對甲基苯磺酸預(yù)處理玉米秸稈動(dòng)力學(xué)及酶解特性研究

陳 力 匡奕山 張 希，3 李 軍，*

（1.華南理工大學(xué)制漿造紙工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東廣州，510641；2.長沙理工大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，湖南長沙，410114；3.濟(jì)南圣泉集團(tuán)股份有限公司，山東濟(jì)南，250204）

玉米秸稈等非木質(zhì)纖維素資源是一種重要的可再生資源，其來源廣、年產(chǎn)量大。開發(fā)利用非木質(zhì)纖維素資源不僅可以緩解能源短缺，還可以減少因化石燃料使用帶來的環(huán)境問題[1]。由于玉米秸稈等植物資源具有天然的頑抗結(jié)構(gòu)，在對其進(jìn)行轉(zhuǎn)化利用前通常需要進(jìn)行預(yù)處理。通過預(yù)處理對玉米秸稈進(jìn)行高效清潔組分分離，再對其中的纖維素和半纖維素進(jìn)行轉(zhuǎn)化利用是目前主流的開發(fā)利用流程。目前，預(yù)處理方法種類繁多，如稀酸處理、堿處理、有機(jī)溶劑處理、離子液體處理、蒸汽爆破、生物降解等[2-4]。其中稀酸處理和蒸汽爆破對設(shè)備要求較高，預(yù)處理后的抑制物濃度較高；堿處理后的廢液處理難度大；有機(jī)溶劑處理時(shí)毒性較大；離子液體處理的成本高，廢液難回收；生物預(yù)處理的周期較長，不利于工業(yè)化應(yīng)用[2-4]。

對甲基苯磺酸（p-TsOH）預(yù)處理是一種新的有機(jī)酸預(yù)處理方法[5-6]，該方法不僅操作簡單，而且可以在溫和條件（反應(yīng)溫度低于100℃和常壓）下，同時(shí)脫除木質(zhì)素和半纖維素，并對纖維素的降解較小。此外，由于低溫下p-TsOH 在水中的溶解度較低，反應(yīng)后預(yù)處理液中的p-TsOH 組分可以進(jìn)行重結(jié)晶回收利用[5]。因此，p-TsOH 預(yù)處理被認(rèn)為是一種高效、經(jīng)濟(jì)、綠色的預(yù)處理方法。Chen 等人[5]使用p-TsOH 預(yù)處理?xiàng)钅?，發(fā)現(xiàn)p-TsOH 可以在低溫下（≤80℃）將楊木中木質(zhì)素脫除90%左右；Ma 等人[7]使用p-TsOH 預(yù)處理小麥秸稈制備了木質(zhì)素納米材料，并通過脫木素因子（CDF）[6,8]和聯(lián)合水解因子（CHF）[6,8-9]對p-TsOH預(yù)處理小麥秸稈中組分脫除動(dòng)力學(xué)進(jìn)行了研究。然而關(guān)于p-TsOH 預(yù)處理對玉米秸稈等農(nóng)業(yè)廢棄物資源組分分離及其反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的研究報(bào)道較少。

本研究采用p-TsOH 預(yù)處理玉米秸稈，研究了3 個(gè)預(yù)處理因素（p-TsOH 質(zhì)量分?jǐn)?shù)、水解溫度和水解時(shí)間）對玉米秸稈中三大組分分離的影響；通過SIMCA 軟件分析3個(gè)因素對木質(zhì)素和半纖維素脫除的影響，擬合得到木質(zhì)素和半纖維素含量的回歸方程。進(jìn)一步使用兩相模型，引入CDF 和CHF，對預(yù)處理過程木質(zhì)素和半纖維素脫除動(dòng)力學(xué)進(jìn)行研究，并探究了預(yù)處理后殘?jiān)拿附馓匦?。本研究旨在?shí)現(xiàn)溫和的預(yù)處理?xiàng)l件下玉米秸稈組分的快速、高效分離，為非木質(zhì)纖維素高效轉(zhuǎn)化利用提供數(shù)據(jù)支撐和理論指導(dǎo)。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 材料

玉米秸稈（全稈）產(chǎn)地為陜西省定邊縣。對甲基苯磺酸一水合物（p-TsOH·H2O，質(zhì)量分?jǐn)?shù)99.0%）、四環(huán)素、檸檬酸、檸檬酸鈉均購于阿拉丁試劑公司。纖維素酶（C2730）購于諾維信公司，采用濾紙酶活法[10]測定酶活為160 FPU/g。

1.2 p-TsOH預(yù)處理玉米秸稈組分分離

p-TsOH 預(yù)處理玉米秸稈工藝中的3 個(gè)預(yù)處理因素具體實(shí)驗(yàn)條件為：p-TsOH 質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%～70%，水解溫度35～95℃，水解時(shí)間20～100 min。具體的預(yù)處理?xiàng)l件按照表1中設(shè)計(jì)以進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

預(yù)處理實(shí)驗(yàn)：將200 mL 質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%的p-TsOH溶液加入500 mL 錐形瓶后置于恒溫水浴鍋中，待溶液溫度達(dá)到預(yù)定值后，攪拌速率設(shè)定為300 r/min，將研磨后10 g（絕干）玉米秸稈粉末加入錐形瓶中，并開始計(jì)時(shí)。到達(dá)預(yù)定水解時(shí)間后，趁熱使用G2 砂芯濾器進(jìn)行真空抽濾，收集濾出水解液，使用大量蒸餾水洗滌預(yù)處理后殘?jiān)料礈煲簽橹行?。取少量預(yù)處理后殘?jiān)謩e進(jìn)行冷凍干燥（-50℃，48 h）和真空干燥（45℃，24 h）。水解液中溶解的木質(zhì)素通過稀釋沉淀法回收利用、p-TsOH 通過減壓蒸餾結(jié)晶后回用，而水解液中的半纖維素降解產(chǎn)物（如戊糖和糠醛等）通過膜過濾分離法回收[10-12]。

1.3 預(yù)處理后玉米秸稈殘?jiān)拿附饪杉靶?/h3>

預(yù)處理后玉米秸稈三大組分含量發(fā)生了變化，進(jìn)一步研究了預(yù)處理后不同組分含量的玉米秸稈殘?jiān)拿附饪杉靶?，具體酶解工藝[13]為：將經(jīng)冷凍干燥的50 mg（絕干）預(yù)處理后玉米秸稈殘?jiān)?00 μg 四環(huán)素依次加入空氣搖床中的30 mL 錐形瓶里，計(jì)算并加入適量的pH 值=4.8 的檸檬酸-檸檬酸鈉緩沖溶液使得最終酶水解反應(yīng)體系溶液總體積為10 mL。升溫至50℃后，加入15 FPU/g（以纖維素質(zhì)量計(jì)）的纖維素酶解液并開始計(jì)時(shí)，搖床轉(zhuǎn)速為200 r/min，酶解時(shí)間為72 h。反應(yīng)結(jié)束后，將酶解錐形瓶置于沸水中并保持5 min，使纖維素酶失活。滅活后的酶解液在4000 r/min 下離心5 min，上清液中葡萄糖濃度通過生物傳感分析儀（SBA-40D，山東省科學(xué)院生物研究所）測量。纖維素酶解得率按式（1）計(jì)算。

1.4 分析與檢測

1.4.1 玉米秸稈三大組分含量分析

玉米秸稈和p-TsOH 預(yù)處理后殘?jiān)睦w維素（以聚葡萄糖含量計(jì)）、半纖維素（以聚木糖、聚阿拉伯糖等聚糖含量之和計(jì)）和木質(zhì)素含量采用美國能源部NREL 方法測定[14-15]。預(yù)處理后殘?jiān)欣w維素保留率計(jì)算見式（2）、木質(zhì)素保留率計(jì)算見式（3）、半纖維素保留率計(jì)算見式（4）。

1.4.2 結(jié)晶特性分析

預(yù)處理前后玉米秸稈的結(jié)晶特性使用X射線衍射儀（XRD，D8-ADVANCE，德國布魯克公司）測量。結(jié)晶指數(shù)（Crystallinity Index，CrI）由式（5）[16-17]計(jì)算。

式中，CrI 為結(jié)晶指數(shù)，%；I200為2θ=22.5°處的衍射信號(hào)強(qiáng)度；Iam為2θ=18°處的衍射信號(hào)強(qiáng)度。

1.4.3 微觀形貌觀察

通過場發(fā)射掃描電子顯微鏡（FESEM，SU500，日本日立公司）觀察預(yù)處理前后玉米秸稈的表面微觀形貌：取少量冷凍干燥后樣品貼在導(dǎo)電膠上，經(jīng)過高真空離子濺射儀（Q150T ES，英國Quorum Technologies Ltd）噴涂鉑金后測試。

1.4.4 表面組成成分分析

預(yù)處理前后玉米秸稈的表面組成與其酶解性能緊密相關(guān)，測試樣品經(jīng)過丙酮抽提后，通過X射線光電子能譜儀（XPS，Axis Ultra DLD，英國Kratos 公司）分析其表面組成。表面木質(zhì)素含量由式（6）計(jì)算[18]。

式中，φ木質(zhì)素為表面木質(zhì)素含量，%；(O/C)抽提為丙酮抽提后的O/C 比；(O/C)碳水化合物為碳水化合物的O/C 比，為0.833；(O/C)木質(zhì)素為木質(zhì)素的O/C 比，為0.333。

2 結(jié)果與討論

2.1 p-TsOH預(yù)處理玉米秸稈殘?jiān)M分含量分析

不同預(yù)處理工藝后玉米秸稈殘?jiān)娜蠼M分含量見表1。由表1 可知，p-TsOH 預(yù)處理對玉米秸稈三大組分影響較大：當(dāng)p-TsOH 質(zhì)量分?jǐn)?shù)、水解溫度和水解時(shí)間3個(gè)因素其中之一不斷增大時(shí)，預(yù)處理后殘?jiān)邪肜w維素含量和木質(zhì)素含量均隨之降低；纖維素含量則不斷增加。木質(zhì)素含量從初始18.9%下降至最低3.4%，半纖維素含量從初始21.6%下降至最低6.6%，纖維素含量從初始40.5%增至最高77.4%。

表1 p-TsOH預(yù)處理玉米秸稈后殘?jiān)娜蠼M分含量Table 1 Content of three main components of p-TSOH hydrolyzed cornstalk residues

隨著p-TsOH 質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，木質(zhì)素和半纖維素保留率逐漸降低，在p-TsOH 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為70%時(shí)，木質(zhì)素和半纖維素的保留率分別為7.7%和18.0%，這與前人的研究結(jié)果一致[19]。這可能是因?yàn)殡S著p-TsOH 質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，其對半纖維素的降解作用加強(qiáng)。同時(shí)由于p-TsOH 具有表面活性劑的結(jié)構(gòu)特性，形成了大量膠束使得木質(zhì)素的溶解度增加[6]。其中，木質(zhì)素保留率在p-TsOH 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%時(shí)出現(xiàn)轉(zhuǎn)折。p-TsOH 質(zhì)量分?jǐn)?shù)從10%增加至50%，木質(zhì)素保留率快速降低，p-TsOH 質(zhì)量分?jǐn)?shù)從50%增加至70%，木質(zhì)素保留率的降低變得平緩。這說明當(dāng)p-TsOH 質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過50%后，繼續(xù)增加p-TsOH 質(zhì)量分?jǐn)?shù)對木質(zhì)素脫除率的提高效率降低。因此，選擇p-TsOH 質(zhì)量分?jǐn)?shù)50%較為適宜。隨著預(yù)處理p-TsOH 質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，纖維素保留率基本保持不變，在81%左右波動(dòng)。這說明p-TsOH 質(zhì)量分?jǐn)?shù)對纖維素的降解沒有明顯影響，這有利于預(yù)處理過程中纖維素組分的保留。

隨著水解時(shí)間從20 min增加至100 min，纖維素、半纖維素和木質(zhì)素保留率變化均不大，分別在82%、23%和14%左右波動(dòng)。這可能是因?yàn)閜-TsOH 對非木質(zhì)纖維素的水解反應(yīng)速率較快，在較短的處理時(shí)間內(nèi)即可完成主要水解反應(yīng)。

水解溫度對木質(zhì)素和半纖維素保留率的影響較大，而對纖維素保留率的影響較小。當(dāng)水解溫度從35℃升至95℃時(shí)，木質(zhì)素和半纖維素保留率分別降低至10.0%和13.0%，纖維素保留率為81.0%，這說明水解溫度對木質(zhì)素和半纖維素的脫除作用較明顯，而對纖維素的降解作用較為有限。盡管升高溫度會(huì)降解部分纖維素，但可以較大程度脫除半纖維素和木質(zhì)素。然而，若將水解溫度提高至100℃以上，則會(huì)超過溶液的沸點(diǎn)，需要使用壓力容器，同時(shí)能耗更高。因此，綜合考慮預(yù)處理效率、成本及安全性，采用最高水解溫度95℃較為適宜。

進(jìn)一步通過SIMCA軟件[20]系統(tǒng)分析了預(yù)處理因素對玉米秸稈中木質(zhì)素和半纖維素脫除的影響，擬合分析結(jié)果如表2 所示。3 個(gè)因素對木質(zhì)素和半纖維素的解釋系數(shù)（＞0.85）和預(yù)測系數(shù)（＞0.5）都較高，說明擬合得到模型的解釋和預(yù)測能力均較好。同時(shí)，擬合過多變量后預(yù)測系數(shù)開始下降，說明繼續(xù)增加擬合變量可能會(huì)造成過擬合。當(dāng)變量對因變量的重要性大于1時(shí)，則說明其對因變量的影響是顯著的?？傻贸鰌-TsOH 質(zhì)量分?jǐn)?shù)和水解溫度對木質(zhì)素的脫除有顯著影響，水解溫度對半纖維素的脫除有顯著影響（見表2）。最終得到預(yù)處理后殘?jiān)心举|(zhì)素含量（Lresidue）和預(yù)處理后半纖維素的含量（Hresidue）的回歸方程分別見式（7）和式（8）。

表2 3因素對木質(zhì)素和半纖維素的偏最小二乘法擬合分析結(jié)果Table 2 Results of partial least squares fitting analysis of 3 factors on lignin and hemicellulose

式中，Lresidue為預(yù)處理后殘?jiān)心举|(zhì)素的含量，%；Hresidue為預(yù)處理后半纖維素的含量，%；P為p-TsOH質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；T為水解溫度，℃；t為水解時(shí)間，min。

綜合分析可知，p-TsOH 預(yù)處理可以同時(shí)脫除玉米秸稈中的木質(zhì)素和半纖維素，而對纖維素組分的水解作用較弱（纖維素保留率大于80%）（見表1）。SIMCA 軟件分析結(jié)果可以解釋部分信息并可以作為經(jīng)驗(yàn)公式來預(yù)測實(shí)驗(yàn)結(jié)果，但此分析較為簡單并且對于木質(zhì)素和半纖維素在預(yù)處理過程中的降解和遷移過程不能給出很好的解釋。因此，進(jìn)一步通過兩相模型，并引入CDF 和CHF 來研究p-TsOH 預(yù)處理過程中玉米秸稈木質(zhì)素和半纖維素的水解脫除過程。

2.2 p-TsOH 預(yù)處理玉米秸稈中木質(zhì)素和半纖維素脫

除動(dòng)力學(xué)

為了研究預(yù)處理玉米秸稈中木質(zhì)素和半纖維素脫除過程，基于前人研究結(jié)果，采用CDF 和CHF 來表述3個(gè)預(yù)處理因素對木質(zhì)素脫除和半纖維素脫除過程的影響。

CDF計(jì)算見式（9）。

LR計(jì)算見式（10）。

CHF計(jì)算見式（11）。

HR計(jì)算見式（12）。

式中，LR為木質(zhì)素保留率，HR為半纖維素保留率；θ和θ′分別為預(yù)處理過程中容易脫除的木質(zhì)素和半纖維素占比；θR和θ′R分別為預(yù)處理中不易脫除的木質(zhì)素占比和半纖維素占比；f為木質(zhì)素脫除快反應(yīng)與慢反應(yīng)的速率常數(shù)之比，f′為半纖維素脫除快反應(yīng)與慢反應(yīng)的速率常數(shù)之比；C為p-TsOH 的摩爾濃度，mol/L；t為水解時(shí)間，min；R 為氣體常數(shù)，8.314 J/(mol·K)；T為水解溫度，K；α、α′、β和β′為可調(diào)參數(shù)；E和E′分別為木質(zhì)素脫除反應(yīng)和半纖維素脫除反應(yīng)的表觀活化能，J/mol。

將表1 的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)代入上述模型中，求解得到各參數(shù)值見表3。結(jié)果表明，p-TsOH 預(yù)處理玉米秸稈中較難脫除的木質(zhì)素和半纖維素的比例較?。ň∮?5%）；木質(zhì)素脫除反應(yīng)活化能為66.5 kJ/mol，半纖維素脫除反應(yīng)活化能為50.5 kJ/mol，這也說明p-TsOH 預(yù)處理玉米秸稈的反應(yīng)速率較快，且容易受到溫度影響。

表3 木質(zhì)素和半纖維素脫除的擬合參數(shù)值Table 3 Fitting parameters of the removal of lignin and hemicellulose

最終擬合得到預(yù)處理后殘?jiān)心举|(zhì)素脫除的動(dòng)力學(xué)方程見式（13）和式（14）。

預(yù)處理后殘?jiān)邪肜w維素脫除的動(dòng)力學(xué)方程見式（15）和式（16）。

玉米秸稈預(yù)處理后殘?jiān)心举|(zhì)素保留率的實(shí)測值與理論值隨CDF 的變化一致，說明擬合得到的p-TsOH 預(yù)處理玉米秸稈的木質(zhì)素脫除模型較好（R2為0.9342，見圖1（a））。木質(zhì)素保留率隨CDF 的增大，表現(xiàn)為先迅速下降后緩慢下降；曲線在CDF 值為1500 min·mol/L 處出現(xiàn)轉(zhuǎn)折，0～1500 min·mol/L 屬于快速脫木質(zhì)素階段；1500～15000 min·mol/L 屬于慢反應(yīng)階段。

圖1 p-TsOH預(yù)處理玉米秸稈的CDF和CHF曲線Fig.1 CDF and CHF curves of cornstalk pretreated by p-TsOH

玉米秸稈預(yù)處理后殘?jiān)邪肜w維素保留率的實(shí)測值與理論值CHF 的變化一致，說明擬合得到的p-TsOH 預(yù)處理玉米秸稈的半纖維素脫除模型較好（R2為0.9027，見圖1（b））。半纖維素保留率隨CHF的增大，也呈現(xiàn)出先迅速下降后緩慢下降的趨勢。曲線在CHF 為100 min·mol/L 附近出現(xiàn)轉(zhuǎn)折，當(dāng)CHF＜100 min·mol/L 時(shí)，半纖維素的保留率＞33%，CHF＞300 min·mol/L時(shí)，半纖維素的保留率＜23%。

2.3 預(yù)處理后玉米秸稈表面微觀形貌和結(jié)晶性能分析

為了考察p-TsOH 預(yù)處理對玉米秸稈表面破壞情況，通過SEM 觀察了玉米秸稈和兩種p-TsOH 水解工藝（P50T65t40、P50T95t40）處理后殘?jiān)谋砻嫖⒂^形貌（見圖2）。由圖2 可知，玉米秸稈表面較光滑，結(jié)構(gòu)較為致密。通過溫和條件（P50T65t40，CDF=947 min·mol/L）預(yù)處理后，原料結(jié)構(gòu)被打開，纖維開始初步解聚，表面被破壞并出現(xiàn)孔洞結(jié)構(gòu)。在較為劇烈條件（P50T95t40，CDF=6513 min·mol/L）處理后，原料結(jié)構(gòu)被嚴(yán)重破壞，原料解離為小的纖維束，纖維表面變得粗糙。這說明隨著預(yù)處理?xiàng)l件的加劇，非木質(zhì)纖維原料的致密結(jié)構(gòu)被破壞而變得松散，更多的纖維得以暴露，這些都有利于后續(xù)酶的接觸和吸附。

圖2 玉米秸稈經(jīng)不同預(yù)處理工藝的FESEM圖Fig.2 FESEM images of cornstalk by different pretreatment conditions

生物質(zhì)的結(jié)晶指數(shù)對酶解有重要的影響[21]。玉米秸稈的結(jié)晶指數(shù)為45.93%，p-TsOH 預(yù)處理后玉米秸稈殘?jiān)慕Y(jié)晶指數(shù)均有所提高（見圖3）。這主要?dú)w因于p-TsOH 對半纖維素和木質(zhì)素的脫除。隨著p-TsOH 質(zhì)量分?jǐn)?shù)升高，預(yù)處理后殘?jiān)慕Y(jié)晶指數(shù)有小幅的升高，在p-TsOH 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為70%時(shí)，結(jié)晶指數(shù)為68.91%。隨著水解時(shí)間增加，預(yù)處理后玉米秸稈殘?jiān)慕Y(jié)晶指數(shù)沒有明顯變化。隨著水解溫度的升高，預(yù)處理后玉米秸稈殘?jiān)慕Y(jié)晶指數(shù)有明顯提高（在95℃時(shí)結(jié)晶指數(shù)為66.85%）。P10T80t60 預(yù)處理?xiàng)l件處理后殘?jiān)慕Y(jié)晶指數(shù)為62.86%，這說明在較高的水解溫度、低p-TsOH 質(zhì)量分?jǐn)?shù)預(yù)處理?xiàng)l件下，預(yù)處理后玉米秸稈殘?jiān)慕Y(jié)晶指數(shù)會(huì)有較大程度的升高。

圖3 玉米秸稈經(jīng)不同預(yù)處理工藝的XRD圖Fig.3 XRD diagram of cornstalk by different pretreatment conditions

2.4 預(yù)處理后玉米秸稈的表面組成

生物質(zhì)的表面組成與其酶解可及性有密切聯(lián)系，其中表面木質(zhì)素含量影響纖維素酶在物料表面的結(jié)合，進(jìn)而影響酶解性能[22-23]。通過XPS測定了玉米秸稈和兩種p-TsOH 預(yù)處理工藝（P50T65t40、P50T95t40）處理后玉米秸稈殘?jiān)谋砻娼M成（見圖4）。

生物質(zhì)物料表面的碳化學(xué)鍵可以分為4 種類型（C1、C2、C3、C4）[24]，其中C1 對應(yīng)于C—C 和C—H 鍵，主要對應(yīng)于木質(zhì)素[24]；C2 對應(yīng)于C—O，主要對應(yīng)于纖維素[24]。玉米秸稈C1 峰較強(qiáng)，對應(yīng)峰面積占比為54.8%，而C2 峰相對較弱，其峰面積占比為36.8%（見圖4（a）），說明玉米秸稈表面木質(zhì)素含量較高，纖維素含量較低。隨著預(yù)處理?xiàng)l件加劇，C1峰逐漸減小，C2峰逐漸增強(qiáng)，P50T95t40預(yù)處理后殘?jiān)腃1 峰面積占比為35.7%，C2 峰面積占比為50.7%，說明經(jīng)過預(yù)處理后玉米秸稈殘?jiān)砻婺举|(zhì)素含量降低（見圖4（c））。

圖4 玉米秸稈經(jīng)不同預(yù)處理工藝的C分峰譜圖Fig.4 Deconvolution of C spectra of cornstalk by different pretreatment conditions

經(jīng)計(jì)算玉米秸稈中表面木質(zhì)素含量為81.87%，經(jīng)過p-TsOH 預(yù)處理后表面木質(zhì)素含量降低，經(jīng)溫和預(yù)處理工藝（P50T65t40，CDF=947 min·mol/L）處理后玉米秸稈殘?jiān)砻婺举|(zhì)素含量為66.6%，經(jīng)較為劇烈預(yù)處理工藝（P50T95t40，CDF=6513 min·mol/L）處理后玉米秸稈殘?jiān)砻婺举|(zhì)素含量為38.6%。隨著預(yù)處理程度的增加，表面木質(zhì)素含量迅速減少，這有利于后續(xù)酶對纖維素的有效吸附。

2.5 p-TsOH預(yù)處理后玉米秸稈殘?jiān)拿附饪杉靶?/h3>

玉米秸稈水解殘?jiān)拿附馓腔菍?shí)現(xiàn)木質(zhì)纖維分級轉(zhuǎn)化高效利用的重要途徑[25]。未處理玉米秸稈的酶解得率較低，僅為26.6%（見圖5（b）），而p-TsOH 預(yù)處理后玉米秸稈殘?jiān)附獾寐示写蠓忍岣撸@說明p-TsOH預(yù)處理是提高玉米秸稈酶解得率的有效方法。

圖5 p-TsOH質(zhì)量分?jǐn)?shù)、水解時(shí)間和水解溫度對預(yù)處理后玉米秸稈殘?jiān)附獾寐实挠绊慒ig.5 Effects of p-TsOH mass fraction,hydrolysis time and hydrolysis temperature on the enzymatic yield of hydrolyzed cornstalk residual

酶解得率隨預(yù)處理p-TsOH 質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而增加（見圖5（a））：p-TsOH 質(zhì)量分?jǐn)?shù)從10%增加至30%，玉米秸稈殘?jiān)附獾寐试黾泳徛籶-TsOH 質(zhì)量分?jǐn)?shù)從30%增加至50%，玉米秸稈殘?jiān)附獾寐试黾虞^快；p-TsOH 質(zhì)量分?jǐn)?shù)從50%增加至70%，玉米秸稈殘?jiān)附獾寐试黾幼兙?。在p-TsOH 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為70%時(shí)，酶解得率為71.9%。這是由于隨著p-TsOH 質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，p-TsOH 對非木質(zhì)纖維的破壞作用增強(qiáng)，更多的纖維素得以暴露，有利于纖維素與酶的接觸。低的p-TsOH 質(zhì)量分?jǐn)?shù)對木質(zhì)素脫除作用較為有限，而過高的p-TsOH 質(zhì)量分?jǐn)?shù)對設(shè)備腐蝕作用較大，同時(shí)高的p-TsOH 質(zhì)量分?jǐn)?shù)預(yù)處理后水解液中溶解的木質(zhì)素在分離時(shí)需要消耗更多的水。因此，選擇p-TsOH質(zhì)量分?jǐn)?shù)50%進(jìn)行后續(xù)酶解實(shí)驗(yàn)。

延長預(yù)處理水解時(shí)間，酶解得率變化不大，保持在63%左右，這與水解時(shí)間對木質(zhì)素脫除效果結(jié)果一致（見表1）。提高水解溫度，玉米秸稈殘?jiān)拿附獾寐试黾用黠@，從35℃時(shí)的34.9%增加至95℃時(shí)的72.9%。這可能是因?yàn)樗鉁囟壬?，木質(zhì)素保留率減少。由圖5（a）和圖5（c）可知，繼續(xù)增加p-TsOH 質(zhì)量分?jǐn)?shù)或提高水解溫度，酶解得率可以進(jìn)一步提升。

3 結(jié) 論

本研究利用對甲基苯磺酸（p-TsOH）對玉米秸稈進(jìn)行預(yù)處理，研究了3個(gè)預(yù)處理因素（p-TsOH質(zhì)量分?jǐn)?shù)（P）、水解溫度T和水解時(shí)間t）對玉米秸稈三大組分分離的影響以及預(yù)處理后殘?jiān)拿附馓匦裕^好地?cái)M合得到了p-TsOH預(yù)處理玉米秸稈木質(zhì)素脫除和半纖維素脫除動(dòng)力學(xué)模型。

3.1 p-TsOH 質(zhì)量分?jǐn)?shù)和水解溫度對木質(zhì)素的脫除有顯著影響，水解溫度對半纖維素的脫除有顯著影響。擬合得到預(yù)處理后殘?jiān)心举|(zhì)素含量和預(yù)處理后半纖維素的含量的經(jīng)驗(yàn)公式如下。

3.2 木質(zhì)素脫除反應(yīng)和半纖維素脫除反應(yīng)的表觀活化能分別為66.5 kJ/mol和50.5 kJ/mol。

3.3 p-TsOH 對玉米秸稈較優(yōu)的預(yù)處理工藝為：p-TsOH 質(zhì)量分?jǐn)?shù)50%、水解溫度95℃、水解時(shí)間40 min，在此工藝條件下，玉米秸稈殘?jiān)谋砻婺举|(zhì)素含量為38.6%，酶解得率為72.9%。