甲酸分離輻照稻草中纖維素、木質(zhì)素和木糖的工藝

武小芬 齊 慧 陳 亮 張 勇 徐遠(yuǎn)芳 鄧 明 王克勤

（湖南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 湖南省核農(nóng)學(xué)與航天育種研究所 長沙410125）

我國是農(nóng)業(yè)大國，農(nóng)作物秸稈產(chǎn)量巨大，2016 年可收集農(nóng)作物秸稈約8.24 億噸，其中玉米稈、稻草和小麥稈產(chǎn)量位列前三，分別占總量的41.29%、23.23%和18.36%［1］。隨著禁燒力度加強(qiáng)，農(nóng)作物秸稈利用水平持續(xù)提高，2016 年綜合利用率達(dá)81.68%，肥料化、飼料化和基料化利用率分別為47.20%、17.99%和11.79%，原料化和燃料化利用率僅為2.47%和2.23%［2-3］。因此，目前秸稈利用方式還是以農(nóng)用產(chǎn)品為主，而秸稈木質(zhì)纖維素含量豐富，可開發(fā)多種高品位生物燃料和化學(xué)品，提高其附加值。

稻草中纖維素、半纖維素和木質(zhì)素含量分別為 33.8%～39.4%、 18.6%～26.3% 和 11.8%～28.5%［4-8］，將這3種組分高效分離并改性利用，可大幅提高稻草利用率和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。目前，稻草中木質(zhì)纖維素的分離方法有化學(xué)法［9］、蒸汽爆破法［10］、離子液體法［11］和有機(jī)溶劑法［12-13］等。張保平等［9］采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)72%的硫酸分離稻草中的木質(zhì)素，室溫下反應(yīng)2 h，木質(zhì)素產(chǎn)率為9.23%。Jiang等［11］采用離子液體（1-烯丙基-3-甲基咪唑鹽酸鹽）分離稻草纖維素，稻草經(jīng)2.5 MPa蒸汽爆破處理25 min 后，采用離子液體分離的稻草纖維素中酸不溶性木質(zhì)素含量低于0.9%。黃麗君等［12］采用助劑G 與1，4-丁二醇的混合體系，以濃硫酸和乙酸為催化劑，160 ℃下保溫1 h，木質(zhì)素得率為16.02%。Krishania 等［14］采用硝酸、氫氧化鈉和次氯酸鈉依次水解以及H3PO4分步沉淀分離稻草組分，100 g 稻草可制備13.8 g 結(jié)晶木糖，同時(shí)纖維素、木質(zhì)素和二氧化硅的回收率分別為26.01%、6.21%和10.11%。這些方法存在化學(xué)法試劑用量大，溶劑不易回收；離子液體價(jià)格貴；高沸醇分離溫度高等問題，均不利于稻草木質(zhì)纖維素的高效分離。

甲酸是一種價(jià)格低廉、沸點(diǎn)較低（100.8 ℃）的有機(jī)酸，它通過斷裂木質(zhì)素β-O-4 鍵和降解半纖維素使其溶解，從而保留纖維素，實(shí)現(xiàn)三者的分離。甲酸分離法可在常壓較低溫度下進(jìn)行，溶劑可回收循環(huán)利用［15-16］。朱盛偉等［17］采用甲酸分離緬甸黃花梨木質(zhì)纖維素（88%甲酸，110 ℃，2 h），纖維素得率為89.56%，木質(zhì)素純度為90%。武小芬等［18］采用輻照結(jié)合甲酸分離玉米芯纖維素、木質(zhì)素和木糖，發(fā)現(xiàn)輻照處理有利于提高甲酸分離木質(zhì)纖維素的效果。因此，本文系統(tǒng)研究吸收劑量、反應(yīng)溫度、反應(yīng)時(shí)間對甲酸分離稻草纖維素、木質(zhì)素和木糖的影響，確定輻照協(xié)同甲酸分離稻草木質(zhì)纖維素的最佳工藝，為稻草全組分的高效利用提供參考。

1 材料與方法

1.1 原料與試劑

稻草收割于湖南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院水稻研究所，曬干后裝入編織袋中，儲(chǔ)存于陰涼干燥環(huán)境中備用。甲酸（質(zhì)量分?jǐn)?shù)88%）、硫酸（質(zhì)量分?jǐn)?shù)98%）為分析純，購自國藥集團(tuán)上?；瘜W(xué)試劑有限公司；葡萄糖、木糖純度大于99%，購于美國Sigma 公司；試驗(yàn)用水為去離子水。

1.2 儀器

60Co 輻照裝置（源強(qiáng)3.03×1016Bq，湖南省核農(nóng)學(xué)與航天育種研究所）；恒速攪拌器（JJ-6，江蘇金儀儀器科技有限公司）；電熱恒溫水浴鍋（DZKW-s-4，北京市永光明醫(yī)療儀器有限公司）；立式壓力蒸汽滅菌鍋（YXQ-50SII，上海博訊實(shí)業(yè)有限公司醫(yī)療設(shè)備廠）；旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀（RE-2000B，上海亞榮生化儀器廠）；紫外分光光度計(jì)（BlueStar A，北京萊伯泰科儀器股份有限公司）；高效液相色譜（UltiMate 3000，美國賽默飛世爾科技有限公司）；純水系統(tǒng)（Eco-S15，上海和泰儀器有限公司）。

1.3 輻照處理及粉碎

將稻草裝入金屬輻照箱中，于室溫下進(jìn)行動(dòng)態(tài)輻照處理，吸收劑量分別為200 kGy、400 kGy、600 kGy、800 kGy，0 kGy 為未經(jīng)輻照處理的對照組。處理后樣品粉碎，收集通過0.425 mm 篩網(wǎng)的粉末，裝入自封袋中備用。

1.4 組分分析

水溶性組分的測定：稱取2.0 g 樣品于三角瓶中，加入60 mL蒸餾水，50 ℃水浴反應(yīng)2 h、攪拌轉(zhuǎn)速130 r/min，反應(yīng)結(jié)束后抽濾，濾渣用少量蒸餾水沖洗3次，105 ℃烘干至恒重，即為濾渣絕干質(zhì)量。合并濾液和沖洗液，定容至100 mL，分析水溶性組分中葡萄糖、木糖、葡聚糖和木聚糖含量，水溶性組分含量計(jì)算見式（1）。

水溶性組分中葡萄糖和木糖含量的測定：取1 mL定容后的濾液，過0.45 μm濾膜后，采用高效液相色譜法（HPLC）測定葡萄糖和木糖含量，色譜柱Aminex HPX-87H（300 mm×7.8 mm），柱溫55 ℃；流動(dòng)相為0.005 mol/L 的硫酸，流速0.6 mL/min；示差折光檢測器，溫度45 ℃［18］。

水溶性組分中葡聚糖和木聚糖含量的測定：量取7 mL 定容后的濾液，加入0.25 mL 72%的硫酸，121 ℃反應(yīng)60 min，冷卻后稀釋至合適倍數(shù)，HPLC測定葡萄糖和木糖含量。

纖維素、半纖維素和木質(zhì)素含量測定：參照國際可再生能源實(shí)驗(yàn)室的標(biāo)準(zhǔn)分析方法（LAP，NREL）［19］。

1.5 甲酸分離輻照處理后稻草纖維素、木質(zhì)素和木糖

稻草纖維素、木質(zhì)素和木糖提取率和純度計(jì)算見式（2）～（6）。

稱取10.0 g稻草粉置于250 mL直三口燒瓶中，按固液比1∶10 加入88%甲酸溶液100 mL，80～100 ℃水浴反應(yīng)2～4 h，攪拌轉(zhuǎn)速200 r/min。反應(yīng)結(jié)束后抽濾，獲得濾液1和濾渣1，用100 mL 88%的甲酸溶液沖洗濾渣1，再用去離子水沖洗至中性，于60 ℃烘干，即為稻草纖維素。合并濾液1和甲酸沖洗液，60 ℃減壓濃縮至近干，加入7 倍體積的去離子水析出木質(zhì)素，抽濾，獲得濾液2和濾渣2，濾渣2 用去離子水洗至中性后60 ℃烘干，即為稻草木質(zhì)素。濾液2，減壓濃縮去除甲酸，定容至200 mL，即為稻草木糖。纖維素、木質(zhì)素純度測定參照兩步硫酸水解法進(jìn)行［19］。

1.6 數(shù)據(jù)處理

數(shù) 據(jù) 用-x±s 表 示，采 用Excel 2016 和Origin 2019軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)圖像處理。采用SAS 8.1進(jìn)行顯著性分析，p＜0.05 時(shí)認(rèn)為數(shù)據(jù)之間存在統(tǒng)計(jì)學(xué)差異。

2 結(jié)果與分析

2.1 輻照處理對稻草組成成分的影響

由表1 輻照處理對稻草組分含量的影響可知，隨著吸收劑量的升高，稻草水溶性組分增加，纖維素和木聚糖含量降低，木質(zhì)素含量降低但變化不顯著；水溶性組分中葡萄糖和木糖含量增加，但總量均低于0.14%；水溶性葡聚糖和木聚糖含量分別從0.68%和3.00%（0 kGy）升高至4.68%和8.32%（800 kGy）。由于γ 射線輻照降解屬于無規(guī)裂解，樣品分子量越大，受射線作用的概率越高，因此，分子量較高的纖維素和半纖維素容易受到射線攻擊，降解成低聚糖，而低聚糖進(jìn)一步降解為單糖的概率相對較低［20-21］。所以，輻照處理后稻草水溶性組分中低聚糖含量顯著增加，而單糖含量總體較低。

表1 輻照處理對稻草組分含量的影響Table 1 Effect of irradiation on the content of rice straw components (%)

2.2 吸收劑量對甲酸分離稻草纖維素、木質(zhì)素和木糖的影響

圖1為吸收劑量對甲酸分離稻草纖維素、木質(zhì)素和木糖的影響。由圖1（a）可知，隨著吸收劑量的升高，纖維素提取率先增加后降低，200 kGy時(shí)達(dá)到最大值85.51%，而200～400 kGy 差異不顯著；木質(zhì)素提取率也呈先增后減趨勢，600 kGy時(shí)達(dá)到最大值49.15%，400～800 kGy范圍內(nèi)差異不顯著。由于高劑量輻照后稻草纖維素和木質(zhì)素含量降低、且結(jié)構(gòu)破壞嚴(yán)重［22］，使得甲酸分離時(shí)部分纖維素和木質(zhì)素發(fā)生降解，從而導(dǎo)致纖維素和木質(zhì)素提取率隨吸收劑量的升高而降低。木糖提取率隨吸收劑量的升高呈增加趨勢，800 kGy時(shí)達(dá)到最大值78.44%，由于輻照處理對木聚糖的降解顯著，同時(shí)甲酸有利于木聚糖水解為木糖［17］；由圖1（b）可知，400 kGy劑量輻照處理后的稻草經(jīng)甲酸分離的纖維素和木質(zhì)素純度最高，分別為57.12%和78.06%，纖維素純度在200～600 kGy 無顯著差異，木質(zhì)素純度在400～800 kGy 無顯著差異。因此，從分離效果和輻照成本綜合考慮，選擇400 kGy劑量輻照處理的稻草進(jìn)行后續(xù)試驗(yàn)。

圖1 吸收劑量對甲酸分離稻草纖維素、木質(zhì)素和木糖的提取率(a)和純度(b)的影響a,b,c，同一系列不同字母表示存在顯著差異（p＜0.05）（甲酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)88%，溫度90 ℃，時(shí)間3 h）Fig.1 Effects of absorbed dose on extraction rate(a)and purity(b)of cellulose,lignin,and xylose in rice straw a,b,c,there are significant differences in the same series with different letters(p＜0.05)(formic acid mass fraction of 88%,temperature of 90 ℃,and reaction time of 3 h)

2.3 反應(yīng)溫度對甲酸分離稻草纖維素、木質(zhì)素和木糖的影響

圖2 反應(yīng)溫度對甲酸分離稻草纖維素、木質(zhì)素和木糖的提取率(a)和純度(b)的影響a,b,c，同一系列不同字母表示存在顯著差異(p＜0.05)（吸收劑量400 kGy，甲酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)88%，反應(yīng)時(shí)間3 h）Fig.2 Effects of temperature on extraction rate(a)and purity(b)of cellulose,lignin and xylose in rice straw a,b,c,there are significant differences in the same series with different letters(p＜0.05)(absorbed dose of 400 kGy,formic acid mass fraction of 88%,and reaction time of 3 h)

以400 kGy劑量輻照處理的稻草為材料，研究溫度對甲酸分離稻草纖維素、木質(zhì)素和木糖的影響，結(jié)果如圖2所示。由圖2（a）可知，隨著反應(yīng)溫度的升高，纖維素提取率降低，80 ℃提取率最高為93.59%；木質(zhì)素提取率先升高后降低，90 ℃達(dá)到最大值47.68%，當(dāng)溫度從90 ℃升高至100 ℃，纖維素和木質(zhì)素提取率變化不顯著。木糖的提取率隨溫度的升高顯著增加，提取溫度為100 ℃時(shí)達(dá)到最大值89.02%，因?yàn)楦邷叵吕w維素和半纖維素水解反應(yīng)更易進(jìn)行，所以100 ℃分離會(huì)導(dǎo)致纖維素提取率降低和木糖提取率升高［23］。由圖2（b）可知，隨著溫度的升高，纖維素和木質(zhì)素的純度均提高，100 ℃時(shí)達(dá)到最大值，分別為62.30%和86.35%。因此，對于400 kGy 劑量輻照處理的稻草，甲酸分離纖維素、木質(zhì)素和木糖的最佳溫度為100 ℃。

2.4 反應(yīng)時(shí)間對甲酸分離稻草纖維素、木質(zhì)素和木糖的影響

圖3 為不同反應(yīng)時(shí)間對甲酸分離400 kGy 劑量輻照處理稻草中纖維素、木質(zhì)素和木糖的影響。

圖3 反應(yīng)時(shí)間對甲酸分離稻草纖維素、木質(zhì)素和木糖的提取率(a)和純度(b)的影響a,b,c，同一系列不同字母表示存在顯著差異(p＜0.05)（吸收劑量400 kGy，甲酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)88%，反應(yīng)溫度100 ℃）Fig.3 Effects of temperature on extraction rate(a)and purity(b)of cellulose,lignin and xylose in rice straw a,b,c,there are significant differences in the same series with different letters(p＜0.05)(absorbed dose of 400 kGy,formic acid mass fraction of 88%,and reaction temperature of 100 ℃)

由圖3（a）可知，隨反應(yīng)時(shí)間延長，纖維素提取率下降，但無顯著差異；木質(zhì)素和木糖提取率先升高后降低，反應(yīng)3 h均達(dá)到最大值，分別為46.18%和89.52%。圖3（b）顯示，隨反應(yīng)時(shí)間的延長，纖維素和木質(zhì)素純度均升高，但當(dāng)時(shí)間從3 h延長至4 h，纖維素和木質(zhì)素的純度增加不顯著。在甲酸分離木質(zhì)纖維素組分過程中，增加反應(yīng)時(shí)間有利于木質(zhì)素充分溶解于甲酸溶液，半纖維素降解為木糖，但反應(yīng)時(shí)間過長，會(huì)造成木質(zhì)素和木糖的降解，纖維素水解成葡萄糖的含量升高［24］。因此，3 h 為甲酸分離經(jīng)400 kGy 劑量輻照處理稻草纖維素、木質(zhì)素和木糖的最佳反應(yīng)時(shí)間。

2.5 甲酸分離的稻草纖維素、木質(zhì)素和木糖的組成和結(jié)構(gòu)分析

400 kGy 劑量輻照處理的稻草，經(jīng)88%的甲酸，100 ℃條件下反應(yīng)3 h，分離獲得稻草纖維素、木質(zhì)素和木糖樣品。稻草纖維素中纖維素純度為61.26%，木聚糖、木質(zhì)素和灰分含量分別為2.01%、3.20%和19.90%；稻草木質(zhì)素中木質(zhì)素純度為86.19%，其中纖維素、木聚糖和灰分含量分別為1.66%、0.81%和3.36%。分離獲得的木糖組分中木糖濃度為7.04 g/L，此外，纖維二糖、葡萄糖和阿拉伯糖濃度分別為0.16 g/L、0.07 g/L 和0.77 g/L。

甲酸分離獲得的稻草纖維素和木質(zhì)素傅里變換葉紅外光譜（FTIR）如圖4 所示。由圖4 可知，3 338 cm-1為-OH伸縮振動(dòng)，1 714 cm-1為非共軛C=O伸縮振動(dòng)。1 618 cm-1、1 513 cm-1、1 424 cm-1為芳香環(huán)骨架振動(dòng)，1 315 cm-1、1 260cm-1、1 176 cm-1分別為紫丁香基（S）、愈創(chuàng)木基（G）和對羥基苯基（H）特征吸收峰［18，25］，說明分離獲得的稻草木質(zhì)素為GSH型木質(zhì)素。

稻草甲酸纖維素FTIR（圖4）中，3 361 cm-1為-OH伸縮振動(dòng)，1 717 cm-1為非共軛C=O伸縮振動(dòng)，1 429 cm-1、1 373 cm-1、1 319 cm-1分別為纖維素-CH2對稱彎曲振動(dòng)、-CH2彎曲振動(dòng)、C-H對稱彎曲振動(dòng)，而1 160 cm-1、1 103 cm-1、1 068 cm-1分別為纖維素C-O-C不對稱伸縮振動(dòng)、C-O伸縮振動(dòng)、C=O伸縮振動(dòng)，899 cm-1為β-1，4-糖苷鍵特征峰［18，26］。甲酸分離獲得的稻草纖維素和木質(zhì)素均有非共軛羰基伸縮振動(dòng)吸收峰，可能是因?yàn)榧姿岱蛛x過程中稻草纖維素和木質(zhì)素發(fā)生了甲酰化修飾［17］。

圖4 甲酸分離稻草纖維素、木質(zhì)素FTIR光譜Fig.4 FTIR spectra of rice straw cellulose and lignin separated by formic acid

3 結(jié)論

輻照處理能破壞稻草木質(zhì)纖維素結(jié)構(gòu)，纖維素、木聚糖和木質(zhì)素發(fā)生降解生成水溶性組分。88%甲酸協(xié)同輻照分離稻草纖維素、木質(zhì)素和木糖的最佳工藝為吸收劑量400 kGy，反應(yīng)溫度100 ℃，反應(yīng)時(shí)間3 h。分離獲得的纖維素、木質(zhì)素和木糖的提取率分別為83.22%、46.18% 和89.52%；纖維素和木質(zhì)素的純度分別為61.26%和86.19%。經(jīng)甲酸分離獲得的稻草纖維素和木質(zhì)素均發(fā)生了甲酰化修飾。