玉米芯水熱預處理對纖維素結構的影響

張莉,王征,舒思韜,郭曉亞

(上海大學環境與化學工程學院,上海 200444)

玉米芯水熱預處理對纖維素結構的影響

張莉,王征,舒思韜,郭曉亞

(上海大學環境與化學工程學院,上海 200444)

針對預處理成本高、會產生二次污染、后續提純除雜步驟復雜等問題,在水熱預處理條件下添加干冰作為輔助介質,研究了操作條件(溫度、處理時間和干冰添加量)對玉米芯中纖維素的解聚行為以及木質素脫除率的影響關系,并采用傅里葉轉換紅外線光譜分析儀(Fourier transform infrared spectroscopy,FTIR)和X射線衍射(X-ray diffraction,XRD)進行分析,得到了纖維素結構在預處理過程中的變化規律,對優化預處理工藝有重要的理論指導意義.研究結果表明：當溫度超過160?C時纖維素無定型區域的鏈結構開始斷裂;當溫度升高到180?C時纖維素聚合度(degree of polymerization,DP)急劇下降,同時木質素去除率達到最高(31.6%).FTIR分析結果表明：與預處理前相比,預處理后纖維素中的C—O—C吸收峰減弱,說明纖維素的糖苷鍵被破壞,纖維素鏈發生了斷裂.XRD分析結果表明：在預處理過程中玉米芯中纖維素的結晶度增大,說明在預處理過程中纖維素的無定型部分被脫除,同時部分纖維素Ⅰ轉化為纖維素Ⅱ.

水熱預處理;干冰;聚合度;木質素脫除率;纖維素結構

在木質纖維素生產生物乙醇的工藝中,由于多糖通過酯鍵和醚鍵與木質素之間的交聯作用造成了木質纖維素的高穩定性和頑抗性,使得水解酶的可及性變差從而降低了水解效率.預處理技術可以破壞木質纖維素的致密結構,去除木質素,從而提高水解酶的可及度.目前,研究和應用較多的預處理技術包括：研磨、蒸汽爆破、氨纖維爆破、二氧化碳爆破、臭氧分解、酸水解、有機溶劑預處理、脈沖電場預處理和水熱預處理等[1-6].在這些預處理方法中,水熱預處理由于其反應時間短、轉化率高和反應溫度相對低等優點,已成為一種有前途的預處理技術[7].本工作采用玉米芯為實驗原料,在前期研究[8]的基礎上,考察了添加干冰為輔助介質的水熱預處理技術對玉米芯中纖維素結構及聚合度的影響,為水熱預處理技術的應用提供理論指導.選取干冰為輔助介質的原因是隨著CO2爆破和超臨界CO2在生物質預處理中的成功應用,CO2在生物質預處理中具有良好的應用前景.干冰廉價易得,利用干冰與水構成酸性環境,與傳統預處理(使用酸)相比,能夠真正從源頭上防止酸對環境的污染以及對設備的腐蝕; CO2為纖維素乙醇生產過程中的產物,不需要從外界引入,減少了后續反應中的提純除雜步驟,降低了操作費用.選取玉米芯為原料是因為玉米芯作為我國主要的農業廢棄物之一,年均產量可達約4.0×107t,且目前我國尚缺乏對其有效的利用途徑.玉米芯中木質纖維素含量較高(其中纖維素～40%、半纖維素～30%和木質素～25%),適用于生物乙醇的制取.

1 實驗部分

1.1 主要試劑與儀器

所用試劑包括苯、乙醇、冰醋酸、氫氧化鈉、亞氯酸鈉、硫酸銅、濃氨水、乙二胺、鹽酸、碘化鉀、硫代硫酸鈉、氫氧化鉀、乙醇、溴化鉀、硫酸、碳酸鈣和硫氰酸銨,均為分析純(國藥化學試劑有限公司).所用儀器包括電子天平(PL 203,梅特勒-托利多儀器上海有限公司);電熱恒溫鼓風干燥箱(DGG-9070B,上海森信實驗儀器有限公司);程控箱式電爐(馬弗爐, SXL-1208,上海精宏實驗設備有限公司);傅里葉轉換紅外線光譜分析儀(Fourier transform infrared spectroscopy,FTIR,Avatar 370,美國Thermo Nicolet公司);X射線衍射儀(X-ray diffraction,XRD,Dmax-2200,日本理學電機株式會社);玉米芯購自于山東高唐;水熱預處理設備為鹽浴爐,加熱溫度范圍為150～300?C;反應管材質為304不銹鋼,長110 mm,內徑為11 mm.

1.2 原料的準備及實驗步驟

1.2.1 原料的準備

絕干玉米芯用粉碎機粉碎,然后過18目和16目篩,得到粒徑約為1.0～1.2 mm的玉米芯顆粒,并用體積比為2∶1的苯/醇混合物在索氏提取器中進行抽提脫蠟.

1.2.2 水熱預處理工藝過程

水熱預處理的具體操作過程如下：將1.5 g的絕干脫蠟玉米芯顆粒加入到不銹鋼反應管中,再加入4.5 mL的去離子水和一定量的干冰,將反應管密封后放入溫度已經穩定的鹽浴爐中,并開始計時.預處理結束后,將反應管完全冷卻并通過過濾收集預處理后的玉米芯,留用.

1.2.3 α-纖維素與木質素的分離及測定

α-纖維素的分離流程如圖1所示.α-纖維素的特性黏度η以銅乙二胺溶液作為溶劑在烏氏粘度計(25?C)中進行測定,根據馬丁公式計算其聚合度(degree of polymerization,DP)[9]：

圖1 α-纖維素的分離Fig.1 Separation of α-cellulose

剩余的部分預處理固體產物被用于分離木質素.木質素的分離和含量的測定是采用美國國家可再生能源實驗室提供的方法[10],具體分離流程如圖2所示,其中ASL為酸可溶木質素(acid soluble lignin),UV為紫外線(ultraviolet).

圖2 木質素的分離Fig.2 Seperation of lignin

酸不溶木質素又稱克拉松木質素(Klason lignin,KL),其百分含量的計算公式為

式中,wa為酸不溶木質素的百分含量,m1為105?C恒重下木質素的質量(g),m2為575?C灼燒下的剩余灰分的質量(g),m為樣品的質量(g).

木質素總百分含量wt=wa+wb,其中酸溶木質素的百分含量wb是由UV分析結果計算得到.預處理前木質素總百分含量為33.88%,

1.3 分析方法

1.3.1 FTIR分析

α-纖維素樣品通過370型FTIR(上海賽默飛世爾科技(中國)有限公司)掃描,掃描時間為32 s,波長范圍為400～4 000 cm?1.

1.3.2 XRD分析

為了進一步證實纖維素在預處理過程中發生的結構變化,在室溫下對未經預處理的玉米芯和預處理后的玉米芯中的纖維素進行了廣角XRD掃描.X光管為銅靶,用鎳片消除Cu Kα輻射,管電壓40 kV,管電流40 mA,掃描速度0.02?/s,樣品掃描范圍3?～70?.玉米芯的纖維素結晶度(crystallinity of cellulose,CI)通過式(3)來確定[12]：

式中,It是對應于纖維素Ⅰ分子中(002)晶面的強度,通常在22.5?左右,對于纖維素Ⅱ,是在20?～21.9?之間的雙峰;Ia是纖維素Ⅰ在2θ=18?觀察到的峰強度,對于纖維素Ⅱ,則是在2θ=12.1?的峰強度[12-13].

2 結果與討論

2.1 預處理對纖維素聚合度和木質素百分含量的影響

2.1.1 溫度的影響

在不同預處理溫度下纖維素DP、木質素脫除率與溫度的關系如圖3(a)所示,ASL百分含量、KL百分含量與溫度的關系如圖3(b)所示,時間固定在90min,干冰0.4 g.實驗測定未經水熱預處理的玉米芯中纖維素DP是991.

圖3 預處理溫度對于木質素脫除率、纖維素DP、ASL和KL百分含量的影響Fig.3 Effects of pretreatment temperature on removal of lignin,DP of cellulose,contents of ASL and KL

從圖3(a)可以看出,在160?C下水熱預處理玉米芯,纖維素的DP相比原料玉米芯中纖維素的DP下降了14.3%,這表明在該條件下纖維素結構中無定型區域鏈片段中的糖苷鍵開始斷裂[14].由于木質素極復雜的結構難以被脫除,故在160?C下木質素的脫除率僅為1.8%,這主要是由小分子量的木質素降解產物和木質素中的親水性衍生物(ASL)在水溶液中的水解造成的[15].隨著溫度升高至180?C,纖維素的DP下降了54.9%,而木質素脫除率達到最高值(31.6%).從圖3(b)中可以看出,在180?C時ASL的百分含量已達到最高值,而KL的百分含量已降至最低,表明木質素中大部分的低分子降解產物和親水性衍生物在180?C左右已經完全水解.因此,180?C時水更容易進入到玉米芯的內部結構中,糖苷鍵也最大程度地發生斷裂,隨著溫度繼續升高,纖維素DP的下降相比前一階段趨緩.而溫度高于190?C后,雖然DP進一步降低,但是木質素的脫除率下降,故預處理溫度為180?C是最適宜的.

2.1.2 時間的影響

水熱預處理時間對纖維素DP和木質素脫除率的影響如圖4(a)所示,水熱預處理時間對ASL含量和KL含量的影響如圖4(b)所示.溫度固定在180?C,干冰0.4 g.

圖4 預處理時間對于木質素脫除率、纖維素DP、ASL和KL百分含量的影響Fig.4 Effects of pretreatment time on removal of lignin,DP of cellulose,contents of ASL and KL

從圖4(a)中可以看出,當水熱預處理時間從60增加到90 min時,纖維素的DP急劇下降,且木質素脫除率在預處理時間為90 min時達到最大值.隨著預處理時間的延長并超過90 min時,木質素脫除率反而下降,纖維素DP的下降趨勢放緩,且在100 min之后更為平緩. DP預處理時間超過100 min時纖維素DP降低到平臺期,可能有兩個原因：一方面,最初纖維素DP的降低可能是由無定形纖維素的溶解造成的,而在后一階段纖維素DP緩慢地降低可能是由于結構更緊湊的纖維素的降解[16];另一方面,由于木質素降解產物進一步生成,在水解液中形成沉淀覆蓋到生物質的表面,使得ASL百分含量降低,KL百分含量增大(見圖4(b)),木質素的脫除率降低,阻礙了纖維素的降解[17].綜上可知,合適的水熱預處理時間為90 min.

2.1.3 干冰添加量的影響

圖5(a)為干冰添加量對纖維素DP和木質素脫除率的影響,圖5(b)為干冰添加量對ASL和KL百分含量的影響.時間固定在90 min,溫度180?C.

從圖5可以看出,起初隨著干冰添加量的增加,木質素的脫除率和ASL百分含量先增加然后下降,且在干冰添加量為0.4 g時木質素脫除率達最大值(約31.6%).同時,纖維素的DP隨著干冰添加量達到0.4 g急劇下降,然后當木質素脫除率達到最大值后纖維素DP降低趨勢變緩.這是因為在干冰加入量較少時,隨著干冰加入量的增加,鋼管中CO2的分壓增加,水中CO2的溶解度增加,促使水的酸性增加,促進了木質素的脫除和纖維素的解聚.當干冰添加量大于0.4 g后,進一步增大干冰的添加量,木質素脫除率降低,纖維素DP緩慢下降,這是由于木質素的降解是解聚反應和縮合反應的競爭反應,酸性的繼續增大使得木質素小分子降解產物如糠醛、酚類和酮類物質的量增加,當溶液中這些可溶性木質素降解產物類似達到“飽和”時,繼續生成的降解產物將難以溶解(圖5(b)中ASL百分含量降低),這些小分子降解產物又會發生二次縮合,導致木質素各單體之間的交聯作用增大,使其熱穩定性增強,難以發生降解,不利于木質素的降解脫除[18].因此,考慮到木質素的脫除率以及為了保護低聚纖維素不被進一步分解,合適的干冰添加量為0.4 g.

圖5 干冰添加量對于木質素脫除率、纖維素DP、ASL和KL百分含量的影響Fig.5 Effects of addition of solid CO2on removal of lignin,DP of cellulose,contents of ASL and KL

2.2 α-纖維素的FTIR

紅外光譜能提供特定分子結構的吸收峰,可用于木質纖維素生物質結構的分析.圖6為預處理前后玉米芯中α-纖維素的FTIR光譜.圖6(a)～(e)分別代表未經預處理和預處理條件為160?C,60 min;200?C,60 min;160?C,120 min和200?C,120 min(干冰添加量均為0.4 g)時的α-纖維素FTIR光譜圖.

通過比較預處理前后玉米芯中的纖維素的FTIR光譜圖可以明顯看出,在未預處理樣品中出現的1 470和845 cm?1處尖銳的吸收峰在預處理后的樣品中消失.—OCH3的伸縮振動出現在1 470 cm?1,芳香族C—H的外部平面振動出現在845 cm?1.這兩個吸收峰的存在表明,在未經預處理玉米芯所提取的纖維素中有一定量的木質素,預處理后樣品中這兩個吸收峰的消失表明木質素在預處理過程中被脫除,從而使得分離所得的纖維素中基本不含木質素.在纖維素中,C—O—C的反對稱伸縮振動出現在1 170 cm?1,C—O的伸縮振動出現在1 020～1 070 cm?1.由圖6可以看出,預處理后的纖維素樣品中,1 170 cm?1處纖維素的特征吸收峰顯著減弱,這表明在水熱預處理過程中纖維素的糖苷鍵部分被破壞,纖維素鏈發生了斷裂,使得纖維素DP下降.在895 cm?1的弱峰是C1基團頻率,這是纖維素和半纖維素的特征吸收峰[19].預處理后,895 cm?1處的吸收峰變得更加明顯尖銳,這說明水熱預處理過程使得木質素與纖維素、半纖維素發生了充分的分離,分離所得的纖維素純度更高.

2.3 α-纖維素的XRD分析

表1為纖維素的結晶度和半寬高值,α-纖維素的XRD圖譜如圖7所示.纖維素Ⅰ是天然存在的纖維素形式,具有兩種不同的晶型：單鏈三斜結構Iα和雙鏈修飾單斜結構Iβ,兩種晶體都由氫鍵以平行鏈排布成平面結構.纖維素Ⅱ是由纖維素Ⅰ經再生或絲光化得到的結晶變體,其氫鍵以反平行結構排布,熱力學性質更為穩定.

圖6 纖維素FTIR光譜圖Fig.6 FTIR spectra of cellulose

表1 纖維素結晶度和半寬高值Table 1 Degree of crystallinity and half-height width of cellulose

如圖7所示,在20?的峰主要是由纖維素Ⅱ中的(101)晶面產生的.在22.0?～22.7?的另一個峰是由(002)晶面產生的[20].同時可以明顯觀察到,未經預處理的纖維素樣品的(002)晶面的2θ值為22.2?,對于其他樣品主要結晶峰則在20?～22?之間,這表明纖維素Ⅰ的晶格結構在預處理后發生了膨脹,且一部分纖維素Ⅰ轉化成纖維素Ⅱ[20-21].34?左右的弱峰對應于沿著纖維結構方向、纖維二糖單元的1/4長度處的面,此峰對于纖維素鏈的轉變比較敏感[21].由表1可以看出,在預處理前纖維素具有更寬的(I002)結晶峰,且結晶度為45.74%.預處理后,結晶峰從22.2?向稍低的2θ角轉移,出現(101)面的峰,并且顯著增強,34?處的峰減弱,這也說明纖維素Ⅰ向纖維素Ⅱ發生了轉變[20].預處理后結晶度顯著增加,這可能是因為在水熱預處理過程中纖維素的無定型部分發生了水解,使得總結晶度增加.

圖7 預處理前后玉米芯中提取的纖維素的XRD圖譜Fig.7 XRD patterns of cellulose extracted from raw corncob and pretreated corncob

纖維素無定形部分的降解和纖維素Ⅰ向纖維素Ⅱ的轉化隨著預處理時間的延長((e)較于(d))、溫度的提高((c)較于(b))和干冰添加量的增加((g)較于(f))變得明顯.而纖維素Ⅰ向纖維素Ⅱ轉變的過程中發生了鏈的斷裂和重排,使得纖維素的DP降低.

3 結論

(1)隨預處理時間的延長、溫度的提高、干冰添加量的增加,木質素的脫除率不斷增大,纖維素DP急劇下降.但當預處理條件改變到特定值后,木質素脫除率達到最大,之后預處理木質素的脫除率降低,這可能是因為偽木素和木質素降解產物產生的沉積物會阻礙木質素的脫除和纖維素的解聚,使得木質素脫除率降低及纖維素解聚速度變緩.水熱預處理合適的條件為在干冰添加量0.4 g、溫度180?C下處理90 min,此時木質素脫除率達到最大值(31.6%).

(2)從FTIR光譜圖中可以看出,在預處理樣品中C—O—C吸收峰減弱,這表明在水熱預處理過程中纖維素的糖苷鍵部分被破壞,纖維素鏈發生了斷裂,使得纖維素DP下降,同時木質素被脫除.通過XRD進一步分析表明,在預處理過程中纖維素的無定型部分被脫除,同時發生了纖維素Ⅰ向纖維素Ⅱ的轉變,在此過程中發生的鏈的斷裂和重排使得纖維素DP降低.

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本文彩色版可登陸本刊網站查詢：http：//www.journal.shu.edu.cn

Influence of hydrothermal pretreatment of corncob on structure of cellulose

ZHANG Li,WANG Zheng,SHU Sitao,GUO Xiaoya
(School of Environmental and Chemical Engineering,Shanghai University,Shanghai 200444,China)

To solve the problem of high costs in pretreatment,secondary pollution and complicated subsequent purification,solid CO2was added as an auxiliary medium under hydrothermal pretreatment conditions.The effects of operating conditions including temperature,time and the amount of solid CO2on the cleavage behavior of cellulose and lignin removal were investigated.Fourier transform infrared spectroscopy(FTIR)and X-ray diffraction(XRD)were used to analyze the structural variation of cellulose,which had great significance of theoretic instruction to optimize the pretreatment process.The results show that cellulose chain cleavage basically occurs when the temperature exceeds 160?C.As temperature rises to 180?C,degree of polymerization(DP)decreases dramatically,and the removal of lignin reaches the highest(31.6%).From the analysis of FTIR, peaks associated with C—O—C bonds are weakened in pretreated samples,indicating that glycosidic bonds and chains of cellulose are broken down during the pretreatment process.Further analysis by XRD shows an increase in crystallinity of cellulose in pretreated corncob,indicating removal of the amorphous part of cellulose,and transition of celluloseⅠto celluloseⅡduring pretreatment.

hydrothermal pretreatment;solid CO2;degree of polymerization;removal of lignin;structure of cellulose

TQ 353

A

1007-2861(2017)03-0464-09

10.12066/j.issn.1007-2861.1684

2015-09-17

國家自然科學基金面上資助項目(21571127)

郭曉亞(1976—),女,副教授,博士,研究方向為生物質能源的利用.E-mail：gxy@shu.edu.cn