氫氧化鈉和雙氧水預(yù)處理高丹草秸稈條件的優(yōu)化研究

張鴨關(guān)，陳自宏，趙紅艷，汪 帆*,徐 玲

(1.曲靖師范學(xué)院化學(xué)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，云南 曲靖 655011；2.保山學(xué)院高黎貢山生物資源研究所，云南 保山 678000)

氫氧化鈉和雙氧水預(yù)處理高丹草秸稈條件的優(yōu)化研究

張鴨關(guān)1，陳自宏2，趙紅艷1，汪 帆1*,徐 玲2

(1.曲靖師范學(xué)院化學(xué)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，云南 曲靖 655011；2.保山學(xué)院高黎貢山生物資源研究所，云南 保山 678000)

【目的】預(yù)處理是利用生物質(zhì)原料制備燃料乙醇的工藝過(guò)程中至關(guān)重要的一步，文章以高丹草秸稈為主要研究對(duì)象，對(duì)氫氧化鈉和雙氧水預(yù)處理高丹草秸稈優(yōu)化工藝進(jìn)行了研究。【方法】本研究在研究預(yù)處理的氫氧化鈉濃度、時(shí)間、固液比和雙氧水濃度4個(gè)單因素對(duì)預(yù)處理效果影響的基礎(chǔ)上，采用正交試驗(yàn)對(duì)堿和雙氧水預(yù)處理高丹草秸稈工藝進(jìn)行優(yōu)化?！窘Y(jié)果】堿和雙氧水最佳預(yù)處理工藝條件為水解時(shí)間為72 h、氫氧化鈉濃度為3 %、雙氧水濃度為1 %、固液質(zhì)量比為1∶10，在此條件下，高丹草木質(zhì)素去除率為77.09 %。

高丹草；氫氧化鈉和雙氧水；預(yù)處理；木質(zhì)素去除率

【研究意義】近些年來(lái)，化石燃料日益枯竭從而引發(fā)能源嚴(yán)重短缺，大氣環(huán)境污染日益嚴(yán)重，因此，清潔生物質(zhì)能源利用技術(shù)的研究已顯得迫在眉睫[1]?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】木質(zhì)纖維素類物質(zhì)是世界上最廣泛的可利用的生物材料，這些廉價(jià)的原料有木材及其加工廢棄物、農(nóng)作物秸稈、城市垃圾及快速生長(zhǎng)的草[2]。其中，牧草是極易種植，且生產(chǎn)力極高的一種木質(zhì)纖維素類物質(zhì)，尤其是能源牧草，在短時(shí)間內(nèi)即可獲取較大生物產(chǎn)量，與傳統(tǒng)土地利用方式—牧場(chǎng)或農(nóng)耕地等相比，具有更高的經(jīng)濟(jì)和生態(tài)價(jià)值[3]。【本研究切入點(diǎn)】傳統(tǒng)農(nóng)作物高粱(Sorghumbicolor)具有耐旱、耐鹽堿、耐澇的優(yōu)點(diǎn)，而牧草蘇丹草(S.sudanense)具有莖葉柔軟，適應(yīng)性、抗旱性強(qiáng)和再生性好的優(yōu)點(diǎn)[4-8]，二者的生物學(xué)特性差異較大，并且無(wú)生殖隔離，雜種優(yōu)勢(shì)強(qiáng)。高丹草(Sorghum-SudanGrassHybrid)是根據(jù)雜種優(yōu)勢(shì)原理，用高粱和蘇丹草雜交而成的優(yōu)良牧草，其結(jié)合了高粱葉寬、莖粗和蘇丹草分蘗力、再生力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，雜種優(yōu)勢(shì)非常明顯，再生性好、產(chǎn)量高(北方一年可刈割3～4次，一般產(chǎn)鮮草4.5～7.5萬(wàn)kg/hm2，南方一年可刈割6～8次，最高產(chǎn)鮮草19.5萬(wàn)kg/hm2左右[7-8])、含糖量較高、耐貧瘠及抗逆性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[7-8]，是一種很好的低成本的木質(zhì)纖維素生物質(zhì)原料，適于作為能源牧草，用來(lái)生產(chǎn)清潔燃料乙醇。

表1 高丹草秸稈的成分分析

表2 氫氧化鈉和雙氧水預(yù)處理高丹草水平設(shè)置

【擬解決的關(guān)鍵問(wèn)題】木質(zhì)纖維素類物質(zhì)主要成分是纖維素、半纖維素和木質(zhì)素，其質(zhì)量約占植物總質(zhì)量的80 %～95 %[9-15]。其中，在纖維素酶催化下，纖維素和半纖維素被水解為還原糖，通過(guò)酵母菌發(fā)酵，還原糖又可轉(zhuǎn)化生成清潔生物質(zhì)能—乙醇。但是，在纖維素酶催化纖維素水解時(shí)，因?yàn)槔w維素是由葡萄糖以β-1,4糖苷鍵連接而形成的高分子有機(jī)化合物，同時(shí)被木質(zhì)素和半纖維素包裹，從而使纖維素形成致密不透水的高級(jí)結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致纖維素酶難于與纖維素直接接觸，嚴(yán)重影響后面的水解和發(fā)酵過(guò)程[9-15]。因此，木質(zhì)纖維素類物質(zhì)預(yù)處理的主要目的是除去木質(zhì)素和部分半纖維素，從而破壞纖維素致密不透水的高級(jí)結(jié)構(gòu)，提高酶水解時(shí)纖維素轉(zhuǎn)化率以及發(fā)酵時(shí)的效率[9-15]。鑒以此，本研究主要用稀氫氧化鈉和雙氧水對(duì)能源牧草—高丹草秸稈進(jìn)行預(yù)處理工藝的研究，同時(shí)考察預(yù)處理時(shí)間、氫氧化鈉和雙氧水濃度、固液比等因素對(duì)高丹草秸稈預(yù)處理工藝效果的影響，以期為高丹草秸稈生產(chǎn)乙醇的清潔生物質(zhì)能源利用技術(shù)研究提供技術(shù)支撐和理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

高丹草采自云南省肉牛和牧草研究中心實(shí)驗(yàn)基地。將樣品自然風(fēng)干，然后將其在105 ℃條件下恒溫10 h，粉碎，過(guò)40目篩，貯存在干燥器中備用。經(jīng)測(cè)定，高丹草秸稈的主要組分及熱值見(jiàn)表1。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 單因素試驗(yàn) 在30 ℃下，考察預(yù)處理時(shí)間、氫氧化鈉和雙氧水濃度、固液比等因素對(duì)高丹草秸稈預(yù)處理工藝效果的影響，即研究在不同條件下，預(yù)處理前后高丹草主要成分纖維素、半纖維素和木質(zhì)素含量的變化趨勢(shì)。預(yù)處理試驗(yàn)初始條件設(shè)定為時(shí)間72 h、堿和雙氧水濃度分別為2 %和1 %、固液質(zhì)量比為1∶10，按表2設(shè)置的預(yù)處理試驗(yàn)水平進(jìn)行單因素試驗(yàn)。

1.2.2 正交試驗(yàn) 在單因素試驗(yàn)中，找到了預(yù)處理時(shí)間、堿和雙氧水濃度、固液比4種因素合適的變化范圍，為了研究各因素的主效應(yīng)和因素之間的交互作用，得出最佳預(yù)處理?xiàng)l件，進(jìn)行了L9(34)的正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)。

1.3 評(píng)價(jià)指標(biāo)及測(cè)定方法

1.3.1 纖維素、半纖維素、木質(zhì)素含量分析 采用范氏法(Van Soest)測(cè)定高丹草秸稈中纖維素、半纖維素和木質(zhì)素質(zhì)量分?jǐn)?shù)，本實(shí)驗(yàn)中測(cè)得的纖維素、半纖維素和木質(zhì)素含量均為相對(duì)含量。

1.3.2 還原糖、糠醛的測(cè)定 (1)還原糖含量測(cè)定采用DNS(3,5-二硝基水楊酸比色法)。

式中：C為水解液中的糠醛濃度，μg/mL；V為水解液體積，mL；m為預(yù)處理高丹草的干物質(zhì)量，g。

1.3.3 掃描電鏡分析 為了更進(jìn)一步的了解氫氧化鈉氧化預(yù)處理方法對(duì)高丹草秸稈的預(yù)處理效果，利用超高分辨熱場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡在 5000及 8000倍下觀察高丹草秸稈預(yù)處理前后細(xì)胞壁表面結(jié)構(gòu)的變化。

2 結(jié)果與分析

2.1 高丹草秸稈預(yù)處理單因素試驗(yàn)

2.1.1 氫氧化鈉和雙氧水及其交互作用對(duì)預(yù)處理效果的影響 在溫度為30 ℃，固液比為1∶10的條件下，分別用2.0 %的氫氧化鈉和1.0 %的雙氧水及兩者的混合夜處理高丹草72 h，探究氫氧化鈉與雙氧水對(duì)高丹草的相互作用。

由圖1可知：?jiǎn)为?dú)用NaOH預(yù)處理時(shí),高丹草秸稈中纖維素相對(duì)含量由30 %增加至45 %，半纖維素相對(duì)含量由25.19 %增加至26.5 %，木質(zhì)素相對(duì)含量由15.28 %減少到10.1 %，由此可知，高丹草秸稈中部分木質(zhì)素被除去，而纖維素和半纖維素被大量保留；而單獨(dú)用H2O2預(yù)處理時(shí),木質(zhì)素相對(duì)含量減少至13.1 %，可見(jiàn)，單獨(dú)用H2O2預(yù)處理時(shí)，僅能除去極少量的木質(zhì)素；當(dāng)兩者配合使用時(shí)，纖維素相對(duì)含量增加至49.2 %，木質(zhì)素含量減少到8.9 %，可見(jiàn)，氫氧化鈉和雙氧水混合使用時(shí)，溶解木質(zhì)素的能力得到很大程度的提高，這可能是因?yàn)閴A性環(huán)境會(huì)使 H2O2產(chǎn)生過(guò)氧根離子,過(guò)氧根離子對(duì)親電子中心具有更高的反應(yīng)活性,可以更有效的氧化溶解木質(zhì)素，而且在弱堿性介質(zhì)中H2O2只會(huì)與木質(zhì)素降解產(chǎn)生的酚類化合物發(fā)生作用,導(dǎo)致它的降解,但是不會(huì)改變纖維素的成分，所以試驗(yàn)中采用NaOH和H2O2的混合溶液來(lái)進(jìn)行高丹草預(yù)處理。

2.1.2 預(yù)處理時(shí)間對(duì)預(yù)處理高丹草效果的影響 在30 ℃，2 %NaOH，1 %H2O2和固液比1∶10的條件下，分別浸泡12，24，48，72，96 h進(jìn)行預(yù)處理，來(lái)考察時(shí)間對(duì)高丹草預(yù)處理效果的影響。由圖2可以看出：預(yù)處理時(shí)間對(duì)半纖維素的影響很小，但是對(duì)纖維素和木質(zhì)素的影響很大，隨著預(yù)處理時(shí)間的增加，高丹草中纖維素的相對(duì)含量逐漸增加，而木質(zhì)素相對(duì)含量逐漸降低。其中，在預(yù)處理時(shí)間為48，72，96 h時(shí)，纖維素相對(duì)含量增幅最大，木質(zhì)素含量急劇降低，預(yù)處理96 h后，高丹草中各組分相對(duì)含量趨于平穩(wěn)。因此，正交試驗(yàn)的時(shí)間可選48，72，96 h 3個(gè)水平。

圖1 氫氧化鈉和雙氧水及其交互作用對(duì)預(yù)處理效果的影響Fig.1 The effect of sodium hydroxide, hydrogen peroxide and their interaction on pretreatment results

圖2 預(yù)處理時(shí)間對(duì)高丹草各組分含量的影響Fig.2 The effect of different pretreatment time on the component of Sorghum-Sudan Grass Hybrid straw

2.1.3 預(yù)處理固液比對(duì)預(yù)處理高丹草效果的影響 在30 ℃下，分別按1∶5,1∶10,1∶15,1∶20,1∶25固液比加入2 %的NaOH和1 %H2O2，預(yù)處理時(shí)間為72 h的條件下，來(lái)考查固液比對(duì)高丹草預(yù)處理效果的影響。由圖3可以看出，固液比對(duì)高丹草中半纖維素的相對(duì)含量影響較小，而對(duì)纖維素和木質(zhì)素影響較大。固液比從1∶5到1∶15時(shí)，高丹草中纖維素相對(duì)含量迅速增加，木質(zhì)素相對(duì)含量迅速降低，1∶15以后，隨著固液質(zhì)量比的增加，各組成成分相對(duì)含量的變化較小。因此，可以選擇固液比1∶5、1∶10、1∶15等3個(gè)水平進(jìn)行正交實(shí)驗(yàn)。

2.1.4 預(yù)處理氫氧化鈉濃度對(duì)高丹草預(yù)處理效果的影響 在預(yù)處理溫度為30 ℃，時(shí)間為72 h，固液比為1∶10的條件下，在1 %的雙氧水溶液中分別加入1 %,2 %,3 %和4 %濃度的氫氧化鈉預(yù)處理，來(lái)研究氫氧化鈉濃度對(duì)高丹草預(yù)處理效果的影響。由圖4可知，隨著預(yù)處理氫氧化鈉濃度的不斷增大，高丹草中半纖維素相對(duì)含量變化較小，纖維素相對(duì)含量急劇增加，木質(zhì)素相對(duì)含量急劇下降，其中，在氫氧化鈉濃度在0～1 %，1 %～2 %和2 %～3 %，高丹草纖維素和木質(zhì)素的變化幅度較大，3 %之后，趨于平穩(wěn)。因此，可以選擇預(yù)處理氫氧化鈉濃度為1 %、2 %、3 %等3個(gè)水平進(jìn)行正交實(shí)驗(yàn)。

圖4 預(yù)處理氫氧化鈉濃度對(duì)高丹草各組分含量的影響Fig.4 The effect of concentration of sodium hydroxide on the component tent of Sorghum-Sudan Grass Hybrid

2.1.5 預(yù)處理雙氧水濃度對(duì)高丹草預(yù)處理效果的影響 在預(yù)處理溫度為30 ℃，時(shí)間為72 h，固液比為1∶10的條件下，在2 %的氫氧化鈉溶液中分別加入1 %，2 %，3 %和4 %濃度的雙氧水預(yù)處理，研究雙氧水濃度對(duì)高丹草預(yù)處理效果的影響。由圖5可知，在雙氧水濃度為0～1 %的范圍內(nèi)，隨著雙氧水濃度的增加，高丹草中纖維素的相對(duì)含量急劇增加，木質(zhì)素相對(duì)含量急速下降，但是，雙氧水濃度1 %以后，隨著濃度的增加，高丹草各組分相對(duì)含量的變化很小，最后趨于平穩(wěn)，可見(jiàn)，在較低的雙氧水濃度下就可以把木質(zhì)素大部分溶解，這樣不僅降低了預(yù)處理成本，還可以減少后續(xù)發(fā)酵時(shí)剩余雙氧水的處理費(fèi)用。因此，可以選擇預(yù)處理雙氧水濃度為1 %，2 %，3 %等3個(gè)水平進(jìn)行正交實(shí)驗(yàn)。

2.1.6 高丹草預(yù)處理工藝條件優(yōu)化 為了尋找高丹草秸稈預(yù)處理的最優(yōu)工藝，在考察了預(yù)處理單因素對(duì)預(yù)處理效果影響的前提下，以木質(zhì)素去除率為考察指標(biāo)，進(jìn)行了L9(34)的正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，因素水平設(shè)計(jì)見(jiàn)表3，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。由表4可知，最佳預(yù)處理?xiàng)l件為C3B2A2D1，即預(yù)處理時(shí)間為72h、固液比為1∶10、氫氧化鈉濃度為3 %、過(guò)氧化氫濃度為1 %；對(duì)高丹草預(yù)處理效果影響最大的因素是氫氧化鈉濃度，然后是固液比和預(yù)處理時(shí)間，影響最小的是雙氧水濃度。

圖5 雙氧水濃度對(duì)高丹草各組分的影響Fig.5 The effect of concentration of H2O2 of the component tent of Sorghum-Sudan Grass Hybrid

2.1.7 高丹草秸稈正交優(yōu)化預(yù)處理的組分分析 在正交優(yōu)化后的最佳預(yù)處理?xiàng)l件下，預(yù)處理高丹草秸稈，并對(duì)預(yù)處理后水解液中的還原糖及殘?jiān)M(jìn)行分析，結(jié)果如表5所示，從表5中可知，預(yù)處理水解液中還原糖濃度為6.80 %，糠醛濃度為0.05 %，同時(shí)殘?jiān)欣w維素的相對(duì)含量由預(yù)處理前的30 %提高至65.32 %，半纖維素由25.19 %提高至至28.96 %，木質(zhì)素由15.28 %降至3.50 %，木質(zhì)素的去除率為77.09 %。由此可見(jiàn)，在優(yōu)化后的最佳預(yù)處理?xiàng)l件下預(yù)處理高丹草秸稈，其木質(zhì)素溶解比較顯著，半纖維素也有一些水解，而纖維素的水解程度卻很低，不僅有效地打破了纖維素致密的結(jié)晶結(jié)構(gòu)，還完好地保留了高丹草秸稈中的纖維素成分，同時(shí)，水解液中糠醛濃度還很小，為后續(xù)的酶解糖化過(guò)程奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

2.2 高丹草秸稈在預(yù)處理?xiàng)l件下前后表面結(jié)構(gòu)的變化

由圖6可知，高丹草未經(jīng)預(yù)處理的秸稈表面結(jié)構(gòu)光滑平整，致密，呈平行排列的纖維束狀。而經(jīng)過(guò)氫氧化鈉/雙氧水最佳預(yù)處理?xiàng)l件預(yù)處理后的高丹草秸稈，致密結(jié)構(gòu)已經(jīng)被破壞，表面結(jié)構(gòu)粗糙，變得疏松，纖維出現(xiàn)很多斷裂，多孔隙。說(shuō)明預(yù)處理破壞了高丹草秸稈原有的致密節(jié)結(jié)晶結(jié)構(gòu)，使其比表面積增大。有利于后續(xù)酶解過(guò)程中酶與纖維素、半纖維素成分的結(jié)合。

表3 氫氧化鈉氧化法因素水平設(shè)置

表4 正交試驗(yàn)結(jié)果

表5 預(yù)處理水解液及殘?jiān)饕煞?/p>

3 討 論

木質(zhì)纖維素類物質(zhì)主要由纖維素、半纖維素和木質(zhì)素組成其中，在纖維素酶催化下，纖維素和半纖維素可被水解為還原糖，通過(guò)酵母菌發(fā)酵，還原糖又可生物轉(zhuǎn)化生成清潔生物質(zhì)能—乙醇[9-15]。但是纖維素是由葡萄糖以β-1,4糖苷鍵連接而形成的有機(jī)高分子化合物，并且被共價(jià)結(jié)合的木質(zhì)素和半纖維素包覆，使得纖維素形成致密的高級(jí)結(jié)構(gòu)，使纖維素酶難與纖維素接觸，直接影響木質(zhì)纖維素的b;和發(fā)酵過(guò)程[9-15]。木質(zhì)纖維素原料預(yù)處理的主要作用是去除木質(zhì)素和部分半纖維素，打破纖維素的晶體結(jié)構(gòu)，提高酶水解過(guò)程中纖維素轉(zhuǎn)化率以及發(fā)酵過(guò)程的效率[9-15]。因此，預(yù)處理是利用生物質(zhì)原料制備燃料乙醇的工藝過(guò)程中至關(guān)重要的一步。本研究在分析各單因素條件對(duì)氫氧化鈉/雙氧水預(yù)處理高丹草秸稈原料物理化學(xué)變化過(guò)程的基礎(chǔ)上，以木質(zhì)素去除率為參數(shù)，通過(guò)正交試驗(yàn)優(yōu)化得到氫氧化鈉雙氧水預(yù)處理高丹草秸稈的最佳預(yù)處理?xiàng)l件為∶預(yù)處理時(shí)間為72 h、固液比為1∶10、氫氧化鈉濃度為3 %、雙氧水濃度為1 %。在此條件下，氫氧化鈉性H2O2預(yù)處理后，高丹草木質(zhì)素的去除率為77.09 %，同時(shí)殘?jiān)欣w維素的相對(duì)含量由預(yù)處理前的30 %提高至65.32 %。這可能是氫氧化鈉和雙氧水混合使用，溶解木質(zhì)素的能力得到很大程度的提高，使高丹草秸稈表面結(jié)構(gòu)變得疏松，纖維出現(xiàn)很多斷裂和孔隙，比表面積增大，實(shí)現(xiàn)對(duì)高丹草秸稈的高效預(yù)處理，利于后續(xù)酶解中酶與纖維素成分的有效結(jié)合，對(duì)后續(xù)燃料乙醇發(fā)酵生產(chǎn)具有重要意義[14-15]。

4 結(jié) 論

①氫氧化鈉和雙氧水混合使用時(shí)，溶解木質(zhì)素的能力得到很大程度的提高，但是不會(huì)改變纖維素的成分；②雙氧水濃度為1 %的堿溶液就可以把木質(zhì)素大部分溶解。因此，在較低的雙氧水濃度下就可以把木質(zhì)素大部分溶解，不僅降低了預(yù)處理成本，還減少了后續(xù)發(fā)酵過(guò)程中剩余雙氧水的處理費(fèi)用；③用氫氧化鈉和H2O2預(yù)處理高丹草秸稈的最佳預(yù)處理工藝為：預(yù)處理時(shí)間72h、固液比為1∶10、氫氧化鈉濃度為3 %、雙氧水濃度為1 %，高丹草秸稈木質(zhì)素去除率為77.09 %；④用氫氧化鈉和H2O2預(yù)處理高丹草秸稈時(shí)，對(duì)高丹草預(yù)處理效果影響最大的因素是氫氧化鈉濃度，其次是固液比和預(yù)處理時(shí)間，影響最小的是雙氧水濃度。

圖6 高丹草秸稈表面結(jié)構(gòu)掃描電鏡圖Fig.6 SEM pictures of surface structure

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(責(zé)任編輯 王家銀)

OptimizationStudyonPretreatmentofSorghum-SudanGrassHybridStrawbyAlkalineandHydrogenPeroxide

ZHANG Ya-guan1, CHEN Zi-hong2, ZHAO Hong-yan1, WANG Fan1*, XU Ling2

(1.College of Chemistry and Environmental Science,Qujing Normal University,Yunnan Qujing 655011,China ; 2.Institute of Biological Resources of Gaoligong Mountains, Baoshan University, Yunnan Baoshan 678000 , China)

【Objective】 Pretreatment was a key step in fuel-ethanol production from lignocellulose biomass. Optimization on alkaline and hydrogen peroxide pretreatment ofSorghum-SudanGrassHybridstraw was studied in this paper. 【Method】On the basis of assay of four pretreatment factors including pretreatment time, concentration of alkaline and H2O2，ratio of solid to liquid. Orthogonal experiments were used to obtain the optimal parameters.【Conclusion】 The experimental result indicated that the optimal parameters of pretreatment was 72 hours,3 % sodium hydroxide, 1 %H2O2,ratio of solid to liquid (1∶10). Under this condition, the lignin removal rate was 77.09 %.

Sorghum-SudanGrassHybrid; Alkaline and Hydrogen Peroxide; Pretreatment; Lignin removal rate

S543.9

A

1001-4829(2017)11-2512-06

10.16213/j.cnki.scjas.2017.11.020

2016-08-17

國(guó)家自然科學(xué)地區(qū)基金項(xiàng)目 (31460153)；云南省教育廳項(xiàng)目(2011C017)；曲靖師范學(xué)院青年項(xiàng)目(2010QN001)；2016年國(guó)家大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目(2073010007)

張鴨關(guān)(1978-)，女，副教授，從事生物資源的開(kāi)發(fā)與利用研究,E-mail: zhangyaguan2013@163.com,*為通訊作者：汪 帆，E-mail:1936382716@qq.com。