高固体负荷下尿素预处理对玉米秸秆主要成分和结构的影响

王丽丽，李一博，许 雷，王忠江,2，王一豪，隋宇航

高固体负荷下尿素预处理对玉米秸秆主要成分和结构的影响

王丽丽1，李一博1，许 雷1，王忠江1,2，王一豪1，隋宇航1

（1. 东北农业大学工程学院，哈尔滨，150030；2. 寒地农业可再生资源利用技术与装备黑龙江省重点实验室，哈尔滨 150030）

该研究将尿素作为单独预处理试剂，利用大豆粉中的脲酶促进尿素向NH3的转化，预处理过程中采用较高固体负荷，试图在相对较低温度下通过尿素的转化实现玉米秸秆的气态NH3预处理，系统研究预处理过程中的总固体负荷（Total Solids，TS）、大豆粉与秸秆质量比、尿素与秸秆质量比、预处理温度和预处理时间对玉米秸秆的主要成分及其表面形态结构和基团结构的影响，获得高TS下尿素预处理玉米秸秆的较优条件。结果表明，质量分数50%TS的尿素预处理能够很好的保护秸秆中的糖类；大豆粉中的脲酶可以显著提高尿素预处理秸秆中葡聚糖和阿拉伯聚糖的含量；秸秆葡聚糖的含量随着尿素与秸秆质量比、预处理温度和预处理时间的增加而增加，而木质素、木聚糖和阿拉伯聚糖含量的差异不显著；质量分数50%TS、1∶20大豆粉与秸秆质量比、1∶1尿素与秸秆质量比、80 ℃预处理温度、10 d的预处理效果最优，预处理后玉米秸秆木质素、葡聚糖、木聚糖和阿拉伯聚糖的质量分数分别达到14.20%、51.75%、20.67%和4.23%；尿素预处理秸秆过程中，C-O基（1 032 cm-1）波动最显著，木质素和羟基肉桂酸键破裂明显，证明了高TS下，利用尿素实现气态NH3预处理玉米秸秆的可行性，为尿素预处理理论体系的研究提供基础。

玉米；秸秆；尿素预处理；木质素；葡聚糖；木聚糖；阿拉伯聚糖

0 引 言

近年来，木质纤维类生物质被公认为是长期可获得的能够代替化石燃料的一种原料[1-2]，而农业秸秆是其中产量最大的废弃生物质，在中国年产量高达7×108t以上[3]。因此，以农业秸秆为原料生产沼气、生物乙醇等新能源越来越受到关注[4-5]。

预处理是打破和脱除木质素，提高木质纤维的疏松多孔性，降低纤维素的结晶度，提高秸秆纤维素后续转化利用率的关键步骤[1,6]。氨化预处理作为一种弱碱预处理方法对木质纤维类生物质结构的破坏非常有效，且腐蚀性较小，目前主要包括氨水预处理、无水液氨预处理、碳酸铵预处理、氨纤维爆破、氨循环浸透、氨气吸附纤维爆破等[7-11]。尿素易溶于水，在脲酶的催化作用下快速转化为NH3（或NH4+、HCO3−），其运输和使用无需专用设备及特殊条件，常用作NaOH预处理的辅助试剂[12-13]，近年来也逐渐作为一种单独试剂在总固体负荷（Total Solids，TS）<10%的较低TS下预处理木质纤维类生物质[14-17]。但是，NH3不仅具有较强的挥发性，也极易溶于水，当预处理的TS较高，尿素转化的NH3溶于水的浓度达到饱和或更高时（32%～35%），则一部分NH3将以气态形式存在于预处理设备中，预处理设备中的压力将会随之升高，而TS过高时也会阻碍生物质间的传热传质，甚至由于水的不足抑制尿素向NH3的转化，从而影响预处理效果[14]。此外，Yoo等[7]在实验室条件下，运用无水液氨预处理玉米秸秆时发现，NH3与秸秆中水分的反应是放热反应，在无外加热源的条件下，利用自发产热可以将预处理温度提高到70 ℃，而且在80 ℃条件下的预处理效果很好。该结果极大的支持NH3预处理的规模化应用，因为在规模化预处理过程中，如果采取有效的保温措施，只依靠系统自身的反应热，完全不需要或需要很少的外加热量就可以达到需要的预处理温度，且高TS的预处理也可减少水的消耗和废水的产生量，从而降低设备处理规模及能耗成本。所以，在高TS下，通过固态尿素的转化在70 ℃左右实现气态NH3预处理具有实际的应用价值，然而该方面的研究相对较少[18-19]，且在不同条件下的预处理过程中，尿素对秸秆主要成分及理化结构的影响仍不明晰。

因此，论文以玉米秸秆为原料，尿素为单独预处理试剂，利用大豆粉中的脲酶促进尿素向NH3的转化，系统研究预处理过程中的TS、大豆粉与秸秆质量比、尿素与秸秆质量比、预处理温度和预处理时间对玉米秸秆的主要成分及其表面形态结构和基团结构的影响，探索不同预处理条件下，尿素对高TS预处理玉米秸秆的影响规律及关键优化参数，证明在相对较低温度、较低压力、高TS下，通过固态尿素转化的NH3预处理玉米秸秆的可行性，为尿素预处理理论体系的研究提供基础。

1 材料与方法

1.1 供试原料

试验用玉米秸秆洗净风干后粉碎过1 mm筛（Retsch cutting mill，Haan，Germany），室温（20±1℃）下密封保存，其总固体、纤维素、半纤维素、木质素和灰分的质量分数分别为（94.25±0.13）%、（33.90±0.35）%、（21.36±0.57）%、（12.42±0.29）%和（1.71±0.07）%。所用大豆来源于农贸市场采购的食用大豆（distributed by Haitai，INC. Montebello，CA90640）。采用高速磨粉机（Magic Mill III Plus）间歇性的将大豆磨成0.5 mm的大豆粉，大豆粉总固体质量分数为（90.76±0.34）%，大豆粉脲酶活性为2.61±0.04。

1.2 试验设计

将20 g玉米秸秆粉装入500 mL带有螺旋密封盖的玻璃三角瓶，用蒸馏水调成试验所需的TS，然后按比例装入一定量的尿素和大豆粉，均匀搅拌后密封。密封后的三角瓶放入控温炉中（BLUE M Electric Company，Blue Island，Illinois，USA）按照设定的预处理温度进行预处理。当达到一定的预处理时间后将三角瓶置入通风厨内10～15 min以释放挥发的NH3，然后用蒸馏水清洗秸秆至pH值为7.0，经真空分离后用于成分分析及秸秆表面的形态结构（SEM，Scanning Electron Micrographs）和基团结构（FTIR，Fourier Transform Infrared Spectroscopy）测定。

本试验包括TS、大豆粉与秸秆质量比、尿素与秸秆质量比、预处理温度、预处理时间5个影响因素。已有研究表明，氨化预处理过程中，TS与预处理试剂的添加量、预处理温度、预处理时间没有显著的交互作用[20]。因此，本试验分为3部分：

1）理论上，1 g尿素与0.3 g水反应产生0.57 g NH3[14]，其反应方程为

NH3溶于水时饱和氨水的浓度为32%～35%[18]，为使系统中存在一定压力的气态NH3，TS需要接近40%，且小于80%。因此，本部分采用控制变量法研究TS对尿素预处理玉米秸秆的影响规律。尿素与秸秆质量比、预处理温度、预处理时间、大豆粉与秸秆质量比分别为1∶1、80 ℃、6 d、1∶20，TS分别为30%、40%、50%、60%和70%。

2）基于1）选取较优的TS，采用控制变量法研究大豆粉与秸秆质量比对尿素预处理玉米秸秆的影响规律。尿素与秸秆质量比、预处理温度、预处理时间分别为1∶1、80 ℃、6 d，大豆粉与秸秆质量比分别为1∶40、1∶20、3∶40和1∶10，未添加大豆粉为空白对照组。

3）理论上，预处理温度越高，预处理所需时间越短，且在一定范围内增加预处理试剂的添加量也可加快预处理的进程，缩短预处理周期，但提高温度和增加试剂量必将增加预处理成本，而如果预处理时间过长也是工程实际所不能接受的。由于高TS、70 ℃左右条件下的尿素预处理时间及尿素对玉米秸秆理化结构的影响不明晰。因此，本部分基于前文获得较优的TS和大豆粉与秸秆质量比，适当延长相对较低预处理温度下的预处理时间，采用全因子试验方法研究尿素与秸秆质量比、预处理温度和预处理时间对尿素预处理玉米秸秆的影响规律及交互作用。尿素与秸秆质量比分别为1∶10、1∶4、1∶2、3∶4和1∶1；预处理温度分别为60、70、80 ℃；3个预处理温度的预处理时间分别为6、8、10、12、14 d，4、6、8、10、12 d和2、4、6、8、10 d。

1.3 指标测定方法

TS采用105 ℃烘干8～12 h的烘干法[21]。成分分析包括木质素、葡聚糖、木聚糖和阿拉伯聚糖，采用美国可再生能源实验室的标准分析方法[14]，即经72%的硫酸（30 ℃，60 min）和4%的稀硫酸（121 ℃，60 min）水解后的单糖采用高效液相色谱仪（HPLC，Shimadzu，Kyoto，Japan，monosaccharide column （300×7.8 mm）（Phenomenex，Torrance，CA）测定，流动相的流速为0.6 mL/min，炉温为80 ℃；酸溶木质素采用紫外分光光度计（BioMate 3，Thermo，USA）测定。大豆粉脲酶活性的测定采用美国谷物师协会的标准分析方法——pH差值法[22]。SEM和FTIR分别采用高分辨率扫描电镜（S-3500M，Hitachi，Japan）和傅里叶红外光谱仪（Nicolet iS10，Thermo Fisher，USA）测定。

1.4 数据处理与分析

采用Excel 2010进行数据整理，取3次重复平均值；运用SPSS20.0 和Design-Expert 8.0.6进行统计性分析和交互作用分析。

2 结果与分析

2.1 TS对尿素预处理玉米秸秆主要成分的影响

TS对预处理秸秆主要成分的影响如图1所示。由图 1可知，秸秆木质素含量的质量分数随着TS的增加从15.46%增加到16.37%，但差异不显著，而葡聚糖、木聚糖和阿拉伯聚糖的含量则随着TS 的增加先增加后降低，TS为50%时的质量分数最高，分别为49.95%、21.25%和6.14%，此时可以获得较高的碳水化合物的含量，有利于后续进一步的转化利用。

2.2 大豆粉与秸秆质量比对尿素预处理玉米秸秆主要成分的影响

大豆粉中含有丰富的脲酶，本研究将大豆粉作为脲酶的来源，研究脲酶对尿素预处理玉米秸秆的影响。大豆粉与秸秆质量比对预处理秸秆主要成分的影响如图2所示。

由图2可知，秸秆木质素的质量分数在15.15%～16.06%的范围内波动，随着大豆粉与秸秆质量比的变化没有显著性差异，葡聚糖和阿拉伯聚糖的含量随着大豆粉与秸秆质量比的增加呈现先增加而后降低，大豆粉与秸秆质量比为1∶20时最大，其质量分数分别达到49.95%和6.14%。木聚糖的含量除了大豆粉与秸秆质量比增加到3∶40和1∶10时出现较明显的降低外，其他条件下差异并不显著，添加大豆粉各组的葡聚糖的含量显著大于未添加大豆粉的空白对照。

2.3 尿素与秸秆质量比、预处理温度和预处理时间对尿素预处理玉米秸秆主要成分的影响

综合TS和大豆粉与秸秆质量比对尿素预处理玉米秸秆主要成分的影响结果，重点研究质量分数50%TS和1∶20大豆粉与秸秆质量比时，尿素与秸秆质量比、预处理温度和预处理时间对尿素预处理玉米秸秆主要成分的影响及关键优化参数。

尿素预处理秸秆木质素的含量如图3所示。由图3可知，在3个温度下，预处理后秸秆木质素的含量均随着尿素与秸秆质量比和预处理时间的增加而减少（< 0.01），且随着预处理温度的增加略有降低。尿素与秸秆质量比为1∶1，预处理温度为80、70、60 ℃，分别预处理10、12、14 d时秸秆的木质素质量分数分别为14.20%、15.91%、17.34%，比空白（20.35%、20.39%、19.83%）分别减少30.22%、21.97%、12.56%。同时，预处理时间均为10 d，尿素与秸秆质量比为1∶1的样本比尿素与秸秆质量比为1∶10、1∶4、1∶2和3∶4样本的木质素质量分数分别减少23.66%、17.82%、13.41%和4.63%。

尿素预处理秸秆葡聚糖的含量如图4所示。葡聚糖是由纤维素水解转化而来的，其含量能直接说明尿素预处理秸秆中纤维素的含量。由图4可知，在3个温度下，预处理后秸秆葡聚糖的含量均随着尿素与秸秆质量比和预处理时间的增加而增加（< 0.01），且随着预处理温度的增加而升高。预处理过程中的总固体回收率是预处理后剩余的总固体质量与预处理前总固体质量的百分比。理论上，预处理后秸秆的总固体回收率是在一定范围内随着秸秆木质素含量的减少而降低的，从而促进秸秆葡聚糖含量的增加，同时也说明预处理的效果更好。本试验中，尿素与秸秆质量比为1∶1，预处理温度为80、70、60 ℃，分别预处理10、12、14 d时秸秆葡聚糖的质量分数分别为51.75%、45.57%、42.87%，比空白（39.31%、38.24%、38.10%）分别增加31.65%、19.17%、12.52%；此时，对应预处理后秸秆的总固体回收率为63.69%、69.73%、73.01%，比空白总固体回收率（95.53%、96.67%、97.93%）减少33.33%、27.87%、25.45%，而该条件下的葡聚糖回收率分别为97.24%、93.75%、92.34%，说明该方法能够很好的保护纤维素不被破坏，进而为提高纤维素后续的利用效率创造条件。

预处理秸秆的木聚糖和阿拉伯聚糖含量分别如图 5和图6所示。半纤维素包括木聚糖、阿拉伯聚糖、甘露聚糖和半乳聚糖等，其中木聚糖占总量的50%以上。由图5可知，在3个温度下，预处理后秸秆木聚糖含量的变化趋势类似木质素，也是随着尿素与秸秆质量比和预处理时间的增加而减少（< 0.01），而随着预处理温度的变化差异不显著。由图6可知，预处理后秸秆阿拉伯聚糖的含量虽然随着预处理时间的延长整体呈略下降的趋势，但随着尿素与秸秆质量比、预处理温度变化的差异不显著，均在3.93%～6.65%范围内波动，呈现出非线性关系。尿素与秸秆质量比为1∶1，预处理温度为80、70、60 ℃，分别预处理10、12、14 d时秸秆木聚糖的质量分数分别为20.67%、20.40%、19.92%，比空白（24.52%、24.47%、25.11%）分别减少15.7%、16.63%、20.67%，而阿拉伯聚糖的质量分数分别为4.23%、4.67%、4.28%；同时，木聚糖和阿拉伯聚糖的回收率分别为61.63%、66.70%、68.09%和64.55%、66.92%、64.24%。

理论上，预处理试剂的添加量、预处理温度和预处理时间对预处理效果具有一定的交互作用[14,20]，说明在尿素添加量较小、预处理温度较低的条件下，只要预处理时间足够长，同样可以达到较好的预处理效果，但工程实际不能接受预处理的时间过长。本研究中，针对尿素与秸秆质量比（1∶2、3∶4、1∶1）、预处理温度（60、70、80 ℃）和预处理时间（6、8、10 d）3个因素3个水平的交互作用分析得出，尿素与秸秆质量比和预处理温度2个因素对秸秆葡聚糖、阿拉伯聚糖含量的交互作用影响显著（< 0.01），尿素与秸秆质量比、预处理温度和预处理时间3个因素对秸秆阿拉伯聚糖含量的交互作用影响显著（< 0.01），其响应曲面如图7所示，而其他因素的交互作用并不显著。这是因为在本试验尿素与秸秆质量比、预处理温度和预处理时间3个因素选取的水平范围内，预处理后秸秆的各主要成分（阿拉伯聚糖除外）与尿素与秸秆质量比、预处理温度和预处理时间近似呈线性关系，80 ℃、1∶1尿素与秸秆质量比，且预处理时间越长时的预处理效果越好，所以呈平面线性关系的交互作用不显著。

由于NH3与秸秆中水分的反应是放热反应，在无外加热源的条件下，容积为670 mL反应系统的温度能够达到70 ℃[7]。因此，在本试验的温度范围内高TS下的尿素预处理，尿素与秸秆质量比是预处理的核心因素，其次是预处理温度和预处理时间。

2.4 尿素预处理对玉米秸秆表面形态结构的影响

秸秆表面的形态结构分析是验证木质素是否被打破和尿素预处理方法可行性的最直观方法。预处理温度为80、70、60 ℃，分别预处理10、12、14 d时玉米秸秆的扫描电镜图如图8所示。由图8可知，未经预处理的原秸秆表现出完整的、未受任何损伤的纤维结构，其表面是光滑、坚硬和紧密的形态，说明木质素完好的包裹着纤维素和半纤维素。然而，经过尿素预处理后，其表面的纤维结构变得粗糙，纤维杂乱无章的膨胀和剥落使秸秆表面形成多孔性，且随着预处理温度的升高越突出，从而促进内部纤维素的有效利用[23-24]。

2.5 尿素预处理对玉米秸秆基团结构的影响

综合以上结果得出，温度为80 ℃时的预处理效果最好，且尿素与秸秆质量比是核心影响因素，本部分选取预处理时间为10 d，尿素与秸秆质量比为1∶10和1∶1的样本，分析尿素预处理前、后玉米秸秆基团结构的变化，具体如图9所示。

由图9可知，预处理前、后玉米秸秆基团结构的变化不明显，只有与纤维素、半纤维素和木质素相关的C-O基（1 032 cm-1）波动最显著，但尿素与秸秆质量比为1∶10的样本与未经预处理的原秸秆没有明显差异，而尿素与秸秆质量比为1∶1样本C-O基的拉伸最小[25]。同时，与纤维素相关的C-H基（896 cm-1）和与木质素相关的芳香族（1 157、1 424、1 508 cm-1）及C-O基（1 233、1 316、1 367 cm-1）波动均较小[6,26-30]，木质素和羟基肉桂酸键破裂明显，有效的打破了秸秆表面木质素的密封。

2.6 讨 论

在高TS且较低温度下，通过尿素转化为气态NH3的预处理能够有效改变玉米秸秆表面木质素的结构，促进木质素和羟基肉桂酸键的明显破裂，并能去除一些木质素，但玉米秸秆木质素含量的波动不大，质量分数50%TS可以获得较高的葡聚糖、木聚糖和阿拉伯聚糖含量。1∶40～1∶10的大豆粉与秸秆质量比对预处理玉米秸秆木质素的变化没有显著影响，大豆粉中的脲酶可以提高尿素预处理秸秆中葡聚糖和阿拉伯聚糖的含量，1∶20的大豆粉与秸秆质量比较好。该结果与氨纤维爆破[8]和无水液氨[7,11]等氨化预处理方法的结果相似，因为这些预处理过程中的TS均较高，是以打破木质素的密封来提高纤维素的利用率为核心目标[31-32]，虽然该类方法不如低TS下的氨水、碳酸铵等预处理方法可以较好的溶解木质素，不能获得较高的木质素去除率[7-9]，但能获得较高的纤维素含量及后续的纤维素利用率[7-11]，因此，通过固态尿素转化的NH3预处理玉米秸秆是可行性的，质量分数50%TS，1∶20大豆粉与秸秆质量比，1∶1尿素与秸秆质量比，80 ℃预处理温度，10 d的预处理效果最优，该结果与Yoo等[7]采用高压无水液氨的预处理结果相似，虽然气态NH3与秸秆中水分反应产生的热量可能将预处理温度提高到70 ℃[7]，但仍是更高的80 ℃时的预处理效果更好。

尿素预处理过程中能够很好地保护纤维素不被破坏，但会损失一部分半纤维素，因为半纤维素相对木质素和纤维素不是很稳定，在经过预处理后冲洗的过程中较易溶于水[18]。预处理后秸秆木质素、葡聚糖、木聚糖的含量与尿素与秸秆质量比、预处理温度和预处理时间近似呈线性关系，温度（80 ℃）最高、尿素与秸秆质量比最大（1∶1），且预处理时间越长时的预处理效果越好。而秸秆阿拉伯聚糖的含量随着预处理时间的延长整体呈略下降的趋势，但随着尿素与秸秆质量比、预处理温度变化的差异不显著，呈现出非线性关系，该结果与Zhang等[33]采用1.5%稀硫酸预处理不同品种的大须芒草和柳枝稷的研究结果类似，这是因为阿拉伯聚糖在纤维类生物质中的含量较低，经预处理后，其含量增加或减少的趋势并不显著，不同的生物质差别也较大[34-35]。因此，在本试验尿素与秸秆质量比、预处理温度和预处理时间选取的水平范围内，除了尿素与秸秆质量比和预处理温度2个因素对秸秆葡聚糖、阿拉伯聚糖含量的交互作用显著（< 0.01），以及尿素与秸秆质量比、预处理温度和预处理时间3个因素对秸秆阿拉伯聚糖含量的交互作用显著（< 0.01）外，其他因素之间的交互作用并不显著。尿素与秸秆质量比是高TS尿素预处理的核心因素，其次是预处理温度和预处理时间。

3 结 论

1）尿素预处理玉米秸秆木质素的含量随着总固体负荷（Total Solids，TS）的增加而增加，葡聚糖、木聚糖和阿拉伯聚糖的含量则随着TS 的增加先增加后降低，质量分数50%TS的尿素预处理能够很好的保护秸秆中的糖类。

2）大豆粉中的脲酶可以显著提高尿素预处理玉米秸秆中葡聚糖和阿拉伯聚糖的含量，而对木质素和木聚糖含量的影响不显著，1∶20大豆粉与秸秆质量比较好。

3）尿素预处理玉米秸秆木质素和木聚糖的含量随着尿素与秸秆质量比和预处理时间的增加有小幅度的降低，随着预处理温度的增加差异不显著，葡聚糖的含量随着尿素与秸秆质量比、预处理温度和预处理时间的增加则具有相对较大幅度的升高，阿拉伯聚糖的含量虽然随着预处理时间的延长整体呈现略下降的趋势，但随着尿素与秸秆质量比、预处理温度的变化差异不显著。质量分数50%TS、1∶20大豆粉与秸秆质量比时，1∶1尿素与秸秆质量比、80 ℃、10 d的预处理效果最优，预处理后玉米秸秆木质素、葡聚糖、木聚糖和阿拉伯聚糖的质量分数分别达到14.20%、51.75%、20.67%和4.23%。

4）尿素预处理玉米秸秆过程中，与纤维素、半纤维素和木质素相关的C-O基（1 032 cm-1）波动最显著，木质素和羟基肉桂酸键破裂明显，有效的打破了秸秆表面木质素的结构，证明了高TS下，通过固态尿素转化的NH3预处理玉米秸秆是可行性的。

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Effects of urea pretreatment on the main components and structure of maize stover with high-solid loading

Wang Lili1, Li Yibo1, Xu Lei1, Wang Zhongjiang1,2, Wang Yihao1, Sui Yuhang1

(1.,,150030,2.,150030,)

Urea is a common type of low-cost nitrogen fertilizer with a nitrogen content of 46%. Furthermore, urea is easily dissolved in water and then converted into gaseous ammonia or ammonium and bicarbonate ions upon catalysis by urease. To date, urea has served as an additive to pretreat the softwood spruce, hardwood birch, bamboo, and rice straw, because it can be transported, stored, and used without special equipment or conditions. However, the pretreatment of lignocellulosic biomass using only urea has not been extensively studied, especially for the pretreatment at high solids loading (TS). Furthermore, TS is a key factor in aqueous or gaseous ammonia production from urea. Therefore, this study aims to explore the effect of urea as a single reagent on the maize stover pretreated with TS. Meanwhile, the urease in soybean flour was used to promote the conversion of urea to ammonia, in order to realize the spontaneous pretreatment of maize stover with gaseous NH3at relatively low temperature. A variable-controlling and full factorial experiment was carried out at a relatively high TS.A systematic investigation was made to explore the effects of TS (30%-70%), soybean flour to maize stover ratio (1:40-1:10), urea to maize stover ratio (1:10-1:1), pretreatment temperature (60-80℃), and pretreatment time (2-14 d) on the compositional characteristics, the surface morphology, and group structure of maize stover. The results indicated that the lignin content of pretreated maize stover increased, whereas, the content of glucan, xylan and araban increased firstly and then decreased, as the TS increased. The carbohydrates in the maize stover were well protected after the urea pretreatment with 50% TS. The urease in soybean flour increased the glucan and araban content of urea-pretreated maize stover, but no influence on the lignin and xylan content. It was found that the 1:20 ratio of soybean flour to maize stover was favorable for the urea pretreatment of maize stover. The lignin and xylan content of pretreated maize stover decreased slightly, with the increase of urea to maize stover ratio and pretreatment time, but differed insignificantly as pretreatment temperature. Nevertheless, the glucan content of pretreated maize stover increased significantly, with the increase of urea to maize stover ratio, pretreatment temperature, and time. The araban content of pretreated maize stover decreased slightly with the increase of pretreatment time, but remained unchanged with the increase in the urea to maize stover ratio and pretreatment temperature. The solid recoveries of maize stover were 63.69%, 69.73%, and 73.01% at three temperatures (80, 70, 60℃) for 10, 12, and 14 d, after pretreatment with fixed 50% TS, 1:20 ratio of soybean flour to maize stover, and 1:1 ratio of urea to maize stover. Under the same conditions, the recoveries were 97.24%, 93.75% and 92.34% for glucan, 61.63%, 66.70% and 68.09% for xylan, and 64.55%, 66.92% and 64.24% for araban. The contents reached 14.20%, 15.91% and 17.34% for lignin, 51.75%, 45.57% and 42.87% for glucan, 20.67%, 20.40% and 19.92% for xylan, and 4.23%, 4.67% and 4.28% for araban. The C-O group (1 032 cm-1) related with cellulose, hemicellulose and lignin of maize stover fluctuated significantly, and the lignin and hydroxycinnamate linkages cleaved obviously during urea pretreatment. Consequently, it is feasible for the maize stover pretreatment with spontaneous gaseous NH3from urea at higher TS. The finding can provide a potential research basis for urea pretreatment.

maize; stover; urea pretreatment; lignin; glucan; xylan; araban

王丽丽，李一博，许雷，等. 高固体负荷下尿素预处理对玉米秸秆主要成分和结构的影响[J]. 农业工程学报，2021，37(8)：204-211.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.08.023 http://www.tcsae.org

Wang Lili, Li Yibo, Xu Lei, et al. Effects of urea pretreatment on the main components and structure of maize stover with high-solid loading[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2021, 37(8): 204-211. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.08.023 http://www.tcsae.org

2021-01-11

2021-04-12

国家重点研发计划（2018YFE026602）；国家自然科学基金项目（51406032）；东北农业大学“学术骨干”项目（18XG15）；黑龙江省博士后科研启动基金项目（LBH-Q19 008）

王丽丽，博士，教授，博士生导师，研究方向为农业生物环境与能源工程，Email：wanglili22663@163.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2021.08.023

S216

A

1002-6819(2021)-08-0204-08