桉木熱水預(yù)水解液成分的變化規(guī)律

馬 明 帥， 羅 玉 瓊， 李 海 明

( 大連工業(yè)大學(xué) 輕工與化學(xué)工程學(xué)院, 遼寧 大連 116034 )

0 引 言

木質(zhì)纖維素生物質(zhì)資源由于其可再生性，使其成為一種可持續(xù)利用的資源[1]。木質(zhì)纖維素生物質(zhì)是一種復(fù)雜的材料，主要由纖維素、半纖維素和木素組成[2]，三者之間存在著共價(jià)鍵、氫鍵以及范德華力，因此想要選擇性地利用其中一種生產(chǎn)化學(xué)品或者燃料，需要一定的預(yù)處理技術(shù)將其三者分離。

目前，采用預(yù)處理技術(shù)主要是將木質(zhì)纖維素生物質(zhì)中半纖維素和木素溶解到液相中，同時(shí)得到富含纖維素的固相，應(yīng)盡量避免碳水化合物的深度降解，以利于后續(xù)水解液的水解和發(fā)酵[3]。木質(zhì)纖維素生物質(zhì)的預(yù)處理方法主要包括物理法、物理化學(xué)法、化學(xué)法以及生物法?；瘜W(xué)預(yù)處理方法有臭氧分解、酸水解、堿水解、氧化脫木素以及有機(jī)溶劑法等[4]。作為一種新興的預(yù)處理技術(shù)——熱水預(yù)水解技術(shù)，以水作為預(yù)處理的介質(zhì)和載體，與酸法、堿法和有機(jī)溶劑法相比，具有環(huán)保、操作成本低以及安全的特點(diǎn)，使其得到了廣泛的應(yīng)用。李萍萍等[5]在150～180 ℃、0～180 min條件下研究松木在熱水預(yù)水解過(guò)程中碳水化合物的變化規(guī)律，在熱水預(yù)水解過(guò)程中，松木中各種聚糖的溶出速度不一，預(yù)水解過(guò)程只有部分半纖維素被降解，大量半纖維素還將依賴后續(xù)蒸煮和漂白過(guò)程予以除去，同時(shí)預(yù)水解液中也會(huì)存在糠醛和羥甲基糠醛等發(fā)酵抑制物。Vallejos等[1]在160～180 ℃、0～240 min下對(duì)蔗渣進(jìn)行熱水預(yù)水解研究，發(fā)現(xiàn)木糖是預(yù)水解液的主要成分，另外預(yù)水解液中也會(huì)存在糖類深度降解產(chǎn)物——甲酸、乙酸以及糠醛和羥甲基糠醛。由此說(shuō)明，在熱水預(yù)水解過(guò)程中，不可避免地會(huì)造成糖類物質(zhì)深度降解。

桉木是一種速生闊葉材，在我國(guó)資源豐富[6]。通過(guò)熱水預(yù)水解技術(shù)，分離桉木中的半纖維素，將為桉木綜合利用生物質(zhì)平臺(tái)的搭建奠定基礎(chǔ)，意義重大。同時(shí)，為了更好地探究桉木在熱水預(yù)水解過(guò)程中各大組分變化規(guī)律，本實(shí)驗(yàn)以桉木為原料，采用熱水預(yù)水解的方法，對(duì)不同預(yù)處理?xiàng)l件下所得預(yù)水解液中的各種糖、酸溶木素和糠醛類物質(zhì)等進(jìn)行了詳盡研究，以期能夠?yàn)榭刂铺妓衔锏纳疃冉到鈱ふ页鲞m宜的預(yù)水解技術(shù)。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 原料、試劑與儀器

原料：桉木片,山東華泰紙業(yè)股份有限公司。磨粉，取40～60目木粉作為實(shí)驗(yàn)原料。

試劑： D-木糖、D-甘露糖、D-葡萄糖、L-阿拉伯糖、D-半乳糖(質(zhì)量分?jǐn)?shù)≥97.0%)，色譜級(jí)，Sigma-Aldrich公司；固體乙酸鈉(質(zhì)量分?jǐn)?shù)≥99.9%)，AAA-Direct Certified，美國(guó)Dionex公司；氫氧化鈉溶液(質(zhì)量分?jǐn)?shù)50%～52%)，F(xiàn)luka公司；超純水(電阻率≥18.2 MΩ·cm)。

儀器：離子色譜儀，ICS-5000型，美國(guó)戴安公司；超純水發(fā)生器，EASY50，上海Heal Force公司；紫外-可見(jiàn)分光光度計(jì)，CARY 300，美國(guó)瓦里安公司；智能恒溫油浴鍋，ZKYY，鞏義市予華儀器有限責(zé)任公司；高速離心機(jī)，H1850，湖南湘儀實(shí)驗(yàn)室儀器開(kāi)發(fā)有限公司；微型植物粉碎機(jī)，F(xiàn)Z102，天津泰斯特儀器有限公司；pH計(jì)，STARTER3100，上海奧豪斯儀器有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 桉木原料分析

原料分析按參考文獻(xiàn)[7]方法進(jìn)行，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 原料組成分析結(jié)果Tab.1 Results of raw material analysis %

1.2.2 桉木原料中糖類組分分析

稱取桉木粉0.200 0 g置于150 mL錐形瓶中，加入72% H2SO43 mL，混合均勻，18～20 ℃每隔5～10 min搖晃一次，反應(yīng)2 h后加入47 mL 去離子水，密封并放入油浴鍋中，在121 ℃下加熱水解1 h。水解結(jié)束后，取出樣品冷卻至室溫，過(guò)濾，加入NaOH溶液調(diào)節(jié)水解液至中性，用0.45 μm 濾膜過(guò)濾，稀釋至合適濃度后采用離子色譜進(jìn)樣檢測(cè)。

1.2.3 熱水預(yù)水解液制備及其酸解

熱水預(yù)水解液制備：絕干木粉10 g，液比5∶1，放入小罐中，加蓋密封，油浴升溫。改變預(yù)處理溫度(150、170和190 ℃)和保溫時(shí)間(0、20、40、60、80、100和120 min)，進(jìn)行預(yù)水解實(shí)驗(yàn)。結(jié)束后取出小罐，冷卻。過(guò)濾預(yù)水解液，再離心處理，并用0.45 μm濾膜過(guò)濾，得到待測(cè)預(yù)水解液。

預(yù)水解液酸解：取2 mL預(yù)水解液，加入4% H2SO418 mL，121 ℃酸水解1 h，用0.45 μm濾膜過(guò)濾得預(yù)水解液酸水解液。

1.2.4 桉木原料及預(yù)水解液中糖類組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)測(cè)定

采用PA20糖分離柱[8]，淋洗液體積流量為0.5 mL/min。淋洗程序如表2所示[9]。

表2 單糖檢測(cè)程序Tab.2 Procedure for monose measurement

1.2.5 預(yù)水解液中酸溶木素質(zhì)量分?jǐn)?shù)測(cè)定

在熱水預(yù)水解過(guò)程中，木片中半纖維素的乙?；吞侨┧峄冉?jīng)水解形成乙酸、糖醛酸和糠醛等酸性物質(zhì)，從而降低溶液pH，同時(shí)在酸性條件下，部分木素也溶出到提取液中[10]。測(cè)定預(yù)水解液的pH，并在紫外分光光度計(jì)205 nm處測(cè)定預(yù)水解液中酸溶木素，根據(jù)原料分析中酸溶木素質(zhì)量分?jǐn)?shù)的計(jì)算方法來(lái)計(jì)算預(yù)水解液中的木素質(zhì)量分?jǐn)?shù)，研究酸溶木素與pH之間的關(guān)系。

1.2.6 糠醛類物質(zhì)質(zhì)量濃度測(cè)定

預(yù)水解液中糠醛和羥甲基糠醛含量采用紫外光譜法測(cè)定[11]。采用三波長(zhǎng)法，以蒸餾水作參比，分別在波長(zhǎng)272、276和325 nm處測(cè)定其吸光度(A)。根據(jù)吸光度和計(jì)算公式得出糠醛和羥甲基糠醛的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

(1)

ρ(HMF)=cM(HMF)R=

(2)

式中：ρ(F)、ρ(HMF)分別為樣品中糠醛和羥甲基糠醛的質(zhì)量濃度，g/L；M(F)和M(HMF)分別為糠醛和羥甲基糠醛的摩爾質(zhì)量，g/mol，R為樣品的稀釋倍數(shù)，c為糠醛或者羥甲基糠醛稀釋后的濃度，mol/L。

2 結(jié)果與討論

2.1 桉木原料半纖維素組分分析

原料經(jīng)酸水解后，其中半纖維素完全轉(zhuǎn)變?yōu)閱翁?，分別為鼠李糖、阿拉伯糖、半乳糖、葡萄糖、木糖、甘露糖等，經(jīng)離子色譜檢測(cè)，可以得到半纖維素中各種單糖組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)(葡萄糖除外)。檢測(cè)結(jié)果如表3所示。由表3可知，半纖維素中含量最多的組分為木糖，因此用木糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)來(lái)近似表征原料中半纖維素質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

表3 原料中半纖維素的單糖組成Tab.3 Contents of hemicellulosic monose in raw material

2.2 預(yù)水解過(guò)程中各糖溶出規(guī)律

圖1為不同預(yù)水解條件下所得預(yù)水解液中不同類型糖類質(zhì)量濃度變化規(guī)律圖。圖中的糖質(zhì)量濃度為預(yù)水解液中以單糖形式和寡糖形式存在的某種類型糖類物質(zhì)的總質(zhì)量濃度。

(a) θ=150 ℃

由圖1(a)可知，在保溫溫度150 ℃時(shí)，所得熱水預(yù)水解液中各糖質(zhì)量濃度變化規(guī)律為：隨著保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，各糖含量整體上呈現(xiàn)出增加的趨勢(shì)。在低保溫溫度下，預(yù)水解液中半乳糖和阿拉伯糖含量較多，而木糖含量較少，說(shuō)明阿拉伯糖和半乳糖較木糖易溶出，在較低溫度下即可溶出。

由圖1(b)可知，在170 ℃下，隨著保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，預(yù)水解液中各糖含量整體上呈增加趨勢(shì)。預(yù)水解液中木糖含量均大于預(yù)水解液中其他糖量，并且遠(yuǎn)大于圖1(a)中對(duì)應(yīng)保溫時(shí)間下木糖含量，說(shuō)明升高保溫溫度會(huì)促進(jìn)半纖維素的水解，尤其是促進(jìn)聚木糖的水解。

由圖1(c)可知，在190 ℃保溫40～60 min，阿拉伯糖、半乳糖、甘露糖含量增加迅速，分別大于前40 min三者含量增加速度，并均于60 min獲得最大含量(甘露糖除外，其在80 min取得最大含量)，與150和170 ℃對(duì)應(yīng)糖含量相比，縮短了到達(dá)最大含量的時(shí)間；后60 min 保溫時(shí)間繼續(xù)延長(zhǎng)，阿拉伯糖和半乳糖含量逐漸下降(甘露糖是在80 min后開(kāi)始下降)，說(shuō)明在高保溫溫度下繼續(xù)延長(zhǎng)保溫時(shí)間會(huì)促進(jìn)其進(jìn)一步降解，產(chǎn)生酸類或者醛類等物質(zhì)[1,6]。當(dāng)保溫時(shí)間在40～60 min時(shí)，預(yù)水解液中木糖含量增加相當(dāng)迅速；60～120 min，隨著保溫時(shí)間的繼續(xù)延長(zhǎng)，其含量增速變緩，這可能是由于繼續(xù)延長(zhǎng)保溫時(shí)間造成木糖發(fā)生降解，致使其增速變慢；可能是易溶出的半纖維素大部分已溶出，剩下是比較難溶出的長(zhǎng)鏈或與纖維素和木素連接緊密的半纖維素 ，相對(duì)溶出比較困難。對(duì)于葡萄糖含量隨著保溫時(shí)間呈現(xiàn)出逐漸增加的趨勢(shì)，說(shuō)明較高的保溫溫度致使纖維素發(fā)生降解溶出。

綜上所述，作為支鏈的阿拉伯糖、半乳糖、甘露糖在低溫下即可溶出，在相對(duì)較高的保溫溫度下，主要以聚木糖的溶出為主，使之成為預(yù)水解液中主要的糖類物質(zhì)，符合預(yù)水解的目的。另外，在預(yù)水解過(guò)程中纖維素也會(huì)發(fā)生一定程度的溶出與水解。由圖1可以得出預(yù)水解液中葡萄糖含量隨預(yù)水解溫度的升高以及保溫時(shí)間的延長(zhǎng)而增加，說(shuō)明纖維素降解較多，尤其是在190 ℃這樣劇烈的預(yù)水解條件下，纖維素降解比較嚴(yán)重，對(duì)固相中纖維素的保留產(chǎn)生不利的影響。因此在預(yù)水解液中木糖含量適當(dāng)時(shí)，應(yīng)盡量縮短保溫時(shí)間，以減少纖維素降解，由此確定最佳預(yù)水解條件：液比5∶1，預(yù)水解溫度190 ℃，保溫時(shí)間60 min。

2.3 預(yù)水解液pH特性分析及非糖物質(zhì)的變化規(guī)律

2.3.1 預(yù)水解液中醛類物質(zhì)質(zhì)量濃度

不同溫度下預(yù)水解液中醛類物質(zhì)質(zhì)量濃度檢測(cè)結(jié)果如表4所示?？啡╊愇镔|(zhì)對(duì)后續(xù)預(yù)水解液發(fā)酵過(guò)程中的酶效具有抑制作用[12]?？啡╊愇镔|(zhì)的來(lái)源為預(yù)水解過(guò)程產(chǎn)生的單糖的深度降解[13]。由表4可知，在190 ℃下，保溫時(shí)間為60 min 時(shí)，就可以檢測(cè)到羥甲基糠醛，較170 ℃提前了40 min，說(shuō)明升高溫度可以縮短羥甲基糠醛生成時(shí)間，進(jìn)一步說(shuō)明升高溫度促進(jìn)了己糖的降解。此外，在相同的預(yù)水解條件下，預(yù)水解液中羥甲基糠醛含量大于糠醛含量。說(shuō)明在設(shè)定的預(yù)水解條件下，己糖轉(zhuǎn)化為羥甲基糠醛的反應(yīng)是預(yù)水解液中醛類物質(zhì)產(chǎn)生的主要原因，而戊糖向糠醛的轉(zhuǎn)化率相對(duì)較低[14]。

表4 預(yù)水解液中糠醛類物質(zhì)的質(zhì)量濃度Tab.4 Concentration of furfuraldehydes contents in pre-hydrolysate g/L

2.3.2 預(yù)水解液pH與酸溶木素質(zhì)量分?jǐn)?shù)分析

由圖2可知，在預(yù)水解過(guò)程中，預(yù)水解液pH與酸溶木素含量變化負(fù)相關(guān)，即隨著預(yù)水解溫度的升高和保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，預(yù)水解液的pH逐漸降低而酸溶木素含量增大。在保溫初期，pH急劇下降，此時(shí)酸溶木素含量快速增加，說(shuō)明保溫初期為酸性物質(zhì)和酸溶木素快速溶出階段。不同溫度下酸溶木素含量變化趨勢(shì)相似，但溫度越高，其含量也越高。預(yù)水解液pH的變化范圍為7.0～3.5，說(shuō)明甲酸、乙酸、糖醛酸等酸性物質(zhì)含量隨著預(yù)處理溫度的升高而增加[15]，進(jìn)而導(dǎo)致水解液體系pH降低。

3 結(jié) 論

桉木熱水預(yù)水解在150 ℃條件下，預(yù)水解液中木糖含量低于其他糖(半乳糖、阿拉伯糖等)含量，說(shuō)明半纖維素的聚木糖主鏈在溫和的預(yù)水解條件下，難以發(fā)生大程度的水解。作為半纖維素支鏈的阿拉伯糖、半乳糖等，較易發(fā)生水解。桉木熱水預(yù)水解在170和190 ℃條件下，預(yù)水解液中木糖含量大于其他糖類物質(zhì)，說(shuō)明增加預(yù)水解溫度可以促進(jìn)聚木糖的水解。劇烈的預(yù)水解條件會(huì)使纖維素發(fā)生一定程度的水解，不利于固相纖維素的保留。桉木熱水預(yù)水解的最佳條件：液比5∶1，預(yù)處理溫度190 ℃，保溫時(shí)間60 min。

圖2 預(yù)水解液pH及酸溶木素質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化關(guān)系Fig.2 The concentration of soluble lignin and pH for pre-hydrolysate under different conditions

桉木熱水預(yù)水解過(guò)程中，糠醛在預(yù)水解溫度150和170 ℃下沒(méi)有生成；在190 ℃下，80 min糠醛才開(kāi)始生成，并且隨著保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，其含量逐漸增加。升高溫度可以促進(jìn)戊糖的降解，同時(shí)保溫時(shí)間的延長(zhǎng)可使戊糖降解速度增大，轉(zhuǎn)化為糠醛。羥甲基糠醛在150 ℃所得預(yù)水解液中未被檢測(cè)到；在170 ℃、100 min下才檢測(cè)到羥甲基糠醛的存在，并且隨著保溫時(shí)間延長(zhǎng)其生成量增多；在190 ℃下，于60 min開(kāi)始檢測(cè)到預(yù)水解液中羥甲基糠醛的存在，升高保溫溫度會(huì)加快己糖的降解，保溫時(shí)間延長(zhǎng)預(yù)水解液中羥甲基糠醛含量逐漸增加。適度地縮短預(yù)水解保溫時(shí)間，可在保持預(yù)水解效果的前提下，減緩碳水化合物的深度降解。

隨著桉木熱水預(yù)水解條件的增強(qiáng)，預(yù)水解過(guò)程中糖類物質(zhì)發(fā)生降解產(chǎn)生酸類物質(zhì)，pH逐漸降低，酸溶木素逐漸增加，在190 ℃、120 min pH達(dá)到最低值3.5，酸溶木素也相對(duì)較高。這對(duì)下一步預(yù)水解液的發(fā)酵不利?？赏ㄟ^(guò)降低保溫溫度或者縮短保溫時(shí)間來(lái)控制預(yù)水解液中酸類物質(zhì)生成量和酸溶木素的溶出。