酸解聚玉米秸秆的产物及其形成机制研究

王凤芝 常 璇 马玉龙 孙永刚 吴倩倩

（宁夏大学能源化工国家重点实验室培育基地1，银川 750021）（宁夏大学化学化工学院2，银川 750021）

酸解聚玉米秸秆的产物及其形成机制研究

王凤芝1，2常 璇2马玉龙1，2孙永刚1，2吴倩倩1，2

（宁夏大学能源化工国家重点实验室培育基地1，银川 750021）（宁夏大学化学化工学院2，银川 750021）

为了探明酸解聚农作物秸秆的产物及其形成机制，本试验以玉米秸秆为研究对象，硫酸为解聚剂，利用高效液相色谱法检测解聚产物，探讨了不同硫酸浓度、解聚温度对玉米秸秆高分子结构解聚产物分布的影响。结果表明：解聚液中的主要糖类有木糖、阿拉伯糖、葡萄糖，副产物有乙酸、糠醛、5－羟甲基糠醛、阿魏酸和对香豆酸。当解聚温度高于120℃，5%硫酸解聚4 h时有纤维二糖、乙酰丙酸和甲酸生成。7%硫酸80℃解聚4 h时，有纤维二糖产生，说明硫酸浓度和解聚温度对玉米秸秆的解聚产物及其分布有一定的影响。分析并提出了硫酸解聚秸秆机制及副产物的形成途径。

玉米秸秆 硫酸 解聚 副产物

木质纤维生物质是目前生产生物燃料产品的主要原料之一［1］。生物质秸秆是木质纤维的一类，其资源广泛且价格低廉。中国秸秆资源量居世界第一，年产秸秆超过8亿t，为我国发展秸秆生物质能源创造了充足的原料保证［2］。

秸秆主要由纤维素、半纤维素和木质素三大高分子组成，其中，纤维素是骨干结构，而半纤维素和木质素是网状结构［3－5］。秸秆解聚即通过解聚剂打破半纤维素与木质素的网状结构，暴露纤维素，再将纤维素进行酶解和发酵。秸秆复杂的天然结构预处理过程中抑制物的形成均会影响燃料乙醇的产率［6－8］。在众多解聚方法中，稀酸解聚是目前应用较泛的一种，该方法可以有效脱除半纤维素［9－11］。

一般来说，秸秆化学解聚产物主要包括解聚后液体产物和未反应的固体残渣部分。本课题组之前研究了酸解聚前后秸秆结构、热稳定性、表面形态等的变化［12］。本研究选用稀硫酸为解聚剂，运用高效液相色谱法对解聚后液体中的糖类和副产物进行定性和定量分析，确定产物的分布状况，最后对产物形成途径和氢质子与纤维素和半纤维相关结构官能团的作用机制进行分析。

1 材料与方法

1.1 材料

玉米秸秆原料来源于宁夏大学附近农田。经自来水洗净，风干，过80目筛，然后用苯－乙醇（V∶V，2∶1）索式提取6 h，得到脱蜡玉米秸秆，在105℃烘箱里烘干备用。

1.2 试剂

纤维二糖、葡萄糖、木糖、阿拉伯糖、糠醛、5－羟甲基糠醛（5－HMF）、对香豆酸、阿魏酸、甲醇和乙腈均为色谱纯：阿拉丁试剂（上海）有限公司；乙酸、4－羟基苯甲酸、紫丁香酸、4－羟基苯甲醛、香草醛、紫丁香醛、香草酸和硫酸均为分析纯：上海安妍试剂公司；所用水为超纯水。

1.3 试验方法

1.3.1 制备硫酸解聚样品

取1.0 g脱蜡玉米秸秆，加入质量分数1%、3%、5%、7%的硫酸溶液20 mL，分别在80、100、120、140℃反应釜中反应（0.5、1、2、6、12 h）后，固液分离，液体部分用CaCO3调节pH至中性，经0.22μm滤膜过滤，得到水解液待测样品，固体残渣用蒸馏水洗涤至中性，105℃下烘干，研究温度和酸浓度对秸秆解聚产物分布的影响。

1.3.2 混合标准溶液的配制

1.3.2.1 单糖及有机酸标准溶液的配制

准确称取1.000 g葡萄糖、木糖、阿拉伯糖、纤维二糖、乙酸、甲酸和乙酰丙酸标准品，用0.005 mol／L H2SO4溶液分别定容至50 mL，配制成浓度为20mg／mL的标准溶液，经0.22μm滤膜过滤，滤液保存于4℃，待用。

1.3.2.2 副产物（糠醛和5－HMF）及酚酸标准溶液的配制

准确称取0.010 g糠醛、5－HMF、4－羟基苯甲酸、4－羟基苯甲醛、香草酸、紫丁香酸、香草醛、紫丁香醛、阿魏酸和对香豆酸标准品，用超纯水分别定容至100 mL，配制成质量浓度为1mg／mL的溶液，经0.22μm滤膜过滤，滤液保存4℃，待用。

1.4 样品测定

解聚液中低分子产物及副产物用高效液相色谱仪（LC－20AT，日本岛津公司）测定。其中单糖、乙酸、甲酸和乙酰丙酸的色谱条件为：色谱柱：Aminex HPX－87H（300 mm×7.8 mm，美国Bio－Rad公司）；检测器：示差折光检测器（日本岛津）；流动相：0.005 mol／L H2SO4溶液；流速：0.6 mL／min；进样量：20μL；柱温：65℃，液相色谱图如图1a所示。副产物（糠醛和5－HMF）及酚酸的色谱条件为：色谱柱：InertSustain©C18柱（4.6 mm×250 mm，5μm，日本岛津），检测波长280 nm，流速1 mL／min，0.5%醋酸－甲醇梯度洗脱，进样量20μL。液相色谱图如图1b。

图1 解聚液中各物质的HPLC图

2 结果与讨论

2.1 解聚液产物分析

图2a是玉米秸秆在5%硫酸溶液和80℃解聚温度下各单糖随时间变化关系图。解聚液中的单糖有葡萄糖、木糖和阿拉伯糖，但主要以木糖为主，而葡萄糖及阿拉伯糖的含量较少，Chen等［9］同样采用HPX－87H柱分析稀硫酸解聚稻秸，在解聚液中检测到单糖。单糖形成的原因是在酸解聚过程中主要以半纤维素的解聚为主，而半纤维素是由D－木糖单体为主要成分的复合聚糖，其支链由L－阿拉伯糖残基和D－葡萄糖残基等组成。由图2a可见：随解聚时间的延长，主产物木糖和葡萄糖浓度变化尤为显著，当解聚时间为6 h，酸解温度为80℃条件下，可以获得最大值为7.218mg／mL的木糖和1.785mg／mL的葡萄糖解聚液，而6 h后二者含量均在减少，究其原因，可能是在H＋作用下，解聚后期发生木糖和葡萄糖脱水形成副产物糠醛［13］和5－羟甲基糠醛（5－HMF）［14］过程，该过程会显著抑制纤维素和半纤维素的降解。然而，相比于葡萄糖和木糖的降解过程，阿拉伯糖含量变化趋势却相对平稳，由此说明半纤维素支链结构单元较主链易解聚且解聚程度彻底，解聚产物阿拉伯糖在酸性环境中有较好的稳定性，Kusema等［15］提出半纤维素酸水解是一种选择性水解机制，H＋首先进攻侧链基团，再进攻主链基团，从而实现半纤维素高分子的有效降解。

图2b反应了玉米秸秆在5%硫酸溶液和80℃解聚温度下副产物含量随时间变化关系曲线。图2b中的乙酸含量与图2a中的阿拉伯糖含量变化趋势相一致，说明在酸解聚过程中大量的乙酰基从半纤维素上脱落［16］，证明支链结构较主链易降解。糠醛和5－HMF含量在解聚初期（0.5～2 h）变化不明显，当解聚时间增至6 h后其含量急剧增加并进一步升高，导致出现此结果的原因是玉米秸秆高分子结构存在两步降解过程，解聚前期，在H＋催化下，发生纤维素和半纤维素解聚形成单糖或者低聚糖为主导的降解过程，解聚后期，主导反应逆转为高糖含量水解液脱水降解形成糠醛、5－HMF的过程。该结果有效印证了当水解时间为6 h时木糖和葡糖糖含量下降的现象（图2a）。由图1b可知，部分酚酸类化合物如对香豆酸和阿魏酸被检出，而4－羟基苯甲酸、4羟基苯甲醛、香草酸、紫丁香酸、香草醛和紫丁香醛类物质并未检出，这是因为在酸解聚过程中，氢质子并不作用于木质素将其降解成酚酸类单体，Ralph等［17］认为在禾本科类植物中半纤维素与木质素以半纤维素酯－阿魏酸－醚－木质素桥联的方式连接，而大多数对香豆酸通过酯键与木质素的侧链连接，在本研究中，通过产物检测推断半纤维素和木质素之间连接的酯键和醚键及对香豆酸与木质素的连接酯键断裂，形成阿魏酸和对香豆酸。

图2 解聚液中各物质浓度随时间变化图

2.2 温度对产物分布的影响

图3为不同温度梯度下产物分布图。在120℃、4 h、5%解聚条件下，有新的产物纤维二糖、甲酸和乙酰丙酸生成。纤维二糖的含量先增加后减少，原因是在后续解聚转化为葡萄糖，甲酸和乙酰丙酸的含量增多，产生原因是糠醛和5－HMF随后降解成甲酸和乙酰丙酸［18－19］。随着温度的升高，木糖和糠醛的含量变化最显著。当解聚温度由80℃升高至140℃时，木糖的含量从6.985mg／mL减少到3.697mg／mL，糠醛的含量由0.037mg／m L增加到1.698mg／mL，大约50%的木糖转化为糠醛。陈尚钘等［20］采用同等条件下1.25%的稀酸解聚玉米秸秆，发现当温度为100℃和120℃时，甲酸、糠醛与乙酰丙酸不会产生，这说明在解聚温度一定时，解聚剂硫酸浓度对玉米秸秆高分子解聚效果影响更显著。

图3 不同温度下解聚液中解聚产物含量

2.3 硫酸浓度对产物分布的影响

表1是不同硫酸浓度下解聚产物分布情况。硫酸体积分数在1%～7%、时间0.5～4 h范围内解聚产物的种类分布无变化。但当硫酸体积分数从1%升高到7%时，解聚副产物5－HMF和糠醛含量随硫酸浓度的升高而增加。当解聚时间大于4 h时，产生纤维二糖，说明当硫酸浓度增加时，氢质子完成半纤维素的降解后，酸解聚倾向于纤维素的降解，并将其降解成纤维多糖。

2.4 解聚产物形成途径

通过上述研究，对硫酸解聚玉米秸秆产物形成途径进行分析（图4）。研究表明，不同的解聚强度，产物的种类亦会不同［20］。纤维素结构由结晶区和非结晶区组成，半纤维素属于无定形结构。在硫酸解聚过程中，解聚前期氢质子首先使半纤维素和木质素的连接键断裂，半纤维素支链断裂形成阿拉伯糖、葡萄糖和乙酸，随后主链水解形成木糖，同时降解纤维素的非结晶区形成葡萄糖。当氢质子浓度增加，氢质子开始进攻纤维素的结晶区，降解成低聚纤维多糖，继而降解成葡萄糖。降解产物葡萄糖和木糖在酸催化下进一步产生5－HMF和糠醛，并且随着温度的升高，5－HMF会继续降解生成甲酸和乙酰丙酸，糠醛降解成甲酸。Rinaldi等［21］研究了纤维素酸水解机理，氢离子首先作用于葡萄糖分子之间的糖苷键和葡萄糖单元环上的缩醛氧原子，C—O键断裂，形成碳正离子，之后水分子的加入，释放单糖和氢质子，氢质子再次循环降解糖苷键。本试验通过产物检测及影响产物分布的因素出发，阐述了硫酸解聚玉米秸秆的可能途径。

表1 解聚液中解聚产物含量与硫酸浓度关系表／mg／mL

图4 玉米秸秆硫酸解聚产物形成途径图

3 结论

在80℃和5%硫酸解聚条件下，解聚液中产物有葡萄糖、木糖和阿拉伯糖和副产物乙酸、糠醛、5－HMF、对香豆酸和阿魏酸生成。硫酸浓度5%，解聚温度达到120℃时有纤维二糖、甲酸和乙酸生成；温度80℃下，硫酸浓度升至7%时，有纤维二糖生成。硫酸解聚玉米秸秆的可能途径是：在解聚前期氢质子首先使半纤维素和木质素的连接键断裂，半纤维素支链断裂形成阿拉伯糖、葡萄糖和乙酸，随后主链水解形成木糖，同时降解纤维素的非结晶区形成葡萄糖。当氢质子浓度增加，氢质子开始进攻纤维素的结晶区，降解成低聚纤维多糖，继而降解成葡萄糖。降解产物葡萄糖和木糖在酸催化下进一步产生5－HMF和糠醛，并且随着温度的升高，5－HMF会继续降解生成甲酸和乙酰丙酸，糠醛降解成甲酸。

［1］Coulier L，Zha Y，Bas R.etal.Analysis of oligosaccharides in lignocellulosic biomass hydrolysatesby high－performance anion－exchange chromatography coupledwithmass spectrometry（HPAEC－MS）［J］.Bioresource Technology，2013，133：221－231

［2］孙永刚，马玉龙，麻晓霞，等.汽爆酸碱耦合解聚玉米秸秆分子结构的研究［J］.中国粮油学报，2013，28（3）：29－35

［3］Sarkar P，Bosneaga E，Auer M.Plant cell walls throughout evolution：towards a molecular understanding of their design principles［J］.Experimental Botany，2009，60（1）：3615－3635

［4］Gunnarsson S，Marstorp H，Dahlin A S，et al.Influence of non－cellulose structural carbohydrate composition on plant material decomposition in soil［J］.Biology and Fertility of Soils，2008，45（1）：27－36

［5］Zaldivar J，Nielsen J，Olsson L.Fuel ethanol production from lignocelluloses：a challenge for metabolic engineering and process integration［J］.Applied Microbiology and Biotechnology，2001，56（1－2）：17－34

［6］Yang B，Dai Z，Ding S，etal.Enzymatic hydrolysis of cellulosic biomass［J］.Biofuels，2011（2）：421－450

［7］Iroba K L，Tabil LG，Dumonceaux T，et al.Effect of alkaline pretreatment chemical composition of lignocellulosic biomass using radio frequency heating［J］.Biosystems Engineering，2013，116：385－398

［8］Taherzadeh M J，Karimi K.Pretreatment of lignocellulosic wastes to improve ethanol and biogas production：a review［J］.International Journal Molecular Science，2008（9）：1621－1651

［9］Chen W H，Ye SC，Sheen H K.Hydrolysis characteristics of sugarcane bagasse pretreated by dilute acid solution in a microwave irradiation environment［J］.Applied Energy， 2012，93：237－244

［10］Cara C，Ruiz E，Oliva JM，et al.Conversion of olive tree biomass into fermentable sugars by dilute acid pretreatment and enzymatic saccharification［J］.Bioresource Technology，2008，99：1869－1876

［11］Chen Y F，Dong B Y，Qin W J.Xylose and cellulose fractionation from corncob with three different strategies and separate fermentation of them to bioethanol［J］.Bioresource Technology，2010，101：6994－6999

［12］孙永刚，马玉龙，麻晓霞，等.酸碱解聚玉米秸秆分子结构的实验研究［J］.化学通报，2013，76（7）：645－649

［13］Rasmussen H，Sørensen H R，Meyer A S.Formation of degradation compounds from lignocellulosic biomass in the biorefinery：sugar reaction mechanisms［J］.Carbohydrate Research，2013，385：45－57

［14］Gang Y，Evgeny A，Pidko E J，et al.Mechanism of Brønsted acid－catalyzed conversion of carbohydrates［J］. Journal of Catalysis，2012，295：122－132

［15］Kusema B T，Xu Ch L，Mäki－Arvela P，etal.Kinetics of acid hydrolysis of arabinogalactans［J］.International Journal of Chemical Reactor Engineering，2010，8（1）：1542－6580

［16］ChenX CH，Dandan S，Charles A，et al.Deep oxidative desulfurization of diesel fuels by Lewis acidic ionic liquids based on 1－n－butyl－3－methylimidazolim metal chloride［J］.Journal of Molecular Catalysis A：Chemical，2012，359：8－13

［17］Ralph J，Helm R F，Quideau S，et al.Lignin feruloyl ester cross－links in grasses.1：Incorporation of feruloyl esters into coniferyl alcohol dehydrogenation polymers［J］.Journal of the Chemical Society，Perkin Transactions 1，1992，21：2961－2969

［18］Gang Y，Evgeny A P，Emiel JM，et al.Mechanism of Brønsted acid－catalyzed conversion of carbohydrates［J］. Journal of Catalysis，2012，295：122－132

［19］Pedersen M，Meyer A S.Lignocellulose pretreatment severity－relating pH to biomatrix opening［J］.New Biotechnology，2010，27（1）：739－748

［20］陈尚钘，勇强，徐勇，等.玉米秸秆稀酸预处理对发酵抑制物产生的影响［J］.中国粮油学报，2009，24（2）：67－71

［21］Rinald R，Schueth F.Acid hydrolysis of cellulose as the entry point into biorefinery schemes［J］.ChemSusChem，2009，21（2）：1096－1107.

Products and Mechanism of Corn Stalk After Depolymerization with Acid

Wang Fengzhi1，2ChangXuan2Ma Yulong1，2Sun Yonggang1，2Wu Qianqian1，2
（State Key Laboratory Cultivation Base of Energy Sources and Chemical Engineering，Ningxia University1，Yinchuan 750021）（College of Chemistry＆Chemical Engineering，Ningxia University2，Yinchuan 750021）

The objective of the paperwas to investigate the product andmechanism in the process of depolymerization crop straw with acid.Corn stalk was used as thematerial to research the effects of acid concentration and temperature on corn stalks product distribution through depolymerization by sulfuric acid in amethod of high performance liquid chromatography.The results showed that themajor carbohydrates in liquid of the depolymerized corn stalk wereXylose，arabinose and glucose，and themajor by－products were acetic acid，furfural，5－hydroxymethyl furfural，ferulic acid andp－coumaric acid.When the temperaturewas higher than 120℃，cellobiose，levulinic acid and formic acid were detected in depolymerization liquid after being treated with 5%sulfuric acid for 4 h.In addition，cellobiose could be produced from corn stalk through depolymerization with 7%sulfuric acid for 4 h at80℃.These results indicated that the sulfuric acid concentration and temperature had a certain influence on the yield and distribution of products generated from corn stalk during depolymerization process.Meanwhile，the possible mechanism of depolymerization corn stalk with sulfuric acid and the formation pathway of by－productwas put out.

corn stalk，sulfuric acid，depolymerization，by－product

TQ353.1＋4

A

1003－0174（2015）

国家自然科学基金（21266023）

2013－12－02

王凤芝，女，1988年出生，硕士，生物质能源

马玉龙，男，1966年出生，教授，生物质能源03－0001－06