麦草热水预水解过程产物分析及木糖生成模型

马 浩 吉兴香,,* 田中建,3 房桂干 陈嘉川

(1.齐鲁工业大学制浆造纸科学与技术教育部重点实验室，山东济南，250353；2.中国林业科学研究院林产化学工业研究所，江苏南京，210042；3.广西大学，广西南宁，530004)

·麦草热水预水解·

麦草热水预水解过程产物分析及木糖生成模型

马 浩1吉兴香1,2,*田中建1,3房桂干2陈嘉川1

(1.齐鲁工业大学制浆造纸科学与技术教育部重点实验室，山东济南，250353；2.中国林业科学研究院林产化学工业研究所，江苏南京，210042；3.广西大学，广西南宁，530004)

为了探究麦草热水预水解过程中产物的生成变化规律，分别采用离子色谱和高效液相色谱检测预水解液中糖类(阿拉伯糖、半乳糖、葡萄糖和木糖)和发酵抑制物(甲酸、乙酸、5-羟甲基糠醛和糠醛)的含量，分析了单因素实验中糖类和发酵抑制物的生成变化规律；同时采用响应面法对影响麦草热水预水解液中木糖生成的固液比、水解温度和水解时间进行了优化研究，建立了木糖生成量的二次多项式数学模型。结果表明，在固液比1∶11.67、水解时间57.76 min和水解温度173.96℃的条件下，木糖的生成量达到最高，为83.91 mg/g麦草。

热水预水解；麦草秸秆；木糖；响应面；发酵抑制物

农业秸秆是一种重要的可再生资源，我国年产量超过8亿t。随着化石能源的日益枯竭，从农业秸秆等可再生资源转化获得新材料、热值能源和化工原料等已成为一种重要的发展新趋势，将秸秆等生物质转化为清洁燃料、化工原料、功能性甜味剂等是21世纪的重要研究课题。组成秸秆的纤维素、半纤维素和木素3大组分中，半纤维素因结构复杂多样、分离纯化困难，迄今为止利用率最低。因此，全面透彻地研究、最大限度地开发和利用半纤维素是实现农业秸秆综合利用的重要途径。

预水解指在传统制浆工艺前对植物纤维原料进行水解处理，预水解的方法有酸预水解、碱预水解、热水预水解和饱和蒸汽预水解等[1-3]。与无机稀酸水解相比，热水预水解更具环保和成本优势[4- 6]。热水预水解即自催化预处理，在高温热水中半纤维素因乙酰基降解成的乙酸而催化自身降解。半纤维素上乙酰基的大量脱除形成乙酸，会导致预水解液pH值迅速降低[7]，大量聚糖降解为单糖，单糖又进一步降解为糠醛等产物，使单糖及低聚糖得率降低[8]。由于乙酸酸性较弱，半纤维素脱出率较低，需提高热水预水解的温度和延长水解时间进行改善[9]。随着反应的进行，水解的各成分还会进一步的变化。这些水解液中的各组分最终含量随着水解温度和时间的变化而相差较大。水解液中发酵抑制物的化学物质主要有3大类[10]：一是弱酸类，主要是甲酸、乙酸、乙酰丙酸等，乙酸由半纤维素上的乙酰脱除生成，甲酸和乙酰丙酸是由5-羟甲基糠醛(5-HMF)降解产生，同时在酸性环境下部分甲酸可由糠醛降解生成；二是呋喃醛类，主要是糠醛和羟甲基糠醛，分别是在酸性条件下由戊糖和己糖降解产生；三是酚类化合物，主要由木素降解形成。

作为碱法生产精制浆和生物酒精的预处理方法之一，植物纤维原料热水预水解的研究在国内外也有许多文章发表[11-13]。因此人们对热水预水解去除半纤维素的工艺规律已有较清楚的认识。但对热水预水解过程中产生的多种二次降解物的产生规律及其发酵抑制作用规律的研究尚不够。本课题探究了麦草热水预水解过程中糖类(阿拉伯糖、半乳糖、葡萄糖和木糖)和发酵抑制物(甲酸、乙酸、5-HMF)的生成规律，同时建立了木糖生成的二次多项式数学模型，为麦草水解液的后续应用提供技术和理论依据。

1 实 验

1.1 原料

麦草秸秆取自山东泉林纸业有限责任公司，含有少量的麦草叶。麦草中纤维素、半纤维素、木素、苯-醇抽出物和灰分分别按照ASTM-D 1106- 84、ASTM-D 1107- 84、ASTM-D 1110- 84、ASTM-E 1721-95、ASTM-E 1756-95进行测定，结果见表1。

表1 麦草化学成分 %

1.2 实验设计

1.2.1 发酵抑制物生成的单因素实验

本实验选择了水解温度和水解时间2个因素对原料热水预水解过程中糖类和发酵抑制物的生成规律做单因素实验，在固液比1∶12的条件下各因素的变化范围为：水解温度160～180℃；水解时间30～150 min。

1.2.2 响应面分析法的因素与水平

综合考虑因素之间可能存在的交互作用，参考之前的实验，设计水解温度165～185℃，固液比1∶8～1∶16，水解时间30～90 min，采用Box-Behnken Design(BBD)设计模块进行响应面分析实验，各因素与水平见表2。

表2 响应面分析法的因素与水平表

1.3 检测方法

1.3.1 单糖的检测

水解液经过酸解后，采用ICS-5000型离子色谱仪测定酸解液中单糖含量。色谱条件：分析柱为CarboPacPA20(3 mm×150 mm)，保护柱为CarboPac PA20(3 mm×30 mm)；EC检测器(Au为工作电极，Ag/AgCl为参比电极)；进样量25 μL；柱温30℃；流动相为250 mm/L NaOH和蒸馏水梯度淋洗，流速为0.4 mL/min。

酸水解方法[14]为：取5 mL样品放入耐压瓶中，加入174 μL、质量分数为72%的H2SO4溶液，保证其处于质量分数为4%的H2SO4环境中，将耐压瓶密封后放入121℃环境下反应60 min。

1.3.2 发酵抑制物的检测

水解液中碳水化合物降解产生的发酵抑制物如甲酸、乙酸、糠醛和5-HMF使用高效液相色谱仪进行检测[15]，紫外-可见检测器(SPD-20A)的检测波长为210 nm，Waters C18(4.6×150 mm，5 μm)型分离柱，柱温30℃，0.1% H3PO4作为淋洗液，淋洗速度为0.5 mL/min。

1.4 水解液中各种物质含量计算

为了更好地表征麦草秸秆热水预水解液中各种糖以及发酵抑制物含量与麦草秸秆原料之间的关系，糖类和发酵抑制物采用每克麦草的生成量来比较，单位mg/g，其中糖类的生成量以二次酸水解后的单糖的量来表示。

其计算式为式(1)。

糖类或抑制物生成量=Cx·K

(1)

式中，Cx为测得水解液中糖类或抑制物的浓度；K为麦草热水预水解的液固比。

2 结果与讨论

2.1 水解过程中糖类与发酵抑制物生成的分析

本实验中用离子色谱和液相色谱对实验条件为水解温度和水解时间单因素实验中糖类和发酵抑制物的生成规律进行了探究，实验条件为固液比1∶12，水解温度160～180℃，水解时间30～150 min。

分别通过离子色谱和高效液相色谱检测水解时间60 min、固液比1∶12、水解温度160～180℃的水解液中阿拉伯糖、半乳糖、葡萄糖、木糖、甘露糖和甲酸、乙酸、5-HMF、糠醛的含量，结果如图1、图2所示。从图1中可以看出，阿拉伯糖、半乳糖、葡萄糖含量远小于木糖的含量，而没有检测到甘露糖的存在。其中阿拉伯糖和葡萄糖的含量随着水解温度的升高逐渐降低，半乳糖的含量基本不随水解温度的升高而变化。这与木糖在170℃时达到最大值不同，这可能是因为阿拉伯糖、半乳糖在半纤维素的支链上[16]，并且含量较低，位阻效应低，水解过程在较低温度下已大部分水解，随着水解温度的升高降解速率加快，导致阿拉伯糖的生成量随着温度的升高而较低，而半乳糖相对稳定，不易降解，所以含量没有太大变化，葡萄糖主要来源于纤维素的部分水解。

同时甲酸、乙酸、5-HMF和糠醛的生成量都会

图1 水解过程中水解温度对糖类生成的影响

图2 水解过程中温度对发酵抑制物生成的影响

随着水解温度的升高逐渐升高。其中乙酸的生成量与水解时间基本呈线性关系，因为乙酸主要是由半纤维素脱乙酰降解生成的，说明水解温度的升高可以促进半纤维素的降解。糠醛的生成量随着水解温度的升高大幅升高，而糠醛主要由酸性条件下戊糖降解生成的，说明随着水解温度的升高，戊糖的降解速度快速增大，糠醛生成量的增加速度在温度较低的情况下小于乙酸的增加速度，而在170℃之后增加速度大于乙酸的增加速度，说明170℃之后半纤维素的降解速度大于戊糖的生成速度，这与木糖的生成量在170℃之后开始下降相一致。己糖降解会产生5-HMF，而5-HMF继续降解会产生甲酸，图2中甲酸和5-HMF的生成量随着温度的升高小幅增加，这与葡萄糖的含量随着温度的升高下降相一致。

分别通过离子色谱和高效液相色谱检测水解时间30～150 min、固液比1∶12、水解温度170℃的水解液中阿拉伯糖、半乳糖、木糖、葡萄糖、甘露糖和甲酸、乙酸、5-HMF、糠醛的含量，结果如图3、图4所示。从图3中可以看出，阿拉伯糖的含量随着水解时间的延长逐渐降低，说明阿拉伯糖在短时间内大部分水解后逐渐降解成其他物质，而葡萄糖和半乳糖的生成量基本不变。

对发酵抑制物的检测可知，甲酸与5-HMF的生成量随着水解时间的延长没有明显变化，说明甲酸和

图3 水解过程中水解时间对糖类生成的影响

图4 水解过程中水解时间对发酵抑制物生成的影响

5-HMF在水解前期就已经生成，这与己糖生成量没有随时间延长再增加相一致。而乙酸和糠醛的生成量随着水解时间的延长逐渐升高，说明在整个水解过程中半纤维素一直发生降解，而木糖的生成量在60 min之后开始降低，这可能是因为随着水解时间的延长，水解液中乙酸的浓度逐渐升高，水解液的pH值逐渐降低，导致木糖的降解速度大于半纤维素水解产生木糖的速度，导致木糖的生成量减小。图4中糠醛的生成量随着水解时间的延长生成速度逐渐增大亦能说明这个问题。

2.2 木糖生成模型的建立与显著性检验

响应面实验方案及实验响应值结果见表3。

表3 响应面实验方案及实验响应值结果

图5 热水预水解的响应面和等高线图

利用Design Expert软件对表3数据进行多元回归拟合，获得响应值木糖回收率R对影响木糖生成量的关键因素为固液比A、水解时间B和水解温度C的二次多项式回归模型为：

R=8758.49397+24.43447×A+639.73856×B+96.49827×C+3.77193×A×B+0.017864×A×C-3.20053×B×C-1.33575×A2-65.99398×B2-0.26915×C2

对模型进行方差分析及回归系数显著性检验，结果见表4。

表4 方差分析

二次响应面模型的方差分析结果见表4，显示回归模型显著(P<0.0001)，失拟项不显著(P=0.7846)，表明模型的拟合性较好。从表4还可以看出，一次项中C因素对实验结果影响最显著，B因素次之(P<0.05)，因素A的影响最小(P>0.05)。交互项中BC(P<0.0001)交互作用的影响极显著，AB(P=0.0063)影响较明显，AC(P=0.7260)影响不明显。此结果表明，水解温度对麦草热水预水解产生木糖主效应明显，而水解温度、水解时间对木糖生成量有交互作用的影响，依据系数估计值A=67.34、B=100.20和C=381.18可知，影响因子的主效应主次顺序为：水解温度>水解时间>固液比。回归模型的R2=0.9877表明，98.77%的响应值变化都可以由此模型来解释，故此模型在一定条件下可用来估计不同实验条件下麦草热水预水解过程中木糖的生成情况。

2.3 模型验证

基于Design-Expert 软件的优化功能获得最优水解条件，木糖生成量最大预测值为83.91 mg/g，此时3个关键因素的取值为：固液比1∶11.67、水解时间57.76 min和水解温度173.93℃。

为了验证木糖生成模型的有效性，在固液比1∶11.67、水解时间57.76 min和水解温度173.93℃条件下进行了5组模型验证实验，其结果见表5。

表5 回归模型的验证实验

由表5可知，木糖生成的预测值与实际值相近，相对误差均在2%以下，表明应用响应面法优化麦草热水预水解过程中木糖生成条件的关键因子是可行的。

3 结 论

本研究通过离子色谱和高效液相色谱检测麦草热水预水解液中(阿拉伯糖、半乳糖、葡萄糖和木糖)和发酵抑制物(甲酸、乙酸、5-羟甲基糠醛和糠醛)的含量，分析了糖类和发酵抑制物生成规律。并采用响应面法对影响麦草热水预水解液中木糖生成的固液比、水解温度和水解时间进行了优化研究，建立了木糖生成模型。

3.1 热水预水解过程中，随着水解温度(160～180℃)的升高，阿拉伯糖和葡萄糖的生成量降低，半乳糖的生成量不变，木糖生成量先升高再降低，所有发酵抑制物的生成量都会升高。随着水解时间(30～60 min)的延长，阿拉伯糖的生成量降低，葡萄糖和半乳糖的生成量基本不变，木糖的生成量先升高后降低，发酵抑制物中乙酸和糠醛的生成量升高，甲酸和5-羟甲基糠醛的生成量基本不变。

3.2 在固液比1∶11.67、水解时间57.76 min和水解温度173.93℃的实验条件下，木糖生成量为83.91 mg/g麦草。采用响应面法建立的木糖生成模型可有效预测木糖生成量。

[1] Li Xudong, Wang Xia. Study on Preteatment of Crop[J]. Food and Fermentation Industries, 2008, 34(4): 111. 李旭东, 王 霞. 玉米秸秆预处理研究[J]. 食品与发酵工业, 2008, 34(4): 111.

[2] Zhao Zhigang, Cheng Keke, Zhang Jianan, et al. Advances in pretreatment technology of lignocellulose renewable biomass[J]. Modern Chemical Industry, 2006, 26(z2): 39. 赵志刚, 程可可, 张建安, 等. 木质纤维素可再生生物质资源预处理技术的研究进展[J]. 现代化工, 2006, 26(z2): 39.

[3] Kou Wei, Zhao Yong, Yan Changguo, et al. Corn straw expansion pretreatment to improve enzymolysis reducing sugar yield[J]. Transactions of the CSAE, 2010, 26(11): 265. 寇 巍, 赵 勇, 闫昌国, 等. 膨化预处理玉米秸秆提高还原糖酶解产率的效果[J]. 农业工程学报, 2010, 26(11): 265.

[4] Conner A H, Lorenz L F. Kinetic modeling of hardwood prehydrolysis. Part III: Water and dilute acetic acid prehydrolysis of southern red oak[J]. Wood Fiber Science, 1986, 18: 248.

[5] Lv Jian, Zhan Huaiyu, Hu Huichao, et al. Hydrolysis of bamboo pre-extracted with hot water by enzyme[J]. Journal of Chemical Industry and Engineering(China), 2016(61): 2667. 吕 健, 詹怀宇, 胡会超, 等. 热水预抽提后竹子的纤维素酶解[J]. 化工学报, 2010(61): 2667.

[6] Kim Y, Mosier N S, Ladisch M R E. Enzymatic digestion of liquidhot water pretreated hybrid poplar[J]. Biotechnology Progress, 2009, 25(2): 340.

[7] Liu Chao, Liu Na, Qin Menghua, et al. Characteristics of Poly-Pentose Dissolution during Hot-Water Hydrolysisof Poplar Chip[J]. Paper and Paper Making, 2014, 33(5): 10. 刘 超, 刘 娜, 秦梦华, 等. 杨木木片高温热水解过程中聚戊糖的溶出特点[J]. 纸和造纸, 2014, 33(5): 10.

[8] Chirat C, Lachenal D, Sanglard M. Extraction of xylans from hardwood chips prior to kraftcooking[J]. Process Biochemistry, 2012, 47(3): 381.

[9] LI Ping-ping, LEI Yi-chao, CHEN Can, et al. Effect of Hot Water Prehydrolysis on the Major Components of the Pine and the Hydrolysate[J]. China Pulp & Paper, 2012, 31(11): 1. 李萍萍, 雷以超, 陈 灿, 等. 热水预水解对松木及其水解液主要化学成分的影响[J]. 中国造纸, 2012, 31(11): 1.

[10] Palmqvist E, Hahn-Hägerdal B k. fermentation of lignocellulosichydrolysates. I: inhibition and machanisms of inhibition[J]. Bioresource Technology, 2000, 74(1): 25.

[11] LIU Xuan, ZHANG Zeng, CHI Cong-cong, et al. Impacts of Extracting Hemicelluloses by Water Prehydrolytis on Eucalyptus Alkaline Pulping[J]. China Pulp & Paper, 2009, 28(1): 30. 刘 轩, 张 曾, 迟聪聪, 等. 水预水解提取半纤维素对桉木碱法制浆的影响[J]. 中国造纸, 2009, 28(1): 30.

[12] Zhang Yongchao, Fu Yingjuan, Wang Zhaojiang, et al. Dissolution of Poplar Hemicelluloses during Pre-hydrolysis in Acetic Acid-sodium Acetate Buffer[J]. Transactions of China Pulp and Paper, 2015, 30(2): 1. 张永超, 傅英娟, 王兆江, 等. 杨木半纤维素在乙酸-乙酸钠缓冲体系预水解过程中的溶出规律[J]. 中国造纸学报, 2015, 30(2): 1.

[13] DUAN Chao, FENG Wen-ying, ZHANG Yan-ling, et al. Impacts of P-factor on the Properties of Poplar Chips[J]. China Pulp & Paper, 2013, 32(5): 1. 段 超, 冯文英, 张艳玲, 等. 预水解因子对杨木木片相关性能的影响[J]. 中国造纸, 2013, 32(5): 1.

[14] Li H, Saeed A, Jahan M S, et al. Hemicellulose removal from hardwood chips in the pre-hydrolysisstep of the kraft-based dissolvingpulp production process[J]. Journal of Wood Chemistry and Technology, 2010, 30(1): 48.

[15] Wang Z J, Jiang J G, Wang X J, et al. Selective removal of phenolic lignin derivatives enables sugars recovery from wood prehydrolysis liquor with remarkable yield[J]. Bioresource Technology, 2014, 174: 198.

(责任编辑：刘振华)

Analysis of the Products Wheat Straw Autohydrolysis and the Model of Xylose Generation

MA Hao1JI Xing-xiang1,2,*TIAN Zhong-jian1,3FANG Gui-gan2CHEN Jia-chuan1

(1.KeyLabofPulpandPaperScience&Technology,MinistryofEducation,QiluUniversityofTechnology,Ji’nan,ShandongProvince, 250353; 2.InstituteofChemicalIndustryofForestryProducts,Nanjing,JiangsuProvince, 210042;>3.GuangxiUniversity,Nanning,GuangxiZhuangAutonomousRegion, 530004)

(*E-mail: xxjt78@163.com)

In order to explore the product change in the process of wheat strawautohydrolysis, Ion chromatography and high performance liquid chromatography (HPLC) were used to detect sugars(arabinose, galactose, glucose and xylose) and fermentation inhibitors (formic acid, acetic acid, 5-HMF and furfural) in the hydrolysate, the change rules of sugars and fermentation inhibitors in the single factor experiment were analyzed. Liquid ratio，temperature and time parameters which impact on xylose generation in the auto-hydrolysate were researched through the response surfaceanalysis.And mathematical model of quadratic polynomial of xylose generation was established. The results showed that under the optimum conditions (liquid ratio 1∶11.67, time 57.76 min and temperature 173.93℃), the xyloseextraction efficiencyof wheatgrass was the highest, reached to 83.91 mg/g.

autohydrolysis; wheat straw; xylose; response surface; fermentation inhibitor

马 浩先生，在读硕士研究生；研究方向：制浆造纸绿色化学技术与生物质资源化利用。

2016- 11- 13(修改稿)

山东省科技发展计划(2014GNC113002)；山东省自主创新及成果转化专项(2014ZZCX09101)。

TS245.8；TQ353.6

A

10.11980/j.issn.0254- 508X.2017.03.001

*通信作者：吉兴香，博士，教授；研究方向：制浆造纸绿色化学技术与生物质资源化利用。