荻的蒸汽爆破预处理研究

李心收，刘 忠，惠岚峰

（天津市制浆造纸重点实验室，天津科技大学造纸学院，天津 300457）

荻的蒸汽爆破预处理研究

李心收，刘 忠，惠岚峰

（天津市制浆造纸重点实验室，天津科技大学造纸学院，天津 300457）

研究了蒸汽爆破预处理对荻化学组成变化以及纤维素酶水解效率的影响，通过扫描电镜（SEM）、X射线衍射仪（XRD）和红外光谱等分析爆破预处理对荻纤维形态、结构的影响.结果表明：蒸汽爆破预处理后物料中绝大部分半纤维素发生降解，部分木质素降解溶出，纤维素的相对含量有所提高；蒸汽爆破预处理后荻纤维表面和细胞壁受到不同程度的破坏，纤维素绝对结晶度降低，有利于酶水解作用进行；未处理原料的酶水解效率仅为14.38%，，蒸汽爆破预处理后纤维素酶水解效率最高达到了88.95%，.

荻；蒸汽爆破预处理；化学组成；酶水解

化石能源短缺与环境污染加剧是当今世界所面临的严重问题，寻找可再生替代能源成为人类面临的重要任务之一［1-2］.开发能源植物是解决世界各国能源和环境问题的有效途径.能源草是对生长速度较快、适应环境能力较强、产量较高的草类能源植物的统称［3］.荻为禾本科，俗称荻草、荻子，是多年生草本植物.荻是一种多用途草类，可以用于环境保护、生物质能源、制浆造纸、纺织、药用等［4］.荻纤维素含量比较高，从生产燃料乙醇的角度，荻是优良的天然纤维素材料.

在天然纤维素材料中，半纤维素与木质素把纤维素紧密包裹起来，纤维素酶很难接触进而吸附在纤维素底物上.影响纤维素酶水解效率的主要因素为酶对纤维素的可及度，天然纤维素材料酶水解效率通常比较低（低于 20%，）［5］.因此对荻酶水解之前，需要进行适当的预处理，破坏半纤维素、木质素对纤维素包裹作用，降低纤维素的结晶度，提高酶对纤维素的可及性［6］.蒸汽爆破法作为一种物理与化学相结合的方法，预处理效果较好，而且化学药品用量较少，对环境污染少，能耗低，是一种可有效提高木质纤维材料酶水解效率的预处理技术［7-8］.

目前对荻的蒸汽爆破预处理的研究较少，本研究以荻为原料，研究了蒸汽爆破预处理对荻中纤维素、半纤维素以及木质素含量变化的影响，同时利用扫描电子显微镜（SEM）、红外光谱等对爆破预处理前后荻物料的物理化学性质进行分析，并研究了爆破预处理对荻酶水解效率的影响，为能源草的进一步应用提供一定理论依据.

1　材料与方法

1.1材料

荻，取自内蒙古，去除杂质后，将荻草粉碎至2～3，cm，以备后续使用；纤维素酶，和氏璧生物技术有限公司，滤纸酶活力59，U/mL.

FZ 102型植物粉碎机，北京中兴伟业仪器；BL-08型蒸汽爆破机，北京林业大学；FTIR-650型傅里叶变换红外光谱仪，中国港东科技；1200，series型高效液相色谱、UV-2550型微多功能uv/vis分析仪，美国Agilent公司；D/max-2500型X射线衍射仪，日本理学；JSM-6380LV型扫描电子显微镜，日本电子.

1.2蒸汽爆破预处理

将300，g绝干荻草加入到蒸汽爆破装置中.将水蒸气不断通入到爆破室中，待压力升到预设压力时开始维压计时，等到时间达到设定时间后瞬间减压放料.将爆破预处理后物料干燥至一定干度后进行粉碎，取40～60目物料备用.

1.3爆破前后物料的化学组成分析

按照美国可再生能源实验室 NREL方法［9］测定爆破预处理前后荻物料的主要化学组成.苯醇抽提物含量的测定参见GB/T，10741—2008《纸浆·苯醇抽出物的测定》.

1.4爆破前后物料物理化学结构表征分析

利用扫描电子显微镜对爆破预处理前后荻物料纤维表面形态进行观察、分析；对物料进行红外光谱扫描，分析爆破预处理前后荻的特征官能团变化；采用 X射线衍射仪分析爆破预处理前后物料纤维素结晶度的变化.采用 Cu靶，石墨单色器，加速电压30，kV，电流20，mA，衍射角2，θ的旋转范围为10，°～70，°，扫描速率4，°/min；按照GB/T 10247—2008《纸浆·黏度的测定》测定爆破预处理后物料纤维素的平均聚合度.

1.5纤维素酶水解

称取1.0，g爆破预处理后的荻物料，置于100，mL三角瓶中，加入50，mL乙酸-乙酸钠缓冲液（pH 4.8、浓度 0.1，mol/L），加入一定量纤维素酶，加入 0.4，mL盐酸四环素混合均匀后，加蒸馏水至100，mL；将三角瓶置于摇床内，50，℃、200，r/min反应48，h.反应结束后，将三角瓶置于 90，℃恒温水浴锅中进行灭活处理，取上清液测定酶水解液中葡萄糖含量.酶水解效率按照式（1）进行计算.

式中：ρ为酶水解液中葡萄糖质量浓度，g/L；V为酶水解液的体积，实验中为 0.1，L；0.9为纤维素与葡萄糖转换系数；m为试样质量，g；w为试样中纤维素质量分数，%，.

2　结果与讨论

2.1化学组成分析

荻蒸汽爆破预处理前后主要化学组分的分析结果见表 1.由表 1可知：蒸汽爆破预处理后，荻物料中半纤维素的质量分数大幅下降，并且随着爆破预处理强度的增加，物料中半纤维素不断降解溶出，其结果与 Saddler［10］的研究结果一致.未处理荻原料中半纤维素质量分数为24.68%，，经爆破压力2.2，MPa、维压时间 3，min预处理后物料中半纤维素质量分数仅为0.50%，，与荻原料相比半纤维素的质量分数降低了97.97%，.蒸汽爆破预处理会破坏半纤维素中的糖苷键，使得绝大部分半纤维素水解成单糖以及低聚糖.随着半纤维素的降解，木质素也发生部分解聚和软化［11］.木质素具有热可塑性，在玻璃态转化温度下，呈玻璃状固态.在爆破预处理过程中，当水蒸气温度高于木质素的玻璃态转化温度时，木质素软化变黏，有利于木质素的降解溶出.爆破预处理后荻物料中木质素质量分数有所下降，随着爆破预处理强度的进一步加强，木质素会发生重新聚合，木质素的质量分数又会有所上升.荻原料中木质素质量分数为17.86%，，经爆破压力 1.4，MPa、维压时间 7，min预处理后荻物料中木质素质量分数仅为 10.04%，，木质素质量分数降低了 43.78%，.由于纤维素紧密的结晶结构，爆破预处理对纤维素的影响较小.由于爆破预处理过程中大部分半纤维素以及部分木质素降解溶出，导致爆破预处理后物料的纤维素相对质量分数有所增加，有利于纤维素酶水解反应的进行［12-13］.未处理荻原料的纤维素质量分数 48.32%，，经爆破压力1.8，MPa、维压时间 3，min预处理后物料的纤维素质量分数高达 62.05%，，与未处理荻物料相比纤维素质量分数增幅为28.41%，.

苯醇抽提物不仅包括物料中的树脂、蜡、脂肪等，还含有一些乙醚不溶物如单宁、色素等.由表 1可知：随着维压时间的延长以及爆破压力增大，爆破预处理后物料中苯醇抽提物的质量分数逐渐提高.荻原料苯醇抽提物的质量分数为4.46%，，经爆破压力1.4，MPa、维压时间 7，min预处理后物料中抽提物的质量分数达到了 19.66%，，苯醇抽提物质量分数提高了 3.4倍，这是由于爆破预处理过程中，半纤维素中的乙酰基发生水解，产生一些酸性物质（乙酸为主），与高温水蒸气形成类酸性环境.在水蒸气和热的联合作用使得半纤维素以及部分木质素发生类酸性降解与热降解，从而使得爆破物料中苯醇抽提物质量分数的增加［14］.

表1　蒸汽爆破处理对荻物料主要化学组成的影响Tab.1 Effect of steam explosion treatment on the main chemical composition of Triarrherca sacchariflora

2.2结构表征分析

2.2.1扫描电镜分析

爆破预处理前后荻扫描电镜图如图 1所示.由图 1可以看出：未爆破预处理荻物料纤维比较挺硬，呈束状排列.经过蒸汽爆破预处理后，荻物料的纤维形态变化比较明显，纤维束之间发生分离.随着爆破预处理条件加强，纤维分离程度增大.纤维与纤维之间相互缠绕交错，变得凌乱［15］.未爆破预处理的荻物料纤维表面比较光滑，经过爆破预处理后荻物料纤维表面上有颗粒状物质产生，这是由于爆破预处理后纤维素内部的部分氢键发生断裂，形成了游离羟基，从而增加了纤维的吸附能力，在瞬间泄压放料时半纤维素降解产物以及部分软化木质素沉积在纤维表面上所引起的［16］.同时，爆破预处理后纤维表面被撕裂，产生许多裂纹，纤维比表面积增加，有利于提高酶对纤维素可及度.爆破预处理可以有效分离荻纤维，使纤维组织变得松散，改善荻草的纤维结构，可有效提高荻的酶水解效率.

图1　荻的扫描电镜图Fig.1 SEM of Triarrherca sacchariflora

2.2.2红外光谱分析

据资料［17］表明：β-D 葡萄糖苷的特征峰为897，cm-1处的 β糖甘键振动；纤维素的特征峰为2，900、1，425、1，374，cm-1处的C—H的收缩振动、CH3的弯曲振动、C—H的弯曲振动；半纤维素的特征峰为1，736，cm-1处的C—O伸展振动；木质素的特征峰为1，510、1，600，cm-1处苯环的伸展振动和C—O伸展振动.

荻爆破预处理前后红外光谱图如图2所示.

图2　荻蒸汽爆破预处理前后红外光谱图Fig.2　FTIR spectra of untreated and steam-explosion pretreated Triarrherca sacchariflora

由图2可知：爆破预处理前后荻的红外光谱图的主体结构基本相似，仅仅是某些波长处吸收峰强度发生改变［18］.爆破预处理后物料纤维素 2，900、1，425、1，374，cm-1波长处的吸收强度变化不大，说明爆破预处理后纤维素结构变化很小.爆破预处理后物料在1，160，cm-1处的吸收强度明显减弱，说明纤维素大分子主要结合键 C—O—C键发生了断裂，爆破预处理后纤维素大分子平均聚合度降低，对后续的酶水解有促进作用.爆破预处理后，荻物料的羧基基团在1，736，cm-1处的吸收峰强度明显下降，说明在爆破预处理过程中半纤维素结构遭到了严重破坏，大部分半纤维素发生了降解.1，505，cm-1和 1，600，cm-1是木质素的特征峰，经过爆破预处理后，两处波长处吸收峰强度略有降低，说明木质素在爆破过程中结构遭到破坏发生部分降解.

蒸汽爆破预处理后大部分半纤维素以及部分木质素发生降解，破坏了物料中半纤维素以及木质素对纤维素的保护作用，有利于荻物料酶水解反应的进行.

2.2.3X射线衍射分析

蒸汽爆破预处理前后荻的 X射线衍射图如图 3所示.

图3　蒸汽爆破前后荻的X射线衍射图Fig.3 Diagram of X-ray diffraction of untreated and steam-explosion pretreated Triarrherca sacchariflora

由图3可知：爆破预处理前后荻物料的结晶区的衍射峰在22.5°和16.3°附近，纤维素的无定形区部分在 18.5°处.经过蒸汽爆破预处理后，荻物料在 22.5°和 16.3°处衍射峰变得尖锐，半峰宽减小，而在 18.5°处衍射峰强度变化很小，从而可以看出爆破预处理后荻的相对结晶度有所增大.在爆破预处理过程中，纤维素的无定形区受到了损坏.纤维素的结晶区由于结构比较致密仅仅是部分损坏，因而相对结晶度增加，但绝对结晶度有所下降，这一结果与蒋建新等［19］的研究结果相一致.蒸汽爆破预处理后纤维素的绝对结晶度降低，有利于荻后续酶水解反应的进行.

2.2.4蒸汽爆破对纤维素平均聚合度的影响

维压时间和爆破压力对纤维素平均聚合度的影响如图4、图5所示.

图4　　在压力 1.4，MPa条件下维压时间对纤维素平均聚合度的影响Fig.4　Effects of the holding time on the degree of polymerization of cellulose under the condition of 1.4，MPa

图5　在维压时间3，min条件下爆破压力对纤维素平均聚合度的影响Fig.5　Effects of pressure on the average degree of polymerization of cellulose under the condition of 3，min

在爆破压力为 1.4，MPa时，随着维压时间的延长，纤维素的平均聚合度呈下降趋势.禾本科天然纤维素的平均聚合度约为 6，000～7，000，维压时间1，min时的物料纤维素平均聚合度约为 1，061，维压时间7，min时纤维素的平均聚合度降低到约267.

在维压时间为 3，min时，随着爆破压力的增大，纤维素平均聚合度不断降低.在压力1.2，MPa时物料纤维素平均聚合度约为 2，098，当爆破压力升高到2.2，MPa时物料纤维素的平均聚合度降低到 106.这是由于在高温水蒸气作用下，荻物料中纤维素会发生热降解反应，导致纤维素水解和氧化降解，严重时还会产生纤维素的酸性水解反应.纤维素结构中的糖苷键发生断裂，一些C—O键与C—C键也会断裂，进而使纤维素的平均聚合度降低，从而促进了酶水解反应进行［20］.

2.3纤维素酶水解分析

维压时间与爆破压力对荻酶水解效率的影响如图6、图7所示.在爆破压力为1.4，MPa时，随着维压时间的增加，爆破预处理后荻物料的酶水解效率不断提高.未处理荻原料酶水解效率仅为 14.38%，，经爆破压力 1.4，MPa、维压时间 7，min预处理后物料酶水解效率达到了86.23%，，酶水解效率提高了将近5倍.

在维压时间为 3，min时，随着爆破压力的增大，物料的酶水解效率呈上升趋势.经爆破压力2.2，MPa、维压时间 3，min预处理后物料的酶水解效率达到了88.95%，.

图6　在压力 1.4，MPa条件下维压时间对荻酶水解效率的影响Fig.6 Effects of holding time on the enzymatic hydrolysis rate of Triarrherca sacchariflora under the condition of 1.4，MPa

图7　在时间3，min条件下爆破压力对荻酶水解效率的影响Fig.7 Effects of pressure on the enzymatic hydrolysis of Triarrherca sacchariflora under the condition of 3，min

由图 6、图 7可以看出：爆破预处理显著提高了荻物料的酶水解效率.影响酶水解纤维素物料的主要因素是木质素的存在和纤维素紧密的结晶结构.蒸汽爆破预处理使得部分木质素和半纤维素发生降解，降低了纤维素的绝对结晶度和平均聚合度，提高了酶对纤维素底物的可及度，从而有效地提高了荻物料的酶水解效率.

物料酶解后红外光谱如图8所示.由图8可知：酶水解前后荻物料的红外光谱图主体基本相同，仅仅是部分波长处的吸收峰强度有所改变.荻原料酶处理前后纤维素的特征峰吸收处强度基本没有下降，说明未处理荻物料的酶水解效率比较低.经过爆破预处理后荻物料酶水解后纤维素在 2，900，cm-1、1，425，cm-1、1，374，cm-1处吸收强度大幅下降，897，cm-1处 β糖甘键吸收峰强度明显减弱.这说明爆破预处理后物料中纤维素在酶水解过程中大量降解，爆破预处理显著提高了荻酶水解效率.

图8　物料酶解后红外光谱图Fig.8　FTIR spectra of of materials after enzymatic hydrolysis

3　结 论

（1）荻中纤维素质量分数较高，从生产燃料乙醇的角度，荻是潜在的优良纤维素原料.

（2）爆破预处理后，绝大部分半纤维素发生降解.荻原料中半纤维素质量分数为 24.68%，，经爆破压力 2.2，MPa、维压时间 3，min预处理后物料中半纤维素质量分数仅为0.50%，，半纤维素的质量分数降低了 97.97%，.爆破预处理后木质素质量分数略有降低，经爆破压力 1.4，MPa、维压时间 7，min预处理后物料的木质素质量分数仅为 10.04%，，木质素质量分数降低了 43.78%，；在爆破预处理过程中，纤维素质量分数增大，经爆破压力 1.8，MPa、维压时间 3，min预处理后物料的纤维素质量分数高达 62.05%，，与未处理荻物料相比纤维素质量分数增幅为 28.41%，；荻物料中苯醇抽提物质量分数经过爆破处理后有所提高.

（3）通过扫描电镜观察，经过蒸汽爆破预处理后，纤维束之间发生分离，纤维之间相互缠绕，纤维表面出现许多裂纹.与未处理荻原料相比，爆破预处理后酶与荻物料的有效接触面积增加.蒸汽爆破预处理后，纤维素的相对结晶度增大，但绝对结晶度下降.随着预处理强度的增加，纤维素的平均聚合度不断减小.

（4）蒸汽爆破预处理可以显著提高荻的纤维素酶水解效率，未处理荻原料的酶水解效率仅为14.38%，，经爆破压力 2.2，MPa、维压时间 3，min预处理后荻物料的纤维素酶水解效率最高可达到88.95%，.

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责任编辑：周建军

Steam-explosion Pretreatment of Triarrherca sacchariflora

LI Xinshou，LIU Zhong，HUI Lanfeng
（Tianjin Key Laboratory of Pulp and Paper，College of Papermaking Science and Technology，Tianjin University of Science & Technology，Tianjin 300457，China）

The effects of steam-explosion pretreatment on the composition and enzymatic hydrolysis efficiency of solid residues of Triarrherca sacchariflora were investigated in the experiments.The fiber shape and structure have been characterized with scanning electron microscopy（SEM），as well as infrared and X-ray diffraction（XRD）spectrum methods.The results showed that after the steam explosion pretreatment，most hemicellulose was degraded，a fraction of lignin was also solubilized，and the relative content of cellulose was increased.The fiber surface and cell wall of Triarrherca sacchariflora were broken in various extents and the cellulose crystallinity was reduced，which were helpful to increasing the efficiency of enzymatic hydrolysis.The enzymatic hydrolysis efficiency of the untreated material was only 14.38%，，but the highest enzymatic hydrolysis efficiency of 88.95%， was obtained after the steam-explosion pretreatment.

Triarrherca sacchariflora；steam-explosion pretreatment；chemical composition；Enzymatic hydrolysis

TQ353.14

A

1672-6510（2016）04-0045-06

10.13364/j.issn.1672-6510.20150112

2015-09-02；

2015-11-27

国家自然科学基金资助项目（31270631，21576213）

李心收（1990—），男，山东陵县人，硕士研究生；通信作者：刘 忠，教授，mglz@tust.edu.cn.