用作燃料乙醇原料的刺槐无性系木质纤维素成分研究

王 冲，彭祚登，杨欣超，王 梁，王少明

(1.北京林业大学 国家能源非粮生物质原料研发中心，北京 100083；2.国有洛宁县吕村林场，河南 洛宁 471700)

用作燃料乙醇原料的刺槐无性系木质纤维素成分研究

王 冲1，彭祚登1，杨欣超1，王 梁1，王少明2

(1.北京林业大学 国家能源非粮生物质原料研发中心，北京 100083；2.国有洛宁县吕村林场，河南 洛宁 471700)

为了筛选出较适合生产燃料乙醇的刺槐无性系，选取8044、8048（豫刺1号）、83002（豫刺7号）、84023（豫刺8号）、速生刺槐（无性系3-Ⅰ）、四倍体刺槐、匈牙利大叶刺槐和普通刺槐8个无性系或品种作为研究对象，采用范式洗涤法，测定其纤维素、半纤维素和木质素含量，并研究了不同生长时期各成分的变化规律。结果显示：大部分无性系纤维素平均含量在速生期最高，半纤维素含量在生长初期最高，木质素含量在速生期最低。且各无性系在同一生长时期，纤维素、半纤维素和木质素含量均存在显著差异。普通刺槐和84023在生长末期的综纤维素含量最高，均达到55%；其中，纤维素含量分别为34.7%和34.4%；木质素相对较低，分别为20.7%和18.8%，较适合作为生产燃料乙醇的原料。

刺槐无性系；木质纤维素成分；纤维素；半纤维素；木质素；燃料乙醇原料

近些年，由于化石能源的大范围消耗，木材已经成为生产木质纤维素燃料的一种潜在资源[1]。目前，生物质燃料已发展至第二代，将富含纤维素和半纤维的木质生物质为原料，主要生产纤维素乙醇[2]。原料树种主要有桉树、杨树和柳树等[3]。

刺槐Robinia pseudoacaciaL.具有适应性强、耐干旱、耐贫瘠、容易繁殖、生长快等特点，在中国广大地区都有栽培[4]。以其作为第二代生物质燃料原料，刺槐的生物量是足够庞大的；另外，由于其萌蘖能力强，适合短轮伐经营，因此能够满足原料连续供应的要求。笔者对刺槐枝条的化学成分，即纤维素、半纤维素和木质素的含量进行了测定，对比了8种不同的无性系或品种之间的差异，并研究了其不同生长期化学成分的变化，以期为生产燃料乙醇的刺槐原料特性分析提供依据，并为刺槐能源林的无性系选择提供理论指导。

1 材料与方法

1.1 实验材料

试验材料为2年生萌生刺槐，包括8048（豫刺1号）、8044、83002(豫刺7号)、84023（豫刺8号）、速生（无性系3-Ⅰ）5个无性系和匈牙利大叶刺槐、四倍体刺槐和普通刺槐3个品种。

1.2 试验地条件及试验设计

试验地点为河南洛宁吕村林场。该林场所属地区属暖温带大陆性季风气候，受海陆季风影响，春旱多风、夏热多雨、秋爽日照长、冬季寒冷少雨雪，气温年较差大，四季分明，雨热同季。夏季多东风，冬季多西北风，年平均气温13.7℃，绝对最高气温42℃，绝对最低气温-21℃，无霜期215 d，年降水量606 mm，多集中于7～9月，占全年降水量47%，年平均相对湿度69%。土壤为褐土，土壤全氮、全磷、全钾含量分别为1.16 g/kg，0.13 g/kg，2.31 g/kg。

试验采用随机区组设计，共8个无性系或品种，每个无性系3个重复。

表1 试验设计†Table 1 Experimental design

每个小区面积为42 m2，株行距为1 m×1.5 m，不同地块之间有3行隔离带。

1.3 取样方法及纤维素指标测定

1.3.1 样品的采集与处理

2013年5月、7月、11月采样，三个月份分别代表刺槐的生长初期、速生期和生长末期。取样时，在每个小区中随机选取3株刺槐标准木，分别剪取树干上、中、下三个高度的枝条，在每个枝条上，每隔一段剪下2 cm的小段，分装到信封中，做好标记。置于75 ℃烘箱中烘干至恒重，用粉碎机粉碎，过60目筛，准确称取1 g（精确至0.001 g），用纤维素分析仪进行纤维素各组分测定。

1.3.2 指标测定

采用Van Soest 的方法测定枝条中的中性洗涤纤维素（NDF）、酸性洗涤纤维素（ADF）和酸性洗涤木质素（ADL）。然后根据测定结果计算出纤维素、半纤维素和综纤维素的含量，分别为：纤维素=ADF-ADL；半纤维素=NDF-ADF；综纤维素=半纤维素+纤维素；木质素=ADL-灰分，由于灰分含量太少，忽略不计，即木质素=ADL。

1.3.3 数据处理

采用SPSS 20.0软件对试验数据进行单因素方差分析（One-way ANOVA），用Duncan法在0.05水平上进行多重比较。采用Excel软件绘制图表。

2 结果与分析

2.1 刺槐不同品种纤维素含量差异的比较

纤维素是细胞壁的主要组成部分[5]。它是一种由D-吡喃葡萄糖在β-1,4-糖苷键的连接下组成的均相多糖，包含结晶区和无定形区两部分[6]。由于构成纤维素的单体为六碳糖，因此通过生物方法或热化学方法较容易转化为乙醇[7]。

如图1所示，8种无性系或品种在不同生长时期的纤维素含量的变化范围在19.5 %～36.6%之间，这与赵静测定的结果接近[8]，但低于A. F. Drummond提到的40%～50%[9]。不同无性系或品种的纤维素随生长时期的变化规律不一致，8048、83002、84023、四倍体刺槐、速生刺槐5个无性系的纤维素含量先增加后减少，速生期的纤维素含量最高，平均含量为32.3%；8044和普通刺槐的纤维素先减少后增加，且11月份的纤维素含量较5月份的高，平均高出6.6%；只有匈牙利大叶刺槐的纤维素呈现一直增加的趋势（如图1）。

在3个生长时期，不同无性系或品种之间的纤维素含量均存在差异显著（p＜0.05）。生长初期，纤维素含量最高的是普通刺槐，最低的是速生刺槐。速生期，四倍体刺槐、84023和83002的纤维素含量较为突出，依次为36.6%、35.2%和34.9%，最低为普通刺槐，只有24.5%，仅占四倍体刺槐的66.9%。生长末期，各无性系的纤维素含量为普通刺槐＞84023＞8044＞匈牙利大叶＞83002＞速生刺槐＞8048＞四倍体刺槐。

图1 8种刺槐无性系不同生长时期纤维素含量比较Fig.1 Cellulose contents of 8 black locust clones in different growth periods

2.2 刺槐不同品种半纤维素含量差异的比较

半纤维素在植物资源中的含量仅次于纤维素，是一种取之不尽、用之不竭的再生性植物资源。在木材及非木材植物的细胞壁里，半纤维素是最复杂的组分，它们通过氢键与纤维素连接，以共价键 (主要是α- 苯甲基醚键) 与木素连接[10]。原料预处理过程就是断开这些氢键和共价键，是使半纤维素和纤维素充分暴露，以便后期转化为乙醇。半纤维素主要分为三类，即聚木糖类、聚葡萄甘露糖类和聚半乳糖葡萄甘露糖类。阔叶材与禾本科草类的半纤维素主要是聚木糖类多糖。木糖为五碳糖，能将其转化为乙醇的微生物较少，因此相对于纤维素的转化难度较大。

半纤维素含量随生长季呈现出两种不同的变化趋势：8048、8044和83023三种无性系的半纤维素含量先升高后降低，即速生期的含量最高，平均含量为22.1%；而其他5个无性系，半纤维素含量呈现出先降低后升高的变化规律，最高含量均值为21.2%（如图2）。

生长季内，只有速生期的无性系之间半纤维素含量有显著差异。生长初期，含量最高的为83002和84023，同为22%；速生期，8044含量最高，为22.7%；生长末期，含量最高的是83002（22.4%）。

2.3 刺槐不同品种综纤维素含量差异的比较

综纤维素是纤维素和半纤维之和，是木质纤维原料中能够转化乙醇的有效部分。因此，将其作为衡量无性系生产燃料乙醇潜质的重要指标之一。

8种刺槐无性系在3个不同生长时期的综纤维素含量均存在显著差异性（p＜0.05）。各无性系综纤维素含量随生长时期的变化规律不一致，生长初期、速生期和生长末期的平均含量分别为44.8%、50.1%和49.3%。与Mustafa Vohra等人得出的阔叶木综纤维素含量（78.8%）有差距[11]。这可能与取样部位有关，因为树干的综纤维素含量比枝条高。8044和普通刺槐的综纤维素含量呈V字型变化，匈牙利大叶呈现一直增加的趋势，其余5种无性系的综纤维素含量呈先降低后增加的变化规律。各无性系或品种，不同生长时期的综纤维素极差在5.1%～16.2%之间（如图3）。

图2 8种刺槐无性系不同生长时期半纤维素含量比较Fig.2 Hemicellulose contents of 8 black locust clones in different growth periods

图3 8种刺槐无性系不同生长时期综纤维素含量比较Fig.3 Holo-cellulose contents of 8 black locust clones in different growth periods

生长初期，含量最高的为普通刺槐，最低为速生刺槐。速生期，84023的综纤维素含量最高，为57.3 %，其次是83002，为56.8 %。生长末期，普通刺槐和84023含量最高（约为55.0%），匈牙利大叶和83002的含量次之，约为54.1%。

2.4 刺槐不同品种木质素含量差异的比较

木质素是一种由松柏醇、芥子醇和对香豆醇三种苯丙烷基单体组成的多酚类非晶态聚合物[12]。由于它的复杂性、不均匀性和与其他化学成分的紧密连接，在没有改性的条件下，木质素很难分离并转化为需要的产品（包括燃料乙醇），其结构也很难确定[13]。

8种刺槐无性系在3个不同生长时期的木质素含量均存在显著差异性（p＜0.05）。83002、84023、匈牙利大叶、四倍体刺槐和速生刺槐5个无性系，木质素含量随生长时期的变化，先减少后增加，变化范围在6.2%～17.9%之间（如图4）。

图4 8种刺槐无性系不同生长时期木质素含量比较Fig.4 Lignin contents of 8 black locust clones in different growth periods

生长初期，普通刺槐木质素含量最低（22%），四倍体刺槐含量最高（28.9%）；速生期，83002和匈牙利大叶刺槐木质素含量最低（同为15.4%），普通刺槐含量最高（27.7%）；生长末期，8044木质素含量最低（16.8 %），四倍体刺槐含量最高（35.7 %）。

3 结论与讨论

生长初期，8044和普通刺槐的综纤维素最高，即能够转化为燃料乙醇的有效部分含量最高。另外，普通刺槐在纤维素含量上高于8044，在木质素含量上又是最低。因此，相对于8044更有优势。这可能与普通刺槐比其他无性系在本地的适应性强有关。

速生期，84023的综纤维素含量最高。在纤维素和半纤维含量上，84023分别仅次于四倍体刺槐和8044，木质素含量也相对较低，为18.8%。

生长末期，普通刺槐和84023的综纤维素含量高于其他几种无性系。其中，普通刺槐的。纤 维素含量最高。而木质素最低的是8044，仅为16.8%。

植物纤维原料主要由纤维素、半纤维素和木素三部分组成。综纤维素是纤维素和半纤维素的总称。其中，纤维素是由D-葡萄糖组成的均相多糖，半纤维素是木糖、阿拉伯糖、甘露糖和半乳糖等单糖组成的异质多糖。木素不能作为发酵底物，半纤维素可以发酵为乙醇，但比纤维素要困难[14]。因此，将综纤维素和木质素含量作为评价几种无性系品质的指标之一，并且将纤维素作为优先考虑对象。

本研究是基于燃料乙醇为目标的，而将刺槐作为生产燃料乙醇的原料，一般是在冬季进行采伐。因此，生长末期的化学成分更具有参考价值。从生长末期的数据上看，普通刺槐和84023较适合作为生产燃料乙醇的原料，进行大规模种植和推广。

Werther Guidi等人[15]对杨树的树皮和木质部的化学成分研究发现杨树木质部的纤维素平均含量在54.49%左右，而树皮部分的为27.44%，两者相差较大。但考虑到要将刺槐能源林进行短轮伐期经营，收获时树皮比例不高，生产中将树皮分离后在作为原料生产乙醇不太实际，因此未将树皮和树干分开测定。方升佐[16]对杨树无性系化学成分的研究也表明，胸径处纤维素含量随年轮的增加而增大。刺槐和杨树同为阔叶树种，由此推测，可能存在相似的规律。由于所采样品均为枝条，树皮比例相对较大，直径较小，纤维素含量也较低。另外，S. Adamopoulos等人[17]的研究表明刺槐的不同高度处心材和边材之间在木质素含量也存在明显差异。如果要进一步研究无性系之间的化学成分差异规律，建议测定不同树龄的各无性系的化学成分含量，以便确定其木质纤维素含量稳定性。

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Researches on lignocellulose components of different black locust clones for producing bioethanol

WANG Chong1, PENG Zuo-deng1, YANG Xin-chao1, WANG Liang1, WANG Shao-ming2
(1.National Energy R & D Center for Nonfood Biomass, Beijing Forestry University, Beijing 100083, China; 2.State-owned Forest Farm of Luoning County, Luoning 471700, Henan, China)

In order to study the differences of lignocellulose content among 8 black locust clones or varieties, eight two-year-old species, such as 8044 and Yuci No.1(8048), Yuci No.7(83002), Yuci No.8(84023), fast-growingRobinia pseudoacacia, tetraploidRobinia pseudoacacia, HungaryRobinia pseudoacaciaand common black locust were selected as the experimental materials. Cellulose,hemicellulose and lignin contents in different growing periods were determined by means of Van Soest P J’s method. The results show that for most of the 8 clones or varieties, their mean cellulose contents in fast-growing period stage were in the highest status, the mean hemicellulose contents in early growth stage were in the highest state, the mean lignin contents in fast-growing period stage were in the lowest state. And in the same period of each clonal growth, cellulose, hemicellulose and lignin contents were all signif i cantly different;In the growth telophase, the holo-cellulose percent contents in common black locust and Yuci No.8(84023) were both 55%, higher than other clones or varieties signif i cantly; the cellulose contents of common black locust and Yuci No.8(84023) were 34.7% and 34.4%respectively, and their lignin contents were 20.7% and 18.8% respectively, lower than the others. The two clones are more suitable to be used as the raw materials to produce fuel ethanol.

Robinia pseudoacacia(Black locust) clone; lignocellulose components; cellulose; hemi-cellulose; lignin; raw material of fuel ethanol

S792.26

A

1673-923X(2015)06-0124-04

10.14067/j.cnki.1673-923x.2015.06.023

2014-12-14

高等学校博士学科点专项科研基金（20120014130001）

王 冲，硕士研究生 通讯作者：彭祚登，副教授，博士；E-mail：zuodeng@sina.com

王 冲,彭祚登,杨欣超,等. 用作燃料乙醇原料的刺槐无性系木质纤维素成分研究[J].中南林业科技大学学报,2015,35(6): 124-127,138.

[本文编校：吴 彬]