酸解聚玉米秸稈的產物及其形成機制研究

王鳳芝 常 璇 馬玉龍 孫永剛 吳倩倩

（寧夏大學能源化工國家重點實驗室培育基地1，銀川 750021）（寧夏大學化學化工學院2，銀川 750021）

酸解聚玉米秸稈的產物及其形成機制研究

王鳳芝1，2常 璇2馬玉龍1，2孫永剛1，2吳倩倩1，2

（寧夏大學能源化工國家重點實驗室培育基地1，銀川 750021）（寧夏大學化學化工學院2，銀川 750021）

為了探明酸解聚農作物秸稈的產物及其形成機制，本試驗以玉米秸稈為研究對象，硫酸為解聚劑，利用高效液相色譜法檢測解聚產物，探討了不同硫酸濃度、解聚溫度對玉米秸稈高分子結構解聚產物分布的影響。結果表明：解聚液中的主要糖類有木糖、阿拉伯糖、葡萄糖，副產物有乙酸、糠醛、5－羥甲基糠醛、阿魏酸和對香豆酸。當解聚溫度高于120℃，5%硫酸解聚4 h時有纖維二糖、乙酰丙酸和甲酸生成。7%硫酸80℃解聚4 h時，有纖維二糖產生，說明硫酸濃度和解聚溫度對玉米秸稈的解聚產物及其分布有一定的影響。分析并提出了硫酸解聚秸稈機制及副產物的形成途徑。

玉米秸稈 硫酸 解聚 副產物

木質纖維生物質是目前生產生物燃料產品的主要原料之一［1］。生物質秸稈是木質纖維的一類，其資源廣泛且價格低廉。中國秸稈資源量居世界第一，年產秸稈超過8億t，為我國發展秸稈生物質能源創造了充足的原料保證［2］。

秸稈主要由纖維素、半纖維素和木質素三大高分子組成，其中，纖維素是骨干結構，而半纖維素和木質素是網狀結構［3－5］。秸稈解聚即通過解聚劑打破半纖維素與木質素的網狀結構，暴露纖維素，再將纖維素進行酶解和發酵。秸稈復雜的天然結構預處理過程中抑制物的形成均會影響燃料乙醇的產率［6－8］。在眾多解聚方法中，稀酸解聚是目前應用較泛的一種，該方法可以有效脫除半纖維素［9－11］。

一般來說，秸稈化學解聚產物主要包括解聚后液體產物和未反應的固體殘渣部分。本課題組之前研究了酸解聚前后秸稈結構、熱穩定性、表面形態等的變化［12］。本研究選用稀硫酸為解聚劑，運用高效液相色譜法對解聚后液體中的糖類和副產物進行定性和定量分析，確定產物的分布狀況，最后對產物形成途徑和氫質子與纖維素和半纖維相關結構官能團的作用機制進行分析。

1 材料與方法

1.1 材料

玉米秸稈原料來源于寧夏大學附近農田。經自來水洗凈，風干，過80目篩，然后用苯－乙醇（V∶V，2∶1）索式提取6 h，得到脫蠟玉米秸稈，在105℃烘箱里烘干備用。

1.2 試劑

纖維二糖、葡萄糖、木糖、阿拉伯糖、糠醛、5－羥甲基糠醛（5－HMF）、對香豆酸、阿魏酸、甲醇和乙腈均為色譜純：阿拉丁試劑（上海）有限公司；乙酸、4－羥基苯甲酸、紫丁香酸、4－羥基苯甲醛、香草醛、紫丁香醛、香草酸和硫酸均為分析純：上海安妍試劑公司；所用水為超純水。

1.3 試驗方法

1.3.1 制備硫酸解聚樣品

取1.0 g脫蠟玉米秸稈，加入質量分數1%、3%、5%、7%的硫酸溶液20 mL，分別在80、100、120、140℃反應釜中反應（0.5、1、2、6、12 h）后，固液分離，液體部分用CaCO3調節pH至中性，經0.22μm濾膜過濾，得到水解液待測樣品，固體殘渣用蒸餾水洗滌至中性，105℃下烘干，研究溫度和酸濃度對秸稈解聚產物分布的影響。

1.3.2 混合標準溶液的配制

1.3.2.1 單糖及有機酸標準溶液的配制

準確稱取1.000 g葡萄糖、木糖、阿拉伯糖、纖維二糖、乙酸、甲酸和乙酰丙酸標準品，用0.005 mol／L H2SO4溶液分別定容至50 mL，配制成濃度為20mg／mL的標準溶液，經0.22μm濾膜過濾，濾液保存于4℃，待用。

1.3.2.2 副產物（糠醛和5－HMF）及酚酸標準溶液的配制

準確稱取0.010 g糠醛、5－HMF、4－羥基苯甲酸、4－羥基苯甲醛、香草酸、紫丁香酸、香草醛、紫丁香醛、阿魏酸和對香豆酸標準品，用超純水分別定容至100 mL，配制成質量濃度為1mg／mL的溶液，經0.22μm濾膜過濾，濾液保存4℃，待用。

1.4 樣品測定

解聚液中低分子產物及副產物用高效液相色譜儀（LC－20AT，日本島津公司）測定。其中單糖、乙酸、甲酸和乙酰丙酸的色譜條件為：色譜柱：Aminex HPX－87H（300 mm×7.8 mm，美國Bio－Rad公司）；檢測器：示差折光檢測器（日本島津）；流動相：0.005 mol／L H2SO4溶液；流速：0.6 mL／min；進樣量：20μL；柱溫：65℃，液相色譜圖如圖1a所示。副產物（糠醛和5－HMF）及酚酸的色譜條件為：色譜柱：InertSustain?C18柱（4.6 mm×250 mm，5μm，日本島津），檢測波長280 nm，流速1 mL／min，0.5%醋酸－甲醇梯度洗脫，進樣量20μL。液相色譜圖如圖1b。

圖1 解聚液中各物質的HPLC圖

2 結果與討論

2.1 解聚液產物分析

圖2a是玉米秸稈在5%硫酸溶液和80℃解聚溫度下各單糖隨時間變化關系圖。解聚液中的單糖有葡萄糖、木糖和阿拉伯糖，但主要以木糖為主，而葡萄糖及阿拉伯糖的含量較少，Chen等［9］同樣采用HPX－87H柱分析稀硫酸解聚稻秸，在解聚液中檢測到單糖。單糖形成的原因是在酸解聚過程中主要以半纖維素的解聚為主，而半纖維素是由D－木糖單體為主要成分的復合聚糖，其支鏈由L－阿拉伯糖殘基和D－葡萄糖殘基等組成。由圖2a可見：隨解聚時間的延長，主產物木糖和葡萄糖濃度變化尤為顯著，當解聚時間為6 h，酸解溫度為80℃條件下，可以獲得最大值為7.218mg／mL的木糖和1.785mg／mL的葡萄糖解聚液，而6 h后二者含量均在減少，究其原因，可能是在H＋作用下，解聚后期發生木糖和葡萄糖脫水形成副產物糠醛［13］和5－羥甲基糠醛（5－HMF）［14］過程，該過程會顯著抑制纖維素和半纖維素的降解。然而，相比于葡萄糖和木糖的降解過程，阿拉伯糖含量變化趨勢卻相對平穩，由此說明半纖維素支鏈結構單元較主鏈易解聚且解聚程度徹底，解聚產物阿拉伯糖在酸性環境中有較好的穩定性，Kusema等［15］提出半纖維素酸水解是一種選擇性水解機制，H＋首先進攻側鏈基團，再進攻主鏈基團，從而實現半纖維素高分子的有效降解。

圖2b反應了玉米秸稈在5%硫酸溶液和80℃解聚溫度下副產物含量隨時間變化關系曲線。圖2b中的乙酸含量與圖2a中的阿拉伯糖含量變化趨勢相一致，說明在酸解聚過程中大量的乙酰基從半纖維素上脫落［16］，證明支鏈結構較主鏈易降解。糠醛和5－HMF含量在解聚初期（0.5～2 h）變化不明顯，當解聚時間增至6 h后其含量急劇增加并進一步升高，導致出現此結果的原因是玉米秸稈高分子結構存在兩步降解過程，解聚前期，在H＋催化下，發生纖維素和半纖維素解聚形成單糖或者低聚糖為主導的降解過程，解聚后期，主導反應逆轉為高糖含量水解液脫水降解形成糠醛、5－HMF的過程。該結果有效印證了當水解時間為6 h時木糖和葡糖糖含量下降的現象（圖2a）。由圖1b可知，部分酚酸類化合物如對香豆酸和阿魏酸被檢出，而4－羥基苯甲酸、4羥基苯甲醛、香草酸、紫丁香酸、香草醛和紫丁香醛類物質并未檢出，這是因為在酸解聚過程中，氫質子并不作用于木質素將其降解成酚酸類單體，Ralph等［17］認為在禾本科類植物中半纖維素與木質素以半纖維素酯－阿魏酸－醚－木質素橋聯的方式連接，而大多數對香豆酸通過酯鍵與木質素的側鏈連接，在本研究中，通過產物檢測推斷半纖維素和木質素之間連接的酯鍵和醚鍵及對香豆酸與木質素的連接酯鍵斷裂，形成阿魏酸和對香豆酸。

圖2 解聚液中各物質濃度隨時間變化圖

2.2 溫度對產物分布的影響

圖3為不同溫度梯度下產物分布圖。在120℃、4 h、5%解聚條件下，有新的產物纖維二糖、甲酸和乙酰丙酸生成。纖維二糖的含量先增加后減少，原因是在后續解聚轉化為葡萄糖，甲酸和乙酰丙酸的含量增多，產生原因是糠醛和5－HMF隨后降解成甲酸和乙酰丙酸［18－19］。隨著溫度的升高，木糖和糠醛的含量變化最顯著。當解聚溫度由80℃升高至140℃時，木糖的含量從6.985mg／mL減少到3.697mg／mL，糠醛的含量由0.037mg／m L增加到1.698mg／mL，大約50%的木糖轉化為糠醛。陳尚钘等［20］采用同等條件下1.25%的稀酸解聚玉米秸稈，發現當溫度為100℃和120℃時，甲酸、糠醛與乙酰丙酸不會產生，這說明在解聚溫度一定時，解聚劑硫酸濃度對玉米秸稈高分子解聚效果影響更顯著。

圖3 不同溫度下解聚液中解聚產物含量

2.3 硫酸濃度對產物分布的影響

表1是不同硫酸濃度下解聚產物分布情況。硫酸體積分數在1%～7%、時間0.5～4 h范圍內解聚產物的種類分布無變化。但當硫酸體積分數從1%升高到7%時，解聚副產物5－HMF和糠醛含量隨硫酸濃度的升高而增加。當解聚時間大于4 h時，產生纖維二糖，說明當硫酸濃度增加時，氫質子完成半纖維素的降解后，酸解聚傾向于纖維素的降解，并將其降解成纖維多糖。

2.4 解聚產物形成途徑

通過上述研究，對硫酸解聚玉米秸稈產物形成途徑進行分析（圖4）。研究表明，不同的解聚強度，產物的種類亦會不同［20］。纖維素結構由結晶區和非結晶區組成，半纖維素屬于無定形結構。在硫酸解聚過程中，解聚前期氫質子首先使半纖維素和木質素的連接鍵斷裂，半纖維素支鏈斷裂形成阿拉伯糖、葡萄糖和乙酸，隨后主鏈水解形成木糖，同時降解纖維素的非結晶區形成葡萄糖。當氫質子濃度增加，氫質子開始進攻纖維素的結晶區，降解成低聚纖維多糖，繼而降解成葡萄糖。降解產物葡萄糖和木糖在酸催化下進一步產生5－HMF和糠醛，并且隨著溫度的升高，5－HMF會繼續降解生成甲酸和乙酰丙酸，糠醛降解成甲酸。Rinaldi等［21］研究了纖維素酸水解機理，氫離子首先作用于葡萄糖分子之間的糖苷鍵和葡萄糖單元環上的縮醛氧原子，C—O鍵斷裂，形成碳正離子，之后水分子的加入，釋放單糖和氫質子，氫質子再次循環降解糖苷鍵。本試驗通過產物檢測及影響產物分布的因素出發，闡述了硫酸解聚玉米秸稈的可能途徑。

表1 解聚液中解聚產物含量與硫酸濃度關系表／mg／mL

圖4 玉米秸稈硫酸解聚產物形成途徑圖

3 結論

在80℃和5%硫酸解聚條件下，解聚液中產物有葡萄糖、木糖和阿拉伯糖和副產物乙酸、糠醛、5－HMF、對香豆酸和阿魏酸生成。硫酸濃度5%，解聚溫度達到120℃時有纖維二糖、甲酸和乙酸生成；溫度80℃下，硫酸濃度升至7%時，有纖維二糖生成。硫酸解聚玉米秸稈的可能途徑是：在解聚前期氫質子首先使半纖維素和木質素的連接鍵斷裂，半纖維素支鏈斷裂形成阿拉伯糖、葡萄糖和乙酸，隨后主鏈水解形成木糖，同時降解纖維素的非結晶區形成葡萄糖。當氫質子濃度增加，氫質子開始進攻纖維素的結晶區，降解成低聚纖維多糖，繼而降解成葡萄糖。降解產物葡萄糖和木糖在酸催化下進一步產生5－HMF和糠醛，并且隨著溫度的升高，5－HMF會繼續降解生成甲酸和乙酰丙酸，糠醛降解成甲酸。

［1］Coulier L，Zha Y，Bas R.etal.Analysis of oligosaccharides in lignocellulosic biomass hydrolysatesby high－performance anion－exchange chromatography coupledwithmass spectrometry（HPAEC－MS）［J］.Bioresource Technology，2013，133：221－231

［2］孫永剛，馬玉龍，麻曉霞，等.汽爆酸堿耦合解聚玉米秸稈分子結構的研究［J］.中國糧油學報，2013，28（3）：29－35

［3］Sarkar P，Bosneaga E，Auer M.Plant cell walls throughout evolution：towards a molecular understanding of their design principles［J］.Experimental Botany，2009，60（1）：3615－3635

［4］Gunnarsson S，Marstorp H，Dahlin A S，et al.Influence of non－cellulose structural carbohydrate composition on plant material decomposition in soil［J］.Biology and Fertility of Soils，2008，45（1）：27－36

［5］Zaldivar J，Nielsen J，Olsson L.Fuel ethanol production from lignocelluloses：a challenge for metabolic engineering and process integration［J］.Applied Microbiology and Biotechnology，2001，56（1－2）：17－34

［6］Yang B，Dai Z，Ding S，etal.Enzymatic hydrolysis of cellulosic biomass［J］.Biofuels，2011（2）：421－450

［7］Iroba K L，Tabil LG，Dumonceaux T，et al.Effect of alkaline pretreatment chemical composition of lignocellulosic biomass using radio frequency heating［J］.Biosystems Engineering，2013，116：385－398

［8］Taherzadeh M J，Karimi K.Pretreatment of lignocellulosic wastes to improve ethanol and biogas production：a review［J］.International Journal Molecular Science，2008（9）：1621－1651

［9］Chen W H，Ye SC，Sheen H K.Hydrolysis characteristics of sugarcane bagasse pretreated by dilute acid solution in a microwave irradiation environment［J］.Applied Energy， 2012，93：237－244

［10］Cara C，Ruiz E，Oliva JM，et al.Conversion of olive tree biomass into fermentable sugars by dilute acid pretreatment and enzymatic saccharification［J］.Bioresource Technology，2008，99：1869－1876

［11］Chen Y F，Dong B Y，Qin W J.Xylose and cellulose fractionation from corncob with three different strategies and separate fermentation of them to bioethanol［J］.Bioresource Technology，2010，101：6994－6999

［12］孫永剛，馬玉龍，麻曉霞，等.酸堿解聚玉米秸稈分子結構的實驗研究［J］.化學通報，2013，76（7）：645－649

［13］Rasmussen H，S?rensen H R，Meyer A S.Formation of degradation compounds from lignocellulosic biomass in the biorefinery：sugar reaction mechanisms［J］.Carbohydrate Research，2013，385：45－57

［14］Gang Y，Evgeny A，Pidko E J，et al.Mechanism of Br?nsted acid－catalyzed conversion of carbohydrates［J］. Journal of Catalysis，2012，295：122－132

［15］Kusema B T，Xu Ch L，M?ki－Arvela P，etal.Kinetics of acid hydrolysis of arabinogalactans［J］.International Journal of Chemical Reactor Engineering，2010，8（1）：1542－6580

［16］ChenX CH，Dandan S，Charles A，et al.Deep oxidative desulfurization of diesel fuels by Lewis acidic ionic liquids based on 1－n－butyl－3－methylimidazolim metal chloride［J］.Journal of Molecular Catalysis A：Chemical，2012，359：8－13

［17］Ralph J，Helm R F，Quideau S，et al.Lignin feruloyl ester cross－links in grasses.1：Incorporation of feruloyl esters into coniferyl alcohol dehydrogenation polymers［J］.Journal of the Chemical Society，Perkin Transactions 1，1992，21：2961－2969

［18］Gang Y，Evgeny A P，Emiel JM，et al.Mechanism of Br?nsted acid－catalyzed conversion of carbohydrates［J］. Journal of Catalysis，2012，295：122－132

［19］Pedersen M，Meyer A S.Lignocellulose pretreatment severity－relating pH to biomatrix opening［J］.New Biotechnology，2010，27（1）：739－748

［20］陳尚钘，勇強，徐勇，等.玉米秸稈稀酸預處理對發酵抑制物產生的影響［J］.中國糧油學報，2009，24（2）：67－71

［21］Rinald R，Schueth F.Acid hydrolysis of cellulose as the entry point into biorefinery schemes［J］.ChemSusChem，2009，21（2）：1096－1107.

Products and Mechanism of Corn Stalk After Depolymerization with Acid

Wang Fengzhi1，2ChangXuan2Ma Yulong1，2Sun Yonggang1，2Wu Qianqian1，2
（State Key Laboratory Cultivation Base of Energy Sources and Chemical Engineering，Ningxia University1，Yinchuan 750021）（College of Chemistry＆Chemical Engineering，Ningxia University2，Yinchuan 750021）

The objective of the paperwas to investigate the product andmechanism in the process of depolymerization crop straw with acid.Corn stalk was used as thematerial to research the effects of acid concentration and temperature on corn stalks product distribution through depolymerization by sulfuric acid in amethod of high performance liquid chromatography.The results showed that themajor carbohydrates in liquid of the depolymerized corn stalk wereXylose，arabinose and glucose，and themajor by－products were acetic acid，furfural，5－hydroxymethyl furfural，ferulic acid andp－coumaric acid.When the temperaturewas higher than 120℃，cellobiose，levulinic acid and formic acid were detected in depolymerization liquid after being treated with 5%sulfuric acid for 4 h.In addition，cellobiose could be produced from corn stalk through depolymerization with 7%sulfuric acid for 4 h at80℃.These results indicated that the sulfuric acid concentration and temperature had a certain influence on the yield and distribution of products generated from corn stalk during depolymerization process.Meanwhile，the possible mechanism of depolymerization corn stalk with sulfuric acid and the formation pathway of by－productwas put out.

corn stalk，sulfuric acid，depolymerization，by－product

TQ353.1＋4

A

1003－0174（2015）

國家自然科學基金（21266023）

2013－12－02

王鳳芝，女，1988年出生，碩士，生物質能源

馬玉龍，男，1966年出生，教授，生物質能源03－0001－06