無機(jī)金屬鹽和過氧化物對酸處理玉米秸稈纖維素和半纖維素降解的影響

賈 飛，許海艷，關(guān)轉(zhuǎn)飛，王 鑫，楊翔華

（遼寧石油化工大學(xué)環(huán)境與生物工程學(xué)院，遼寧撫順113001）

無機(jī)金屬鹽和過氧化物對酸處理玉米秸稈纖維素和半纖維素降解的影響

賈 飛，許海艷，關(guān)轉(zhuǎn)飛，王 鑫，楊翔華*

（遼寧石油化工大學(xué)環(huán)境與生物工程學(xué)院，遼寧撫順113001）

纖維質(zhì)物料的預(yù)處理是木質(zhì)纖維素原料發(fā)酵生產(chǎn)燃料乙醇的關(guān)鍵步驟。使用加入無機(jī)鹽和H2O2的稀酸溶液處理玉米秸稈，并考察其對纖維素和半纖維素降解的影響，同時測定了相應(yīng)的降解速率和處理強(qiáng)度（R）。結(jié)果表明，無機(jī)鹽和H2O2的存在提高了玉米秸稈半纖維素的降解程度和降解速率，促進(jìn)了半纖維素的單糖轉(zhuǎn)化率，但對纖維素的降解影響不大。通過條件優(yōu)化，當(dāng)R值為0.2時，木糖回收率最高達(dá)85%，而纖維素得到了有效的保留，損失率不超過10%。

玉米秸稈，纖維素，半纖維素，稀酸水解

玉米秸稈的主要化學(xué)成分是纖維素、半纖維素、木質(zhì)素，上述三種物質(zhì)的總量基本保持在70%左右。將纖維素和半纖維素降解成以葡萄糖、木糖為主的糖類物質(zhì)并轉(zhuǎn)化為液體燃料和化工原料，是高值化利用玉米秸稈的理想途徑之一。目前玉米秸稈預(yù)處理有多種方法，其中稀酸水解是一種經(jīng)濟(jì)性好的酶水解預(yù)處理工藝。它可以高效溶解半纖維素以及少部分木質(zhì)素，從而破壞木質(zhì)纖維素類生物質(zhì)內(nèi)部的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，因而有利于提高酶水解的處理效率[1]。傳統(tǒng)使用的稀酸溶液包括硫酸、鹽酸、磷酸等質(zhì)子酸，但其主要作用方式是在纖維素非晶區(qū)水解，且存在酸污染及腐蝕問題。近年來，一些研究報道使用Lewis酸水解[2]。相對于無機(jī)質(zhì)子酸水解而言，Lewis酸催化水解有所改進(jìn)，但用量較大導(dǎo)致成本較高。目前有報道稱在稀酸溶液中加入少量無機(jī)金屬鹽能顯著提高發(fā)酵糖得率[3]，但存在的大量木質(zhì)素由于結(jié)晶度降低引起的不可逆吸附會阻礙纖維素酶與纖維素的接觸和相互作用[4]。氧化處理是一種有效的使木質(zhì)素分離、半纖維素溶解，并使物料容易酶解和發(fā)酵的方法。常見的氧化劑主要有臭氧、氧氣、H2O2等。有研究報道，氧化劑在堿性條件下可以脫去40%～50%的木質(zhì)素和大部分半纖維素，同時能減少呋喃甲醛和酚醛等微生物發(fā)酵抑制物的形成，但也會有部分纖維素被氧化為CO2和H2O而損失掉[5]。使用含有無機(jī)鹽和H2O2的稀酸溶液處理玉米秸稈，研究其對纖維素和半纖維素降解的影響，并進(jìn)行了工藝條件的優(yōu)化。預(yù)處理后的玉米秸稈可用于下一步的發(fā)酵生產(chǎn)乙醇，為酶水解預(yù)處理工藝提供了一種選擇。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

玉米秸稈 纖維素38.2%、半纖維素23.6%、木質(zhì)素20.2%、灰分3.9%，撫順石油化工研究院提供；所用試劑 均為國產(chǎn)分析純。

1 L反應(yīng)釜 大連科茂實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司；秸稈擠壓器 實(shí)驗(yàn)室自制；717液相色譜 美國waters公司。

1.2 玉米秸稈的預(yù)處理

1.2.1 加入金屬無機(jī)鹽的稀硫酸預(yù)處理 將經(jīng)過粉碎和過篩的玉米秸稈顆粒（1～5mm）與一定量的無機(jī)鹽和1.5%H2SO4溶液混合，固液比1∶10，浸泡4h后，放入帶有攪拌裝置和加熱系統(tǒng)的反應(yīng)釜，加熱使反應(yīng)釜溫度迅速升至140～160℃，混合物攪拌反應(yīng)。待反應(yīng)結(jié)束后，將反應(yīng)混合物進(jìn)行擠壓和過濾，濾渣用25倍水在60℃洗滌12h后，測定其纖維素和半纖維素含量；濾液離心后取上清液直接分析測定單糖和寡聚糖（水溶性）含量。

1.2.2 加入H2O2的稀硫酸預(yù)處理 將經(jīng)過粉碎和過篩的玉米秸稈顆粒（1～5mm）與含有硫酸和無機(jī)鹽的水溶液混合并浸泡4h后，與H2O2混合后放入帶有攪拌裝置和加熱系統(tǒng)的反應(yīng)釜，按照1.2.1中的條件進(jìn)行處理。

1.3 分析方法

1.3.1 纖維素和半纖維素含量的測定 纖維素和半纖維素含量的測定采用NREL的方法[6]。具體方法如下：秸稈原料先用72%H2SO4在30℃下水解1h，然后加水稀釋至4%H2SO4，在121℃水解1h。反應(yīng)液經(jīng)過濾后，濾液中加入CaCO3中和至pH5～6，離心取上清液并放入冰箱中冷凍過夜。取出解凍，再次離心得上清液，進(jìn)色譜分析。葡萄糖和木糖的色譜條件：色譜柱HPX-87P（美國伯樂公司），示差檢測器，進(jìn)樣體積20μL，流動相為超純水，流速0.6mL/min，柱溫65℃，檢測溫度35℃。纖維素和半纖維素含量（Pi）是以水解液中葡萄糖和木糖進(jìn)行反推，計算公式如下：

經(jīng)預(yù)處理過的物料纖維素和半纖維素含量測定步驟同上。

1.3.2 水溶性聚糖的測定 將水解液分成兩份，一份直接中和pH至5～6并進(jìn)行測定，得到單糖含量P1；另一份用4%H2SO4在121℃水解1h，然后再中和進(jìn)行測定，得到糖液中總糖含量P2，水溶性聚糖含量W=P2-P1。

1.4 預(yù)處理強(qiáng)度（R）的計算

預(yù)處理強(qiáng)度根據(jù)Chum公式[7]計算，具體如下：R=logt·exp（T-100/14.75）-pH，其中t為反應(yīng)時間（min），T為溫度（℃）。

2 結(jié)果與討論

2.1 無機(jī)鹽對纖維素和半纖維素降解的影響

一般認(rèn)為[8]，在酸中加入無機(jī)金屬鹽能夠起到助催化的作用，其中金屬鹵化物的效果最佳。實(shí)驗(yàn)比較了相同氯離子濃度下幾種金屬鹵化物對玉米秸稈的處理效果（見圖1）。當(dāng)氯離子濃度為0.3mmol/L時，F(xiàn)eCl3效果最佳，其順序依次FeCl3>AlCl3>SnCl4>ZnCl2>CuCl2>NaCl>NH4Cl。在稀酸催化的反應(yīng)中，金屬氯化物中金屬陽離子的不同導(dǎo)致等量金屬氯化物反應(yīng)體系的酸強(qiáng)度不一樣，使得催化纖維素水解反應(yīng)效果也不同。文獻(xiàn)[9]也發(fā)現(xiàn)鐵離子能使纖維素更多地轉(zhuǎn)化為還原糖，并抑制其進(jìn)一步降解生成其他產(chǎn)物。

圖1 無機(jī)鹽對纖維素（A）和半纖維素（B）降解的影響

2.2 FeCl3對纖維素和半纖維素降解的影響

在稀酸的水溶液中加入FeCl3，隨著FeCl3加入量的增加，半纖維素的降解程度明顯增大，而纖維素的變化不大。由圖2可知，木糖回收率由61%增至79%，木聚糖（包括水溶性寡聚糖）回收率由39%降至12%。產(chǎn)生這一結(jié)果的原因可能是金屬離子和氯離子的協(xié)同作用。一方面，F(xiàn)eCl3是一種Lewis酸，強(qiáng)酸弱堿效應(yīng)使其發(fā)揮類似HCl的作用，而HCl處理木質(zhì)纖維素的效果要優(yōu)于H2SO4；另一方面，F(xiàn)e3+可能與半纖維素和木質(zhì)素的酚羥基產(chǎn)生配合作用[10]，有利于改變木質(zhì)纖維素的復(fù)合結(jié)構(gòu)，促進(jìn)酸對半纖維素的降解。半纖維素中的木糖含量隨著FeCl3加入量增加呈先升高后降低的趨勢，而木聚糖含量則呈逐漸降低的趨勢。這是因?yàn)镕eCl3的加入加速了半纖維素稀酸水解成單糖的過程，但過高含量的FeCl3會使反應(yīng)趨于激烈，導(dǎo)致副反應(yīng)發(fā)生，并不利于半纖維素轉(zhuǎn)化成木糖。另外，F(xiàn)eCl3加入量增加還導(dǎo)致半纖維素?fù)p失量增大，進(jìn)一步給予了證實(shí)。

升高溫度加速纖維原料的軟化過程，有利于削弱纖維素間的粘結(jié)。因此，酸處理溫度越高，則纖維的離解程度越高。比較了兩種反應(yīng)溫度下FeCl3對纖維素和半纖維素的降解程度。由圖2和圖3可知，當(dāng)反應(yīng)溫度從140℃升至160℃，纖維素的葡萄糖回收率和損失率都有所增加，但并不明顯，而半纖維的木糖回收率有所降低。這可能與溫度升高導(dǎo)致半纖維素發(fā)生非糖降解生成副產(chǎn)物有關(guān)[11]。實(shí)驗(yàn)也發(fā)現(xiàn)，即使升高溫度至180℃也不能完全使半纖維素完全降解，這可能與木質(zhì)纖維素高結(jié)晶的復(fù)雜結(jié)構(gòu)有關(guān)。

圖2 FeCl3對玉米秸稈纖維素（A）和半纖維素（B）降解的影響

圖3 FeCl3對玉米秸稈纖維素（A）和半纖維素（B）降解的影響

2.3 H2O2對纖維素和半纖維素降解的影響

過氧化物能加速木質(zhì)素的降解，而纖維素幾乎不受影響。過氧化物反應(yīng)過程中形成的單線態(tài)氧、過氧化自由基和羥基自由基能夠破壞纖維素中的C-C鍵，使木質(zhì)素分子側(cè)鏈氧化和芳香環(huán)氧化裂解[12]。H2O2通常與NaOH組合處理木質(zhì)纖維素，可以脫去部分木質(zhì)素，但半纖維素?fù)p失較大。我們在酸性條件下加入H2O2處理木質(zhì)纖維素，具體結(jié)果如圖4，從中可以看到，加入H2O2后，纖維素降解程度幾乎沒有變化，半纖維素的降解程度有所提高，其中木糖回收率最高可達(dá)82%，而半纖維素?fù)p失率并沒有明顯增加。這可能是因?yàn)樵诖藢?shí)驗(yàn)條件下，過氧化氫比較緩慢地釋放出羥基自由基和活性氧，從而不能使半纖維素和纖維素發(fā)生氧化降解。

圖4 H2O2對玉米秸稈纖維素（A）和半纖維素（B）降解的影響

實(shí)驗(yàn)也比較了兩種反應(yīng)溫度下H2O2對纖維素和半纖維素的降解程度。由圖4和圖5可知，當(dāng)反應(yīng)溫度從140℃升至160℃，纖維素的葡萄糖回收率和損失率都略有變化，但并不明顯，而半纖維的單糖和聚糖回收率有所下降，糖的損失率增加。

圖5 H2O2對玉米秸稈纖維素（A）和半纖維素（B）降解的影響

2.4 降解速率的測定

為了進(jìn)一步驗(yàn)證FeCl3和H2O2的酸催化助劑作用，實(shí)驗(yàn)比較了未加和加入催化助劑的木質(zhì)纖維素稀酸降解速率。由圖6可知，纖維素和半纖維素的單獨(dú)稀酸水解在5～40min內(nèi)近似一級反應(yīng)。加入氯化鐵和氯化鐵-雙氧水的稀酸水解在5～20min內(nèi)呈一級反應(yīng)，反應(yīng)時間達(dá)到20min時，半纖維素的降解已經(jīng)基本完成，而后隨著時間延長至40min時，半纖維素降解的極其緩慢。不同于半纖維素，纖維素的降解速率幾乎不受催化助劑的影響。相比未加催化助劑的稀酸處理，催化助劑能顯著提高半纖維素水解的反應(yīng)速率（斜率的絕對值增大），縮短反應(yīng)時間。

圖6 纖維素（A）和半纖維素（B）降解速率的測定

表1給出了纖維素和半纖維素的降解速率，其中半纖維素的降解速率因?yàn)榇呋鷦┨岣吡私?倍，達(dá)到0.0462min-1，而纖維素的降解速率變化不大。這也說明纖維素與半纖維結(jié)構(gòu)不同導(dǎo)致對物理化學(xué)作用抗性不同，使得半纖維素和纖維素水解條件有所差別。

表1 纖維素和半纖維素反應(yīng)速率

2.5 處理強(qiáng)度對纖維素和半纖維素降解的影響

根據(jù)公式R=logt·exp（T-100/14.75）-pH，酸處理強(qiáng)度與反應(yīng)溫度、時間和反應(yīng)液的pH有關(guān)，由于預(yù)處理反應(yīng)是在密閉容器中進(jìn)行，升高溫度往往導(dǎo)致壓力增加，加速了酸液向纖維內(nèi)部的滲入速率，從而使水解反應(yīng)更充分完全。除此之外，原料大小和濕度等因素也會影響酸處理強(qiáng)度的實(shí)際效果。固定硫酸濃度（1.5%H2SO4）、反應(yīng)溫度（140℃）和時間（10min），變化FeCl3和H2O2的濃度，考察酸處理強(qiáng)度對纖維素和半纖維素降解的影響。由圖7可知，隨著處理強(qiáng)度的增大，纖維素糖（葡萄糖）回收率呈上升趨勢，而半纖維素糖（木糖）的回收率先增大后降低。當(dāng)處理強(qiáng)度為0.2時，木糖回收率達(dá)到最大值85%。不同于半纖維素，纖維素的回收率始終較低，這也說明在本實(shí)驗(yàn)條件下并不能使纖維素有效降解，但由于半纖維素的高度脫除，必然破壞了木質(zhì)纖維素原有的結(jié)晶復(fù)合結(jié)構(gòu)，從而有利于提高纖維素對纖維素酶的可及性，這也為酶水解預(yù)處理方法提供了一種選擇。

圖7 處理強(qiáng)度對玉米秸稈中纖維素和半纖維素降解的影響（FeCl3：0～1.2mmol/L，H2O2：0～6mmol/L）

3 結(jié)論

本實(shí)驗(yàn)使用無機(jī)鹽和過氧化物的稀酸溶液處理玉米秸稈。結(jié)果表明，無機(jī)鹽和H2O2的存在提高了玉米秸稈半纖維素降解程度和降解速率，促進(jìn)了半纖維素的糖轉(zhuǎn)化率，但對纖維素的降解影響不大。通過條件優(yōu)化，木糖回收率最高達(dá)85%，而纖維素得到了有效的保留，損失率不超過10%，這為下一步的發(fā)酵生產(chǎn)乙醇提供了一條新的途徑。

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Effect of inorganic salts and peroxide on degradation of corn stalks cellulose and hemicellulose treated by dilute acid

JIA Fei,XU Hai-yan,GUAN Zhuan-fei,WANG Xin,YANG Xiang-hua*

（School of Environmental and Biological Engineering,Liaoning Shihua University,Fushun 113001,China）

Pretreatment has been viewed as one of the most important operation steps in the bioconversion of lignocellulosic biomass to ethanol.In the study，inorganic salts and H2O2were studied as promoter in the dilute acid pretreatment for the degradation of cellulose and hemicellulose in corn stover.The degradation rate constant and severity of the pretreatment reaction was also determined.The results showed that the pretreatment by inorganic salts and H2O2were more effect than the only dilute acid pretreatment for the hemicellulose degradation and xylose yields；while the addition of inorganic salts and H2O2gave no effect on the degradation of cellulose.The optimum conditions where the severity factor(R)was 0.2 gave a yield of 85%xylose.Under the conditions，the cellulose degradation was always low with only 10%of cellulose removal.

corn stover；cellulose；hemicellulose；dilute acid hydrolysis

TS210.1

B

1002-0306（2011）10-0349-05

2010－12－22 * 通訊聯(lián)系人

賈飛（1982-），男，碩士研究生，研究方向：生物化工。

撫順石油化工研究院院控項(xiàng)目（SH0905）。