水熱處理對楊木微觀結構和降解產物的影響

田中建 吳彥 吉興香 楊桂花 張鳳山 房桂干

摘要：探討了不同處理條件對楊木水熱處理液中總木糖、乙酸、木質素含量及楊木微觀結構的影響。利用單因素實驗探索處理液中總木糖含量的變化規律，并以總木糖含量為指標，采用響應面法優化楊木水熱處理條件。結果表明，隨水熱處理溫度上升，木片微觀孔洞增多或增大，同時表面不規則剝落和微球狀沉積物不斷增多，使木片比表面積先增大后減小。反應溫度172.51℃，保溫時間88.14 min ，固液比1∶6.06時，處理液中總木糖含量達到最優值76.54 mg/g ，木質素和乙酸含量分別為34.14 mg/g 和11.28 mg/g。

關鍵詞：楊木;水熱處理;微觀形貌;工藝優化

中圖分類號：TS742?? 文獻標識碼：A??? DOI：10.11980/j. issn.0254-508X.2021.12.003

Effect of Hydrothermal Treatment on the Poplar Microstructure and Degradation Products

TIAN Zhongjian1，2，3?? WU Yan1?? JI Xingxiang1，*?? YANG Guihua1?? ZHANG Fengshan2?? FANG Guigan3

（1. State Key Lab ofBio-based Materials and Green Papermaking，Qilu University of Technology （Shandong Academy of Sciences），Jinan，Shandong Province，250353;2. Shandong Huatai Paper Co.，Ltd.，Dongying，Shandong Province，257335;3. Institute of Chemical Industry of Forestry Products，CAF，Nanjing，Jiangsu Province，210042）

（*E-mail ：xxjt78@163. com）

Abstract ：The effects of different treatment conditions on the content of total xylose，acetic acid and lignin in the poplar hydrothermal treat? ment liquor and the microstructure of poplar wood chips were discussed . The single factor experiment was used to explore the changing law of the total xylose content in the hydrothermal treatment liquor . The total xylose content was used as an indicator to optimize the poplar hydro ? thermal treatment conditions via response surface method . The results showed that with the increase of the hydrothermal treatment tempera ? ture，the area and number of microscopic pores of the wood chips increased，whereas the number of irregular exfoliation and micro-spherical deposits on the surface of the wood chips also increased . Therefore，the specific surface area of wood chips increased first and then de ? creased. The total xylose content in the poplar hydrothermal treatment liquor reached the optimal value of 76.54 mg/g with the reaction tem ? perature of 172.51℃，the holding time of 88.14 min，and the solid-liquid ratio of 1∶6.06. The content of lignin and acetic acid were 34.14 mg/g and 11.28 mg/g，respectively.

Key words ：poplar;hydrothermal treatment;micro morphology;process optimization

隨著全球對自然資源的需求逐年升高，不可再生資源如化石資源的短缺現象日益凸顯。木質纖維素類生物質是地球上最為豐富的可再生資源，其主要組分為纖維素、半纖維素、木質素、抽出物、淀粉和植物膠等[1-2]，包含五碳糖、六碳糖及芳香類化合物等有機物，這為制備不同的木質纖維素類生物質基產品提供了可能。采用生物質煉制技術對木質纖維素等可再生資源進行綜合、高效、合理化利用，是應對當前全球資源消費危機、實現碳中性和綠色發展的重要方法和手段之一[3]，對我國可再生資源發展具有重要戰略意義[4]。

半纖維素是木質纖維素生物質細胞壁中的一類復雜多糖，可被廣泛應用于食品、醫藥和化學產業[5]。但半纖維素由于結構復雜多樣，不易分離和純化，利用效率較低[6-7]。水熱處理可以在相對溫和的條件下將木質纖維素中的乙酰基降解為乙酸，降低處理液 pH 值，催化木質纖維素自身降解溶出糖類物質[8]。同時，水熱處理可降低木質纖維素細胞壁對化學藥品的抵抗性，提高可及度，降低后續制漿或酶解過程中化學藥品的用量[9-10]。

影響木質纖維素類生物質水熱處理的主要因素有反應溫度、時間和固液比等，只有在適宜的條件下，水解生物質原料才能得到較高含量的目標產物[11]。本研究以水熱處理液中總木糖為目標產物，分析了不同條件下楊木水熱處理液中各組分變化規律，并對固體殘余物微觀結構和形貌進行表征，隨后采用響應面實驗設計法對楊木水熱處理條件進行優化，以期為生物質精煉或后續制漿造紙提供技術依據。

1 實驗

1.1? 原料與設備

選用山東太陽紙業股份有限公司楊木片為實驗原料，經篩選、自然風干后得到合格木片。木片中纖維素、半纖維素、木質素、苯-醇抽出物、灰分含量按照 NREL/TP-510-42618方法進行測定，結果如表1所示。

2201-6旋轉式多罐蒸煮器（美國，格林伍德科技有限公司）、 ICS5000+離子色譜儀（美國，賽默飛世爾科技公司）、 Waters? E2695高效液相色譜儀（ HPLC ，美國，沃特世科技有限公司）、 Agilent 8454紫外可見分光光度計（ UV-Vis ，美國，安捷倫科技有限公司）、 Bruker D8 Advance X 射線衍射儀（ XRD，德國，布魯克科技有限公司）、 PoreMaster-60GT 全自動壓汞儀 （美國，康塔儀器公司）、 Bruker Sky? Scan2211顯微 CT （德國，布魯克科技有限公司）、 Leica EM UC7超薄切片機（德國，徠卡顯微系統公司）、 Regulus8220掃描電子顯微鏡（ SEM ，日本，日立高新技術公司）。

1.2? 實驗方法

1.2.1? 水熱處理單因素實驗設計

本研究選擇反應溫度和保溫時間作為楊木水熱處理的2個主要影響因素，分別探討二者對水熱處理液中總木糖（低聚木糖及木糖）含量及固體殘余物微觀結構和形貌的影響。本研究中固定實驗固液比為1∶6，取50 g 絕干楊木片，在旋轉式多罐蒸煮器中進行水熱處理。反應溫度160～190℃（溫度梯度為5℃），在上述溫度下分別對木片保溫15、30、45、60、75、90、120 min ，待處理完成后迅速冷卻蒸煮罐，抽濾后得到處理液和固體殘余物。

1.2.2? 水熱處理響應面優化實驗設計

按照 Box-Benhnken Design （ BBD ）中心組合設計實驗，參考單因素實驗確定反應溫度（A ， 160～190℃）、保溫時間（ B ，30～120 min）和固液比（ C，1∶4～1∶8） 3個關鍵因素進行三因素三水平分析實驗，如表2所示，實驗設計軟件為 Design Expert 11。

1.3? 檢測方法

1.3.1? 低聚木糖和木糖含量的測定

使用離子色譜儀對楊木水熱處理液中低聚木糖和木糖單糖含量進行測定。低聚木糖測定采用 Car? boPacPA200系列色譜柱（3 mm×250 mm）和保護柱（3 mm×50 mm），流動相為100 mmol/L NaOH 溶液和500 mmol/L NaOAc溶液，流速0.3 mL/min ;木糖測定采用 CarboPacPA20系列色譜柱（3 mm×150 mm）和保護柱（3 mm×30 mm），流速0.4 mL/min 。EC 檢測器的工作電極為 Au 電極，參比電極為 Ag/AgCl 電極;進樣量25μL ;柱溫30℃。

1.3.2? 乙酸、木質素含量的測定

水熱處理液中乙酰基降解產生的乙酸使用 HPLC 進行檢測，2414示差檢測器， Bio-Rad Aminex HPX-87H （300×7.8 mm）分離柱，柱溫50℃，5 mmol/L H2 SO4溶液作為淋洗液，淋洗速度0.6 mL/min。

水解過程中溶出的酸溶木質素采用紫外分光光度法進行測定，木質素的紫外吸收光譜在205 nm 有特征吸收峰。將水解液稀釋一定倍數后使用紫外可見分光光度計在205 nm 波長處測定紫外光的吸收值，并通過式（1）計算酸溶木質素濃度 CL。

式中，A 為木質素在205 nm 波長處吸收值;110為吸光系數，L/（g ·m）;D 為水解液的稀釋倍數。

1.3.3水解液中產物含量的計算

為更直觀地體現水熱處理液中低聚木糖、木糖、乙酸和木質素含量與楊木原料之間的關系，統一用產物含量Yx來表示，單位為 mg/g，計算公式如式（2）所示。

式中，Cx為測得水解液中某類物質的濃度，mg/L; K 為楊木水熱處理的固液比，g/mL。

1.3.4水熱處理前后楊木性能對比分析

結晶度：將水熱處理后木片磨成粉末過篩至200目后平鋪于樣品臺上進行 XRD 分析，掃描波長λ=0.154 nm，掃描范圍5°～50°，掃描速度2θ=0.1°/s[12]，按式（3）計算結晶度CrI。

式中，Iamorph為2θ=18°時的衍射強度，表示無定形區的衍射強度;I002為2θ=22.5°時的衍射強度，表示結晶區的衍射強度。

比表面積：將水熱處理后的楊木進行剪切，60℃下真空干燥至絕干，使用壓汞儀進行測定。

立體結構：將經過真空干燥的楊木裁切為直徑1 mm、高6 mm 的圓柱形，使用顯微 CT 進行掃描分析，分辨率300 nm，電壓45 kV，電流80μA。

表面形貌：使用超薄切片機對水熱處理后的楊木進行超薄切片，使用導電膠將合格切片貼在樣品臺上進行噴金處理，置于 SEM 中以不同倍數對切片進行掃描觀察，加速電壓5 kV。

2結果與討論

2.1不同條件對水熱處理液中各組分含量的影響

2.1.1反應溫度和保溫時間對處理液中總木糖含量的影響

楊木中的半纖維素主要是以 D-木糖基為主鏈的復合聚糖，其側鏈主要是乙酰基和葡萄糖醛酸基。圖1為反應溫度和保溫時間對楊木水熱處理液中總木糖含量的影響。由圖1（a）可知，在保溫時間75 min、反應溫度160～190℃時，水熱處理液中總木糖含量隨反應溫度增加呈先上升后下降的趨勢;這主要是因為隨著反應劇烈程度的提高，木糖類物質降解速率逐漸大于其生成速率，使處理液中總木糖含量逐漸降低[13];由圖1（a）還可知，反應溫度較低時（≤175℃），總木糖中以低聚木糖為主。由圖1（b）可知，反應溫度為175℃時，一定時間段內（≤75 min）通過延長保溫時間能夠增加總木糖含量，但進一步延長保溫時間會使水熱處理液中總木糖含量降低。

2.1.2反應溫度對處理液中木質素、乙酸含量和處理液 pH值的影響

圖2為反應溫度對楊木處理液中木質素、乙酸含量和 pH值的影響。由圖2可知，保溫時間75 min下，水熱處理液中的木質素和乙酸含量均隨反應溫度升高而逐漸增加，但乙酸含量的增長趨勢更加明顯，尤其是在175℃之后，其增長速率明顯提高，而木質素含量增長速率則較為平穩。乙酰基、葡萄糖醛酸基主要存在于半纖維素側鏈，通過水熱處理可使半纖維素支鏈斷裂脫除乙酰基和葡萄糖醛酸基，并使之降解為乙酸、甲酸等酸性產物[14]。處理液 pH 值降低趨勢與乙酸增長趨勢相對應，由此表明，隨著反應溫度的升高，水熱處理過程中導致處理液 pH值產生變化的主要因素是乙酸。在水熱處理過程中，隨著反應體系弱酸性環境的形成，木質素也會發生酸性降解，但降解幅度不大。此外，隨著水熱處理反應的進行，處理液中溶出的木質素能與糖類降解產物進一步發生縮合反應形成復雜結構的不溶性聚合物。待反應結束后，反應體系溫度降低，這些聚合物失穩沉積在反應容器內壁和木片表面[15]。

2.2水熱處理前后楊木性能對比分析

2.2.1結晶度和比表面積

圖3為反應溫度對楊木結晶度和比表面積的影響。由圖3可知，楊木結晶度隨反應溫度升高而逐步提高，這說明楊木不定形區結構疏松更容易發生反應，而結晶區由于其結構致密，需要較為劇烈的反應條件才能使其破壞。反應溫度170℃以下時，僅有部分無定形區降解溶出，楊木片結晶度提升有限;較高反應溫度條件（>170℃）下，大量不定形區降解導致結晶度從未處理時的61.49%提升至74.22%;在180℃后結晶度提升速率放緩，說明部分結晶區開始加速降解。與結晶度變化趨勢不同，楊木比表面積呈先升高后下降的趨勢。在反應溫度160～170℃范圍內，隨溫度升高大量半纖維素和部分木質素降解溶出，使木質纖維原料結構變得疏松多孔，導致楊木比表面積由反應溫度160℃的2.01 m2/g 提升至反應溫度170℃的2.89 m2/g。當反應溫度超過170℃反應，隨反應溫度進一步提升，楊木比表面積逐漸降低，主要原因有以下兩點：①已溶出的木質素與部分半纖維素降解物再縮合沉積在楊木表面，堵塞孔隙，導致比表面積減小;②過高的溫度下，劇烈的反應破壞了纖維素纖維骨架結構，使微纖維結構崩塌，產生大量微纖碎片堵塞孔隙，導致比表面積減小。

2.2.2立體結構

顯微 CT 可以在不破壞樣品原始結構的情況下對楊木3D立體結構進行重構分析，其顯微 CT 圖如圖4所示。通過圖4（a）觀察可知，水熱處理前楊木結構十分完整，纖維之間聯系緊密，層次清晰。經過水熱處理后的楊木結構有明顯的變化，楊木邊緣破碎嚴重，部分表層纖維連接斷裂從楊木主體剝落，楊木表面有纖維碎片沉積，楊木孔隙間有纖維碎片和液滴狀物質填充，阻礙了比表面積的進一步增加。通過圖4（b）可明顯看出，水熱處理對楊木有造孔作用，楊木微觀孔洞增多或增大。水熱處理破壞紋孔膜使楊木更多的紋孔裸露出來或使孔洞間的纖維阻隔層逐漸變薄或消失，使孔洞面積變大。

2.2.3表面形貌

圖5為不同反應溫度下楊木 SEM 圖。由圖5可以看出，反應溫度為160～175℃時，隨溫度的提高，半纖維素和木質素不斷溶出，楊木結構逐漸由平整緊密變得破碎疏松，表面呈層狀剝落，主要由半纖維素組成的紋孔膜逐漸破裂[16]，木質纖維結構變得透氣疏松，孔隙率和比表面積提高。在反應溫度≥175℃時，楊木表面逐漸出現碎片狀物和微球狀物沉積的現象。結合圖3和圖4，說明沉積物會對表面積產生一定的負面影響，楊木表面的碎片主要是微纖碎解產物[17]，微球狀物主要是木質素自細胞壁中降解溶出物再縮聚，或其與糖類物質再縮聚的產物。當水熱處理條件高于木質素玻璃化溫度時，細胞壁或胞間層內木質素遷移至細胞壁外，發生縮聚反應致使摩爾質量增加、疏水性提高，在高溫高壓狀態下受擠壓縮成球狀[18-19]。反應溫度190℃時，木質纖維表面有大量微球和碎片附著，這些微球和碎片堵塞了紋孔和纖維縫隙使楊木比表面積嚴重降低，并阻礙反應的進行[20]。

2.3? 響應面實驗設計及結果分析

楊木水熱處理響應面法 BBD 實驗方案及結果見表3。共計進行17次實驗，其中包括12次析因實驗確定3個關鍵因素對結果的影響程度，5次中心試驗測定實驗誤差。將表3中總木糖含量Yx及3個關鍵影響因素數據代入 Design Expert 11軟件得到二次多項式回歸模型，如式（1）所示。

將模型（1）進行二次模型方差分析和回歸系數顯著性檢驗，結果見表4。由表4可知，回歸模型顯著（ P<0.0001），失擬項不顯著（ P=0.1899），回歸模型決定系數 R2=0.9944說明回歸模型擬合程度良好，模型預測值和實驗實測值之間相關性較高，可以用于確定不同實驗條件下楊木水熱處理過程中總木糖溶出的最佳工藝。由表4可看出，反應溫度和保溫時間對水解過程中總木糖溶出有明顯影響，其中反應溫度（ P<0.0001）影響最大，保溫時間（ P=0.0011）次之，固液比（ P=0.3624>0.05）影響不明顯。交互項中反應溫度和保溫時間交互影響最大（ P<0.0001），其余均不明顯。

根據多元回歸擬合所得的模型公式，繪制得到楊木水熱處理體系中反應溫度、保溫時間和固液比兩兩變量組合與總木糖含量的三維曲面圖，如圖6所示。處理液中總木糖含量隨反應溫度和保溫時間變化趨勢與圖1單因素探究基本一致，處理液中總木糖含量隨反應溫度上升或保溫時間延長呈先上升后下降的趨勢。利用 Design Expert 軟件優化功能計算獲得總木糖含量最高預測值反應條件為：反應溫度172.51℃，反應時間88.14 min ，固液比1∶6.06，此時總木糖含量76.54 mg/g 。根據上述最優條件進行5組重復實驗以驗證實驗模型的可靠性，得到實際實驗值與預測值相對誤差均在2%以下，與預測值較為接近，表明利用響應面法優化楊木水熱處理關鍵因素以達到總木糖最大含量結果可行。此條件下處理液中木質素和乙酸含量分別為34.14 mg/g 和11.28 mg/g。

3 結論

本研究利用單因素實驗探索楊木處理液中總木糖含量的變化規律，并以總木糖含量為指標，采用響應面法優化楊木水熱處理條件。

3.1? 反應溫度和保溫時間對處理液中總木糖含量有明顯影響，固液比影響不顯著。在160～190℃范圍內，隨反應溫度上升或保溫時間延長，處理液中總木糖含量先上升后下降，處理液中木質素、乙酸含量與反應溫度變化呈正相關。

3.2? 水熱處理可改變楊木微觀結構，對楊木的結晶度和比表面積均有較大影響。在160～190℃范圍內，結晶度隨反應溫度升高而逐步提高。反應溫度為170℃時，楊木比表面積最大，為2.89 m2/g。

3.3? 水熱處理的最優條件為：反應溫度172.51℃，保溫時間88.14 min ，固液比1∶6.06，此時水解液中總木糖含量為76.54 mg/g 、木質素含量為34.14 mg/g、乙酸含量為11.28 mg/g。

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（責任編輯：楊苗秀）