随着能源利用的日益增长,能源短缺和气候恶化等问题日益突出,致使替代可再生能源的开发和利用备受关注。柳枝稷作为一种应用前景广阔的生物质,其生长所需条件简单,生长迅速,生物量高,可广泛用于生物能源生产、造纸和纳米纤维素制作等产业。前处理作为柳枝稷有效利用的关键步骤,对降低利用成本、提升绿色化生产过程具有重要的意义,也是柳枝稷研究的热点之一。不同的生物质原料需要特定的前处理方法用于特定的生产目的,所以柳枝稷不同前处理方法的比较研究仍然在柳枝稷充分利用的研究中发挥重要的作用。本研究通过比较六种较为常用的生物质,最终选择柳枝稷作为研究对象。采用单因素实验优化分析了稀酸处理法(盐酸、硫酸、磷酸、硝酸、醋酸)、稀碱处理法(氨水、氢氧化钠、氢氧化钙、碱性过氧化氢)和其他3种前处理方法(乙醇、热水、三氯化铁)对柳枝稷中纤维素、半纤维素以及木质素的影响;同时确定了不同前处理的最优处理条件,比较了不同前处理的优缺点,并得出不同前处理适用于不用利用目的最优条件;进一步通过扫描电子显微镜、X射线衍射仪和傅里叶红外光谱仪研究了处理前后细胞壁结构的变化;最后通过工程菌验证了其作为培养基发酵生产法尼烯的可行性。研究结果如下:(1)硫酸、盐酸、磷酸、醋酸和硝酸5种酸的前处理对柳枝稷的影响研究结果表明,硝酸前处理的效果最佳,2.00%(v/v)的硝酸在125℃处理30 min后的柳枝稷物质量损失为58.17%±0.46%(w/w),木质素降低到5.34%±0.27%(w/w),纤维素含量为55.84%±0.04%(w/w),半纤维素为4.38%±0.01%(w/w),纤维素得率和木质素去除率最高,该前处理方法可用于生产纳米纤维素或发酵单糖。(2)氨水、氢氧化钠、氢氧化钙和碱性过氧化氢前处理对柳枝稷的影响研究结果表明,1.00%(w/v)氢氧化钠前处理效果最佳,处理条件为75℃,60 min,处理后的柳枝稷物质量损失为44.49%±0.58%(w/w),木质素降低到6.16%±0.02%(w/w),纤维素含量为53.85%±1.84%(w/w),半纤维素为22.06%±0.43%(w/w)。此外,氢氧化钠前处理条件优化的研究发现,85℃以上的高温处理有利于柳枝稷前处理中木质素的去除。该前处理可成功用于造纸和生物燃料行业。(3)为了充分利用柳枝稷,本实验还比较了其他三种化学预处理方法,研究结果表明,以硫酸为催化剂用60.00%(v/v)乙醇在150℃处理40 min后,柳枝稷的物质量损失为33.24%±0.19%(w/w),木质素降低到14.22%±0.21%(w/w),纤维素含量为42.30%±0.41%(w/w),半纤维素为17.82%±0.40%(w/w)。此外,乙醇的可回收性,可使柳枝稷的转化过程更加环保绿色,所以其应用具有更广阔的前景。(4)本研究中首次使用硝酸、盐酸、碱性过氧化氢和三氯化铁前处理方法对柳枝稷木质纤维结构进行解构,研究结果发现硝酸和盐酸都可以使柳枝稷的纤维素获得率大大提高,且硝酸因为其可以直接用于发酵培养基中为微生物生长提供养分,所以可以用于生物基燃料和化学品的生产;碱性过氧化氢被认为是对草、玉米秸秆等物料的有效前处理方法,本研究发现8%碱性过氧化氢处理柳枝稷时,其纤维素产率成功地实现了最大值;三氯化铁前处理柳枝稷后,物质量损失为39.52%±0.58%(w/w),木质素降低到16.48%±0.47%(w/w),纤维素含量为46.00%±0.33%(w/w),半纤维素为10.77%±0.13%(w/w),虽然三氯化铁预处理很难去除木质素,但它能有效地去除半纤维素,中断木质素与碳水化合物之间的醚键和酯键,此外,三氯化铁在前处理后可进行沉淀回收再利用。(5)进一步的预处理前后柳枝稷结构变化研究结果表明,经过三种最优的预处理方法处理后,柳枝稷结构更为松散,一定程度上解构了木质纤维素的复杂结构,并使其表面积增加,更加有利于下一步利用。最后的发酵验证结果也表明柳枝稷经过前处理后可以有效地用于法尼烯的生物生产过程。综上所述,本研究通过对十二个柳枝稷前处理条件进行优化和比较,发现硝酸、氢氧化钠和乙醇前处理是最有效的前处理方法,可用于提高柳枝稷各种转化效率,降低转化成本,为柳枝稷的充分和多样化利用提供了前处理的备选方案;进一步的发酵验证实验为柳枝稷用于发酵生产生物基燃料和化学品提供了借鉴数据。