堿性雙氧水預(yù)處理玉米秸稈性質(zhì)研究*

侯明韜，邢力新，郝慧慧

（1. 中國(guó)建筑材料科學(xué)研究總院，北京 100024；2. 中國(guó)建材檢驗(yàn)認(rèn)證集團(tuán)股份有限公司，北京 100024；3. 北京化工大學(xué)，北京 100029）

0 引 言

我國(guó)是一個(gè)年產(chǎn)秸稈廢棄物逾9億噸的農(nóng)業(yè)大國(guó)[1]，秸稈廢棄物的資源化利用已受到廣泛的關(guān)注。目前，利用秸稈發(fā)酵生產(chǎn)沼氣是秸稈資源化利用的重要途徑之一，然而由于秸稈中木質(zhì)素、纖維素及半纖維素具有緊密結(jié)合的結(jié)構(gòu)，會(huì)影響微生物對(duì)纖維素的利用效果[2]。因此，通過(guò)預(yù)處理提高秸稈的可生化性對(duì)促進(jìn)秸稈資源化利用意義重大[3]。

目前，常見(jiàn)的秸稈預(yù)處理手段包括物理法、化學(xué)法、物理化學(xué)法及生物法等[4-6]。其中，化學(xué)處理法操作便捷、經(jīng)濟(jì)，在實(shí)際應(yīng)用中受到了廣泛的關(guān)注?；瘜W(xué)處理法是指使用包括酸、堿及氧化劑在內(nèi)的化學(xué)試劑對(duì)秸稈進(jìn)行預(yù)處理，其中堿處理在化學(xué)處理方式中效果較優(yōu)，常見(jiàn)的秸稈堿性處理方式包括使用含氫氧化鈉、氧化鈣等堿性試劑的溶液浸泡秸稈[7-9]，利用堿性物質(zhì)的皂化作用，破壞纖維素、半纖維素和木質(zhì)素之間的結(jié)構(gòu)，降低木質(zhì)纖維素原料的聚合度與結(jié)晶度，使木質(zhì)纖維素原料發(fā)生溶脹作用[10-11]，增加秸稈的酶解及發(fā)酵效果[8,12]。此外，利用氧化劑的氧化分解作用，氧化降解生物質(zhì)中的木質(zhì)素，降低秸稈的結(jié)晶度，也能提高秸稈的水解糖化及發(fā)酵效果[13-16]。

近年來(lái)，科研工作者使用氧化劑與堿性溶液耦合的方式預(yù)處理秸稈亦取得了良好的效果[17-23]。例如，李輝勇等[14]使用臭氧與氫氧化鈉耦合預(yù)處理秸稈，獲得了92.57%的水解糖化率；周殿芳等[24]使用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.5%的堿性雙氧水處理秸稈，木質(zhì)素的去除率達(dá)到61.52%，酶解糖化率為39.03%。然而，MISHIMA等[25]發(fā)現(xiàn)雙氧水單獨(dú)使用不能有效處理秸稈，而在李輝勇的實(shí)驗(yàn)中，最優(yōu)的堿性雙氧水使用量?jī)H能使秸稈酶解糖化效果比NaOH單獨(dú)使用提高10.78%[22]，證明氧化劑在堿處理秸稈中的貢獻(xiàn)作用有限。

目前，關(guān)于氧化劑及堿處理秸稈的機(jī)理研究較為充沛，但兩者耦合使用時(shí)的機(jī)理研究較為薄弱。本文使用H2O2和NaOH質(zhì)量比為5∶8的堿性雙氧水對(duì)玉米秸稈進(jìn)行預(yù)處理，考察預(yù)處理劑對(duì)秸稈酶解糖化效果的影響，并優(yōu)化其預(yù)處理參數(shù)。隨后，對(duì)經(jīng)H2O2、NaOH及堿性雙氧水預(yù)處理后的秸稈固體及預(yù)處理浸出液進(jìn)行分析，探討雙氧水及氫氧化鈉分別在秸稈預(yù)處理中的作用。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料與儀器

實(shí)驗(yàn)采用的玉米秸稈取自北京昌平區(qū)，選取干凈完整的玉米葉片，將其剪短為1 ～ 3 cm的片段，使用粉碎機(jī)將其粉碎并過(guò)60目篩后待用。水解酶為綠色纖維素木酶（上海金穗生物），使用 whatman濾紙測(cè)定纖維素酶活（FPA = 159 FPU/g）[26]。實(shí)驗(yàn)中所用雙氧水（30%）、氫氧化鈉（A.R.）購(gòu)自北京化工廠，二硝基水楊酸（A.R.）購(gòu)自成都市科龍化工試劑廠。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 預(yù)處理方法

秸稈預(yù)處理在燒杯中進(jìn)行，固液比（m/v%）為5%，使用的預(yù)處理劑為H2O2與NaOH的混合溶液（H2O2∶NaOH = 5∶8，質(zhì)量比）。將秸稈置于燒杯中，加入一定量堿性雙氧水?dāng)嚢杈鶆蚝笱杆儆梅饪谀し饪?，隨后將燒杯置于恒溫油浴中控溫預(yù)處理一定時(shí)間，反應(yīng)結(jié)束后，用去離子水清洗秸稈至中性，抽濾分離秸稈，于60℃烘箱中干燥至恒重待用。

1.2.2 秸稈水解方法

秸稈水解實(shí)驗(yàn)在裝有100 mL檸檬酸緩沖液（50 mmol/L，pH = 4.8）的碘量瓶中進(jìn)行，秸稈用量為1.00 g，纖維素酶使用量為48 FPU。將碘量瓶置于恒溫氣浴搖床（榮華儀器制造有限公司，SHZ-82氣浴恒溫振蕩器）中進(jìn)行水解反應(yīng)，搖床轉(zhuǎn)速為180 r/min，水解溫度為40℃，水解一定時(shí)間后取樣，經(jīng)離心分離后取上層清液用DNS法測(cè)量溶液中的還原糖濃度[27]。

1.2.3 預(yù)處理秸稈表征方法

為考察實(shí)驗(yàn)所用堿性雙氧水預(yù)處理玉米秸稈的機(jī)理，采用范式法測(cè)定秸稈中的木質(zhì)纖維素含量[28]（上海洪紀(jì)儀器設(shè)備有限公司，F(xiàn)IWE3/6型），使用掃描電子顯微鏡（SEM）觀測(cè)預(yù)處理前后秸稈的表面形貌（Hitachi，SU 1510）。

1.2.4 預(yù)處理浸出液分析方法

用氣相色譜?質(zhì)譜（GC-MS）測(cè)定秸稈預(yù)處理浸出液成分（島津，GCMS-QP 2010 SE）。參考文獻(xiàn)[29]的方法，取離心后的秸稈預(yù)處理浸出液2 mL，加入鹽酸調(diào)節(jié)溶液pH ＜ 2，用4 mL乙醚萃取，隨后用微量注射器取 1 μL乙醚相注入氣相色譜?質(zhì)譜測(cè)定。

氣相色譜條件：色譜柱為 DB-5MS，柱徑0.25 mm，膜厚0.25 μm，長(zhǎng)30 m；升溫程序：初溫55℃保持0.5 min，以15℃/min升溫到100℃，保持1 min，以20℃/min升溫到200℃，保持1 min，以15℃/min升溫到280℃，保持1 min；掃描方式：全掃描（Scan），掃描范圍（m/z）35 ～ 500。

2 結(jié)果與分析

2.1 預(yù)處理劑使用量對(duì)秸稈酶解糖化的影響

實(shí)驗(yàn)首先考察不同堿性雙氧水使用量對(duì)玉米秸稈水解糖化的影響，預(yù)處理溫度為40℃，預(yù)處理時(shí)間為24 h。如圖1所示，隨堿性雙氧水加入量的增加，玉米秸稈水解液還原糖濃度在0 ～ 12 h內(nèi)提升，并在24 h時(shí)達(dá)到穩(wěn)定，隨后呈現(xiàn)略微下降的趨勢(shì)，這可能是還原糖被進(jìn)一步水解的緣故[15]。因此，隨后的實(shí)驗(yàn)均采用24 h水解還原糖濃度評(píng)價(jià)預(yù)處理效果。如圖1所示，隨預(yù)處理劑加入量的提高，秸稈24 h水解還原糖濃度逐漸增加，當(dāng)H2O2與NaOH加入量達(dá)秸稈質(zhì)量的16%與25.6%時(shí)（H2O2∶NaOH =5∶8，質(zhì)量比），還原糖濃度基本維持不變，因此最優(yōu)預(yù)處理劑加入量選為秸稈質(zhì)量16% H2O2+ 25.6%NaOH。

圖 1 不同預(yù)處理劑加入量對(duì)玉米秸稈酶解效果與反應(yīng)時(shí)間的關(guān)系Fig. 1 The concentration of reducing sugar as a function of time under different pretreating dose

2.2 預(yù)處理時(shí)間對(duì)玉米秸稈水解糖化的影響

選用上述得到的最優(yōu)預(yù)處理劑使用量，在預(yù)處理溫度為40℃條件下，考察預(yù)處理時(shí)間對(duì)玉米秸稈水解糖化效果的影響。如圖2所示，隨預(yù)處理時(shí)間從3 h延長(zhǎng)到24 h，酶解還原糖量由7.84 g/L逐步提高到8.69 g/L。當(dāng)預(yù)處理時(shí)間達(dá)到48 h時(shí)，秸稈的水解還原糖量基本恒定（8.78 g/L）?？紤]到預(yù)處理時(shí)間從3 h延長(zhǎng)到24 h不會(huì)顯著增加預(yù)處理成本，因此隨后均采用24 h為預(yù)處理時(shí)間進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

圖2 不同預(yù)處理時(shí)間對(duì)玉米秸稈24 h酶解的影響Fig. 2 Effect of pretreating time on the enzymolysis of corn straw at 24 h

2.3 預(yù)處理溫度對(duì)玉米秸稈水解糖化的影響

選用秸稈質(zhì)量16% H2O2+ 25.6% NaOH的預(yù)處理劑量，預(yù)處理24 h，考察預(yù)處理溫度對(duì)預(yù)處理后秸稈酶解糖化的影響。可以發(fā)現(xiàn)，在預(yù)處理溫度為20 ～ 40℃范圍內(nèi)，隨預(yù)處理溫度的升高，秸稈的水解糖化效果有一定的提高，24 h酶解還原糖量由7.03 g/L逐步提高到8.67 g/L。但是，當(dāng)預(yù)處理溫度超過(guò)40℃時(shí)，預(yù)處理溫度的提高反而引起還原糖濃度的下降（50℃下酶解還原糖量為8.53 g/L，60℃下為8.59 g/L），這是由于過(guò)高的預(yù)處理溫度增加了過(guò)氧化氫的熱不穩(wěn)定性，導(dǎo)致其木質(zhì)纖維素脫除效果降低的緣故[30]。因此，后續(xù)試驗(yàn)均在預(yù)處理溫度40℃下進(jìn)行。

圖3 不同預(yù)處理溫度對(duì)玉米秸稈24 h酶解效果的影響Fig. 3 Effect of pretreating temperature on the enzymolysis of corn straw at 24 h

本實(shí)驗(yàn)中，預(yù)處理溫度對(duì)于秸稈預(yù)處理效果的影響不明顯，類似的現(xiàn)象也有諸多科研工作者觀察到[19,21-22]，這可能是預(yù)處理劑（H2O2、NaOH）與木質(zhì)纖維素的反應(yīng)受溫度影響較小的緣故。另外，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，向秸稈中加入堿性雙氧水后，燒杯中立即產(chǎn)生大量的泡沫，約2 h后泡沫逐漸消失，說(shuō)明雙氧水已反應(yīng)完全，由此可見(jiàn)，雙氧水主要在預(yù)處理初期發(fā)揮作用，預(yù)處理時(shí)間延長(zhǎng)帶來(lái)的酶解效果提高應(yīng)該是氫氧化鈉存在引起的結(jié)果。

2.4 強(qiáng)堿性雙氧水預(yù)處理玉米秸稈機(jī)理研究

為考察堿性雙氧水與秸稈作用的過(guò)程，分別對(duì)比未處理（Blank）、去離子水（H2O）、H2O2（16%）、NaOH（25.6%）及堿性雙氧水（16% H2O2+ 25.6%NaOH）處理后的秸稈酶解糖化效果（預(yù)處理劑量皆以秸稈質(zhì)量的百分比計(jì)）。預(yù)處理溫度為 40℃，時(shí)間為24 h。如圖4可知，秸稈水解糖化效果優(yōu)劣順序?yàn)?Blank ≈ H2O ≈ H2O2＜ NaOH ＜ 堿性雙氧水，其24 h水解還原糖量分別為1.35 g/L、1.35 g/L、1.59 g/L、7.48 g/L、8.26 g/L，H2O2單獨(dú)使用時(shí)的秸稈預(yù)處理效果與H2O相似，皆不能有效提高秸稈酶解效果。

圖4 不同預(yù)處理劑對(duì)玉米秸稈24 h酶解效果的影響Fig. 4 Effect of different pretreating agents on the enzymolysis of corn straw at 24 h

對(duì)經(jīng)以上 4種預(yù)處理后的秸稈成分進(jìn)行分析（圖5）可以發(fā)現(xiàn)，經(jīng)H2O與H2O2處理后，秸稈中的木質(zhì)纖維素及雜質(zhì)含量相似，與空白試驗(yàn)相比，主要表現(xiàn)為雜質(zhì)成分的降低，說(shuō)明H2O2單獨(dú)使用無(wú)法對(duì)秸稈木質(zhì)纖維素成分產(chǎn)生明顯影響。而 NaOH處理明顯提高了纖維素含量，降低了半纖維素與木質(zhì)素含量，H2O2的加入則進(jìn)一步強(qiáng)化了該效果。

SEM分析預(yù)處理前后秸稈表面形貌（圖6），發(fā)現(xiàn)未經(jīng)處理（Blank，圖6a）與經(jīng)過(guò)水浸泡（H2O，圖6b）的秸稈表面結(jié)構(gòu)較為平整，未被明顯破壞。經(jīng)過(guò)雙氧水處理后（H2O2，圖 6c），秸稈表面產(chǎn)生一定破碎，這是雙氧水的氧化作用破壞了纖維素、半纖維素和木質(zhì)素之間的連接鍵，使得秸稈中質(zhì)地較疏松的部分被破壞，產(chǎn)生較大空隙，比表面積增大。經(jīng)過(guò)NaOH處理后（圖6d），秸稈中半纖維素及木質(zhì)素成分被大量溶出（圖5），秸稈表面變粗糙并出現(xiàn)少量的破損，這同樣增大了秸稈的表面積，且有利于纖維素水解酶與秸稈內(nèi)部發(fā)生作用。經(jīng)堿性雙氧水處理后的秸稈表面（H2O2+NaOH，圖6e）同樣表現(xiàn)為嚴(yán)重破損，這應(yīng)該是NaOH與H2O2聯(lián)合作用的效果。

圖 5 不同預(yù)處理劑預(yù)處理后秸稈木質(zhì)纖維素含量Fig. 5 Lignocellulose content of straw pretreated by different pretreatment agents

圖6 不同預(yù)處理劑處理后秸稈表面SEM圖像：（a）未處理（Blank），（b）經(jīng)H2O處理，（c）經(jīng)H2O2處理，（d）經(jīng)NaOH處理，（e）經(jīng)堿性雙氧水處理；（f）不同預(yù)處理秸稈浸出液Fig. 6 Images of scanning electron microscope (SEM) of straw surface pretreated by different pretreatment agents: (a) untreated straw (Blank), (b) H2O, (c) H2O2, (d) NaOH, (e) alkaline hydrogen peroxide; (f) leaching liquor picture of straw pretreated by different pretreating agents

以上結(jié)果證實(shí)，H2O2主要破壞秸稈結(jié)構(gòu)，NaOH則作用于秸稈成分。堿性H2O2對(duì)秸稈的預(yù)處理效果主要由NaOH提供，H2O2輔助提高了NaOH對(duì)秸稈的預(yù)處理效果。實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，秸稈經(jīng)NaOH與堿性H2O2預(yù)處理前后質(zhì)量損失（TS損失率分別為47.6%與50.0%）及木質(zhì)纖維素含量（圖5）相似，然而經(jīng) NaOH處理后的秸稈浸出液為棕黑色，經(jīng)堿性H2O2處理后的秸稈浸出液為深棕色（圖 6f），說(shuō)明H2O2的存在雖然沒(méi)有對(duì)秸稈成分產(chǎn)生明顯影響，但其卻與被NaOH溶解的木質(zhì)纖維素發(fā)生了反應(yīng)。

使用乙醚萃取秸稈浸出液并進(jìn)行GC-MS分析。如圖7所示，經(jīng)H2O、H2O2及NaOH預(yù)處理后的秸稈浸出液GC-MS總離子流圖（TIC）中未發(fā)現(xiàn)明顯出峰（圖7 a ～ 圖7c），而經(jīng)堿性雙氧水處理后的秸稈浸出液提取物TIC圖中可以檢測(cè)到若干明顯響應(yīng)（圖7d）。這可能是由于NaOH雖然可以溶解秸稈中的木質(zhì)素及半纖維素，卻未能破壞其大分子結(jié)構(gòu)，因此不能被乙醚溶解，而H2O2可以與被NaOH溶解的大分子有機(jī)物發(fā)生氧化還原反應(yīng)，其產(chǎn)物能夠被乙醚溶解并在GC-MS中能被檢測(cè)到。對(duì)峰強(qiáng)度（H）大于50 000的組分進(jìn)行檢索，表1列舉了相似度 ＞80的物質(zhì)?？梢园l(fā)現(xiàn)，檢索結(jié)果主要為攜帶雙鍵及羥基的各類環(huán)狀及直鏈有機(jī)化合物，這應(yīng)該是木質(zhì)纖維素被氧化分解的結(jié)果。

圖7 秸稈浸出液GC-MS分析：（a）H2O處理；（b）H2O2處理；（c）NaOH處理；（d）H2O2+NaOH處理Fig. 7 GC-MS image of straw leach liquor: (a) H2O; (b) H2O2; (c) NaOH; (d) H2O2 + NaOH

3 結(jié) 論

堿性雙氧水預(yù)處理秸稈可以顯著提高秸稈的酶解糖化效果，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)NaOH在預(yù)處理過(guò)程中起溶解秸稈中木質(zhì)素及半纖維素的作用，對(duì)秸稈預(yù)處理效果的優(yōu)劣起決定作用。H2O2的加入雖然不能對(duì)秸稈中的木質(zhì)纖維素成分產(chǎn)生明顯影響，卻可以破壞秸稈表面結(jié)構(gòu)，輔助提高NaOH的秸稈預(yù)處理效果。此外，當(dāng)H2O2與NaOH共同使用時(shí)，H2O2可作用于被NaOH溶解的大分子物質(zhì)，將其分解為多種小分子有機(jī)物，這為秸稈資源化利用提供了新途徑。