生物質(zhì)是地球上分布最廣泛的可再生能源之一,在替代傳統(tǒng)的化石燃料、緩解能源危機、解決環(huán)境污染等方面發(fā)揮著不可替代的作用。其中,木質(zhì)纖維素作為一類蘊藏量最豐富的生物質(zhì)資源,主要由纖維素、半纖維素、木質(zhì)素組成,纖維素和部分半纖維素可經(jīng)纖維素酶分解轉(zhuǎn)化為可發(fā)酵糖,生產(chǎn)燃料乙醇及其他高附加值的產(chǎn)品。由于木質(zhì)纖維素結(jié)構(gòu)中存在“生物質(zhì)抗降解屏障”,致使酶解轉(zhuǎn)化效率低,成本高,難度大。因此,木質(zhì)纖維素預(yù)處理工藝的開發(fā)已成為國內(nèi)外生物質(zhì)能領(lǐng)域的研究熱點。
近代物理所生物物理室科研人員依托蘭州重離子加速器HIRFL在12C6+輻照預(yù)處理甜高粱秸稈木質(zhì)纖維素提高酶水解產(chǎn)率及其機理研究方面獲得新進展。
研究人員發(fā)現(xiàn),12C6+輻照預(yù)處理能顯著提高甜高粱秸稈的酶解產(chǎn)率和還原糖產(chǎn)量,尤其是600Gy的12C6+輻照預(yù)處理組酶解產(chǎn)率最高,其酶解36h時還原糖產(chǎn)量和水解產(chǎn)率分別為7.23 mg/mL和34.43%,較對照(還原糖產(chǎn)量4.93 mg/mL,水解產(chǎn)率23.47%)提高了46.7%(圖1);此外,研究人員對酶解產(chǎn)率提高的機理進行深入探究,XRD圖譜顯示不同劑量的重離子輻照預(yù)處理對甜高粱秸稈晶體結(jié)構(gòu)造成不同破壞程度。從3429到3231 cm-1的FTIR可知重離子輻照處理使纖維素Iα中氫鍵斷裂逐步形成Iβ(圖2)??梢暬腁FM圖像表明:甜高粱秸稈多糖表面超微結(jié)構(gòu)的改變是重離子輻照預(yù)處理提高酶水解產(chǎn)率的主要原因(圖3)。
此項研究首次采用重離子束對甜高粱木質(zhì)纖維素進行材料改性,從而破壞木質(zhì)纖維素結(jié)構(gòu)中的“生物質(zhì)抗降解屏障”,并采用XRD, FTIR以及AFM進行了輻照預(yù)處理秸稈的表征和可視化分析,為重離子輻照機理的闡釋提供了詳實的數(shù)據(jù)支撐。同時,該研究表明重離子輻照技術(shù)可作為一種有效提高木質(zhì)纖維素酶解產(chǎn)率的預(yù)處理手段,填補了一項在輻照預(yù)處理生物質(zhì)材料領(lǐng)域中的空白。
該研究得到國家自然科學(xué)基金項目及中國科學(xué)院重點項目的資助。相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表在生物質(zhì)能一區(qū)期刊Carbohydrate Polymer。
文章鏈接:https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2019.114976

圖1:重離子輻照前后甜高粱秸稈酶解結(jié)果

圖2:纖維素同質(zhì)異形體(α→β)的轉(zhuǎn)化模型 (紅色箭頭表示重離子輻照預(yù)處理過程中斷裂的氫鍵)

圖3:酶水解過程中甜高粱秸稈表面超微結(jié)構(gòu)的示蹤
<蘭州重離子提供>