蒸煮助劑對低用堿量硫酸鹽法預(yù)處理毛竹竹屑的影響

黃曹興，謝益暉，李 鑫，勇余世袁

(南京林業(yè)大學(xué) 化學(xué)工程學(xué)院，江蘇 南京 210037)

·研究報告——生物質(zhì)化學(xué)品·

蒸煮助劑對低用堿量硫酸鹽法預(yù)處理毛竹竹屑的影響

(南京林業(yè)大學(xué) 化學(xué)工程學(xué)院，江蘇 南京 210037)

毛竹竹屑經(jīng)10%低用堿量(以Na2O計)、 20%硫化度、 160 ℃下保溫1 h預(yù)處理，木質(zhì)素脫除率達(dá)到62.35%，預(yù)處理物料酶水解48 h葡萄糖和木糖得率分別為56.04%和53.47%。研究了硼氫化鈉、三聚磷酸鈉、 2-蒽醌磺酸鈉3種蒸煮助劑對毛竹竹屑10%用堿量硫酸鹽預(yù)處理的成分以及糖化效果影響，其中2-蒽醌磺酸鈉影響最大。在10%用堿量和20%硫化度的預(yù)處理液中添加0.15%的2-蒽醌磺酸時，160 ℃下保溫1 h的葡聚糖回收率和木質(zhì)素脫除率分別為94.93%和68.55%，與空白對比分別提高5.45%和9.94%；預(yù)處理物料酶解48 h葡萄糖和木糖得率分別為62.88%和58.97%，與空白對比分別提高12.21%和10.29%。

毛竹竹屑；蒸煮助劑；硫酸鹽蒸煮；低用堿量；酶水解

原料預(yù)處理是木質(zhì)纖維素生物煉制能源、化學(xué)品的關(guān)鍵技術(shù)[1]。多年生毛竹原料中木質(zhì)素含量高，常規(guī)的以降解、溶解半纖維素為目的來實現(xiàn)原料中纖維素、半纖維素和木質(zhì)素分離的稀酸預(yù)處理、蒸汽爆破預(yù)處理對促進(jìn)毛竹纖維素糖化效果不大[2]，而以脫木質(zhì)素為目的的堿性預(yù)處理方法適宜于毛竹等高木質(zhì)素含量生物質(zhì)的預(yù)處理[3]。盡管燒堿法等堿性預(yù)處理技術(shù)在木質(zhì)纖維素的預(yù)處理中已取得良好的效果，但這些預(yù)處理方法在脫木質(zhì)素時僅斷裂木質(zhì)素分子中的α-芳基醚鍵、α-烷基醚鍵、甲基芳醚鍵和γ-脂鍵等，而對β-芳基醚鍵的斷裂作用較小[4]。多年生毛竹組織結(jié)構(gòu)緊密且木質(zhì)素含量高(25%～35%)，木質(zhì)素酚型單元中70%以上為β-芳基醚鍵，蒸煮過程中藥液滲透較木片困難、脫木質(zhì)素效果較差，常規(guī)的堿性預(yù)處理方法難以取得理想的效果[5]。制漿造紙工業(yè)中的硫酸鹽法(NaOH+Na2S)預(yù)處理具有深度脫木質(zhì)素的效果，預(yù)處理液中加入的Na2S產(chǎn)生親和性強(qiáng)的S2-和HS-，能使大部分β-芳基醚鍵斷裂和95%木質(zhì)素溶出[6]。但傳統(tǒng)的硫酸鹽法預(yù)處理用堿量一般較高，達(dá)14%～28%[7]，預(yù)處理過程中脫除大部分木質(zhì)素的同時纖維素和半纖維素的剝皮反應(yīng)和堿性水解也加劇，將降低后續(xù)纖維素糖化的總糖得率，因此研究較多集中在條件溫和的綠液預(yù)處理法(Na2CO3+Na2S)[8]、堿性亞硫酸鹽預(yù)處理法(Na2SO3)[9]等方法上。雖然眾所周知硫酸鹽法預(yù)處理中添加助劑既可提高藥液的滲透性和脫木質(zhì)素能力，又可減少碳水化合物的降解[10]，但未見有報道將蒸煮助劑應(yīng)用到木質(zhì)纖維原料的生物煉制中。因此作者系統(tǒng)的研究了毛竹竹屑在低用堿量(10%)硫酸鹽預(yù)處理時添加硼氫化鈉、三聚磷酸鈉和2-蒽醌磺酸鈉助劑對毛竹纖維素、半纖維素回收率、木質(zhì)素脫除率以及纖維素糖化的影響，以期為高木質(zhì)素生物質(zhì)制取可發(fā)酵性糖的工業(yè)化提供依據(jù)。

1 實 驗

1.1 原料與試劑

竹屑，毛竹工業(yè)加工剩余物，粒度為10～25 mm，由福建何其昌竹業(yè)有限公司提供。主要成分：葡聚糖39.22%(干基)，木聚糖19.69%(干基)，木質(zhì)素32.75%(干基)。

纖維素酶，濾紙酶活力117 FPU/g，β-葡萄糖苷酶活力22.5 U/g；β-葡萄糖苷酶，β-葡萄糖苷酶酶活力323 U/g；木聚糖酶，木聚糖酶酶活力174.5 U/g，購于Sigma公司。Na2S和NaOH購于南京化學(xué)試劑有限公司；硼氫化鈉、三聚磷酸鈉、 2-蒽醌磺酸鈉購于國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司，均為化學(xué)純。

1.2 原料預(yù)處理

硫酸鹽法預(yù)處理液：由NaOH和Na2S配制而成。其中用堿量指有效堿用量，包括NaOH和Na2S(濃度以Na2O計)，硫化度指預(yù)處理液中Na2S相對Na2O的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。NaOH和Na2S添加量計算參照公式(1)和(2)。

硫酸鹽法預(yù)處理：在1 L×10個的油浴鍋中進(jìn)行。100 g絕干竹屑裝入1 L不銹鋼管式蒸煮器中，按固液比1 ∶5(g ∶mL)加入硫化度20%、用堿量為2%～10%和12%～28%的預(yù)處理液。在80 ℃下預(yù)浸20 min后，以2 ℃/min 的速率升溫至160 ℃，保溫1 h。反應(yīng)結(jié)束后立即將蒸煮器取出浸于冷水中，預(yù)處理渣磨漿后用蒸餾水洗滌至中性，過濾后得到預(yù)處理竹屑。預(yù)處理竹屑裝入密封袋中，于4 ℃冰箱中平衡水分2 d，備用分析。預(yù)處理竹屑各成分變化計算參照公式(3)～(5)。

低用堿量添加蒸煮助劑預(yù)處理：在用堿量10%和硫化度20%的預(yù)處理液中分別加入1%～5%硼氫化鈉、 0.1%～0.5%三聚磷酸鈉和0.03%～0.15%的2-蒽醌磺酸鈉，添加量以100 g竹屑為基準(zhǔn)。預(yù)處理操作步驟與常規(guī)硫酸鹽法預(yù)處理一致。

1.3 預(yù)處理竹屑糖化

預(yù)處理物料于底物質(zhì)量濃度0.05 g/mL、纖維素酶用量30 FPU/g(以葡聚糖為基準(zhǔn)，下同)、β-葡萄糖苷酶用量30 U/g、木聚糖酶120 U/g、 pH值4.8、 50 ℃條件下酶水解48 h。水解結(jié)束后于10 000 r/min下離心5 min，取上清液測定水解液中糖濃度。單糖得率計算參照公式(6)和(7)。

1.4 分析方法

1.4.1 原料化學(xué)組成分析 毛竹竹屑和預(yù)處理竹屑中葡聚糖、木聚糖、木質(zhì)素等含量的分析均按美國能源部可再生能源實驗室(NREL)的方法測定[11]。

1.4.2 酶活力測定 濾紙酶活力的測定采用國際理論和應(yīng)用化學(xué)協(xié)會(IUPAC)推薦的標(biāo)準(zhǔn)方法[12]：一個濾紙酶活力單位定義為每分鐘生成1 μmol葡萄糖所需的酶量；β-葡萄糖苷酶酶活力的測定采用對硝基苯基-β-D-葡萄糖苷(pNPG)試劑方法[13]：一個β-葡萄糖苷酶酶活力單位定義為每分鐘生成1 μmol對硝基苯酚所需要的酶量；木聚糖酶酶活力測定參考文獻(xiàn)[14]：一個木聚糖酶活力單位(IU)定義為每分鐘生成1 μmol木糖所需的酶量。

1.4.3 可發(fā)酵性單糖定量分析 葡萄糖和木糖定量分析在美國Agillent 1260型高效液相色譜儀上進(jìn)行。采用Bio-Rad HPX-87H 柱(7.8 mm×300 mm)，柱溫55 ℃，流動相5 mmol/L的硫酸，流速0.6 mL/min，上樣量10 μL，示差折光檢測器，采用外標(biāo)法測定。

1.5 計算公式

NaOH用量=100 g×用量堿×(1-硫化度)×1.29

(1)

Na2S用量=100 g×用量堿×硫化度×1.26

(2)

葡聚糖回收率=100 g竹屑預(yù)處理后葡聚糖質(zhì)量/39.22 g×100%

(3)

木聚糖回收率=100 g竹屑預(yù)處理后木聚糖質(zhì)量/19.69 g×100%

(4)

木質(zhì)素脫除率=(32.75 g-100 g竹屑預(yù)處理木質(zhì)素質(zhì)量)/32.75 g×100%

(5)

葡萄糖得率=水解液中葡萄糖質(zhì)量/(酶解底物中葡萄糖含量×1.11)×100%

(6)

木糖得率=水解液中木糖質(zhì)量/(酶解底物中木糖含量×1.14)×100%

(7)

提高率=(添加助劑后的得率-未添加助劑的得率)/未添加助劑的得率×100%

(8)

式中： 100 g— 預(yù)處理時竹屑用量； 1.29— NaOH與Na2O換算系數(shù)； 1.26— Na2S與Na2O換算系數(shù)； 39.22 g— 100 g未處理竹屑中含有的葡聚糖質(zhì)量； 19.69 g— 100 g未處理竹屑中含有的木聚糖質(zhì)量； 32.75 g— 100 g未處理竹屑中含有的木質(zhì)素質(zhì)量； 1.11—葡聚糖和葡萄糖轉(zhuǎn)化系數(shù)； 1.14—木聚糖和木糖轉(zhuǎn)化系數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 用堿量對竹屑預(yù)處理的影響

竹屑經(jīng)硫酸鹽預(yù)處理時，于高用堿量12%～28%和低用堿量2%～10%、硫化度20%、溫度160 ℃下保溫1 h，葡聚糖和木聚糖回收率、木質(zhì)素脫除率及預(yù)處理物料糖化效果如表1所示。由表1可知，常規(guī)硫酸鹽法預(yù)處理過程中隨著用堿量的增加，竹屑成分中葡聚糖、木聚糖回收率降低，木質(zhì)素脫除率提高。當(dāng)用堿量從12%增加到28%時，葡聚糖、木聚糖回收率分別從88.82%和57.28%降低到82.33%和30.61%，木質(zhì)素脫除率從83.42%提高到95.80%。當(dāng)用堿量為28%時葡萄糖得率能達(dá)到74.21%，但預(yù)處理原料的葡聚糖和木聚糖回收率僅為82.33%和30.61%。從生物煉制角度出發(fā)，雖然高的木質(zhì)素脫除率有利于纖維素和半纖維素糖化，但劇烈條件下發(fā)生的堿性水解和剝皮反應(yīng)會使原料中大部分聚糖降解，將會降低后續(xù)糖化的總糖得率[1]。

表1 用堿量對竹屑主要成分回收率和木質(zhì)素脫除率的影響

由表1又可知，雖然竹屑在低用堿量10%時木質(zhì)素脫除率最高僅為62.35%，但葡萄糖和木糖得率均在50%以上，說明低用堿量預(yù)處理也可以實現(xiàn)較高的糖化效果。在相同的酶水解條件下，Gu[15]等利用綠液(Na2CO3+Na2S)預(yù)處理研究玉米秸稈木質(zhì)素脫除率對纖維素酶水解的影響時發(fā)現(xiàn)，當(dāng)木質(zhì)素脫除率達(dá)到65%時可有效提高葡聚糖的糖化率到70%以上。竹屑經(jīng)10%用堿量的硫酸鹽法預(yù)處理后，木質(zhì)素脫除率達(dá)到62.35%，而葡萄糖得率僅為56.04%。分析原因可能是：1)一年生的玉米秸稈結(jié)構(gòu)松散，多年生毛竹木質(zhì)化程度高、組織結(jié)構(gòu)密度大且化學(xué)結(jié)構(gòu)特殊[2]，雖然預(yù)處理時木質(zhì)素脫除率相當(dāng)，但竹屑組織結(jié)構(gòu)的破壞程度不如玉米秸稈，酶對竹屑的纖維素和半纖維素可及度低； 2)預(yù)處理之后，竹屑中殘留的木質(zhì)素對纖維素酶吸附能力可能高于玉米秸稈中的木質(zhì)素，而該吸附屬于非生產(chǎn)性吸附，因此預(yù)處理竹屑的酶水解得率低[16]。

2.2 蒸煮助劑對竹屑預(yù)處理及酶解的影響

2.2.1 蒸煮助劑對竹屑預(yù)處理的影響 竹屑在10%用堿量時添加不同蒸煮助劑進(jìn)行硫酸鹽預(yù)處理，助劑添加量對葡聚糖、木聚糖回收率和脫木質(zhì)素的影響如表2所示。由表2可知，添加硼氫化鈉、三聚磷酸鈉和2-蒽醌磺酸鈉3種蒸煮助劑均有利于預(yù)處理竹屑的葡聚糖回收率和木質(zhì)素脫除率的提高，助劑添加量越大，抑制碳水化合物堿性水解的作用越明顯，木質(zhì)素脫除率越高。

表2 不同助劑對竹屑硫酸鹽法預(yù)處理碳水化合物回收率和木質(zhì)素脫除率的影響

當(dāng)NaBH4添加量為3%時葡聚糖回收率達(dá)到最高，為92.73%，提高率為3.01%。進(jìn)一步增加NaBH4添加量至5%，葡聚糖回收率下降為92.03%，這可能是過量的硼氫化鈉使纖維素中β-1,4-糖苷鍵斷裂，促進(jìn)纖維素降解[17]。當(dāng)NaBH4添加量為5%時，木聚糖回收率和木質(zhì)素脫除率達(dá)到最高，分別為63.52%和64.93%，與空白對比提高率為7.48%和4.14%。NaBH4是一種強(qiáng)還原劑，可使碳水化合物還原性末端的羰基還原成羥基，阻止碳水化合物在蒸煮時發(fā)生剝皮反應(yīng)，有利于降低葡聚糖和木聚糖在堿性蒸煮過程中的降解[17]。

三聚磷酸鈉在堿性蒸煮過程中能夠吸附原料中的金屬離子而抑制自由基的產(chǎn)生，減少自由基對碳水化合物的攻擊，從而起到保護(hù)葡聚糖和木聚糖的作用[18]。同時，三聚磷酸鈉能夠增加蒸煮藥液的反應(yīng)活性，可與木質(zhì)素單元側(cè)鏈上的不飽和鍵反應(yīng)，從而提高脫木質(zhì)素能力[18]。當(dāng)三聚磷酸鈉添加量為0.5%時，預(yù)處理竹屑葡聚糖回收率和木質(zhì)素脫除率分別為93.58%和66.50%，與空白對比提高率為3.95%和6.66%；而木聚糖回收率從59.10%下降到57.15%，這是因為部分木聚糖與木質(zhì)素間會以酯鍵、α-苯醚鍵、γ-酯鍵及苯苷鍵等鍵型連接[19]，木質(zhì)素脫除率增加同時會分離出更多的木聚糖，而在堿性條件下木聚糖易發(fā)生堿性降解和剝皮反應(yīng)[15]，因此在硫酸鹽法預(yù)處理過程中木聚糖回收率會隨著木質(zhì)素脫除率的增加而減少。

2-蒽醌磺酸鈉在硫酸鹽法預(yù)處理過程中能氧化碳水化合物還原性的醛末端基成糖醛酸末端基，從而減弱蒸煮過程中碳水化合物的剝皮反應(yīng)[20]。同時，蒽醌及其衍生物在蒸煮過程中被還原成蒽氫醌(AHQ)之后形成的蒽酚酮離子(AHQ-)能夠促進(jìn)木質(zhì)素酚型結(jié)構(gòu)中β-芳基醚鍵斷裂，從而提高脫木質(zhì)素能力[4]。從表2數(shù)據(jù)可以看出，添加2-蒽醌磺酸鈉能夠提高葡聚糖回收率和木質(zhì)素脫除率。當(dāng)2-蒽醌磺酸鈉添加量為0.15%時，葡聚糖回收率和木質(zhì)素脫除率分別為94.93%和68.55%，提高率為5.45%和9.94%。

2.2.2 蒸煮助劑對預(yù)處理竹屑碳水化合物糖化單糖得率的影響 蒸煮助劑對預(yù)處理竹屑碳水化合物糖化單糖得率的影響如圖1。

圖1 蒸煮助劑對預(yù)處理竹屑碳水化合物糖化的影響

由圖1可知，蒸煮過程中添加助劑有利于碳水化合物葡聚糖和木聚糖糖化效率的提高。當(dāng)預(yù)處理液中添加5%的NaBH4時，預(yù)處理物料酶解48 h的葡萄糖和木糖得率分別為58.77%和56.19%；當(dāng)添加0.5%的三聚磷酸鈉時，酶解時葡萄糖和木糖得率分別為60.84%和58.08%；添加2-蒽醌磺酸鈉對提高得率影響最大，當(dāng)2-蒽醌磺酸鈉添加量為0.15%時，葡萄糖和木糖得率分別為62.88%和58.97%，提高率為12.21%和10.29%。造成不同助劑對預(yù)處理竹屑酶解效果差異的原因可能是木質(zhì)素脫除率的差異，木質(zhì)纖維原料酶水解效率與物料中木質(zhì)素含量呈正相關(guān)，一定程度上木質(zhì)素脫除率越高，纖維素酶和木聚糖酶對葡聚糖和木聚糖的可及性越高，酶水解效果就越好[15]。預(yù)處理液中添加0.15%的2-蒽醌磺酸鈉時竹屑木質(zhì)素脫除率最高(68.55%)，而添加0.5%的硼氫化鈉和三聚磷酸鈉竹屑木質(zhì)素脫除率分別為64.93%和66.50%，因此，竹屑蒸煮過程中添加2-蒽醌磺酸鈉更有利于提高預(yù)處理物料中碳水化合物的糖化率。

3 結(jié) 論

3.1 竹屑經(jīng)低用堿量硫酸鹽法(NaOH+Na2S)預(yù)處理，可獲得較高的碳水化合物，同時能脫除部分木質(zhì)素，從而實現(xiàn)原料中纖維素、半纖維素和木質(zhì)素的有效分離，提高葡聚糖和木聚糖糖化效率。竹屑經(jīng)10%用堿量(以Na2O計)、 20%硫化度、 160 ℃下保溫1 h預(yù)處理，木質(zhì)素脫除率達(dá)到62.35%，預(yù)處理物料酶水解48 h葡萄糖和木糖得率分別為56.04%和53.47%。

3.2 添加硼氫化鈉、三聚磷酸鈉和2-蒽醌磺酸鈉3種蒸煮助劑均有利于竹屑硫酸鹽法預(yù)處理過程中碳水化合物回收率、木質(zhì)素脫除率、糖化效率的提高，其中2-蒽醌磺酸鈉影響最大。當(dāng)預(yù)處理液中2-蒽醌磺酸鈉添加量為0.15%時，葡聚糖回收率和木質(zhì)素脫除率分別為94.93%和68.55%，與空白對比提高率為5.45%和9.94%；預(yù)處理竹屑酶解48 h的葡萄糖和木糖得率分別為62.88%和58.97%，與空白對比提高率為12.21%和10.29%。

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Effect of Cooking Additives on Moso Bamboo Residues Pretreated by Kraft Pulping with Low Alkali Dosage

HUANG Cao-xing，XIE Yi-hui，LI Xin，YONG Qiang，YU Shi-yuan

(College of Chemical Engineering,Nanjing Forestry University, Nanjing 210037, China)

In this work,kraft pulping with low alkali dosage was carried out on moso bamboo residues as a pretreatment.62.35% lignin was removed in kraft pulping pretreatment with 10% effective alkali charge,20% sulfidity,160 ℃,and 1 h holding time.Consequently,the yields of glucose and xylose were about 56.04% and 53.47%,respectively,with enzymatic saccharification of the pretreated sample for 48 h.Meanwhile,the effects of cooking additives,i.e.,sodium borohydride,sodium tripolyphosphat,and 2-anthraquinone sodium sulfonate,on bamboo residues composition and enzymatic hydrolysis after kraft pulping pretreatment were investigated.The results indicated that cooking additives had positive effects on the cellulose recovery,degree of delignification,and enzymatic digestibility of pretreated bamboo residues.Among them,the 2-anthraquinone sodium sulfonate had the maximal effects.When the dosage of 2-anthraquinone sodium sulfonate was 0.15%,the cellulose recovery and delignification rate were 94.93% and 68.55%,respectively,and increased by 5.45% and 9.94% than those of blank;the glucose and xylose hydrolysis yields in the enzymatic hydrolysis of pretreated sample for 48 h were 62.88% and 58.97%,respectively,which increased by 12.21% and 10.29% compared with those of blank.

Mosobamboo residues;cooking additives;kraft pulping;low alkali charge;enzymatic hydrolysis

10.3969/j.issn.1673-5854.2015.01.006

2014- 10- 14

國際先進(jìn)林業(yè)技術(shù)引進(jìn)項目(2012-4-18)；江蘇高校自然科學(xué)重大基礎(chǔ)研究項目(11KJA220004)；江蘇省自然科學(xué)基金(BK20131426) 作者簡介：黃曹興(1989— )，男，福建福清人，博士生，研究領(lǐng)域：林產(chǎn)化學(xué)加工；E-mail:szxapy@163.com

TQ35

A

1673-5854(2015)01- 0033- 06

*通訊作者：勇 強(qiáng)，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事生物質(zhì)資源生物降解與轉(zhuǎn)化的研究；E-mail:swhx@njfu.com.cn。