采用酸－超声波强化碱预处理稻秆和玉米芯

严 青 仲 兆平 张 茜芸

(东南大学能源热转换及其过程测控教育部重点实验室，南京 210096)

采用酸－超声波强化碱预处理稻秆和玉米芯

严 青 仲 兆平 张 茜芸

(东南大学能源热转换及其过程测控教育部重点实验室，南京 210096)

通过对原料成分和糖化率的测定，分析了不同预处理方法对稻秆和玉米芯的预处理效果，同时探讨了超声波对生物质结构的强化机制.分别采用XRD衍射和DNS比色法测定超声波强化预处理后的稻秆和玉米芯结晶度变化以及预处理液中的还原糖得率，并进一步分析了超声波对不同成分原料的作用效果.结果表明:在酸－碱耦合的基础上进行超声波强化能在较短的作用时间内使稻秆中半纤维素的质量分数降低20.61%，而使玉米芯中木质素的质量分数降低45.98%.此外，超声波强化预处理后的稻秆和玉米芯的糖化率分别提高了20.18%和9.47%，同时其结构中的(002)晶面衍射峰均有不同程度的增强.这表明对不同成分的原料，超声波均能有针对性地降低木质素或半纤维素的质量分数，而木质素含量对原料结晶结构有着直接的影响.

预处理;酸－碱耦合;超声波;稻秆;玉米芯

为缓解日益严重的能源短缺和环境污染问题，世界各国开始积极寻找新能源，开展了对生物质能源尤其是燃料乙醇的研究.燃料乙醇生产经历了以粮食为原料的“第一代燃料乙醇”向以木质纤维素为原料的“第二代燃料乙醇”的发展过程［1－2］，在这一领域，美国和巴西走在世界前列，是燃料乙醇的主要生产及消费国，两国的燃料乙醇产量占全球总产量的70%［3］.据估计，全世界木质纤维素原料总质量为100～500亿t，约占总生物量的50%.我国每年仅农作物秸秆产量即可达7亿t，因此利用这种资源丰富且廉价的木质纤维素原料生产燃料乙醇具有良好的发展前景［4］.但是由于木质纤维素原料主要由纤维素、半纤维素和木质素构成，且彼此之间相互缠绕而形成复杂紧密的结晶结构，很难使纤维素酶直接降解其中的纤维素成分.因此需通过有效的预处理方式去除其中的木质素和半纤维素，破坏木质纤维素的致密结构，降低结晶度，增加比表面积［5－6］，这也是成功进行燃料乙醇转化的关键步骤和技术前提.

目前应用较多的预处理方法有物理法如机械粉碎、微波处理、超声波处理等，化学法如酸处理、碱处理、湿式氧化处理、臭氧处理等，物理化学法如蒸汽爆裂处理等，以及生物法.其中酸法预处理是最早被研究也是研究得最深入的化学法之一，酸性溶液中的氢离子可与半纤维素结构中的氧原子相结合，使半纤维素变得不稳定，从而将其从木质纤维素结构中去除［7］.此外，唐锘［8］的研究表明稀硫酸也能去除部分木质素.而碱法预处理是利用木质素能溶解于碱性溶液的特点，用稀碱溶液进行处理，使木质素和其他成分之间发生酯键皂化作用，导致木质纤维素结构受到破坏.超声波处理成本较低，产生的空化作用不仅能强化传质，还可以降低反应过程中的传质阻力，打破木质纤维素的包裹结构，增加溶剂的渗透性.

然而研究表明，任何一种方法单独处理均不能取得理想的效果，通常是将多种方法进行联合处理.本文考虑到酸对半纤维素的水解、碱对木质素的润胀以及超声波对木质纤维素结晶结构的破坏作用，将酸碱预处理进行耦合，并利用超声波进行强化碱处理.以农村含量较丰富、成分不同的稻秆和玉米芯为原料进行预处理实验，通过成分测定、XRD衍射和DNS比色等研究不同方法的预处理效果，并探索超声波对不同成分原料的作用机制.

1 实验

1.1 实验原料和试剂

玉米芯和稻秆取自江苏省泰兴市郊区，经切碎、烘干、粉碎过40目样品筛，备用.氢氧化钠、硫酸、盐酸、乙醇、丙酮、苯酚等试剂均为分析纯，由国药集团化学试剂有限公司提供.纤维素酶(1×105U/g)由丹麦诺维信公司提供.

1.2 主要实验仪器

主要实验仪器:UV－3200紫外光分光光度计(上海美谱达仪器有限公司);GL－600SD超声波信号发生器(南京先欧仪器制造有限公司);X射线衍射仪XD－2(北京普析通用仪器有限责任公司);SHZ－Ⅲ循环水式真空泵(南京科尔仪器设备有限公司);DF－101K集热式恒温加热磁力搅拌器(南京科尔仪器设备有限公司).

1.3 预处理实验方案

本文中的预处理实验流程如图1所示.

图1 预处理实验流程图

1.3.1 酸预处理

原料与2%硫酸的质量比为1∶10，在121℃磁力搅拌器中处理60 min，真空抽滤，105℃烘干.

1.3.2 碱预处理

原料或经酸处理后的滤渣与2%氢氧化钠质量比为1∶10，在25℃磁力搅拌器中处理60 min，真空抽滤，105℃烘干.

1.3.3 超声波强化碱预处理

经酸处理后的滤渣与2%氢氧化钠质量比为1∶10，在25℃磁力搅拌器中利用超声波处理5 min，超声波功率为120 W，真空抽滤，105℃烘干.

1.4 分析方法

1.4.1 成分分析

采用酸性洗涤纤维(ADF)法［9］测定稻秆和玉米芯中纤维素、半纤维素和木质素的成分，该法具有节约试剂、操作简便、降低能耗等优点.

1.4.2 糖化率的测定

在常压反应釜中加入1 g经预处理且烘干的原料、20 FPU/g的纤维素酶和70 mL柠檬酸－柠檬酸钠缓冲溶液(0.1 mol/L，pH 值为4.8)，于50℃恒温搅拌.酶解60 h后将反应浆液在沸水浴中灭酶10 min，并通过离心获得糖液，利用DNS(3，5-二硝基水杨酸)比色法［10］测定其糖化率.糖化率的计算式为

式中，RS为糖化率;CS为测得的酶解液中葡萄糖浓度;N为稀释倍数;V为滤液体积;Wr为糖化原料的质量.

1.4.3 结晶度的测定

原料的结晶度采用X射线衍射分析:所用管电流为20 mA，管电压为35 kV，2θ偶合连续扫描，扫描角度范围为5°～50°，Cu靶，X射线波长为1.540 6 nm.在测试前需将催化剂样品充分研磨，然后取适量粉末放在玻璃载体上并压平，样品粉体厚度约1 mm.

2 实验结果与讨论

2.1 不同方法预处理后稻秆和玉米芯的成分变化

根据梁江华［11］的研究结果，对于酸处理而言，高温条件下(121℃)半纤维素分解率较高，且产物几乎均是戊糖.而对于碱处理，低温条件下(25℃)纤维素的剥皮反应进行程度不高，从而使得纤维素的分解速率较低.因此，本实验中酸、碱预处理的温度分别采用121和25℃.表1为不同方法预处理后稻秆和玉米芯的成分变化.

表1 不同方法预处理后稻秆和玉米芯的成分变化 %

2.1.1 酸－碱耦合预处理

与未处理的原料相比，酸－碱耦合预处理联合了酸对半纤维素的去除以及碱对木质素的溶解作用，使得稻秆和玉米芯中纤维素的质量分数与未处理相比有大幅度提高，同时半纤维素和木质素的质量分数得以减少.

2.1.2 酸－超声波强化碱预处理

对稻秆而言，与酸－碱耦合预处理相比，超声波强化后纤维素和木质素的质量分数变化不大，但是半纤维素的质量分数却降低了20.61%.这是由于稻秆中覆盖在纤维素结构表面的木质素含量较低，通过NaOH的溶胀作用能使其绝大部分得以去除，因此超声波对稻秆中木质素去除的改善效果并不明显.而稻秆中的半纤维素含量也较低，且大多包裹在纤维素结晶结构中，通过超声波的热化、机械化和空化作用［12］使得稻秆对溶剂的通透性增加，从而可以利用剩余的NaOH溶液溶解部分半纤维素.

对玉米芯而言，与酸－碱耦合预处理相比，超声波强化后纤维素的质量分数变化极小，而木质素的质量分数却降低了45.98%.这是因为玉米芯中木质素含量较高，超声波的空化作用促进了NaOH溶液向纤维素致密结构中渗透，从而溶解并去除大量木质素大分子.而由于木质素的去除消耗了较多NaOH溶液，使其不能再与半纤维素充分反应，从而导致半纤维素难以大量去除.这也表明NaOH溶液与木质纤维素结构中各成分发生反应的顺序为先木质素后半纤维素.

通过比较超声波对2种不同成分原料的预处理效果可发现，超声波通过空化作用能在较短的时间内增大原料对溶剂的通透性.对半纤维素和木质素含量均较低的原料而言，超声波能进一步降低半纤维素的质量分数;反之，对半纤维素和木质素含量均较高的原料，超声波则能进一步降低木质素的质量分数.

2.2 不同方法预处理后稻秆和玉米芯的糖化率

图2为酸单独预处理、酸－碱耦合预处理以及酸－超声波强化碱预处理后稻秆和玉米芯的糖化率.由图2可知，稻秆和玉米芯的糖化率随预处理方式呈现相同的变化趋势.与酸单独预处理相比，酸－碱耦合预处理使稻秆和玉米芯的糖化率分别增加了32.50%和16.07%，当超声波强化时其糖化率在短时间内又进一步提高了20.18%和9.47%.结合表1可知，超声波强化时稻秆和玉米芯中半纤维素和木质素的质量分数均有不同程度的降低，从而使更多的纤维素暴露出来，使得酶解糖化率升高.因此对2种原料而言，最佳的预处理方式均为酸－超声波强化碱预处理.

图2 不同方法预处理后稻秆和玉米芯的糖化率

2.3 酸－超声波强化碱预处理后稻秆和玉米芯的结晶度变化

图3为酸－超声波强化碱预处理后稻秆和玉米芯的X射线衍射图谱.由图可知，所有样品的XRD衍射图谱均显示出纤维素多个晶面的衍射峰.经过不同方法预处理后，稻秆和玉米芯的晶形并没有改变，仍然为结晶区和非定型区共存的纤维素Ⅰ类型［13］，且纤维素的(002)晶面衍射峰的位置都在22.30°附近，这表明预处理并不改变原料结晶层之间的距离［14］.

图3 酸－超声波强化碱预处理后2种原料的结晶度变化

与未处理相比，超声波强化后2种原料的(002)晶面衍射峰均得到显著加强.这表明在超声波和碱的共同作用下，秸秆原料中的大量木质素和半纤维素得以去除，使其中纤维素的结晶区和非结晶区暴露，从而获得纯度更高的纤维素.而与稻秆不同的是，超声波作用还能同时使玉米芯的(101)和(040)晶面衍射峰稍有增强，因此其结晶度变化较大.结合前面对超声波作用后2种原料成分变化的分析可知，超声波能更大程度地降低玉米芯中木质素的质量分数，从而使其结晶度也获得较大改善，这也表明木质素含量对木质纤维素结晶结构的变化有着直接影响.

2.4 不同方法预处理后稻秆和玉米芯滤液中的还

原糖得率

不同方法预处理后稻秆和玉米芯滤液中还原糖的测定结果如图4所示.由图可知，玉米芯经酸、碱单独预处理和酸－碱耦合预处理所获得滤液中的还原糖得率均高于稻秆，这是由于玉米芯中的综纤维素含量高于稻秆(玉米芯和稻秆的综纤维素质量分数分别为64.94%，59.05%)，在同等的预处理条件下去除的半纤维素和少量的纤维素能水解出更多的还原糖.

图4 不同方法预处理后稻秆和玉米芯滤液中的还原糖得率

对2种原料而言，碱预处理所得滤液中的还原糖得率最高，远高于酸预处理.这是因为在酸预处理过程中，半纤维素水解成的木糖最终降解为糠醛，因此测得的还原糖得率较低.而在碱预处理过程中，去除的木质素最终分解成大量游离酮基，也能与DNS试剂发生显色反应，因此测得滤液中的还原糖得率较高.对酸－碱耦合预处理来说，由于前面的酸预处理过程已经去除了部分半纤维素和少量木质素，从而使得滤液中的还原糖得率较碱预处理低.

结合前面超声波作用后2种原料的成分变化可知，当在碱性条件下进行超声波强化后，稻秆中的半纤维素含量进一步减少，则还原糖得率增大.而玉米芯的木质素含量也进一步减少，但是由于超声波作用时间较短，去除的木质素并未完全转化为游离酮基，因此其测得的还原糖得率反而降低，从而使得稻秆超声波强化碱预处理滤液中的还原糖得率高于玉米芯.

3 结论

1)碱溶液与木质纤维素结构中各成分发生反应的顺序为先木质素后半纤维素.

2)超声波的空化作用能缩短作用时间，增大原料对溶剂的通透性，在酸－碱耦合预处理的基础上进一步降低木质素或半纤维素的质量分数，并促进稻秆和玉米芯酶解，因此最佳的预处理方式为酸－超声波强化碱预处理.

3)对不同成分的木质纤维素原料而言，超声波均能针对性地降低木质素或半纤维素的质量分数，且木质素的含量对其结晶结构的变化有着直接影响.

［1］Ragauskas Arthur J，Williams Charlotte K，Davison Brian H，et al.The path forward for biofuels and biomaterials［J］.Science，2006，311(5760):484－489.

［2］Velmurugan Rajendran，Muthukumar Karuppan.Sonoassisted enzymatic saccharification of sugarcane bagasse for bioethanol production［J］.Biochemical Engineering Journal，2012，63:1－9.

［3］Ryan Lisa，Convery Frank，Ferreira Susana.Stimulating the use of biofuels in the European Union:implications for climate change policy［J］.Energy Policy，2006，34(17):3184－3194.

［4］姚秀清，张全.植物纤维原料发酵生产燃料乙醇研究进展［J］.可再生能源，2011，29(2):59－64.

Yao Xiuqing，Zhang Quan.Status of fuel ethanol production by fermentation of vegetable cellulosic material［J］.Renewable Energy Resources，2011，29(2):59－64.(in Chinese)

［5］Parameswaran Binod，Raveendran Sindhu，Reeta Rani Singhania，et al.Bioethanol production from rice straw:an overview［J］.Bioresource Technology，2010，101(13):4767－4774.

［6］Li Mingfei，Fan Yongming，Xu Feng，et al.Cold sodium hydroxide/urea based pretreatment of bamboo for bioethanol production:characterization of the cellulose rich fraction［J］.Industrial Crops and Products，2010，32(3):551－559.

［7］朱振兴，聂俊华，颜涌捷.木质纤维素生物质制取燃料乙醇的化学预处理技术［J］.化学与生物工程，2009，26(9):11－14.

Zhu Zhenxing，Nie Junhua，Yan Yongjie.Chemical pretreatment technology of lignocellulose biomass for fuel ethanol［J］.Chemistry＆Bioengineering，2009，26(9):11－14.(in Chinese)

［8］唐锘.秸秆预处理方法的筛选［J］.化工时刊，2008，22(7):22－26.

Tang Nuo.Selection of straw pre-treatment methods［J］.Chemical Industry Times，2008，22(7):22－26.(in Chinese)

［9］晏飞来.基于玉米秸秆乙醇化的氨化预处理与酶解工艺研究［D］.重庆:西南大学环境工程学院，2010.

［10］王倩.纤维素酶高产菌株选育与玉米秸秆生产酒精工艺研究［D］.保定:河北农业大学农产品加工及贮藏工程学院，2003.

［11］梁江华.超声波辅助生物催化降解木质纤维素制燃料乙醇的研究［D］.天津:天津大学化工学院，2007.

［12］Sasmal Soumya，Goud Vaibhav V，Mohanty Kaustubha.Ultrasound assisted lime pretreatment of lignocellulosic biomass toward bioethanol production［J］.Energy＆Fuels，2012，26(6):3777－3784.

［13］Chen Wei-Hsin，Ye Song-Ching，Sheen Herng-Kuang.Hydrolysis characteristics of sugarcane bagasse pretreated by dilute acid solution in a microwave irradiation environment［J］.Applied Energy，2012，93:237－244.

［14］李贤军，刘元，高建民，等.高温热处理木材的FTIR和XRD分析［J］.北京林业大学学报，2009，31(增刊1):104－107.

Li Xianjun，Liu Yuan，Gao Jianmin，et al.FTIR and XRD for wood with high-temperature heating treatment［J］.Journal of Beijing Forestry University，2009，31(Supp1):104－107.(in Chinese)

Acid-ultrasound strengthened alkali pretreatment of rice straw and corncob

Yan Qing Zhong Zhaoping Zhang Xiyun
(Key Laboratory of Energy Thermal Conversion and Control of Ministry of Education，Southeast University，Nanjing 210096，China)

Performance of different pretreatment of rice straw and corncob were compared and the strengthening mechanism of ultrasound was investigated through raw material component analysis and saccharification rate analysis.The effect of ultrasound on crystalline structure of rice straw and corncob was studied by XRD(X-ray diffraction)and DNS(3，5-dinitrosalicylic acid)colorimetry was used for the filtrate after ultrasound pretreatment for the saccharification rate.The results show that the mass percentage of hemicellulose in rice straw is decreased by 20.61%and that of lignin in corncob is reduced by 45.98%after ultrasound radiation for a shorter pretreatment time on the basis of acid and alkali combination.Furthermore，the saccharification rate of rice straw and corncob are enhanced by 20.18%and 9.47%，respectively.Meanwhile，an increase in the peak intensity of(002)plane for both materials are clearly observed after ultrasound pretreatment.It demonstrates that for different raw material the ultrasound is beneficial to the reduction of mass percentag of lignin or hemicellulose，and the former directly affects the crysalline structure.

pretreatment;acid-alkali combination;ultrasound;rice straw;corncob

X705

A

1001－0505(2013)01-0105-05

10.3969/j.issn.1001－0505.2013.01.020

2012-04-05.

严青(1988—)，女，硕士生;仲兆平(联系人)，男，博士，教授，博士生导师，zzhong@seu.edu.cn.

国家重点基础研究发展计划(973计划)资助项目(2011CB201505).

严青，仲兆平，张茜芸.采用酸－超声波强化碱预处理稻秆和玉米芯的研究［J］.东南大学学报:自然科学版，2013，43(1):105－109.［doi:10.3969/j.issn.1001－0505.2013.01.020］