无机金属盐和过氧化物对酸处理玉米秸秆纤维素和半纤维素降解的影响

贾 飞，许海艳，关转飞，王 鑫，杨翔华

（辽宁石油化工大学环境与生物工程学院，辽宁抚顺113001）

无机金属盐和过氧化物对酸处理玉米秸秆纤维素和半纤维素降解的影响

贾 飞，许海艳，关转飞，王 鑫，杨翔华*

（辽宁石油化工大学环境与生物工程学院，辽宁抚顺113001）

纤维质物料的预处理是木质纤维素原料发酵生产燃料乙醇的关键步骤。使用加入无机盐和H2O2的稀酸溶液处理玉米秸秆，并考察其对纤维素和半纤维素降解的影响，同时测定了相应的降解速率和处理强度（R）。结果表明，无机盐和H2O2的存在提高了玉米秸秆半纤维素的降解程度和降解速率，促进了半纤维素的单糖转化率，但对纤维素的降解影响不大。通过条件优化，当R值为0.2时，木糖回收率最高达85%，而纤维素得到了有效的保留，损失率不超过10%。

玉米秸秆，纤维素，半纤维素，稀酸水解

玉米秸秆的主要化学成分是纤维素、半纤维素、木质素，上述三种物质的总量基本保持在70%左右。将纤维素和半纤维素降解成以葡萄糖、木糖为主的糖类物质并转化为液体燃料和化工原料，是高值化利用玉米秸秆的理想途径之一。目前玉米秸秆预处理有多种方法，其中稀酸水解是一种经济性好的酶水解预处理工艺。它可以高效溶解半纤维素以及少部分木质素，从而破坏木质纤维素类生物质内部的稳定结构，因而有利于提高酶水解的处理效率[1]。传统使用的稀酸溶液包括硫酸、盐酸、磷酸等质子酸，但其主要作用方式是在纤维素非晶区水解，且存在酸污染及腐蚀问题。近年来，一些研究报道使用Lewis酸水解[2]。相对于无机质子酸水解而言，Lewis酸催化水解有所改进，但用量较大导致成本较高。目前有报道称在稀酸溶液中加入少量无机金属盐能显著提高发酵糖得率[3]，但存在的大量木质素由于结晶度降低引起的不可逆吸附会阻碍纤维素酶与纤维素的接触和相互作用[4]。氧化处理是一种有效的使木质素分离、半纤维素溶解，并使物料容易酶解和发酵的方法。常见的氧化剂主要有臭氧、氧气、H2O2等。有研究报道，氧化剂在碱性条件下可以脱去40%～50%的木质素和大部分半纤维素，同时能减少呋喃甲醛和酚醛等微生物发酵抑制物的形成，但也会有部分纤维素被氧化为CO2和H2O而损失掉[5]。使用含有无机盐和H2O2的稀酸溶液处理玉米秸秆，研究其对纤维素和半纤维素降解的影响，并进行了工艺条件的优化。预处理后的玉米秸秆可用于下一步的发酵生产乙醇，为酶水解预处理工艺提供了一种选择。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

玉米秸秆 纤维素38.2%、半纤维素23.6%、木质素20.2%、灰分3.9%，抚顺石油化工研究院提供；所用试剂 均为国产分析纯。

1 L反应釜 大连科茂实验设备有限公司；秸秆挤压器 实验室自制；717液相色谱 美国waters公司。

1.2 玉米秸秆的预处理

1.2.1 加入金属无机盐的稀硫酸预处理 将经过粉碎和过筛的玉米秸秆颗粒（1～5mm）与一定量的无机盐和1.5%H2SO4溶液混合，固液比1∶10，浸泡4h后，放入带有搅拌装置和加热系统的反应釜，加热使反应釜温度迅速升至140～160℃，混合物搅拌反应。待反应结束后，将反应混合物进行挤压和过滤，滤渣用25倍水在60℃洗涤12h后，测定其纤维素和半纤维素含量；滤液离心后取上清液直接分析测定单糖和寡聚糖（水溶性）含量。

1.2.2 加入H2O2的稀硫酸预处理 将经过粉碎和过筛的玉米秸秆颗粒（1～5mm）与含有硫酸和无机盐的水溶液混合并浸泡4h后，与H2O2混合后放入带有搅拌装置和加热系统的反应釜，按照1.2.1中的条件进行处理。

1.3 分析方法

1.3.1 纤维素和半纤维素含量的测定 纤维素和半纤维素含量的测定采用NREL的方法[6]。具体方法如下：秸秆原料先用72%H2SO4在30℃下水解1h，然后加水稀释至4%H2SO4，在121℃水解1h。反应液经过滤后，滤液中加入CaCO3中和至pH5～6，离心取上清液并放入冰箱中冷冻过夜。取出解冻，再次离心得上清液，进色谱分析。葡萄糖和木糖的色谱条件：色谱柱HPX-87P（美国伯乐公司），示差检测器，进样体积20μL，流动相为超纯水，流速0.6mL/min，柱温65℃，检测温度35℃。纤维素和半纤维素含量（Pi）是以水解液中葡萄糖和木糖进行反推，计算公式如下：

经预处理过的物料纤维素和半纤维素含量测定步骤同上。

1.3.2 水溶性聚糖的测定 将水解液分成两份，一份直接中和pH至5～6并进行测定，得到单糖含量P1；另一份用4%H2SO4在121℃水解1h，然后再中和进行测定，得到糖液中总糖含量P2，水溶性聚糖含量W=P2-P1。

1.4 预处理强度（R）的计算

预处理强度根据Chum公式[7]计算，具体如下：R=logt·exp（T-100/14.75）-pH，其中t为反应时间（min），T为温度（℃）。

2 结果与讨论

2.1 无机盐对纤维素和半纤维素降解的影响

一般认为[8]，在酸中加入无机金属盐能够起到助催化的作用，其中金属卤化物的效果最佳。实验比较了相同氯离子浓度下几种金属卤化物对玉米秸秆的处理效果（见图1）。当氯离子浓度为0.3mmol/L时，FeCl3效果最佳，其顺序依次FeCl3>AlCl3>SnCl4>ZnCl2>CuCl2>NaCl>NH4Cl。在稀酸催化的反应中，金属氯化物中金属阳离子的不同导致等量金属氯化物反应体系的酸强度不一样，使得催化纤维素水解反应效果也不同。文献[9]也发现铁离子能使纤维素更多地转化为还原糖，并抑制其进一步降解生成其他产物。

图1 无机盐对纤维素（A）和半纤维素（B）降解的影响

2.2 FeCl3对纤维素和半纤维素降解的影响

在稀酸的水溶液中加入FeCl3，随着FeCl3加入量的增加，半纤维素的降解程度明显增大，而纤维素的变化不大。由图2可知，木糖回收率由61%增至79%，木聚糖（包括水溶性寡聚糖）回收率由39%降至12%。产生这一结果的原因可能是金属离子和氯离子的协同作用。一方面，FeCl3是一种Lewis酸，强酸弱碱效应使其发挥类似HCl的作用，而HCl处理木质纤维素的效果要优于H2SO4；另一方面，Fe3+可能与半纤维素和木质素的酚羟基产生配合作用[10]，有利于改变木质纤维素的复合结构，促进酸对半纤维素的降解。半纤维素中的木糖含量随着FeCl3加入量增加呈先升高后降低的趋势，而木聚糖含量则呈逐渐降低的趋势。这是因为FeCl3的加入加速了半纤维素稀酸水解成单糖的过程，但过高含量的FeCl3会使反应趋于激烈，导致副反应发生，并不利于半纤维素转化成木糖。另外，FeCl3加入量增加还导致半纤维素损失量增大，进一步给予了证实。

升高温度加速纤维原料的软化过程，有利于削弱纤维素间的粘结。因此，酸处理温度越高，则纤维的离解程度越高。比较了两种反应温度下FeCl3对纤维素和半纤维素的降解程度。由图2和图3可知，当反应温度从140℃升至160℃，纤维素的葡萄糖回收率和损失率都有所增加，但并不明显，而半纤维的木糖回收率有所降低。这可能与温度升高导致半纤维素发生非糖降解生成副产物有关[11]。实验也发现，即使升高温度至180℃也不能完全使半纤维素完全降解，这可能与木质纤维素高结晶的复杂结构有关。

图2 FeCl3对玉米秸秆纤维素（A）和半纤维素（B）降解的影响

图3 FeCl3对玉米秸秆纤维素（A）和半纤维素（B）降解的影响

2.3 H2O2对纤维素和半纤维素降解的影响

过氧化物能加速木质素的降解，而纤维素几乎不受影响。过氧化物反应过程中形成的单线态氧、过氧化自由基和羟基自由基能够破坏纤维素中的C-C键，使木质素分子侧链氧化和芳香环氧化裂解[12]。H2O2通常与NaOH组合处理木质纤维素，可以脱去部分木质素，但半纤维素损失较大。我们在酸性条件下加入H2O2处理木质纤维素，具体结果如图4，从中可以看到，加入H2O2后，纤维素降解程度几乎没有变化，半纤维素的降解程度有所提高，其中木糖回收率最高可达82%，而半纤维素损失率并没有明显增加。这可能是因为在此实验条件下，过氧化氢比较缓慢地释放出羟基自由基和活性氧，从而不能使半纤维素和纤维素发生氧化降解。

图4 H2O2对玉米秸秆纤维素（A）和半纤维素（B）降解的影响

实验也比较了两种反应温度下H2O2对纤维素和半纤维素的降解程度。由图4和图5可知，当反应温度从140℃升至160℃，纤维素的葡萄糖回收率和损失率都略有变化，但并不明显，而半纤维的单糖和聚糖回收率有所下降，糖的损失率增加。

图5 H2O2对玉米秸秆纤维素（A）和半纤维素（B）降解的影响

2.4 降解速率的测定

为了进一步验证FeCl3和H2O2的酸催化助剂作用，实验比较了未加和加入催化助剂的木质纤维素稀酸降解速率。由图6可知，纤维素和半纤维素的单独稀酸水解在5～40min内近似一级反应。加入氯化铁和氯化铁-双氧水的稀酸水解在5～20min内呈一级反应，反应时间达到20min时，半纤维素的降解已经基本完成，而后随着时间延长至40min时，半纤维素降解的极其缓慢。不同于半纤维素，纤维素的降解速率几乎不受催化助剂的影响。相比未加催化助剂的稀酸处理，催化助剂能显著提高半纤维素水解的反应速率（斜率的绝对值增大），缩短反应时间。

图6 纤维素（A）和半纤维素（B）降解速率的测定

表1给出了纤维素和半纤维素的降解速率，其中半纤维素的降解速率因为催化助剂提高了近1倍，达到0.0462min-1，而纤维素的降解速率变化不大。这也说明纤维素与半纤维结构不同导致对物理化学作用抗性不同，使得半纤维素和纤维素水解条件有所差别。

表1 纤维素和半纤维素反应速率

2.5 处理强度对纤维素和半纤维素降解的影响

根据公式R=logt·exp（T-100/14.75）-pH，酸处理强度与反应温度、时间和反应液的pH有关，由于预处理反应是在密闭容器中进行，升高温度往往导致压力增加，加速了酸液向纤维内部的渗入速率，从而使水解反应更充分完全。除此之外，原料大小和湿度等因素也会影响酸处理强度的实际效果。固定硫酸浓度（1.5%H2SO4）、反应温度（140℃）和时间（10min），变化FeCl3和H2O2的浓度，考察酸处理强度对纤维素和半纤维素降解的影响。由图7可知，随着处理强度的增大，纤维素糖（葡萄糖）回收率呈上升趋势，而半纤维素糖（木糖）的回收率先增大后降低。当处理强度为0.2时，木糖回收率达到最大值85%。不同于半纤维素，纤维素的回收率始终较低，这也说明在本实验条件下并不能使纤维素有效降解，但由于半纤维素的高度脱除，必然破坏了木质纤维素原有的结晶复合结构，从而有利于提高纤维素对纤维素酶的可及性，这也为酶水解预处理方法提供了一种选择。

图7 处理强度对玉米秸秆中纤维素和半纤维素降解的影响（FeCl3：0～1.2mmol/L，H2O2：0～6mmol/L）

3 结论

本实验使用无机盐和过氧化物的稀酸溶液处理玉米秸秆。结果表明，无机盐和H2O2的存在提高了玉米秸秆半纤维素降解程度和降解速率，促进了半纤维素的糖转化率，但对纤维素的降解影响不大。通过条件优化，木糖回收率最高达85%，而纤维素得到了有效的保留，损失率不超过10%，这为下一步的发酵生产乙醇提供了一条新的途径。

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Effect of inorganic salts and peroxide on degradation of corn stalks cellulose and hemicellulose treated by dilute acid

JIA Fei,XU Hai-yan,GUAN Zhuan-fei,WANG Xin,YANG Xiang-hua*

（School of Environmental and Biological Engineering,Liaoning Shihua University,Fushun 113001,China）

Pretreatment has been viewed as one of the most important operation steps in the bioconversion of lignocellulosic biomass to ethanol.In the study，inorganic salts and H2O2were studied as promoter in the dilute acid pretreatment for the degradation of cellulose and hemicellulose in corn stover.The degradation rate constant and severity of the pretreatment reaction was also determined.The results showed that the pretreatment by inorganic salts and H2O2were more effect than the only dilute acid pretreatment for the hemicellulose degradation and xylose yields；while the addition of inorganic salts and H2O2gave no effect on the degradation of cellulose.The optimum conditions where the severity factor(R)was 0.2 gave a yield of 85%xylose.Under the conditions，the cellulose degradation was always low with only 10%of cellulose removal.

corn stover；cellulose；hemicellulose；dilute acid hydrolysis

TS210.1

B

1002-0306（2011）10-0349-05

2010－12－22 * 通讯联系人

贾飞（1982-），男，硕士研究生，研究方向：生物化工。

抚顺石油化工研究院院控项目（SH0905）。