不同品種泡桐制備乙醇的預(yù)處理工藝優(yōu)化研究*

朱秀紅 趙珠琳 程紅梅 溫道遠 茹廣欣

（河南農(nóng)業(yè)大學林學院，河南 鄭州 450002）

能源問題是當今世界面臨的嚴峻問題，目前生物質(zhì)制乙醇已經(jīng)成為較成功的能源替代品種。巴西、美國、歐盟、泰國、印度等都在積極開展對生物質(zhì)制乙醇的研究與生產(chǎn)，用作汽車燃料等。我國是第三大生物燃料乙醇生產(chǎn)國和應(yīng)用國。雖然起步晚，但發(fā)展迅速，以農(nóng)林廢棄物等木質(zhì)纖維素原料制取乙醇燃料技術(shù)己進入年產(chǎn)萬噸級規(guī)模的中試階段[1]。第一代燃料乙醇以玉米、甘蔗等糧食為原料，但存在 “與人爭糧”等問題[2-3]。為解決這一問題，第二代燃料乙醇以非糧食的木質(zhì)纖維素為原料[4-5]。但生產(chǎn)成本高，國內(nèi)外目前均未實現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)。近幾年，生物質(zhì)制乙醇采取對含有木質(zhì)纖維素的原料進行預(yù)處理，然后再經(jīng)纖維素酶降解為還原糖，最后用酵母菌發(fā)酵生成乙醇[6-11]。這一工藝有效解決了“與人爭糧”的問題；對生物質(zhì)纖維素進行利用，增加了其經(jīng)濟價值，同時乙醇產(chǎn)量也有所提升，但無法解決生產(chǎn)成本高這一問題。學者們對優(yōu)質(zhì)生物質(zhì)材料和預(yù)處理方法展開研究，以實現(xiàn)高效經(jīng)濟地降解半纖維素、木質(zhì)素，提高纖維素含量，通過酶解、糖化、發(fā)酵，提高乙醇產(chǎn)量，降低成本，最終實現(xiàn)生物質(zhì)制乙醇大規(guī)模生產(chǎn)的目的[12-14]。

泡桐木質(zhì)結(jié)構(gòu)疏松，纖維素含量豐富，分布廣，是我國主要的速生闊葉樹種，易于取材[15]。目前木質(zhì)纖維生物質(zhì)制備乙醇原料的預(yù)處理方法通常分為物理法、化學法、物理化學法。現(xiàn)階段物理法有機械粉碎、微波法；化學法有稀硫酸、氫氧化鈉預(yù)處理法等，試驗研究中采用這些預(yù)處理方法均取得了不錯的效果。本文以泡桐的6 個典型品種作為試驗材料，選擇稀硫酸、氫氧化鈉化學預(yù)處理法和微波-氫氧化鈉物理-化學預(yù)處理法，對不同泡桐品種生物質(zhì)制乙醇的預(yù)處理工藝進行比較研究，探究預(yù)處理效果較好的泡桐品種和預(yù)處理方法，以期為解決生物質(zhì)制乙醇過程中成本過高的問題提供思路。

1 材料與方法

1.1 材料

毛泡桐（Paulownia tomentosa）、蘭考泡桐（Paulownia elongate）、楸葉泡桐（Paulownia catalpifolia）、白花泡桐（Paulownia fortune）、川泡桐（Paulownia fargesii）、臺灣泡桐（Paulownia kawakamii）采集于河南農(nóng)業(yè)大學科教園區(qū)實驗基地。采集的泡桐枝條，自然曬干后，用植物型粉碎機粉碎，收集80 目的粉末。稀硫酸，廣州化學試劑廠。氫氧化鈉，天津市大茂化學試劑廠。纖維素酶，SIGMA-ALORICH公司。

1.2 設(shè)備

高速萬能粉碎機，天津市泰斯特儀器有限公司；高壓蒸汽滅菌鍋，上海申安醫(yī)療器械廠；恒溫水浴鍋，上海鑫翁科學儀器有限公司；微波爐，上海喬躍電子科技有限公司；紫外可見分光光度計，安捷倫（Aglient）科技公司。

1.3 試樣成分測定

纖維素、木質(zhì)素、半纖維素含量測定方法采用改良王玉萬法[16]。

1.4 試樣預(yù)處理

1.4.1 稀硫酸預(yù)處理

稱取粉碎的泡桐粉末2 g，放入250 mL三角瓶中封口，以固液比1∶10的比例加入濃度1.14 %的稀硫酸溶液，145.7 ℃高溫預(yù)處理39.3 min，冷卻后，用氫氧化鈉溶液調(diào)pH至5.0左右[17-19]。

1.4.2 氫氧化鈉預(yù)處理

稱取粉碎的泡桐粉末2 g，放入250 mL三角瓶中，以固液比1∶10的比例加入濃度為10 %的氫氧化鈉溶液，80 ℃反應(yīng)15 min，反應(yīng)結(jié)束后用離子水進行殘渣過濾，調(diào)pH值為5.0左右[20-22]。

1.4.3 微波-氫氧化鈉預(yù)處理

稱取粉碎的泡桐粉末2 g，放入250 mL三角瓶中，以固液比1∶10的比例加入濃度為10 %的氫氧化鈉溶液，在微波爐中以400 W的微波強度處理2 min。反應(yīng)結(jié)束后用離子水進行殘渣過濾，調(diào)pH值至5.0左右[23]。

1.5 預(yù)處理后泡桐酶解糖化

首先，配制纖維素酶液，用50 mmol/L，pH 4.8 的醋酸-醋酸鈉緩沖溶液溶解纖維素酶，酶負荷為50 FPU/g基質(zhì)；然后，稱取0.16 g泡桐粉末置于10 mL離心管中，加入8 mL纖維素酶液，在48 ℃恒溫水浴鍋中酶解反應(yīng)48 h，反應(yīng)結(jié)束后取上清液按一定倍數(shù)稀釋后測定還原糖的含量[24-25]。

1.6 還原糖測定方法

利用紫外可見分光光度計對預(yù)處理酶水解后的還原糖含量進行檢測，采用DNS法測定水解液中還原糖的含量[26]。

2 結(jié)果與分析

2.1 泡桐不同生長時期的成分分析

表1 為不同生長時期泡桐枝條的纖維素含量。6 個品種泡桐枝條的纖維素含量，4 月以毛泡桐最為豐富，纖維素含量為40.12 %。6 月、10 月蘭考泡桐的纖維素含量最高，分別為44.21 %、45.67 %。8 月毛泡桐纖維素含量最高，為46.81 %。6 個泡桐品種枝條的纖維素含量均為8 月最高，該月份的毛泡桐、蘭考泡桐、楸葉泡桐、白花泡桐、川泡桐、臺灣泡桐枝條纖維素含量分別為46.81 %、46.03 %、45.76 %、45.31 %、45.25 %、42.21 %。

表1 不同生長時期泡桐枝條的纖維素含量Tab.1 Cellulose content of Paulownia poles at different growth stages

由表2 可知，4 月、6 月、10 月6 個品種泡桐枝條的半纖維素含量，以白花泡桐最為豐富，分別達到21.78 %、27.67 %、28.89 %。8 月川泡桐的半纖維素含量最高，為30.96 %。6 個泡桐品種的半纖維素含量均為8 月份最高，其中毛泡桐、蘭考泡桐、楸葉泡桐、白花泡桐、川泡桐、臺灣泡桐枝條的半纖維素含量分別為24.29 %、24.96 %、26.23 %、30.80 %、30.96 %、29.32 %。

表2 不同生長時期泡桐枝條的半纖維素含量Tab.2 Hemicellulose content of Paulownia at different growth stages

由表3 可知， 6 個品種泡桐枝條的木質(zhì)素含量，4月、6 月、8 月、10 月均以蘭考泡桐最為豐富，分別為15.64 %、19.56 %、21.33 %、20.19 %。6 個泡桐品種的木質(zhì)素含量均為8 月份最高，其中毛泡桐、蘭考泡桐、楸葉泡桐、白花泡桐、川泡桐、臺灣泡桐枝條的木質(zhì)素含量分別為17.64 %、21.33 %、20.02 %、15.47 %、15.33 %、14.28 %。

表3 不同生長時期泡桐枝條的木質(zhì)素含量Tab.3 Lignin content of Paulownia at different growth stages

從上述數(shù)據(jù)可知，8 月份采集的6 個品種泡桐枝條的纖維素含量豐富，因此，選取8 月份生長時期的泡桐作為試驗材料。

2.2 不同預(yù)處理方法對泡桐成分的影響

2.2.1 稀硫酸預(yù)處理后的泡桐成分分析

由圖1 可知，經(jīng)稀硫酸預(yù)處理后,毛泡桐、蘭考泡桐、楸葉泡桐、白花泡桐、川泡桐、臺灣泡桐枝條的纖維素含量分別為80.67 %、74.71 %、74.78 %、74.95 %、74.39 %、69.68 %，相比預(yù)處理前的纖維素含量分別提升了33.86 %、28.68 %、29.02 %、29.64 %、29.14 %、27.47 %，其中毛泡桐枝條的纖維素含量提升最大，纖維素含量最高；半纖維素含量分別為4.28 %、4.98 %、7.3 %、12.09 %、11.98 %、11.5 %，相比預(yù)處理前的半纖維素含量分別降低了20.01 %、19.98 %、18.93 %、18.71 %、18.98 %、17.82 %，其中毛泡桐枝條半纖維素降低最多。木質(zhì)素含量分別為14.45 %、18.39 %、17.31 %、12.65 %、12.69 %、13.05 %，相比預(yù)處理前的木質(zhì)素含量分別降低了3.19 %、2.94 %、2.71 %、2.82 %、2.64 %、1.23 %，其中毛泡桐枝條的木質(zhì)素降低最多。分析試驗數(shù)據(jù)得出，毛泡桐枝條的纖維素含量提升最大，半纖維素、木質(zhì)素降低最多，說明稀硫酸預(yù)處理對毛泡桐枝條的效果最好。

圖1 稀硫酸預(yù)處理后不同品種泡桐的纖維素、半纖維素、木質(zhì)素含量Fig.1 The content of cellulose, hemicellulose and lignin in different varieties of Paulownia after dilute sulfuric acid pretreatment

2.2.2 氫氧化鈉預(yù)處理后的泡桐成分分析

由圖2 可知，經(jīng)氫氧化鈉預(yù)處理后,毛泡桐、蘭考泡桐、楸葉泡桐、白花泡桐、川泡桐、臺灣泡桐枝條的纖維素含量分別為83.48 %、77.94 %、76.79 %、76.09 %、75.68 %、72.10 %，相比預(yù)處理前的纖維素含量分別提升了36.67 %、31.91 %、31.03 %、30.78 %、30.43 %、29.89 %，其中毛泡桐枝條的纖維素含量提升最大，纖維素含量最高；半纖維素含量分別為4.27 %、6.37%、8.22 %、12.83 %、13.74 %、12.36 %，相比預(yù)處理前的半纖維素含量分別降低了20.02 %、18.59 %、18.01 %、17.97 %、17.22 %、16.96 %，其中毛泡桐枝條半纖維素降低最多。木質(zhì)素含量分別為11.12 %、15.24 %、14.37 %、10.34 %、10.44 %、10.27 %，相比預(yù)處理前的木質(zhì)素含量分別降低了6.52 %、6.09 %、5.65 %、5.13 %、4.89 %、4.01 %，其中毛泡桐枝條木質(zhì)素降低最多。分析試驗數(shù)據(jù)得出，毛泡桐枝條的纖維素含量提升最大，半纖維素、木質(zhì)素降低最多，說明氫氧化鈉預(yù)處理對毛泡桐枝條的效果最好。

圖2 氫氧化鈉預(yù)處理后不同品種泡桐的纖維素、半纖維素、木質(zhì)素含量Fig.2 Cellulose, hemicellulose and lignin content of different Paulownia varieties after pretreatment with sodium hydroxide

2.2.3 微波-氫氧化鈉預(yù)處理后的泡桐成分分析

由圖3 可知，微波-氫氧化鈉預(yù)處理后毛泡桐、蘭考泡桐、楸葉泡桐、白花泡桐、川泡桐、臺灣泡桐枝條的纖維素含量分別為84.82 %、78.36 %、 77.74 %、76.44 %、76.24 %、72.48 %，相 比 預(yù) 處理前的纖維素含量分別提升了38.01 %、32.33 %、31.98 %、31.13 %、30.99 %、30.27 %，其中毛泡桐枝條的纖維素含量提升最大，纖維素含量最高；半纖維素含量分別為3.06 %、4.83 %、6.76 %、11.98 %、12.93 %、11.56 %，相比預(yù)處理前的半纖維素含量分別降低了21.23 %、20.13 %、19.47 %、18.82 %、18.03 %、17.76 %，其中毛泡桐枝條的半纖維素降低最多。木質(zhì)素含量分別為10.99 %、15.22 %、14.19 %、10.03 %、10.36 %、9.85 %，相比處理前的木質(zhì)素含量分別降低了6.65 %、6.11 %、5.83 %、5.44 %、4.97 %、4.43 %，其中毛泡桐枝條的木質(zhì)素降低最多。分析試驗數(shù)據(jù)得出，毛泡桐枝條的纖維素含量提升最大，半纖維素、木質(zhì)素降低最多，說明微波-氫氧化鈉預(yù)處理對毛泡桐枝條的效果最好。

圖3 微波-氫氧化鈉預(yù)處理后不同品種泡桐的纖維素、半纖維素、木質(zhì)素含量Fig.3 Cellulose, hemicellulose and lignin content of different Paulownia varieties after microwave-sodium hydroxide pretreatment

2.3 不同預(yù)處理酶解后還原糖產(chǎn)量分析

由圖4可知，毛泡桐、蘭考泡桐、楸葉泡桐、白花泡桐、川泡桐、臺灣泡桐枝條稀硫酸預(yù)處理酶解后還原糖產(chǎn)量分別為402.67、400.01、396.67、386.25、381.89、372.18 mg/g，其中毛泡桐枝條的還原糖產(chǎn)量最高。氫氧化鈉預(yù)處理酶解后還原糖產(chǎn)量分別為453.02、449.76、444.25、430.01、429.74、 419.65 mg/g，其中毛泡桐枝條的還原糖產(chǎn)量最高。微波-氫氧化鈉預(yù)處理酶解后還原糖產(chǎn)量分別為471.38、466.59、460.98、450.09、448.19、432.29 mg/g，其中毛泡桐枝條的還原糖產(chǎn)量最高。分析試驗數(shù)據(jù)得出：6個泡桐品種中，毛泡桐枝條預(yù)處理酶解后的還原糖產(chǎn)量最高；3種預(yù)處理方法中，以微波-氫氧化鈉預(yù)處理酶解后的還原糖產(chǎn)量為最高。

圖4 不同預(yù)處理方法對不同品種泡桐預(yù)處理酶解后的還原糖產(chǎn)量Fig.4 Different pretreatment methods on the reducing sugar yield of different Paulownia varieties after pretreatment and enzymatic hydrolysis

3 結(jié)論

采用3 種不同預(yù)處理方法，對6 個不同品種泡桐的枝條進行處理，以微波-氫氧化鈉預(yù)處理毛泡桐的效果良好。用該法預(yù)處理后，毛泡桐枝條的纖維素含量達到84.82 %，相比預(yù)處理前的纖維素含量提升了38.01 % ；半纖維素、木質(zhì)素含量分別降低了21.23 %和6.65 %；還原糖產(chǎn)量為471.38 mg/g。纖維素含量和還原糖產(chǎn)量均高于其他5 個泡桐品種和其他2 種預(yù)處理方法。本文為解決生物質(zhì)纖維素制乙醇成本過高，無法大規(guī)模投入生產(chǎn)問題提供了一種思路。