木質纖維素原料濕氧化爆破主要降解產物的分析

肖玲玲，程金花，呂育財，龔大春

（1.湖北三峽職業技術學院，湖北宜昌 443002；2.三峽大學，湖北宜昌 443002）

木質纖維素原料濕氧化爆破主要降解產物的分析

肖玲玲1，程金花2，呂育財2，龔大春2

（1.湖北三峽職業技術學院，湖北宜昌 443002；2.三峽大學，湖北宜昌 443002）

采用高效液相色譜和氣相色譜-質譜聯用技術對玉米秸稈、油菜秸稈和木屑濕氧化爆破后水洗液中的主要單糖、呋喃類、羧酸類濃度和其它降解產物進行了分析。結果表明：水洗液中葡萄糖和木糖的濃度分別為0.653～1.562 g·L－1和0.166～0.891 g·L－1，糠醛和5-羥甲基糠醛的濃度較低，甲酸和乙酸的濃度分別為1.346～3.500 g·L－1和1.670～2.698 g·L－1，在玉米秸稈、油菜秸稈和木屑水洗液中分別檢測到12、10和16種化合物。

木質纖維素原料；濕氧化爆破；降解產物；高效液相色譜；氣相色譜-質譜

近年來，隨著能源危機日益嚴重，世界各國對新型替代性能源特別是以植物纖維素為原料制取燃料乙醇的研究越來越多［1-3］，但乙醇的產量和產率都不是太理想，其中一個重要原因就是木質纖維素原料在預處理過程中，水解產生的單糖在高溫和酸性條件下會轉化為甲酸、乙酸、糠醛類物質和苯系化合物等發酵抑制物［4-5］。

因此，預處理方法的選擇對提高糖轉化率與改善發酵性能至關重要［6］。在各種預處理方法中，濕氧化爆破法作為一種物理和化學的聯合預處理方法，近年來研究得并不多。濕氧化爆破法最適合于植物纖維素原料的預處理，在木質纖維素組分的分離和提高酶的可及度方面均有明顯優勢，并且產生的發酵抑制物含量和種類也相對較少。作者采用色譜技術對濕氧化爆破木質纖維素原料進行分析，全面了解木質纖維素經過濕氧化爆破預處理后的降解產物，對降解產物中的單糖、呋喃類、羧酸類和其它化合物進行定性定量分析，擬為木質纖維素原料發酵產乙醇前的脫毒處理提供參考。

1 實驗

1.1 材料與儀器

玉米秸稈和油菜秸稈，采自宜昌周邊，風干待用；木屑，收集后于通風處保存備用。

高效液相色譜儀；氣相色譜-質譜聯用儀；纖維素測定儀，意大利Velp公司。

1.2 濕氧化爆破木質纖維素原料

將木質纖維素原料預先粉碎到1 cm左右，稱取1 kg，在一定的溫度、堿添加量、濕度和壓力條件下預處理后，按固液比1∶10（g∶mL，下同）加入10 L蒸餾水，在45℃下將各濾渣洗滌2次，每次加5 L水洗滌10min左右，一般洗滌后的洗滌液顏色應很淺，若洗滌2次達不到洗滌效果，則應多洗幾次。收集水洗液，置于－4℃的冰箱中冷藏，備用。將洗過的濾渣晾干至含水量低于50%，低溫保存，備用。

1.3 分析測試

1.3.1 原料組成分析

采用纖維素測定儀測定纖維素、半纖維素和木質素的含量［7］。根據Velp Scientifical Goodwill Technology Ltd.提供的方法，測定預處理前后玉米秸稈、油菜秸稈、木屑中的纖維素、半纖維素和木質素的含量。

1.3.2 主要單糖濃度的測定［8］

采用高效液相色譜法測定葡萄糖和木糖濃度。

1.3.3 呋喃類物質的測定

采用高效液相色譜法測定糠醛和5-羥甲基糠醛濃度。

1.3.4 羧酸類物質的測定

采用高效液相色譜法測定甲酸和乙酸濃度。

1.3.5 其它降解產物的鑒定

其它降解產物采用氣相色譜-質譜聯用技術進行分析鑒定。

2 結果與討論

2.1 木質纖維素原料濕氧化爆破前后的主要組成

木質纖維素原料濕氧化爆破前纖維素、半纖維素和木質素三種成分結合致密；爆破后細胞結構遭到破壞，纖維素聚合度下降，結構變得松散，使纖維素酶對纖維素的可及度提高。木質纖維素原料濕氧化爆破前后的主要組成如表1所示。

表1 木質纖維素原料預處理前后的水分及主要組分含量/%Tab.1 The content ofmoisture and main components of lignocellulosematerials before and after pretreatment/%

從表1可以看出，濕氧化爆破預處理前后木質纖維素原料主要組分的含量均發生了變化。經過濕氧化爆破預處理后玉米秸稈和油菜秸稈的纖維素含量都有所增加，而木屑的纖維素含量略微下降，主要是由于相對于各自絕干底物的不同造成的。半纖維素的含量都有少許下降，是因為半纖維素中的乙酰基部分發生高溫自水解使其變成了單糖和寡糖。玉米秸稈和油菜秸稈的木質素含量增加，而木屑的木質素含量有所降低，原因可能是各自絕干底物不同，也與預處理過程中木質素的溶解和軟化有關。

2.2 木質纖維素原料濕氧化爆破后水洗液中主要單糖的分析

在木質纖維素原料的濕氧化爆破預處理過程中，半纖維素中的乙酰基在高溫下會產生一些酸性物質，打破半纖維素中的糖苷鍵，得到部分單糖和低聚糖等水解產物。將木質纖維素原料濕氧化爆破后的水洗液進行一定的處理后采用HPLC-ELSD分析，其中，玉米秸稈樣品的分析圖譜如圖1所示。

圖1 木質纖維素原料濕氧化爆破后水洗液的HPLC圖譜Fig.1 HPLC Chromatogram of filtrate of lignocellulosematerials after wet oxidation steam-explosion

三種木質纖維素原料氧化爆破后水洗液中主要單糖的濃度如圖2所示。

圖2 木質纖維素原料濕氧化爆破后水洗液中主要單糖的濃度Fig.2 Concentration ofmain monosaccharide in the filtrate of lignocellulosematerials after wet oxidation steam-explosion

從圖2可以看出，各水洗液中葡萄糖的濃度都比木糖高，其中玉米秸稈中葡萄糖和木糖的濃度最高，分別達到1.562 g·L－1和0.891 g·L－1，而油菜秸稈中木糖的濃度較低，只有0.166 g·L－1。玉米秸稈和木屑中葡萄糖的濃度約為木糖的2倍。

2.3 木質纖維素原料濕氧化爆破后水洗液中主要呋喃類物質的分析

木質纖維素原料在濕氧化爆破預處理的過程中，由于高溫高壓作用，半纖維素通過自水解作用轉變成單糖和寡糖，其中的己糖（主要是葡萄糖）進一步降解為5-羥甲基糠醛，戊糖（主要是木糖）進一步降解為糠醛。糠醛和5-羥甲基糠醛對后續的酶水解和乙醇發酵都有一定的抑制作用，因此對其濃度的分析測定具有重要意義。

用高效液相色譜對呋喃類物質（主要是糠醛和5-羥甲基糠醛）進行了分析，結果顯示，玉米秸稈水洗液中糠醛和5-羥甲基糠醛的濃度分別為0.0086 g·L－1和0.0073 g·L－1，油菜秸稈和木屑水洗液中糠醛的濃度分別為0.0097 g·L－1和0.0086 g·L－1，而5-羥甲基糠醛的濃度較低，未檢出。

2.4 木質纖維素原料濕氧化爆破后水洗液中主要羧酸類物質的分析

在所有的預處理過程中，羧酸類物質的濃度都較高。甲酸和乙酸是主要的降解產物，大約占降解產物的66%～80%（質量分數）［9］。乙酸是半纖維素最初的乙酰基水解形成的，同時也是大量化合物濕氧化的終產物。用高效液相色譜對羧酸類物質（主要是甲酸和乙酸）進行了分析，結果如圖3所示。

從圖3可以看出，甲酸的濃度為1.346～3.500 g ·L－1，乙酸濃度為1.670～2.698 g·L－1；經過濕氧化爆破預處理后的玉米秸稈水洗液中乙酸的濃度比甲酸高；而油菜秸稈和木屑水洗液中甲酸的濃度比乙酸高，可能是因為甲酸比乙酸穩定，乙酸容易揮發造成的。

圖3 木質纖維素原料濕氧化爆破后水洗液中主要羧酸類物質的濃度Fig.3 Concentration ofmain carboxylic acids in the filtrate of lignocellulosematerials after wet oxidation steam-explosion

2.5 木質纖維素原料濕氧化爆破后水洗液中降解產物分析

乙酸乙酯萃取玉米秸稈、油菜秸稈和木屑濕氧化爆破水洗液中降解產物的總離子流色譜如圖4所示。

圖4 乙酸乙酯萃取玉米秸稈（a）、油菜秸稈（b）、木屑（c）水洗液中降解產物的總離子流色譜Fig.4 Total ion chromatogram of degradation products of corn straw（a），rape straw（b），sawdust（c）filtrate extracted by ethyl acetate

木質纖維素原料濕氧化爆破預處理后的水洗液，經乙酸乙酯萃取和N，O-雙三甲基硅烷三氟乙酰胺（BSTFA）衍生化，主要化合物的鑒定結果見表2。

表2 乙酸乙酯萃取玉米秸稈、油菜秸稈、木屑水洗液中降解產物的鑒定Tab.2 Identification of degradation products of corn straw，rape straw，sawdust filtrate extracted by ethyl acetate

從表2可以看出，乙酸乙酯萃取玉米秸稈水洗液中降解產物共鑒定出12種化合物，其中，醇類只有2-糠醇；酸類化合物5種，分別為羥基乙酸、丁烯二酸、2-羥基苯甲酸、3-甲氧基-4-羥基苯乙酸和紫丁香酸；酚類化合物2種，分別為苯酚和鄰苯二酚；醛類化合物3種，分別為5-羥甲基糠醛、香草醛和紫丁香醛；酮類化合物只有乙酰丁香酮。

從表2還可以看出，乙酸乙酯萃取油菜秸稈水洗液中的降解產物共鑒定出10種化合物，其中，酸類化合物3種，分別為羥基乙酸、2-羥基丙酸和2-羥基丁酸；醛類化合物2種，分別為香草醛和紫丁香醛；酚類化合物2種，分別為苯酚和對苯二酚；酮類化合物3種，分別為4-羥基苯乙酮、乙酰丁香酮和3，4，5-三甲氧基苯乙酮。

從表2還可以看出，乙酸乙酯萃取木屑水洗液中的降解產物共鑒定出16種化合物，其中，酸類化合物8種，分別為羥基乙酸、2-羥基丁酸、丁烯二酸、2-糠酸、2-羥基苯甲酸、壬二酸、香草酸和紫丁香酸；酚類化合物2種，分別為苯酚和愈創木酚；醛類化合物3種，分別為香草醛、4-羥基苯甲醛和紫丁香醛；酮類化合物3種，分別為4-羥基苯乙酮、乙酰丁香酮和3，4，5-三甲氧基苯乙酮。

這些化合物主要來自于半纖維素和木質素的降解，其中酚類化合物來自于木質素的降解，呋喃類化合物來自于半纖維素自水解作用形成的己糖和戊糖的降解。

2.6 討論

朱均均等［9］對蒸汽爆破的玉米秸稈水洗液的乙酸乙酯萃取液進行分析，得到11種芳香類化合物、6種脂肪酸化合物和4種呋喃類化合物。Klinke等［10］采用GC-MS對濕氧化處理的麥稈水解液進行分析，得到12種芳香類化合物、6種脂肪酸化合物和3種呋喃類化合物。由此可見，原料來源不同、預處理方法不同，分析得到的物質也有所不同。木質纖維素預處理的半纖維素部分的降解產物對微生物產乙醇的產率和可行性方面有抑制作用。Zaldivar等［11］研究表明，呋喃醛類和苯醛類對許多微生物都有抑制作用，但在濕氧化爆破預處理中這些發酵抑制物的含量較低。

3 結論

經過濕氧化爆破預處理后，木質纖維素原料的主要組成的含量發生了變化，纖維素的含量改變不大，而半纖維素的含量降低了，木質素的含量有所增加；對濕氧化爆破木質纖維素原料水洗液的主要單糖進行HPLC-ELSD分析，得到葡萄糖的濃度為0.653～1.562 g·L－1，木糖的濃度為0.166～0.891 g·L－1；對濕氧化爆破木質纖維素原料水洗液的主要呋喃類化合物進行HPLC-UV分析，發現糠醛和5-羥甲基糠醛的濃度都很低，油菜秸稈和木屑水洗液中沒有檢測到5-羥甲基糠醛；對濕氧化爆破木質纖維素原料水洗液的主要羧酸類化合物進行HPLC-UV分析，得到甲酸的濃度為1.346～3.500 g·L－1，乙酸的濃度為1.670～2.698 g·L－1；對濕氧化爆破木質纖維素原料水洗液中的降解產物進行乙酸乙酯萃取和硅烷基衍生化后進行GCMS分析，結果在玉米秸稈、油菜秸稈和木屑水洗液中分別檢測到12、10和16種化合物。

［1］SUN Y，CHEN JY.Hydrolysis of lignocellulosic materials for ethanol production：A review［J］.Bioresource Technology，2002，83（1）：1-11.

［2］SODERSTROM J，PILCHER L，GALBEM，etal.Two-step ste-am pretreatment of softwood by dilute H2SO4impregnation for ethanol production［J］.Biomass and Bioenergy，2003，24（6）：475-486.

［3］ZHU SD，WU Y X，YU Z N，et al.Comparison of three microwave/ chemical pretreatment processes for enzymatic hydrolysis of rice straw［J］.Biosystems Engineering，2006，93（3）：279-283.

［4］路鵬，江滔，李國學.木質纖維素乙醇發酵研究中的關鍵點及解決方案［J］.農業工程學報，2006，22（9）：237-240.

［5］MARTIN C，JONSSON L J.Comparison of the resistance of industrial and laboratory strains of Saccharomyces and Zygosaccharomyces to lignocellulose-derived fermentation inhibitors［J］.Enzyme and Microbial Technology，2003，32（3-4）：386-395.

［6］李達，姜媛媛，牛春華.木質纖維素類原料預處理工藝的研究［J］.農產品加工：學刊，2008，（4）：51-54.

［7］van SOEST P J.Developmentof a comprehensive system of feed analyses and its application to forages［J］.Journal of Animal Science，1967，26（1）：119-128.

［8］牛濤，湯金婷，李志軍，等.木質纖維素原料預處理前后主要糖成分的測定［J］.釀酒科技，2009，（8）：125-127.

［9］朱均均，勇強，陳尚钘，等.玉米秸稈蒸汽爆破降解產物的分析［J］.林產化學與工業，2009，29（2）：22-26.

［10］KLINKE H B，AHRING B K，SCHMIDT A S，et al.Characterization of degradation products from alkaline wet oxidation of wheat straw［J］.Bioresource Technology，2002，82（1）：15-26.

［11］ZALDIVAR J，MARTINEZ A，INGRAM LO.Effect of selected aldehydes on the growth and fermentation ofethanologenic Escherichia coli［J］.Biotechnol Bioeng，1999，65（1）：24-33.

Identification of M ain Degradation Products of Lignocellulose M aterials after W et Oxidation Steam-Explosion

XIAO Ling-ling1，CHENG Jin-hua2，LüYu-cai2，GONG Da-chun2
（1.Hubei Three Gorges Polytechnic，Yichang 443002，China； 2.Three Gorges University，Yichang 443002，China）

The concentration ofmain degradation products such asmonosaccharide，furans，carboxylic acids and other products from corn straw，rape straw and sawdust filtrate after wet oxidation steam-explosion pretreatmentwere studied by HPLC and GC-MS analysis.Results showed that the concentration of glucose and xylose in filtrate were 0.653～1.562 g·L－1and 0.166～0.891 g·L－1，the concentration of furfural and 5-hydroxymethyl furfuralwere low，the concentration of formic acid and acetic acid were 1.346～3.500 g·L－1and 1.670～2.698 g·L－1，there were 12，10 and 16 compounds identified in the corn straw，rape straw and sawdust filtrate，respectively.

lignocellulosematerials；wet oxidation steam-explosion；degradation products；HPLC；GC-MS

TQ 353.6

A

1672-5425（2015）07-0062-05

10.3969/j.issn.1672－5425.2015.07.017

2015-02-27

肖玲玲（1983－），女，湖南常德人，碩士，講師，研究方向：生物化工，E-mail：Xll_tgc@163.com；通訊作者：龔大春，博士，教授。