汽爆預處理對水稻秸稈纖維結構的影響

2015-01-15 10:47:36王玉周俊雍曉雨陳怡露劉曉風鄭濤

江蘇農業科學 2014年11期

王玉+周俊+雍曉雨+陳怡露+劉曉風+鄭濤

摘要：利用新型蒸汽爆破技術對水稻秸稈進行預處理，并對預處理后的秸稈進行結構成分測定及表征，以期通過改變秸稈結構成分提高其利用率。結構成分測定及傅里葉變換紅外光譜結果表明，汽爆預處理前后秸稈纖維素含量變化不大，半纖維素含量變化大于木質素含量變化；在2.5MPa、4min爆破條件下，秸稈半纖維素含量降到最低，脫除率達到67.89%；在2.5MPa、2min爆破條件下，秸稈還原糖含量最高，達4.55%，為對照的5.62倍。掃描電鏡與X-射線衍射分析結果表明，汽爆預處理后秸稈表面形態變化較大，結晶度隨著壓力與維壓時間增加而增加。蒸汽爆破可快速、簡便、高效地將水稻秸稈等生物質原料進行預處理，為實現其高效再利用創造條件。

關鍵詞：生物能源；蒸汽爆破；掃描電鏡；X-射線衍射分析；傅里葉變換紅外光譜

中圖分類號：TQ353.1+4文獻標志碼：A文章編號：1002-1302（2014）11-0319-05

水稻秸稈主要是由纖維素、半纖維素、木質素等大分子物質組成。由于纖維素分子中的羥基易和分子內或相鄰分子上的含氧基團形成氫鍵[1]，使纖維素分子之間易形成結晶結構，進而組成復雜的微纖維、結晶區、無定形區等纖維素聚合物[2]。此外，木質素與半纖維素以共價鍵形式結合將纖維素分子包裹，形成一種天然屏障，木質素的非水溶性、苯丙烷結構單體組成的復雜三維網狀結構也導致了秸稈的難降解性[3]，影響木質纖維素的資源化利用。因此，對生物質原料進行預處理，將纖維素、半纖維素、木質素分離，打破纖維素的結晶結構可實現其高效利用[4-5]。

蒸汽爆破（簡稱汽爆）預處理是將生物質原料在高溫高壓下維持一定時間后，通過瞬間釋壓過程實現類酸性水解、熱降解、類機械斷裂、氫鍵破壞、結構重排的綜合作用[6]，使原料組分分離和結構變化。此外，蒸汽爆破破壞木質素對纖維素、半纖維素的空間位阻作用，處理后的物料質地蓬松，底物的可及性和接觸面積大大增加，為天然纖維素中有效成分的利用創造了有利條件[7]。相對傳統的熱噴放等預處理方法，該方法具有能耗低、處理時間短、無污染、酶解效率高、應用范圍廣等優點，因此被稱為最有效的預處理方法之一[8]。

目前，蒸汽爆破預處理秸稈的研究已有較多報道，多數集中在玉米秸稈蒸汽爆破預處理方面，而對水稻秸稈蒸汽爆破預處理的研究較少，尤其是在預處理參數優化方面。Li等通過不同蒸汽爆破預處理，對不同原料的堿性可抽提木質素的分離效率、木質素的結構和產物進行分析，結果表明，在蒸汽爆破過程中引入二氧化硫可提高木質素分離效率[9]。Han等對小麥秸稈在不同蒸汽溫度和保留時間下的形態、酸度、濕度、灰分、硅含量等物理化學性質進行研究，提出蒸汽爆破有助于秸稈黏結性能的提高[10]。任天寶等在Box-Behnken試驗的基礎上，利用SAS統計分析軟件對玉米秸稈蒸汽爆破預處理的工藝條件進行響應面分析，建立蒸汽爆破預處理工藝數學模型，提出了提高還原糖濃度最適宜的蒸汽爆破條件[11]。本研究對水稻秸稈進行蒸汽爆破預處理，檢測爆破前后水稻秸稈的結構成分和還原糖含量的變化，比較汽爆對水稻秸稈的預處理效果，獲得最佳運行參數，旨在揭示蒸汽爆破技術對秸稈預處理的效果及機理。

1材料與方法

1.1材料

水稻秸稈采自江蘇省泗陽縣農場。氫氧化鈉，西隴化工股份有限公司；苯酚，南京化學試劑有限公司；木糖，上海藍季科技發展有限公司；阿拉伯糖，Sigma公司；葡萄糖、酒石酸鉀鈉、亞硫酸氫鈉、3，5-二硝基水楊酸，國藥集團化學試劑有限公司。以上試劑均為分析純。試驗用水為雙重去離子水，電阻為18MΩ。

1.2蒸汽爆破預處理

（1）將水稻秸稈表面洗凈，45℃自然風干，剪切至長度為3～5cm。（2）接通試驗臺電源，打開蒸汽閥及加水閥，加水至加水斗2/3液面后，關閉蒸汽閥及加水閥。（3）點燃燃氣灶，當蒸汽加熱到預定壓力后，關閉氣源閥門停火。（4）汽爆前空爆幾次以確保汽缸預熱充分后將點爆開關置于加料位置，將水稻秸稈加入料倉后旋緊壓塞。（5）設定保壓時間，然后打開蒸汽閥，打開點爆開關。觀察計時器讀數，在達到設定時間前2s關閉蒸汽閥，完成爆破。

設置12種預處理，分別為處理1：1.5MPa，1min；處理2：2.0MPa，1min；處理3：2.5MPa，1min；處理4：1.5MPa，1.5min；處理5：2.0MPa，1.5min；處理6：2.5MPa，1.5min；處理7：1.5MPa，2min；處理8：2.0MPa，2min；處理9：2.5MPa，2min；處理10：1.5MPa，4min；處理11：2.0MPa，4min；處理12：2.5MPa，4min。將預處理后的秸稈樣品置于45℃烘箱中自然風干至恒重后，置于干燥器中保存備用。對照為洗凈、自然風干、剪切至3～5cm的秸稈。

1.3分析測試儀器

汽爆工藝試驗臺（QBS-80B型，鶴壁正道生物能源有限公司）；微型植物粉碎機（FZ102型，天津泰斯特儀器有限公司）；真空干燥箱（DZF-6090型，上海精宏實驗設備有限公司）；高效液相色譜（HPLC，Agilent1260型，美國安捷倫科技有限公司）；紫外可見分光光度計（UV-3000型，上海美譜達儀器有限公司）；掃描電鏡（SEM，S-3400NⅡ型，日本日立高新技術公司）；傅里葉變換紅外光譜儀（FT-IR，NEXUS870型，美國NICOLET公司）；X-射線衍射儀（XRD，X′TRA型，瑞士ARL公司）。

1.4纖維素、半纖維素、木質素含量的測定

用微型植物粉碎機將秸稈粉碎后過20～80目篩，然后置于干燥器中備用。纖維素、半纖維素、木質素含量測定參照美國可再生能源實驗室（nationalrenewableenergylaboratory，NREL）的測定方法[12]。endprint

1.4.1水分含量的測定

稱取樣品粉末2g放入稱量瓶中，105℃干燥至恒質量，取出放入干燥器中冷卻至室溫，稱質量。水分含量用下式計算：

式中：W代表樣品水分含量；m、m1、m2分別代表樣品烘干前質量、扁形稱量瓶質量、扁形稱量瓶和樣品烘干后質量。

1.4.2抽提物含量的測定

稱取1g粉碎樣品，用濾紙包好，放入索氏抽提器中，加入無水乙醇至燒瓶體積的2/3處，抽提4～6次/h，抽提6h。將抽提后的殘渣轉移到稱量瓶中，置于烘箱中105℃干燥至恒質量。抽提物含量用下式計算：

式中：E代表抽提物含量；m3代表抽提后樣品和稱量瓶的質量。

1.4.3纖維素、半纖維素、木質素含量的測定

稱取對照及各預處理條件下的秸稈0.3g，加入72%硫酸3mL，混勻后置于30℃恒溫水浴中保溫1h，每隔5min攪拌1次。取出樣品，加入84mL去離子水，混勻。然后置于高壓滅菌鍋中121℃滅菌1h，降至室溫后將水解液真空過濾，收集濾液。以4%硫酸溶液作空白，用紫外分光光度計測205nm下濾液的吸光度。再用50mL熱去離子水洗滌殘渣至中性，將殘渣置于105℃干燥至恒質量，稱質量后轉入馬弗爐中于550℃灼燒6h，取出置于干燥器中冷卻至室溫稱質量。總木質素含量為酸溶木質素與酸不溶木質素之和。酸溶木質素和酸不溶木質素的含量用下式計算：

式中：ASL、AIL分別代表酸溶木質素含量、酸不溶木質素含量；D、A分別代表稀釋倍數、紫外吸光度；V代表濾液總體積；m4、m5分別代表過濾后殘渣和玻璃濾器的絕對干質量以及灼燒后的灰分和玻璃濾器的質量。

取20mL濾液用碳酸鈣調節pH值至5～6，等樣品穩定沉淀，取上清液用于HPLC分析。HPLC分析條件：視差檢測器，色譜柱Bio-RADHPX-87H，流動相流動相為100%去離子水和5mmol/L硫酸溶液（體積比9∶1），柱溫55℃，流速0.6mL/min。纖維素、半纖維素含量用下式計算：

1.5.1溶液配制

DNS溶液的配制：稱取3，5-二硝基水楊酸0.63g于50mL水中，45℃水浴，并緩慢加入2mol/L氫氧化鈉溶液26.2mL，不斷攪拌，再加酒石酸鉀鈉18.5g、苯酚0.5g、無水亞硫酸鈉0.5g，攪拌溶解，冷卻后用蒸餾水定容到100mL，貯于棕色試劑瓶中。

1g/L葡萄糖標準溶液的配制：稱取葡萄糖0.1g，加少量蒸餾水溶解后定容至100mL備用。

1.5.2葡萄糖標準曲線繪制

分別加入葡萄糖標準溶液0～1.6mL放入試管中，用蒸餾水稀釋至2mL，然后加入1.5mLDNS溶液，在沸水浴中加熱5min，取出冷卻至室溫后加入21.5mL蒸餾水，混勻。在波長540nm下，用1cm比色皿測定各管溶液吸光度。以葡萄糖質量分數為橫坐標，吸光度為縱坐標繪制標準曲線。

1.5.3還原糖提取液的制備和測定

還原糖含量采用3，5-二硝基水楊酸法（DNS比色法）測定[13]。稱取0.5g秸稈樣品放在燒杯中，先以少量蒸餾水調成糊狀，然后加入40mL蒸餾水，混勻，于50℃恒溫水浴中保溫20min，攪拌，使還原糖浸出。過濾，將濾液收集在50mL容量瓶中，用蒸餾水定容至刻度即為還原糖提取液。用真空泵抽濾，取1mL濾液用蒸餾水稀釋至2mL，然后加入1.5mLDNS溶液，在沸水浴中加熱5min，取出冷卻至室溫后加入21.5mL蒸餾水，混勻。在波長540nm下測定各管溶液吸光度，對應標準曲線計算出還原糖含量：

式中：C代表樣品還原糖含量；m6代表根據標準曲線所得待測樣品液中還原糖含量；V1代表待測樣品體積。

將粉碎的秸稈置于105℃真空干燥箱中烘干至恒重，分別用SEM、FT-IR、XRD分析儀對預處理前后秸稈進行表征。FT-IR采用KBr壓片法，掃描范圍500～4000cm-1。

2結果與分析

2.1蒸汽爆破前后秸稈結構成分的變化

2.1.1蒸汽爆破壓力和保壓時間對秸稈結構變化的影響

水稻秸稈除了部分復雜的有機物以外，主要是由纖維素、半纖維素、木質素組成。其中，纖維素是由葡萄糖通過β-1，4-糖苷鍵組成的高分子物質，包裹在半纖維素與木質素之間。由圖1可知，經蒸汽爆破預處理后秸稈的纖維素含量基本保持不變，但汽爆條件下處理4、處理8、處理10、處理11秸稈纖維素含量比對照明顯增加，其中汽爆條件下處理11秸稈纖維素含量最高，是對照的1.12倍。纖維素含量變化的可能原因主要有兩方面：一是纖維素絕對含量降低，爆破過程中由于秸稈處于高溫高壓狀態，纖維素、半纖維素、木質素不可避免受到一定程度的降解，所以其絕對含量降低；二是纖維素相對含量增加，在高溫高壓狀態下，半纖維素、木質素降解相對于纖維素更多，所以爆破后纖維素含量反而比爆破前高[14]。

經蒸汽爆破后的秸稈半纖維素含量普遍比對照低，且隨著爆破壓力的升高和維壓時間的增加，半纖維素含量呈明顯降低的趨勢。其中，在相同維壓時間下，隨著爆破壓力加大，半纖維素含量降低。在相同壓力下，隨著維壓時間增加，秸稈半纖維素含量逐漸降低且幅度較大，半纖維素脫除率提高。在2.5MPa高壓條件下，溫度過高使秸稈中的半纖維素在爆破過程中降解，并產生一些有害物質如糠醛和酚類物質。所以，在處理12的爆破條件下，半纖維素含量最低，半纖維素脫除率最高，達67.89%。

與對照相比，經蒸汽爆破后的秸稈木質素含量普遍降低。但在處理9、處理12的蒸汽爆破條件下秸稈木質素含量有少許增加，這是因為在高壓條件下，秸稈中原本的木質素容易重新分布在秸稈表面，酸溶性木質素含量增加導致總木質素含量增加。

2.1.2蒸汽爆破壓力和保壓時間對還原糖得率的影響

由圖2可見，蒸汽爆破處理下秸稈還原糖含量均高于對照（還原糖含量為0.81%），且隨著爆破壓力與維壓時間增加，秸稈還原糖含量呈增加趨勢。其中，在2.5MPa、2min的爆破條件下還原糖含量最高，是對照的5.62倍。在相同壓力、不同維壓時間的蒸汽爆破條件下，爆破物的還原糖含量增加較為明顯，但在2.5MPa、4min的爆破條件下還原糖含量有所下降，可能是因為隨著汽爆強度加大，溫度過高使秸稈中的半纖維素水解成低聚糖后，再進一步水解成單糖，并產生糠醛、酚類物質、5-羥甲基糠醛等有害物質[15]。從還原糖總量來看，蒸汽爆破預處理除了降低半纖維素和木質素含量以外，對秸稈樣品發酵產甲烷第一階段（纖維素等復雜有機物降解產糖）也有一定作用，可能會縮短厭氧發酵啟動階段時間。endprint

2.2不同汽爆預處理條件下的秸稈表面形態分析

由圖3可以較為宏觀地看出蒸汽爆破處理前后秸稈的表面形態。與對照相比，蒸汽爆破后樣品會出現碎片和細絲。在同一維壓時間下，隨著爆破壓力升高，樣品中碎片和細絲數量明顯增多，秸稈蒸汽爆破破碎效果越顯著。在2.5MPa蒸汽爆破壓力下，樣品中細絲和碎片最多，秸稈破壞程度最嚴重。相同爆破壓力下，隨著維壓時間增加，秸稈樣品中細絲與碎片數量基本無差別。

由圖4可見，對照秸稈表面粗糙，且嵌有較多的雜質顆粒。而蒸汽爆破后的秸稈表面破壞嚴重，并且破壞程度隨蒸汽爆破壓力與維壓時間升高而加強。相同維壓時間下，隨著爆破壓力增加，秸稈表面類似珍珠狀的圓形附著物由最原始的嵌在表皮中間逐漸變成附著在秸稈表面。在2.5MPa壓力下，圓形附著物已經被完全振碎并脫落下來。相同爆破壓力下，秸稈表面破壞深度會隨著維壓時間的增加而加深。

如圖4顯示，蒸汽爆破后的秸稈纖維形態結構發生明顯變化，纖維表面裂紋增多，比表面積增大。這表明蒸汽爆破處理不僅能除去纖維表面雜質，而且由于處理后木質素含量降低使纖維束間結合力減弱。綜合處理過程中類機械斷裂、熱降解及氫鍵破壞作用，使秸稈中纖維素、半纖維素、木質素分離，纖維結構出現明顯變化。

2.3不同汽爆預處理條件下的XRD結果分析

由圖5可見，蒸汽爆破處理后的樣品在2θ=18°時的波谷位置逐漸明顯，并且在2θ=22°時的衍射波峰值增加，波峰更為尖銳，并且這種現象隨著汽爆壓力和保壓時間的增加越發明顯。在2.5MPa壓力下，隨著保壓時間增加，在2θ=22°的波峰和2θ=18°時的波谷位置趨勢越明顯。

蒸汽爆破處理后的秸稈結晶度普遍大于對照（結晶度為37%）。如表1所示，在1.5MPa爆破壓力下秸稈結晶度平均約42%，比對照增加了5百分點；在2.5MPa爆破壓力下秸稈結晶度平均約51%，比對照增加約14百分點。在1.5MPa、1.5min條件下，秸稈結晶度為27%，比對照略有降低。

在相同保壓時間下，隨著壓力增加，秸稈結晶度普遍呈上升趨勢。在2、4min保壓時間下，隨著爆破壓力加大，秸稈結晶度大幅增加。在同一爆破壓力下，隨著保壓時間的增加，秸稈結晶度呈上升趨勢，但差異不大。說明經過高溫、高壓處理后，秸稈纖維結構發生重排，部分無定形區向結晶區轉化，有序度增加，形成比較完整的結晶晶格，表觀相對結晶度（對已分解的纖維素、無定形纖維素不進行質量校正）有所提高，與Zhao等的研究結果[16]一致。但是，由于經過蒸汽蒸煮和瞬間的爆破作用，纖維的部分結晶結構遭到破壞，導致蒸汽爆破后秸稈的絕對結晶度下降。與Xu等的研究結論[17]一致。所以，蒸汽爆破處理木質纖維原料會導致相對結晶度升高，絕對結晶度降低。

2.4不同汽爆預處理條件下的FT-IR結果分析

在蒸汽爆破過程中，秸稈結構會發生復雜的化學變化，通過傅里葉變換紅外光譜分析各官能團吸收強度的變化，可以進一步分析蒸汽爆破預處理的機理。由圖6可見，秸稈纖維素的特征吸收峰為2900、1425、1370、895cm-1；1730cm-1附近的C[FY=，1]O伸縮振動代表半纖維素的特征吸收峰；1320、1630cm-1處的C[FY=，1]O伸展振動與1331cm-1處的C—O振動為木質素的特征吸收峰[18]。

在895cm-1處，處理4、處理6、處理7、處理8、處理9下纖維素的特征吸收峰強于對照；但在2900、1425、1370cm-1處經蒸汽爆破處理后的秸稈纖維素的特征吸收峰普遍減弱，說明蒸汽爆破預處理過程對秸稈纖維素結構影響不大。秸稈在未經過蒸汽爆破處理時在1730cm-1處有明顯的吸收峰，但經過蒸汽爆破處理后秸稈樣品在該處的吸收峰隨爆破壓力提高與維壓時間增加而消失。說明蒸汽爆破預處理對降低秸稈中的半纖維素含量具有重要作用，與圖1結果一致。

與對照相比，蒸汽爆破后的秸稈在1320、1630、1331cm-1處的特征吸收峰值隨著爆破壓力與維壓時間的增加普遍降低，表明蒸汽爆破預處理有助于秸稈木質素的脫除。但在2.0MPa、1min和2.0MPa、2min的爆破條件下，秸稈在1320、1630、1331cm-1處的特征吸收峰稍有加強，原因可能是在爆破過程中木質素重新分布在秸稈表面或與半纖維素重新形成類木質素的物質[18]。

3結論

結構成分測定及FT-IR結果表明，秸稈纖維素結構在汽爆預處理前后變化不大，半纖維素含量變化相對大于木質素含量，在2.5MPa、4min爆破條件下，秸稈半纖維素含量降到最低，其脫除率達到67.89%，表明蒸汽爆破預處理有助于秸稈半纖維素與木質素的脫除。

在2.5MPa、2min爆破條件下秸稈還原糖含量最高，達4.55%，為對照的5.62倍。因此，選擇蒸汽爆破條件時應綜合考慮爆破壓力與維壓時間兩方面因素，避免溫度過高造成糖損失。

SEM分析表明，秸稈表面破壞程度隨爆破壓力與維壓時間升高而加強。蒸汽爆破預處理后的秸稈纖維形態結構發生明顯變化，表現為纖維表面裂紋增多，比表面積增大。蒸汽爆破預處理不僅能除去纖維表面雜質，而且處理后半纖維素與木質素含量降低使纖維束間結合力減弱，可實現秸稈中纖維素、半纖維素、木質素的有效分離。

XRD分析表明，秸稈結晶度隨著爆破壓力與維壓時間的增加而增加，較好的汽爆條件為高爆破壓力與短維壓時間。

蒸汽爆破可快速、簡便、高效地對水稻秸稈進行預處理，為實現其高效再利用創造條件。

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