加压热水预处理温度对毛白杨木材结构及酶解效果的影响

邢靖晨， 于丽丽， 马晓军

(天津科技大学 包装与印刷工程学院， 天津 300222)

·研究报告—生物质材料·

加压热水预处理温度对毛白杨木材结构及酶解效果的影响

邢靖晨， 于丽丽， 马晓军*

(天津科技大学 包装与印刷工程学院， 天津 300222)

采用加压热水对毛白杨进行预处理，利用扫描电镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)、傅里叶变换红外光谱(FT-IR)等研究了预处理温度对毛白杨木材及其酶解材微结构的影响，并考察了预处理温度对还原糖得率的影响。结果表明：毛白杨木材经加压热水处理后结构松散，纤维形态和表面结构发生了改变;加压热水处理温度超过180 ℃以后，酶解前后物料的结晶度降低明显，酶解后的降幅最大可达74 %。随着预处理温度的增加，木材酶解还原糖得率先增加后减小，其中预处理温度为200 ℃时还原糖得率最大可达38.3 %。

毛白杨；加压热水预处理；酶解；XRD；FT-IR

随着石油和煤炭储量的减少以及各类环境污染问题的突出，资源丰富且可再生的木质生物质资源受到各国的广泛关注[1]。近年来，研究者们对木质生物质资源转化为清洁燃料和化学品原料等进行了大量的卓有成效的工作[2-3]。由于木材结构复杂，很难被直接转化为生物质能源和材料，因此预处理成为其生物转化过程的最关键步骤。常用的预处理方法主要有有机溶剂预处理、热水预处理、弱碱性亚硫酸盐预处理、稀酸预处理、氨水及蒸汽爆破预处理等[4-6]。与其他预处理方法相比，加压热水处理法因发酵过程中毒性副产物生成量少，设备成本低，不需添加任何化学试剂等优点而受到广泛关注。目前加压热水处理的研究大都只停留在反应条件优化方面，而有关加压热水处理对木材微结构及其对后续酶解的影响研究不多[7-8]。本研究对毛白杨进行加压热水预处理，利用扫描电镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)、傅里叶变换红外光谱(FT-IR)等研究了预处理温度对木材微结构的影响，并考察了预处理温度对毛白杨酶解后还原糖产量和得率的影响，以期为高温热水预处理在木材等生物质资源的生物转化方面的应用提供借鉴。

1 实 验

1.1原料、试剂与仪器

毛白杨，河北省藁城市兴达公司提供，将毛白杨粉碎成粒径为0.18～0.3 mm的木粉，103 ℃真空干燥12 h后备用。毛白杨原料含有48.25 %的纤维素、28.68 %的半纤维素和23.07 %的木质素及其他成分。

盐酸、氢氧化钠、硫酸、苯酚均为分析纯，天津江天化工有限公司；纤维素酶(Cellic CTec2), 酶活为0.73 U/mg,Novozymes 公司。

JSM-7500F扫描电子显微镜，日本电子株式会社；D/max2500 X射线衍射仪，日本理学公司；Nicolet 6700傅里叶变换红外光谱仪，美国Thermo electron公司。

1.2毛白杨的预处理及酶解

1.2.1预处理 将30 g干燥后的毛白杨木粉与120 g超纯水搅拌均匀后放入高温高压反应釜中，以3 ℃/min升温至预处理温度并保温20 min后，降至室温开启反应釜，取出木材水解物。预处理温度分别为120、140、160、180、200、220 ℃，反应釜的压力维持在10 MPa左右。

1.2.2酶解 将预处理后的毛白杨水解物用超纯水稀释到1 L，用1 %的NaOH溶液调节pH值至4.8后，加入3 mL纤维素酶，30 ℃恒温磁力搅拌器处理72 h获得酶解产物。将酶解产物水浴加热到95 ℃保持20 min将产物中纤维素酶灭活。然后将酶解后的混合溶液真空抽滤3次分离残渣。将滤液稀释至1 L后，取10 mL离心后进行还原糖测定。抽滤出的残渣干燥48 h后称重备用。

对照组样品不经过预处理，直接进行后续酶解实验。

1.3分析与测定

1.3.1扫描电镜检测 采用JSM-7500F型扫描电子显微镜观察物料酶解前后的外貌形状。

1.3.2X射线衍射检测 采用X射线衍射仪测定样品XRD图谱。应用Cu-Kα射线(λ=0.154 05 nm)，管电流100 mA，管电压40 kV，扫描速率8 °/min，扫描角度范围5～80 °。

1.3.3傅里叶变换红外光谱检测 采用Nicolet 6700型傅里叶变换红外光谱仪。将酶解前后物料磨成粉末后采用1∶300 KBr压片后进行扫描。扫描范围是400～4000 cm-1，扫描次数为32次，分辨率为4 cm-1。

1.3.4还原糖产量的测定 还原糖采用苯酚-硫酸比色法测定。取酶解滤液1 mL，补加水至2.0 mL，然后加入6 %苯酚溶液1.0 mL及浓硫酸5.0 mL，静止10 min，摇匀，室温放置20 min后于489 nm测吸光度，根据苯酚-硫酸比色法绘制标准曲线方程y=0.152 4x-0.006，查出还原糖质量浓度。还原糖得率计算方法为:

Y=nCV/m× 100 %

式中：Y—还原糖得率，%；m—毛白杨绝干质量， g；V—水解液总体积， L；n—测定还原糖浓度时稀释的倍数；C—还原糖质量浓度，g /L。

2 结果与讨论

2.1预处理温度对外貌形态的影响

图1是预处理木材及其酶解后的扫描电镜图。毛白杨经过机械粉碎的木材纤维出现初步断裂，但仍保持着纤维状态，纤维段较长(图1(a))。经过酶解后，纤维表面较原木粉变得光滑，出现了较少表面空隙，但纤维整体结构变化不大，部分木粉还保留有木材的结构，如纹孔等，而且纤维段长度变化较小(图1(b))，说明纤维素酶只能酶解木材纤维表面的一小部分，无法深入纤维内部进行酶解，无法进一步切断木材纤维。经200 ℃加压高温热水处理后，毛白杨中的半纤维素和纤维素发生了降解，纤维表面以及内部都出现了很多空隙，纤维结构受到一定程度的破环，纤维段也变的短小(图1(c))。预处理后的毛白杨经过酶解后纤维状态发生了很大变化，已看不到成段的木材纤维(图1(d))，这说明经过加压高温热水处理，降低了半纤维素以及木质素对纤维素的包裹保护作用，使得纤维素酶更加容易进入木材纤维内部，增大了纤维素酶与纤维素的接触面积；同时，加压高温热水预处理使部分纤维素分子链发生降解，有效增强了纤维素酶的后续酶解效率。

原料木粉raw wood:a.酶解前before enzymolysis；b.酶解后after enzymolysis 200 ℃处理后木粉the pretreated wood at 200 ℃：c. 酶解前before enzymolysis；d.酶解后after enzymolysis图1 毛白杨酶解前后扫描电镜图片Fig. 1 SEM images of the wood before and after enzymolysis

2.2预处理温度对微晶结构的影响

图2是预处理木材酶解前后的X射线衍射图。从图2中可以看出，各曲线扫描角度2θ在17°、22.5°和35°附近出现的结晶峰分别代表木材纤维素101、002和040结晶面的衍射峰。随着预处理温度的不断增加，纤维素002晶面衍射峰的位置基本没有变化，但各衍射峰的强度呈现先增大后变小再增大的趋势，这说明预处理温度改变了木材纤维素结晶区的数量，但对其晶层距离没有造成太大的影响。

图2 预处理毛白杨酶解前(a)后(b)的X射线衍射图Fig. 2 XRD patterns of the pretreated wood before (a) and after (b) enzymolysis

表1为预处理木材酶解前后的结晶度变化。从表中数据可以看出，加压热水处理后木材的结晶度随着预处理温度的增加先增加后减小。120～160 ℃时，底物结晶度升高的主要原因是非结晶物质(如半纤维素)的去除。在180～200 ℃时，底物结晶度急剧下降，尤其是200 ℃出现下降拐点，其原因可能是预处理温度为200 ℃时，木材中半纤维素开始发生水解产生乙酸,乙酸对纤维素非结晶区和结晶区起到降解作用,从而使得毛白杨的纤维素结晶度降低。220 ℃时，底物结晶度较200 ℃显著增加,该研究结果与已有的研究成果基本一致[9-10]，其原因可能是随着预处理温度的进一步升高, 毛白杨纤维素非结晶区已经部分降解的部分发生再结晶,同时毛白杨半纤维素中的木聚糖和甘露聚糖热解并结晶,从而使得结晶度再次升高。

表1 预处理毛白杨酶解前后的结晶度

酶解后的结晶度变化趋势与酶解前基本一致。由表1可以看出，由于120～160 ℃的预处理对纤维素结晶区基本无法产生破坏，使得酶解过程纤维素酶很难侵入纤维素结晶区，因此酶解后的纤维素结晶度无明显变化；180～200 ℃的预处理破坏了纤维素结晶区，使得在酶解过程中纤维素酶可以侵入纤维素结晶区进一步破坏，降低结晶度；220 ℃的预处理使木材发生再结晶，可能由于再结晶形成的结晶区并不很牢固，使得纤维素酶能侵入部分再结晶区，使得纤维素结晶度出现明显下降[11]，酶解前后底物结晶度降幅达74 %。

2.3预处理温度对分子结构的影响

图3为预处理木材酶解前后的红外光谱图。从图3(a)可以看出，毛白杨经过预处理后，波段各处官能团吸收峰发生明显变化。随着预处理温度升高，3420 cm-1处羟基吸收峰出现了先减小后逐渐增大又减小的规律，与XRD检测所反映的结晶度变化趋势基本一致。表征木质素苯环和芳环的碳骨架振动的1593和1505 cm-1处吸收峰，以及表征C—H芳香族面内弯曲振动的1126 cm-1吸收峰都在不断增大，这表明随着温度的升高，纤维素和半纤维素不断降解，使处理材中的木质素相对含量明显增多。表征—CH、—CH2的伸缩振动峰的2900 cm-1处吸收峰强度略有减小，同时895 cm-1处吸收峰强度逐渐减小，表明纤维素含量随温度的增加逐渐下降。1740 cm-1的吸收峰随着处理温度的升高而减小，这可能是由于木材内半纤维素在预处理过程中发生了较强烈的热降解[12]。

图3 预处理毛白杨酶解前(a)后(b)的红外光谱图Fig. 3 FT-IR of the pretreated wood before(a) and after(b) enzymolysis

通过对比发现酶解后的峰值变化趋势与酶解前基本相同，但其变化程度不及酶解前强烈。同时，经酶解后3420 cm-1处羟基吸收峰强度出现了明显的降低，这表明木材在加压高温热水预处理过程中，其主要化学成分的分子结构发生剧烈变化，而在酶解过程中主要是纤维素的酶解，即加压高温热水预处理对木材化学成分的影响大于酶解过程，有利于后续的木材酶解转化[13]。

2.4预处理温度对毛白杨酶解还原糖得率的影响

从表2可以看出，随着预处理温度的增加，木材经加压高温热水处理后的酶解还原糖得率先增加后减小。与未经加压高温热水处理的木材相比，加压高温热水处理木材的酶解还原糖得率增加明显，这说明酶解前对木材进行加压高温热水处理可以有效地提高木材酶解效率和酶解还原糖产量。另外，当预处理温度低于200 ℃时，加压高温热水处理木材的酶解还原糖得率随预处理温度的增加而增加，其中200 ℃预处理毛白杨还原糖得率可达38.3 %；当预处理温度达到220 ℃时，加压高温热水处理木材的酶解还原糖得率略有下降。这表明尽管加压高温热水处理可以提高木材的酶解还原糖产量，但过高的预处理温度造成物料损耗过多，导致后续酶解的可用纤维素量减少，对提高还原糖得率反而不利。

表2 预处理木材酶解后的还原糖得率

3 结 论

3.1毛白杨加压热水预处理会改变木材纤维素结晶区的数量，使其结构变松散，纤维形态和表面结构都发生变化。经加压高温热水预处理的毛白杨酶解后，其结晶度变化趋势与酶解前的结晶度变化趋势基本一致。

3.2随着预处理温度的增加，木材经加压高温热水处理后的酶解还原糖得率先增加后减小，其中预处理温度为200 ℃时还原糖得率最大可达38.3 %。

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Influence of Temperature of Pressurized Hot Water Treatment on Structure and Enzymatic Efficiency of Chinese White Poplar Wood

XING Jinchen, YU Lili, MA Xiaojun

Chinese white poplar(PopulustomentosaCarr.) was pretreated by pressurized hot water treatment. The influences of pretreatment temperature on the structure and enzymatic efficiency of wood were discussed by scanning electron microscopy(SEM), X-ray diffraction(XRD), and Fourier transform infrared spectroscopy(FT-IR), and the effect of pretreatment temperature on the sugars yield was also investigated. Results showed that the structure of wood was loose after the pressurized hot water treatment, the morphology and structure of fiber were changed. It was also found that when the pretreatment temperature during pressurized hot water treatment was more than 180 ℃, the crystallinity of the material decreased obviously after enzymolysis, and the maximum reduction rate reached 74 %. With increasing the pretreatment temperature, the reducing sugars yields of the enzymolysis of pretreated wood increased firstly and then decreased. As the pretreating temperature was 200 ℃, the reducing sugars yield of wood could reach 38.3 %.

Chinese white poplar;pressurized hot water treatment;enzymolysis;XRD；FT-IR

TQ351.3

A

1673-5854(2017)05-0036-05

(College of Packaging & Printing Engineering,Tianjin University of Science & Technology, Tianjin 300222, China)

10.3969/j.issn.1673-5854.2017.05.006

2016- 09- 09

国家自然科学基金资助项目(31270607)；天津科技大学大学生创新训练项目(201510057010)

邢靖晨(1993— )，女，山东淄博人，本科生，研究方向：木材的水解处理

*通讯作者：马晓军，教授，博士生导师，研究领域为木质资源综合利用；E-mail:mxj75@tust.edu.cn。