乙酸和亞硫酸鈉協(xié)同處理對泡桐組分及結(jié)構(gòu)特性的影響

馬 莉， 賈亮亮， 齊學(xué)敏， 楚 杰*， 張軍華， 常德龍， 許雅雅

1. 西北農(nóng)林科技大學(xué)， 陜西 楊凌 712100 2. 國家林業(yè)和草原局泡桐研究開發(fā)中心， 河南 鄭州 450003

引 言

生物質(zhì)能被稱為世界上的“第四大能源”[1]。 其中木質(zhì)生物質(zhì)能是可再生和可持續(xù)發(fā)展的[2]。 隨著全球氣候變暖以及不可再生資源的日益消耗， 木質(zhì)生物質(zhì)能的有效利用越來越受到工業(yè)應(yīng)用的關(guān)注[3]。 近年來世界能源工業(yè)不斷發(fā)展， 越來越多的木質(zhì)生物質(zhì)材料(如能源草， 農(nóng)作物秸稈， 木材廢料等)被用作生產(chǎn)工業(yè)乙醇的綠色生物質(zhì)材料。

泡桐(Paulownia)是一種生長周期短、 多用途樹種， 可用于制漿、 家具、 手工藝品、 樂器和木炭等領(lǐng)域。 泡桐原產(chǎn)于中國， 年產(chǎn)量極高， 約50 t·a-1， 顯著高于其他能源物種(如楊樹， 柳枝稷， 芒草及柳樹等)的產(chǎn)量約6～17 t·a-1 [4]。 此外， 我國泡桐資源豐富， 種植面積約968萬畝， 約占世界種植面積的27%。 在當(dāng)前泡桐產(chǎn)業(yè)發(fā)展中， 主要以桐木單板和桐木家具加工為主[5]， 桐木綜合利用價值較低， 加工生產(chǎn)過程中會產(chǎn)生大量的加工廢棄物。 因此， 有效利用這些廢棄泡桐資源進(jìn)行生物質(zhì)能源轉(zhuǎn)化來制備燃料乙醇是非常有意義的。

有研究報道， 泡桐富含木質(zhì)纖維素， 其綜纖維素含量約占60%～70%[6]。 與其他木質(zhì)生物質(zhì)材料相比， 泡桐所含灰分和可溶性物質(zhì)較少， 結(jié)構(gòu)較為疏松, 是制備生物乙醇及其他化學(xué)品極具潛力的原料。 木質(zhì)素和半纖維素， 尤其是木質(zhì)素， 被認(rèn)為是限制纖維素酶對纖維素可及性的最大物理屏障[7]。 復(fù)雜頑抗的木質(zhì)素結(jié)構(gòu)在很大程度上限制了泡桐的有效利用， 因此需要先對原料進(jìn)行預(yù)處理破壞其結(jié)構(gòu)， 增加纖維素酶與纖維素的特異性吸附， 使纖維素易于水解， 高效轉(zhuǎn)化為燃料乙醇。

目前國內(nèi)以泡桐作為材料制備燃料乙醇的研究較少。 部分學(xué)者使用稀酸法、 水熱法、 物理化學(xué)法等對泡桐進(jìn)行處理。 但針對乙酸及亞硫酸鈉協(xié)同處理泡桐的研究鮮見， 乙酸預(yù)處理可以較好地降解木聚糖， 亞硫酸鈉具有很好的脫木素作用。 本工作以速生泡桐為研究對象， 采用乙酸協(xié)同亞硫酸鈉對原料進(jìn)行化學(xué)預(yù)處理。 探究不同處理條件對泡桐化學(xué)組分及結(jié)構(gòu)特性的影響， 為我國泡桐生物質(zhì)資源高效轉(zhuǎn)化利用提供部分理論基礎(chǔ)。

1 實驗部分

1.1 材料與儀器

泡桐木粉(加工廢料)， 粉碎研磨至80目， 晾干裝袋貯存?zhèn)溆茫?含水率保持在8%以下。 冰醋酸、 無水乙醇、 氫氧化鈉、 無水亞硫酸鈉、 濃硫酸、 葡萄糖、 木糖等均為市售分析純試劑。

水浴鍋、 電子天平、 真空泵、 干燥箱、 高速離心機(jī)、 紫外-可見分光光度計、 振蕩器、 高效液相色譜、 高壓滅菌鍋、 高溫油浴鍋、 粉碎機(jī)等。

1.2 方法

1.2.1 預(yù)處理

乙酸預(yù)處理： 配置5% CH3COOH溶液250 mL， 稱取絕干泡桐粉末20 g， 料液比為1∶10， 170 ℃條件下處理30 min。 結(jié)束后冷卻過濾， 將固體用蒸餾水洗至中性， 晾干裝袋備用。 殘渣標(biāo)記為RMA。

亞硫酸鈉協(xié)同處理： 配置4% Na2SO3溶液250 mL， 稱取RMA絕干原料20 g， 料液比為1∶10， 120 ℃條件下處理60 min， 后續(xù)處理同上。 此殘渣標(biāo)記為RMAS。

堿性亞硫酸鈉協(xié)同處理： 配置4% Na2SO3+1% NaOH溶液250 mL， 稱取RMA絕干原料20 g， 料液比為1∶10， 120 ℃條件下處理60 min， 后續(xù)處理同上。 此殘渣標(biāo)記為RMAAS。

1.2.2 化學(xué)組分測定

泡桐樣品各組分含量參照美國國家可再生能源實驗室(NREL)的方法進(jìn)行分析測定。 葡萄糖及木糖峰面積在高效液相色譜儀(Agilent1200)上用Bio-Rad HPX-87H色譜柱測定。 所有試驗均采用三組平行， 最終數(shù)據(jù)取平均值并計算標(biāo)準(zhǔn)誤差。

1.2.3 結(jié)構(gòu)表征

X-射線衍射儀(Rigaku D/max-3C generator)用于測定泡桐樣品的纖維素結(jié)晶度， 測定電壓40 000 V， 電流0.1 A， 掃描角度2θ， 范圍為5°～50°， 掃描速率為12°·h-1。 纖維素的結(jié)晶度指數(shù)由X射線衍射儀測得的光譜峰高進(jìn)行公式計算得到[8]。I002為002晶面的極大衍射強(qiáng)度， 2θ約為22°；Iam為非結(jié)晶背景衍射的散射強(qiáng)度， 2θ約為18°。 結(jié)晶度(CI)計算公式為式(1)

(1)

采用NicoletiS10型傅里葉變換紅外光譜儀對樣品進(jìn)行紅外分析。 掃描范圍取4 000～400 cm-1， 分辨率為4 cm-1， 掃描次數(shù)為64次。

X射線光電子能譜儀(XPS)用于檢測泡桐樣品表層(2～10 nm)的原子組成及化學(xué)環(huán)境[8]。 使用的光源為單色光Al Kα X-射線源(15 kV， 5 mA)。

2 結(jié)果與討論

2.1 預(yù)處理對泡桐組分的影響

預(yù)處理前后泡桐樣品的化學(xué)組分變化如表1所示。

表1 不同預(yù)處理方法對樣品化學(xué)組分及結(jié)晶度的影響

Note: RM: Raw material; RMA: Raw material+Acetic acid; RMAS: Raw material+Acetic acid+Sodium sulfite; RMAAS: Raw material+Acetic acid+Alkaline Sodium sulfite

未處理泡桐的葡聚糖， 木聚糖和木質(zhì)素含量分別為46.81%， 18.92%和26.40%， 抽提物含量為5%左右。 經(jīng)乙酸預(yù)處理后， 木聚糖含量降低至11.06%， 葡聚糖含量增加至50.23%。 可能是由于乙酸對木聚糖具有很好的降解溶出作用， 此結(jié)果與前人的研究相似[9]。 Wang等[9]提出160 ℃條件下， 用25%的乙酸溶液處理10%固體濃度的麥草幾乎可以移除所有的木聚糖并回收94.2%的葡聚糖。 乙酸處理過程中， 木聚糖在水合氫離子的作用下， 降解為低聚木糖溶于上清液中， 使更多的纖維素暴露在預(yù)處理殘渣中。 然而， 乙酸預(yù)處理對木質(zhì)素的脫除十分有限， 因此三大素之間的復(fù)雜交聯(lián)結(jié)構(gòu)需要進(jìn)一步被破壞以提高后續(xù)酶水解效率。

經(jīng)亞硫酸鈉協(xié)同處理后， 葡聚糖含量增加至57.73%， 木質(zhì)素含量降低至28.29%， 表明Na2SO3預(yù)處理具有良好的脫木素能力。 此外， 經(jīng)過堿性亞硫酸鈉協(xié)同處理后， 發(fā)現(xiàn)碳水化合物含量提高到72.71%， 木質(zhì)素含量降低到26.34%。 與亞硫酸鈉協(xié)同處理相比， 堿性亞硫酸鈉協(xié)同處理具有更好的脫木素能力， 同時降解了部分木聚糖， 大大增加了纖維素在生物質(zhì)表面的暴露面積， 有助于纖維素酶對纖維素的生產(chǎn)性吸附。 這表明添加NaOH有助于除去其他成分(即木質(zhì)素， 半纖維素和提取物等)， 暴露并保留更多纖維素。 此結(jié)論與先前的研究吻合[8]。

2.2 泡桐樣品的X射線衍射(XRD)分析

為研究預(yù)處理過程中樣品的物理結(jié)構(gòu)變化， 通過XRD測定處理前后泡桐樣品的纖維素結(jié)晶度。 圖1為預(yù)處理前后泡桐樣品的X射線衍射圖譜， 圖中101， 002及040峰是典型的纖維素I的特征， 其衍射角分別為16.02°， 22°和34.76°。 經(jīng)過預(yù)處理后， 002峰位置均向右有所偏移， 說明經(jīng)過預(yù)處理后結(jié)晶區(qū)晶胞參數(shù)變小， 晶面間距變小， 同時發(fā)現(xiàn)， 堿性亞硫酸鈉協(xié)同處理后， 002峰尖銳程度最大， 衍射峰明顯增強(qiáng)， 纖維素結(jié)晶度CI明顯高于其他樣品。

圖1 預(yù)處理前后泡桐樣品的X射線衍射圖

纖維素結(jié)晶度指數(shù)是由X射線衍射儀測得的光譜峰高計算所得[10]。 如表1所示， 未處理泡桐的結(jié)晶度是40.23%。 這可能歸因于部分無定型物質(zhì)的存在， 如木質(zhì)素和半纖維素等。 經(jīng)過乙酸處理后， 泡桐樣品的結(jié)晶度增加至47.25%。 這可能是由于乙酸降解掉了一部分木聚糖， 從而導(dǎo)致纖維素結(jié)晶度增加。

亞硫酸鈉協(xié)同處理后， 樣品結(jié)晶度增加至50.32%。 預(yù)處理固體纖維素結(jié)晶度的增加可能歸因于部分木質(zhì)素， 木聚糖和其他組分的降解脫除， 從而降低整體無定形特征。 堿性亞硫酸鈉協(xié)同處理導(dǎo)致更高的結(jié)晶度出現(xiàn)， 這可能是由于氫氧化鈉的引入促進(jìn)了更多木質(zhì)素和其他成分被去除。 預(yù)處理后樣品纖維素結(jié)晶度的增加， 表明更多無定型組分被脫除， 這與組分中葡聚糖含量的增加規(guī)律一致。

2.3 紅外光譜分析

預(yù)處理前后泡桐的紅外光譜圖譜如圖2所示。 1 731 cm-1處的吸收峰代表半纖維素的乙?；吞侨セ蚰举|(zhì)素中阿魏酸與香豆酸中羧基的酯鍵連接[10]。 在1 731 cm-1處， 乙酸處理后泡桐的吸收強(qiáng)度增加， 可能是由于乙酸脫除了部分木聚糖組分導(dǎo)致木質(zhì)素含量增加。 兩次協(xié)同處理后吸收接近消失， 吸收強(qiáng)度的順序是RMA>RM>RMAS>RMAAS。 這表明協(xié)同處理后木質(zhì)素可能發(fā)生了降解。 木質(zhì)素特征吸收越少表明其結(jié)構(gòu)破壞越大， 從而使得纖維素酶更容易接近纖維素[11]。 化學(xué)結(jié)構(gòu)的破壞導(dǎo)致泡桐樣品的頑抗性降低， 后續(xù)酶促水解性增強(qiáng)[8]。 堿性亞硫酸鈉協(xié)同處理表現(xiàn)出更強(qiáng)的破壞底物結(jié)構(gòu)的能力。 此外， 纖維素的特征吸收峰2 900， 3 338及1 059 cm-1， 協(xié)同處理后泡桐樣品的吸收強(qiáng)度明顯增加。 同時觀察到， 木質(zhì)素的特征峰在1 249 cm-1(C—O愈創(chuàng)木基環(huán))和1 636 cm-1處， 乙酸處理樣品的木質(zhì)素峰值強(qiáng)度明顯高于協(xié)同處理后樣品的峰值強(qiáng)度。 這可能是由于協(xié)同處理使得泡桐原料的木質(zhì)素結(jié)構(gòu)進(jìn)一步被破壞。 相比較于未處理的泡桐原料， 預(yù)處理后的泡桐在898和1 159 cm-1兩處峰值強(qiáng)度(β-D糖苷鍵的特征峰)均有所提高， 峰強(qiáng)度的順序是RM

圖2 預(yù)處理前后泡桐樣品的傅里葉紅外光譜

2.4 X射線光電子能譜(XPS)分析

圖3為所有泡桐樣品的X射線光電子能譜圖譜。 可以發(fā)現(xiàn)， 經(jīng)過堿性亞硫酸鈉協(xié)同處理后， C—C含量明顯減少， C—O含量明顯增加。 這表明堿性亞硫酸鈉協(xié)同處理對于樣品表面木質(zhì)素的脫除十分有利。

所有泡桐樣品的氧碳比(O/C)是根據(jù)生物質(zhì)材料表層(2～10 nm)的碳氧組成計算的(表2)。 據(jù)報道， 不同生物質(zhì)組分的O/C比值按以下順序排列: 纖維素(約為0.83)>半纖維素>木質(zhì)素>抽提物(即脂肪酸， 烴類等)。 木質(zhì)素和抽提物的理論O/C比分別為0.33和0.09[12]。 未處理泡桐的O/C比為0.45。 乙酸處理后， 泡桐樣品的O/C比下降為0.387， 較為接近木質(zhì)素的理論值0.33。 這可能是由于乙酸處理過程中降解了部分木聚糖， 表面木質(zhì)素含量相對增加導(dǎo)致。 經(jīng)亞硫酸鈉協(xié)同處理后， O/C比增加到0.39， 仍然非常接近木質(zhì)素的理論值(0.33)。 一般情況下， 預(yù)處理過程可以去除大量的抽提物。 因此， 數(shù)據(jù)表明亞硫酸鈉協(xié)同處理泡桐的表面仍有大量木質(zhì)素， 盡管木質(zhì)素總量明顯減少(表1)， 可能是由于Na2SO3預(yù)處理和洗滌過程中木質(zhì)素的再沉積。 高的O/C表示樣品表面纖維素和(或)半纖維素含量較高， 低的O/C表示樣品表面木質(zhì)素較多[13]。 因此， O/C的增加表明表面木質(zhì)素含量減少。 經(jīng)堿性亞硫酸鈉協(xié)同處理后， O/C提高到0.46， 說明表面木質(zhì)素含量明顯減少。 因此， 堿性亞硫酸鈉協(xié)同處理更有利于總木質(zhì)素的脫除及表面木質(zhì)素的去除。 正如組分分析部分所討論的， 堿性亞硫酸鈉協(xié)同處理后泡桐的碳水化合物含量明顯增加， 更加有助于酶水解。

圖3 預(yù)處理前后泡桐樣品的X射線光電子能譜圖譜

3 結(jié) 論

(1)堿性亞硫酸鈉協(xié)同處理表現(xiàn)出最佳的預(yù)處理效果。 葡聚糖相對含量增加至67.48%， 木質(zhì)素及木聚糖等酶水解屏障性組分均有很大比例降解脫除。

表2 預(yù)處理前后泡桐樣品的光電子能譜分析結(jié)果

Table 2 The O/C ratio and concentration of functionality by percentage carbon inPaulowniasamples before and after pretreatment

預(yù)處理方法O/CC1/%C2/%C3/%RM0.45048.09137.87514.034RMA0.38756.00034.5009.500RMAS0.39055.40036.3008.300RMAAS0.46046.70044.8008.500

(2)表征分析結(jié)果與組分分析規(guī)律一致。 FTIR分析顯示， 堿性亞硫酸鈉協(xié)同處理對樣品結(jié)構(gòu)破壞最大， 木質(zhì)素特征吸收減弱， 纖維素特征吸收增強(qiáng)。 XPS分析可見， 堿性亞硫酸鈉協(xié)同處理可以移除更多的表面木質(zhì)素， 暴露并保留更多的表面碳水化合物(O/C比增加， C1含量減少， C2含量增加)。 XRD分析表明， 預(yù)處理后樣品的纖維素結(jié)晶度均有不同程度增加， 002峰右移。 堿性亞硫酸鈉協(xié)同處理后， 衍射峰衍射強(qiáng)度明顯增強(qiáng)， 峰形變得高且尖銳， 更多無定型組分(木質(zhì)素及半纖維素等)被脫除， 從而有助于提高后續(xù)的纖維素酶解效率。