酸解聚玉米秸稈的產(chǎn)物及其形成機(jī)制研究

王鳳芝 常 璇 馬玉龍 孫永剛 吳倩倩

（寧夏大學(xué)能源化工國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地1，銀川 750021）（寧夏大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院2，銀川 750021）

酸解聚玉米秸稈的產(chǎn)物及其形成機(jī)制研究

王鳳芝1，2常 璇2馬玉龍1，2孫永剛1，2吳倩倩1，2

（寧夏大學(xué)能源化工國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地1，銀川 750021）（寧夏大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院2，銀川 750021）

為了探明酸解聚農(nóng)作物秸稈的產(chǎn)物及其形成機(jī)制，本試驗(yàn)以玉米秸稈為研究對(duì)象，硫酸為解聚劑，利用高效液相色譜法檢測(cè)解聚產(chǎn)物，探討了不同硫酸濃度、解聚溫度對(duì)玉米秸稈高分子結(jié)構(gòu)解聚產(chǎn)物分布的影響。結(jié)果表明：解聚液中的主要糖類有木糖、阿拉伯糖、葡萄糖，副產(chǎn)物有乙酸、糠醛、5－羥甲基糠醛、阿魏酸和對(duì)香豆酸。當(dāng)解聚溫度高于120℃，5%硫酸解聚4 h時(shí)有纖維二糖、乙酰丙酸和甲酸生成。7%硫酸80℃解聚4 h時(shí)，有纖維二糖產(chǎn)生，說(shuō)明硫酸濃度和解聚溫度對(duì)玉米秸稈的解聚產(chǎn)物及其分布有一定的影響。分析并提出了硫酸解聚秸稈機(jī)制及副產(chǎn)物的形成途徑。

玉米秸稈 硫酸 解聚 副產(chǎn)物

木質(zhì)纖維生物質(zhì)是目前生產(chǎn)生物燃料產(chǎn)品的主要原料之一［1］。生物質(zhì)秸稈是木質(zhì)纖維的一類，其資源廣泛且價(jià)格低廉。中國(guó)秸稈資源量居世界第一，年產(chǎn)秸稈超過(guò)8億t，為我國(guó)發(fā)展秸稈生物質(zhì)能源創(chuàng)造了充足的原料保證［2］。

秸稈主要由纖維素、半纖維素和木質(zhì)素三大高分子組成，其中，纖維素是骨干結(jié)構(gòu)，而半纖維素和木質(zhì)素是網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)［3－5］。秸稈解聚即通過(guò)解聚劑打破半纖維素與木質(zhì)素的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，暴露纖維素，再將纖維素進(jìn)行酶解和發(fā)酵。秸稈復(fù)雜的天然結(jié)構(gòu)預(yù)處理過(guò)程中抑制物的形成均會(huì)影響燃料乙醇的產(chǎn)率［6－8］。在眾多解聚方法中，稀酸解聚是目前應(yīng)用較泛的一種，該方法可以有效脫除半纖維素［9－11］。

一般來(lái)說(shuō)，秸稈化學(xué)解聚產(chǎn)物主要包括解聚后液體產(chǎn)物和未反應(yīng)的固體殘?jiān)糠帧１菊n題組之前研究了酸解聚前后秸稈結(jié)構(gòu)、熱穩(wěn)定性、表面形態(tài)等的變化［12］。本研究選用稀硫酸為解聚劑，運(yùn)用高效液相色譜法對(duì)解聚后液體中的糖類和副產(chǎn)物進(jìn)行定性和定量分析，確定產(chǎn)物的分布狀況，最后對(duì)產(chǎn)物形成途徑和氫質(zhì)子與纖維素和半纖維相關(guān)結(jié)構(gòu)官能團(tuán)的作用機(jī)制進(jìn)行分析。

1 材料與方法

1.1 材料

玉米秸稈原料來(lái)源于寧夏大學(xué)附近農(nóng)田。經(jīng)自來(lái)水洗凈，風(fēng)干，過(guò)80目篩，然后用苯－乙醇（V∶V，2∶1）索式提取6 h，得到脫蠟玉米秸稈，在105℃烘箱里烘干備用。

1.2 試劑

纖維二糖、葡萄糖、木糖、阿拉伯糖、糠醛、5－羥甲基糠醛（5－HMF）、對(duì)香豆酸、阿魏酸、甲醇和乙腈均為色譜純：阿拉丁試劑（上海）有限公司；乙酸、4－羥基苯甲酸、紫丁香酸、4－羥基苯甲醛、香草醛、紫丁香醛、香草酸和硫酸均為分析純：上海安妍試劑公司；所用水為超純水。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 制備硫酸解聚樣品

取1.0 g脫蠟玉米秸稈，加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%、3%、5%、7%的硫酸溶液20 mL，分別在80、100、120、140℃反應(yīng)釜中反應(yīng)（0.5、1、2、6、12 h）后，固液分離，液體部分用CaCO3調(diào)節(jié)pH至中性，經(jīng)0.22μm濾膜過(guò)濾，得到水解液待測(cè)樣品，固體殘?jiān)谜麴s水洗滌至中性，105℃下烘干，研究溫度和酸濃度對(duì)秸稈解聚產(chǎn)物分布的影響。

1.3.2 混合標(biāo)準(zhǔn)溶液的配制

1.3.2.1 單糖及有機(jī)酸標(biāo)準(zhǔn)溶液的配制

準(zhǔn)確稱取1.000 g葡萄糖、木糖、阿拉伯糖、纖維二糖、乙酸、甲酸和乙酰丙酸標(biāo)準(zhǔn)品，用0.005 mol／L H2SO4溶液分別定容至50 mL，配制成濃度為20mg／mL的標(biāo)準(zhǔn)溶液，經(jīng)0.22μm濾膜過(guò)濾，濾液保存于4℃，待用。

1.3.2.2 副產(chǎn)物（糠醛和5－HMF）及酚酸標(biāo)準(zhǔn)溶液的配制

準(zhǔn)確稱取0.010 g糠醛、5－HMF、4－羥基苯甲酸、4－羥基苯甲醛、香草酸、紫丁香酸、香草醛、紫丁香醛、阿魏酸和對(duì)香豆酸標(biāo)準(zhǔn)品，用超純水分別定容至100 mL，配制成質(zhì)量濃度為1mg／mL的溶液，經(jīng)0.22μm濾膜過(guò)濾，濾液保存4℃，待用。

1.4 樣品測(cè)定

解聚液中低分子產(chǎn)物及副產(chǎn)物用高效液相色譜儀（LC－20AT，日本島津公司）測(cè)定。其中單糖、乙酸、甲酸和乙酰丙酸的色譜條件為：色譜柱：Aminex HPX－87H（300 mm×7.8 mm，美國(guó)Bio－Rad公司）；檢測(cè)器：示差折光檢測(cè)器（日本島津）；流動(dòng)相：0.005 mol／L H2SO4溶液；流速：0.6 mL／min；進(jìn)樣量：20μL；柱溫：65℃，液相色譜圖如圖1a所示。副產(chǎn)物（糠醛和5－HMF）及酚酸的色譜條件為：色譜柱：InertSustain?C18柱（4.6 mm×250 mm，5μm，日本島津），檢測(cè)波長(zhǎng)280 nm，流速1 mL／min，0.5%醋酸－甲醇梯度洗脫，進(jìn)樣量20μL。液相色譜圖如圖1b。

圖1 解聚液中各物質(zhì)的HPLC圖

2 結(jié)果與討論

2.1 解聚液產(chǎn)物分析

圖2a是玉米秸稈在5%硫酸溶液和80℃解聚溫度下各單糖隨時(shí)間變化關(guān)系圖。解聚液中的單糖有葡萄糖、木糖和阿拉伯糖，但主要以木糖為主，而葡萄糖及阿拉伯糖的含量較少，Chen等［9］同樣采用HPX－87H柱分析稀硫酸解聚稻秸，在解聚液中檢測(cè)到單糖。單糖形成的原因是在酸解聚過(guò)程中主要以半纖維素的解聚為主，而半纖維素是由D－木糖單體為主要成分的復(fù)合聚糖，其支鏈由L－阿拉伯糖殘基和D－葡萄糖殘基等組成。由圖2a可見：隨解聚時(shí)間的延長(zhǎng)，主產(chǎn)物木糖和葡萄糖濃度變化尤為顯著，當(dāng)解聚時(shí)間為6 h，酸解溫度為80℃條件下，可以獲得最大值為7.218mg／mL的木糖和1.785mg／mL的葡萄糖解聚液，而6 h后二者含量均在減少，究其原因，可能是在H＋作用下，解聚后期發(fā)生木糖和葡萄糖脫水形成副產(chǎn)物糠醛［13］和5－羥甲基糠醛（5－HMF）［14］過(guò)程，該過(guò)程會(huì)顯著抑制纖維素和半纖維素的降解。然而，相比于葡萄糖和木糖的降解過(guò)程，阿拉伯糖含量變化趨勢(shì)卻相對(duì)平穩(wěn)，由此說(shuō)明半纖維素支鏈結(jié)構(gòu)單元較主鏈易解聚且解聚程度徹底，解聚產(chǎn)物阿拉伯糖在酸性環(huán)境中有較好的穩(wěn)定性，Kusema等［15］提出半纖維素酸水解是一種選擇性水解機(jī)制，H＋首先進(jìn)攻側(cè)鏈基團(tuán)，再進(jìn)攻主鏈基團(tuán)，從而實(shí)現(xiàn)半纖維素高分子的有效降解。

圖2b反應(yīng)了玉米秸稈在5%硫酸溶液和80℃解聚溫度下副產(chǎn)物含量隨時(shí)間變化關(guān)系曲線。圖2b中的乙酸含量與圖2a中的阿拉伯糖含量變化趨勢(shì)相一致，說(shuō)明在酸解聚過(guò)程中大量的乙?；鶑陌肜w維素上脫落［16］，證明支鏈結(jié)構(gòu)較主鏈易降解。糠醛和5－HMF含量在解聚初期（0.5～2 h）變化不明顯，當(dāng)解聚時(shí)間增至6 h后其含量急劇增加并進(jìn)一步升高，導(dǎo)致出現(xiàn)此結(jié)果的原因是玉米秸稈高分子結(jié)構(gòu)存在兩步降解過(guò)程，解聚前期，在H＋催化下，發(fā)生纖維素和半纖維素解聚形成單糖或者低聚糖為主導(dǎo)的降解過(guò)程，解聚后期，主導(dǎo)反應(yīng)逆轉(zhuǎn)為高糖含量水解液脫水降解形成糠醛、5－HMF的過(guò)程。該結(jié)果有效印證了當(dāng)水解時(shí)間為6 h時(shí)木糖和葡糖糖含量下降的現(xiàn)象（圖2a）。由圖1b可知，部分酚酸類化合物如對(duì)香豆酸和阿魏酸被檢出，而4－羥基苯甲酸、4羥基苯甲醛、香草酸、紫丁香酸、香草醛和紫丁香醛類物質(zhì)并未檢出，這是因?yàn)樵谒峤饩圻^(guò)程中，氫質(zhì)子并不作用于木質(zhì)素將其降解成酚酸類單體，Ralph等［17］認(rèn)為在禾本科類植物中半纖維素與木質(zhì)素以半纖維素酯－阿魏酸－醚－木質(zhì)素橋聯(lián)的方式連接，而大多數(shù)對(duì)香豆酸通過(guò)酯鍵與木質(zhì)素的側(cè)鏈連接，在本研究中，通過(guò)產(chǎn)物檢測(cè)推斷半纖維素和木質(zhì)素之間連接的酯鍵和醚鍵及對(duì)香豆酸與木質(zhì)素的連接酯鍵斷裂，形成阿魏酸和對(duì)香豆酸。

圖2 解聚液中各物質(zhì)濃度隨時(shí)間變化圖

2.2 溫度對(duì)產(chǎn)物分布的影響

圖3為不同溫度梯度下產(chǎn)物分布圖。在120℃、4 h、5%解聚條件下，有新的產(chǎn)物纖維二糖、甲酸和乙酰丙酸生成。纖維二糖的含量先增加后減少，原因是在后續(xù)解聚轉(zhuǎn)化為葡萄糖，甲酸和乙酰丙酸的含量增多，產(chǎn)生原因是糠醛和5－HMF隨后降解成甲酸和乙酰丙酸［18－19］。隨著溫度的升高，木糖和糠醛的含量變化最顯著。當(dāng)解聚溫度由80℃升高至140℃時(shí)，木糖的含量從6.985mg／mL減少到3.697mg／mL，糠醛的含量由0.037mg／m L增加到1.698mg／mL，大約50%的木糖轉(zhuǎn)化為糠醛。陳尚钘等［20］采用同等條件下1.25%的稀酸解聚玉米秸稈，發(fā)現(xiàn)當(dāng)溫度為100℃和120℃時(shí)，甲酸、糠醛與乙酰丙酸不會(huì)產(chǎn)生，這說(shuō)明在解聚溫度一定時(shí)，解聚劑硫酸濃度對(duì)玉米秸稈高分子解聚效果影響更顯著。

圖3 不同溫度下解聚液中解聚產(chǎn)物含量

2.3 硫酸濃度對(duì)產(chǎn)物分布的影響

表1是不同硫酸濃度下解聚產(chǎn)物分布情況。硫酸體積分?jǐn)?shù)在1%～7%、時(shí)間0.5～4 h范圍內(nèi)解聚產(chǎn)物的種類分布無(wú)變化。但當(dāng)硫酸體積分?jǐn)?shù)從1%升高到7%時(shí)，解聚副產(chǎn)物5－HMF和糠醛含量隨硫酸濃度的升高而增加。當(dāng)解聚時(shí)間大于4 h時(shí)，產(chǎn)生纖維二糖，說(shuō)明當(dāng)硫酸濃度增加時(shí)，氫質(zhì)子完成半纖維素的降解后，酸解聚傾向于纖維素的降解，并將其降解成纖維多糖。

2.4 解聚產(chǎn)物形成途徑

通過(guò)上述研究，對(duì)硫酸解聚玉米秸稈產(chǎn)物形成途徑進(jìn)行分析（圖4）。研究表明，不同的解聚強(qiáng)度，產(chǎn)物的種類亦會(huì)不同［20］。纖維素結(jié)構(gòu)由結(jié)晶區(qū)和非結(jié)晶區(qū)組成，半纖維素屬于無(wú)定形結(jié)構(gòu)。在硫酸解聚過(guò)程中，解聚前期氫質(zhì)子首先使半纖維素和木質(zhì)素的連接鍵斷裂，半纖維素支鏈斷裂形成阿拉伯糖、葡萄糖和乙酸，隨后主鏈水解形成木糖，同時(shí)降解纖維素的非結(jié)晶區(qū)形成葡萄糖。當(dāng)氫質(zhì)子濃度增加，氫質(zhì)子開始進(jìn)攻纖維素的結(jié)晶區(qū)，降解成低聚纖維多糖，繼而降解成葡萄糖。降解產(chǎn)物葡萄糖和木糖在酸催化下進(jìn)一步產(chǎn)生5－HMF和糠醛，并且隨著溫度的升高，5－HMF會(huì)繼續(xù)降解生成甲酸和乙酰丙酸，糠醛降解成甲酸。Rinaldi等［21］研究了纖維素酸水解機(jī)理，氫離子首先作用于葡萄糖分子之間的糖苷鍵和葡萄糖單元環(huán)上的縮醛氧原子，C—O鍵斷裂，形成碳正離子，之后水分子的加入，釋放單糖和氫質(zhì)子，氫質(zhì)子再次循環(huán)降解糖苷鍵。本試驗(yàn)通過(guò)產(chǎn)物檢測(cè)及影響產(chǎn)物分布的因素出發(fā)，闡述了硫酸解聚玉米秸稈的可能途徑。

表1 解聚液中解聚產(chǎn)物含量與硫酸濃度關(guān)系表／mg／mL

圖4 玉米秸稈硫酸解聚產(chǎn)物形成途徑圖

3 結(jié)論

在80℃和5%硫酸解聚條件下，解聚液中產(chǎn)物有葡萄糖、木糖和阿拉伯糖和副產(chǎn)物乙酸、糠醛、5－HMF、對(duì)香豆酸和阿魏酸生成。硫酸濃度5%，解聚溫度達(dá)到120℃時(shí)有纖維二糖、甲酸和乙酸生成；溫度80℃下，硫酸濃度升至7%時(shí)，有纖維二糖生成。硫酸解聚玉米秸稈的可能途徑是：在解聚前期氫質(zhì)子首先使半纖維素和木質(zhì)素的連接鍵斷裂，半纖維素支鏈斷裂形成阿拉伯糖、葡萄糖和乙酸，隨后主鏈水解形成木糖，同時(shí)降解纖維素的非結(jié)晶區(qū)形成葡萄糖。當(dāng)氫質(zhì)子濃度增加，氫質(zhì)子開始進(jìn)攻纖維素的結(jié)晶區(qū)，降解成低聚纖維多糖，繼而降解成葡萄糖。降解產(chǎn)物葡萄糖和木糖在酸催化下進(jìn)一步產(chǎn)生5－HMF和糠醛，并且隨著溫度的升高，5－HMF會(huì)繼續(xù)降解生成甲酸和乙酰丙酸，糠醛降解成甲酸。

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Products and Mechanism of Corn Stalk After Depolymerization with Acid

Wang Fengzhi1，2ChangXuan2Ma Yulong1，2Sun Yonggang1，2Wu Qianqian1，2
（State Key Laboratory Cultivation Base of Energy Sources and Chemical Engineering，Ningxia University1，Yinchuan 750021）（College of Chemistry＆Chemical Engineering，Ningxia University2，Yinchuan 750021）

The objective of the paperwas to investigate the product andmechanism in the process of depolymerization crop straw with acid.Corn stalk was used as thematerial to research the effects of acid concentration and temperature on corn stalks product distribution through depolymerization by sulfuric acid in amethod of high performance liquid chromatography.The results showed that themajor carbohydrates in liquid of the depolymerized corn stalk wereXylose，arabinose and glucose，and themajor by－products were acetic acid，furfural，5－h(huán)ydroxymethyl furfural，ferulic acid andp－coumaric acid.When the temperaturewas higher than 120℃，cellobiose，levulinic acid and formic acid were detected in depolymerization liquid after being treated with 5%sulfuric acid for 4 h.In addition，cellobiose could be produced from corn stalk through depolymerization with 7%sulfuric acid for 4 h at80℃.These results indicated that the sulfuric acid concentration and temperature had a certain influence on the yield and distribution of products generated from corn stalk during depolymerization process.Meanwhile，the possible mechanism of depolymerization corn stalk with sulfuric acid and the formation pathway of by－productwas put out.

corn stalk，sulfuric acid，depolymerization，by－product

TQ353.1＋4

A

1003－0174（2015）

國(guó)家自然科學(xué)基金（21266023）

2013－12－02

王鳳芝，女，1988年出生，碩士，生物質(zhì)能源

馬玉龍，男，1966年出生，教授，生物質(zhì)能源03－0001－06