張鴨關(guān)，汪 帆，趙紅艷，吳麗芳

(曲靖師范學院化學與環(huán)境科學學院，云南 曲靖 655011)

稀硫酸預處理高丹草秸稈條件的優(yōu)化研究

張鴨關(guān)，汪 帆*，趙紅艷，吳麗芳

(曲靖師范學院化學與環(huán)境科學學院，云南 曲靖 655011)

預處理是利用生物質(zhì)原料制備燃料乙醇的工藝過程中至關(guān)重要的一步，文章以高丹草秸稈為主要研究對象，對稀硫酸預處理高丹草秸稈優(yōu)化工藝進行了研究，在研究溫度、時間、稀硫酸質(zhì)量分數(shù)和固液質(zhì)量比4個單因素對預處理效果影響的基礎上，采用正交試驗對稀硫酸預處理高丹草秸稈工藝條件進行優(yōu)化，確定了稀硫酸最佳預處理工藝條件為水解溫度120 ℃，水解時間2 h，稀硫酸質(zhì)量分數(shù)1.5 %，固液質(zhì)量比1∶10，在此條件下，預處理水解液還原糖得率32.59 %，糠醛得率為0.45 %。

高丹草；稀硫酸；預處理；還原糖得率；糠醛得率

溫室氣體排放導致環(huán)境問題加劇，化石燃料資源日益枯竭引發(fā)能源短缺嚴重，世界各國都在積極推進生物質(zhì)能源利用技術(shù)的研究[1]。木質(zhì)纖維素類物質(zhì)是世界上最廣泛的可利用的生物材料，這些原料有木材及其加工廢棄物、快速生長的各種草類、農(nóng)作物秸稈及城市垃圾等[2-3]。木質(zhì)纖維素類物質(zhì)主要成分是纖維素、半纖維素和木質(zhì)素，其質(zhì)量約占植物總質(zhì)量的80 %～95 %[4-5]。其中，纖維素和半纖維素經(jīng)纖維素酶催化后可水解為還原糖， 還原糖經(jīng)過酵母菌的發(fā)酵即可轉(zhuǎn)化為燃料乙醇。然而，由于纖維素是葡萄糖單元以β-1，4 糖苷鍵連接的高分子化合物，有著緊密的結(jié)晶結(jié)構(gòu)；同時，由于纖維素被共價結(jié)合的木質(zhì)素和半纖維素包覆而存在大量的結(jié)晶區(qū)，使得木質(zhì)纖維素形成致密不透水的高級結(jié)構(gòu)，使酶制劑很難與纖維素接觸，直接影響后續(xù)的水解和發(fā)酵過程[6-10]。原料預處理過程的主要作用是去除部分半纖維素和木質(zhì)素、打破纖維素的晶體結(jié)構(gòu)、提高酶水解過程中纖維素轉(zhuǎn)化率、以及提高發(fā)酵過程的效率[5-6]。

高丹草(Sorghum-SudanGrassHybrid)是根據(jù)雜種優(yōu)勢原理，用高粱和蘇丹草雜交而成的新型牧草。高粱(sorghumbicolor)是一種古老的禾谷類作物，具有抗旱、耐澇、耐鹽堿、適應性強等特點，蘇丹草(S.sudanense)是栽培最普遍的一年生禾本科牧草，具有高度的適應性、很強的再生性和抗旱能力，其莖葉品質(zhì)比青刈玉米和高粱柔軟，素有“養(yǎng)魚青飼料之王”的美譽[11]。高粱和蘇丹草的生物學特性差異較大，但沒有生殖隔離，二者的雜種優(yōu)勢強。高丹草就是根據(jù)雜種優(yōu)勢原理，用高粱和蘇丹草雜交而成的牧草。高丹草綜合了高粱莖粗、葉寬和蘇丹草分蘗力、再生力強的優(yōu)點，雜種優(yōu)勢非常明顯，再生性好、產(chǎn)量高(北方1年可刈割3～4次，一般產(chǎn)鮮草45～75 t/hm2，南方1年可刈割6～8次，最高產(chǎn)鮮草195 t/hm2左右[11-12])、含糖量較高、耐貧瘠(對土壤要求不嚴，沙壤土、微堿性粘土和輕度鹽堿地均可種植[11-12])及抗逆性強等優(yōu)點，是一種很好的低成本的木質(zhì)纖維素生物質(zhì)原料，適于作為能源牧草，用來生產(chǎn)清潔燃料乙醇。

表1 高丹草秸稈的成分分析

文中以高丹草秸稈為主要研究對象，在研究溫度、時間、稀硫酸質(zhì)量分數(shù)和固液質(zhì)量比4個單因素對預處理效果影響的基礎上，采用正交及優(yōu)化試驗對稀硫酸預處理高丹草秸稈工藝條件進行優(yōu)化，確定稀硫酸最佳預處理工藝條件，對稀硫酸預處理高丹草秸稈優(yōu)化工藝進行研究，以期為高丹草秸稈纖維素預處理及其乙醇高值轉(zhuǎn)化技術(shù)的研發(fā)提供相關(guān)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

高丹草采自云南省肉牛和牧草研究中心實驗基地。將樣品自然風干，在105 ℃條件下恒溫10 h，粉碎，過40目篩，貯存在干燥器中備用。經(jīng)測定，高丹草秸稈的主要組分及熱值見表1。

1.2 儀器

實驗中用到的主要儀器和設備見表2。

1.3 試驗方法

1.3.1 單因素試驗 研究在不同條件下，高丹草主要成分：纖維素、半纖維素和木質(zhì)素含量的變化趨勢。試驗初始條件為溫度80 ℃，時間30 min，稀硫酸質(zhì)量分數(shù)為0.5 %，固液質(zhì)量比為1∶0.5，按表3設置進行單因素試驗。

表2 主要儀器和設備

表3 稀硫酸預處理水平設置

1.3.2 正交試驗 在單因素試驗中，找到了預處理溫度、時間、稀硫酸質(zhì)量分數(shù)和固液質(zhì)量比4種因素合適的變化范圍，為了考察各因素的主效應和因素間的交互效應，得出最佳預處理條件，進行了L9(34)的正交試驗設計。

1.4 評價指標及測定方法

1.4.1 纖維素、半纖維素、木質(zhì)素含量分析 采用范氏法(Van Soest)測定高丹草秸稈中纖維素、半纖維素和木質(zhì)素質(zhì)量分數(shù)。

1.4.2 還原糖、糠醛的測定 (1)還原糖含量測定采用DNS(3，5-二硝基水楊酸比色法)：

(2)糠醛含量測定采用紫外分光光度計進行：

式中：C為水解液中的糠醛濃度，μg/mL；V為水解液體積，mL；m為預處理高丹草的干物質(zhì)量，g。

1.4.3 掃描電鏡分析 利用超高分辨熱場發(fā)射掃描電子顯微鏡在5000倍及8000倍下進行預處理前后高丹草表面結(jié)構(gòu)的分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 高丹草秸稈預處理單因素試驗

2.1.1 溫度對預處理效果的影響 由圖1可知，溫度對預處理效果具有非常顯著的影響，不同預處理溫度下，高丹草纖維素、木質(zhì)素的含量隨溫度的上升而增加，而半纖維素的含量隨溫度上升呈降低趨勢。當溫度在90 ℃以下時，高丹草各組分的含量變化很小，說明這時高丹草水解率很低，甚至不水解。溫度超過100 ℃以后，纖維素迅速上升，而半纖維素含量迅速下降，木質(zhì)素含量也有一定程度的上升，但很緩慢。到120 ℃時，纖維素含量達58.4 %，半纖維素含量達9.02 %。120 ℃后，各組分含量穩(wěn)定。因此，正交試驗的溫度可選100、110、120 ℃。

圖1 預處理溫度對高丹草各組分含量的影響Fig.1 The effect of different pretreatment temperature on the component of Sorghum-Sudan Grass Hybrid straw

圖2 預處理時間對高丹草各組分含量的影響Fig.2 The effect of different pretreatment time on the component of Sorghum-Sudan Grass Hybrid straw

2.1.2 時間對預處理效果的影響 由圖2可知，時間對高丹草木質(zhì)素含量的影響很小，而對纖維素及半纖維素的含量影響較大。在60 min前高丹草主要成分的變化很小，說明60 min前，高丹草的水解程度很小。60 min后，高丹草纖維素、木質(zhì)素含量隨預處理時間的延長而迅速增加，半纖維素含量隨之迅速降低。當時間超過150 min時，纖維素、半纖維素的含量變化較小，趨于穩(wěn)定。因此，正交試驗的時間可選90、120、150 min。

2.1.3 稀硫酸質(zhì)量分數(shù)對預處理效果的影響 由圖3可知，高丹草木質(zhì)素含量隨硫酸濃度的增加有一定程度的上升，但是，纖維素和半纖維素的含量隨著硫酸濃度的增加變化幅度很大，說明稀硫酸質(zhì)量分數(shù)對高丹草中木質(zhì)素的影響較小，而對纖維素和半纖維素的影響較大。稀硫酸質(zhì)量分數(shù)在0.5 %～1.5 %，纖維素含量迅速增加，半纖維素含量迅速下降，稀硫酸質(zhì)量分數(shù)超過1.5 %，高丹草中各組分的含量都趨于穩(wěn)定。因此，正交試驗稀硫酸質(zhì)量分數(shù)可選0.5 %、1.0 %、1.5 %。

圖3 預處理的硫酸質(zhì)量分數(shù)對高丹草各組分含量的影響Fig.3 The effect of different concentration of dilute on the component of Sorghum-Sudan Grass Hybrid straw

2.1.4 固液質(zhì)量比對預處理效果的影響 由圖4可以看出，固液比對高丹草中各組分均有一定的影響。固液比從1∶5增加到1∶10時，高丹草中纖維素含量迅速增加，半纖維素含量迅速降低，纖維素含量增加64.8 %，半纖維素降低76.4 %。固液比超過1∶10后，隨著固液質(zhì)量比的增加，各組成成分含量的變化較小。因此，可以選擇固液比1∶5、1∶10、1∶15進行正交試驗。

圖4 預處理固液比對高丹草各組分含量的影響Fig.4 The effect of different ratio of solid to liquid on the component of Sorghum-Sudan Grass Hybrid straw

2.2 高丹草秸稈預處理正交優(yōu)化試驗

2.2.1 高丹草秸稈預處理正交試驗結(jié)果 為了找出最優(yōu)的預處理條件組合，在確定各預處理單因子對高丹草秸稈預處理效果影響的基礎上，以還原糖和糠醛得率為目標，設計L9(34)正交試驗表(表4)進行預處理正交實驗，正交試驗結(jié)果見表5。由表5可知，稀硫酸預處理高丹草秸稈的試驗，對預處理效果的影響是稀硫酸質(zhì)量分數(shù)>固液比>溫度>時間，且最優(yōu)實驗組合為D3B2C3A2，即稀硫酸質(zhì)量分數(shù)為1.5 %，溫度為120 ℃，預處理時間為120 min，固液比為1∶10。

2.2.2 高丹草秸稈預處理優(yōu)化試驗 采用正交試驗得出的最佳預處理條件對高丹草秸稈進行預處理試驗，由表6可知，最佳預處理條件下，還原糖得率為32.59 %，糠醛得率為0.45 %，由此可知，糠醛濃度小于1 %，其含量較低，基本不會對后續(xù)乙醇發(fā)酵產(chǎn)生抑制。同時殘渣中纖維素的含量由預處理前30 %提高至49.60 %，半纖維素由25.19 %降至10.02 %，木質(zhì)素由15.28 %降至11.09%。可見優(yōu)化后的預處理條件主要對半纖維素的水解效果明顯，對木質(zhì)素也有一定的水解，但是，對纖維素水解程度很低，有效地保留了高丹草秸稈中的纖維素，并且水解液中糠醛濃度也處于很低水平，這為后續(xù)酶解糖化工藝奠定了很好的基礎。

表4 正交試驗因素水平設計

表5 正交試驗結(jié)果

表6 預處理水解液及殘渣主要成分

2.3 高丹草秸稈在預處理條件下前后表面結(jié)構(gòu)的變化

選取未經(jīng)堿氧化預處理的和經(jīng)稀硫酸最佳預處理條件處理后的高丹草秸稈進行掃描電鏡分析，從圖6中可以看出，未經(jīng)預處理的高丹草秸稈表面光滑平整，結(jié)構(gòu)致密，呈平行排列的纖維束狀。經(jīng)稀硫酸最佳預處理條件處理后的高丹草，其表面粗糙，結(jié)構(gòu)變得疏松，纖維出現(xiàn)很多斷裂，多孔隙。說明預處理后破壞了秸稈的致密結(jié)構(gòu)，比表面積增大。利于后續(xù)酶解階段中酶與纖維素、半纖維素成分的結(jié)合。

3 討 論

本研究在分析各單因素條件對稀硫酸預處理高丹草秸稈原料物理化學變化過程的基礎上，通過正交試驗優(yōu)化得到最佳預處理工藝：稀硫酸水解溫度120 ℃，水解時間2 h，質(zhì)量分數(shù)1.5 %，固液質(zhì)量比1∶10。在最佳預處理條件下可以去除大量的木質(zhì)素和一定量的半纖維素，實現(xiàn)對高丹草秸稈的高效預處理，預處理水解液還原糖得率達32.59 %，副產(chǎn)物糠醛濃度0.45 %，糠醛含量處在較低范圍，不會對后續(xù)酶解及糖化產(chǎn)生不良影響。并且經(jīng)稀硫酸最佳預處理工藝處理的高丹草秸稈表面結(jié)構(gòu)變得疏松，纖維出現(xiàn)很多斷裂和孔隙，比表面積增大，利于后續(xù)酶解中酶與纖維素成分的有效結(jié)合，對后續(xù)燃料乙醇發(fā)酵生產(chǎn)具有重要意義。

本研究與傳統(tǒng)的木質(zhì)纖維素酸預處理相比具有2個方面的創(chuàng)新，首先是木質(zhì)纖維素原料選擇抗逆性強，產(chǎn)量高，投入低，具有較高的生態(tài)效益與經(jīng)濟效益的能源牧草高丹草，從原材料上可以減少成本；其次是本研究的最佳預處理工藝有稀硫酸質(zhì)量分數(shù)低，水解時間短，溫度低，副產(chǎn)物糠醛含量低的特點，從而可以降低硫酸對設備的腐蝕和能耗，省去了對有毒副產(chǎn)物糠醛的處理，從而降低了燃料乙醇發(fā)酵生產(chǎn)成本，為實現(xiàn)高丹草為原料制備燃料乙醇的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)提供了一定的。

本研究主要針對預處理過程中產(chǎn)生的還原糖含量進行了研究，并未針對具體的單糖，如葡萄糖、木糖、阿拉伯糖等進行各自濃度的測定，后期研究中將進一步對各種單糖的濃度進行測定，從而計算出纖維素、半纖維素的糖轉(zhuǎn)化率；進一步對玉米秸稈預處理過程中固相、液相和氣相中的C進行測定，并進行碳平衡分析。

圖5 高丹草秸稈表面結(jié)構(gòu)掃描電鏡圖Fig.5 SEM pictures of surface structure

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(責任編輯 王家銀)

Optimization Study on Dilute Sulfuric acid Pretreatment ofSorghum-SudanGrassHybridstraw

ZHANG Ya-guan， WANG Fan*， ZHAO Hong-yan， WU Li-fang

(College of Chemistry and Environmental Science，Qujing Normal University， Yunnan Qujing 655011， China)

Pretreatment was a key step in fuel-ethanol production from lignocellulose biomass. Optimization on dilute sulfuric acid pretreatment ofSorghum-SudanGrassHybridstraw was studied in this paper. On the basis of assay of four pretreatment factors including pretreatment temperature， time， concentration of dilute，ratio of solid to liquid， orthogonal experiments were studied to obtain the optimal parameters， which was 120 ℃，2 hours，1.5 % sulfuric acid ， ratio of solid to liquid (1∶10). Reducing sugar and furfural yield was 32.59 % and 0.45 %,respectively， under the optimal conditions.

Sorghum-SudanGrassHybrid; Dilute sulfuric acid; Pretreatment; Reducing sugar yield; Furfural yield

1001-4829(2016)12-2982-06

10.16213/j.cnki.scjas.2016.12.038

2015-07-22

曲靖師范學院青年項目(2010QN001);云南省教育廳項目(2011C017);2016年國家大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練項目

張鴨關(guān)(1978-)，女，副教授，從事生物化學、有機化學教學及生物資源的開發(fā)與利用研究， E-mail:zhangyaguan2013@163.com，*為通訊作者，E-mail:wfan321@126.com。

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