木质纤维素原料湿氧化爆破主要降解产物的分析

肖玲玲，程金花，吕育财，龚大春

（1.湖北三峡职业技术学院，湖北宜昌 443002；2.三峡大学，湖北宜昌 443002）

木质纤维素原料湿氧化爆破主要降解产物的分析

肖玲玲1，程金花2，吕育财2，龚大春2

（1.湖北三峡职业技术学院，湖北宜昌 443002；2.三峡大学，湖北宜昌 443002）

采用高效液相色谱和气相色谱-质谱联用技术对玉米秸秆、油菜秸秆和木屑湿氧化爆破后水洗液中的主要单糖、呋喃类、羧酸类浓度和其它降解产物进行了分析。结果表明：水洗液中葡萄糖和木糖的浓度分别为0.653～1.562 g·L－1和0.166～0.891 g·L－1，糠醛和5-羟甲基糠醛的浓度较低，甲酸和乙酸的浓度分别为1.346～3.500 g·L－1和1.670～2.698 g·L－1，在玉米秸秆、油菜秸秆和木屑水洗液中分别检测到12、10和16种化合物。

木质纤维素原料；湿氧化爆破；降解产物；高效液相色谱；气相色谱-质谱

近年来，随着能源危机日益严重，世界各国对新型替代性能源特别是以植物纤维素为原料制取燃料乙醇的研究越来越多［1-3］，但乙醇的产量和产率都不是太理想，其中一个重要原因就是木质纤维素原料在预处理过程中，水解产生的单糖在高温和酸性条件下会转化为甲酸、乙酸、糠醛类物质和苯系化合物等发酵抑制物［4-5］。

因此，预处理方法的选择对提高糖转化率与改善发酵性能至关重要［6］。在各种预处理方法中，湿氧化爆破法作为一种物理和化学的联合预处理方法，近年来研究得并不多。湿氧化爆破法最适合于植物纤维素原料的预处理，在木质纤维素组分的分离和提高酶的可及度方面均有明显优势，并且产生的发酵抑制物含量和种类也相对较少。作者采用色谱技术对湿氧化爆破木质纤维素原料进行分析，全面了解木质纤维素经过湿氧化爆破预处理后的降解产物，对降解产物中的单糖、呋喃类、羧酸类和其它化合物进行定性定量分析，拟为木质纤维素原料发酵产乙醇前的脱毒处理提供参考。

1 实验

1.1 材料与仪器

玉米秸秆和油菜秸秆，采自宜昌周边，风干待用；木屑，收集后于通风处保存备用。

高效液相色谱仪；气相色谱-质谱联用仪；纤维素测定仪，意大利Velp公司。

1.2 湿氧化爆破木质纤维素原料

将木质纤维素原料预先粉碎到1 cm左右，称取1 kg，在一定的温度、碱添加量、湿度和压力条件下预处理后，按固液比1∶10（g∶mL，下同）加入10 L蒸馏水，在45℃下将各滤渣洗涤2次，每次加5 L水洗涤10min左右，一般洗涤后的洗涤液颜色应很浅，若洗涤2次达不到洗涤效果，则应多洗几次。收集水洗液，置于－4℃的冰箱中冷藏，备用。将洗过的滤渣晾干至含水量低于50%，低温保存，备用。

1.3 分析测试

1.3.1 原料组成分析

采用纤维素测定仪测定纤维素、半纤维素和木质素的含量［7］。根据Velp Scientifical Goodwill Technology Ltd.提供的方法，测定预处理前后玉米秸秆、油菜秸秆、木屑中的纤维素、半纤维素和木质素的含量。

1.3.2 主要单糖浓度的测定［8］

采用高效液相色谱法测定葡萄糖和木糖浓度。

1.3.3 呋喃类物质的测定

采用高效液相色谱法测定糠醛和5-羟甲基糠醛浓度。

1.3.4 羧酸类物质的测定

采用高效液相色谱法测定甲酸和乙酸浓度。

1.3.5 其它降解产物的鉴定

其它降解产物采用气相色谱-质谱联用技术进行分析鉴定。

2 结果与讨论

2.1 木质纤维素原料湿氧化爆破前后的主要组成

木质纤维素原料湿氧化爆破前纤维素、半纤维素和木质素三种成分结合致密；爆破后细胞结构遭到破坏，纤维素聚合度下降，结构变得松散，使纤维素酶对纤维素的可及度提高。木质纤维素原料湿氧化爆破前后的主要组成如表1所示。

表1 木质纤维素原料预处理前后的水分及主要组分含量/%Tab.1 The content ofmoisture and main components of lignocellulosematerials before and after pretreatment/%

从表1可以看出，湿氧化爆破预处理前后木质纤维素原料主要组分的含量均发生了变化。经过湿氧化爆破预处理后玉米秸秆和油菜秸秆的纤维素含量都有所增加，而木屑的纤维素含量略微下降，主要是由于相对于各自绝干底物的不同造成的。半纤维素的含量都有少许下降，是因为半纤维素中的乙酰基部分发生高温自水解使其变成了单糖和寡糖。玉米秸秆和油菜秸秆的木质素含量增加，而木屑的木质素含量有所降低，原因可能是各自绝干底物不同，也与预处理过程中木质素的溶解和软化有关。

2.2 木质纤维素原料湿氧化爆破后水洗液中主要单糖的分析

在木质纤维素原料的湿氧化爆破预处理过程中，半纤维素中的乙酰基在高温下会产生一些酸性物质，打破半纤维素中的糖苷键，得到部分单糖和低聚糖等水解产物。将木质纤维素原料湿氧化爆破后的水洗液进行一定的处理后采用HPLC-ELSD分析，其中，玉米秸秆样品的分析图谱如图1所示。

图1 木质纤维素原料湿氧化爆破后水洗液的HPLC图谱Fig.1 HPLC Chromatogram of filtrate of lignocellulosematerials after wet oxidation steam-explosion

三种木质纤维素原料氧化爆破后水洗液中主要单糖的浓度如图2所示。

图2 木质纤维素原料湿氧化爆破后水洗液中主要单糖的浓度Fig.2 Concentration ofmain monosaccharide in the filtrate of lignocellulosematerials after wet oxidation steam-explosion

从图2可以看出，各水洗液中葡萄糖的浓度都比木糖高，其中玉米秸秆中葡萄糖和木糖的浓度最高，分别达到1.562 g·L－1和0.891 g·L－1，而油菜秸秆中木糖的浓度较低，只有0.166 g·L－1。玉米秸秆和木屑中葡萄糖的浓度约为木糖的2倍。

2.3 木质纤维素原料湿氧化爆破后水洗液中主要呋喃类物质的分析

木质纤维素原料在湿氧化爆破预处理的过程中，由于高温高压作用，半纤维素通过自水解作用转变成单糖和寡糖，其中的己糖（主要是葡萄糖）进一步降解为5-羟甲基糠醛，戊糖（主要是木糖）进一步降解为糠醛。糠醛和5-羟甲基糠醛对后续的酶水解和乙醇发酵都有一定的抑制作用，因此对其浓度的分析测定具有重要意义。

用高效液相色谱对呋喃类物质（主要是糠醛和5-羟甲基糠醛）进行了分析，结果显示，玉米秸秆水洗液中糠醛和5-羟甲基糠醛的浓度分别为0.0086 g·L－1和0.0073 g·L－1，油菜秸秆和木屑水洗液中糠醛的浓度分别为0.0097 g·L－1和0.0086 g·L－1，而5-羟甲基糠醛的浓度较低，未检出。

2.4 木质纤维素原料湿氧化爆破后水洗液中主要羧酸类物质的分析

在所有的预处理过程中，羧酸类物质的浓度都较高。甲酸和乙酸是主要的降解产物，大约占降解产物的66%～80%（质量分数）［9］。乙酸是半纤维素最初的乙酰基水解形成的，同时也是大量化合物湿氧化的终产物。用高效液相色谱对羧酸类物质（主要是甲酸和乙酸）进行了分析，结果如图3所示。

从图3可以看出，甲酸的浓度为1.346～3.500 g ·L－1，乙酸浓度为1.670～2.698 g·L－1；经过湿氧化爆破预处理后的玉米秸秆水洗液中乙酸的浓度比甲酸高；而油菜秸秆和木屑水洗液中甲酸的浓度比乙酸高，可能是因为甲酸比乙酸稳定，乙酸容易挥发造成的。

图3 木质纤维素原料湿氧化爆破后水洗液中主要羧酸类物质的浓度Fig.3 Concentration ofmain carboxylic acids in the filtrate of lignocellulosematerials after wet oxidation steam-explosion

2.5 木质纤维素原料湿氧化爆破后水洗液中降解产物分析

乙酸乙酯萃取玉米秸秆、油菜秸秆和木屑湿氧化爆破水洗液中降解产物的总离子流色谱如图4所示。

图4 乙酸乙酯萃取玉米秸秆（a）、油菜秸秆（b）、木屑（c）水洗液中降解产物的总离子流色谱Fig.4 Total ion chromatogram of degradation products of corn straw（a），rape straw（b），sawdust（c）filtrate extracted by ethyl acetate

木质纤维素原料湿氧化爆破预处理后的水洗液，经乙酸乙酯萃取和N，O-双三甲基硅烷三氟乙酰胺（BSTFA）衍生化，主要化合物的鉴定结果见表2。

表2 乙酸乙酯萃取玉米秸秆、油菜秸秆、木屑水洗液中降解产物的鉴定Tab.2 Identification of degradation products of corn straw，rape straw，sawdust filtrate extracted by ethyl acetate

从表2可以看出，乙酸乙酯萃取玉米秸秆水洗液中降解产物共鉴定出12种化合物，其中，醇类只有2-糠醇；酸类化合物5种，分别为羟基乙酸、丁烯二酸、2-羟基苯甲酸、3-甲氧基-4-羟基苯乙酸和紫丁香酸；酚类化合物2种，分别为苯酚和邻苯二酚；醛类化合物3种，分别为5-羟甲基糠醛、香草醛和紫丁香醛；酮类化合物只有乙酰丁香酮。

从表2还可以看出，乙酸乙酯萃取油菜秸秆水洗液中的降解产物共鉴定出10种化合物，其中，酸类化合物3种，分别为羟基乙酸、2-羟基丙酸和2-羟基丁酸；醛类化合物2种，分别为香草醛和紫丁香醛；酚类化合物2种，分别为苯酚和对苯二酚；酮类化合物3种，分别为4-羟基苯乙酮、乙酰丁香酮和3，4，5-三甲氧基苯乙酮。

从表2还可以看出，乙酸乙酯萃取木屑水洗液中的降解产物共鉴定出16种化合物，其中，酸类化合物8种，分别为羟基乙酸、2-羟基丁酸、丁烯二酸、2-糠酸、2-羟基苯甲酸、壬二酸、香草酸和紫丁香酸；酚类化合物2种，分别为苯酚和愈创木酚；醛类化合物3种，分别为香草醛、4-羟基苯甲醛和紫丁香醛；酮类化合物3种，分别为4-羟基苯乙酮、乙酰丁香酮和3，4，5-三甲氧基苯乙酮。

这些化合物主要来自于半纤维素和木质素的降解，其中酚类化合物来自于木质素的降解，呋喃类化合物来自于半纤维素自水解作用形成的己糖和戊糖的降解。

2.6 讨论

朱均均等［9］对蒸汽爆破的玉米秸秆水洗液的乙酸乙酯萃取液进行分析，得到11种芳香类化合物、6种脂肪酸化合物和4种呋喃类化合物。Klinke等［10］采用GC-MS对湿氧化处理的麦秆水解液进行分析，得到12种芳香类化合物、6种脂肪酸化合物和3种呋喃类化合物。由此可见，原料来源不同、预处理方法不同，分析得到的物质也有所不同。木质纤维素预处理的半纤维素部分的降解产物对微生物产乙醇的产率和可行性方面有抑制作用。Zaldivar等［11］研究表明，呋喃醛类和苯醛类对许多微生物都有抑制作用，但在湿氧化爆破预处理中这些发酵抑制物的含量较低。

3 结论

经过湿氧化爆破预处理后，木质纤维素原料的主要组成的含量发生了变化，纤维素的含量改变不大，而半纤维素的含量降低了，木质素的含量有所增加；对湿氧化爆破木质纤维素原料水洗液的主要单糖进行HPLC-ELSD分析，得到葡萄糖的浓度为0.653～1.562 g·L－1，木糖的浓度为0.166～0.891 g·L－1；对湿氧化爆破木质纤维素原料水洗液的主要呋喃类化合物进行HPLC-UV分析，发现糠醛和5-羟甲基糠醛的浓度都很低，油菜秸秆和木屑水洗液中没有检测到5-羟甲基糠醛；对湿氧化爆破木质纤维素原料水洗液的主要羧酸类化合物进行HPLC-UV分析，得到甲酸的浓度为1.346～3.500 g·L－1，乙酸的浓度为1.670～2.698 g·L－1；对湿氧化爆破木质纤维素原料水洗液中的降解产物进行乙酸乙酯萃取和硅烷基衍生化后进行GCMS分析，结果在玉米秸秆、油菜秸秆和木屑水洗液中分别检测到12、10和16种化合物。

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Identification of M ain Degradation Products of Lignocellulose M aterials after W et Oxidation Steam-Explosion

XIAO Ling-ling1，CHENG Jin-hua2，LÜYu-cai2，GONG Da-chun2
（1.Hubei Three Gorges Polytechnic，Yichang 443002，China； 2.Three Gorges University，Yichang 443002，China）

The concentration ofmain degradation products such asmonosaccharide，furans，carboxylic acids and other products from corn straw，rape straw and sawdust filtrate after wet oxidation steam-explosion pretreatmentwere studied by HPLC and GC-MS analysis.Results showed that the concentration of glucose and xylose in filtrate were 0.653～1.562 g·L－1and 0.166～0.891 g·L－1，the concentration of furfural and 5-hydroxymethyl furfuralwere low，the concentration of formic acid and acetic acid were 1.346～3.500 g·L－1and 1.670～2.698 g·L－1，there were 12，10 and 16 compounds identified in the corn straw，rape straw and sawdust filtrate，respectively.

lignocellulosematerials；wet oxidation steam-explosion；degradation products；HPLC；GC-MS

TQ 353.6

A

1672-5425（2015）07-0062-05

10.3969/j.issn.1672－5425.2015.07.017

2015-02-27

肖玲玲（1983－），女，湖南常德人，硕士，讲师，研究方向：生物化工，E-mail：Xll_tgc@163.com；通讯作者：龚大春，博士，教授。