摘要
玉米秸秆是一种典型的木质纤维素原料，具有良好的利用价值。本研究利用蒸汽爆破（汽爆）技术处理玉米秸秆，通过水洗工艺和酶法水解工艺制备低聚木糖，主要研究内容和结果如下: (1)基于不同汽爆温度和维持时间下汽爆玉米秸秆组分含量分析，建立汽爆秸秆半纤维素转化动力学与热力学模型，揭示汽爆湿热过程秸秆半纤维素转化反应机制。结果表明，汽爆具有半纤维素降解作用，其主要降解产物低聚木糖随汽爆湿热作用增加进一步降解为木糖和糠醛，半纤维素湿热转化反应均为一级反应，具有熵增、吸热和非自发进行的特征，其中半纤维素降解为低聚木糖为连续反应限速步骤。优化得出汽爆温度461K、维持时间15min条件下，汽爆秸秆水洗液中低聚木糖生成率最高为5.43％。较高的汽爆温度和较长的维持时间不利于低聚木糖的转化累积，因此采用低温长时或高温短时的汽爆条件可以获得较高含量的低聚木糖。 (2)分别采用数字图像处理和压汞法研究不同汽爆压力玉米秸秆宏观和微观分形特征，获得汽爆秸秆宏观、微观分形维数，并分析其与秸秆汽爆有效爆破功率、爆破效果均一性及汽爆秸秆半纤维素酶解效果的关系。结果表明，汽爆玉米秸秆宏观分形维数介于1.7383和1.8311之间（原料为1.6020），微观分形维数介于2和3之间(原料为2.942)，随着汽爆压力升高，二者均增加且彼此呈现良好线性正相关关系。随汽爆压力增加，汽爆秸秆分形维数增加，有效爆破功率增加，表明汽爆秸秆爆破作用增强，汽爆秸秆半纤维素酶解转化率和低聚木糖得率与原料相比分别提高7.07倍和4.94倍;且汽爆样品均一性提高，生料比降低96.24％。因此，在一定范围内，汽爆秸秆分形特征能够反映其物理爆破效果，宏观、微观分形维数越大，物理爆破强度和爆破均一性越高，有利于促进物料后续的酶解转化。 (3)采用不同的汽爆温度和汽爆压力处理玉米秸秆，对比研究汽爆湿热化学作用和物理爆破作用对秸秆物理性质、化学性质和半纤维素酶解效果的影响。结果表明，汽爆湿热化学作用对半纤维素脱除作用贡献大，且对纤维素无定形区破坏效果明显;汽爆物理爆破作用能够提高秸秆持水性与吸水膨胀性，且显著破坏秸秆多孔结构。汽爆物理、化学作用增强均促进半纤维素酶解转化率提高，转化率增幅分别为24.46％和6.19％;但是，在汽爆压力2.0MPa条件下，汽爆秸秆固体转化低聚木糖得率随维持温度升高而降低。因此，采用低温维持、高压爆破的汽爆策略以获得汽爆秸秆固体中较高的低聚木糖得率。 (4)研究汽爆玉米秸秆固体组分酶解制备低聚木糖及其纯化工艺。经过优化，采用源叶S10108木聚糖酶，添加量为600U/g，料液比为1∶50，pH5.0，50℃下以150r/min酶解24h，半纤维素酶解转化率为56.90％，低聚木糖得率为7.34％，木聚糖降解产物的平均聚合度降至1.62。采用截留相对分子质量为3000Da超滤膜对酶解液进行超滤，进料温度40°℃，压差0.05MPa，酶解液脱色率达到97.12％，低聚木糖回收率为86.67％，纯度为74.14％。利用SephadexG-10层析柱(Φ10×800mm)对超滤酶解液进一步分离纯化，收集洗脱液浓缩冻干后得低聚木糖粉末，低聚木糖得率为3.85％，纯度为91.25％，主要成分为木二糖。
NETL