用作燃料乙醇原料的刺槐無(wú)性系木質(zhì)纖維素成分研究

王 沖，彭祚登，楊欣超，王 梁，王少明

(1.北京林業(yè)大學(xué) 國(guó)家能源非糧生物質(zhì)原料研發(fā)中心，北京 100083；2.國(guó)有洛寧縣呂村林場(chǎng)，河南 洛寧 471700)

用作燃料乙醇原料的刺槐無(wú)性系木質(zhì)纖維素成分研究

王 沖1，彭祚登1，楊欣超1，王 梁1，王少明2

(1.北京林業(yè)大學(xué) 國(guó)家能源非糧生物質(zhì)原料研發(fā)中心，北京 100083；2.國(guó)有洛寧縣呂村林場(chǎng)，河南 洛寧 471700)

為了篩選出較適合生產(chǎn)燃料乙醇的刺槐無(wú)性系，選取8044、8048（豫刺1號(hào)）、83002（豫刺7號(hào)）、84023（豫刺8號(hào)）、速生刺槐（無(wú)性系3-Ⅰ）、四倍體刺槐、匈牙利大葉刺槐和普通刺槐8個(gè)無(wú)性系或品種作為研究對(duì)象，采用范式洗滌法，測(cè)定其纖維素、半纖維素和木質(zhì)素含量，并研究了不同生長(zhǎng)時(shí)期各成分的變化規(guī)律。結(jié)果顯示：大部分無(wú)性系纖維素平均含量在速生期最高，半纖維素含量在生長(zhǎng)初期最高，木質(zhì)素含量在速生期最低。且各無(wú)性系在同一生長(zhǎng)時(shí)期，纖維素、半纖維素和木質(zhì)素含量均存在顯著差異。普通刺槐和84023在生長(zhǎng)末期的綜纖維素含量最高，均達(dá)到55%；其中，纖維素含量分別為34.7%和34.4%；木質(zhì)素相對(duì)較低，分別為20.7%和18.8%，較適合作為生產(chǎn)燃料乙醇的原料。

刺槐無(wú)性系；木質(zhì)纖維素成分；纖維素；半纖維素；木質(zhì)素；燃料乙醇原料

近些年，由于化石能源的大范圍消耗，木材已經(jīng)成為生產(chǎn)木質(zhì)纖維素燃料的一種潛在資源[1]。目前，生物質(zhì)燃料已發(fā)展至第二代，將富含纖維素和半纖維的木質(zhì)生物質(zhì)為原料，主要生產(chǎn)纖維素乙醇[2]。原料樹(shù)種主要有桉樹(shù)、楊樹(shù)和柳樹(shù)等[3]。

刺槐Robinia pseudoacaciaL.具有適應(yīng)性強(qiáng)、耐干旱、耐貧瘠、容易繁殖、生長(zhǎng)快等特點(diǎn)，在中國(guó)廣大地區(qū)都有栽培[4]。以其作為第二代生物質(zhì)燃料原料，刺槐的生物量是足夠龐大的；另外，由于其萌蘗能力強(qiáng)，適合短輪伐經(jīng)營(yíng)，因此能夠滿足原料連續(xù)供應(yīng)的要求。筆者對(duì)刺槐枝條的化學(xué)成分，即纖維素、半纖維素和木質(zhì)素的含量進(jìn)行了測(cè)定，對(duì)比了8種不同的無(wú)性系或品種之間的差異，并研究了其不同生長(zhǎng)期化學(xué)成分的變化，以期為生產(chǎn)燃料乙醇的刺槐原料特性分析提供依據(jù)，并為刺槐能源林的無(wú)性系選擇提供理論指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料為2年生萌生刺槐，包括8048（豫刺1號(hào)）、8044、83002(豫刺7號(hào))、84023（豫刺8號(hào)）、速生（無(wú)性系3-Ⅰ）5個(gè)無(wú)性系和匈牙利大葉刺槐、四倍體刺槐和普通刺槐3個(gè)品種。

1.2 試驗(yàn)地條件及試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)地點(diǎn)為河南洛寧呂村林場(chǎng)。該林場(chǎng)所屬地區(qū)屬暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候，受海陸季風(fēng)影響，春旱多風(fēng)、夏熱多雨、秋爽日照長(zhǎng)、冬季寒冷少雨雪，氣溫年較差大，四季分明，雨熱同季。夏季多東風(fēng)，冬季多西北風(fēng)，年平均氣溫13.7℃，絕對(duì)最高氣溫42℃，絕對(duì)最低氣溫-21℃，無(wú)霜期215 d，年降水量606 mm，多集中于7～9月，占全年降水量47%，年平均相對(duì)濕度69%。土壤為褐土，土壤全氮、全磷、全鉀含量分別為1.16 g/kg，0.13 g/kg，2.31 g/kg。

試驗(yàn)采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，共8個(gè)無(wú)性系或品種，每個(gè)無(wú)性系3個(gè)重復(fù)。

表1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)?Table 1 Experimental design

每個(gè)小區(qū)面積為42 m2，株行距為1 m×1.5 m，不同地塊之間有3行隔離帶。

1.3 取樣方法及纖維素指標(biāo)測(cè)定

1.3.1 樣品的采集與處理

2013年5月、7月、11月采樣，三個(gè)月份分別代表刺槐的生長(zhǎng)初期、速生期和生長(zhǎng)末期。取樣時(shí)，在每個(gè)小區(qū)中隨機(jī)選取3株刺槐標(biāo)準(zhǔn)木，分別剪取樹(shù)干上、中、下三個(gè)高度的枝條，在每個(gè)枝條上，每隔一段剪下2 cm的小段，分裝到信封中，做好標(biāo)記。置于75 ℃烘箱中烘干至恒重，用粉碎機(jī)粉碎，過(guò)60目篩，準(zhǔn)確稱取1 g（精確至0.001 g），用纖維素分析儀進(jìn)行纖維素各組分測(cè)定。

1.3.2 指標(biāo)測(cè)定

采用Van Soest 的方法測(cè)定枝條中的中性洗滌纖維素（NDF）、酸性洗滌纖維素（ADF）和酸性洗滌木質(zhì)素（ADL）。然后根據(jù)測(cè)定結(jié)果計(jì)算出纖維素、半纖維素和綜纖維素的含量，分別為：纖維素=ADF-ADL；半纖維素=NDF-ADF；綜纖維素=半纖維素+纖維素；木質(zhì)素=ADL-灰分，由于灰分含量太少，忽略不計(jì)，即木質(zhì)素=ADL。

1.3.3 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS 20.0軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素方差分析（One-way ANOVA），用Duncan法在0.05水平上進(jìn)行多重比較。采用Excel軟件繪制圖表。

2 結(jié)果與分析

2.1 刺槐不同品種纖維素含量差異的比較

纖維素是細(xì)胞壁的主要組成部分[5]。它是一種由D-吡喃葡萄糖在β-1,4-糖苷鍵的連接下組成的均相多糖，包含結(jié)晶區(qū)和無(wú)定形區(qū)兩部分[6]。由于構(gòu)成纖維素的單體為六碳糖，因此通過(guò)生物方法或熱化學(xué)方法較容易轉(zhuǎn)化為乙醇[7]。

如圖1所示，8種無(wú)性系或品種在不同生長(zhǎng)時(shí)期的纖維素含量的變化范圍在19.5 %～36.6%之間，這與趙靜測(cè)定的結(jié)果接近[8]，但低于A. F. Drummond提到的40%～50%[9]。不同無(wú)性系或品種的纖維素隨生長(zhǎng)時(shí)期的變化規(guī)律不一致，8048、83002、84023、四倍體刺槐、速生刺槐5個(gè)無(wú)性系的纖維素含量先增加后減少，速生期的纖維素含量最高，平均含量為32.3%；8044和普通刺槐的纖維素先減少后增加，且11月份的纖維素含量較5月份的高，平均高出6.6%；只有匈牙利大葉刺槐的纖維素呈現(xiàn)一直增加的趨勢(shì)（如圖1）。

在3個(gè)生長(zhǎng)時(shí)期，不同無(wú)性系或品種之間的纖維素含量均存在差異顯著（p＜0.05）。生長(zhǎng)初期，纖維素含量最高的是普通刺槐，最低的是速生刺槐。速生期，四倍體刺槐、84023和83002的纖維素含量較為突出，依次為36.6%、35.2%和34.9%，最低為普通刺槐，只有24.5%，僅占四倍體刺槐的66.9%。生長(zhǎng)末期，各無(wú)性系的纖維素含量為普通刺槐＞84023＞8044＞匈牙利大葉＞83002＞速生刺槐＞8048＞四倍體刺槐。

圖1 8種刺槐無(wú)性系不同生長(zhǎng)時(shí)期纖維素含量比較Fig.1 Cellulose contents of 8 black locust clones in different growth periods

2.2 刺槐不同品種半纖維素含量差異的比較

半纖維素在植物資源中的含量?jī)H次于纖維素，是一種取之不盡、用之不竭的再生性植物資源。在木材及非木材植物的細(xì)胞壁里，半纖維素是最復(fù)雜的組分，它們通過(guò)氫鍵與纖維素連接，以共價(jià)鍵 (主要是α- 苯甲基醚鍵) 與木素連接[10]。原料預(yù)處理過(guò)程就是斷開(kāi)這些氫鍵和共價(jià)鍵，是使半纖維素和纖維素充分暴露，以便后期轉(zhuǎn)化為乙醇。半纖維素主要分為三類，即聚木糖類、聚葡萄甘露糖類和聚半乳糖葡萄甘露糖類。闊葉材與禾本科草類的半纖維素主要是聚木糖類多糖。木糖為五碳糖，能將其轉(zhuǎn)化為乙醇的微生物較少，因此相對(duì)于纖維素的轉(zhuǎn)化難度較大。

半纖維素含量隨生長(zhǎng)季呈現(xiàn)出兩種不同的變化趨勢(shì)：8048、8044和83023三種無(wú)性系的半纖維素含量先升高后降低，即速生期的含量最高，平均含量為22.1%；而其他5個(gè)無(wú)性系，半纖維素含量呈現(xiàn)出先降低后升高的變化規(guī)律，最高含量均值為21.2%（如圖2）。

生長(zhǎng)季內(nèi)，只有速生期的無(wú)性系之間半纖維素含量有顯著差異。生長(zhǎng)初期，含量最高的為83002和84023，同為22%；速生期，8044含量最高，為22.7%；生長(zhǎng)末期，含量最高的是83002（22.4%）。

2.3 刺槐不同品種綜纖維素含量差異的比較

綜纖維素是纖維素和半纖維之和，是木質(zhì)纖維原料中能夠轉(zhuǎn)化乙醇的有效部分。因此，將其作為衡量無(wú)性系生產(chǎn)燃料乙醇潛質(zhì)的重要指標(biāo)之一。

8種刺槐無(wú)性系在3個(gè)不同生長(zhǎng)時(shí)期的綜纖維素含量均存在顯著差異性（p＜0.05）。各無(wú)性系綜纖維素含量隨生長(zhǎng)時(shí)期的變化規(guī)律不一致，生長(zhǎng)初期、速生期和生長(zhǎng)末期的平均含量分別為44.8%、50.1%和49.3%。與Mustafa Vohra等人得出的闊葉木綜纖維素含量（78.8%）有差距[11]。這可能與取樣部位有關(guān)，因?yàn)闃?shù)干的綜纖維素含量比枝條高。8044和普通刺槐的綜纖維素含量呈V字型變化，匈牙利大葉呈現(xiàn)一直增加的趨勢(shì)，其余5種無(wú)性系的綜纖維素含量呈先降低后增加的變化規(guī)律。各無(wú)性系或品種，不同生長(zhǎng)時(shí)期的綜纖維素極差在5.1%～16.2%之間（如圖3）。

圖2 8種刺槐無(wú)性系不同生長(zhǎng)時(shí)期半纖維素含量比較Fig.2 Hemicellulose contents of 8 black locust clones in different growth periods

圖3 8種刺槐無(wú)性系不同生長(zhǎng)時(shí)期綜纖維素含量比較Fig.3 Holo-cellulose contents of 8 black locust clones in different growth periods

生長(zhǎng)初期，含量最高的為普通刺槐，最低為速生刺槐。速生期，84023的綜纖維素含量最高，為57.3 %，其次是83002，為56.8 %。生長(zhǎng)末期，普通刺槐和84023含量最高（約為55.0%），匈牙利大葉和83002的含量次之，約為54.1%。

2.4 刺槐不同品種木質(zhì)素含量差異的比較

木質(zhì)素是一種由松柏醇、芥子醇和對(duì)香豆醇三種苯丙烷基單體組成的多酚類非晶態(tài)聚合物[12]。由于它的復(fù)雜性、不均勻性和與其他化學(xué)成分的緊密連接，在沒(méi)有改性的條件下，木質(zhì)素很難分離并轉(zhuǎn)化為需要的產(chǎn)品（包括燃料乙醇），其結(jié)構(gòu)也很難確定[13]。

8種刺槐無(wú)性系在3個(gè)不同生長(zhǎng)時(shí)期的木質(zhì)素含量均存在顯著差異性（p＜0.05）。83002、84023、匈牙利大葉、四倍體刺槐和速生刺槐5個(gè)無(wú)性系，木質(zhì)素含量隨生長(zhǎng)時(shí)期的變化，先減少后增加，變化范圍在6.2%～17.9%之間（如圖4）。

圖4 8種刺槐無(wú)性系不同生長(zhǎng)時(shí)期木質(zhì)素含量比較Fig.4 Lignin contents of 8 black locust clones in different growth periods

生長(zhǎng)初期，普通刺槐木質(zhì)素含量最低（22%），四倍體刺槐含量最高（28.9%）；速生期，83002和匈牙利大葉刺槐木質(zhì)素含量最低（同為15.4%），普通刺槐含量最高（27.7%）；生長(zhǎng)末期，8044木質(zhì)素含量最低（16.8 %），四倍體刺槐含量最高（35.7 %）。

3 結(jié)論與討論

生長(zhǎng)初期，8044和普通刺槐的綜纖維素最高，即能夠轉(zhuǎn)化為燃料乙醇的有效部分含量最高。另外，普通刺槐在纖維素含量上高于8044，在木質(zhì)素含量上又是最低。因此，相對(duì)于8044更有優(yōu)勢(shì)。這可能與普通刺槐比其他無(wú)性系在本地的適應(yīng)性強(qiáng)有關(guān)。

速生期，84023的綜纖維素含量最高。在纖維素和半纖維含量上，84023分別僅次于四倍體刺槐和8044，木質(zhì)素含量也相對(duì)較低，為18.8%。

生長(zhǎng)末期，普通刺槐和84023的綜纖維素含量高于其他幾種無(wú)性系。其中，普通刺槐的。纖 維素含量最高。而木質(zhì)素最低的是8044，僅為16.8%。

植物纖維原料主要由纖維素、半纖維素和木素三部分組成。綜纖維素是纖維素和半纖維素的總稱。其中，纖維素是由D-葡萄糖組成的均相多糖，半纖維素是木糖、阿拉伯糖、甘露糖和半乳糖等單糖組成的異質(zhì)多糖。木素不能作為發(fā)酵底物，半纖維素可以發(fā)酵為乙醇，但比纖維素要困難[14]。因此，將綜纖維素和木質(zhì)素含量作為評(píng)價(jià)幾種無(wú)性系品質(zhì)的指標(biāo)之一，并且將纖維素作為優(yōu)先考慮對(duì)象。

本研究是基于燃料乙醇為目標(biāo)的，而將刺槐作為生產(chǎn)燃料乙醇的原料，一般是在冬季進(jìn)行采伐。因此，生長(zhǎng)末期的化學(xué)成分更具有參考價(jià)值。從生長(zhǎng)末期的數(shù)據(jù)上看，普通刺槐和84023較適合作為生產(chǎn)燃料乙醇的原料，進(jìn)行大規(guī)模種植和推廣。

Werther Guidi等人[15]對(duì)楊樹(shù)的樹(shù)皮和木質(zhì)部的化學(xué)成分研究發(fā)現(xiàn)楊樹(shù)木質(zhì)部的纖維素平均含量在54.49%左右，而樹(shù)皮部分的為27.44%，兩者相差較大。但考慮到要將刺槐能源林進(jìn)行短輪伐期經(jīng)營(yíng)，收獲時(shí)樹(shù)皮比例不高，生產(chǎn)中將樹(shù)皮分離后在作為原料生產(chǎn)乙醇不太實(shí)際，因此未將樹(shù)皮和樹(shù)干分開(kāi)測(cè)定。方升佐[16]對(duì)楊樹(shù)無(wú)性系化學(xué)成分的研究也表明，胸徑處纖維素含量隨年輪的增加而增大。刺槐和楊樹(shù)同為闊葉樹(shù)種，由此推測(cè)，可能存在相似的規(guī)律。由于所采樣品均為枝條，樹(shù)皮比例相對(duì)較大，直徑較小，纖維素含量也較低。另外，S. Adamopoulos等人[17]的研究表明刺槐的不同高度處心材和邊材之間在木質(zhì)素含量也存在明顯差異。如果要進(jìn)一步研究無(wú)性系之間的化學(xué)成分差異規(guī)律，建議測(cè)定不同樹(shù)齡的各無(wú)性系的化學(xué)成分含量，以便確定其木質(zhì)纖維素含量穩(wěn)定性。

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Researches on lignocellulose components of different black locust clones for producing bioethanol

WANG Chong1, PENG Zuo-deng1, YANG Xin-chao1, WANG Liang1, WANG Shao-ming2
(1.National Energy R & D Center for Nonfood Biomass, Beijing Forestry University, Beijing 100083, China; 2.State-owned Forest Farm of Luoning County, Luoning 471700, Henan, China)

In order to study the differences of lignocellulose content among 8 black locust clones or varieties, eight two-year-old species, such as 8044 and Yuci No.1(8048), Yuci No.7(83002), Yuci No.8(84023), fast-growingRobinia pseudoacacia, tetraploidRobinia pseudoacacia, HungaryRobinia pseudoacaciaand common black locust were selected as the experimental materials. Cellulose,hemicellulose and lignin contents in different growing periods were determined by means of Van Soest P J’s method. The results show that for most of the 8 clones or varieties, their mean cellulose contents in fast-growing period stage were in the highest status, the mean hemicellulose contents in early growth stage were in the highest state, the mean lignin contents in fast-growing period stage were in the lowest state. And in the same period of each clonal growth, cellulose, hemicellulose and lignin contents were all signif i cantly different;In the growth telophase, the holo-cellulose percent contents in common black locust and Yuci No.8(84023) were both 55%, higher than other clones or varieties signif i cantly; the cellulose contents of common black locust and Yuci No.8(84023) were 34.7% and 34.4%respectively, and their lignin contents were 20.7% and 18.8% respectively, lower than the others. The two clones are more suitable to be used as the raw materials to produce fuel ethanol.

Robinia pseudoacacia(Black locust) clone; lignocellulose components; cellulose; hemi-cellulose; lignin; raw material of fuel ethanol

S792.26

A

1673-923X(2015)06-0124-04

10.14067/j.cnki.1673-923x.2015.06.023

2014-12-14

高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)科研基金（20120014130001）

王 沖，碩士研究生 通訊作者：彭祚登，副教授，博士；E-mail：zuodeng@sina.com

王 沖,彭祚登,楊欣超,等. 用作燃料乙醇原料的刺槐無(wú)性系木質(zhì)纖維素成分研究[J].中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報(bào),2015,35(6): 124-127,138.

[本文編校：吳 彬]