麥草組分水熱-乙醇兩步法處理過程中木素在纖維表面的沉積形

李金寶 馮盼 修慧娟 李靜宇 宋特 李祥

摘要： 本課題通過研究水熱-乙醇兩步法對麥草組分分離效果的影響，采用場發(fā)射掃描電子顯微鏡、原子力顯微鏡和X光電子能譜研究了木素沉積形態(tài)的變化。結(jié)果表明，水熱-乙醇兩步法對半纖維素脫除率高達(dá)94.2%，但是其木素的脫除率僅為41.5%;這與木素在纖維表面發(fā)生了沉積這一現(xiàn)象有著密不可分的關(guān)系，水熱處理后部分木素以顆粒狀形式沉積在固相殘余物表面，而這一部分沉積的木素并不能在乙醇法處理后溶解，第二步的乙醇法處理改變了沉積木素的形態(tài)，將顆粒狀木素轉(zhuǎn)變?yōu)榘矊游皆诶w維表面，導(dǎo)致了水熱-乙醇兩步法對木素的脫除率較低。

關(guān)鍵詞：麥草;水熱處理;乙醇處理;木素包覆

中圖分類號：TS756 ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ?DOI：10.11980/j.issn.0254-508X.2019.11.002

Abstract： In this paper， the effects of hydrothermal-ethanol two-step treatment on the separation of wheat straw components were studied， and the changes of lignin deposition morphology were investigated by field emission scanning electron microscope， atomic force microscopy and X-ray photoelectron spectrometer. The results showed that the removal rate of hemicellulose by hydrothermal-ethanol two-step process was as high as 94.2%， but the removal rate of lignin was only 41.5%; it was closely related to the deposition of lignin on the surface of the fiber， some lignin was deposited as particles on the surface of the solid residues after hydrothermal treatment， and this part of the deposited lignin could not be solved by ethanol， the second step ethanol treatment changed the morphology of the deposited lignin， from granular lignin into a coating layer adsorbed on the surface of the fiber ，which resuled in low removal rate of lignin in hydrothermal-ethanol two-step treatment process.

Key words： wheat straw; hydrothermal treatment; ethanol treatment; lignin coated

我國作為農(nóng)業(yè)大國，每年的農(nóng)作物秸稈產(chǎn)量為8億多t [1]，但是秸稈利用率較低。而實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)高值化利用的前提是將秸稈結(jié)構(gòu)解離、組分進(jìn)行有效分離[2]。目前，常用的預(yù)處理技術(shù)（如酸法、堿法）存在一定的設(shè)備腐蝕和環(huán)境污染問題，導(dǎo)致這些預(yù)處理技術(shù)在實(shí)現(xiàn)農(nóng)作物秸稈資源的高值化利用上仍存在一些弊端[3];水熱法[4-8]和乙醇法[9-11]因其溶劑可回收而對木質(zhì)纖維素生物質(zhì)的預(yù)處理具有很大優(yōu)勢，因此利用清潔環(huán)保的水和乙醇溶劑使秸稈分離成纖維素、木素和半纖維素的降解產(chǎn)物，可實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)3大組分的清潔有效分離。

水熱法處理對半纖維素溶出的同時可使部分木素發(fā)生降解溶出[7]，然而木素的解構(gòu)和再聚合會同時發(fā)生[8];乙醇法能顯著提高脫木素的作用，同時可減少木素結(jié)構(gòu)的變化[12]。水熱法和乙醇法聯(lián)合處理的研究表明[13]，木素的解構(gòu)有利于乙醇法脫木素，而再聚合的木素則不利于乙醇溶解，水熱法使沉積在固相產(chǎn)物表面的木素需要有更苛刻的乙醇法脫木素條件[14]，這一現(xiàn)象可能與木素再聚合的形態(tài)有關(guān)系。因此本課題通過研究水熱-乙醇兩步法對麥草3大組分分離效果的影響，深入探究了水熱-乙醇兩步法分級分離過程中木素在纖維表面的形態(tài)變化和包覆規(guī)律，進(jìn)而對提高脫木素效率提供參考。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 原料及藥品

麥草，水分10%，取自陜西某地，經(jīng)機(jī)械粉碎后篩取40～60目之間組分備用;質(zhì)量分?jǐn)?shù)95%乙醇，分析純，購自天津市大茂化學(xué)試劑廠;乙酸（CH3COOH），分析純，購自天津市北方天醫(yī)化學(xué)試劑廠。

麥草原料的組分含量按照國家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測量，結(jié)果如表1所示。

1.2 水熱-乙醇兩步法處理

將麥草與水按固液比1∶16（g/mL）混合均勻，置于100 mL微型高壓反應(yīng)釜（型號PARR 5500， 美國Parr Instrument Company）中，在轉(zhuǎn)速350 r/min條件下，先升溫至180℃，然后保溫70 min，反應(yīng)結(jié)束后，用冰水浴使反應(yīng)釜迅速降溫至40℃左右，用墊有120目尼龍網(wǎng)的布氏漏斗對反應(yīng)產(chǎn)物過濾分離，并用去離子水洗滌后，在105℃下干燥得到固相殘余物。

將固相殘余物與質(zhì)量分?jǐn)?shù)50%乙醇水溶液混合，并加入0.03 mol/L CH3COOH作為催化劑，總固液比為1∶14（g/mL），置于反應(yīng)釜中，升溫至190℃，保溫90 min，反應(yīng)結(jié)束后，過濾得到的固相組分分別用質(zhì)量分?jǐn)?shù)50%乙醇溶液和去離子水洗滌，并在105℃下干燥后備用。液相組分中加入3倍體積的去離子水，靜置沉淀，經(jīng)G4砂芯漏斗過濾分離出木素，在60℃下真空干燥得到乙醇木素。

1.3 分析與表征

1.3.1 粗纖維素得率、木素和半纖維素脫除率的計算

粗纖維素得率、木素和半纖維素脫除率的計算分別見式（1）～式（3）。

1.3.2 微觀形貌

（1）采用場發(fā)射掃描電子顯微鏡（型號Vega 3 SBH，捷克TESCAN公司）在高壓真空（10kV）模式下進(jìn)行二次電子成像，觀察不同分離方式及其不同處理階段下麥草纖維的微觀形貌。樣品經(jīng)噴金處理。

（2）采用原子力顯微鏡（型號AFM 5100，美國Agilent公司）對兩種分離方式所得粗纖維素的微觀形貌進(jìn)行表征。采用N9520A 多用途低干涉小范圍掃描頭測量，測量范圍X：1.0～2.5 μm，Y：1.0～2.5 μm，Z：0.2～ 2.0 μm，測量圖像大小為2 μm2 μm。

1.3.3 X光電子能譜分析

采用X光電子能譜儀（型號AXIS SUPRA，英國 Kratos公司）來表征固相產(chǎn)物表面的O譜和C譜。采用casa XPS軟件對所得到的O譜和C譜定量分析O/C比;通過對C譜的分峰擬合來解析表面不同化學(xué)環(huán)境中的C原子含量。

1.3.4 比表面積和孔隙率分析

采用比表面儀（型號ASAP2460，美國Micromeritics Instrument Corporation）測定不同處理階段試樣的比表面積和孔隙率。比表面積測量最小范圍為0.0001 m2/g，孔徑范圍：3.5～5000 ?;比表面積分析模型：多點(diǎn)BET;測試模塊：比表面積、孔體積、孔徑分布。

1.3.5 X射線衍射分析

采用X射線衍射儀（型號D8 Advance，德國Bruker公司）對粗纖維素的結(jié)晶度進(jìn)行測量。光管類型Cu靶，陶瓷X光管;光管功率2.2 kW。

纖維素結(jié)晶度（CrI）的計算見式 （4）。

式中，I002為晶面衍射強(qiáng)度;Iam為無定形區(qū)的衍射強(qiáng)度。

2 結(jié)果與討論

2.1 處理方法對麥草組分分離效果的影響

水熱法、乙醇法和水熱-乙醇兩步法對麥草組分的分離效果如圖1所示。從圖1中可以看出，水熱法對半纖維素的脫除率高達(dá)92.2%，但是脫木素能力很差，僅為23.2%;乙醇法對木素的脫除率達(dá)到87.7%，但是對半纖維素脫除率較低;水熱-乙醇兩步法在半纖維素分離方面保持了水熱法的優(yōu)勢，但木素的脫除率僅為41.5%，原因可能是在水熱法處理后木素會再沉積到固相產(chǎn)物表面[15]，而再沉積的木素很難溶解在乙醇溶液中，導(dǎo)致第二步乙醇處理中脫木素效果惡化，因此，為了明確第二步乙醇法處理后纖維表面是否有木素沉積以及其沉積形態(tài)，本課題對水熱-乙醇兩步法處理過程中木素的遷移和沉積形態(tài)進(jìn)行分析。

2.2 水熱-乙醇兩步法處理過程中木素的形態(tài)和分布

圖2所示為麥草原料及水熱法處理、水熱-乙醇兩步法處理不同階段的固相產(chǎn)物微觀形貌。從圖2 （a）可以看出，麥草原料表面光滑平整、結(jié)構(gòu)致密，纖維間結(jié)合緊密，排列規(guī)整;經(jīng)水熱法處理后，纖維間依然緊密結(jié)合，保持生物組織的結(jié)構(gòu)，但表面出現(xiàn)褶皺，大量球狀或塊狀細(xì)小木素顆粒聚集和沉積在纖維外表面，尺寸大多分布在0.1～0.5 μm左右，且沉積的木素大小不均一，在纖維表面的分布也不均勻，見圖2（b） 和圖2（c），說明在水熱法處理中，木素發(fā)生了由胞間層和細(xì)胞壁向纖維表面的遷移現(xiàn)象，原因可能是水熱法處理時的高溫（180℃）超過了木素的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，木素由堅硬的玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槿廴跔畹南鹉z態(tài)而具有一定流動性，由于纖維表面的低木素濃度和纖維細(xì)胞壁及胞間層的高木素濃度之間的較大濃度差，導(dǎo)致少部分木素通過半纖維素溶出產(chǎn)生的孔隙通道向纖維表面遷移，遷移木素中的水溶性木素直接溶于水相，不溶性木素則以木素聚集體的形式懸浮于水相中，部分相互聚集成較大顆粒，直接沉積在纖維表面。水熱處理終止時，隨著溫度降低，懸浮在水相中的木素聚集體大部分相互聚集形成較大顆粒，并吸附沉積在纖維表面上。經(jīng)第二步乙醇法處理時，纖維表面有一層層狀物質(zhì)覆蓋，可能是由于層狀物質(zhì)的吸附堵塞了部分纖維細(xì)胞壁上的孔隙通道，導(dǎo)致細(xì)胞壁內(nèi)部的木素脫除困難，但仍可達(dá)到纖維相互解離的程度，解離后的單根纖維如圖2（d）所示。

（a） 水熱法處理后

（b） 水熱-乙醇兩步法處理后

為進(jìn)一步判斷吸附物與纖維細(xì)胞壁是否為同類物質(zhì)，筆者觀察了水熱法處理后和水熱-乙醇兩步法處理后的固相產(chǎn)物表面的AFM圖，如圖3（a）和圖3（b）所示。從圖3可以看出，圖中白色顆粒狀物質(zhì)為吸附物，深色背景為纖維表面，顯然，兩種物質(zhì)并不相同，說明吸附物可能是木素。此外，對比圖3（a）和圖3（b）發(fā)現(xiàn)，水熱法處理后固相產(chǎn)物表面木素顆粒尺寸大，分布不均勻;水熱-乙醇兩步法處理后固相產(chǎn)物纖維表面并非SEM圖中所看到的沒有顆粒狀木素吸附物，而是存在大量的、分布較均勻的顆粒狀木素吸附物，只是吸附物尺寸很小，這些細(xì)小顆粒狀木素吸附物較均勻地包覆在幾乎整個纖維表面，圖3（b）中顯示的較光滑致密的包覆層如圖2（d）所示。

2.3 XPS分析

采用XPS分析麥草原料及水熱法處理、水熱-乙醇兩步法處理不同階段固相產(chǎn)物表面元素的含量，并根據(jù)casaXPS軟件計算其O/C比如表2所示，表2中O/C比由小到大依次為麥草原料0.23、水熱法0.27、水熱-乙醇兩步法0.38。從文獻(xiàn)[16]已知碳水化合物、木素及抽出物的O/C理論值分別是0.83、0.33和0.11，由于麥草表面存在角質(zhì)層，角質(zhì)是脂肪類化合物，屬抽出物，因此其O/C較小且接近于抽出物O/C理論值為0.23;水熱法處理中，隨著木素從胞間層和細(xì)胞壁向纖維表面遷移并沉積，抽出物部分溶解在熱水中，大部分不溶于水的抽出物仍存在于麥草原料表面，導(dǎo)致其O/C比介于木素和麥草原料之間;水熱-乙醇兩步法處理后，抽出物幾乎全溶出，O/C比的變化可以反映出木素含量的變化，即O/C比越接近碳水化合物的O/C理論值0.83，則纖維表面木素含量越低，O/C比越接近木素的O/C理論值0.33，則纖維表面木素含量越高，而水熱-乙醇兩步法處理后的O/C比0.38，接近于木素O/C理論值0.33[16]，表明水熱-乙醇兩步法處理后纖維表面存在大量的木素，這證明了水熱-乙醇兩步法處理后，纖維表面光滑致密的包覆層為木素。

不同階段固相產(chǎn)物表面的Cls高分辨率譜圖以及分峰圖如圖4所示。從圖4可知，C3主要存在于木素和半纖維素中，由于經(jīng)過水熱法處理，半纖維素基本已被脫除，所以纖維表面的C3結(jié)構(gòu)主要來自于木素，水熱法和水熱-乙醇兩步法處理后纖維表面的C3含量分別為9.22%和9.76%，二者的纖維表面木素含量幾乎一致，可能是水熱-乙醇兩步法的第二步乙醇處理并沒有脫除第一步水熱處理沉積在纖維表面的木素，木素只是發(fā)生了形態(tài)的變化，由球狀轉(zhuǎn)變?yōu)榘矊印?/p>

（a） 麥草原料

（b） 水熱法處理后

（c） 水熱-乙醇兩步法處理后

（a） 累積孔體積與平均孔徑的關(guān)系

（b） 單一孔體積與孔徑的關(guān)系

2.4 孔隙結(jié)構(gòu)分析

為了探究木素吸附物包覆層對纖維表面孔隙結(jié)構(gòu)和脫木素效率的影響，采用BET比表面積儀測定纖維表面的孔徑分布如圖5所示。由圖5（a）可以得到，麥草原料表面結(jié)構(gòu)致密，孔隙極少，但在水熱法處理過程中，由于半纖維素、木素、抽出物等組分的不斷溶出，致密的生物結(jié)構(gòu)中逐漸形成了孔隙結(jié)構(gòu)，這些孔隙結(jié)構(gòu)也為后續(xù)各組分的繼續(xù)溶出打開了通道。對比水熱法和水熱-乙醇兩步法發(fā)現(xiàn)，孔隙的直徑多分布在2～50 nm以內(nèi)，大于50 nm的大孔數(shù)量不多，說明形成的孔隙主要為介孔。水熱-乙醇兩步法中，可能是木素包覆層的形成，堵塞了部分通道，導(dǎo)致細(xì)胞壁木素溶出困難，木素的脫除率僅為41.5%。這一點(diǎn)也可從圖5（b）得到驗(yàn)證，圖5（b）中水熱法最大孔體積對應(yīng)的孔徑為30 nm左右，而水熱-乙醇兩步法最大孔體積對應(yīng)的孔徑為14 nm左右，而且，孔徑30 nm處對應(yīng)的孔體積比水熱法下降了近40%，說明在第二步乙醇處理中部分30 nm的孔隙發(fā)生了堵塞。

2.5 結(jié)晶度分析

圖6為麥草原料及水熱法處理、水熱-乙醇兩步法處理不同階段固相產(chǎn)物的XRD圖。從圖6中可以看出，水熱-乙醇兩步法處理所得粗纖維素晶型是纖維素I型。通過結(jié)晶度的計算可知，麥草原料的結(jié)晶度為47.94%，水熱法處理所得粗纖維素的結(jié)晶度為55.62%，水熱-乙醇兩步法處理所得粗纖維素的結(jié)晶度為56.09%，因?yàn)樗疅?乙醇兩步法處理后粗纖維素中木素含量高，木素為無定形物質(zhì)，導(dǎo)致總體結(jié)晶度略高于水熱處理的粗纖維素總體結(jié)晶度。

3 結(jié) 論

本課題研究了水熱-乙醇兩步法對麥草3大組分分離效果的影響，重點(diǎn)探究了水熱-乙醇兩步法分級分離過程中木素在纖維表面的形態(tài)變化。研究表明，水熱-乙醇兩步法對半纖維素脫除率高達(dá)94.2%，但是對木素脫除率僅為41.5%，組合處理過程中木素的形態(tài)發(fā)生了變化，由顆粒狀變?yōu)榘矊印２捎迷恿︼@微鏡、X光電子能譜以及比表面積測定儀均佐證了包覆層的形成，包覆層木素一方面難以被乙醇溶解，另一方面對纖維表面的孔隙通道造成一定堵塞，導(dǎo)致水熱-乙醇兩步法對木素的脫除率較低，木素包覆層的形成是脫除率較低的主要原因;雖然木素從顆粒狀轉(zhuǎn)變?yōu)閷訝畹臋C(jī)理尚且不清楚，但是后續(xù)對這一機(jī)理的研究有望提高水熱-乙醇兩步法分級分離、提高脫木素的效率。

參考文獻(xiàn)

[1] YU Fawen，YANG Guo. Present Situation，Difficulties and Countermeasures of Resource Utilization of Crop Straw[J]. Social Scientist，2018（2）：33.于法穩(wěn)，楊 果. 農(nóng)作物秸稈資源化利用的現(xiàn)狀、困境及對策[J]. 社會科學(xué)家， 2018（2）： 33.

[2] CHEN Long，YU Qiang，ZHUANG Xinshu，et al. Advances in Separation of Lignocellulose Biomass Components[J]. Advances in New and Renewable Energy，2017，5（6）：450.陳 龍，余 強(qiáng)，莊新姝，等. 木質(zhì)纖維素類生物質(zhì)組分分離研究進(jìn)展[J]. 新能源進(jìn)展，2017， 5（6）： 450.

[3] JIANG Yetao，SONG Xiaoqiang，SUN Yong，et al. Strategies of Prior-Fractionation for the Graded Utilization of Lignocellulose[J]. Progress in Chemistry，2017，29（10）： 1273.蔣葉濤，宋曉強(qiáng)，孫 勇，等. 基于木質(zhì)生物質(zhì)分級利用的組分優(yōu)先分離策略[J]. 化學(xué)進(jìn)展，2017，29（10）： 1273.

[4] XU Feng，YANG Guihua，JI Xingxiang，et al. Effect of P Factor on Dissolution of Poplar Hemicellulose during the Hydrothermal Pretreatment Process[J]. China Pulp & Paper，2018，37（8） ： 1.徐 豐，楊桂花，吉興香，等. 熱水預(yù)處理過程中P 因子對楊木半纖維素溶出效果的影響[J]. 中國造紙，2018，37（8）： 1.

[5] Arai T，Biely P， Uhliarikova I，et al. Structural Characterization of Hemicellulose Released from Corn Cob in Continuous Flow Type Hydrothermal Reactor[J]. Journal of Bioscience and Bioengineering，2019，127（2）： 222.

[6] Chen Qian， Chen Jinghuan， Wang Kun， et al. Research Progress on the Hydrothermal Pretreatment of Lignocellulosic Biomass and Its Bioconversion[J]. Scientia Silvae Sinicae，2017，53（9）： 97.陳 倩，陳京環(huán)，王 堃，等. 熱水預(yù)處理生物質(zhì)原料及其生物轉(zhuǎn)化研究進(jìn)展[J]. 林業(yè)科學(xué)，2017，53（9）： 97.

[7] YUAN Sujuan，JI Xingxiang，TIAN Zhongjian，et al. Changes of Components in Poplar and Its Hydrolyzate during Hot Water Pre hydrolysis[J]. China Pulp & Paper，2018，37（9）： 17.袁素娟，吉興香，田中建，等.熱水預(yù)水解過程楊木及水解液中組分的變化[J]. 中國造紙，2018，37（9）： 17.

[8] TONG Ruiping，WU Chaojun，ZHAO Chuanshan，et al. Research Status of the Methods of Lignin Removal from Pre-Hydrolysis Liquor[J]. China Pulp & Paper，2015，34（9）： 65.仝瑞平，吳朝軍，趙傳山，等. 預(yù)水解液中木素去除方法的研究現(xiàn)狀[J]. 中國造紙，2015，34（9）： 65.

[9] FAN Fuguang，TU Hongfeng，CHEN Congxin，et al. Delignification Kinetics of Ethanol Pretreatment of Soybean Stalk[J]. Transactions of China Pulp and Paper，2017，32（1）： 1.樊富廣，涂洪峰，陳從鑫，等. 大豆秸稈乙醇預(yù)處理脫木素動力學(xué)研究[J]. 中國造紙學(xué)報，2017，32（1）： 1.

[10] ZHANG Yun，ZHANG Meiyun，LI Jinbao，et al. Influences of Separation Conditions on the Total Saccharide and Raw Lignin Content in the Black Liquor of Ethanol Wheat Straw Pulp[J]. Paper and Paper Making，2010，29（10）： 33.張 云，張美云，李金寶，等. 分離條件對乙醇法麥草漿黑液總糖及粗木素含量的影響[J]. 紙和造紙，2010，29（10）： 33.

[11] Brosse N， Hussin M H， Rahim A ?A. Organosolv Processes[J]. Adv Biochem Eng Biotechnol，2017，166： 153.

[12] Kawamata，Yuki，Takuya Yoshikawa，et al. Kinetic Analysis of Delignification of Cedar Wood during Organosolv Treatment with a Two-phase Solvent Using the Unreacted-core Model[J]. Chemical Engineering Journal，2019，368： 71.

[13] Maria Evangelina Vallejos，Marcia Dib Zambon，Maria Cristina Area，et al. Low Liquid-solid Ratio Fractionation of Sugarcane Bagasse by Hot Water Autohydrolysis and Organosolv Delignification[J]. Industrial Crops and Products，2015，65： 349.

[14] Melissa E S，Camila A R ，Oigres D B，et al. Structural and Compositional Changes in Sugarcane Bagasse Subjected to Hydrothermal and Organosolv Pretreatments and Their Impacts on Enzymatic Hydrolysis[J]. Industrial Crops & Products，2018，113： 64.

[15] MA Jing. The Mechanism of Topochemical Dissolving of Hemicelluiose during Hydrothermal Pretreatment of Poplar[D]. Beijing： Beijin Forestry University ，2015.馬 靜. 熱水預(yù)處理?xiàng)钅景肜w維素的局部化學(xué)溶解機(jī)理[D]. 北京：北京林業(yè)大學(xué)，2015.

[16] LIN Ling，CAO Shilin，MA Xiaojuan，et al. Studv on the Migration Behavior of Lignin during Bamboo Prohydrelysis[C] // The 3rd Haixi Paper Forum Proceedings. Fu Zhou， China， 2013.林 玲，曹石林，馬曉娟，等. 竹材預(yù)水解過程木素遷移行為研究[C] // 第三屆 海西紙業(yè)論壇論文集. 中國福州，2013.

（責(zé)任編輯：常 青）

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