最大，說明在此功率下預處理效果較好。產生上述現象的原因，可能是：一方面，在非晶區(qū)，由于水與纖維素分子間形成氫鍵，隨微波功率的增加，水分子及非晶區(qū)纖維素分子鏈段受熱后運動速率加快，運動區(qū)域增大，造成纖維素分子間氫鍵解締的數目增多，纖維素分子間氫鍵數目減少；同時，也可能是微波強度在中火時，OH—、Na+無規(guī)運動加劇，進入晶區(qū)和非晶區(qū)溶脹的幾率上升，因此預處理效果較好。另一方面，可能是微波功率較低時，對木質素的降解作用也較弱，所以水解所需時間較長,在實驗時間范圍內，木質素脫除效果也低一些，而微波功率過高時，則使分子內部產生大量的熱能，容易使纖維素分子間氫鍵再次締結，導致預處理效果下降。 掃描電鏡（SEM）觀測表面微觀形貌本實驗采用掃描電鏡對預處理前后水稻秸稈的微觀形貌特征進行了觀測，發(fā)現預處理前后其微觀形貌有很大變化。圖4447分別為未經任何處理、%NaOH微波中火加熱5min、%%Na2S微波中火加熱5min后的水稻秸稈的掃描電鏡圖。圖45 未經任何處理的水稻秸稈圖46 %NaOH微波中火加熱5min后的水稻秸稈圖47 %%Na2S微波中火加熱5min后的水稻秸稈從以上各圖中可以看出：圖45中未經任何處理的水稻秸稈,表面結構比較緊密、有序，質地也比較堅硬。由于長鏈的纖維素在機械作用下，使得稻稈粉末呈顆粒、粉末狀或短稈狀，部分有微孔和裂痕。圖46可以看出，%NaOH微波中火加熱5min處理的水稻秸稈表面微觀形貌與圖45中未經任何處理的相比，外觀上仍然使纖維素保持了原來的結晶形態(tài)，但有顆粒狀的微孔結構。這可能是由于NaOH將纖維素轉變成一種可溶性衍生物，而大部分NaOH被物理吸附在溶脹的聚合物內，使纖維素得到潤脹，表面變得疏松、柔軟，導致表面出現微孔結構。%%Na2S微波中火加熱5min處理，預處理后出現局部表面被深度侵蝕的現象，纖維表面比較粗糙，原有表面粘附雜質、半纖維素和木質素已除去較大部分。纖維素出現裂痕，可能是纖維素在堿溶液中溶脹，然后在干燥時收縮所致，而出現的層狀結構使纖維素比表面積增加，提高了稻稈纖維與纖維素酶的可及度，有利于纖維素酶的作用。 酶解及還原糖濃度本實驗對未經任何處理、%NaOH微波中火加熱5min、%%Na2S微波中火加熱5min后的水稻秸稈進行了酶解實驗，發(fā)現經過不同預處理條件處理前后，其還原糖濃度有很大變化。具體實驗結果參見表45。表45 不同預處理條件處理前后稻稈酶解液吸光度E及還原糖濃度ρ原料未經任何處理的水稻秸稈%NaOH微波中火加熱5min后的水稻秸稈%%Na2S微波中火加熱5min后的水稻秸稈吸光度E還原糖濃度ρ，g/L注 吸光度E為稀釋200倍后在540nm波長下測得從上表可以看出，%NaOH微波中火加熱5min后的水稻秸稈，其還原糖濃度比未經任何處理的要高很多，%%Na2S微波中火加熱5min后的要低。這說明，NaOH和Na2S的加入有利于木質素的脫除，使纖維素酶解更徹底。上述現象的原因，可能是：第一，微波處理稻稈粗纖維可有效地破壞稻稈纖維的結構，能使纖維束表面凹陷，纖維束斷裂，纖維素晶體結構破損，同時可增加纖維素的表面積，提高了稻稈纖維與纖維素酶的可及度，從而提高纖維素的酶解效率，使得經過微波預處理的水稻秸稈還原糖濃度遠遠大于未經過任何處理的。第二，NaOH的加入有利于快速水解木質素與木聚糖等組分之間相連結的酯鍵，從而使水稻秸稈半纖維素和木質素大部分被脫除，這將有助于纖維素酶滲透入纖維細胞，有利于纖維素酶解產糖，而在NaOH溶液中加入Na2S以后，Na2S不光起到了催化脫除木質素的作用，還可能與NaOH產生協(xié)同作用，更有利于木質素的脫除，使纖維素酶解更徹底。第三，NaOH可以將纖維素轉變成一種可溶性衍生物，而大部分NaOH被物理吸附在溶脹的聚合物內，使原料中的纖維素得到潤脹，導致纖維素結晶指數降低，結晶區(qū)受到破壞，物料更易于酶解。同時，NaOH還可以以纖維素衍生物的形式存在，有利于葡萄糖、果糖之間的異構化反應，并抑制反應中羥基的脫出，使得還原糖產量提高。第四，添加金屬離子可以提高可發(fā)酵還原糖的產率，因為金屬離子不僅可以加快水解速度，而且能減少水解副產物的生成，導致反應的活化能降低，還原糖的產量有所增加。第五，由于無機金屬鹽在生物質的水解過程中的催化作用，不僅加快半纖維素和纖維素水解生成木糖和葡萄糖，而且還對還原糖降解反應有催化作用，所以加入Na2S后還原糖的濃度比只加NaOH時大。也可能是因為Na2S是強堿弱酸鹽，既可以降低水解反應的活化能，又能夠提供一個較溫和的反應環(huán)境，所以能在一定程度上降低單糖的降解程度，不會造成糖類的大量損失，使還原糖產量得到提高。 本章小結本章對不同預處理條件的處理效果進行了分析，并通過對預處理前后水稻秸稈的表面微觀形貌的SEM圖以及還原糖濃度的分析得出較佳的預處理條件。千萬不要刪除行尾的分節(jié)符，此行不會被打印?！敖Y論”以前的所有正文內容都要編寫在此行之前。 38 結論本文論證了水稻秸稈在酶解前預處理的必要性，并具體研究了在微波作用下，不同微波功率、作用時間以及不同質量分數的NaOH和催化劑Na2S對水稻秸稈預處理效果的影響。得出如下結論:1. SEM觀測發(fā)現，經過預處理后的稻稈，表面出現裂痕，且有層狀結構，使纖維素比表面積增加，提高了稻稈纖維與纖維素酶的可及度，有利于纖維素酶的作用。2.