1.4.2　固渣微观结构分析

根据Chandra等[4]的统计，一些常见的农作物秸秆（如小麦秸秆、玉米秸秆、稻秸秆，草秸秆）的纤维素、半纤维素及木质素含量分别在25%～44.3%、30%～50%、10%～21%之间，称为“三素”，通过范氏洗涤法来测定[108]。除了成分外，秸秆微观结构也是重要的表征手段。微观结构主要包括颗粒表面形态、关键性化学键和官能团的特征及纤维素结构，这些结构的变化可以反映原料被降解菌和水解酶利用的程度。目前秸秆微观结构常用的研究手段有扫描电镜（scanning electron microscope，SEM）、傅立叶变换红外光谱仪（fourier transform infrared spectrometer，FTIR）、X射线衍射（X-ray diffraction，XRD）和核磁共振（nuclear magnetic resonance，NMR）等。

秸秆预处理或发酵前后结构的变化可以利用SEM直观表征。如Sun和Chen[109]在常压甘油自催化预处理麦草研究中，通过SEM观察到木质素与半纤维素降解物等形成的糖类复合体沉积在纤维表面，与原料结构明显不同。

化学键和特征官能团能利用FTIR进行表征，主要使用3个波段区间：4000～2500cm-1，为X-H伸缩振动区（X为C、O、N、S等元素）；2500～1900cm-1，为三键和双键累积区；1900～1200cm-1，为双键伸缩振动区[110]。秸秆组分都包含特有的特征峰，如半纤维素中木聚糖C＝O伸缩振动峰为1735cm-1，木质素的特征峰在1505～1515cm-1区间；多糖的特征峰在890～1200-1区间，其中890～900cm-1是纤维素β-葡萄糖糖苷键的特征峰，与纤维素的分解有关[110，111]。如Rodrigues等[111]通过设置1375cm-1、1160cm-1及898cm-1为对照峰，1510cm-1作为木质素特征峰，确定了蓝桉树（Eucalyptus globulus）木质素含量的变化。杨天学[110]在玉米秸秆干式厌氧发酵中，采用FTIR图谱分析纤维素、半纤维素和木质素特征官能团的变化，认为“三素”中各官能团降解程度差异明显，可以反映玉米秸秆发酵前后结构的变化。另外还可以通过FTIR来确定组成的变化，如波长1430-1cm与898-1cm、1429-1cm与893-1cm、1098-1cm与900-1cm比值可表征纤维素结晶区和无定形区的比例关系[107]。

纤维素结晶度是秸秆内部结构的重要参数之一，结晶度的降低有利于水解效率的提高[112]。如Monlau等[107]在研究秸秆各成分结构与甲烷产量关系时，分别利用FTIR的LOI（1430cm-1和898cm-1比）和XRD衍射峰峰值来确定纤维素的结晶程度，两者相关性较好（R2=0.93）。13C NMR对于分子内部排列更灵敏，因此更适合结晶度的测定。