玉米秸稈酸水解液中單糖種類及其變化規(guī)律

王文波 孔凡功 王守娟 陳嘉川 楊桂花

（制漿造紙科學(xué)與技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、山東輕工業(yè)學(xué)院，山東 濟(jì)南，250353）

玉米秸稈酸水解液中單糖種類及其變化規(guī)律

王文波 孔凡功 王守娟 陳嘉川 楊桂花

（制漿造紙科學(xué)與技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、山東輕工業(yè)學(xué)院，山東 濟(jì)南，250353）

研究了玉米秸稈稀酸條件下水解所得的單糖種類，以及不同酸處理?xiàng)l件對各產(chǎn)物得率的影響。玉米秸稈經(jīng)高濃磨粗磨后，在蒸煮鍋中用稀酸處理，所得水解液經(jīng)高效液相色譜檢測，測得其中的單糖種類及其含量，并研究了各單糖產(chǎn)量隨溫度的變化趨勢。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，酸水解液中水解產(chǎn)物主要為木糖、L-阿拉伯糖、果糖、葡萄糖。在溫度為100～140℃時(shí)，水解液的主要產(chǎn)物為L-阿拉伯糖和葡萄糖；溫度大于140℃時(shí)，水解液中的主要產(chǎn)物為木糖。

稀酸水解 玉米秸稈 單糖測定 高效液相色譜

世界上，每年都會生產(chǎn)大量的玉米秸稈。玉米秸稈是一種生物質(zhì)能源，含有大量的纖維素、半纖維素、木質(zhì)素，若利用得當(dāng)，將會產(chǎn)生大量的經(jīng)濟(jì)及社會效益，是當(dāng)前能源危機(jī)形式下的一種重要的潛在代替能源。但由于其利用技術(shù)的不成熟，現(xiàn)在大部分的玉米桿都是在地里直接焚燒掉，不僅不能有效地利用其中的生物質(zhì)能源，其煙霧中含有的大量的TSP（總懸浮顆粒）和SO2，還會造成嚴(yán)重的大氣污染。所以，如何將農(nóng)業(yè)廢棄物玉米秸稈進(jìn)行有效地綜合利用正逐漸成為生物質(zhì)能源研究者們的研究熱點(diǎn)。

目前，生物質(zhì)中半纖維素的處理方法研究成果較多，主要有高溫?zé)崴A(yù)提取法、稀酸預(yù)處理法、蒸汽爆破法、有機(jī)溶劑提取法、酶處理法、堿處理法、微波輔助提取法等。其中，稀酸預(yù)處理法可有效地降解玉米秸稈中的半纖維素為單糖，且對纖維素的影響不大。稀酸法是研究最廣泛[1]、最有效的木質(zhì)纖維素預(yù)處理方法之一。與其他預(yù)處理方法相比，稀酸法不僅可以破壞原料中纖維素的晶體結(jié)構(gòu)，使原料變得疏松；而且可以有效地水解半纖維素，節(jié)省了半纖維素酶的使用，從而使生物質(zhì)原料得到充分利用。酸水解可以直接將木質(zhì)纖維素水解產(chǎn)生單糖，也可作為酶水解的預(yù)處理方法，而且具有較好的可操作性和經(jīng)濟(jì)可行性。

本試驗(yàn)采用稀酸水解法來降解玉米秸稈，同時(shí)測其水解液中降解下的單糖含量，從而確定玉米秸稈酸水解液中的單糖種類及其含量隨水解條件的變化規(guī)律[2]，為從玉米秸稈中提取不同種類的單糖工藝作依據(jù)。

1 試驗(yàn)部分

1.1 原料與主要設(shè)備

（1）原料：玉米稈取自山東省濟(jì)南市長清區(qū)。

（2）主要設(shè)備：電熱蒸煮鍋（ZQS1-E,15L，陜西科技大學(xué)機(jī)械廠制造），KRK高濃磨（No．2500-Ⅱ）；島津HPLC（LC-20AT*2，RID-10A，CBM-20A，CLC-NH2色譜柱）

1.2 試驗(yàn)方法

（1）玉米稈備料過程。玉米稈→剝?nèi)ト~子→切成小段（長2～5 cm）→清水浸泡4 h→高濃磨粗磨碎解（磨片間隙1．5 mm，使?jié){料均勻）→平衡水分，冰箱儲存，備用。

（2）玉米稈酸水解過程。50g絕干玉米稈→入蒸煮小罐→將濃硫酸稀釋后加入小罐中，升溫蒸煮。

蒸煮條件為：50g絕干玉米桿，1:6液比，水解時(shí)間3 h，溫度區(qū)間為100～170℃。

（3）水解液成分檢測。取各小罐水解液→靜置30 min→取上層清液→用0．45μm膜過濾→用0．22μm膜過濾→用HPLC檢測單糖種類及其含量（CLC-氨其柱，乙腈:水＝75:25，1 mL/min，20μL）。

1.3 檢測結(jié)果

玉米秸稈酸水解液的HPLC數(shù)據(jù)檢測譜圖，見圖1，在圖1中我們可以看到，每個(gè)峰都是獨(dú)立的，沒有重疊區(qū)間，故可以確定用此方法檢測水解液中的單糖方法是可行的。圖1中的每一個(gè)峰代表一種單糖物質(zhì)，通過與各種純單糖的HPLC譜圖對比，可以得到各峰代表的單糖種類如下：

（1）3．534——水；

（2）10．047——木糖；

（3）11．678——L-阿拉伯糖；

（4）12．928——果糖；

（5）14．992——葡萄糖。

圖1 玉米秸稈酸水解液譜圖

2 結(jié)果與討論

2.1 制定標(biāo)準(zhǔn)曲線

木糖、葡萄糖、L-阿拉伯糖、果糖HPLC標(biāo)準(zhǔn)曲線的制定（采用外標(biāo)法對水解液中的單糖含量進(jìn)行測定），見圖2。

取單糖標(biāo)準(zhǔn)樣品（精準(zhǔn)至0．000 1g）→溶于10 mL去離子水中→0．22微孔濾膜過濾→HPLC檢測（CLC-NH2柱，1 mL/min，乙腈:水＝75:25，示差折光檢測器）。

各單糖標(biāo)準(zhǔn)曲線見圖2。橫坐標(biāo)為單糖溶液的濃度（g/10mL），縱坐標(biāo)為示差折光檢測器得到的各單糖峰面積。由此，若從水解液中測得某單糖對應(yīng)峰的面積，則可通過標(biāo)準(zhǔn)曲線讀取其對應(yīng)的單糖實(shí)際含量。

2.2 水解液HPLC

蒸煮完成后，將蒸煮小罐放入涼水中快速冷卻，卸鍋后，用細(xì)孔漿袋進(jìn)行擠漿，得到原始蒸煮液，靜置使蒸煮液中的殘?jiān)恋?，取上層清液，進(jìn)行微孔濾膜過濾，用HPLC對其進(jìn)行檢測。本試驗(yàn)采用蒸煮鍋四小罐同時(shí)蒸煮，每小罐內(nèi)加入50 g（絕干量，經(jīng)1．5 mm高濃磨碎解）玉米稈，分別加入濃硫酸0 mL，0．5 mL，1 mL，2 mL，對應(yīng)的硫酸相對漿料的加入量分為0，1．84%，3．68%，7．36%。

圖3可見，四條不同酸用量曲線隨溫度的升高，其所對應(yīng)的木糖含量均逐漸升高；但當(dāng)溫度高于160℃后，隨溫度的升高木糖含量反而降低。這可能是因?yàn)?，在高溫酸性條件下，部分木糖可能轉(zhuǎn)化成了果糖，從而造成了水解液中的木糖含

圖2 木糖、葡萄糖、果糖、L-阿拉伯糖HPLC標(biāo)準(zhǔn)曲線

量的降低。也可能是因?yàn)槟咎菚诟邷匾簯B(tài)水中產(chǎn)生動力學(xué)分解反應(yīng)，降解成糠醛、甲酸和腐殖質(zhì)（參考《用HPLC證實(shí)單糖在酸性處理中的變化》）（摘自《高溫液態(tài)水中單糖分解反應(yīng)動力學(xué)研究》）。

圖3 木糖含量隨溫度變化曲線

具體分析如下：

在不加酸條件下，隨溫度升高，在100～170℃區(qū)間上，幾乎沒有木糖的產(chǎn)生。

從1．84%硫酸用量曲線可以看到，在溫度較低時(shí)，木糖含量極低，故可認(rèn)定，玉米桿的低溫稀酸水解效果較差[3]。在此條件下，若想得到一個(gè)較好的木糖產(chǎn)量，在低酸用量下必需提供一個(gè)相對較高的反應(yīng)溫度。圖3中可以看到，在溫度大于150℃后，木糖產(chǎn)量急劇增加，且在160℃時(shí)得到最大值。

通過比較四條不同酸用量木糖產(chǎn)量曲線我們可以看出，在酸用量較低時(shí)，必需要在較高溫度下才能得到較高的木糖含量[4]，而隨酸用量的增加，木糖產(chǎn)量最大值出現(xiàn)的位置逐漸向低溫移動。

在圖3中可以得到木糖最大產(chǎn)量條件為：保溫溫度160℃、3．68%硫酸用量、1:6液比、保溫3 h。此時(shí)蒸煮液中木糖濃度為0．23 g/10mL。若按液比1:6的理論值計(jì)算，50 g絕干玉米桿水解可得6．9 g木糖，即木糖產(chǎn)量為13．8%。

由圖4可以看到，當(dāng)溫度較低時(shí)，蒸煮液中的果糖含量較低；隨溫度升高果糖濃度逐漸增加，但相對于其他單糖產(chǎn)量，果糖產(chǎn)量相對較低。由此可知，玉米秸稈中的總果糖含量是相對較低的。從圖中我們可得到果糖的最大產(chǎn)量條件為：保溫溫度170℃、7．36%硫酸用量、1:6液比、保溫3h。此時(shí)蒸煮液中果糖濃度為0．0345g/10mL。若按液比1:6的理論值計(jì)算，50g絕干玉米桿水解可得到1．035 g果糖，即果糖產(chǎn)量為2．07%。

在圖4中，四條酸用量曲線的木糖產(chǎn)量值都是隨溫度的升高而增大的。已有文獻(xiàn)報(bào)道[5-6]，在高溫稀酸條件下，單糖之間可能存在相互轉(zhuǎn)化，如部分葡萄糖等可能會轉(zhuǎn)化為果糖。因此，此處的果糖產(chǎn)量可能有兩個(gè)來源。一為玉米桿水解過程中產(chǎn)生的原始果糖，另一為在高溫稀酸條件下葡萄糖等其他單糖的轉(zhuǎn)化而來[7-8]。

圖4 果糖產(chǎn)量隨溫度變化曲線

由圖5可以看到，葡萄糖的產(chǎn)量隨保溫溫度的升高而先升后降。硫酸用量為0時(shí)，在150℃時(shí)得到最大的葡萄糖產(chǎn)量，在硫酸用量為1．84%、3．68%、7．36%時(shí)，在130℃時(shí)得到最大的葡萄糖產(chǎn)量。相對于木糖來說，葡萄糖的最大產(chǎn)量對應(yīng)的溫度較低，即我們可以認(rèn)為葡萄糖比果糖更容易被酸水解，從而溶出。葡萄糖隨溫度的繼續(xù)升高產(chǎn)量降低的情況，則可能是因?yàn)樯厦嫣岬降母邷叵∷嵯聠翁侵g的相互轉(zhuǎn)化造成的。

從圖5中我們可以找到葡萄糖的最大產(chǎn)量點(diǎn)條件為：保溫溫度130℃、1．84%硫酸用量、1:6液比、保溫3 h。此時(shí)蒸煮液中葡萄糖濃度為0．085g/10mL。若按液比1:6的理論值計(jì)算，50 g絕干玉米桿水解可得到2．55 g葡萄糖，即葡萄糖產(chǎn)量為5．1%。

由圖6可見，L-阿拉伯糖隨溫度變化曲線與葡萄糖隨溫度變化曲線類似，也是在一個(gè)相對較低的溫度時(shí)就得到最大的單糖含量，而大于這最大產(chǎn)量后，隨溫度的升高，L-阿拉伯糖的含量也隨之降低。原因也可能是因?yàn)楦邷叵∷嵯聠翁侵g的相互轉(zhuǎn)化。

從圖6中可以找到L-阿拉伯糖的最大產(chǎn)量點(diǎn)條件為：保溫溫度130℃、1．84%硫酸用量、1:6液比、保溫3 h。此時(shí)蒸煮液中L-阿拉伯糖濃度為0．194g/10mL。若按液比1:6的理論值計(jì)算，50 g絕干玉米桿水解可得到5．81 g L-阿拉伯糖，即L-阿拉伯糖產(chǎn)量為11．6%。

綜上可見，在較低溫度水解時(shí)（100～140℃），水解液中的主要單糖為葡萄糖和L-阿拉伯糖，而在較高的溫度水解時(shí)（＞140℃），玉米秸稈酸水解液中的主要單糖為木糖。利用這個(gè)規(guī)律，可以很好地純化玉米秸稈中的主要單糖。

3 結(jié)束語

（1）玉米秸稈的酸水解液中主要含有四種單糖，分別為木糖、果糖、L-阿拉伯糖和葡萄糖。

（2）在溫度低于140℃時(shí)，水解液中的主要單糖為L-阿拉伯糖和葡萄糖，溫度高于140℃時(shí)，水解液中的主要單糖為木糖。

圖5 葡萄糖產(chǎn)量隨溫度變化曲線

圖6 L-阿拉伯糖隨溫度變化曲線

（3）本試驗(yàn)中在保溫溫度為160℃、硫酸用量為3．68%、1:6液比、保溫3 h條件下，得到的最大木糖產(chǎn)量為13．8%；在保溫溫度170℃、7．36%硫酸用量、1:6液比、保溫3h條件下，得到的最大果糖含量為2．07%；在保溫溫度130℃、1．84%硫酸用量、1:6液比、保溫3 h條件下，得到的最大葡萄糖產(chǎn)量為5．1%；在保溫溫度130℃、1．84%硫酸用量、1:6液比、保溫3 h條件下，得到的最大L-阿拉伯糖產(chǎn)量為11．6%。

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