高温液态水预处理蔗渣的研究

晏群山，黄富邦，武书彬，刘立国，杨 尉

（1.华南理工大学制浆造纸工程国家重点实验室，广东广州510640；2.广州优锐生物科技有限公司，广东广州510663）

高温液态水预处理蔗渣的研究

晏群山1，黄富邦1，武书彬1，刘立国2，杨 尉2

（1.华南理工大学制浆造纸工程国家重点实验室，广东广州510640；2.广州优锐生物科技有限公司，广东广州510663）

用正交实验和单因素实验研究并优化了高温液态水预处理蔗渣的工艺条件，最佳的工艺条件为：温度180℃，底物浓度10%，保温时间20min，此时水解液中木糖转化率最高，达到75.79%。通过XRD、FT-IR和SEM对比了预处理前后蔗渣的结晶性能、结构和形态的变化。结果表明，预处理后蔗渣纤维素结晶度由57.10%增加到67.88%，晶体尺寸变大；预处理后半纤维素1735cm-1处的特征峰完全消失，说明半纤维素完全降解；预处理后蔗渣纤维表面变得不规则，大量的细小纤维暴露出来，纤维的比表面积增加。

高温液态水，预处理，X射线衍射，傅里叶变换红外光谱法，扫描电子显微镜

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

蔗渣原料 江门某甘蔗化工公司，在65℃干燥10h；超纯水 实验室自制。

Dionex ICS-3000型高效阴离子交换色谱仪（配有CarboPACTM PA1阴离子交换柱和ED检测器） 美国戴安公司；D8 ADVANCE型X射线衍射仪 德国Bruker公司；NEXUS670型傅里叶变换红外光谱仪 美国Thermo Nicolet公司；LEO1530VP型扫描电子显微镜 德国LEO公司。

1.2 实验方法

1.2.1 高温液态水水解 取25g绝干蔗渣原料，置于高温反应釜中，加入一定量的超纯水，升温至设定温度后，保温一定的时间，控制搅拌速度为500r/min。反应完成后，用G3的砂心漏斗抽滤，收集水解液于小塑料瓶中，在4℃冰箱中保存备用。

1.2.2 水解液中总木糖分析 用4%的稀硫酸在121℃下处理水解液1h，以便将水解液中的低聚木糖降解为木糖，然后用0.22μm的尼龙滤膜过滤，以除去酶等大分子物质，采用高效阴离子交换色谱仪分析其中的葡萄糖、木糖等单糖含量。柱温30℃，流速0.65mL/min。

1.2.3 原料中总木糖含量 用克拉森木素法[11]酸解蔗渣原料，用离子色谱测定水解液中的木糖含量，即为原料中的总木糖含量。

1.2.4 红外光谱分析 将原料、高温液态水处理后的蔗渣用KBr压片，在傅里叶变换红外光谱仪上测定FT-IR谱图，波数扫描范围为4000～400cm-1。

1.2.5 结晶度的测定 测试条件：Ni滤波，Cu靶Kα射线，管压40kV，管流30mA，步长0.02，扫描速率17.7s/步，扫描范围5～60°。据此，可以计算蔗渣纤维素的相对结晶度值，本文采用经验法，计算公式如下：

式中，CrI为相对结晶度的百分率；I002为（002）晶格衍射角的极大强度；Iam为2θ角近于18°时非结晶背景衍射的散射强度。

1.2.6 扫描电子显微镜观察 将原料、高温液态水处理后的蔗渣镀金处理后，用扫描电镜进行观察。

2 结果与讨论

2.1 各因素对高温液态水处理效果的影响

2.1.1 最佳温度的确定 取25g绝干蔗渣原料5份，底物浓度10%，分别升温至160、170、180、190、200℃，并在最高温度下保温5min。反应完成后，收集水解液，用离子色谱测定木糖含量，并计算木糖转化率。实验结果见图1。

图1 温度对木糖转化率的影响Fig.1 Effect of temperature on xylose conversion ratio

由图1可见，在160℃时，木糖转化率极低，随着温度升高，转化率先升高后下降。从160℃到180℃，木糖转化率迅速升高，并在180℃时达到最大值，为49.32%。随着温度的继续升高，木糖的转化率则开始降低，这说明当温度升高至180℃以上后，木糖的降解开始加剧，生成了糠醛等降解产物，水解液中积累的木糖减少。因此，高温热水处理的最佳温度为180℃。

2.1.2 最佳底物浓度的确定 取25g绝干蔗渣原料5份，底物浓度分别为5%、8%、10%、12%和15%，升温至180℃，并在180℃下保温5min。反应完成后，收集水解液，用离子色谱测定木糖含量，并计算木糖转化率。实验结果见图2。

图2 底物浓度对木糖转化率的影响Fig.2 Effect of substrate concentration on xylose conversion ratio

底物浓度对木糖的转化率有一定的影响。随着底物浓度的增加，木糖转化率先升高后降低。当底物浓度从5%升高至10%，木糖的转化率随之升高，并在10%时达到最大；当底物浓度从10%升高至15%时，木糖转化率则迅速降低。说明过低或过高的底物浓度均不利于残液中木糖的积累，高温热水处理的最佳底物浓度为10%。

2.1.3 最佳保温时间的确定 取25g绝干蔗渣原料6份，底物浓度为10%，升温至180℃，并在180℃下分别保温5、10、15、20、25、30min。反应完成后，收集水解液，用离子色谱测定木糖含量，并计算木糖转化率。实验结果见图3。

图3 保温时间对木糖转化率的影响Fig.3 Effect of temperature keeping time on xylose conversion ratio

在180℃，10%的底物浓度条件下，时间对木糖转化率具有很大的影响，随着时间的增加，木糖的转化率先增加后降低，在20min时木糖的转化率达到75.79%。随着时间的进一步增加，木糖转化率迅速降低，这说明过长的保温时间使得木糖的降解反应加剧，从而使得残液中木糖或低聚木糖的含量降低[10]，不利于水解液中木糖的积累。因此，最佳的高温热水处理时间为20min。

因此，高温液水处理最佳的工艺条件为180℃，底物浓度10%，保温时间20min，此时水解液中木糖含量达到最大，木糖转化率为75.79%。

2.2 XRD谱图分析

从图4可以看到，蔗渣原料在高温液态水处理前后特征衍射峰的位置基本没不变，说明纤维的晶型没有变化，仍然是无定形区和结晶区共存的纤维素Ⅰ类型，但是预处理前后，特征衍射峰的衍射强度有所变化，特别是纤维素002面的结晶峰，蔗渣原料和高温液态水处理后的蔗渣的衍射强度分别为4487和3839。

表1 高温液态水处理前后纤维结晶度和尺寸的变化Table 1 Difference of crytallinity and crystallite size of cellulose before and after the pretreatment

表1为高温液态水处理前后纤维结晶度和纤维尺寸的变化。由表1可以看到，002面的位置没有变化，预处理前后均在2θ为22.5的位置，但垂直002面的微晶尺寸发生明显变化，预处理前后分别为7.7nm和8.7nm。这说明高温液态水预处理没有改变蔗渣纤维的晶型，但是影响了纤维的晶面尺寸。预处理前后的纤维结晶度由57.10%变为67.88%，纤维的相对结晶度升高。在高温高压下，水作为增塑剂使纤维素结晶区的部分因加热而重排，部分无定形区向结晶区转化[12]，因此纤维素的结晶度增高。

2.3 FT-IR谱图分析

表2 高温液态水处理后蔗渣红外谱图分析结果Table 2 Results and analysis of FT-IR spectra

图5 高温液态水处理前后蔗渣的FT-IR谱图Fig.5 FT-IR spectra of bagasse samples before and after liquid hot water pretreatment

表3 高温液态水处理前后蔗渣红外相对吸收强度Table 3 Relative absorption strength of bagasse samples before and after liquid hot water pretreatment

图5为高温液态水处理前后蔗渣的FT-IR谱图，具体的红外分析结果见表2。

由图5、表2和表3可知，高温液态水处理前后蔗渣的红外光谱图有所变化。1735cm-1处的吸收峰是半纤维素聚木糖的特征峰，而经过高温液态水预处理后，半纤维素均通过自酸解作用而降解成木糖等小分子物质[13]，因此此峰在预处理后的谱图中没有出现。预处理后的红外光谱图较预处理前还多了一个1695cm-1处的吸收峰，此峰是羧酸等物质的C=O伸缩振动，因此推测可能是蔗渣半纤维侧链乙酰基脱落形成的乙酸残留造成的。对比预处理前后的相对吸光强度[12]，发现A3418/A1427、A2905/A1427和A1512/A1427增大，说明对应的基团在预处理过程增加；A1635/A1427、A1604/ A1427和A1460/A1427无明显变化，说明对应的基团在预处理过程中无明显变化；而A1379/A1427和A898/A1427减小，说明对应的基团在预处理过程中减少。尤其是A898/ A1427和A1512/A898预处理前后变化明显，898cm-1处为碳水化合物的特征峰，而在高温液态水处理过程中，半纤维素大量降解，因而使得898cm-1处的吸收值减少。通过计算A1512/A898可知[14]，预处理后样品中的木质素含量增高，由25.52%增加到28.48%，这是因为半纤维素的大量降解造成木质素所占的比率增加。通过计算A1427/A898发现[15]，蔗渣在预处理后纤维素的结晶度增加，这与XRD结果是一致的，但计算出的结晶度偏高，这是因为用红外计算结晶度对实验的要求较高，而本实验红外检测未能这样精确，但是仍能反映出蔗渣原料在预处理前后结晶度增加的趋势。

2.4 预处理前后样品扫描电镜观察

图6 蔗渣原料（×1000）Fig.6 Unpretreated bagasse（×1000）

图7 高温液态水预处理后的蔗渣（×1000）Fig.7 Liquid hot water pretreated bagasse（×1000）

图6和图7分别为高温液态水预处理前后的蔗渣SEM图。从SEM图可看出，未经预处理的蔗渣原料纤维表面光滑而平整，结构紧密，无法辨认被半纤维素和木素包埋的细小纤维；而经过高温液态水预处理后，蔗渣纤维发生很大的变化，纤维表面变得崎岖、不规则，大量细小纤维暴露出来，同时纤维表面有一些不规则的块状物。经过高温液态水处理后，大部分的半纤维素降解成木糖等小分子物质，导致半纤维素和木素对纤维素的立体包埋结构被破坏，使得大量的细小纤维暴露出来，增大了纤维的比表面积，有利于纤维与纤维素酶等酶制剂和其他化学物质的反应。

3 结论

3.1 通过单因素实验对高温液态水预处理工艺进行了优化，高温液态水预处理蔗渣的最优工艺条件为180℃，底物浓度10%，保温时间20min，此时水解液中木糖含量达到最大，木糖转化率为75.79%。

3.2 通过XRD分析表明，高温液态水处理后的结晶由57.10%变为67.88%，晶面尺寸由7.7nm增大为8.7nm，说明预处理后，蔗渣纤维的部分无定形区转化为结晶区，晶体尺寸增大。

3.3 通过FT-IR谱图分析表明，蔗渣半纤维素1735cm-1特征峰完全消失，说明高温液态水预处理半纤维素被完全降解成木糖等小分子物质。预处理后的蔗渣在1695cm-1处形成了一个新的羧酸特征峰，说明在预处理过程中形成了乙酸等羧酸类物质。

3.4 扫描电镜观察表明，经高温液态水处理后，蔗渣纤维表面变得崎岖而不规则，大量的细小纤维曝露出来，纤维的比表面积增大。

[1]Mosier N，Wyman C，Dale B，et al.Features of promising technologies for pretreatment of lignocellulosic biomass[J]. Bioresource Technology，2005，96：673-686.

[2]Wyman C E，Dale B E，Elander R T，et al.Coordinated development of leading biomass pretreatment technologies[J]. Bioresource Technology，2005，96：1959-1966.

[3]Hamelinck C N，van Hooijdonk G，Faaij A P C.Ethanol from lignocellulosic biomass：Techno-economic performance in short-，middle-and long-term[J].Biomass Bioenerg，2005，28：384-410.

[4]Silverstein R A，Chen Y，Sharma-Shivappa R R，et al.A comparison of chemical pretreatment methods for improving saccharification of cotton stalks[J].Bioresource Technology，2007，98：3000-3011.

[5]赵志刚，程可可，张建安，等.木质纤维素可再生生物资源预处理技术的研究进展[J].现代化工，2006，26（10）：39-43.

[6]李文，潘家祯，许洪朋.木质纤维素类生物质转化生物乙醇预处理B2B工艺的发展研究[J].安徽农业科学，2009，37（7）：2911-2916，3039.

[7]Mansfield S D，Mooney C，Saddler J N.Substrate and enzymatic characteristics that limit cellulose hydrolysis[J].Biotechnology Progress，1999，15：804-816.

[8]Yun Yu，Xia Lou，Wu H.Some recent advances in hydrolysis of biomass in hot-compressed water and its comparisons with other hydrolysis methods[J].Energy&Fuels，2007，22：46-60.

[9]Liu C，Wyman C E.Partial flow of compressed-hot water through corn stover to enhance hemicellulose sugar recovery and enzymatic digestibility of cellulose[J].Bioresource Technology，2005，96：1978-1985.

[10]Yu Q，Zhuang X，Yuan Z，et al.Two-step liquid hot water pretreatment of Eucalyptus grandis to enhance sugar recovery and enzymatic digestibility of cellulose[J].Bioresource Technology，2010，101（13）：4895-4899.

[11]石淑兰，何福望.制浆造纸分析与检测[M].北京：中国轻工业出版社，2003.

[12]陈洪章，李佐虎.麦草蒸汽爆破处理的研究Ⅱ.麦草整齐爆破作用机制分析[J].纤维素科学与技术，1999，7（4）：14-22.

[13]余强，庄新姝，袁振宏，等.木质纤维素类生物质高温液态水预处理技术[J].化工进展，2010，29（17）：2177-2182.

[14]柳顺熙，刘贵生，吴保国.红外光谱法测定红松的木素[J].东北林业大学学报，1998，16（2）：54-69.

[15]杨明非，潘雪峰.红外光谱法研究木材纤维素的结晶度[J].林业科技，1989（2）：31-32.

Study on the pretreatment of bagasse with liquid hot water

YAN Qun-shan1，HUANG Fu-bang1，WU Shu-bin1，LIU Li-guo2，YANG Wei2
（1.State Key Laboratory of Pulp and Paper Engineering，South China University of Technology，Guangzhou 510640，China；2.Guangzhou Yourui Biotechnology Co.，Ltd.，Guangzhou 510663，China）

The operation condition of hot liquid water pretreatment of bagasse was studied optimized by orthogonal test and single factor test.The optimum condition was operating temperature 180℃，keeping 20min and the substrate concentration 10%.Under this condition，the conversion rate of xylose was the highest，reaching 75.79%.The crystal performance，structure and morphology of the original and pretreated bagasse were characterized by XRD，FTIR and SEM.Results showed that the crystallinity of cellulose of bagasse increased from 57.10%to 67.88%，and the crystallite size also increased after the pretreatment.The characteristic peak of hemicelluloses of 1735cm-1completely disappeared.It indicated that the hemicelluloses were degraded completely during the pretreatment.The surface of cellulose became irregular，and many fines were exposed，and the specific surface area of cellulose became lager after the hot liquid water pretreatment.

hot liquid water；pretreatment；XRD；FT-IR；SEM

TS255.1

B

1002-0306（2012）07-0260-04

随着全球化石能源的日益枯竭和大量使用化石能源对环境造成的巨大危害，人们越来越认识到寻找新的清洁代替能源的重要性。而生物质资源以其丰富性、可再生性和无污染性而引起人们的重视。木质纤维素转化为燃料乙醇的关键技术是糖化，即木糖和葡萄糖等可发酵糖的制取，常用的方法有化学法和生物酶水解法两种途径。而化学法的水解产物中常常伴随着大量对发酵有抑制作用的降解产物。从长远看，生物酶解水解更具前景[1-4]。然而，木质纤维本身的复杂结构决定了纤维素酶对纤维素的低可及性，从而导致木质纤维素直接酶解效率极低[5-7]。因此，木质纤维素在进行酶解前必须通过各种预处理手段提高其对纤维素酶的可及性。在众多的预处理方法中，高温液态水（liquid hot water）预处理作为一种新兴的绿色反应工艺，由于不需要添加任何化学试剂、生成降解产物少等优点而成为研究热点[8-10]。本文以蔗渣为原料，对其高温热水水解工艺进行了研究，以期为其大规模的工业应用提供依据。

2011－05－30

晏群山（1986-），男，在读硕士研究生，研究方向：生物质的高品质转化与利用。

广州市科技计划项目（2010Y1-C071）。