荻的蒸汽爆破預(yù)處理研究

李心收，劉 忠，惠嵐峰

（天津市制漿造紙重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津科技大學(xué)造紙學(xué)院，天津 300457）

荻的蒸汽爆破預(yù)處理研究

李心收，劉 忠，惠嵐峰

（天津市制漿造紙重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津科技大學(xué)造紙學(xué)院，天津 300457）

研究了蒸汽爆破預(yù)處理對荻化學(xué)組成變化以及纖維素酶水解效率的影響，通過掃描電鏡（SEM）、X射線衍射儀（XRD）和紅外光譜等分析爆破預(yù)處理對荻纖維形態(tài)、結(jié)構(gòu)的影響.結(jié)果表明：蒸汽爆破預(yù)處理后物料中絕大部分半纖維素發(fā)生降解，部分木質(zhì)素降解溶出，纖維素的相對含量有所提高；蒸汽爆破預(yù)處理后荻纖維表面和細(xì)胞壁受到不同程度的破壞，纖維素絕對結(jié)晶度降低，有利于酶水解作用進(jìn)行；未處理原料的酶水解效率僅為14.38%，，蒸汽爆破預(yù)處理后纖維素酶水解效率最高達(dá)到了88.95%，.

荻；蒸汽爆破預(yù)處理；化學(xué)組成；酶水解

化石能源短缺與環(huán)境污染加劇是當(dāng)今世界所面臨的嚴(yán)重問題，尋找可再生替代能源成為人類面臨的重要任務(wù)之一［1-2］.開發(fā)能源植物是解決世界各國能源和環(huán)境問題的有效途徑.能源草是對生長速度較快、適應(yīng)環(huán)境能力較強(qiáng)、產(chǎn)量較高的草類能源植物的統(tǒng)稱［3］.荻為禾本科，俗稱荻草、荻子，是多年生草本植物.荻是一種多用途草類，可以用于環(huán)境保護(hù)、生物質(zhì)能源、制漿造紙、紡織、藥用等［4］.荻纖維素含量比較高，從生產(chǎn)燃料乙醇的角度，荻是優(yōu)良的天然纖維素材料.

在天然纖維素材料中，半纖維素與木質(zhì)素把纖維素緊密包裹起來，纖維素酶很難接觸進(jìn)而吸附在纖維素底物上.影響纖維素酶水解效率的主要因素為酶對纖維素的可及度，天然纖維素材料酶水解效率通常比較低（低于 20%，）［5］.因此對荻酶水解之前，需要進(jìn)行適當(dāng)?shù)念A(yù)處理，破壞半纖維素、木質(zhì)素對纖維素包裹作用，降低纖維素的結(jié)晶度，提高酶對纖維素的可及性［6］.蒸汽爆破法作為一種物理與化學(xué)相結(jié)合的方法，預(yù)處理效果較好，而且化學(xué)藥品用量較少，對環(huán)境污染少，能耗低，是一種可有效提高木質(zhì)纖維材料酶水解效率的預(yù)處理技術(shù)［7-8］.

目前對荻的蒸汽爆破預(yù)處理的研究較少，本研究以荻為原料，研究了蒸汽爆破預(yù)處理對荻中纖維素、半纖維素以及木質(zhì)素含量變化的影響，同時利用掃描電子顯微鏡（SEM）、紅外光譜等對爆破預(yù)處理前后荻物料的物理化學(xué)性質(zhì)進(jìn)行分析，并研究了爆破預(yù)處理對荻酶水解效率的影響，為能源草的進(jìn)一步應(yīng)用提供一定理論依據(jù).

1　材料與方法

1.1材料

荻，取自內(nèi)蒙古，去除雜質(zhì)后，將荻草粉碎至2～3，cm，以備后續(xù)使用；纖維素酶，和氏璧生物技術(shù)有限公司，濾紙酶活力59，U/mL.

FZ 102型植物粉碎機(jī)，北京中興偉業(yè)儀器；BL-08型蒸汽爆破機(jī)，北京林業(yè)大學(xué)；FTIR-650型傅里葉變換紅外光譜儀，中國港東科技；1200，series型高效液相色譜、UV-2550型微多功能uv/vis分析儀，美國Agilent公司；D/max-2500型X射線衍射儀，日本理學(xué)；JSM-6380LV型掃描電子顯微鏡，日本電子.

1.2蒸汽爆破預(yù)處理

將300，g絕干荻草加入到蒸汽爆破裝置中.將水蒸氣不斷通入到爆破室中，待壓力升到預(yù)設(shè)壓力時開始維壓計(jì)時，等到時間達(dá)到設(shè)定時間后瞬間減壓放料.將爆破預(yù)處理后物料干燥至一定干度后進(jìn)行粉碎，取40～60目物料備用.

1.3爆破前后物料的化學(xué)組成分析

按照美國可再生能源實(shí)驗(yàn)室 NREL方法［9］測定爆破預(yù)處理前后荻物料的主要化學(xué)組成.苯醇抽提物含量的測定參見GB/T，10741—2008《紙漿·苯醇抽出物的測定》.

1.4爆破前后物料物理化學(xué)結(jié)構(gòu)表征分析

利用掃描電子顯微鏡對爆破預(yù)處理前后荻物料纖維表面形態(tài)進(jìn)行觀察、分析；對物料進(jìn)行紅外光譜掃描，分析爆破預(yù)處理前后荻的特征官能團(tuán)變化；采用 X射線衍射儀分析爆破預(yù)處理前后物料纖維素結(jié)晶度的變化.采用 Cu靶，石墨單色器，加速電壓30，kV，電流20，mA，衍射角2，θ的旋轉(zhuǎn)范圍為10，°～70，°，掃描速率4，°/min；按照GB/T 10247—2008《紙漿·黏度的測定》測定爆破預(yù)處理后物料纖維素的平均聚合度.

1.5纖維素酶水解

稱取1.0，g爆破預(yù)處理后的荻物料，置于100，mL三角瓶中，加入50，mL乙酸-乙酸鈉緩沖液（pH 4.8、濃度 0.1，mol/L），加入一定量纖維素酶，加入 0.4，mL鹽酸四環(huán)素混合均勻后，加蒸餾水至100，mL；將三角瓶置于搖床內(nèi)，50，℃、200，r/min反應(yīng)48，h.反應(yīng)結(jié)束后，將三角瓶置于 90，℃恒溫水浴鍋中進(jìn)行滅活處理，取上清液測定酶水解液中葡萄糖含量.酶水解效率按照式（1）進(jìn)行計(jì)算.

式中：ρ為酶水解液中葡萄糖質(zhì)量濃度，g/L；V為酶水解液的體積，實(shí)驗(yàn)中為 0.1，L；0.9為纖維素與葡萄糖轉(zhuǎn)換系數(shù)；m為試樣質(zhì)量，g；w為試樣中纖維素質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%，.

2　結(jié)果與討論

2.1化學(xué)組成分析

荻蒸汽爆破預(yù)處理前后主要化學(xué)組分的分析結(jié)果見表 1.由表 1可知：蒸汽爆破預(yù)處理后，荻物料中半纖維素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)大幅下降，并且隨著爆破預(yù)處理強(qiáng)度的增加，物料中半纖維素不斷降解溶出，其結(jié)果與 Saddler［10］的研究結(jié)果一致.未處理荻原料中半纖維素質(zhì)量分?jǐn)?shù)為24.68%，，經(jīng)爆破壓力2.2，MPa、維壓時間 3，min預(yù)處理后物料中半纖維素質(zhì)量分?jǐn)?shù)僅為0.50%，，與荻原料相比半纖維素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低了97.97%，.蒸汽爆破預(yù)處理會破壞半纖維素中的糖苷鍵，使得絕大部分半纖維素水解成單糖以及低聚糖.隨著半纖維素的降解，木質(zhì)素也發(fā)生部分解聚和軟化［11］.木質(zhì)素具有熱可塑性，在玻璃態(tài)轉(zhuǎn)化溫度下，呈玻璃狀固態(tài).在爆破預(yù)處理過程中，當(dāng)水蒸氣溫度高于木質(zhì)素的玻璃態(tài)轉(zhuǎn)化溫度時，木質(zhì)素軟化變黏，有利于木質(zhì)素的降解溶出.爆破預(yù)處理后荻物料中木質(zhì)素質(zhì)量分?jǐn)?shù)有所下降，隨著爆破預(yù)處理強(qiáng)度的進(jìn)一步加強(qiáng)，木質(zhì)素會發(fā)生重新聚合，木質(zhì)素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)又會有所上升.荻原料中木質(zhì)素質(zhì)量分?jǐn)?shù)為17.86%，，經(jīng)爆破壓力 1.4，MPa、維壓時間 7，min預(yù)處理后荻物料中木質(zhì)素質(zhì)量分?jǐn)?shù)僅為 10.04%，，木質(zhì)素質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低了 43.78%，.由于纖維素緊密的結(jié)晶結(jié)構(gòu)，爆破預(yù)處理對纖維素的影響較小.由于爆破預(yù)處理過程中大部分半纖維素以及部分木質(zhì)素降解溶出，導(dǎo)致爆破預(yù)處理后物料的纖維素相對質(zhì)量分?jǐn)?shù)有所增加，有利于纖維素酶水解反應(yīng)的進(jìn)行［12-13］.未處理荻原料的纖維素質(zhì)量分?jǐn)?shù) 48.32%，，經(jīng)爆破壓力1.8，MPa、維壓時間 3，min預(yù)處理后物料的纖維素質(zhì)量分?jǐn)?shù)高達(dá) 62.05%，，與未處理荻物料相比纖維素質(zhì)量分?jǐn)?shù)增幅為28.41%，.

苯醇抽提物不僅包括物料中的樹脂、蠟、脂肪等，還含有一些乙醚不溶物如單寧、色素等.由表 1可知：隨著維壓時間的延長以及爆破壓力增大，爆破預(yù)處理后物料中苯醇抽提物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸提高.荻原料苯醇抽提物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4.46%，，經(jīng)爆破壓力1.4，MPa、維壓時間 7，min預(yù)處理后物料中抽提物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到了 19.66%，，苯醇抽提物質(zhì)量分?jǐn)?shù)提高了 3.4倍，這是由于爆破預(yù)處理過程中，半纖維素中的乙酰基發(fā)生水解，產(chǎn)生一些酸性物質(zhì)（乙酸為主），與高溫水蒸氣形成類酸性環(huán)境.在水蒸氣和熱的聯(lián)合作用使得半纖維素以及部分木質(zhì)素發(fā)生類酸性降解與熱降解，從而使得爆破物料中苯醇抽提物質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加［14］.

表1　蒸汽爆破處理對荻物料主要化學(xué)組成的影響Tab.1 Effect of steam explosion treatment on the main chemical composition of Triarrherca sacchariflora

2.2結(jié)構(gòu)表征分析

2.2.1掃描電鏡分析

爆破預(yù)處理前后荻掃描電鏡圖如圖 1所示.由圖 1可以看出：未爆破預(yù)處理荻物料纖維比較挺硬，呈束狀排列.經(jīng)過蒸汽爆破預(yù)處理后，荻物料的纖維形態(tài)變化比較明顯，纖維束之間發(fā)生分離.隨著爆破預(yù)處理?xiàng)l件加強(qiáng)，纖維分離程度增大.纖維與纖維之間相互纏繞交錯，變得凌亂［15］.未爆破預(yù)處理的荻物料纖維表面比較光滑，經(jīng)過爆破預(yù)處理后荻物料纖維表面上有顆粒狀物質(zhì)產(chǎn)生，這是由于爆破預(yù)處理后纖維素內(nèi)部的部分氫鍵發(fā)生斷裂，形成了游離羥基，從而增加了纖維的吸附能力，在瞬間泄壓放料時半纖維素降解產(chǎn)物以及部分軟化木質(zhì)素沉積在纖維表面上所引起的［16］.同時，爆破預(yù)處理后纖維表面被撕裂，產(chǎn)生許多裂紋，纖維比表面積增加，有利于提高酶對纖維素可及度.爆破預(yù)處理可以有效分離荻纖維，使纖維組織變得松散，改善荻草的纖維結(jié)構(gòu)，可有效提高荻的酶水解效率.

圖1　荻的掃描電鏡圖Fig.1 SEM of Triarrherca sacchariflora

2.2.2紅外光譜分析

據(jù)資料［17］表明：β-D 葡萄糖苷的特征峰為897，cm-1處的 β糖甘鍵振動；纖維素的特征峰為2，900、1，425、1，374，cm-1處的C—H的收縮振動、CH3的彎曲振動、C—H的彎曲振動；半纖維素的特征峰為1，736，cm-1處的C—O伸展振動；木質(zhì)素的特征峰為1，510、1，600，cm-1處苯環(huán)的伸展振動和C—O伸展振動.

荻爆破預(yù)處理前后紅外光譜圖如圖2所示.

圖2　荻蒸汽爆破預(yù)處理前后紅外光譜圖Fig.2　FTIR spectra of untreated and steam-explosion pretreated Triarrherca sacchariflora

由圖2可知：爆破預(yù)處理前后荻的紅外光譜圖的主體結(jié)構(gòu)基本相似，僅僅是某些波長處吸收峰強(qiáng)度發(fā)生改變［18］.爆破預(yù)處理后物料纖維素 2，900、1，425、1，374，cm-1波長處的吸收強(qiáng)度變化不大，說明爆破預(yù)處理后纖維素結(jié)構(gòu)變化很小.爆破預(yù)處理后物料在1，160，cm-1處的吸收強(qiáng)度明顯減弱，說明纖維素大分子主要結(jié)合鍵 C—O—C鍵發(fā)生了斷裂，爆破預(yù)處理后纖維素大分子平均聚合度降低，對后續(xù)的酶水解有促進(jìn)作用.爆破預(yù)處理后，荻物料的羧基基團(tuán)在1，736，cm-1處的吸收峰強(qiáng)度明顯下降，說明在爆破預(yù)處理過程中半纖維素結(jié)構(gòu)遭到了嚴(yán)重破壞，大部分半纖維素發(fā)生了降解.1，505，cm-1和 1，600，cm-1是木質(zhì)素的特征峰，經(jīng)過爆破預(yù)處理后，兩處波長處吸收峰強(qiáng)度略有降低，說明木質(zhì)素在爆破過程中結(jié)構(gòu)遭到破壞發(fā)生部分降解.

蒸汽爆破預(yù)處理后大部分半纖維素以及部分木質(zhì)素發(fā)生降解，破壞了物料中半纖維素以及木質(zhì)素對纖維素的保護(hù)作用，有利于荻物料酶水解反應(yīng)的進(jìn)行.

2.2.3X射線衍射分析

蒸汽爆破預(yù)處理前后荻的 X射線衍射圖如圖 3所示.

圖3　蒸汽爆破前后荻的X射線衍射圖Fig.3 Diagram of X-ray diffraction of untreated and steam-explosion pretreated Triarrherca sacchariflora

由圖3可知：爆破預(yù)處理前后荻物料的結(jié)晶區(qū)的衍射峰在22.5°和16.3°附近，纖維素的無定形區(qū)部分在 18.5°處.經(jīng)過蒸汽爆破預(yù)處理后，荻物料在 22.5°和 16.3°處衍射峰變得尖銳，半峰寬減小，而在 18.5°處衍射峰強(qiáng)度變化很小，從而可以看出爆破預(yù)處理后荻的相對結(jié)晶度有所增大.在爆破預(yù)處理過程中，纖維素的無定形區(qū)受到了損壞.纖維素的結(jié)晶區(qū)由于結(jié)構(gòu)比較致密僅僅是部分損壞，因而相對結(jié)晶度增加，但絕對結(jié)晶度有所下降，這一結(jié)果與蔣建新等［19］的研究結(jié)果相一致.蒸汽爆破預(yù)處理后纖維素的絕對結(jié)晶度降低，有利于荻后續(xù)酶水解反應(yīng)的進(jìn)行.

2.2.4蒸汽爆破對纖維素平均聚合度的影響

維壓時間和爆破壓力對纖維素平均聚合度的影響如圖4、圖5所示.

圖4　　在壓力 1.4，MPa條件下維壓時間對纖維素平均聚合度的影響Fig.4　Effects of the holding time on the degree of polymerization of cellulose under the condition of 1.4，MPa

圖5　在維壓時間3，min條件下爆破壓力對纖維素平均聚合度的影響Fig.5　Effects of pressure on the average degree of polymerization of cellulose under the condition of 3，min

在爆破壓力為 1.4，MPa時，隨著維壓時間的延長，纖維素的平均聚合度呈下降趨勢.禾本科天然纖維素的平均聚合度約為 6，000～7，000，維壓時間1，min時的物料纖維素平均聚合度約為 1，061，維壓時間7，min時纖維素的平均聚合度降低到約267.

在維壓時間為 3，min時，隨著爆破壓力的增大，纖維素平均聚合度不斷降低.在壓力1.2，MPa時物料纖維素平均聚合度約為 2，098，當(dāng)爆破壓力升高到2.2，MPa時物料纖維素的平均聚合度降低到 106.這是由于在高溫水蒸氣作用下，荻物料中纖維素會發(fā)生熱降解反應(yīng)，導(dǎo)致纖維素水解和氧化降解，嚴(yán)重時還會產(chǎn)生纖維素的酸性水解反應(yīng).纖維素結(jié)構(gòu)中的糖苷鍵發(fā)生斷裂，一些C—O鍵與C—C鍵也會斷裂，進(jìn)而使纖維素的平均聚合度降低，從而促進(jìn)了酶水解反應(yīng)進(jìn)行［20］.

2.3纖維素酶水解分析

維壓時間與爆破壓力對荻酶水解效率的影響如圖6、圖7所示.在爆破壓力為1.4，MPa時，隨著維壓時間的增加，爆破預(yù)處理后荻物料的酶水解效率不斷提高.未處理荻原料酶水解效率僅為 14.38%，，經(jīng)爆破壓力 1.4，MPa、維壓時間 7，min預(yù)處理后物料酶水解效率達(dá)到了86.23%，，酶水解效率提高了將近5倍.

在維壓時間為 3，min時，隨著爆破壓力的增大，物料的酶水解效率呈上升趨勢.經(jīng)爆破壓力2.2，MPa、維壓時間 3，min預(yù)處理后物料的酶水解效率達(dá)到了88.95%，.

圖6　在壓力 1.4，MPa條件下維壓時間對荻酶水解效率的影響Fig.6 Effects of holding time on the enzymatic hydrolysis rate of Triarrherca sacchariflora under the condition of 1.4，MPa

圖7　在時間3，min條件下爆破壓力對荻酶水解效率的影響Fig.7 Effects of pressure on the enzymatic hydrolysis of Triarrherca sacchariflora under the condition of 3，min

由圖 6、圖 7可以看出：爆破預(yù)處理顯著提高了荻物料的酶水解效率.影響酶水解纖維素物料的主要因素是木質(zhì)素的存在和纖維素緊密的結(jié)晶結(jié)構(gòu).蒸汽爆破預(yù)處理使得部分木質(zhì)素和半纖維素發(fā)生降解，降低了纖維素的絕對結(jié)晶度和平均聚合度，提高了酶對纖維素底物的可及度，從而有效地提高了荻物料的酶水解效率.

物料酶解后紅外光譜如圖8所示.由圖8可知：酶水解前后荻物料的紅外光譜圖主體基本相同，僅僅是部分波長處的吸收峰強(qiáng)度有所改變.荻原料酶處理前后纖維素的特征峰吸收處強(qiáng)度基本沒有下降，說明未處理荻物料的酶水解效率比較低.經(jīng)過爆破預(yù)處理后荻物料酶水解后纖維素在 2，900，cm-1、1，425，cm-1、1，374，cm-1處吸收強(qiáng)度大幅下降，897，cm-1處 β糖甘鍵吸收峰強(qiáng)度明顯減弱.這說明爆破預(yù)處理后物料中纖維素在酶水解過程中大量降解，爆破預(yù)處理顯著提高了荻酶水解效率.

圖8　物料酶解后紅外光譜圖Fig.8　FTIR spectra of of materials after enzymatic hydrolysis

3　結(jié) 論

（1）荻中纖維素質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高，從生產(chǎn)燃料乙醇的角度，荻是潛在的優(yōu)良纖維素原料.

（2）爆破預(yù)處理后，絕大部分半纖維素發(fā)生降解.荻原料中半纖維素質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 24.68%，，經(jīng)爆破壓力 2.2，MPa、維壓時間 3，min預(yù)處理后物料中半纖維素質(zhì)量分?jǐn)?shù)僅為0.50%，，半纖維素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低了 97.97%，.爆破預(yù)處理后木質(zhì)素質(zhì)量分?jǐn)?shù)略有降低，經(jīng)爆破壓力 1.4，MPa、維壓時間 7，min預(yù)處理后物料的木質(zhì)素質(zhì)量分?jǐn)?shù)僅為 10.04%，，木質(zhì)素質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低了 43.78%，；在爆破預(yù)處理過程中，纖維素質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大，經(jīng)爆破壓力 1.8，MPa、維壓時間 3，min預(yù)處理后物料的纖維素質(zhì)量分?jǐn)?shù)高達(dá) 62.05%，，與未處理荻物料相比纖維素質(zhì)量分?jǐn)?shù)增幅為 28.41%，；荻物料中苯醇抽提物質(zhì)量分?jǐn)?shù)經(jīng)過爆破處理后有所提高.

（3）通過掃描電鏡觀察，經(jīng)過蒸汽爆破預(yù)處理后，纖維束之間發(fā)生分離，纖維之間相互纏繞，纖維表面出現(xiàn)許多裂紋.與未處理荻原料相比，爆破預(yù)處理后酶與荻物料的有效接觸面積增加.蒸汽爆破預(yù)處理后，纖維素的相對結(jié)晶度增大，但絕對結(jié)晶度下降.隨著預(yù)處理強(qiáng)度的增加，纖維素的平均聚合度不斷減小.

（4）蒸汽爆破預(yù)處理可以顯著提高荻的纖維素酶水解效率，未處理荻原料的酶水解效率僅為14.38%，，經(jīng)爆破壓力 2.2，MPa、維壓時間 3，min預(yù)處理后荻物料的纖維素酶水解效率最高可達(dá)到88.95%，.

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責(zé)任編輯：周建軍

Steam-explosion Pretreatment of Triarrherca sacchariflora

LI Xinshou，LIU Zhong，HUI Lanfeng
（Tianjin Key Laboratory of Pulp and Paper，College of Papermaking Science and Technology，Tianjin University of Science & Technology，Tianjin 300457，China）

The effects of steam-explosion pretreatment on the composition and enzymatic hydrolysis efficiency of solid residues of Triarrherca sacchariflora were investigated in the experiments.The fiber shape and structure have been characterized with scanning electron microscopy（SEM），as well as infrared and X-ray diffraction（XRD）spectrum methods.The results showed that after the steam explosion pretreatment，most hemicellulose was degraded，a fraction of lignin was also solubilized，and the relative content of cellulose was increased.The fiber surface and cell wall of Triarrherca sacchariflora were broken in various extents and the cellulose crystallinity was reduced，which were helpful to increasing the efficiency of enzymatic hydrolysis.The enzymatic hydrolysis efficiency of the untreated material was only 14.38%，，but the highest enzymatic hydrolysis efficiency of 88.95%， was obtained after the steam-explosion pretreatment.

Triarrherca sacchariflora；steam-explosion pretreatment；chemical composition；Enzymatic hydrolysis

TQ353.14

A

1672-6510（2016）04-0045-06

10.13364/j.issn.1672-6510.20150112

2015-09-02；

2015-11-27

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（31270631，21576213）

李心收（1990—），男，山東陵縣人，碩士研究生；通信作者：劉 忠，教授，mglz@tust.edu.cn.