玉米秸秆稀酸蒸汽爆破协同作用机制研究

贾天宇，廖克俭，佟名友，王 鑫, 李秀铭

（1. 辽宁石油化工大学, 辽宁 抚顺 113001; 2. 抚顺石油化工研究院, 辽宁 抚顺 113001)

玉米秸秆稀酸蒸汽爆破协同作用机制研究

贾天宇1，廖克俭1，佟名友2，王 鑫2, 李秀铭1

（1. 辽宁石油化工大学, 辽宁 抚顺 113001; 2. 抚顺石油化工研究院, 辽宁 抚顺 113001)

以玉米秸秆原料，进行蒸汽爆破处理，比较了水蒸气蒸爆、稀酸和稀酸蒸爆3种预处理方法，通过对3种预处理过程中米秸秆纤维组分变化、纤维素和半纤维素降解产物和玉米秸秆结构分析以及酶解试验，探讨稀酸蒸汽爆破的协同作用机制。结果表明，稀酸蒸爆协同作用包括稀酸的软化和蒸汽爆破的活化两种机制：一是通过稀酸脱除大部分的半纤维素破坏了半纤维素与木质素间的相互作用，软化了纤维组织；二是软化的纤维通过蒸汽爆破冻结其活性纤维素超分子结构，增加了纤维素与纤维素酶的接触面积。

玉米秸秆；蒸汽爆破；预处理；木质纤维素

由木质纤维素生产燃料酒精满足绿色环保、可持续发展的要求，是最有可能取代石油的新能源，具有巨大的发展前景[1]。木质纤维素是多组分物料，其结构较复杂，它由纤维素、半纤维素和木质素通过共价键联结成网络结构。木质纤维素结构特点决定了其乙醇转化须经过预处理，而处理最终目的在于提高酶解效率、原料利用率和总得糖率。蒸汽爆破作为一种预处理方法，能有效地实现木质纤维素化学组分分离，并且不用或少用化学药品，对环境无污染，能耗较低，是近年来发展比较快、比较有效、低成本的木质纤维素高效分离技术[2]。国内外关于稀酸蒸汽爆破的研究都是针对不同原料的工艺条件的报道，而很少涉及到作用机制等问题。本文以玉米秸秆原料，进行蒸汽爆破处理，比较了水蒸气蒸爆、稀酸和稀酸蒸爆3种预处理方法，通过对3种预处理过程中米秸秆纤维组分变化、纤维素和半纤维素降解分析以及酶解试验，探讨稀酸蒸汽爆破的协同作用机制。

1 实验部分

1.1 材料与仪器

玉米干秸秆（纤维素38.2%、半纤维素22.1%、木质素20.2%、灰分3.9%），用粉碎机粉碎至颗粒大小为1~5 mm，待用；试验使用的试剂皆为分析纯。

5 L蒸汽爆破机：北京化工大学和抚顺石油化工研究院共同研制；1 L反应釜：大连科茂实验试验设备有限公司；秸秆挤压器：实验室自制；Nicolet 6700红外色谱：美国NICLOLET公司；waters717液相色谱（410示差检测器）：色谱柱HPX-87P，沃特世科技（上海）有限公司；D/Max-2 500衍射仪，日本RIGAKU公司；CDR-4T热分析仪：北京恒久科学仪器厂，试验气氛为高纯氮气，气体流量为80 mL/min，试验从40 ℃开始，升温速率为40 ℃/min，终温为800 ℃[3]。

1.2 玉米秸秆的预处理

玉米秸秆采用水蒸汽爆破、稀酸蒸汽爆破和稀酸处理三种方法。为了使三种处理方法之间更具可比性，反应温度和时间皆为190 ℃和5 min，固液比为1︰8。不同的是稀酸蒸汽爆破和稀酸处理皆使用2% H2SO4，而水蒸汽爆破直接使用水蒸汽进行反应；稀酸蒸汽爆破和水蒸汽爆破使用蒸汽爆破反应器，而稀酸处理使用高压釜。经过上述3种方法处理过的物料需要经过固液分离，滤液即为半纤维素水解液，可用于水解糖的分析。滤渣通过纤维素酶的水解以进一步评估预处理底物的酶解效率。

1.3 纤维素的酶解试验

向上述经过挤压过滤的玉米秸秆渣中加入NaOH调节pH至5.0，固液比保持在1︰5左右，然后加入山东泽生纤维素酶，50 ℃于摇床中酶解72 h，纤维素酶用量为20 FPU/g干基物料，将酶解液离心后取上清液，放置冰箱中，冷冻过夜，然后经解冻、离心过滤取上清液分析测定单糖、寡聚糖（水溶性）以及醛酸等抑制物含量。

1.4 分析方法

纤维素和半纤维素含量的测定采用2006年NREL的方法[4]。半纤维素水解液中的水溶性寡聚糖的含量测定如下：取20 mL水解液并加入72% H2SO4溶液至水解液中H2SO4浓度为4%，在121 ℃ 水解1 h。经过滤后，滤液中加入CaCO3中和至pH=5~6，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-87H（美国伯乐公司）、示差检测器、进样体积20μL、流速0.6 mL/min、柱温35 ℃、检测温度35 ℃。

2 结果与讨论

2.1 玉米秸秆处理前后纤维组分分析

木质纤维素原料中各种纤维结构的不同导致对物理化学作用抗性不同。通常情况下，半纤维素组分比纤维素组分更容易发生降解。很多报道证实，在任何给定的处理条件下，木糖的最高得率和葡萄糖的最高得率在不同的预处理时间，并且木糖比葡萄糖先达到最高得率。试验比较了水蒸气爆破、稀酸蒸爆和稀酸处理3种方法对玉米秸秆纤维组分的影响（见图1）。研究发现，相对于水蒸气爆破，稀酸蒸爆能够更有效地脱除半纤维素，而相对于稀酸处理，又能降低木质素的含量。另外，经过预处理的物料纤维素含量可达到50%以上，而木质素含量从初始的20.2%最高可增至50%左右。实际上，稀酸对木质素的脱除作用并没有碱那样明显，除了是由于半纤维素大量水解造成木质素含量的增加外，水解过程产生的糠醛和羟甲基糠醛抑制物在酸性条件下聚合形成类似木质素结构的假木质素也是导致上述结果的重要因素[5]。

图1 水蒸汽爆破、稀酸蒸爆和预处理物料纤维组分比较Fig.1 Contrast of fiber components after three kinds of treatments

2.2 纤维素和半纤维素降解产物分析

正为了进一步证实稀酸蒸爆对纤维素和半纤维素转化的影响，我们对其降解产物进行了分析，结果见图2和图3。

图2 不同预处理对纤维素（A）降解的影响Fig.2 Effect of different pretreatments on cellulose(A) degradation

水蒸汽爆破玉米秸杆仅使10%的半纤维素转化成木糖，更多以木聚糖的形式存在，同时有少量糠醛产生；而稀酸蒸爆和稀酸处理能够明显提高糖收率，木糖收率在50%左右，但伴随着糠醛的产生以及损失率的增加，损失率最高接近40%。纤维素的降解也有着相似的规律。通过以上结果的分析，半纤维素和纤维素的降解程度在很大程度上取决于酸含量而不是蒸汽爆破处理。实际上，在未加酸的处理过程中，高温液态水自身具有的酸催化能力使纤维中的C—O键变得不稳定并发生断裂，从而实现纤维长链的连续解聚，分解的单元糖能进一步发生闭环脱水反应生成糠醛和羟甲基糠醛，只不过加入稀酸能进一步提高这种转化速率。另外，实验所选取的反应条件是出于比较的考虑而非最佳条件，因为这种强度过高处理条件可使纤维素和半纤维素同时发生降解。

图3 不同预处理对半纤维素（B）降解的影响Fig.3 Effect of different pretreatments to hemicellulose (B) degradation

2.3 玉米秸秆处理前后的IR分析

玉米秸秆的IR测试结果见图4。与原料相比，经过预处理的玉米秸秆在1 731 cm-1处的C=O峰明显减弱，而1 510 cm-1苯环伸展振动峰有所增强，说明半纤维素都不同程度发生降解，而木质素含量有所提升，这与2.1结果一致。另外，经预处理后的玉米秸秆在1 050~1 160 cm-1范围的峰变多变窄，其中稀酸蒸爆变化得最明显，由于此范围主要是纤维素和半纤维素的C—O—C和C=O伸展振动，说明纤维素和半纤维素的键合作用发生变化。根据图1纤维组分的变化可知，半纤维素的脱除可能使得纤维素结构的自由度有了进一步增加。

图4 不同物料的IR谱Fig.4 IR Spectrum of different materials

2.4 玉米秸秆处理前后的XRD分析

图5是经预处理和未处理玉米秸秆的XRD谱图。由图可知，经预处理的玉米秸秆XRD峰变得更为尖锐，特别是在2θ衍射角16°、22°和35°处3个衍射峰变得特变明显，这说明在预处理过程有部分结晶生成或结晶重定向。为了进一步证实上述结论，对物料的结晶度进行了计算。结果发现，经处理玉米秸秆的结晶度与原料相比有所提高，结晶度大小依次是汽爆秸秆>稀酸处理秸秆>酸爆秸秆>原料。具体的结晶度为：汽爆秸秆65.2%、稀酸处理秸秆62.5%、酸爆秸秆61.3%、秸秆原料49.4%。

图5 不同物料的XRD谱Fig.5 XRD spectrum of different materials

2.5 稀酸蒸爆玉米秸秆的热性质分析

一般认为玉米秸秆的热解行为是纤维素、半纤维素和木质素3种主要成分热解行为的综合表现[6]。其中，半纤维素是最不稳定的，其热解温度范围是250~350 ℃,纤维素的热解温度范围是300~430 ℃，木质素的热解温度范围是250~550 ℃[7]。由此可知，经过预处理的玉米秸秆由于组成和结构发生了变化，与未经处理的玉米秸秆相比有一定的区别。由图6和图7可知，未经处理和经过不同预处理玉米秸杆的热解行为各有所不同。

图6 未经处理和处理过玉米秸秆的TG（A）曲线Fig.6 The TG（A）curve of untreated and treated corn stalks

图7 未经处理和处理过玉米秸秆的DTA（B）曲线Fig.7 The DTA（B） curve of untreated and treated corn stalks

未经处理玉米秸秆的热解包括240~350 ℃、350~480 ℃和480~540 ℃ 3个失重区间，对应的DTA曲线有放热现象出现，主要是纤维素和半纤维素的分解；而经过处理的玉米秸秆在250~350 ℃的失重现象有所减弱，特别是稀酸蒸爆和稀酸处理玉米秸秆尤为明显，进一步证实预处理酸度对半纤维素的脱除作用。另外，经过处理玉米秸秆的DTA曲线几乎没有明显的放热现象。这可能是由于高温高压下部分纤维素结晶区发生重排引起结晶度增加，导致纤维素分解温度提高，进而使纤维素分解放热和木质素分解吸热相互抵消所致[3]。

2.6 水蒸汽爆破、稀酸蒸爆和稀酸预处理及酶解

试验比较

水蒸汽爆破、稀酸蒸爆和稀酸预处理及酶解结果见图8和图9。由图可知，稀酸蒸爆预处理阶段木糖收率超过50%，纤维素酶解率接近80%；与之相比，水蒸气爆破预处理阶段木糖收率不到15%，纤维素酶解率不超过40%；使用稀酸处理木糖收率有所改善。

图8 不同预处理对葡萄糖和木糖收率的影响Fig.8 Effects of different pretreatment to yield of glucose and xylose

图9 不同预处理对纤维素酶解的影响Fig.9 Effect of Different pretreatments on cellulose enzymolysis

虽然经过处理的物料结晶度差别不大，但预处理阶段糖收率和纤维素酶解率差别很明显，这说明物料结晶度不是影响纤维素水解决定性因素，还可能与终产物抑制、物料表面性质、孔隙度、纤维素分子链的长度以及粒度等有关[8]。根据预处理玉米秸秆的IR、XRD和热分析数据推断，纤维素结构在预处理过程中发生重排，部分无定形区域转变成结晶区，这可能破坏纤维素、半纤维素和木质素之间的相互作用[9]。进一步通过纤维组成变化和酶解结果分析，木质素可能是影响纤维素酶解的重要因素之一，只不过这种阻碍并不取决于其含量，而是木质素的空间分布情况，即木质素对纤维素的包裹程度。我们认为稀酸和蒸爆的协同作用能够有效地破坏纤维素超分子结构，减少木质素对纤维素的束缚，增加了纤维素的可及度，从而提高纤维素酶解效率。

2.7 稀酸蒸爆的协同作用机制

根据上述试验结果分析，单独的水蒸气爆破因为缺乏强水解因子（酸）导致半纤维素脱除率不高，影响了爆破对纤维的破坏程度，虽然结晶度提高，但并不能消除木质素对纤维素的缠绕，影响纤维素酶解。稀酸处理虽然能脱除大部分的半纤维素，但高温稀酸溶液体系形成的大量假木质素不仅使纤维组成发生重大变化，而且这种变化阻碍纤维素酶与纤维素的接触。

相比之下，稀酸蒸爆则是结合了上述两种处理方法的功效。我们认为稀酸蒸爆协同作用包括稀酸的软化和蒸汽爆破的活化两种机制。稀酸能脱除大部分的半纤维素破坏了半纤维素与木质素间的相互作用，软化了纤维组织。蒸汽爆破利用瞬间的泻压过程能将高温高压条件下活化的纤维素超分子结构“冻结”，进而有利于纤维素酶的接触。推测的具体过程：首先稀酸分子在高温高压蒸汽的作用下能够迅速渗入纤维孔隙中，加速了半纤维素的降解和纤维素内部氢键的破坏程度，进而在爆破作用下纤维能够更容易破碎。瞬间的泄压使得纤维素被急速冷却至室温，使得纤维素超分子结构被“冻结”，当然也有部分的氢键重组。这样很容易使溶剂分子进入纤维素片层间，进一步与纤维素大分子链进行作用，并引起残留分子内氢键的破坏，加速了葡萄糖环基的运动，最后导致其它晶区的完全破坏，直至完全溶解

3 结 论

通过比较水蒸气爆破、稀酸蒸汽爆破和稀酸处理3种方法的预处理效果及对酶解影响来探讨稀酸蒸爆的作用机制。结果表明，稀酸蒸爆能够更有效实现纤维素和半纤维素的糖转化率。这是因为稀酸蒸爆结合了稀酸的软化和蒸汽爆破的活化两种作用机制，这种协同作用既保证了半纤维素充分降解转化成木糖，又能冻结活性纤维素超分子结构，增加了纤维素与纤维素酶的接触面积。

［1］王振宇, 珺曹. 木质纤维素转化乙醇预处理工艺研究现状与发展趋势[J]. 中国林副特产, 2008(6): 59-69.

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Research on Synergism of Acid-catalyzed Steam Explosion of Corn Stalk

JIA Tian-yu1,LIAO Ke-jian1,TONG Ming-you2,WANG Xing2,LI Xiu-ming1
（1. Liaoning Shihua University, Liaoning Fushun 113001，China；
2. Fushun Research Institute of Petroleum and Petrochemicals ,Liaoning Fushun 113001，China）

Using corn stalk as raw material, three pretreatments including water vapor steam explosion, dilute acid catalysis and dilute acid-catalyzed steam explosion were carried out in order to investigate synergy effect of steam explosion and dilute acid catalysis. For the purpose, effects of acid-catalyzed steam explosion on corn stalk were analyzed and characterized, such as composition, structure, property of the matter, forming degradable products after pretreatments and enzymatic hydrolysis. The results show that the positive effect of acid-catalyzed steam explosion attributes to the synergistic interactions of acid-softening and steam activation. First, the hemicellulose removal with acid can break the interaction between cellulose and ligin, and soften lignocellulosic structure. Second, steam explosion of acid- softened matter can lead to the forming of an active supramolecular structure, which can increase the accessibility of cellulase to celluloses.

Corn stalks; Steam explosion; Pretreatment; Lignocellulose

TQ 560

A

1671-0460（2011）12-1224-05

2011-10-09

贾天宇（1986-），男，辽宁锦州人，辽宁石油化工大学在读硕士，研究方向：主要从事纤维素预处理技术研究工作。E-mail：bixia45@163.com。