杨木制备纤维乙醇过程中化学成分变化的分析

闫兴伟，崔 琳，张 林，王 芳，陈茜文

（中南林业科技大学 材料科学与工程学院，湖南 长沙 410004）

杨木制备纤维乙醇过程中化学成分变化的分析

闫兴伟，崔 琳，张 林，王 芳，陈茜文

（中南林业科技大学 材料科学与工程学院，湖南 长沙 410004）

杨树是我国重要的速生树种。以杨木为原料制备生物乙醇是解决当今能源问题的一项新的尝试。对杨木原料蒸汽爆破预处理后以及菌处理后的化学成分及化学性质进行了测定分析。通过对比其化学成分（纤维素、木素、半纤维素、抽出物、灰分及蛋白质）的变化，研究了以杨木为原料制备生物乙醇生产过程中化学成分变化机理，旨在为指导杨木制备木质纤维乙醇的生产，并为发酵后副产物的回收再利用提供理论依据。

杨木；美洲黑杨；化学成分；生物乙醇；蒸汽爆破

自20世纪70年代以来，以燃料乙醇为代表性产品的生物燃料产业飞速发展。特别是以甘蔗、玉米为原料的第一代燃料乙醇产业已形成规模，2011年世界各国燃料乙醇的总产量约为5 860 万t，比2010年增加了12.7%[1]。

同步糖化发酵（SSF）是生产生物乙醇的重要方法之一，也是未来生物乙醇工业化的主要趋势。将酶解与发酵合二为一，酶解产生的糖不断被发酵利用，消除了纤维素酶受葡萄糖和纤维二糖终产物抑制，提高了糖化效率，并降低了酶制剂的用量[2]。2007 年，Kim 和Lee[3]研究了在温和的温度下用氨水浸泡预处理玉米秸秆同步糖化共发酵生产燃料乙醇。利用重组大肠杆菌KO11同步糖化共发酵对处理过的浓度为3%的葡聚糖玉米秸秆可生产出浓度为19.2 g/L 的乙醇。2009 年，Shen Y等[4]利用酿酒酵母同步糖化发酵用磷酸-丙酮处理狗牙根、芦苇和油菜籽进行乙醇生产。当底物中纤维素含量较低为3%时，进行单批模式同步糖化发酵，96 h后产出16 g/L乙醇。

以杨木为原料制备生物乙醇是解决当今能源问题的一项新的尝试，在以往文献中鲜见报道。中南林业科技大学生物乙醇研究中心以风干的杨木为原料，通过蒸汽爆破预处理后，先使用里氏木霉Rut C-30和爪哇正青霉ZN-205制备的混合纤维素酶（15 FPU/g 底物，β-葡萄糖苷酶/滤纸酶比值为1.39）在最优条件下酶解杨木48 h（可产生还原糖25.54 g/L，糖的转化率78.184%）。而后用酿酒酵母和基因工程菌大肠杆菌K011两种菌混合发酵，最后得到25 g/L乙醇[5]。

通过分析对比杨木原料、蒸汽爆破预处理后的杨木原料以及菌处理后的杨木原料的不同抽提物含量和主要化学成分变化，为以杨木为原料制备生物乙醇生产提供指导，并为发酵后副产物的回收再利用提供依据，进而开发出高附加值产品，达到降低生物乙醇制备工艺的成本的目的。

1 材料与方法

1.1 实验材料

原料：均采自湖南常德汉寿县杨木速生基地，9年生的美洲黑杨Populus deltoides，胸径11.2 m以上。树高21 m以上，2012年6月采样分析，2013年12月分析检测。蒸汽爆破预处理和菌处理后的杨木由中南林业科技大学生物乙醇研究中心提供。

药品：氢氧化钠（分析纯AR），硝酸（AR），95%乙醇（AR），溴酸钾（AR），溴化钾（AR）为国药集团化学试剂有限公司；氯化钠（AR），苯（AR），硫酸（AR），氯化钡（CP），盐酸（AR）株洲市星空化玻有限责任公司；硫代硫酸钠（AR），碘化钾（AR），淀粉（AR），酚酞（AR），甲基橙（AR）天津大茂化学试剂厂。

主要仪器：索氏抽提器，糠醛蒸馏装置、量筒、烧杯、抽滤瓶、碱式滴定管、砂芯漏斗、容量瓶、具塞锥形瓶（250/500/1 000 mL）、烘箱、干燥器，电炉，PB403-N电子天平，郑州长城科工贸有限公司；SHZ-D（III）循环水式真空泵，巩义市子华仪器有限责任公司，高温炉。

1.2 实验方法

实验各项目分析方法均采用木材化学成分分析国家标准进行[6]。其中纤维素采用硝酸乙醇法测定；半纤维素采用二溴化法测定；木质素采用Klason法测定[7]；氢氧化钠抽出物含量测定所用的NaOH浓度为0.998 %；苯醇抽提物含量测定所用苯∶乙醇为2∶1；蛋白质测定方法采用凯氏定氮法测定。

2 结果与分析

2.1 抽提物

木材中的抽出物主要为木材中少量的低分子成分，大部分储存于细胞间隙与细胞腔中，木材中所含抽提物的含量与种类因生长立地条件不同而有所差异。一般而言，冷水抽提物包含单宁、色素、生物碱(主要为它的盐类)，可溶性矿物成分及某些单糖；热水抽提物除含有上述成分外，还包含有淀粉和果胶质；1%NaOH抽提物除包含更多量的热水抽提物的各种成分外，还含有蛋白质、氨基酸、部分半纤维素、木质素的低聚物，以及少量油脂、蜡、树脂和香精油；苯、乙醇抽提物中，主要有树脂、蜡、脂肪、香精油、单宁、色素、部分碳水化合物和微量的木质素[7]。从表1可以看出原木试样的抽提物含量和一般阔叶木中所含结果没有多大区别。

如表1所示，经过爆破处理后的试样抽出物含量均高于原木试样，这说明原木在高温和稀酸处理下组分发生了变化，特别是高分子化合物。如图1，从1%氢氧化钠抽提物的含量比原木提高了近20个百分点，热水抽提物是原木的一倍左右可以看出爆破预处理后半纤维素降解为一些小分子的有机物。而在菌处理的杨木中NaOH抽提物高达到59.7%，这说明细菌将木材中大分子有机物分解成低聚物，因此NaOH抽提物也可以作为判断木材是否腐朽的一个重要指标。

图1 1%NaOH抽提物和热水抽提物在不同试样中的含量Fig.1 Contents of 1%NaOH extractives and hot water extractives in different wood samples

从表1可以看出，对菌处理后的试样各抽出物含量均大于其他两项，这是因为菌处理使得大部分纤维素转化为乙醇和分解残留的小分子。菌处理后的木材的抽出物除原木中所含的少量成分外，有木材中的高分子降解后的低聚物，也有菌种在对木材作用后产生的代谢低分子产物以及部分培养菌种所必须的培养基溶液，使1%氢氧化钠抽提物的含量又提高了近20多个百分点。

2.2 灰 分

灰分是树木生长不可缺少的营养成分，原木试样中的灰分为0.66%，属于阔叶材中灰分一般的树种，经爆破处理后，部分可溶性钾、钠盐灰分溶解在水中，剩下不溶的钙、镁盐类，所以这时的灰分有所降低。菌处理属于生物反应工程，灰分的存在对其会有一定的影响，控制一个适宜的环境对于反应过程至关重要。所以菌处理后的灰分又所增加，这是菌种在进行反应过程中产生了代谢产物以及加入了适宜菌种生存的培养基溶液造成的。

表1 不同处理的杨木原料化学成分及组成的变化Table 1 Changes of poplar wood chemical constituents and composition with different treatments

2.3 半纤维素与纤维素

木材细胞壁主要是由纤维素、半纤维素、木质素组成。纤维素和半纤维素是可供生物乙醇发酵的主要成分。蒸汽爆破预处理利用木材细胞壁组分在165 ℃会发生热解的原理，从而在高温高压酸性环境下加速这种热解反应，将部分纤维素和大部分半纤维素水解为五碳糖和六碳糖。

如图2对比蒸汽爆破前后的半纤维素含量和热水抽提物含量，我们可以看出木材在酸性水蒸气的条件下，经过高温高压（3 MPa、200 ºC以上）处理使得原细胞壁被破坏，半纤维素基本被热水解，这就使得1% NaOH溶液和苯醇抽提物含量均比原木抽提物显著提高。蒸汽爆破将大量半纤维素水解为较小单元对后期菌处理有所贡献，在较大改变木材原结构的同时对纤维素的水解贡献大，适宜作为生物乙醇生产的预处理步骤。而经过菌处理后，木材的纤维素基本被酶水解，故抽提物含量也大大增加。

纤维素的含量在经过蒸汽爆破处理后略有提高，这是由于蒸汽爆破将大部分半纤维水解并流失到溶液中，使得原料的质量减少而导致纤维素有所提高；而经菌处理后的试样纤维素含量显著降低而半纤维素基本没有减少，说明混合纤维素酶主要酶解的是纤维素。同时，由于随着纤维素酶解含量的降低使得基数变小，导致了酸不溶木素含量的增加。

图2 纤维素和半纤维素在不同样品中的含量Fig.2 Contents of cellulose and hemicellulose in different wood samples

2.4 木 素

木质素是由苯丙烷单元通过醚键和碳碳键连接而成的聚酚类三维网状高分子芳香族化合物[9]，由于其结构复杂，分子大，很难进入到细胞内部供微生物吸收利用，因此木质素对生物乙醇的生产是没有贡献的。由图3数据可知，无论是蒸汽爆破预处理还是菌处理对木质素总量的影响都不大。而最后经过细菌处理的剩余产物中的主要成分为木质素，由此可知，如何高效合理的利用菌处理后的木质素是回收再利用生物乙醇发酵剩余产物的关键。

图3 木质素在不同样品中的含量Fig. 3 Contents of lignin and protein in different wood samples

2.5 蛋白质

绿色植物是获取蛋白质最经济途径之一。一般是通过树叶中获取，而植物树干材中的蛋白质含量并不高。由表1数据得知，原木材和经爆破处理后木材其蛋白质含量都在万分之几。经过菌处理后蛋白质含量略有所增加达到0.274%。为植物蛋白饲料资源开发提供一些依据，使之得到更好利用与控制。

3 结 论

（1）实验过程中，冷水、热水、1%NaOH、苯醇抽提物的含量：菌处理的样品最＞蒸汽爆破处理后的样品＞原木样品。酸不溶木素的含量为：菌处理的样品＞蒸汽爆破处理后的样品＞原木样品。纤维素含量：蒸汽爆破处理后的样品＞原木样品＞菌处理样品。半纤维素的含量：原木样品＞菌处理样品＞蒸汽爆破处理后的样品。蛋白质含量：菌处理样品＞蒸汽爆破处理后的样品＞原木样品。

（2）蒸汽爆破处理极大的改变了杨木本身的结构与化学构成，在保持纤维素基本不变的前提下水解了绝大多数的半纤维素，变相的提高了样品中纤维素的含量。采用爆破方式可以使木材的结构更为疏松，较低的分子量易于进行后期的生物反应，是生物乙醇发酵技术一种优良的预处理方法。

（3） 生物乙醇发酵剩余物中的主要成分为木质素，其它二个样品成分主要为纤维素与半纤维素，相比较造纸碱液剩余木质素，发酵剩余木质素结构较为完整，生物亲和性也更高，适宜作为生物材料加以利用的原料，从而降低生物乙醇的生产成本。

[1] 世界能源展望2011 执行摘要. www.worldenergyoutlook.org,2011.

[2] 赵文慧. 固态发酵生产纤维素酶及纤维原料酶法糖化的研究[D]. 杭州:浙江大学, 2002 .

[3] Kim TH, Lee YY. Pretreatment of corn stover by soaking in aqueous ammonia at moderate temperatures [J]. Applied Biochemistry and Biotechnology, 2007,137:81-92.

[4] Shen Y, Zhang Y, Ma T, et al. Simultaneous saccharif i cation and fermentation of acid-pretreated corncobs with a recombinant Saccharomyces cerevisiae expressing [beta]-glucosidase [J].Bioresource Technology, 2008,99(11):5099-5103.

[5] 王璀璨.混合纤维素酶水解杨木及多菌种共发酵制备燃料乙醇[D].长沙:中南林业科技大学,2010.

[6] 刘书钗.纸浆造纸分析与检测[M].北京: 化学工业出版社,2004: 10-40．

[7] 黄干强,张 曾.改良(OX-Dem)卡伯值:更加准确估计纸浆中残余木素的含量[J].造纸科学与技术, 2002,21(2):10-12.

[8] 陈茜文.湖南主要树种木材的化学成分分析[J].中南林学院学报,1995,15(2):191-194.

[9] 蒋挺大.木质素（第二版）[M].北京: 化学工业出版社,2008. 1-2．

[10] 刘书钗.纸浆造纸分析与检测[M].北京: 化学工业出版社,2004. 10-40.

Analysis on chemical components changes in preparation process of cellulosic ethanol from poplar wood

YAN Xing-wei, CUI Lin, ZHANG Lin, WANG Fang, CHEN Qian-wen
(School of Materials Science and Engineering, Central South University of Forestry and Technology, Changsha 410004, Hunan, China)

Poplar is an important fast-growing species in China. The preparation of bio-ethanol with poplar wood as the raw material is a new attempt to solve today’s energy problems. After steam-exploded pretreatment and then bacteria treatment to the poplar wood raw materials, the materials’ chemical composition and properties were measured and analyzed. Through contrasting the changes of the materials’ chemical composition(cellulose, lignin, hemicelluloses, extracts, ash and protein), the mechanism of chemical change of the tested materials in the bioethanol production process prepared from poplar wood was studied, the surplus product contained 64.07%lignin, 6.78% cellulose and 6.88% hemicellulose. The results provide a theoretical basis for guiding the preparation of poplar wood cellulosic ethanol production, and the subsequent recycling of fermentation by-products.

poplar; Populus deltoids; chemical composition; bio-ethanol; steam explosion

S792.11

A

1673-923X(2015)02-0119-04

10.14067/j.cnki.1673-923x.2015.02.023

http: //qks.csuft.edu.cn

2014-05-28

国家林业局引进国际先进林业科学技术项目（2012-4-10）；湖南省科学技术厅科技计划重点项目（2014WK2027）

闫兴伟，硕士研究生 通讯作者：陈茜文，硕士生导师，教授；E-mail：cqwcsfu@126.com

闫兴伟,崔 琳. 杨木制备纤维乙醇过程中化学成分变化的分析[J].中南林业科技大学学报，2015,35(2):119-122.

[本文编校：文凤鸣]