随着全球化石燃料日趋紧张和环境污染日益严重,能源和环境危机已成为21世纪人类社会可持续发展的主要障碍,利用可再生能源作为化石燃料的替代品变得愈加迫切和重要,纤维素乙醇就是其中重要的研究方向之一。“十五”期间,为解决陈化粮压库现象严重的问题,国家在黑龙江、吉林、安徽和河南4省兴建了4个燃料乙醇工厂,年生产能力达102万t(岳国君等,2007)。“十一五”期间,燃料乙醇产量大幅提升。但我国是人口大国,粮食资源有限,而以玉米(Zea mays)为主的粮食生产乙醇存在与人争粮问题,因此发展以植物纤维为原料的第二代生物乙醇(纤维素乙醇)技术意义重大。

木质纤维原料是地球上最丰富、最廉价的可再生资源。全世界每年通过光合作用产生的木质纤维生物质高达1 000亿t,其中89%尚未被人类利用。我国的木质纤维原料也非常丰富,据初步估计,我国仅现有的农林废弃物约合7.4亿t标煤(实物量为15亿t),可开发量约为4.6亿t标煤,预测2020年将分别达到11.65亿t和8.3亿t标煤(江泽慧,2006)。加上数量巨大的林业纤维废料和工业纤维废渣,每年可利用的木质纤维原料总量可达20亿t以上。木质纤维原料中纤维素占干质的35% ～45%,半纤维素占20%～40%,采用适宜技术将它们水解成可发酵性糖,进一步发酵生产乙醇,有可能改变传统的生产方式,对我国经济和社会的可持续发展具有十分重大的意义(中国纤维素网,2011)。

竹子隶属单子叶植物的禾本科(Gramineae)竹亚科(Bambusoideae),多年生,坚韧直立,富含木质纤维。我国竹类资源十分丰富,不仅种类多,而且分布面积广,现有竹子40余属、500余种,竹林面积720万hm²,其中毛竹林面积约300万hm²。我国竹子主要分布在南方14个省(区),竹材的年产量达15.39亿根(国家林业局,2012)。竹材富含纤维素,占40%～60%,半纤维素占20%～30%,因此竹材是一种重要的纤维素乙醇的原料来源。在能源危机和全球变暖的影响下,竹材是一种潜在的、可再生能源的来源之一。

竹材与其他木质纤维原料一样,主要是纤维素、半纤维素和木质素相互交织而形成的复杂的、难以降解而致密的结构体系。这种结构体系决定了任何一类成分的降解必然受到其他成分的制约,导致纤维素水解的效率很低。因此需要对原料进行预处理,用纤维素降解酶将纤维素结构切断,释放出发酵所需要的糖,再利用这些糖进一步发酵生成乙醇。而寻找高效、低成本的预处理技术是难点之一(Hendriks et al.,2009)。

预处理方法归纳起来包括物理法、化学法和生物法。竹材中的纤维素和木质素含量均比秸秆中的高,秸秆结构松散,比较容易加工处理,而竹材与木材、秸秆相比,具有密度大、硬度高和强度好等特点,再加上竹材特殊的化学结构,使得竹材比木材、秸秆更难于处理(李志强等,2012)。化学法通常采用酸、碱、次氯酸钠、臭氧等试剂进行预处理,其中以氢氧化钠和稀酸预处理研究得较多(Nguyen et al.,1999;Ballesteros et al.,2008)。Leenakul等(2010)以0.6%～1.2%硫酸在120 ℃和140 ℃下处理马来甜龙竹(Dendrocalamus asper)30～90 min,还原糖的收率为33.8%～40.1%。冯国芳等(2008)用3%的硫酸在70 ℃预处理竹笋壳纤维10 h,酶解后还原糖收率为29.0%。而De Menezes等(1983)以175℃水蒸煮短节泰山竹(Bambusa vulgaris)60 min,酶解后还原糖收率为39%。由此可见,酸预处理结果的好坏与酸的浓度和预处理温度有关,浓度越大、温度越高,预处理效果越好。但是稀酸预处理后底物的酶水解过程并不完全,葡萄糖收率一般都在60%以内。本文以微波消解辅助的稀酸预处理毛竹(Phyllostachys edulis)为基础,通过添加不同的无机金属盐类催化稀酸预处理研究,探索改进的稀酸预处理对毛竹酶水解糖化的影响规律。本研究将在一定程度上为竹材纤维素乙醇原料预处理技术的进一步研究与应用提供参考和依据。

选用生长于美国南部佛罗里达州的4年生毛竹为原料。预处理前将毛竹磨成粒径小于2 mm的竹粉。竹材原料和预处理后的底物在烘干至恒重后,封存于塑料封口袋内,待用。

98%浓硫酸、亚硫酸钠均为化学纯,Sigma-Aldrich公司提供;乙酸、乙酸钠、硫酸铜、硫酸铁、硫酸亚铁和硼砂等均为分析纯,Sigma-Aldrich公司提供;Celluclast 1.5 L纤维素酶溶液、Novozym 188(β-glucosidase)葡萄糖苷酶均为商业酶,Sigma-Aldrich公司提供。乙酸/乙酸钠缓冲溶液(0.05 mol·L^-1,pH为4.8);酶的稀释:根据原液酶活,稀释后得到酶活为15 FPU·mL^-1的纤维素酶溶液和30 IU·mL^-1的纤维二糖酶溶液。

微波消解仪(型号MARS),美国CEM公司;空气加热摇床(型号MaxQ 4450),赛默飞世尔科技公司;带有安培检测器的高效阴离子交换色谱(型号Dionex ICS-3000),美国戴安公司。

预处理设备选用美国CEM公司生产的MARS微波消解仪,该微波消解仪有400,800和1 600 W 3档加热功率。预处理分为稀酸预处理和无机金属盐催化的酸预处理,预处理条件分别为:对稀酸预处理而言,取8 g绝干竹粉加入到100 mL微波消解罐中,加入50 mL水,再加入2%(w/w竹粉,即0.16g)的硫酸;无机金属盐催化的酸预处理是在上述酸预处理条件的基础上,再加入一定量的无机金属盐类。然后分别将微波消解罐置于中央旋转盘中,开始预处理,程序升温,10 min内升温至指定预处理温度180 ℃,再在该温度下保持一定的时间(一般为30～60 min)。

预处理后,使其自然降温至80 ℃以下。取出消解罐,过滤分离,得到底物和预处理废液。预处理废液取样后保存于4 ℃环境中用于检测溶解其中的糖类和发酵抑制物的含量。用水多次洗涤底物,至洗涤液的pH为6～8即可。取底物样品置于105 ℃烘至绝干,用于检测底物中的糖类和木质素含量。底物置于4 ℃环境中用于酶水解试验。

预处理后得到的竹材底物酶水解的条件是:底物加入量为质量分数为2.0%(w/v)(按纤维素量计)、40 mL乙酸/乙酸钠缓冲溶液,一定的酶用量(常用量为纤维素酶Celluclast 1.5 L和葡萄糖苷酶Novozym 188用量分别为15 FPU·g^-1和30 IU·g^-1纤维素),体系pH为4.8;水解在空气加热摇床内进行,水解温度保持50 ℃,转速为220 r·min^-1。水解过程中Novozym 188过量作用是不让纤维二糖积累影响水解速度和进程。试验间隔一定时间取样(0.4 mL),并用0.4 mL的缓冲液补回到水解液中,取样时间为1,3,6,12,24和48 h;每个取样点取2次,测量样取平均值。葡萄糖含量用离子色谱仪(型号ICS-3000)测定。酶水解后,纤维素转化为葡萄糖的收率(CGCY)按下列公式计算:

原料和经预处理后竹材底物中主要的糖类采用带有脉冲安培检测器的高效阴离子交换色谱进行测定,该方法于1994年6月开发应用(Davis,1998;Sluiter et al.,2008)。采用GB/T 2677.8—1994《造纸原料酸不溶木素含量的测定》处理竹材和底物,再测定酸水解液中糖类含量。

样品中酸不溶木质素含量采用GB/T 2677.8—1994《造纸原料酸不溶木素含量的测定》方法测定。

样品中酸溶木质素的含量采用紫外可见分光光度计法测定。在波长205 nm检测溶液的吸光度,3%硫酸作为空白参比液,样品用3%硫酸稀释一定倍数。根据已知的木质素的标准吸光度值(110 L·g^-1 cm^-1),计算出样品中酸溶木质素的含量(Dence,1992)。

预处理废液中主要降解产物包括糠醛、5-羟甲基糠醛、乙酰丙酸、甲酸和乙酸,通过带有紫外-可见检测器的Dionex ICS-3000系统进行检测。其主要条件如下:紫外-可见检测器,检测波长为210nm,Supelcogel C-610H(30 cm×7.8 mm)型分离柱及同型号的保护柱,柱温20 ℃,0.1% H₃PO₄作为淋洗液,淋洗速度为0.7 mL·min^-1,保持90 min(Shuai et al.,2010)。

表 1是金属盐催化的稀酸预处理底物的化学成分比较。其中各预处理条件的酸用量均为2%(w/w),在此基础上再加入不同的金属盐,主要为硫酸盐。由表 1可以看出,金属盐催化的酸预处理底物中甘露糖的含量几乎检测不到,酸不溶木质素的含量均有所提高。除0.1 mol·L^-1硫酸铜预处理外,其余各预处理底物中葡萄糖的含量均上升,但葡萄糖含量最高的仍是不加金属盐催化的稀酸预处理底物,达到了58.46%。对木糖而言,除硼砂催化预处理外,其余各预处理底物中木糖都大幅降低,表明和稀酸预处理一样,金属盐催化的酸预处理能脱除大部分半纤维素。与稀酸预处理相比,加入硫酸铁和硫酸铜的稀酸预处理脱半纤维素效果更好,其底物中的木糖含量比稀酸预处理的更低。其中0.1 mol·L^-1硫酸铜催化的底物中没有检测木糖的存在,0.1 mol·L^-1硫酸铜催化底物中主要含有葡萄糖和木质素以及微量的阿拉伯糖。硼化合物能与多羟基化合物发生交联反应,但从0.1 mol·L^-1硼砂的预处理底物成分组成来看,效果不明显,其中葡萄糖、木糖和木质素含量均略有上升。对硫酸铁和硫酸铜催化的稀酸预处理,当金属盐的质量分数降低时,底物中的木糖含量提高。硫酸铜预处理底物中的葡萄糖也大幅提升至52.94%。可见硫酸铜的质量分数对预处理底物组成影响较大。

表 1 金属盐催化的稀酸预处理底物的组成分析 Tab.1 Chemical compostions of metal salt catalyst DA pretreated bamboo substrates

表 1 金属盐催化的稀酸预处理底物的组成分析 Tab.1 Chemical compostions of metal salt catalyst DA pretreated bamboo substrates % 成分Components 阿拉伯糖Arabinose 半乳糖Galacose 葡萄糖Gluctose 木糖Xylose 酸不溶木质素Acid-insoluble lignin 酸溶木质素Acid-soluble lignin 未处理竹粉Untreated raw bamboo 1. 10 0.34 41.34 21.96 22.82 1.53 2% DA 0.10 0.00 58.46 1. 80 34.97 1.78 0.1 mol·L-1Na2SO4 0.14 0.03 51. 38 8. 72 30.38 2.57 0. 1 mol·L-1FeSO4 0.11 0.00 55.67 5.92 33.54 1.72 0.1mol·L-1Fe2(SO4)3 0.06 0.00 57.17 0.79 38.79 1.63 0. 1 mol·L-1CuSO4 0. 04 0.00 35.36 0.00 60.61 2.68 0. 1 mol·L-1Na2B4O7 0.76 0.14 46.36 24.41 27.16 1.50 0.05 mol·L-1Fe2(SO4)3 0. 04 0.00 56.48 3.04 38.39 1.82 0.05 mol·L-1CuSO4 0.05 0.00 52.94 0.33 42.57 2.95

由表 1得出,大部分金属盐催化的稀酸预处理底物中的木糖含量较低,表 2中列出了预处理废液中的糖类和木质素含量。除硫酸钠催化的预处理废液中能检测到甘露糖以外,其他预处理废液均未检测到甘露糖。由此表明,甘露糖在预处理过程中比较容易降解为副产物。废液中的酸溶木质素含量均在5%左右,差别不大,表明金属盐催化稀酸预处理的脱木素效果不明显。废液中葡萄糖和木糖的含量较高,以硫酸铜催化的废液含葡萄糖量最高,而以不加金属盐的稀酸预处理的废液含木糖量最高。0.1mol·L^-1硼砂预处理的废液中糖类含量较少,原因可能是硼砂为强碱弱酸盐,硼砂的加入使得预处理液pH升高,减缓了糖类的溶解。与硫酸钠相比,硫酸钠为强酸强碱盐,它的加入对预处理液的pH影响较小,因此仍具有很强的水解半纤维素的作用,使得预处理废液中的木糖含量高达6.16 g·L^-1。除硼砂催化的稀酸预处理外,其余各种金属盐催化的稀酸预处理废液中的总糖含量为7.54～12.71 g·L^-1。

表 2 金属盐催化的稀酸预处理废液的糖类和木质素分析 Tab.2 Chemical compostions of metal salt catalyst DA pretreated spent liquors

表 2 金属盐催化的稀酸预处理废液的糖类和木质素分析 Tab.2 Chemical compostions of metal salt catalyst DA pretreated spent liquors % 成分Components 阿拉伯糖Arabinose 半乳糖Galactose 葡萄糖Glucose 木糖Xylose 甘露糖Mannose 酸溶木质素Acid-soluble 2% DA 0.04 0.74 3. 28 8.36 0.00 5.73 0. 1 mol·L-1Na2SO4 0.03 0.68 1.06 6. 16 0.08 4.57 0. 1 mol·L-1FeSO4 0.24 0.22 2.42 4.66 0.00 4.25 0. 1 mol·L-1Fe2(SO4)3 0.32 0.21 4.68 3.68 0.00 5.83 0. 1 mol·L-1CuSO4 0.04 0.34 9.39 1.91 0.00 5.81 0. 1 mol·L-1Na2B4O7 0.00 0.00 0.91 2. 84 0.00 5.00 0.05 mol·L-1Fe2(SO4)3 0.04 0.38 4.40 3. 78 0.00 4.67 0.05 mol·L-1CuSO4 0.02 0.43 6.64 5.62 0.00 4.52

金属盐催化的预处理过程对底物化学组成的影响较大,而且预处理的废液中检测到大量的糖类存在,因此对预处理前后的物料进行质量衡算显得尤为重要。表 3列出了金属盐催化稀酸预处理毛竹的质量衡算,其中纤维素水解得到葡萄糖,半纤维素水解得到阿拉伯糖、半乳糖、木糖和甘露糖等。表 3中数据是基于100 g未经预处理的绝干毛竹基础上计算的,如100 g竹粉经稀酸预处理后,底物中含有36.83 g葡萄糖、1.14 g木糖。由表中数据可以看出,除硼砂催化的稀酸预处理的总成分回收率高达87.74 g以外,其余各预处理的成分回收率均较低,在58.30～73.30 g之间。最低的是0.1 mol·L^-1硫酸铜催化的稀酸预处理的总成分回收率,只有58.30 g。这与上述底物和废液中的成分分析一致。硫酸铜的加入,使得部分纤维素和大部分半纤维素降解为小分子副产物。金属盐催化稀酸预处理的木质素的回收率都在100%左右,可见金属盐催化的稀酸预处理与稀酸预处理一样,均不能有效地脱除木质素,因此使得亲油性的木质素在底物中大量富集,影响底物中纤维素的酶水解性能。

表 3 金属盐催化的稀酸预处理的毛竹的质量衡算 Tab.3 Chemical compostions of metal salt catalyst DA pretreated bamboo substrates

表 3 金属盐催化的稀酸预处理的毛竹的质量衡算 Tab.3 Chemical compostions of metal salt catalyst DA pretreated bamboo substrates g 成分Components 阿拉伯糖Arabinose 半乳糖Galactose 葡萄糖Glucose 木糖Xylose 甘露糖Mannose 木质素Recovery 小计Lignin 回收率Sum DA 底物Substrate 0.06 0.00 36.83 1.14 0.00 23.15 61.18 72.52 废液Spent liquor 0.03 0.46 2.05 5.22 0.00 3.58 11.34 0.1 mol·L-1Na2SO4 底物Substrate 0.10 0.023 5.97 6.11 0.00 23.06 65.26 73.12 废液Spent liquor 0.02 0.42 0.67 3.85 0.05 2.86 7.86 0.1 mol·L-1FeSO4 底物Substrate 0.07 0.00 37.86 4.02 0.00 23.97 65.92 73.30 废液Spent liquor 0. 15 0.14 1.51 2.91 0.00 2.66 7.38 0. 1 mol·L-1Fe2(SO4)3 底物Substrate 0.04 0.00 33.73 1.80 0.00 23.84 59.40 68.61 废液Spent liquor 0.20 0.13 2.93 2.30 0.00 3.64 9.20 0.1 mol·L-1CuSO4 底物Substrate 0.02 0.00 16.97 0.00 0.00 30.38 47.37 58.30 废液Spent liquor 0.02 0.21 5.87 1.19 0.00 3.63 10.93 0. 1 mol·L-1Na2B4O7 底物Substrate 0.62 0.12 38.01 20.02 0.00 23.50 82.27 87.74 废液Spent liquor 0.00 0.00 0.57 1.77 0.00 3.13 5.47 0.05 mol·L-1Fe2(SO4)3 底物Substrate 0.02 0.00 33.32 0.46 0.00 23.73 57.53 65.83 废液Spent liquor 0.03 0.24 2.75 2.36 0.00 2.92 8.30 0.05 mol·L-1CuSO4 底物Substrate 0.03 0.00 29.64 0.18 0.00 25.49 55.35 66.12 废液Spent liquor 0.01 0.27 4.15 3.52 0.00 2.82 10.77

木质纤维原料水解液中常含有纤维素和半纤维素的降解产物和一些中和形成的盐类,如糠醛、5-羟甲基糠醛(HMF)、甲酸、乙酸、钠盐和硫酸盐等(Larsson et al.,1999),其中乙酸、糠醛等对酵母发酵具有较大的抑制作用。乙酸、甲酸等可以通过抑制酵母的呼吸来减弱酵母的发酵能力(Laluce et al.,1993)。呋喃醛类化合物对酿酒酵母的影响主要是抑制酵母生长,使延滞期增长,降低乙醇得率和产量,其抑制作用程度取决于其浓度以及菌株的遗传背景等(Liu et al.,2004)。因此有效的预处理方法应该尽可能减少产生这些酵母抑制物。

从表 4中可以看出,金属盐催化稀酸预处理的总成分回收率较低,但是木质素的回收率在100%左右,因此成分的损失主要是由纤维素和半纤维素的降解造成的。它们降解的生成物成分复杂,表 4列出了部分对后续发酵过程有抑制作用的化合物,主要包括甲酸、乙酸、乙酰丙酸、糠醛和5-羟甲基糠醛,总量在稀酸预处理中达到了15.88 g·L^-1。在加入金属盐催化以后,除了硫酸钠和硼砂预处理降低以外,其余各种预处理总的发酵抑制物含量都升高,其中以硫酸铜废液中发酵抑制物的含量最高,达到26.22 g·L^-1,使得废液中的发酵抑制物含量高于糖类,这为后续的废液脱毒、乙醇发酵带来了一定的难度。废液中糠醛的含量高于羟甲基糠醛,这也说明竹粉中主要的五碳糖木聚糖比主要的六碳糖葡聚糖更容易降解为副产物。

表 4 金属盐催化的稀酸预处理的废液的发酵抑制物分析 Tab.4 Fermentation inhibitors in metal salt catalyst DA pretreated spent liquors

表 4 金属盐催化的稀酸预处理的废液的发酵抑制物分析 Tab.4 Fermentation inhibitors in metal salt catalyst DA pretreated spent liquors 成分Components 甲酸Formic acid 乙酸Acetic acid 乙酰丙酸Levnic acid 羟甲基糠醛HMF 糠醛Furfural 总计Total DA 4. 01 5. 71 0.38 1.23 4.56 15.88 0.1 mol·L-1Na2SO4 0.86 1. 95 0.17 1.11 2.03 6.11 0.1 mol·L-1FeSO4 3. 17 3. 74 1.65 1.31 5.54 15.41 0.1 mol·L-1Fe2(SO4)3 3. 80 4. 63 2.30 1.12 8.22 20.07 0.1 mol·L-1CuSO4 5.99 5. 22 6.36 1.08 7.57 26.22 0.1 mol·L-1Na2B4O7 0.28 4. 75 0.42 0.02 0.36 5.83 0.05 mol·L-1Fe2(SO4)3 5. 23 6.02 0.10 1.39 8.67 21.41 0.05 mol·L-1CuSO4 5.55 5.71 0.93 0.63 6.42 19.22

图 1为不同金属盐催化稀酸预处理底物的酶水解性能。已知稀酸预处理底物在水解48 h纤维素转化为葡萄糖的收率为52.72%。这一收率低于其他生物质材料稀酸预处理后的葡萄糖收率,原因是本研究中稀酸的用量较低,为竹材质量的2%,换算成溶液质量分数仅为0.32%。再加上所用竹材为4年生成材毛竹,其硬度大、密度高、木质化程度高,导致酸预处理后底物的酶水解效率低于其他生物质材料。另外,从图 1可以看出,金属盐的加入提高了稀酸预处理底物酶水解性能的只有硫酸铁,三价铁离子是酸水解反应的催化剂,因此硫酸铁催化酸预处理底物的酶水解效率最高。其余各种金属盐的加入,都不同程度地降低了底物的酶水解性能,尤其是0.1 mol·L^-1硫酸铜催化的预处理底物,其酶水解48h纤维素转化为葡萄糖的收率仅为2.79%。而前面已经提到,未经预处理竹粉的纤维素转化为葡萄糖的收率为2.41%左右。因此虽然0.1 mol·L^-1硫酸铜预处理底物中只有纤维素和木质素,但水解效率几乎没有提高。原因可能是其中含有高达60%以上的木质素阻止了纤维素对酶的吸附,从而使得酶水解性能低下。另外一个原因可能是铜的杀菌作用导致的,已知铜作为木材防腐剂的主要有效成分而被广泛使用(曹金珍,2006),而铜对纤维素酶的抑制作用尚需探讨。硼砂催化的预处理对竹材化学成分影响不大,没有显著破坏竹材的化学结构,竹材的主要化学成分也没有损失,因此预处理底物的酶水解性能提高也不大,只有5.97%。硫酸铁催化的底物酶水解性能较高,而含有二价铁的硫酸亚铁预处理底物的酶水解性能反而低于稀酸预处理的酶水解性能。硫酸盐虽为中性盐,对预处理液的pH无太大影响,但底物中的木糖含量较高,可能是导致酶水解性能较低的原因之一。

	图 1 金属盐催化的稀酸预处理底物的酶水解性能 Fig. 1 Enzymatic hydrolysability of metal salt catalyst DA pretreated bamboo substrates

值得一提的是,硫酸铜预处理的底物在酶水解后的水解液变为蓝色,由此可以看出,纤维素酶的酶水解作用可以使吸附到底物上的铜脱附到水解液中。利用这一特性可以用来回收工业含铜废水中的铜,以及回收废旧含铜防腐剂的防腐木材中的铜。

对0.1 mol·L^-1硫酸铜催化的酸预处理废液,其颜色并不显蓝色,表明其中大部分铜已被底物吸附。采用常见原子吸收光谱法测定废液中的铜质量分数(Li et al.,2009),再根据预处理前加入的硫酸铜的量,计算铜离子被竹材底物吸附的吸附率为95.3%。含铜的竹材底物在酶水解48 h后,水解液颜色变为蓝色,表明铜已从竹粉上脱附下来。将水解液过滤,并用少量水洗涤不溶物。过滤后的水解液中加入碳酸钠,并不断搅拌,直至溶液颜色变为无色,并伴有蓝色沉淀生成。过滤、洗涤、干燥,得到回收的碳酸铜产品。采用原子吸收光谱仪测定水解液中铜的质量分数,用以计算铜的脱附率为90.8%。铜离子的回收率为87%,即加入预处理的硫酸铜中有87%的铜可以回收循环使用。

由此可见,预处理在整个纤维素乙醇生产过程中起着至关重要的作用,它影响着其他操作成本包括预处理前颗粒的大小和后续的酶水解。预处理还对能耗、酶用量及酶水解速率、发酵抑制物的量、产品纯化以及木质纤维原料的综合利用等方面产生影响。因此可在以下2个方面开展研究:

1)由木质素的脱除可改为侧重于对木质素的改性处理,使改性后的木质素对酶水解的影响降到最低。木质素的亲油性、吸附性使得对纤维素酶的影响较大。竹材中木质素含量较高,完全脱除木质素的成本太高。因此可以考虑对木质素进行改性,酶解后再进行回收利用。

2)针对不同竹材部位(竹青、竹黄和竹肉)和不同竹种,采用原子力显微镜、扫描电镜和X射线光电子能谱等分析原料和预处理底物表面的构成元素及化学键状态,探讨影响竹材预处理的因素,以便提供改善预处理效果的机制依据。

稀酸预处理主要以脱除半纤维素为主,而对木质素的脱除没有明显效果。与稀酸硫酸预处理相比,加入硫酸铁催化后的稀酸预处理能提高底物的酶水解性能。硫酸钠、硫酸亚铁、硫酸铜和硼砂等催化后的稀酸预处理底物的酶水解性能均有不同程度的下降,其中以硫酸铜催化预处理底物的酶水解性能最差。金属盐催化的稀酸预处理以脱除半纤维素为主,对木质素的脱除效果不明显。铜离子在预处理过程中可以被竹材底物吸附,并且在酶水解过程中可以脱附进入水解液中。