堿催化雙螺桿動(dòng)態(tài)擠壓預(yù)處理小麥秸稈制備發(fā)酵用糖的研究

唐成倫，王松濤，趙愷晨，劉慶國(guó)，單軍強(qiáng)，陳彥君，朱晨杰*，沈才洪*

（ 1.江蘇集萃工業(yè)生物技術(shù)研究所有限公司,江蘇 南京 210032；2.瀘州老窖股份有限公司，四川 瀘州 646000；3.南京工業(yè)大學(xué)，江蘇 南京 211816）

0 引言

木質(zhì)纖維素類(lèi)生物質(zhì)具有綠色、低碳、清潔、可再生等特點(diǎn)，深入開(kāi)發(fā)木質(zhì)纖維素類(lèi)生物質(zhì)有利于我國(guó)碳中和的目標(biāo)早日實(shí)現(xiàn)。但與淀粉類(lèi)糧食作物不同的是，木質(zhì)纖維素存在抗降解屏障阻礙其酶解轉(zhuǎn)化利用。預(yù)處理作為木質(zhì)纖維素利用的必要手段，不僅要破壞木質(zhì)纖維素的致密結(jié)構(gòu)，還要提高利于酶水解碳水化合物的比表面積和孔徑。作為木質(zhì)纖維素類(lèi)生物質(zhì)精煉第一步的預(yù)處理過(guò)程，其成本所占比例是影響下游生產(chǎn)過(guò)程的重要因素。目前，科學(xué)界與企業(yè)界已經(jīng)開(kāi)發(fā)了諸多預(yù)處理技術(shù)，如蒸汽爆破、稀酸、高溫水熱等預(yù)處理手段。但這些方法多為批次處理，采用高溫高壓處理，處理量小且能耗高，成本居高不下。作為機(jī)械預(yù)處理的螺桿動(dòng)態(tài)擠壓技術(shù)可以解決以上問(wèn)題，并以更低的成本進(jìn)行連續(xù)化生產(chǎn)。

螺桿動(dòng)態(tài)擠壓技術(shù)具有處理量大、剪切力高、保留時(shí)間短、物料傳質(zhì)傳熱效率高以及易于放大等特點(diǎn)，是用于木質(zhì)纖維素預(yù)處理的一種較為理想的可工業(yè)放大的生產(chǎn)裝備。螺桿動(dòng)態(tài)擠壓技術(shù)通?？梢耘浜匣瘜W(xué)催化劑協(xié)同處理，因?yàn)槁輻U具有高效混合能力，采用較少的化學(xué)催化劑達(dá)到較理想的處理效果，從而降低工業(yè)廢水的處理量［1］。螺桿機(jī)械主要分為單螺桿與雙螺桿擠出機(jī)，但由于雙螺桿擠出技術(shù)具有更廣泛的應(yīng)用基礎(chǔ)，因此，木質(zhì)纖維素類(lèi)生物質(zhì)預(yù)處理更多采用雙螺桿擠出技術(shù)。而雙螺桿機(jī)械又分為同向雙螺桿與反向雙螺桿，da Sliva教授研究發(fā)現(xiàn)，反向雙螺桿設(shè)備存在螺旋磨損大的缺點(diǎn)，不適宜廣泛推廣應(yīng)用；而同向雙螺桿由于其可以保持較高的轉(zhuǎn)速，因此，具有物料處理量大、剪切力大、混合及傳送效率高等優(yōu)點(diǎn)［1］。本研究采用同向高速雙螺桿擠壓技術(shù)協(xié)同堿催化技術(shù)，處理了中國(guó)資源豐富的小麥秸稈，考察了催化劑用量和擠出后的保溫時(shí)間，并對(duì)碳水化合物保留率、木質(zhì)素脫除率和預(yù)處理后物料的酶解得糖率的影響進(jìn)行了研究，同時(shí)從預(yù)處理單位物料的能量輸入等角度對(duì)不同的預(yù)處理方式進(jìn)行了對(duì)比評(píng)估。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料與試劑

小麥秸稈來(lái)源于江蘇徐州。纖維素酶購(gòu)于諾維信公司，其酶活力為245 FPU/mL。工業(yè)級(jí)氫氧化鈉。

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器

秸稈切割機(jī)，鼓式水洗機(jī)（400型）和氣動(dòng)脫水機(jī)（500型）購(gòu)自山東晨鐘股份有限公司，雙螺桿擠壓揉搓機(jī)（TEP80型）購(gòu)自河北天正篩選制漿設(shè)備有限責(zé)任公司，秸稈處理量200 kg/h。

1.3 堿催化雙螺桿動(dòng)態(tài)擠壓預(yù)處理

小麥秸稈切成3~5 cm的小段，將切好的秸稈放入鼓式水洗機(jī)中清洗，沉淀泥沙。把清洗好的秸稈放入雙螺桿擠出機(jī)進(jìn)行機(jī)器預(yù)熱，使反應(yīng)倉(cāng)溫度提高。待反應(yīng)倉(cāng)溫度升高后，將配好的不同濃度、不同溫度的堿液加入到雙螺桿擠出機(jī)中進(jìn)行反應(yīng)（2段加催化劑，固液比為1∶2）。將擠出的物料裝入氣動(dòng)脫水機(jī)擠出黑液，加入2倍的水，清洗擠出黑液。合并螺桿與氣動(dòng)脫水機(jī)擠出的黑液，濃縮后調(diào)酸沉降得到木質(zhì)素。處理后的秸稈用于結(jié)構(gòu)分析與酶解制糖。

1.4 小麥秸稈的酶水解

取10.0 g小麥秸稈（原生和預(yù)處理后）加入到2 L水解釜中，加入去離子水，用硫酸調(diào)pH值為4.8后加入15 FPU/g（小麥秸稈）纖維素酶，在50 ℃的恒溫下以150 r/min，水解48 h，定時(shí)取樣，采用HPLC分析糖含量。檢測(cè)器為視差檢測(cè)器，色譜柱為Aminex HPX-87H ion exclusion column（300 mm ×7.8 mm；Bio-Rad Laboratories，Hercules，CA，美國(guó)），流動(dòng)相為50 mol/L稀硫酸，在55 ℃下，洗脫速度為0.6 mL/min。

1.5 分析測(cè)試方法

1.5.1 小麥秸稈組分分析 小麥秸稈的組分分析參照美國(guó)可再生能源實(shí)驗(yàn)室（NREL）標(biāo)準(zhǔn)分析方法進(jìn)行測(cè)定［2］。取0.300 g絕干的小麥秸稈（原生和預(yù)處理后）加入到250 mL螺口瓶中，加入3 mL質(zhì)量分?jǐn)?shù)為72%的濃硫酸，將螺口瓶放入恒溫水浴搖床中30 ℃保溫1 h。反應(yīng)后迅速加入84 mL蒸餾水將硫酸濃度稀釋至4%，放入高壓滅菌鍋中121 ℃反應(yīng)1 h。反應(yīng)結(jié)束后，固液分離，清洗殘?jiān)?，烘干稱(chēng)重后，放入馬弗爐中575 ℃煅燒24 h，稱(chēng)重。采用差量法測(cè)定酸不溶木質(zhì)素與灰分的含量。液相一部分通過(guò)高效液相色譜進(jìn)行糖含量測(cè)定，一部分采用紫外分光光度計(jì)205 nm測(cè)量酸溶木質(zhì)素含量。

1.5.2 小麥秸稈微觀結(jié)構(gòu)的表征 對(duì)預(yù)處理后的樣品進(jìn)行冷凍干燥，可以較好地標(biāo)尺預(yù)處理后樣品的原生結(jié)構(gòu)［3］。采用掃描電鏡（FEI Quanta 200FEG SEM）對(duì)預(yù)處理前后小麥秸稈的表面結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征，操作電壓5 kV，放大500倍。

采用X-射線衍射儀（Rigku ultima IV， 日本）測(cè)定預(yù)處理前后小麥秸稈的結(jié)晶度變化。將小麥秸稈過(guò)篩100目，掃描范圍10~40°，掃描速度為5 °/min。計(jì)算公式如下［4］：

其中：CrI表示結(jié)晶強(qiáng)度；I002表示結(jié)晶區(qū)衍射強(qiáng)度，2θ=22.5°；Iam表示無(wú)定形區(qū)衍射強(qiáng)度，2θ=18.7°。

樣品的紅外光譜（FTIR）采用美國(guó)傅里葉紅外光譜儀（Thermo Scientific Nicolet 6700）采集。采用溴化鉀（KBr）壓片法進(jìn)行采集，取樣品與KBr按質(zhì)量比1∶100均勻混合后研磨制成薄片，圖譜采集范圍4000~500 cm-1。

1.5.3 分離提取的木質(zhì)素表征 木質(zhì)素二維核磁（2D-HSQC）的采集采用德國(guó)Bruker 400 MHz核磁共振儀（Advance 400）采集。取90 mg木質(zhì)素樣品溶解于0.5 mL DMSO-d6中。1H和13C 2個(gè)維度的譜寬分別為5000 Hz和20000 Hz。1H維度采樣點(diǎn)數(shù)為1024次，弛豫時(shí)間1.5 s，累加64次。13C維 度采樣點(diǎn)數(shù)為256次。碳?xì)漶詈铣?shù)為145［5］。采用MestReNova軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

2 結(jié)果與討論

2.1 雙螺桿擠出機(jī)工作原理分析及螺旋結(jié)構(gòu)變化對(duì)纖維的影響

機(jī)械預(yù)處理中的球磨、盤(pán)磨等其基本原理都是采用反復(fù)壓縮/減壓作用使纖維壁疲勞進(jìn)而進(jìn)行纖維的分離，但在減壓過(guò)程中釋放的能量大多轉(zhuǎn)化為熱能，這些熱能可以軟化纖維，與此同時(shí)，當(dāng)溫度超過(guò)木質(zhì)素的玻璃化溫度時(shí)，反而會(huì)使纖維變硬，不利于進(jìn)一步的利用。與常規(guī)的粉碎和磨解預(yù)處理不同，雙螺桿擠壓揉搓預(yù)處理過(guò)程中利用壓縮力和剪切力使生物質(zhì)按軸向分裂纖維化，這種作用力產(chǎn)生的熱量足以軟化木質(zhì)素，而不超過(guò)木質(zhì)素的玻璃化溫度，使纖維解離更多地發(fā)生在S1~S2層間，而不是胞間層。這對(duì)纖維細(xì)胞的初生壁和次生壁有極好的破壞作用，更有利于纖維素酶的酶解。

TEP80型雙螺桿擠壓揉搓機(jī)螺桿采用積木組合式結(jié)構(gòu)，可根據(jù)工藝要求調(diào)整螺桿構(gòu)型，螺桿由多組正壓輸送螺旋與多組反壓磨解螺旋構(gòu)成（圖1）。由于螺桿采用多級(jí)螺旋解離纖維，因此通過(guò)調(diào)整螺旋的開(kāi)口間隙可以控制纖維磨解的粗細(xì)程度。表1為未進(jìn)行化學(xué)催化的中性雙螺桿擠壓預(yù)處理效果，螺旋組合中隨著最小開(kāi)口徑的減小，酶解效果有所提升，主要是因?yàn)殡p螺桿擠壓揉搓纖維，使纖維從細(xì)胞壁中暴露出來(lái)，增大了比表面積（圖2）。但隨著摩擦力的增大，能耗也有所提高，當(dāng)螺旋開(kāi)口減小到6 mm時(shí)，酶解效果并沒(méi)有明顯提高，反而單位處理量下降，因此，優(yōu)選螺旋開(kāi)口徑為8 mm。單純進(jìn)行機(jī)械擠壓預(yù)處理纖維素酶解效果改善有限，主要是因?yàn)槟举|(zhì)素在預(yù)處理過(guò)程中并沒(méi)有脫除，其對(duì)纖維素酶的無(wú)效吸附作用降低了纖維素酶水解纖維的效率［6］。

圖1 雙螺桿示意圖

圖2 預(yù)處理前后秸稈SEM圖

2.2 堿催化雙螺桿擠壓預(yù)處理對(duì)秸稈酶解的影響

中性雙螺桿擠壓雖然能夠有效破壞細(xì)胞壁初生壁與次生壁的解離纖維，但是由于預(yù)處理過(guò)程中半纖維素與木質(zhì)素依然纏繞在纖維表面，影響了纖維素酶與纖維素的有效接觸，因此，纖維素的酶解效果并沒(méi)有大幅提升。堿催化的雙螺桿擠壓預(yù)處理已受到廣泛關(guān)注，由于螺桿擠壓可以有效解離纖維，堿性藥液更容易浸入纖維素內(nèi)部，在擠壓纖維過(guò)程中摩擦產(chǎn)熱也加速了木質(zhì)素大分子的斷裂溶出。

表1 螺旋開(kāi)口對(duì)酶解效果的影響

2.2.1 預(yù)處理后樣品的組分分析 摩擦產(chǎn)熱效應(yīng)預(yù)熱后螺桿機(jī)箱溫度可高達(dá)95 ℃以上，為化學(xué)催化的預(yù)處理提供了充足的熱能。由于螺桿的高速運(yùn)轉(zhuǎn)，物料停留時(shí)間較短，因此，需對(duì)擠出料進(jìn)行保溫反應(yīng)。圖3為不同堿濃度及保溫時(shí)間下堿催化雙螺桿擠壓預(yù)處理后小麥秸稈中纖維素、半纖維素和木質(zhì)素的含量變化圖。如圖3所示，堿催化雙螺桿擠壓預(yù)處理后纖維素的損失不會(huì)超過(guò)10%，主要是因?yàn)槔w維素具有結(jié)晶結(jié)構(gòu)，其致密結(jié)構(gòu)降低了纖維素的降解程度［7］。在堿性條件下，纖維素?fù)p失的主要原因是其還原性末端發(fā)生了剝皮反應(yīng)［8］，又因?yàn)殡p螺桿擠壓揉搓機(jī)能夠解離纖維，產(chǎn)生的微纖維可能會(huì)溶解在濃堿液中，從而導(dǎo)致纖維素部分損失。相對(duì)于纖維素，半纖維素結(jié)構(gòu)疏松，分支多、還原型末端多，因此，在堿性條件下，半纖維素更易產(chǎn)生降解［7］。如圖3所示，相對(duì)于物料擠出后的保留時(shí)間，堿濃度對(duì)半纖維素降解的影響更大。當(dāng)堿濃度由0.2 g/g（小麥秸稈）提升到1.0 g/g時(shí)，剛擠出的物料中半纖維素的保留率由87.6%下降到66.1%。雖然隨著保溫反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)，半纖維素的保留率會(huì)降低，但其影響相對(duì)較小。因此，為了保留更多碳水化合物，需要選擇適宜的堿用量。木質(zhì)素作為圍繞在纖維素周?chē)奈锢砥琳?，其?duì)纖維素酶的無(wú)效吸附作用嚴(yán)重影響了纖維素的酶解效率［6］。之前的研究也證明，木質(zhì)素的脫除率與酶解糖得率存在一定的線性關(guān)系，酶解得糖率隨著木質(zhì)素含量的降低而提高［9］。堿法預(yù)處理是木質(zhì)素脫除最有效地方法之一，在堿性條件下，氫氧根離子可以攻擊木質(zhì)素—碳水化合物復(fù)合結(jié)構(gòu)（LCC）、皂化木質(zhì)素與半纖維素之間的酯鍵，是木質(zhì)素與碳水化合物之間的分離。并且在堿性條件下，木質(zhì)素以陰離子形式存在，也利于其分離溶出［10］。同時(shí)，由于螺桿擠壓可以有效地解離纖維，堿性藥液更容易浸入纖維素內(nèi)部，在擠壓纖維過(guò)程中摩擦產(chǎn)熱也加速了木質(zhì)素大分子的斷裂溶出。因此，如圖3所示，在合適的堿用量條件下，堿催化雙螺桿擠壓預(yù)處理可高效地脫除木質(zhì)素（超過(guò)80%）。雖然較高的堿用量可以加速木質(zhì)素的分離，但后期堿處理壓力大，所以采用較低的堿用量，適當(dāng)延長(zhǎng)擠出后的保溫反應(yīng)時(shí)間更經(jīng)濟(jì)劃算。

圖3 不同預(yù)處理?xiàng)l件下纖維素和半纖維素的保留率及木質(zhì)素脫除率

2.2.2 預(yù)處理后樣品的酶解評(píng)價(jià) 堿催化雙螺桿擠壓預(yù)處理后，小麥秸稈通過(guò)纖維素酶水解得到六碳糖與五碳糖的混合糖液可用于下游發(fā)酵工業(yè)生產(chǎn)生物能源和生物基化學(xué)品。圖4為不同預(yù)處理?xiàng)l件下纖維素與半纖維素酶水解48 h后的轉(zhuǎn)化率。相對(duì)于原生小麥秸稈和單純雙螺桿擠壓預(yù)處理后秸稈的酶解效果，堿催化雙螺桿擠壓預(yù)處理后，纖維素的酶解效果得到顯著改善。如圖4所示，隨著堿用量的提高，纖維素的轉(zhuǎn)化率大幅提高。例如，當(dāng)堿用量由0.02 g/g干秸稈提高到0.1 g/g時(shí)，剛擠出的物料中纖維素的酶解轉(zhuǎn)化率由41.1%提高到了80.3%。TEP80型雙螺桿擠出機(jī)為高轉(zhuǎn)速擠出機(jī)，因此，物料在反應(yīng)倉(cāng)中停留的時(shí)間較短，進(jìn)而后續(xù)的保溫反應(yīng)可以使化學(xué)藥液與木質(zhì)纖維素充分反應(yīng)。保溫反應(yīng)1 h在不同堿用量條件下，纖維素酶解轉(zhuǎn)化率都明顯提高， 特別是當(dāng)堿用量為0.06 g/g時(shí)，保溫1 h后纖維素的轉(zhuǎn)化率由66.2%上升到87.7%。纖維素酶解轉(zhuǎn)化率與木質(zhì)素的脫除率呈正相關(guān)，增大堿用量與延長(zhǎng)保溫時(shí)間都有利于木質(zhì)素的脫除，因此，纖維素的轉(zhuǎn)化率也會(huì)相應(yīng)提高。但是，當(dāng)保溫反應(yīng)時(shí)間延長(zhǎng)超過(guò)3 h時(shí)，木質(zhì)素的脫除率不會(huì)發(fā)生太大變化（圖3），所以纖維素的轉(zhuǎn)化率也不會(huì)有較大提高。

圖4 預(yù)處理后纖維素與半纖維素的轉(zhuǎn)化率

由于螺桿擠壓解離纖維與堿催化脫除木質(zhì)素的協(xié)同作用，剛擠出物料中半纖維素的轉(zhuǎn)化率也隨著堿用量的提高而提高。當(dāng)堿用量低于0.08 g/g時(shí)，隨著保溫反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)，半纖維素的轉(zhuǎn)化率明顯提高；當(dāng)堿用量大于等于0.08 g/g時(shí)，半纖維素的轉(zhuǎn)化率隨著保溫反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)不僅沒(méi)有明顯提高反而會(huì)下降，這主要是因?yàn)榕c纖維素相比，半纖維素的保留率受堿用量影響更大。因此，即使在較高堿用量條件下，剛擠出物料的半纖維素轉(zhuǎn)化率較高，但隨著保溫反應(yīng)的進(jìn)行，堿用量較低的物料也會(huì)達(dá)到理想效果。以酶解總糖得率和預(yù)處理經(jīng)濟(jì)性為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)堿用量為0.06 g/g、保溫反應(yīng)時(shí)間為1 h時(shí)，纖維素和半纖維素的水解率分別為87.7%和75.2%，總糖得率能達(dá)到83%。

2.3 預(yù)處理前后小麥秸稈的表征

掃描電鏡（SEM）可以有效提供小麥秸稈處理前后表面的結(jié)構(gòu)信息。如圖5所示，堿催化雙螺桿擠壓預(yù)處理可以有效地解離纖維，使纖維變細(xì)，但并不能使纖維完全分離成單根纖維，這些結(jié)構(gòu)上的變化主要是一級(jí)和少量的二級(jí)破碎［11］。但更重要的一點(diǎn)是，雙螺桿擠出機(jī)可以充當(dāng)高效的混合器，使化學(xué)藥液充分滲透到纖維內(nèi)部，從而改變木質(zhì)纖維的化學(xué)組成及表面結(jié)構(gòu)。因此，如圖5所示，原生小麥秸稈的表面結(jié)構(gòu)光滑、致密，結(jié)構(gòu)有序，嚴(yán)重阻礙了纖維素酶與纖維素的接觸。而采用0.02 g/g堿催化反應(yīng)時(shí)，纖維表面開(kāi)始變得粗糙和松動(dòng)，但其表面依然覆蓋了大量木質(zhì)素。當(dāng)堿用量提高到0.06 g/g時(shí)，纖維素的結(jié)構(gòu)基本暴露出來(lái)，并且變得粗糙無(wú)規(guī)則。因此，堿用量為0.06 g/g時(shí)，纖維素能夠取得更好的酶解效果。

由于纖維素大分子中存在大量羥基，使得纖維素分子的分子內(nèi)和分子間存在大量氫鍵。纖維素的聚集態(tài)結(jié)構(gòu)是由結(jié)晶區(qū)和無(wú)定形區(qū)交錯(cuò)鏈接形成的。通過(guò)X射線衍射可以測(cè)定纖維素的結(jié)晶結(jié)構(gòu)，了解堿催化雙螺桿擠壓預(yù)處理過(guò)程中秸稈中的纖維素結(jié)晶結(jié)構(gòu)的變化。預(yù)處理前后小麥秸稈的X射線衍射圖如圖6所示，纖維素的結(jié)晶結(jié)構(gòu)并未發(fā)生變化，依然呈現(xiàn)Ⅰ型纖維素結(jié)構(gòu)。當(dāng)采用較低堿濃度（0.02 g/g）預(yù)處理后，小麥秸稈的結(jié)晶度（CI）未發(fā)生明顯變化，由46.6%上升到48.6%；當(dāng)采用0.06 g/g堿預(yù)處理時(shí)，秸稈結(jié)晶度明顯提高到57.9%。通常來(lái)講，植物原料的結(jié)晶度受原料化學(xué)組成的影響，主要與纖維素的相對(duì)含量有關(guān)。預(yù)處理后秸稈的結(jié)晶度提高，可能是與大部分的木質(zhì)素、部分半纖維素和少量無(wú)定型纖維素的分離脫除相關(guān)。雖然雙螺桿擠壓處理可以解離纖維素，但并沒(méi)有改變纖維素的微晶結(jié)構(gòu)，所以雙螺桿擠壓處理只能提高纖維素比表面積，并且增強(qiáng)木質(zhì)素的分離。通過(guò)BET測(cè)試，對(duì)比原生小麥秸稈與0.06 g/g堿催化螺桿擠壓預(yù)處理后的秸稈發(fā)現(xiàn)，比表面積由1.05提高到了1.91 m2/g，孔容由0.0048 增加至0.0082 cm3/g。因此，小麥秸稈表面結(jié)構(gòu)（比表面積、孔體積、孔徑分布）的變化，更有利于纖維素酶與纖維素的接觸，從而提高酶解得糖率［12-13］。

圖5 預(yù)處理前后秸稈的電鏡照片

圖6 預(yù)處理前后秸稈XRD和紅外圖譜

圖6為處理前后小麥秸稈的紅外表征圖。3300 ~3400 cm-1代表纖維素、半纖維素和木質(zhì)素中羥基（-OH）的吸收峰，2900 cm-1為甲基和亞甲基中的C-H鍵的吸收峰。圖6中1504 cm-1為木質(zhì)素芳香環(huán)骨架的吸收峰，預(yù)處理后其強(qiáng)度降低，說(shuō)明木質(zhì)素在預(yù)處理后的秸稈中含量降低，且隨著堿用量的提高使其信號(hào)強(qiáng)度減弱。1160 cm-1、1030 cm-1與895 cm-1分別代表纖維素中C-O-C、第一和第二的C-O-H與β-1，4-糖苷鍵的吸收峰，相對(duì)于原生秸稈預(yù)處理后秸稈吸收強(qiáng)度的增強(qiáng)，說(shuō)明纖維素的含量明顯上升。紅外表征的結(jié)果與圖5一致。

2.4 提取的木質(zhì)素的結(jié)構(gòu)表征

如上文所述，獲得高質(zhì)量的木質(zhì)素，開(kāi)發(fā)其潛在的應(yīng)用價(jià)值已經(jīng)成為生物能源開(kāi)發(fā)利用的戰(zhàn)略支撐點(diǎn)，而且已經(jīng)受到廣泛關(guān)注，因此，對(duì)木質(zhì)素物理結(jié)構(gòu)的研究就顯得至關(guān)重要。由于酶解木質(zhì)素被譽(yù)為最接近天然木質(zhì)素的工業(yè)木質(zhì)素［14］，因此，本文選取酶解木質(zhì)素作為對(duì)比進(jìn)行分析。

通過(guò)二維核磁（HSQC）對(duì)酶解木質(zhì)素和螺桿抽提堿木質(zhì)素的結(jié)構(gòu)進(jìn)行進(jìn)一步解析。圖7和表2為二維核磁的分析圖譜及具體的信號(hào)坐標(biāo)。木質(zhì)素的二維核磁信號(hào)通常分為側(cè)鏈區(qū)（δC/δH50~90/2.5~6.0）和芳環(huán)區(qū)（δC/δH100~150/5.0~ 8.5）。木質(zhì)素的主要結(jié)構(gòu)單元（G、S、H）和各種結(jié)構(gòu)單元的鏈接鍵（β-O-4’、β-5’、α-O-4’等）都可以通過(guò)二維核磁進(jìn)行表征。如圖7所示，在木質(zhì)素的側(cè)鏈區(qū)，甲氧基為主要信號(hào)峰（δC/δH55.58/3.75）。β-O-4’結(jié)構(gòu)為木質(zhì)素的主要連接結(jié)構(gòu)，主要是因?yàn)橐荒晟荼局参锷L(zhǎng)過(guò)程中木質(zhì)素難于生成碳碳鍵結(jié)構(gòu)。堿催化雙螺桿擠壓預(yù)處理提取的木質(zhì)素側(cè)鏈區(qū)存在木聚糖的信號(hào)，說(shuō)明預(yù)處理脫木質(zhì)素的過(guò)程中會(huì)伴隨少量半纖維素的降解。

在HSQC的芳環(huán)區(qū)，愈創(chuàng)木基（G）、紫丁香基（S）和對(duì)羥苯基（H）的信號(hào)都清晰可見(jiàn)。此外，還存在α位氧化的紫丁香結(jié)構(gòu)（S’）、對(duì)香豆酸（pCA）結(jié)構(gòu)和阿魏酸（FA）結(jié)構(gòu)。S結(jié)構(gòu)的C2，6-H2，6相關(guān)信 號(hào) 出 現(xiàn) 在δC/δH103.67/6.69 ppm，而S’的C2，6-H2，6相關(guān)信號(hào)卻出現(xiàn)在δC/δH104.67/7.31 ppm，但是在酶解木質(zhì)素中未出現(xiàn)S’結(jié)構(gòu)，可能是因?yàn)槔w維素酶在酶解過(guò)程中會(huì)破壞S’結(jié)構(gòu)。G結(jié)構(gòu)單元的C2-H2、C5-H5、C6-H6的相關(guān)信號(hào)分別出現(xiàn)在δC/δH110.85/6.98、δC/δH115.45/6.77、δC/δH118.76/6.80 ppm。H結(jié) 構(gòu) 的C2，6-H2，6相 關(guān) 信 號(hào) 出現(xiàn) 在δC/δH127.40/7.21 ppm。但 是，H結(jié) 構(gòu) 的C3，5-H3，5相關(guān)信號(hào)并不明顯，主要是因?yàn)榕cG結(jié)構(gòu)的C5-H5相關(guān)信 號(hào)重疊［3］。pCA的C2，6-H2，6、C3，5-H3，5分別出現(xiàn)在δC/δH129.94/7.56、δC/δH114.86/6.66 ppm，并且C3，5-H3，5與G結(jié)構(gòu)的信號(hào)有部分重疊。通過(guò)二維核磁半定量分析發(fā)現(xiàn)，螺桿抽提堿木質(zhì)素中H單元比例明顯下降且S/G比例明顯增大，說(shuō)明木質(zhì)素分離過(guò)程中H單元和G單元更易從木質(zhì)素大分子中斷裂。pCA的Cα-Hα、Cβ-Hβ出現(xiàn)在δC/δH144.18/7.51、δC/δH114.07/6.36 ppm。FA的主要結(jié)構(gòu)同樣被標(biāo)定出，C2-H2、C6-H6、Cβ-Hβ分別出現(xiàn)在δC/δH116.40/6.37、δC/δH122.12/7.10、δC/δH116.40/6.37 ppm。通過(guò)核磁對(duì)木質(zhì)素結(jié)構(gòu)單元進(jìn)行定量分析發(fā)現(xiàn)，H、pCA和FA單元結(jié)構(gòu)所占比例明顯下降，可能是因?yàn)閴A水解了阿魏酸、香豆酸與木質(zhì)素之間的酯鍵，導(dǎo)致了木質(zhì)素大分子結(jié)構(gòu)上部分H單元結(jié)構(gòu)的損失。從圖7還能發(fā)現(xiàn)不飽和脂肪酸U的結(jié)構(gòu)信號(hào)為δC/δH129.38/5.31 ppm。

圖7 酶解木質(zhì)素和堿木質(zhì)素二維核磁圖

2.5 物料衡算與不同預(yù)處理手段能量輸入對(duì)比

圖8為在最優(yōu)條件下進(jìn)行預(yù)處理實(shí)驗(yàn)的物料衡算及與常規(guī)預(yù)處理方法能量輸入對(duì)比。采用的預(yù)處理?xiàng)l件為：堿催化劑用量為0.06 g/g干小麥秸稈，保溫反應(yīng)時(shí)間為1 h。反應(yīng)后擠出黑液，清洗固渣后再擠出黑液，對(duì)固渣進(jìn)行酶解。合并濃縮黑液，然后噴霧干燥濃縮黑液得到木質(zhì)素。從1 t小麥秸稈中，能得到342 kg六碳糖和173 kg五碳糖，總糖得率能達(dá)到83%，得到的木質(zhì)素純度大約為72%。目前，已經(jīng)有多種預(yù)處理方式應(yīng)用于工業(yè)或中式生產(chǎn)并且各有優(yōu)劣，但是預(yù)處理過(guò)程中都會(huì)涉及能量的輸入（電能、熱能等）。通過(guò)對(duì)比機(jī)械研磨（球磨、盤(pán)磨）［15］、蒸汽爆破［16］、高溫水蒸煮［17］、高溫堿蒸煮［18］、亞硫酸鹽蒸煮—盤(pán)磨［19］等預(yù)處理手段的噸能量輸入，堿催化雙螺桿擠壓能量輸入最低（僅靠電能無(wú)需外部熱能輸入）。因此，堿催化雙螺桿擠壓對(duì)用于木質(zhì)素纖維素類(lèi)生物質(zhì)預(yù)處理組分分離有良好的前景技術(shù)手段。

表2 木質(zhì)素13C-1H相關(guān)的二維HSQC核磁的譜圖信號(hào)歸屬

3 結(jié)論

本文通過(guò)堿催化雙螺桿動(dòng)態(tài)擠壓預(yù)處理技術(shù)進(jìn)行了中試水平小麥秸稈預(yù)處理實(shí)驗(yàn)，考察了螺旋組合中最小螺旋開(kāi)口對(duì)解離纖維和酶解制糖的效果。從能耗與得糖率的角度進(jìn)行了分析和評(píng)價(jià)，當(dāng)螺旋最小開(kāi)口為8 mm時(shí)，效果最優(yōu)。堿性催化劑可以有效提高雙螺桿動(dòng)態(tài)擠壓預(yù)處理后秸稈的酶解效率，因?yàn)閴A性催化劑可以加速木質(zhì)素的降解溶出，降低木質(zhì)素對(duì)纖維素酶的無(wú)效吸附作用。當(dāng)堿用量為0.06 g/g干秸稈、保溫時(shí)間為1 h時(shí)，總得糖率最高，超過(guò)80%。通過(guò)對(duì)分離提取的木質(zhì)素進(jìn)行結(jié)構(gòu)表征發(fā)現(xiàn)，其化學(xué)結(jié)構(gòu)保留良好，僅有部分木質(zhì)素結(jié)構(gòu)中的酯鍵水解，少量H結(jié)構(gòu)單元與G結(jié)構(gòu)單元降解。主要因?yàn)閴A催化雙螺桿動(dòng)態(tài)擠壓預(yù)處理秸稈過(guò)程中未進(jìn)行高溫加熱，堿性降解程度較低，所以這種木質(zhì)素更易于后期高值化利用。通過(guò)對(duì)不同預(yù)處理方式的能量輸入及預(yù)處理效果進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)，堿催化雙螺桿動(dòng)態(tài)擠壓技術(shù)預(yù)處理木質(zhì)素纖維素類(lèi)生物質(zhì)具有很好的應(yīng)用前景。

圖8 堿催化雙螺桿擠壓預(yù)處理物料衡算與能量輸入對(duì)比