麥草熱水預(yù)水解過程產(chǎn)物分析及木糖生成模型

馬 浩 吉興香,,* 田中建,3 房桂干 陳嘉川

(1.齊魯工業(yè)大學(xué)制漿造紙科學(xué)與技術(shù)教育部重點實驗室，山東濟(jì)南，250353；2.中國林業(yè)科學(xué)研究院林產(chǎn)化學(xué)工業(yè)研究所，江蘇南京，210042；3.廣西大學(xué)，廣西南寧，530004)

·麥草熱水預(yù)水解·

麥草熱水預(yù)水解過程產(chǎn)物分析及木糖生成模型

馬 浩1吉興香1,2,*田中建1,3房桂干2陳嘉川1

(1.齊魯工業(yè)大學(xué)制漿造紙科學(xué)與技術(shù)教育部重點實驗室，山東濟(jì)南，250353；2.中國林業(yè)科學(xué)研究院林產(chǎn)化學(xué)工業(yè)研究所，江蘇南京，210042；3.廣西大學(xué)，廣西南寧，530004)

為了探究麥草熱水預(yù)水解過程中產(chǎn)物的生成變化規(guī)律，分別采用離子色譜和高效液相色譜檢測預(yù)水解液中糖類(阿拉伯糖、半乳糖、葡萄糖和木糖)和發(fā)酵抑制物(甲酸、乙酸、5-羥甲基糠醛和糠醛)的含量，分析了單因素實驗中糖類和發(fā)酵抑制物的生成變化規(guī)律；同時采用響應(yīng)面法對影響麥草熱水預(yù)水解液中木糖生成的固液比、水解溫度和水解時間進(jìn)行了優(yōu)化研究，建立了木糖生成量的二次多項式數(shù)學(xué)模型。結(jié)果表明，在固液比1∶11.67、水解時間57.76 min和水解溫度173.96℃的條件下，木糖的生成量達(dá)到最高，為83.91 mg/g麥草。

熱水預(yù)水解；麥草秸稈；木糖；響應(yīng)面；發(fā)酵抑制物

農(nóng)業(yè)秸稈是一種重要的可再生資源，我國年產(chǎn)量超過8億t。隨著化石能源的日益枯竭，從農(nóng)業(yè)秸稈等可再生資源轉(zhuǎn)化獲得新材料、熱值能源和化工原料等已成為一種重要的發(fā)展新趨勢，將秸稈等生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為清潔燃料、化工原料、功能性甜味劑等是21世紀(jì)的重要研究課題。組成秸稈的纖維素、半纖維素和木素3大組分中，半纖維素因結(jié)構(gòu)復(fù)雜多樣、分離純化困難，迄今為止利用率最低。因此，全面透徹地研究、最大限度地開發(fā)和利用半纖維素是實現(xiàn)農(nóng)業(yè)秸稈綜合利用的重要途徑。

預(yù)水解指在傳統(tǒng)制漿工藝前對植物纖維原料進(jìn)行水解處理，預(yù)水解的方法有酸預(yù)水解、堿預(yù)水解、熱水預(yù)水解和飽和蒸汽預(yù)水解等[1-3]。與無機稀酸水解相比，熱水預(yù)水解更具環(huán)保和成本優(yōu)勢[4- 6]。熱水預(yù)水解即自催化預(yù)處理，在高溫?zé)崴邪肜w維素因乙?；到獬傻囊宜岫呋陨斫到狻０肜w維素上乙?；拇罅棵摮纬梢宜?，會導(dǎo)致預(yù)水解液pH值迅速降低[7]，大量聚糖降解為單糖，單糖又進(jìn)一步降解為糠醛等產(chǎn)物，使單糖及低聚糖得率降低[8]。由于乙酸酸性較弱，半纖維素脫出率較低，需提高熱水預(yù)水解的溫度和延長水解時間進(jìn)行改善[9]。隨著反應(yīng)的進(jìn)行，水解的各成分還會進(jìn)一步的變化。這些水解液中的各組分最終含量隨著水解溫度和時間的變化而相差較大。水解液中發(fā)酵抑制物的化學(xué)物質(zhì)主要有3大類[10]：一是弱酸類，主要是甲酸、乙酸、乙酰丙酸等，乙酸由半纖維素上的乙酰脫除生成，甲酸和乙酰丙酸是由5-羥甲基糠醛(5-HMF)降解產(chǎn)生，同時在酸性環(huán)境下部分甲酸可由糠醛降解生成；二是呋喃醛類，主要是糠醛和羥甲基糠醛，分別是在酸性條件下由戊糖和己糖降解產(chǎn)生；三是酚類化合物，主要由木素降解形成。

作為堿法生產(chǎn)精制漿和生物酒精的預(yù)處理方法之一，植物纖維原料熱水預(yù)水解的研究在國內(nèi)外也有許多文章發(fā)表[11-13]。因此人們對熱水預(yù)水解去除半纖維素的工藝規(guī)律已有較清楚的認(rèn)識。但對熱水預(yù)水解過程中產(chǎn)生的多種二次降解物的產(chǎn)生規(guī)律及其發(fā)酵抑制作用規(guī)律的研究尚不夠。本課題探究了麥草熱水預(yù)水解過程中糖類(阿拉伯糖、半乳糖、葡萄糖和木糖)和發(fā)酵抑制物(甲酸、乙酸、5-HMF)的生成規(guī)律，同時建立了木糖生成的二次多項式數(shù)學(xué)模型，為麥草水解液的后續(xù)應(yīng)用提供技術(shù)和理論依據(jù)。

1 實 驗

1.1 原料

麥草秸稈取自山東泉林紙業(yè)有限責(zé)任公司，含有少量的麥草葉。麥草中纖維素、半纖維素、木素、苯-醇抽出物和灰分分別按照ASTM-D 1106- 84、ASTM-D 1107- 84、ASTM-D 1110- 84、ASTM-E 1721-95、ASTM-E 1756-95進(jìn)行測定，結(jié)果見表1。

表1 麥草化學(xué)成分 %

1.2 實驗設(shè)計

1.2.1 發(fā)酵抑制物生成的單因素實驗

本實驗選擇了水解溫度和水解時間2個因素對原料熱水預(yù)水解過程中糖類和發(fā)酵抑制物的生成規(guī)律做單因素實驗，在固液比1∶12的條件下各因素的變化范圍為：水解溫度160～180℃；水解時間30～150 min。

1.2.2 響應(yīng)面分析法的因素與水平

綜合考慮因素之間可能存在的交互作用，參考之前的實驗，設(shè)計水解溫度165～185℃，固液比1∶8～1∶16，水解時間30～90 min，采用Box-Behnken Design(BBD)設(shè)計模塊進(jìn)行響應(yīng)面分析實驗，各因素與水平見表2。

表2 響應(yīng)面分析法的因素與水平表

1.3 檢測方法

1.3.1 單糖的檢測

水解液經(jīng)過酸解后，采用ICS-5000型離子色譜儀測定酸解液中單糖含量。色譜條件：分析柱為CarboPacPA20(3 mm×150 mm)，保護(hù)柱為CarboPac PA20(3 mm×30 mm)；EC檢測器(Au為工作電極，Ag/AgCl為參比電極)；進(jìn)樣量25 μL；柱溫30℃；流動相為250 mm/L NaOH和蒸餾水梯度淋洗，流速為0.4 mL/min。

酸水解方法[14]為：取5 mL樣品放入耐壓瓶中，加入174 μL、質(zhì)量分?jǐn)?shù)為72%的H2SO4溶液，保證其處于質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%的H2SO4環(huán)境中，將耐壓瓶密封后放入121℃環(huán)境下反應(yīng)60 min。

1.3.2 發(fā)酵抑制物的檢測

水解液中碳水化合物降解產(chǎn)生的發(fā)酵抑制物如甲酸、乙酸、糠醛和5-HMF使用高效液相色譜儀進(jìn)行檢測[15]，紫外-可見檢測器(SPD-20A)的檢測波長為210 nm，Waters C18(4.6×150 mm，5 μm)型分離柱，柱溫30℃，0.1% H3PO4作為淋洗液，淋洗速度為0.5 mL/min。

1.4 水解液中各種物質(zhì)含量計算

為了更好地表征麥草秸稈熱水預(yù)水解液中各種糖以及發(fā)酵抑制物含量與麥草秸稈原料之間的關(guān)系，糖類和發(fā)酵抑制物采用每克麥草的生成量來比較，單位mg/g，其中糖類的生成量以二次酸水解后的單糖的量來表示。

其計算式為式(1)。

糖類或抑制物生成量=Cx·K

(1)

式中，Cx為測得水解液中糖類或抑制物的濃度；K為麥草熱水預(yù)水解的液固比。

2 結(jié)果與討論

2.1 水解過程中糖類與發(fā)酵抑制物生成的分析

本實驗中用離子色譜和液相色譜對實驗條件為水解溫度和水解時間單因素實驗中糖類和發(fā)酵抑制物的生成規(guī)律進(jìn)行了探究，實驗條件為固液比1∶12，水解溫度160～180℃，水解時間30～150 min。

分別通過離子色譜和高效液相色譜檢測水解時間60 min、固液比1∶12、水解溫度160～180℃的水解液中阿拉伯糖、半乳糖、葡萄糖、木糖、甘露糖和甲酸、乙酸、5-HMF、糠醛的含量，結(jié)果如圖1、圖2所示。從圖1中可以看出，阿拉伯糖、半乳糖、葡萄糖含量遠(yuǎn)小于木糖的含量，而沒有檢測到甘露糖的存在。其中阿拉伯糖和葡萄糖的含量隨著水解溫度的升高逐漸降低，半乳糖的含量基本不隨水解溫度的升高而變化。這與木糖在170℃時達(dá)到最大值不同，這可能是因為阿拉伯糖、半乳糖在半纖維素的支鏈上[16]，并且含量較低，位阻效應(yīng)低，水解過程在較低溫度下已大部分水解，隨著水解溫度的升高降解速率加快，導(dǎo)致阿拉伯糖的生成量隨著溫度的升高而較低，而半乳糖相對穩(wěn)定，不易降解，所以含量沒有太大變化，葡萄糖主要來源于纖維素的部分水解。

同時甲酸、乙酸、5-HMF和糠醛的生成量都會

圖1 水解過程中水解溫度對糖類生成的影響

圖2 水解過程中溫度對發(fā)酵抑制物生成的影響

隨著水解溫度的升高逐漸升高。其中乙酸的生成量與水解時間基本呈線性關(guān)系，因為乙酸主要是由半纖維素脫乙酰降解生成的，說明水解溫度的升高可以促進(jìn)半纖維素的降解?？啡┑纳闪侩S著水解溫度的升高大幅升高，而糠醛主要由酸性條件下戊糖降解生成的，說明隨著水解溫度的升高，戊糖的降解速度快速增大，糠醛生成量的增加速度在溫度較低的情況下小于乙酸的增加速度，而在170℃之后增加速度大于乙酸的增加速度，說明170℃之后半纖維素的降解速度大于戊糖的生成速度，這與木糖的生成量在170℃之后開始下降相一致。己糖降解會產(chǎn)生5-HMF，而5-HMF繼續(xù)降解會產(chǎn)生甲酸，圖2中甲酸和5-HMF的生成量隨著溫度的升高小幅增加，這與葡萄糖的含量隨著溫度的升高下降相一致。

分別通過離子色譜和高效液相色譜檢測水解時間30～150 min、固液比1∶12、水解溫度170℃的水解液中阿拉伯糖、半乳糖、木糖、葡萄糖、甘露糖和甲酸、乙酸、5-HMF、糠醛的含量，結(jié)果如圖3、圖4所示。從圖3中可以看出，阿拉伯糖的含量隨著水解時間的延長逐漸降低，說明阿拉伯糖在短時間內(nèi)大部分水解后逐漸降解成其他物質(zhì)，而葡萄糖和半乳糖的生成量基本不變。

對發(fā)酵抑制物的檢測可知，甲酸與5-HMF的生成量隨著水解時間的延長沒有明顯變化，說明甲酸和

圖3 水解過程中水解時間對糖類生成的影響

圖4 水解過程中水解時間對發(fā)酵抑制物生成的影響

5-HMF在水解前期就已經(jīng)生成，這與己糖生成量沒有隨時間延長再增加相一致。而乙酸和糠醛的生成量隨著水解時間的延長逐漸升高，說明在整個水解過程中半纖維素一直發(fā)生降解，而木糖的生成量在60 min之后開始降低，這可能是因為隨著水解時間的延長，水解液中乙酸的濃度逐漸升高，水解液的pH值逐漸降低，導(dǎo)致木糖的降解速度大于半纖維素水解產(chǎn)生木糖的速度，導(dǎo)致木糖的生成量減小。圖4中糠醛的生成量隨著水解時間的延長生成速度逐漸增大亦能說明這個問題。

2.2 木糖生成模型的建立與顯著性檢驗

響應(yīng)面實驗方案及實驗響應(yīng)值結(jié)果見表3。

表3 響應(yīng)面實驗方案及實驗響應(yīng)值結(jié)果

圖5 熱水預(yù)水解的響應(yīng)面和等高線圖

利用Design Expert軟件對表3數(shù)據(jù)進(jìn)行多元回歸擬合，獲得響應(yīng)值木糖回收率R對影響木糖生成量的關(guān)鍵因素為固液比A、水解時間B和水解溫度C的二次多項式回歸模型為：

R=8758.49397+24.43447×A+639.73856×B+96.49827×C+3.77193×A×B+0.017864×A×C-3.20053×B×C-1.33575×A2-65.99398×B2-0.26915×C2

對模型進(jìn)行方差分析及回歸系數(shù)顯著性檢驗，結(jié)果見表4。

表4 方差分析

二次響應(yīng)面模型的方差分析結(jié)果見表4，顯示回歸模型顯著(P<0.0001)，失擬項不顯著(P=0.7846)，表明模型的擬合性較好。從表4還可以看出，一次項中C因素對實驗結(jié)果影響最顯著，B因素次之(P<0.05)，因素A的影響最小(P>0.05)。交互項中BC(P<0.0001)交互作用的影響極顯著，AB(P=0.0063)影響較明顯，AC(P=0.7260)影響不明顯。此結(jié)果表明，水解溫度對麥草熱水預(yù)水解產(chǎn)生木糖主效應(yīng)明顯，而水解溫度、水解時間對木糖生成量有交互作用的影響，依據(jù)系數(shù)估計值A(chǔ)=67.34、B=100.20和C=381.18可知，影響因子的主效應(yīng)主次順序為：水解溫度>水解時間>固液比?；貧w模型的R2=0.9877表明，98.77%的響應(yīng)值變化都可以由此模型來解釋，故此模型在一定條件下可用來估計不同實驗條件下麥草熱水預(yù)水解過程中木糖的生成情況。

2.3 模型驗證

基于Design-Expert 軟件的優(yōu)化功能獲得最優(yōu)水解條件，木糖生成量最大預(yù)測值為83.91 mg/g，此時3個關(guān)鍵因素的取值為：固液比1∶11.67、水解時間57.76 min和水解溫度173.93℃。

為了驗證木糖生成模型的有效性，在固液比1∶11.67、水解時間57.76 min和水解溫度173.93℃條件下進(jìn)行了5組模型驗證實驗，其結(jié)果見表5。

表5 回歸模型的驗證實驗

由表5可知，木糖生成的預(yù)測值與實際值相近，相對誤差均在2%以下，表明應(yīng)用響應(yīng)面法優(yōu)化麥草熱水預(yù)水解過程中木糖生成條件的關(guān)鍵因子是可行的。

3 結(jié) 論

本研究通過離子色譜和高效液相色譜檢測麥草熱水預(yù)水解液中(阿拉伯糖、半乳糖、葡萄糖和木糖)和發(fā)酵抑制物(甲酸、乙酸、5-羥甲基糠醛和糠醛)的含量，分析了糖類和發(fā)酵抑制物生成規(guī)律。并采用響應(yīng)面法對影響麥草熱水預(yù)水解液中木糖生成的固液比、水解溫度和水解時間進(jìn)行了優(yōu)化研究，建立了木糖生成模型。

3.1 熱水預(yù)水解過程中，隨著水解溫度(160～180℃)的升高，阿拉伯糖和葡萄糖的生成量降低，半乳糖的生成量不變，木糖生成量先升高再降低，所有發(fā)酵抑制物的生成量都會升高。隨著水解時間(30～60 min)的延長，阿拉伯糖的生成量降低，葡萄糖和半乳糖的生成量基本不變，木糖的生成量先升高后降低，發(fā)酵抑制物中乙酸和糠醛的生成量升高，甲酸和5-羥甲基糠醛的生成量基本不變。

3.2 在固液比1∶11.67、水解時間57.76 min和水解溫度173.93℃的實驗條件下，木糖生成量為83.91 mg/g麥草。采用響應(yīng)面法建立的木糖生成模型可有效預(yù)測木糖生成量。

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(責(zé)任編輯：劉振華)

Analysis of the Products Wheat Straw Autohydrolysis and the Model of Xylose Generation

MA Hao1JI Xing-xiang1,2,*TIAN Zhong-jian1,3FANG Gui-gan2CHEN Jia-chuan1

(1.KeyLabofPulpandPaperScience&Technology,MinistryofEducation,QiluUniversityofTechnology,Ji’nan,ShandongProvince, 250353; 2.InstituteofChemicalIndustryofForestryProducts,Nanjing,JiangsuProvince, 210042;>3.GuangxiUniversity,Nanning,GuangxiZhuangAutonomousRegion, 530004)

(*E-mail: xxjt78@163.com)

In order to explore the product change in the process of wheat strawautohydrolysis, Ion chromatography and high performance liquid chromatography (HPLC) were used to detect sugars(arabinose, galactose, glucose and xylose) and fermentation inhibitors (formic acid, acetic acid, 5-HMF and furfural) in the hydrolysate, the change rules of sugars and fermentation inhibitors in the single factor experiment were analyzed. Liquid ratio，temperature and time parameters which impact on xylose generation in the auto-hydrolysate were researched through the response surfaceanalysis.And mathematical model of quadratic polynomial of xylose generation was established. The results showed that under the optimum conditions (liquid ratio 1∶11.67, time 57.76 min and temperature 173.93℃), the xyloseextraction efficiencyof wheatgrass was the highest, reached to 83.91 mg/g.

autohydrolysis; wheat straw; xylose; response surface; fermentation inhibitor

馬 浩先生，在讀碩士研究生；研究方向：制漿造紙綠色化學(xué)技術(shù)與生物質(zhì)資源化利用。

2016- 11- 13(修改稿)

山東省科技發(fā)展計劃(2014GNC113002)；山東省自主創(chuàng)新及成果轉(zhuǎn)化專項(2014ZZCX09101)。

TS245.8；TQ353.6

A

10.11980/j.issn.0254- 508X.2017.03.001

*通信作者：吉興香，博士，教授；研究方向：制漿造紙綠色化學(xué)技術(shù)與生物質(zhì)資源化利用。