汽爆秸稈漆酶協(xié)同作用提取木質(zhì)素

李冠華，陳洪章

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汽爆秸稈漆酶協(xié)同作用提取木質(zhì)素

李冠華，陳洪章

中國科學院過程工程研究所生物質(zhì)煉制工程北京市重點實驗室，北京 100190

李冠華, 陳洪章. 汽爆秸稈漆酶協(xié)同作用提取木質(zhì)素. 生物工程學報, 2014, 30(6): 911?919.Li GH, Chen HZ. Synergistic mechanism of steam explosion combined with laccase treatment for the delignification of straw. Chin J Biotech, 2014, 30(6): 911?919.

組分分離是秸稈煉制的關(guān)鍵技術(shù)。本文建立了汽爆耦合漆酶協(xié)同作用工藝，研究其對秸稈物理形態(tài)、化學組成以及木質(zhì)素堿提取過程的影響。研究結(jié)果表明汽爆破壞秸稈表面致密結(jié)構(gòu)，提高比表面積，促進漆酶對秸稈木質(zhì)素的氧化作用；紅外分析表明，漆酶破壞了汽爆秸稈中半纖維素酯鍵，且愈創(chuàng)木基吸收峰減弱，漆酶削弱了木質(zhì)素與纖維素間相互作用；汽爆漆酶協(xié)同作用后的秸稈木質(zhì)素提取率提高約20% (70 ℃，120 min)。Nuclei Growth模型分析溫和條件下秸稈木質(zhì)素提取過程，動力學結(jié)果表明，汽爆漆酶協(xié)同預處理增加了汽爆秸稈木質(zhì)素堿提過程中反應起始作用位點，并提高了該過程對溫度的敏感性。汽爆-漆酶協(xié)同預處理是一種有效的分離木質(zhì)素的方法，將在木質(zhì)纖維素原料的生物煉制中發(fā)揮重要作用。

煉制，汽爆，漆酶，秸稈，木質(zhì)素

秸稈是世界上豐富的可再生資源，以中國為例，年產(chǎn)秸稈近7億t。秸稈煉制轉(zhuǎn)化為生物基燃料、生物基材料、飼料和肥料等是解決能源、環(huán)境問題的重要途徑。秸稈由纖維素、木質(zhì)素和半纖維素三大組分組成。其中，木質(zhì)素是復雜的、非晶性、三維網(wǎng)狀化合物，被認為是工業(yè)上唯一能從可再生資源中獲取的芳香族化合物。木質(zhì)素有很好的分散性、阻燃性、熱穩(wěn)定性，在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)藥方面具有廣泛的應用前景。

秸稈煉制的前提是實現(xiàn)各組分的提取分離。木質(zhì)素的提取包括化學提取和有機溶劑提取兩種方法?；瘜W提取法是利用強酸、強堿將秸稈中綜纖維素或者木質(zhì)素溶解，使二者得以分離。其中酸法提取木質(zhì)素過程中，木質(zhì)素以固體殘渣的形式得以分離；堿法提取是將木質(zhì)素以溶解于堿溶液的形式而得以分離?；瘜W法是廣泛應用的提取木質(zhì)素方法，但該過程較高的酸、堿用量和較劇烈的反應條件造成的高污染和高能耗是化學法所需要解決的問題。因此對秸稈進行預處理，實現(xiàn)溫和條件下提取木質(zhì)素是當前重要研究方向。

漆酶是一種含銅的多酚氧化酶，具有較高氧化還原電勢，作用底物廣泛，可以氧化降解酚型木質(zhì)素結(jié)構(gòu)單元。漆酶作為主要的木質(zhì)纖維素氧化酶，在木質(zhì)素氧化降解、改性等方面同樣發(fā)揮著重要作用。秸稈的物理結(jié)構(gòu)和半纖維素同木質(zhì)素間的相互作用阻礙了漆酶對秸稈木質(zhì)素的氧化。因此需破壞秸稈致密結(jié)構(gòu)和半纖維素對木質(zhì)素的包裹作用，以提高汽爆秸稈木質(zhì)素提取率。低壓無污染蒸汽爆破是集物理撕裂、化學催化于一體的，有效的、低成本的預處理技術(shù)。經(jīng)過汽爆預處理后，秸稈半纖維素轉(zhuǎn)化為木糖、低聚木糖，存在于水洗夜中而與木質(zhì)素分離。汽爆過程中，木質(zhì)素被抽提之后沉積于纖維素表面而暴露。汽爆可以降解秸稈中半纖維素，暴露出木質(zhì)素組分，在此基礎上利用漆酶氧化汽爆秸稈中的木質(zhì)素，促進秸稈木質(zhì)素提取。但是上述研究并沒有對汽爆與漆酶提取木質(zhì)素過程中的協(xié)同作用進行討論，因此本研究在建立汽爆漆酶協(xié)同提取木質(zhì)素的基礎上，重點分析二者間的協(xié)同作用。

1 材料與方法

1.1 材料

本研究所用秸稈為稻草，收集于四川成都，置于室外儲存。漆酶由白腐真菌硬毛粗毛蓋孔菌固態(tài)發(fā)酵所得，平均酶活值為100 U/mL。本研究所用試劑均為分析純，購自于北京試劑公司。

1.2 汽爆處理方法

風干秸稈剪成15 cm的小段，以1∶1的比例加入自來水，浸潤過夜。秸稈預浸后放入汽爆罐中，通入飽和熱蒸汽，分別升壓到0.7 MPa、1.1 MPa和1.5 MPa，維壓時間為3 min，快速泄壓即得到汽爆秸稈。以1∶15的固液比向汽爆秸稈中加入70 ℃自來水，除去汽爆秸稈表面可溶物，水洗后汽爆秸稈室溫自然風干，并用粉碎機粉碎，過40目篩待用。汽爆罐為本實驗室自行設計開發(fā)，工作體積為4.5 L。

1.3 漆酶處理方法

汽爆秸稈漆酶處理在2 L帶攪拌和自動控溫的反應釜中進行。漆酶催化條件如下：縮蘋果酸-縮蘋果酸鈉溶液為緩沖液，pH=4，固液比1∶20，漆酶用量10 U/g，5 mmol/L ABTS為催化介體，反應溫度50 ℃，反應過程中通入高壓空氣提高氧分壓到0.4 MPa，反應進行180 min。

1.4 提取秸稈木質(zhì)素

木質(zhì)素提取的條件如下：NaOH溶液濃度為0.25 mol/L，固液比為1∶15，反應溫度分別為30 ℃、50 ℃、70 ℃，反應時間15 min到 120 min。反應結(jié)束后，將樣品迅速放入冰浴中降溫，過濾收集殘渣，殘渣用蒸餾水沖洗，至洗脫液pH值呈現(xiàn)中性。

為反應進行分鐘時基質(zhì)中木質(zhì)素含量，為堿提反應進行分鐘時基質(zhì)質(zhì)量，為堿提反應前基質(zhì)質(zhì)量，為反應進行分鐘時基質(zhì)中木質(zhì)素相對含量 (%)。

表示木質(zhì)素損失率，為木質(zhì)素初始含量。

1.5 木質(zhì)素提取動力學

使用Nuclei Growth模型預測溫和條件下木質(zhì)素脫除動力學。

-=[]×t×exp()×X(1)

為堿提反應一定時間后基質(zhì)中剩余木質(zhì)素含量，為堿濃度，本實驗中堿提取過程中NaOH濃度一致，因此可看作常數(shù)。為反應活化能(kJ/mol)，為摩爾氣體常數(shù) (8.314 J/(mol·K))，為堿提取反應時間 (min)，為反應溫度 (℃)，、、是常數(shù)，依賴于基質(zhì)本征特性和堿提取反應過程。

因此公式 (1) 可以變成如下形式

-=a×t×exp()×X(2)

公式 (2) 經(jīng)過線性整合轉(zhuǎn)化可以變?yōu)槿缦滦问?/p>

實驗結(jié)果經(jīng)多元線性回歸計算、、。

1.6 秸稈化學組分分析方法

參照美國可再生能源實驗室標準測定不同處理的秸稈化學組成?；具^程如下：樣品經(jīng)72% HSO，30 ℃水浴條件下反應60 min，加入蒸餾水調(diào)節(jié)酸濃度達到4%，121 ℃反應45 min，分離濾液和殘渣，所得殘渣105 ℃烘干至恒重。烘干后的殘渣550 ℃灰化180 min測定灰分含量。酸不溶木質(zhì)素含量為殘渣質(zhì)量與灰分質(zhì)量的差值，濾液中主要單糖含量 (葡萄糖、木糖、阿拉伯糖) 由高效液相測定 (HPLC，Agilent 1200，American) 。檢測條件為：HPX-87H色譜柱，流動相為5 mmol/L HSO，流速0.6 mL/min，柱溫65 ℃。酸溶木質(zhì)素含量由紫外分光光度計測定。

1.7 秸稈比表面積測定

不同處理后的秸稈粉碎后過40目篩，比表面積測定使用貝世德全自動氮比表面吸附儀完成。

1.8 秸稈紅外光譜測定

不同處理的秸稈紅外吸收光譜分析, 由Pekin-Elmer 2000紅外光譜儀測定。掃描范圍: 4 000–400 cm, 分辨率4 cm, 掃描32次進行光譜累加，以純KBr的紅外光譜圖作為背景，環(huán)境氣氛為空氣。

2 結(jié)果與分析

2.1 汽爆破壞秸稈致密結(jié)構(gòu)

2.1.1 不同汽爆處理秸稈宏觀形態(tài)變化

由圖1可知原秸稈呈淺黃色，質(zhì)地較硬。經(jīng)過汽爆處理秸稈形態(tài)發(fā)生了顯著變化，物料粒度減小 (呈細絲狀)，表面致密結(jié)構(gòu)受到破壞，并纏繞在一起，外表呈褐色或深褐色。隨著汽爆壓力的增加，秸稈體積逐漸減小，外表顏色逐漸加深。這是由于汽爆過程中，高溫蒸煮作用使少量木質(zhì)素會發(fā)生溶出，殘留在秸稈表面，因而秸稈呈現(xiàn)深褐色。

2.1.2 不同汽爆處理秸稈比表面積變化

汽爆處理可以顯著提高秸稈比表面積 (圖2) 。隨著汽爆壓力的增加秸稈比表面積逐漸增大，當汽爆壓力為1.5 MPa時，秸稈比表面積可達0.40 m/g。這是因為汽爆過程中隨著壓力增加，瞬間泄壓時蒸汽對物料的撕裂作用逐漸增強；另一方面，較高溫度下半纖維素更易降解。

圖1 不同汽爆條件秸稈宏觀形態(tài)

圖2 不同汽爆處理秸稈比表面積變化

比表面積是總?cè)莘e與固體總表面積之比，是表征秸稈物性的重要參數(shù)，直接影響著堿提反應過程中秸稈與NaOH間的相互作用。高比表面積可增加秸稈可及性，更利于堿提取木質(zhì)素。

2.2 汽爆漆酶處理對秸稈化學結(jié)構(gòu)的影響

2.2.1 不同汽爆處理秸稈化學組分變化

為了比較汽爆處理前后秸稈中主要成分相對含量變化，參照美國可再生能源實驗室標準測定不同汽爆條件下秸稈化學組成。從圖3可知汽爆可以使秸稈各組分相對含量發(fā)生顯著變化。汽爆秸稈中半纖維素含量降低，纖維素含量顯著增加。隨著汽爆強度的增加，半纖維素含量從24.35%減小到6.33%，而纖維素含量則從39.72增加到51.26%。這是因為汽爆處理過程中半纖維素的乙酰基的連接非常容易斷裂，在較低溫度下即可解離完全，伴隨半纖維素的降解，以及乙?；乃庑纬梢宜幔跛岘h(huán)境可以進一步強化汽爆效果，進而使得纖維素結(jié)晶區(qū)氫鍵受到破壞，木質(zhì)素結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。相比于原秸稈，汽爆秸稈中酸溶木質(zhì)素含量略有減少，這是因為少量酸溶木質(zhì)素溶解于高溫汽相水中。

圖3 不同汽爆處理秸稈化學組分的變化

酸不溶木質(zhì)素含量則在汽爆后略有增加，主要原因是半纖維素組分的降解，使得全部碳水化合物含量降低，木質(zhì)素的相對含量有所增加；另一方面較高的蒸汽溫度使木質(zhì)素和糖以及糖的降解產(chǎn)物(糠醛)之間發(fā)生縮聚反應形成“假木質(zhì)素”。

2.2.2 汽爆漆酶協(xié)同作用秸稈主要化學基團變化

紅外光譜可以定性表示秸稈中各化學基團的變化，由圖4可知，經(jīng)過汽爆處理和汽爆-漆酶協(xié)同處理后秸稈的紅外譜圖發(fā)生變化。1 515 cm處的吸收峰代表木質(zhì)素中苯環(huán)特征吸收峰，通常認為汽爆處理不會顯著改變苯環(huán)結(jié)構(gòu)，因此將該處的透過值作為定值，用其他特征峰的透過值與其相比以分析處理前后秸稈各基團變化 (表1)。3 404 cm代表著纖維素中的氫鍵、甲基和亞甲基吸收峰，經(jīng)過汽爆漆酶協(xié)同處理后I3404/I1515降低，表明纖維素含量增多。1 736 cm和1 720 cm代表著半纖維素間的酯鍵鏈接，經(jīng)過預處理后I1735/I1515和I1720/ I1515增大，表明半纖維素間的脂鍵受到破壞。1 376 cm處的吸收峰是C-H彎曲振動(纖維素和木質(zhì)素) 特征吸收峰，經(jīng)過汽爆預處理后I1376/I1515值減小，表明汽爆預處理使纖維素和木質(zhì)素相互作用增強；而進一步漆酶預處理后I1376/I1515的值增大，表明漆酶氧化作用可以破壞木質(zhì)素與纖維素間相互作用。1 245 cm的吸收峰為愈創(chuàng)木基的特征吸收峰，經(jīng)過汽爆、漆酶處理后該處的吸收峰幾乎消失，表明愈創(chuàng)木基受到顯著破壞。1 161 cm和1 105 cm代表著纖維素和半纖維素的骨架結(jié)構(gòu)，經(jīng)過汽爆處理后，I1161/I1515和I1105/I1515的值經(jīng)過預處理后降低，纖維素含量增多，上述結(jié)果表明汽爆、汽爆-漆酶處理后秸稈中半纖維素與纖維素及木質(zhì)素間鏈接的酯鍵受到破壞，纖維素含量顯著升高，木質(zhì)素基團發(fā)生改變。

圖4 不同預處理的秸稈紅外光譜圖

表1 不同預處理的秸稈紅外光譜結(jié)果

2.3 汽爆漆酶協(xié)同作用秸稈木質(zhì)素提取過程

2.3.1 汽爆漆酶協(xié)同作用秸稈木質(zhì)素提取率的變化

以0.25 mol/L NaOH溶液為堿提取液，低溫 (30–70 ℃) 條件下，比較研究了原秸稈、汽爆秸稈、汽爆-漆酶秸稈的木質(zhì)素提取率。由圖5可知，秸稈木質(zhì)素提取率隨著反應時間和反應溫度的增加而提高。反應前20 min是木質(zhì)素提取初始階段，初始階段木質(zhì)素提取速率高于后反應階段，隨著處理條件和堿提反應溫度的不同，初始階段木質(zhì)素提取率在24.34%到58.05%之間變化。汽爆處理可以提高秸稈木質(zhì)素提取率，汽爆秸稈經(jīng)過漆酶作用后，木質(zhì)素提取率進一步提高。原秸稈木質(zhì)素提取率變化為24.34% (30 ℃，20 min) 到62.59% (70 ℃，120 min)，汽爆秸稈木質(zhì)素提取率變化為31.3% (30 ℃，20 min) 到72.36% (70 ℃，120 min)，汽爆漆酶秸稈木質(zhì)素提取率變化為32.5% (30 ℃，20 min) 到75.63% (70 ℃，120 min)。經(jīng)過汽爆漆酶協(xié)同作用后秸稈木質(zhì)素提取率可提高約13% (30 ℃，120 min) 到20% (70 ℃，120 min)。漆酶被認為是綠色化學中的藍色酶，在木質(zhì)素修飾改性中發(fā)揮著重要作用，此前研究認為，漆酶作用后的木質(zhì)素木質(zhì)素的分子量都趨于高分子區(qū)域，分子量分散性能降低，更有利于木質(zhì)素的利用。綜上所述，漆酶不僅有利于促進木質(zhì)素的提取，而且所得木質(zhì)素具有更高的利用價值。

圖5 不同預處理的秸稈木質(zhì)素提取率

2.3.2 木質(zhì)素提取動力學

表2給出了Nuclei Growth脫木質(zhì)素動力學模型的相關(guān)參數(shù)，相關(guān)系數(shù)大于90%，表明實驗結(jié)果和預測模型結(jié)果十分符合 (圖6)。Nuclei Growth模型結(jié)果顯示提取木質(zhì)素反應速率常數(shù)texp (-E/RT) 隨著堿提取時間和堿提取溫度不同而異，表示起始反應位點，經(jīng)過汽爆處理和漆酶協(xié)同作用后秸稈起始反應位點顯著增大，表明汽爆過程中破壞了半纖維素對木質(zhì)素包裹作用，使得木質(zhì)素外露，增加了堿提取過程中木質(zhì)素作用位點。表示時間依賴性的反應速率常數(shù)，秸稈經(jīng)過汽爆和漆酶處理后顯著降低。表示反應活化能，Nguyen研究認為反應活化能是一個依賴于反應速率常數(shù)的連續(xù)函數(shù)，由公式4可知，反應活化能代表著反應速率對溫度的靈敏度，經(jīng)過汽爆和漆酶處理后的值升高，表明經(jīng)過汽爆處理后秸稈木質(zhì)素提取對反應溫度的變化更加敏感。上述結(jié)果表明汽爆處理和汽爆-漆酶處理后改變了秸稈物理和化學性質(zhì)使其利于木質(zhì)素的提取。

表2 秸稈木質(zhì)素提取動力學參數(shù)

R S: raw straw; SE S: steam exploded straw; SE Lac S: steam explosion combined with laccasepretreated straw.

圖6 Nuclei Growth model模型驗證回歸

3 結(jié)論

汽爆改變秸稈物理結(jié)構(gòu)和化學組成，促進漆酶對秸稈木質(zhì)素的氧化作用；汽爆漆酶協(xié)同作用可以顯著提高秸稈木質(zhì)素提取率。Nuclei Growth模型較好表征了溫和條件下秸稈木質(zhì)素提取動力學，經(jīng)過汽爆-漆酶協(xié)同作用后秸稈木質(zhì)素作用位點增加，木質(zhì)素提取過程中木質(zhì)素提取率對溫度變化敏感性增強。汽爆耦合漆酶處理一種有效的預處理方法，將在生物質(zhì)高質(zhì)化利用過程中發(fā)揮重要作用。

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(本文責編 郝麗芳)

Synergistic mechanism of steam explosion combined with laccase treatment for straw delignification

Guanhua Li, and Hongzhang Chen

Beijing Key Laboratory of Biomass Refining Engineering, Institute of Process Engineering, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China

Componentsseparation is the key technology in biorefinery. Combination of steam explosion and laccase was used, and synergistic effect of the combined pretreatment was evaluated in terms of physical structure, chemical components and extraction of lignin. The results showed that steam explosion can destroy the rigid structure and increase the specific surface area of straw, which facilitated the laccase pretreatment. The laccase pretreatment can modify the lignin structure based on the Fourier transform infrared test, as a result the delignification of straw was enhanced. Nuclei Growth model with a time dependent rate constant can describe the delignification, and the kinetics parameters indicated that the combined pretreatment improved the reaction sites and made the delignification reaction more sensitive to temperature. The combined pretreatment enhanced delignification, and can be a promising technology as an alternative to the existing pretreatment.

biorefinery, steam explosion, laccase, straw, lignin

January 26, 2014; Accepted: March 31, 2014

Special Funds of the Science and Technology Innovation Base for Beijing Key Laboratory of Biomass Refining Engineering (No.Z13111000280000), National Natural Science Foundation of China (No. 21206176), National Basic Research Program of China (973 Program) (No. 2011CB707401).

Hongzhang Chen. Tel/Fax: +86-10-82627071; E-mail: hzchen@home.ipe.ac.cn

生物質(zhì)煉制工程北京市重點實驗室2013年度科技創(chuàng)新基地培育與發(fā)展工程專項項目(No. Z13111000280000), 國家自然科學基金(No. 21206176), 國家重點基礎研究發(fā)展計劃(973計劃) (No. 2011CB707401) 資助。

網(wǎng)絡出版時間：2014-04-17

http://www.cnki.net/kcms/doi/10.13345/j.cjb.140060.html