楊木制備纖維乙醇過程中化學(xué)成分變化的分析

閆興偉，崔 琳，張 林，王 芳，陳茜文

（中南林業(yè)科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 長沙 410004）

楊木制備纖維乙醇過程中化學(xué)成分變化的分析

閆興偉，崔 琳，張 林，王 芳，陳茜文

（中南林業(yè)科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 長沙 410004）

楊樹是我國重要的速生樹種。以楊木為原料制備生物乙醇是解決當(dāng)今能源問題的一項新的嘗試。對楊木原料蒸汽爆破預(yù)處理后以及菌處理后的化學(xué)成分及化學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了測定分析。通過對比其化學(xué)成分（纖維素、木素、半纖維素、抽出物、灰分及蛋白質(zhì)）的變化，研究了以楊木為原料制備生物乙醇生產(chǎn)過程中化學(xué)成分變化機理，旨在為指導(dǎo)楊木制備木質(zhì)纖維乙醇的生產(chǎn)，并為發(fā)酵后副產(chǎn)物的回收再利用提供理論依據(jù)。

楊木；美洲黑楊；化學(xué)成分；生物乙醇；蒸汽爆破

自20世紀(jì)70年代以來，以燃料乙醇為代表性產(chǎn)品的生物燃料產(chǎn)業(yè)飛速發(fā)展。特別是以甘蔗、玉米為原料的第一代燃料乙醇產(chǎn)業(yè)已形成規(guī)模，2011年世界各國燃料乙醇的總產(chǎn)量約為5 860 萬t，比2010年增加了12.7%[1]。

同步糖化發(fā)酵（SSF）是生產(chǎn)生物乙醇的重要方法之一，也是未來生物乙醇工業(yè)化的主要趨勢。將酶解與發(fā)酵合二為一，酶解產(chǎn)生的糖不斷被發(fā)酵利用，消除了纖維素酶受葡萄糖和纖維二糖終產(chǎn)物抑制，提高了糖化效率，并降低了酶制劑的用量[2]。2007 年，Kim 和Lee[3]研究了在溫和的溫度下用氨水浸泡預(yù)處理玉米秸稈同步糖化共發(fā)酵生產(chǎn)燃料乙醇。利用重組大腸桿菌KO11同步糖化共發(fā)酵對處理過的濃度為3%的葡聚糖玉米秸稈可生產(chǎn)出濃度為19.2 g/L 的乙醇。2009 年，Shen Y等[4]利用釀酒酵母同步糖化發(fā)酵用磷酸-丙酮處理狗牙根、蘆葦和油菜籽進(jìn)行乙醇生產(chǎn)。當(dāng)?shù)孜镏欣w維素含量較低為3%時，進(jìn)行單批模式同步糖化發(fā)酵，96 h后產(chǎn)出16 g/L乙醇。

以楊木為原料制備生物乙醇是解決當(dāng)今能源問題的一項新的嘗試，在以往文獻(xiàn)中鮮見報道。中南林業(yè)科技大學(xué)生物乙醇研究中心以風(fēng)干的楊木為原料，通過蒸汽爆破預(yù)處理后，先使用里氏木霉Rut C-30和爪哇正青霉ZN-205制備的混合纖維素酶（15 FPU/g 底物，β-葡萄糖苷酶/濾紙酶比值為1.39）在最優(yōu)條件下酶解楊木48 h（可產(chǎn)生還原糖25.54 g/L，糖的轉(zhuǎn)化率78.184%）。而后用釀酒酵母和基因工程菌大腸桿菌K011兩種菌混合發(fā)酵，最后得到25 g/L乙醇[5]。

通過分析對比楊木原料、蒸汽爆破預(yù)處理后的楊木原料以及菌處理后的楊木原料的不同抽提物含量和主要化學(xué)成分變化，為以楊木為原料制備生物乙醇生產(chǎn)提供指導(dǎo)，并為發(fā)酵后副產(chǎn)物的回收再利用提供依據(jù)，進(jìn)而開發(fā)出高附加值產(chǎn)品，達(dá)到降低生物乙醇制備工藝的成本的目的。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

原料：均采自湖南常德漢壽縣楊木速生基地，9年生的美洲黑楊Populus deltoides，胸徑11.2 m以上。樹高21 m以上，2012年6月采樣分析，2013年12月分析檢測。蒸汽爆破預(yù)處理和菌處理后的楊木由中南林業(yè)科技大學(xué)生物乙醇研究中心提供。

藥品：氫氧化鈉（分析純AR），硝酸（AR），95%乙醇（AR），溴酸鉀（AR），溴化鉀（AR）為國藥集團化學(xué)試劑有限公司；氯化鈉（AR），苯（AR），硫酸（AR），氯化鋇（CP），鹽酸（AR）株洲市星空化玻有限責(zé)任公司；硫代硫酸鈉（AR），碘化鉀（AR），淀粉（AR），酚酞（AR），甲基橙（AR）天津大茂化學(xué)試劑廠。

主要儀器：索氏抽提器，糠醛蒸餾裝置、量筒、燒杯、抽濾瓶、堿式滴定管、砂芯漏斗、容量瓶、具塞錐形瓶（250/500/1 000 mL）、烘箱、干燥器，電爐，PB403-N電子天平，鄭州長城科工貿(mào)有限公司；SHZ-D（III）循環(huán)水式真空泵，鞏義市子華儀器有限責(zé)任公司，高溫爐。

1.2 實驗方法

實驗各項目分析方法均采用木材化學(xué)成分分析國家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行[6]。其中纖維素采用硝酸乙醇法測定；半纖維素采用二溴化法測定；木質(zhì)素采用Klason法測定[7]；氫氧化鈉抽出物含量測定所用的NaOH濃度為0.998 %；苯醇抽提物含量測定所用苯∶乙醇為2∶1；蛋白質(zhì)測定方法采用凱氏定氮法測定。

2 結(jié)果與分析

2.1 抽提物

木材中的抽出物主要為木材中少量的低分子成分，大部分儲存于細(xì)胞間隙與細(xì)胞腔中，木材中所含抽提物的含量與種類因生長立地條件不同而有所差異。一般而言，冷水抽提物包含單寧、色素、生物堿(主要為它的鹽類)，可溶性礦物成分及某些單糖；熱水抽提物除含有上述成分外，還包含有淀粉和果膠質(zhì)；1%NaOH抽提物除包含更多量的熱水抽提物的各種成分外，還含有蛋白質(zhì)、氨基酸、部分半纖維素、木質(zhì)素的低聚物，以及少量油脂、蠟、樹脂和香精油；苯、乙醇抽提物中，主要有樹脂、蠟、脂肪、香精油、單寧、色素、部分碳水化合物和微量的木質(zhì)素[7]。從表1可以看出原木試樣的抽提物含量和一般闊葉木中所含結(jié)果沒有多大區(qū)別。

如表1所示，經(jīng)過爆破處理后的試樣抽出物含量均高于原木試樣，這說明原木在高溫和稀酸處理下組分發(fā)生了變化，特別是高分子化合物。如圖1，從1%氫氧化鈉抽提物的含量比原木提高了近20個百分點，熱水抽提物是原木的一倍左右可以看出爆破預(yù)處理后半纖維素降解為一些小分子的有機物。而在菌處理的楊木中NaOH抽提物高達(dá)到59.7%，這說明細(xì)菌將木材中大分子有機物分解成低聚物，因此NaOH抽提物也可以作為判斷木材是否腐朽的一個重要指標(biāo)。

圖1 1%NaOH抽提物和熱水抽提物在不同試樣中的含量Fig.1 Contents of 1%NaOH extractives and hot water extractives in different wood samples

從表1可以看出，對菌處理后的試樣各抽出物含量均大于其他兩項，這是因為菌處理使得大部分纖維素轉(zhuǎn)化為乙醇和分解殘留的小分子。菌處理后的木材的抽出物除原木中所含的少量成分外，有木材中的高分子降解后的低聚物，也有菌種在對木材作用后產(chǎn)生的代謝低分子產(chǎn)物以及部分培養(yǎng)菌種所必須的培養(yǎng)基溶液，使1%氫氧化鈉抽提物的含量又提高了近20多個百分點。

2.2 灰 分

灰分是樹木生長不可缺少的營養(yǎng)成分，原木試樣中的灰分為0.66%，屬于闊葉材中灰分一般的樹種，經(jīng)爆破處理后，部分可溶性鉀、鈉鹽灰分溶解在水中，剩下不溶的鈣、鎂鹽類，所以這時的灰分有所降低。菌處理屬于生物反應(yīng)工程，灰分的存在對其會有一定的影響，控制一個適宜的環(huán)境對于反應(yīng)過程至關(guān)重要。所以菌處理后的灰分又所增加，這是菌種在進(jìn)行反應(yīng)過程中產(chǎn)生了代謝產(chǎn)物以及加入了適宜菌種生存的培養(yǎng)基溶液造成的。

表1 不同處理的楊木原料化學(xué)成分及組成的變化Table 1 Changes of poplar wood chemical constituents and composition with different treatments

2.3 半纖維素與纖維素

木材細(xì)胞壁主要是由纖維素、半纖維素、木質(zhì)素組成。纖維素和半纖維素是可供生物乙醇發(fā)酵的主要成分。蒸汽爆破預(yù)處理利用木材細(xì)胞壁組分在165 ℃會發(fā)生熱解的原理，從而在高溫高壓酸性環(huán)境下加速這種熱解反應(yīng)，將部分纖維素和大部分半纖維素水解為五碳糖和六碳糖。

如圖2對比蒸汽爆破前后的半纖維素含量和熱水抽提物含量，我們可以看出木材在酸性水蒸氣的條件下，經(jīng)過高溫高壓（3 MPa、200 oC以上）處理使得原細(xì)胞壁被破壞，半纖維素基本被熱水解，這就使得1% NaOH溶液和苯醇抽提物含量均比原木抽提物顯著提高。蒸汽爆破將大量半纖維素水解為較小單元對后期菌處理有所貢獻(xiàn)，在較大改變木材原結(jié)構(gòu)的同時對纖維素的水解貢獻(xiàn)大，適宜作為生物乙醇生產(chǎn)的預(yù)處理步驟。而經(jīng)過菌處理后，木材的纖維素基本被酶水解，故抽提物含量也大大增加。

纖維素的含量在經(jīng)過蒸汽爆破處理后略有提高，這是由于蒸汽爆破將大部分半纖維水解并流失到溶液中，使得原料的質(zhì)量減少而導(dǎo)致纖維素有所提高；而經(jīng)菌處理后的試樣纖維素含量顯著降低而半纖維素基本沒有減少，說明混合纖維素酶主要酶解的是纖維素。同時，由于隨著纖維素酶解含量的降低使得基數(shù)變小，導(dǎo)致了酸不溶木素含量的增加。

圖2 纖維素和半纖維素在不同樣品中的含量Fig.2 Contents of cellulose and hemicellulose in different wood samples

2.4 木 素

木質(zhì)素是由苯丙烷單元通過醚鍵和碳碳鍵連接而成的聚酚類三維網(wǎng)狀高分子芳香族化合物[9]，由于其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，分子大，很難進(jìn)入到細(xì)胞內(nèi)部供微生物吸收利用，因此木質(zhì)素對生物乙醇的生產(chǎn)是沒有貢獻(xiàn)的。由圖3數(shù)據(jù)可知，無論是蒸汽爆破預(yù)處理還是菌處理對木質(zhì)素總量的影響都不大。而最后經(jīng)過細(xì)菌處理的剩余產(chǎn)物中的主要成分為木質(zhì)素，由此可知，如何高效合理的利用菌處理后的木質(zhì)素是回收再利用生物乙醇發(fā)酵剩余產(chǎn)物的關(guān)鍵。

圖3 木質(zhì)素在不同樣品中的含量Fig. 3 Contents of lignin and protein in different wood samples

2.5 蛋白質(zhì)

綠色植物是獲取蛋白質(zhì)最經(jīng)濟途徑之一。一般是通過樹葉中獲取，而植物樹干材中的蛋白質(zhì)含量并不高。由表1數(shù)據(jù)得知，原木材和經(jīng)爆破處理后木材其蛋白質(zhì)含量都在萬分之幾。經(jīng)過菌處理后蛋白質(zhì)含量略有所增加達(dá)到0.274%。為植物蛋白飼料資源開發(fā)提供一些依據(jù)，使之得到更好利用與控制。

3 結(jié) 論

（1）實驗過程中，冷水、熱水、1%NaOH、苯醇抽提物的含量：菌處理的樣品最＞蒸汽爆破處理后的樣品＞原木樣品。酸不溶木素的含量為：菌處理的樣品＞蒸汽爆破處理后的樣品＞原木樣品。纖維素含量：蒸汽爆破處理后的樣品＞原木樣品＞菌處理樣品。半纖維素的含量：原木樣品＞菌處理樣品＞蒸汽爆破處理后的樣品。蛋白質(zhì)含量：菌處理樣品＞蒸汽爆破處理后的樣品＞原木樣品。

（2）蒸汽爆破處理極大的改變了楊木本身的結(jié)構(gòu)與化學(xué)構(gòu)成，在保持纖維素基本不變的前提下水解了絕大多數(shù)的半纖維素，變相的提高了樣品中纖維素的含量。采用爆破方式可以使木材的結(jié)構(gòu)更為疏松，較低的分子量易于進(jìn)行后期的生物反應(yīng)，是生物乙醇發(fā)酵技術(shù)一種優(yōu)良的預(yù)處理方法。

（3） 生物乙醇發(fā)酵剩余物中的主要成分為木質(zhì)素，其它二個樣品成分主要為纖維素與半纖維素，相比較造紙堿液剩余木質(zhì)素，發(fā)酵剩余木質(zhì)素結(jié)構(gòu)較為完整，生物親和性也更高，適宜作為生物材料加以利用的原料，從而降低生物乙醇的生產(chǎn)成本。

[1] 世界能源展望2011 執(zhí)行摘要. www.worldenergyoutlook.org,2011.

[2] 趙文慧. 固態(tài)發(fā)酵生產(chǎn)纖維素酶及纖維原料酶法糖化的研究[D]. 杭州:浙江大學(xué), 2002 .

[3] Kim TH, Lee YY. Pretreatment of corn stover by soaking in aqueous ammonia at moderate temperatures [J]. Applied Biochemistry and Biotechnology, 2007,137:81-92.

[4] Shen Y, Zhang Y, Ma T, et al. Simultaneous saccharif i cation and fermentation of acid-pretreated corncobs with a recombinant Saccharomyces cerevisiae expressing [beta]-glucosidase [J].Bioresource Technology, 2008,99(11):5099-5103.

[5] 王璀璨.混合纖維素酶水解楊木及多菌種共發(fā)酵制備燃料乙醇[D].長沙:中南林業(yè)科技大學(xué),2010.

[6] 劉書釵.紙漿造紙分析與檢測[M].北京: 化學(xué)工業(yè)出版社,2004: 10-40．

[7] 黃干強,張 曾.改良(OX-Dem)卡伯值:更加準(zhǔn)確估計紙漿中殘余木素的含量[J].造紙科學(xué)與技術(shù), 2002,21(2):10-12.

[8] 陳茜文.湖南主要樹種木材的化學(xué)成分分析[J].中南林學(xué)院學(xué)報,1995,15(2):191-194.

[9] 蔣挺大.木質(zhì)素（第二版）[M].北京: 化學(xué)工業(yè)出版社,2008. 1-2．

[10] 劉書釵.紙漿造紙分析與檢測[M].北京: 化學(xué)工業(yè)出版社,2004. 10-40.

Analysis on chemical components changes in preparation process of cellulosic ethanol from poplar wood

YAN Xing-wei, CUI Lin, ZHANG Lin, WANG Fang, CHEN Qian-wen
(School of Materials Science and Engineering, Central South University of Forestry and Technology, Changsha 410004, Hunan, China)

Poplar is an important fast-growing species in China. The preparation of bio-ethanol with poplar wood as the raw material is a new attempt to solve today’s energy problems. After steam-exploded pretreatment and then bacteria treatment to the poplar wood raw materials, the materials’ chemical composition and properties were measured and analyzed. Through contrasting the changes of the materials’ chemical composition(cellulose, lignin, hemicelluloses, extracts, ash and protein), the mechanism of chemical change of the tested materials in the bioethanol production process prepared from poplar wood was studied, the surplus product contained 64.07%lignin, 6.78% cellulose and 6.88% hemicellulose. The results provide a theoretical basis for guiding the preparation of poplar wood cellulosic ethanol production, and the subsequent recycling of fermentation by-products.

poplar; Populus deltoids; chemical composition; bio-ethanol; steam explosion

S792.11

A

1673-923X(2015)02-0119-04

10.14067/j.cnki.1673-923x.2015.02.023

http: //qks.csuft.edu.cn

2014-05-28

國家林業(yè)局引進(jìn)國際先進(jìn)林業(yè)科學(xué)技術(shù)項目（2012-4-10）；湖南省科學(xué)技術(shù)廳科技計劃重點項目（2014WK2027）

閆興偉，碩士研究生 通訊作者：陳茜文，碩士生導(dǎo)師，教授；E-mail：cqwcsfu@126.com

閆興偉,崔 琳. 楊木制備纖維乙醇過程中化學(xué)成分變化的分析[J].中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報，2015,35(2):119-122.

[本文編校：文鳳鳴]