玉米秸秆酸水解液中单糖种类及其变化规律

王文波 孔凡功 王守娟 陈嘉川 杨桂花

（制浆造纸科学与技术教育部重点实验室、山东轻工业学院，山东 济南，250353）

玉米秸秆酸水解液中单糖种类及其变化规律

王文波 孔凡功 王守娟 陈嘉川 杨桂花

（制浆造纸科学与技术教育部重点实验室、山东轻工业学院，山东 济南，250353）

研究了玉米秸秆稀酸条件下水解所得的单糖种类，以及不同酸处理条件对各产物得率的影响。玉米秸秆经高浓磨粗磨后，在蒸煮锅中用稀酸处理，所得水解液经高效液相色谱检测，测得其中的单糖种类及其含量，并研究了各单糖产量随温度的变化趋势。实验结果表明，酸水解液中水解产物主要为木糖、L-阿拉伯糖、果糖、葡萄糖。在温度为100～140℃时，水解液的主要产物为L-阿拉伯糖和葡萄糖；温度大于140℃时，水解液中的主要产物为木糖。

稀酸水解 玉米秸秆 单糖测定 高效液相色谱

世界上，每年都会生产大量的玉米秸秆。玉米秸秆是一种生物质能源，含有大量的纤维素、半纤维素、木质素，若利用得当，将会产生大量的经济及社会效益，是当前能源危机形式下的一种重要的潜在代替能源。但由于其利用技术的不成熟，现在大部分的玉米杆都是在地里直接焚烧掉，不仅不能有效地利用其中的生物质能源，其烟雾中含有的大量的TSP（总悬浮颗粒）和SO2，还会造成严重的大气污染。所以，如何将农业废弃物玉米秸秆进行有效地综合利用正逐渐成为生物质能源研究者们的研究热点。

目前，生物质中半纤维素的处理方法研究成果较多，主要有高温热水预提取法、稀酸预处理法、蒸汽爆破法、有机溶剂提取法、酶处理法、碱处理法、微波辅助提取法等。其中，稀酸预处理法可有效地降解玉米秸秆中的半纤维素为单糖，且对纤维素的影响不大。稀酸法是研究最广泛[1]、最有效的木质纤维素预处理方法之一。与其他预处理方法相比，稀酸法不仅可以破坏原料中纤维素的晶体结构，使原料变得疏松；而且可以有效地水解半纤维素，节省了半纤维素酶的使用，从而使生物质原料得到充分利用。酸水解可以直接将木质纤维素水解产生单糖，也可作为酶水解的预处理方法，而且具有较好的可操作性和经济可行性。

本试验采用稀酸水解法来降解玉米秸秆，同时测其水解液中降解下的单糖含量，从而确定玉米秸秆酸水解液中的单糖种类及其含量随水解条件的变化规律[2]，为从玉米秸秆中提取不同种类的单糖工艺作依据。

1 试验部分

1.1 原料与主要设备

（1）原料：玉米秆取自山东省济南市长清区。

（2）主要设备：电热蒸煮锅（ZQS1-E,15L，陕西科技大学机械厂制造），KRK高浓磨（No．2500-Ⅱ）；岛津HPLC（LC-20AT*2，RID-10A，CBM-20A，CLC-NH2色谱柱）

1.2 试验方法

（1）玉米秆备料过程。玉米秆→剥去叶子→切成小段（长2～5 cm）→清水浸泡4 h→高浓磨粗磨碎解（磨片间隙1．5 mm，使浆料均匀）→平衡水分，冰箱储存，备用。

（2）玉米秆酸水解过程。50g绝干玉米秆→入蒸煮小罐→将浓硫酸稀释后加入小罐中，升温蒸煮。

蒸煮条件为：50g绝干玉米杆，1:6液比，水解时间3 h，温度区间为100～170℃。

（3）水解液成分检测。取各小罐水解液→静置30 min→取上层清液→用0．45μm膜过滤→用0．22μm膜过滤→用HPLC检测单糖种类及其含量（CLC-氨其柱，乙腈:水＝75:25，1 mL/min，20μL）。

1.3 检测结果

玉米秸秆酸水解液的HPLC数据检测谱图，见图1，在图1中我们可以看到，每个峰都是独立的，没有重叠区间，故可以确定用此方法检测水解液中的单糖方法是可行的。图1中的每一个峰代表一种单糖物质，通过与各种纯单糖的HPLC谱图对比，可以得到各峰代表的单糖种类如下：

（1）3．534——水；

（2）10．047——木糖；

（3）11．678——L-阿拉伯糖；

（4）12．928——果糖；

（5）14．992——葡萄糖。

图1 玉米秸秆酸水解液谱图

2 结果与讨论

2.1 制定标准曲线

木糖、葡萄糖、L-阿拉伯糖、果糖HPLC标准曲线的制定（采用外标法对水解液中的单糖含量进行测定），见图2。

取单糖标准样品（精准至0．000 1g）→溶于10 mL去离子水中→0．22微孔滤膜过滤→HPLC检测（CLC-NH2柱，1 mL/min，乙腈:水＝75:25，示差折光检测器）。

各单糖标准曲线见图2。横坐标为单糖溶液的浓度（g/10mL），纵坐标为示差折光检测器得到的各单糖峰面积。由此，若从水解液中测得某单糖对应峰的面积，则可通过标准曲线读取其对应的单糖实际含量。

2.2 水解液HPLC

蒸煮完成后，将蒸煮小罐放入凉水中快速冷却，卸锅后，用细孔浆袋进行挤浆，得到原始蒸煮液，静置使蒸煮液中的残渣沉淀，取上层清液，进行微孔滤膜过滤，用HPLC对其进行检测。本试验采用蒸煮锅四小罐同时蒸煮，每小罐内加入50 g（绝干量，经1．5 mm高浓磨碎解）玉米秆，分别加入浓硫酸0 mL，0．5 mL，1 mL，2 mL，对应的硫酸相对浆料的加入量分为0，1．84%，3．68%，7．36%。

图3可见，四条不同酸用量曲线随温度的升高，其所对应的木糖含量均逐渐升高；但当温度高于160℃后，随温度的升高木糖含量反而降低。这可能是因为，在高温酸性条件下，部分木糖可能转化成了果糖，从而造成了水解液中的木糖含

图2 木糖、葡萄糖、果糖、L-阿拉伯糖HPLC标准曲线

量的降低。也可能是因为木糖会在高温液态水中产生动力学分解反应，降解成糠醛、甲酸和腐殖质（参考《用HPLC证实单糖在酸性处理中的变化》）（摘自《高温液态水中单糖分解反应动力学研究》）。

图3 木糖含量随温度变化曲线

具体分析如下：

在不加酸条件下，随温度升高，在100～170℃区间上，几乎没有木糖的产生。

从1．84%硫酸用量曲线可以看到，在温度较低时，木糖含量极低，故可认定，玉米杆的低温稀酸水解效果较差[3]。在此条件下，若想得到一个较好的木糖产量，在低酸用量下必需提供一个相对较高的反应温度。图3中可以看到，在温度大于150℃后，木糖产量急剧增加，且在160℃时得到最大值。

通过比较四条不同酸用量木糖产量曲线我们可以看出，在酸用量较低时，必需要在较高温度下才能得到较高的木糖含量[4]，而随酸用量的增加，木糖产量最大值出现的位置逐渐向低温移动。

在图3中可以得到木糖最大产量条件为：保温温度160℃、3．68%硫酸用量、1:6液比、保温3 h。此时蒸煮液中木糖浓度为0．23 g/10mL。若按液比1:6的理论值计算，50 g绝干玉米杆水解可得6．9 g木糖，即木糖产量为13．8%。

由图4可以看到，当温度较低时，蒸煮液中的果糖含量较低；随温度升高果糖浓度逐渐增加，但相对于其他单糖产量，果糖产量相对较低。由此可知，玉米秸秆中的总果糖含量是相对较低的。从图中我们可得到果糖的最大产量条件为：保温温度170℃、7．36%硫酸用量、1:6液比、保温3h。此时蒸煮液中果糖浓度为0．0345g/10mL。若按液比1:6的理论值计算，50g绝干玉米杆水解可得到1．035 g果糖，即果糖产量为2．07%。

在图4中，四条酸用量曲线的木糖产量值都是随温度的升高而增大的。已有文献报道[5-6]，在高温稀酸条件下，单糖之间可能存在相互转化，如部分葡萄糖等可能会转化为果糖。因此，此处的果糖产量可能有两个来源。一为玉米杆水解过程中产生的原始果糖，另一为在高温稀酸条件下葡萄糖等其他单糖的转化而来[7-8]。

图4 果糖产量随温度变化曲线

由图5可以看到，葡萄糖的产量随保温温度的升高而先升后降。硫酸用量为0时，在150℃时得到最大的葡萄糖产量，在硫酸用量为1．84%、3．68%、7．36%时，在130℃时得到最大的葡萄糖产量。相对于木糖来说，葡萄糖的最大产量对应的温度较低，即我们可以认为葡萄糖比果糖更容易被酸水解，从而溶出。葡萄糖随温度的继续升高产量降低的情况，则可能是因为上面提到的高温稀酸下单糖之间的相互转化造成的。

从图5中我们可以找到葡萄糖的最大产量点条件为：保温温度130℃、1．84%硫酸用量、1:6液比、保温3 h。此时蒸煮液中葡萄糖浓度为0．085g/10mL。若按液比1:6的理论值计算，50 g绝干玉米杆水解可得到2．55 g葡萄糖，即葡萄糖产量为5．1%。

由图6可见，L-阿拉伯糖随温度变化曲线与葡萄糖随温度变化曲线类似，也是在一个相对较低的温度时就得到最大的单糖含量，而大于这最大产量后，随温度的升高，L-阿拉伯糖的含量也随之降低。原因也可能是因为高温稀酸下单糖之间的相互转化。

从图6中可以找到L-阿拉伯糖的最大产量点条件为：保温温度130℃、1．84%硫酸用量、1:6液比、保温3 h。此时蒸煮液中L-阿拉伯糖浓度为0．194g/10mL。若按液比1:6的理论值计算，50 g绝干玉米杆水解可得到5．81 g L-阿拉伯糖，即L-阿拉伯糖产量为11．6%。

综上可见，在较低温度水解时（100～140℃），水解液中的主要单糖为葡萄糖和L-阿拉伯糖，而在较高的温度水解时（＞140℃），玉米秸秆酸水解液中的主要单糖为木糖。利用这个规律，可以很好地纯化玉米秸秆中的主要单糖。

3 结束语

（1）玉米秸秆的酸水解液中主要含有四种单糖，分别为木糖、果糖、L-阿拉伯糖和葡萄糖。

（2）在温度低于140℃时，水解液中的主要单糖为L-阿拉伯糖和葡萄糖，温度高于140℃时，水解液中的主要单糖为木糖。

图5 葡萄糖产量随温度变化曲线

图6 L-阿拉伯糖随温度变化曲线

（3）本试验中在保温温度为160℃、硫酸用量为3．68%、1:6液比、保温3 h条件下，得到的最大木糖产量为13．8%；在保温温度170℃、7．36%硫酸用量、1:6液比、保温3h条件下，得到的最大果糖含量为2．07%；在保温温度130℃、1．84%硫酸用量、1:6液比、保温3 h条件下，得到的最大葡萄糖产量为5．1%；在保温温度130℃、1．84%硫酸用量、1:6液比、保温3 h条件下，得到的最大L-阿拉伯糖产量为11．6%。

[1] 陈尚钘，勇强，徐勇，等． 玉米秸秆稀酸预处理的研究[J]． 林产化学与工业，2009, 2(6):27-32．

[2] 张德喜，陈国鑫，苏宝恕，等． HPLC在单糖、二糖分析中的应用[J]． 分析测试学报，1985, 4．

[3] 王娜娜，谢小莉，杨翔华，等． 低温稀酸预处理玉米秸秆的研究[J]． 科学技术与工程，2011, 11(3):2607-2609．

[4] 牟莉，樊孟琦，王涛． 常规加热条件下四种不同强度酸对玉米秸秆降解的影响[J]． 长春大学学报，2008, 12(4):42-44．

[5] 刘庆玉，孟凡磊，张敏． 稀酸预处理玉米秸秆条件优化的试验研究[J]． 可再生能源，2009, (3):40-42．

[6] 黄爱玲，周美华． 玉米秸秆水解的酶法与稀酸法比较[J]． 东华大学学报，2005, 5(5):110-114．

[7] 高小朋，任龙辉，孙中锋，等． 玉米秸秆酸解产糖条件的优化[J]． 湖北农业科学，2011, 16(4):3361-3364．

[8] 陈嘉翔． 制浆化学[M]． 北京: 轻工业出版社，1990．