甘蔗渣酸碱结合法预处理的研究

赵志刚，杨　诚，程可可，张建安 （.安徽工业大学化学与化工学院，安徽马鞍山4300；.清华大学核能与新能源技术研究院，北京00084）

甘蔗渣酸碱结合法预处理的研究

赵志刚1，杨诚1，程可可2，张建安2 2
（1.安徽工业大学化学与化工学院，安徽马鞍山243002；2.清华大学核能与新能源技术研究院，北京100084）

研究用酸法、碱法、先酸后碱和先碱后酸4种预处理方法对甘蔗渣组分及酶解率的影响。结果表明：碱法预处理对甘蔗渣中的木质素具有较好的去除效果，而酸法预处理效果较差；经过碱法预处理后，甘蔗渣中的半纤维素更易发生水解，水解率比直接酸解法提高20%以上；先酸后碱法既可以充分利用半纤维素酸解得到的糖，也有利于纤维素后续的酶解，是一种较好的预处理方法。

甘蔗渣；预处理；酸解；酶解

甘蔗渣是制糖工业的副产物，也是一种重要的木质纤维素资源，可以通过生物化学作用转化为酒精作为燃料乙醇的原料［1］。木质纤维素原料生产乙醇的关键是将原料高效地分解为葡萄糖等可溶性还原糖，然后利用微生物将戊糖和己糖发酵得到乙醇［2］。但甘蔗渣等木质纤维素原料结构致密复杂，其中木质素与半纤维素形成牢固的结合层，将纤维素包裹在其中，阻碍了纤维素酶解时与酶接触。因此，必须对原料进行预处理，以增加纤维素与酶接触的有效面积，提高纤维素酶解率［3］。木质纤维素原料预处理有多种方法，如物理法［4-5］、化学法和生物法［6］。其中稀酸和稀碱预处理是两种常用的方法［7-8］。酸法预处理可以将木质纤维素原料中大部分的半纤维素水解为木糖等可溶性糖［9-10］。同时剩余原料的表面积增大，纤维素的结晶度降低，有利于纤维素酶解作用的进行。但是酸法预处理对木质素的去除效果较差，对纤维素水解的促进作用有限［11］。碱法可以除去木质纤维素原料中大部分的木质素，显著提高纤维素的酶解效率［12-14］。但碱法预处理对半纤维素也有较强的溶解作用，会造成原料水解率的损失［15-16］。

本文将酸法与碱法结合对甘蔗渣进行预处理，以研究不同方法对甘蔗渣预处理及酶解特性的影响，为木质纤维素原料的预处理提供新的思路。

1　实验部分

1.1实验原料

甘蔗渣，粒径为0.4～0.8 mm，购自广西省某制糖厂，在105℃烘干至恒重，化学组成质量分数见表1。

表1　甘蔗渣原料的化学组成（w/%）Tab.1 Chemical compositions of bagasse（w/%）

1.2实验方法

1.2.1碱预处理

预处理液为NaOH与H2O2的混合溶液，NaOH质量分数为1.0%，H2O2质量分数为0.6%，预处理液与甘蔗渣的质量比为25∶1，锥形瓶中混合均匀后在20℃水浴锅中反应20 h。将处理过的甘蔗渣用去离子水洗涤至中性并抽滤，然后将甘蔗渣在鼓风干燥箱中105℃烘干至恒重，在干燥器中冷却至室温备用。

1.2.2酸预处理

预处理液为稀硫酸溶液，质量分数为1.2%，溶液与甘蔗渣的质量比为10∶1，在锥形瓶中混合均匀放于123℃的反应器中处理时间2.6 h。反应结束后，将水解液用去离子水定容至250 mL，用高效液相色谱（HPLC）分析其成分。甘蔗渣经去离子水洗涤后干燥至恒重，冷却至室温备用。

1.2.3酸碱结合法预处理

按照1.2.1和1.2.2的方法对甘蔗渣进行碱法预处理或酸法预处理，然后将残渣过滤洗涤烘干，再进行第二步处理（酸法预处理或碱法预处理）。

1.2.4酶解

在100 mL磨口锥形瓶中加入1 g甘蔗渣，30 mL去离子水，0.1 mL质量分数为1%的Novozymes纤维素酶和浓度为0.05 mol/L的1mL柠檬酸缓冲液。然后将锥形瓶放入转速为140 r/min，温度为50℃的摇床中，定时取样测定锥形瓶中酶解液的还原糖浓度。酶解结束后用沙芯漏斗过滤酶解液，在105℃鼓风干燥箱中将残渣烘干至恒重。

1.2.5分析计算

预处理后甘蔗渣纤维素得率X按式（1）计算。

其中：m为甘蔗渣试样预处理前的质量，g；n为甘蔗渣试样预处理后的质量，g；a为甘蔗渣试样预处理后纤维素质量分数。

半纤维素得率Y按式（2）计算。

其中b为甘蔗渣试样预处理后半纤维素质量分数。

木质素得率Z按式（3）计算。

其中c为甘蔗渣试样预处理后木质素质量分数。

实验所用的纤维素酶会将甘蔗渣中的纤维素和半纤维素酶解，而木质素不发生水解。因此，可以用酶解后中甘蔗渣质量的减少与酶解前甘蔗渣中综纤维素量的比值来计算甘蔗渣的酶解率。

其中：X为甘蔗渣的酶解率，%；m0为甘蔗渣样品酶解前的质量，g；m1为甘蔗渣样品酶解后的质量，g；β为甘蔗渣样品酶解前综纤维素的质量分数，%。

2　结果与讨论

2.1不同预处理方法对甘蔗渣组成的影响

图1为用不同方法预处理后甘蔗渣各组分的得率。由图1可知，经碱法预处理后甘蔗渣中纤维素的得率最高，超过95%。因为纤维素在稀硫酸溶液中会发生部分水解，导致其得率降低。经过两步法预处理后纤维素的得率与经过一步法预处理相比降低了10%以上，先酸后碱法预处理后甘蔗渣纤维素得率最低，仅为74.2%；大部分的半纤维素会在稀硫酸液中发生水解，而经过碱法处理后半纤维素仍残余50%以上；酸法预处理对甘蔗渣中的木质素没有明显的去除效果，其得率仍到80%左右。甘蔗渣在另外3种预处理方法中都经过了碱处理的过程，木质素的去除率均在70%以上。

图1预处理后甘蔗渣各组分得率Fig.1 Yield of bagasse after pretreatment

图2为甘蔗渣经过不同方法预处理后各组分的质量分数。可以看出经过预处理后，甘蔗渣中纤维素的质量分数最高，达到60%以上。经过先碱后酸或先酸后碱两步法预处理后纤维素的质量分数超过了80%；甘蔗渣经过碱法处理后半纤维素的质量分数较高，经过另外3种方法处理后其质量分数较低，不足3%；甘蔗渣中木质素的质量分数经过碱法处理后最低，经过酸法预处理后最高。

图2　预处理后甘蔗渣各组分Fig.2 Composition of bagasse after pretreatment

2.2一步法与两步法对甘蔗渣水解的影响

甘蔗渣中的半纤维素可以在稀酸溶液中水解得到木糖、葡萄糖和阿拉伯糖等单糖以及纤维二糖，经过处理后也可以发酵得到乙醇。表2为将甘蔗渣原料直接在稀硫酸中水解和先碱法预处理再酸水解所得水解液各成分的质量浓度。

表2　水解液中各成分（g/L）Tab.2 Composition of hydrolysate（g/L）

由表2可知，经过碱法预处理后，甘蔗渣中半纤维素的水解率与直接酸解相比提高了20%以上。说明甘蔗渣中半纤维素和木质素之间的共价键在碱法预处理过程中遭到了破坏，使半纤维素更容易进行酸解。但在碱法预处理过程中部分半纤维素会被溶解，因此与直接酸解相比先进行碱处理再酸解会使酸解液中糖的得率降低。

2.3不同预处理对甘蔗渣酶解的影响

图3　预处理方法对甘蔗渣酶解率的影响Fig.3 Effectofpretreatmenton enzymolysisyieldofbagasse

将经过不同预处理方法得到的甘蔗渣进行酶解，比较预处理对甘蔗渣酶解的影响，结果见图3。由图3可知，预处理方法对甘蔗渣酶解率的影响非常大。经过碱法预处理甘蔗渣的酶解率最高可达80%以上。经过先酸后碱与先碱后酸两步法处理的甘蔗渣酶解率在40%左右。仅经过稀硫酸水解的甘蔗渣酶解率最低，只有19.1%。甘蔗渣中木质素的质量分数与甘蔗渣的酶解率有显著的相关性。甘蔗渣木质素质量分数越低，其酶解率越高。两步法处理过的甘蔗渣酶解率不及经过碱法处理过的甘蔗渣，因所用纤维素酶会使甘蔗渣中纤维素和半纤维素均发生水解，且半纤维素的水解易于纤维素。经过碱法处理的甘蔗渣中仍残留50%左右的半纤维素，而两步法经过了酸处理的过程，95%以上的半纤维素都被水解了。

3　结　论

利用减法、酸法、先酸后碱和先碱后酸4种方法对甘蔗渣进行了预处理，分析不同方法对甘蔗渣预处理及酶解的影响，得到以下结论：

1）甘蔗渣中的木质素经过碱法预处理后质量分数最低，去除效果较好；经过酸法预处理后质量分数最高，无明显的去除效果；

2）甘蔗渣中的半纤维素经过碱法预处理后质量分数较高，其水解率比原料直接酸解法提高20%以上；

3）甘蔗渣经过碱法预处理后的酶解率最高，其次为两步法预处理过的甘蔗渣，稀硫酸水解过的甘蔗渣酶解率最低；

4）先酸后碱法不仅对甘蔗渣的木质素具有较好的去除效果，而且可以充分利用半纤维素的酸解产物，是一种较好的木质纤维素原料预处理方法。

［1］李继武，李乐，蒋菊生，等.海南省香蕉茎杆与甘蔗渣利用现状及资源评价研究［J］.现代农业科技，2015，7：226-228.

［2］陈尚钘，勇强，徐勇，等.稀酸预处理对玉米秸秆纤维组分及结构的影响［J］.中国粮油学报，2011，26（6）：13-19.

［3］崔美，黄仁亮，苏荣欣，等.木质纤维素新型预处理与顽抗特性［J］.化工学报，2012，63（3）：677-687.

［4］KIM T，LEE Y.Pretreatment of corn stover by soaking in aqueous ammonia at moderate temperatures［J］.Applied Biochemistry and Biotechnology，2007，137（1）：81-92.

［5］ZHU J Y，WANG G S，PAN X J，et al.Specific surface to evaluate the efficiencies of milling and pretreatment of wood for enzymatic saccharification［J］.Chemical Engineering Science，2009，64（3）：474-485.

［6］胡秋龙，熊兴耀，谭琳，等.木质纤维素生物质预处理技术的研究进展［J］.中国农学通报，2011，27（10）：1-7.

［7］王燕云，杨静.稀碱-Fenton试剂预处理对云南苦竹酶水解得率的影响［J］.生物质化学工程，2015，49（5）：17-22.

［8］蒋发现，徐勇，朱均均，等.稀酸预处理对玉米秸秆中4类非木质素组分的降解规律研究［J］.林产化学与工业，2015，35（2）：38-46.

［9］房桂干，刘姗姗，沈葵忠.杨木废弃物稀酸水解预处理条件的响应面优化［J］.生物质化学工程，2014，48（6）：18-24.

［10］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（11）：2607-2609.

［11］杨静，蒋剑春，张宁，等.稀酸法预处理对橡子壳纤维组成和结构的影响［J］.生物质化学工程，2014，48（2）：13-17.

［12］王卿，邱婧雯，李阳，等.热碱预处理对菊芋茎秆组成和酶水解影响［J］.生物工程学报，2015，31（10）：1459-1467.

［13］杨海涛，涂洪峰，姚兰，等.碱性预处理对酸水解后玉米芯残渣酶解性能及木素结构变化的影响［J］.造纸科学与技术，2015，34（3）：66-99.

［14］邓辉，李春，李飞，等.棉花秸秆糖化碱预处理条件优化［J］.农业工程学报，2009，25（1）：208-212.

［15］翟莉莉，张佑红，耿安利.碱法预处理棕榈空果串纤维及其酶解糖化效果［J］.广东化工，2015，42（13）：25-26.

［16］王华，许红霞，周大云，等.棉花秸秆超声波碱预处理研究［J］.农业环境科学学报，2013，32（2）：400-406.

责任编辑：丁吉海

AStudy ofAcid andAlkaline Pretreatment of Bagasse

ZHAO Zhigang1，YANG Cheng1，CHENG Keke2，ZHANG Jian'an2
（1.School of Chemistry and Chemical Engineering，Anhui University of Technology，Ma'anshan 243002，China；2.Institute of Nuclear and New Energy Technology，Tsinghua University，Beijing 100084，China）

Bagasse was pretreated with methods of acid，alkaline，alkaline after acid and acid after alkaline，and the effects of different pretreatment methods on composition and enzymatic hydrolyzation of bagasse was studied. The results show that the pretreatment of bagasse with alkaline is efficient in removing lignin，while the pretreatment with acid shows no obvious effect on lignin removal.The hemicellulose of bagasse is easier to be hydrolyzed after pretreated by alkaline，and the hydrolysis rate is increased by 20%compared with that without pretreatment.The pretreatment of bagasse by alkaline after acid can not only make full use of the sugar obtained by the acidolysis of hemicellulose，but also improve the enzymolysis of the cellulose of the bagasse.Therefore，the pretreatment by alkaline after acid is a good choice for the bagasse.

bagasse；pretreatment；hydrolysis；enzymolysis

TQ35

Adoi：10.3969/j.issn.1671-7872.2016.02.007

1671-7872（2016）02-0126-04

2016-01-05

安徽省教育厅高校自然科学研究项目（KJ2015A108）

赵志刚（1981-），男，山东滨州人，博士，讲师，主要研究方向为能源化工。

张建安（1964-），男，山西太原人，副教授，博士生导师，主要研究方向为生物能源与生物化工。