稀酸法预处理对橡子壳纤维组成和结构的影响

杨 静，蒋剑春，张 宁，卫 民，赵 剑

(中国林业科学研究院 林产化学工业研究所；生物质化学利用国家工程实验室；国家林业局 林产化学工程重点开放性实验室；江苏省生物质能源与材料重点实验室，江苏 南京 210042)

多年来，传统能源的大量使用导致了能源危机以及环境恶化。为了实现经济和环境的可持续发展，可再生、无污染的生物质能源已成为当今的研究热点。其中木质纤维素是地球上数量最大的可再生能源物质，据初步统计全世界每年产量大约为100亿t[1]。利用农林废弃物作为原料生产乙醇，实现生物质资源的高值化利用，有利于改善生态环境，符合循环经济发展的要求，还可以增加农民的收入。

橡子是壳斗科麻栎属(QuercusacutissimaCarruth)和常绿槠栲类野生植物橡树的果实。全世界有8属900余种，分布于温带、亚热带和热带，我国占6属301种[2]。我国有着丰富的橡子资源，橡子林约有1 300～1 670万hm2，每年可产60～70亿kg橡子[3]。橡子仁既可作为动物饲料、工业原料，也可用来加工保健食品，以橡实淀粉为原料生产生物燃料酒精也是一条较好的利用途径，成为目前研究的热点[4]。由此产生的橡子壳产量大、来源广、价格低，但却无法得到很好的利用，不仅污染环境而且造成能源浪费。因此，可以考虑利用纤维素酶水解糖化橡子壳，从而充分利用生物质资源，保护生态环境，实现可持续发展。木质纤维素主要由纤维素、半纤维素以及木质素构成，三者通过基团间的化学作用力相互结合在一起的，纤维素被木质素与半纤维素包裹在内部，从而阻碍了纤维素的水解糖化[5]。因此，欲酶解纤维素必须对原料进行预处理。常用的预处理的方法主要有物理法、化学法、生物法和联合预处理法等[6]。其中稀酸预处理是最常用的方法之一。在原料的各组分中，纤维素对稀无机酸的作用比半纤维素稳定，再加上木质素处于纤维的外表，对纤维素起一定的保护作用，所以用稀无机酸处理时，首先被酸水解的是半纤维素，然后再溶解部分木质素。本文作者以林业废弃物橡子壳为原料，考察稀酸法预处理对其酶水解效果的影响，期望得到低成本、高利用率且易于工业化的纤维素糖化工艺，为橡实资源的规模化开发以及在液体燃料生产中的应用提供有价值的参考。

1 实 验

1.1 实验材料

实验所用橡子采自安徽滁州，风干后脱壳，将橡子壳50 ℃烘干备用。纤维素酶：无锡市雪梅酶制剂有限公司(酶活15.6 FPU/g，实验室测得)。

1.2 预处理

取10 g橡子壳浸泡在2%的硫酸溶液中，固液比1 ∶8(g ∶mL)，分别在室温中静置48 h以及在高压蒸汽灭菌锅中121 ℃(0.15 MPa)处理1 h。处理结束后，用蒸馏水将原料洗至中性，50 ℃烘干，用粉碎机粉碎，过筛得0.30～0.45 mm的颗粒待用。将室温酸处理样品标记为1#；121 ℃/0.15 MPa酸处理样品标记为2#；未处理样品标记为0#。

1.3 成分分析

按照范式(Van Soest)的洗涤纤维素分析法测定各样品的半纤维素，纤维素，木质素含量。分别测定中性洗涤纤维(NDF)，酸性洗涤纤维(ADF)，和酸性洗涤木质素(ADL)。其中ADF与ADL的差值为纤维素含量，NDF与ADF的差值为半纤维素含量，ADL与酸不溶灰分的差值为木质素含量；按照GB/T 15686—2008测定橡子壳单宁含量。并按照(1)式计算纤维素回收率(yrec,%)[7]。

(1)

式中：Mpret—预处理后原料干质量，g；Mor—未处理原料干质量，g；Cpret—预处理原料纤维素质量分数，%；Cor—未处理原料纤维素质量分数，%。

1.4 酶水解

分别称取2 g的0#、 1#、 2#样品，加入0.1 mol/L，pH值4.8的柠檬酸缓冲液，固液比为1 ∶20(g ∶mL)，于50 ℃水浴中预热20 min，然后按照20 FPU/g(以纤维素计)的酶量加入纤维素酶，于50 ℃， 150 r/min水解 72 h。结束后，立即用冰块终止酶水解，过滤，进行高效液相色谱分析。按照(2)式计算酶水解得率(yeeh,%)：

(2)

式中：Mdm—样品干质量，g；Mg—葡萄糖质量，g； 0.9为纤维素和葡萄糖之间的转换系数；Cpret—样品中纤维素的质量分数，%。并按照(3)式计算总体葡萄糖产率(yp,%)：

(3)

式中：yrec—纤维素回收率,%；yeeh—酶水解得率，%。

1.5 分析方法

1.5.1 电镜扫描(SEM) 预处理前后橡子壳烘干后，采用电子显微镜(3400-N, Hitachi,日本)观察结构变化，放大倍数为8 000倍。

1.5.2 红外光谱(ATR-FTIR) 预处理前后橡子壳烘干后，以KBr压片，在MAGNA-IR 550红外光谱仪(尼高力仪器公司，美国)上检测样品得到FT-IR谱图，扫描范围为4 000～400 cm-1。

1.5.3 X射线衍射 测试在Swiss ARL X射线衍射仪上完成，Cu靶，Kα射线，工作电压40 kV，电流30 mA,扫描速度4.0°/min，步长为0.02°，扫描范围5.00～40.00°。参考Segal等[8]经验法计算橡子壳中纤维素的相对结晶度(Icr)，计算公式如(4)式：

(4)

式中：I002—(002)面衍射强度；Iam—2θ接近16°时，非结晶背景衍射的散射强度。

2 结果与分析

2.1 成分分析

利用稀硫酸，在不同条件下(室温1#样品,高温高压2#样品，见2.1节)对橡子壳进行了预处理，对预处理前后的原料进行了成分分析，结果见表1。

表1 100 g橡子壳预处理前后主要成分(干基)

橡子壳中含纤维素34.5%，半纤维素20.4%和木质素36.6%。其中综纤维素的含量达到54.9%，这与高粱杆的组成类似，低于麦草[9-10]和其他硬/软木[11]。橡子壳中木质素的含量较高，远高于高粱杆、麦草等木质纤维素原料，但是较Çöpür等[12]和Yeim等[13]报道的榛子壳含量低，由此可能推测壳类物质含有较高含量的木质素。橡子壳纤维素含量居中，高于高粱杆[14]和榛子壳，在文献报道的麦草的纤维素含量范围内，可以加以利用。经过预处理，原料的纤维素回收率(见表2)分别为99.7%(室温)和75.4%(121 ℃/0.15 MPa)。后者的纤维素损失率较高(较原料损失24.6%)，这意味着在高温高压下有更多的纤维素被降解成葡萄糖以及其它物质。原因可能是随着处理条件的加剧，更多半纤维素被除去，使得纤维素更容易受到酸溶液的破坏。室温下的半纤维素和木质素去除率为21.6%和6.6%；高温高压(121 ℃，0.15 MPa)下为84.6%和24.5%，较室温处理的效果较好。

表2 预处理对纤维素回收率和酶水解效果的影响

2.2 酶水解

对酸处理后的原料进行水洗，粉碎，酶水解72 h，测定酶水解得率yeeh，并计算总体葡萄糖产率yp，结果见表2。经过预处理后，酶水解得率均有所增加，两种条件下的增幅相差不大，从未处理前的42.8%分别提高到71.4%和72.1%，增幅分别为66.8%和68.5%。结合纤维素回收率，室温下的总体葡萄糖产率达到71.2%，提高了66.4%，而高温高压下的酶水解得率虽然有所增加，但是由于纤维素损失率较高，导致总体葡萄糖产率增幅不大，只有54.4%。

2.3 电镜扫描分析

利用扫描电镜观察橡子壳预处理前后表面形态的变化，见图1。从8 000倍电镜扫描的照片可以看出未处理原料纤维表面平整光滑，结构致密，光滑无孔，呈现有序的片层状；经过稀酸预处理后可见单根纤维或纤维束表面有部分断裂，甚至形成较大的凹陷和裂痕，表面出现孔洞，结构变得蓬松。由此可知，稀酸预处理破坏了橡子壳的纤维结构，这样纤维素酶分子与底物的接触位点将大大提高，从而可使酶解后还原糖产率提高。

0#.未处理untreated material; 1#.室温酸处理pretreatment at room temperature; 2#.121 ℃，0.15 MPa酸处理pretreatment at 121 ℃，0.15 MPa

2.4 红外光谱分析

在木质纤维原料分析中，红外光谱可用于对纤维素、半纤维素和木质素作定性分析，也可用于定量分析。橡子壳预处理前后的红外光谱分析图见图2。

2.5 X射线衍射分析

图3为原料处理前后的橡子壳的X射线衍射图。由图3可看出,橡子壳经过处理后,衍射图的基本形状没有改变,说明处理前后原料的晶型结构没有发生变化。在衍射角2θ为16°以及22.5°处的衍射峰强度都有所升高,说明预处理对橡子壳的纤维部分处理效果较好，纤维中的无定形区及结晶区表面经硫酸预处理后大量溶出，而将结晶区暴露在外使其吸收强度变大。同时计算得原料的结晶度为35.7%，室温处理原料为20.1%，高温高压下为27.9%。

图2 橡子壳预处理前后红外光谱图

经稀硫酸预处理后纤维素的结晶度有所降低，尤其是室温处理的下降幅度更为明显，达到43.7%。这是预处理后酶水解产率升高的一大因素。经过处理后，分子链间的排列变得疏松，纤维素表面积增大，酶对纤维素的可及度升高，从而使水解产率增加。而研究表明，稀酸预处理对木质纤维素的结晶度的影响具有双重效应，其一是稀酸处理后将无定形区的木质素和半纤维素组分除去，提高了木质纤维素的结晶度；其二是稀酸处理能通过润胀作用解开一些高度结合在一起的结晶结构，使结晶度下降。因而，稀酸处理过程中木质纤维素结晶度的变化依赖于这两重效应的作用强弱[16]。

3 结 论

以橡子壳作为原料，通过化学分析方法、SEM、X射线衍射分析、红外光谱分析等分析方法，考察了稀硫酸预处理对其结构成分以及酶水解效率的影响。利用2%硫酸溶液分别在室温预处理48 h以及在高压蒸汽灭菌锅中121 ℃(0.15 MPa)预处理1 h。随后加入20 FPU/g纤维素的纤维素酶，于50 ℃，150 r/min水解72 h。结果表明：

3.1 橡子壳中含有36.6%的木质素，含量较高，不利于酶水解。室温酸处理样品的半纤维素和木质素去除率分别为21.6%和6.6%。酶水解得率为71.4%，总体葡萄糖产率达到71.2%，提高了66.4%。

3.2 121 ℃， 0.15 MPa下酸处理样品的半纤维素和木质素的去除率分别为84.6%和24.5%。酶水解得率为72.1%，较处理前提高了68.5%，但是由于纤维素损失率较高，导致总体葡萄糖产率增幅不大，只有54.4%。

3.2 经过预处理后，物料的纤维束结构变得松散、纤维比表面积增大、表面孔洞增加；纤维结构的无定型区比例升高、结晶度下降；原料半纤维素和部分木质素被降解，有利于增加纤维素酶的可及度，从而提高纤维素酶水解效率。

参考文献：

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