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摘 要

为了研究经过不同预处理方法后，稻草秸秆纤维结构特性和酶解得率的变化，本文采用NaOH溶液、H₂SO₄溶液、以及三种不同离子液体对稻草秸秆进行处理，测定预处理前后稻草秸秆的结构变化和水解后还原糖的产量，同时使用SEM电镜扫描、傅里叶变换红外光谱(FTIR)及 X 射线衍射仪等仪器分析预处理前后稻草秸秆基质的结构是否发生改变。结果表明：NaOH溶液预处理稻草秸秆的效果最好，稻草秸秆酶法水解后的总还原糖产量相比于未处理的稻草秸秆提高了1.38倍。研究电镜扫描图、红外谱图和X-射线衍射谱图我们发现：经氢氧化钠预处理后，稻草秸秆纤维素理化结构改变，结晶度降低，纤维束结构变得疏松，木质素被脱除。

关键词：稻草秸秆，预处理，结构特征，酶水解

Abstract: To study the effect of different pretreatment methods on the structural characteristics and enzymatic yield of rice straw, the rice straw was treated with different methods such as NaOH solution, H₂SO₄ solution and ionic liquid. The chemical composition and enzymolysis yield of rice straw before and after pretreatment were measured. By SEM scanning electron microscopy, Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR) and X-ray diffraction structural properties of the substrate before and after pretreatment of rice straw were characterized. The results show that the NaOH pretreatment method works best. The yield of total reducing sugars was increased by a factor of 1.4 compared to untreated. Its infrared spectrum and wide-angle X-ray diffraction spectrum show that: after pretreatment with sodium hydroxide, the content of lignin in rice straw decreased, and the crystallinity of cellulose also decreased.

Keywords: rice straw, NaOH pretreatment, structure characterize, enzymatic hydrolysis

目 录

1 文献综述 3

1.1引言 3

1.2 纤维素预处理的研究 4

1.2.1化学法 4

1.2.2 物理法预处理 5

1.2.3 微生物方法预处理 5

2 材料与方法 5

2.1 材料 5

2.2 稻草秸秆预处理方法 6

2.2.1 NaOH预处理 6

2.2.2 H₂SO₄ 预处理 6

2.2.3 离子液体预处理 6

2.3 实验步骤 7

2.3.1 预处理秸秆的酶法水解 7

2.3.2 测量方法 7

3 结果与讨论 7

3.1 不同方法预处理前后秸秆的酶水解 7

3.2 红外谱图分析 8

3.3 X-射线衍射分析 9

3.4 扫描电镜分析 10

结论 12

参考文献 13

1 文献综述

1.1引言

在现代生活中，能源，作为现代社会发展三要素之一，是人类在日常生活中最重要的物质基础。随着现代社会生产力的发展和人类物质需求的日益增长，能源的需求量也越来越大。因此，各个国家对于能源的开发和合理利用都相当重视。

当今社会主要依赖于传统的化石能源，全球总能耗的74 %来自煤炭、石油和天然气等矿物能源^[1] 。但是矿物能源不可再生，世界石油资源逐年递减，石油的价格暴涨，从而压制各国经济的发展。同时，长期使用矿物能源带来的环境、生态问题也十分严重，治理污染的花费也成了一笔巨大的支出。

因此开发利用清洁可再生能源来对传统的绿色化学化工进行改革达到节约资源，防止污染也成了各国在能源开发利用方面的新研究方向。在这中间乙醇、丁醇等生物质能源被认为是传统化石燃料的最佳替代品^[2-3] 。

因此，以丰富的木质纤维素为原料生产燃料乙醇成为人们关注的热点。纤维素资源本身可再生，而且稻草秸秆作为一种废弃物，数量众多而且极易获得，年产量高达2.5 亿吨，却因为缺少有效利用稻草秸秆的手段和途径，一般就直接烧毁或丢弃于农田，既浪费资源又污染环境。利用稻草秸秆为原料生产生物质能源或化学品，不仅能够有效利用资源，缓解能源瓶颈，降低对于石油进口的依赖，还可以解决因燃烧秸秆带来的环境污染问题，具有巨大的产业化潜力。

纤维素等生物质能源经过水解生产燃料乙醇的过程主要包括预处理、酶水解和发酵3个步骤。稻草秸秆中的纤维素本身具有高结晶度，同时被木质素和半纤维素包裹，稻草秸秆只有在酶水解前经过试剂的预处理，改变本身结构，降低结晶度，脱除木质素，增加纤维素酶等水解酶的可吸附性，使得酶解效率提高。所以预处理的效果直接影响后续酶水解的效率。

根据最近的研究^[4-6]，一些新型的离子液体(ILs)能够帮助溶解纤维素，并且改变纤维素本身的结构。离子液体是一种绿色有机溶剂，和稀硫酸、氢氧化钠溶液相比，不挥发、对环境无污染、方便回收，因此在本篇论文中创新性地使用离子液体对纤维素进行处理。

1.2 纤维素预处理的研究

由于纤维素本身具有很高的结晶度，并且木质素和半纤维素具有空间障碍效应，会影响纤维素酶对纤维素的有效水解，使还原糖产量降低。因此，为了有利于后续酶解糖化、物料的转化和利用，才会对纤维素基质进行预处理。

同时，因为不同的木质素原料的特性也不尽不同，所以采用的预处理水解工艺在研究中基本可以分为三大类：化学法、物理法和微生物法。

1.2.1化学法

（1）酸预处理

酸预处理是木质纤维素生产酒精的方法中较为成熟的一种方法。

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