桉木热水预水解液成分的变化规律

马 明 帅， 罗 玉 琼， 李 海 明

( 大连工业大学 轻工与化学工程学院, 辽宁 大连 116034 )

0 引 言

木质纤维素生物质资源由于其可再生性，使其成为一种可持续利用的资源[1]。木质纤维素生物质是一种复杂的材料，主要由纤维素、半纤维素和木素组成[2]，三者之间存在着共价键、氢键以及范德华力，因此想要选择性地利用其中一种生产化学品或者燃料，需要一定的预处理技术将其三者分离。

目前，采用预处理技术主要是将木质纤维素生物质中半纤维素和木素溶解到液相中，同时得到富含纤维素的固相，应尽量避免碳水化合物的深度降解，以利于后续水解液的水解和发酵[3]。木质纤维素生物质的预处理方法主要包括物理法、物理化学法、化学法以及生物法。化学预处理方法有臭氧分解、酸水解、碱水解、氧化脱木素以及有机溶剂法等[4]。作为一种新兴的预处理技术——热水预水解技术，以水作为预处理的介质和载体，与酸法、碱法和有机溶剂法相比，具有环保、操作成本低以及安全的特点，使其得到了广泛的应用。李萍萍等[5]在150～180 ℃、0～180 min条件下研究松木在热水预水解过程中碳水化合物的变化规律，在热水预水解过程中，松木中各种聚糖的溶出速度不一，预水解过程只有部分半纤维素被降解，大量半纤维素还将依赖后续蒸煮和漂白过程予以除去，同时预水解液中也会存在糠醛和羟甲基糠醛等发酵抑制物。Vallejos等[1]在160～180 ℃、0～240 min下对蔗渣进行热水预水解研究，发现木糖是预水解液的主要成分，另外预水解液中也会存在糖类深度降解产物——甲酸、乙酸以及糠醛和羟甲基糠醛。由此说明，在热水预水解过程中，不可避免地会造成糖类物质深度降解。

桉木是一种速生阔叶材，在我国资源丰富[6]。通过热水预水解技术，分离桉木中的半纤维素，将为桉木综合利用生物质平台的搭建奠定基础，意义重大。同时，为了更好地探究桉木在热水预水解过程中各大组分变化规律，本实验以桉木为原料，采用热水预水解的方法，对不同预处理条件下所得预水解液中的各种糖、酸溶木素和糠醛类物质等进行了详尽研究，以期能够为控制碳水化合物的深度降解寻找出适宜的预水解技术。

1 实 验

1.1 原料、试剂与仪器

原料：桉木片,山东华泰纸业股份有限公司。磨粉，取40～60目木粉作为实验原料。

试剂： D-木糖、D-甘露糖、D-葡萄糖、L-阿拉伯糖、D-半乳糖(质量分数≥97.0%)，色谱级，Sigma-Aldrich公司；固体乙酸钠(质量分数≥99.9%)，AAA-Direct Certified，美国Dionex公司；氢氧化钠溶液(质量分数50%～52%)，Fluka公司；超纯水(电阻率≥18.2 MΩ·cm)。

仪器：离子色谱仪，ICS-5000型，美国戴安公司；超纯水发生器，EASY50，上海Heal Force公司；紫外-可见分光光度计，CARY 300，美国瓦里安公司；智能恒温油浴锅，ZKYY，巩义市予华仪器有限责任公司；高速离心机，H1850，湖南湘仪实验室仪器开发有限公司；微型植物粉碎机，FZ102，天津泰斯特仪器有限公司；pH计，STARTER3100，上海奥豪斯仪器有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 桉木原料分析

原料分析按参考文献[7]方法进行，结果见表1。

表1 原料组成分析结果Tab.1 Results of raw material analysis %

1.2.2 桉木原料中糖类组分分析

称取桉木粉0.200 0 g置于150 mL锥形瓶中，加入72% H2SO43 mL，混合均匀，18～20 ℃每隔5～10 min摇晃一次，反应2 h后加入47 mL 去离子水，密封并放入油浴锅中，在121 ℃下加热水解1 h。水解结束后，取出样品冷却至室温，过滤，加入NaOH溶液调节水解液至中性，用0.45 μm 滤膜过滤，稀释至合适浓度后采用离子色谱进样检测。

1.2.3 热水预水解液制备及其酸解

热水预水解液制备：绝干木粉10 g，液比5∶1，放入小罐中，加盖密封，油浴升温。改变预处理温度(150、170和190 ℃)和保温时间(0、20、40、60、80、100和120 min)，进行预水解实验。结束后取出小罐，冷却。过滤预水解液，再离心处理，并用0.45 μm滤膜过滤，得到待测预水解液。

预水解液酸解：取2 mL预水解液，加入4% H2SO418 mL，121 ℃酸水解1 h，用0.45 μm滤膜过滤得预水解液酸水解液。

1.2.4 桉木原料及预水解液中糖类组分质量分数测定

采用PA20糖分离柱[8]，淋洗液体积流量为0.5 mL/min。淋洗程序如表2所示[9]。

表2 单糖检测程序Tab.2 Procedure for monose measurement

1.2.5 预水解液中酸溶木素质量分数测定

在热水预水解过程中，木片中半纤维素的乙酰基和糖醛酸基等经水解形成乙酸、糖醛酸和糠醛等酸性物质，从而降低溶液pH，同时在酸性条件下，部分木素也溶出到提取液中[10]。测定预水解液的pH，并在紫外分光光度计205 nm处测定预水解液中酸溶木素，根据原料分析中酸溶木素质量分数的计算方法来计算预水解液中的木素质量分数，研究酸溶木素与pH之间的关系。

1.2.6 糠醛类物质质量浓度测定

预水解液中糠醛和羟甲基糠醛含量采用紫外光谱法测定[11]。采用三波长法，以蒸馏水作参比，分别在波长272、276和325 nm处测定其吸光度(A)。根据吸光度和计算公式得出糠醛和羟甲基糠醛的质量分数。

(1)

ρ(HMF)=cM(HMF)R=

(2)

式中：ρ(F)、ρ(HMF)分别为样品中糠醛和羟甲基糠醛的质量浓度，g/L；M(F)和M(HMF)分别为糠醛和羟甲基糠醛的摩尔质量，g/mol，R为样品的稀释倍数，c为糠醛或者羟甲基糠醛稀释后的浓度，mol/L。

2 结果与讨论

2.1 桉木原料半纤维素组分分析

原料经酸水解后，其中半纤维素完全转变为单糖，分别为鼠李糖、阿拉伯糖、半乳糖、葡萄糖、木糖、甘露糖等，经离子色谱检测，可以得到半纤维素中各种单糖组分的质量分数(葡萄糖除外)。检测结果如表3所示。由表3可知，半纤维素中含量最多的组分为木糖，因此用木糖质量分数来近似表征原料中半纤维素质量分数。

表3 原料中半纤维素的单糖组成Tab.3 Contents of hemicellulosic monose in raw material

2.2 预水解过程中各糖溶出规律

图1为不同预水解条件下所得预水解液中不同类型糖类质量浓度变化规律图。图中的糖质量浓度为预水解液中以单糖形式和寡糖形式存在的某种类型糖类物质的总质量浓度。

(a) θ=150 ℃

由图1(a)可知，在保温温度150 ℃时，所得热水预水解液中各糖质量浓度变化规律为：随着保温时间的延长，各糖含量整体上呈现出增加的趋势。在低保温温度下，预水解液中半乳糖和阿拉伯糖含量较多，而木糖含量较少，说明阿拉伯糖和半乳糖较木糖易溶出，在较低温度下即可溶出。

由图1(b)可知，在170 ℃下，随着保温时间的延长，预水解液中各糖含量整体上呈增加趋势。预水解液中木糖含量均大于预水解液中其他糖量，并且远大于图1(a)中对应保温时间下木糖含量，说明升高保温温度会促进半纤维素的水解，尤其是促进聚木糖的水解。

由图1(c)可知，在190 ℃保温40～60 min，阿拉伯糖、半乳糖、甘露糖含量增加迅速，分别大于前40 min三者含量增加速度，并均于60 min获得最大含量(甘露糖除外，其在80 min取得最大含量)，与150和170 ℃对应糖含量相比，缩短了到达最大含量的时间；后60 min 保温时间继续延长，阿拉伯糖和半乳糖含量逐渐下降(甘露糖是在80 min后开始下降)，说明在高保温温度下继续延长保温时间会促进其进一步降解，产生酸类或者醛类等物质[1,6]。当保温时间在40～60 min时，预水解液中木糖含量增加相当迅速；60～120 min，随着保温时间的继续延长，其含量增速变缓，这可能是由于继续延长保温时间造成木糖发生降解，致使其增速变慢；可能是易溶出的半纤维素大部分已溶出，剩下是比较难溶出的长链或与纤维素和木素连接紧密的半纤维素 ，相对溶出比较困难。对于葡萄糖含量随着保温时间呈现出逐渐增加的趋势，说明较高的保温温度致使纤维素发生降解溶出。

综上所述，作为支链的阿拉伯糖、半乳糖、甘露糖在低温下即可溶出，在相对较高的保温温度下，主要以聚木糖的溶出为主，使之成为预水解液中主要的糖类物质，符合预水解的目的。另外，在预水解过程中纤维素也会发生一定程度的溶出与水解。由图1可以得出预水解液中葡萄糖含量随预水解温度的升高以及保温时间的延长而增加，说明纤维素降解较多，尤其是在190 ℃这样剧烈的预水解条件下，纤维素降解比较严重，对固相中纤维素的保留产生不利的影响。因此在预水解液中木糖含量适当时，应尽量缩短保温时间，以减少纤维素降解，由此确定最佳预水解条件：液比5∶1，预水解温度190 ℃，保温时间60 min。

2.3 预水解液pH特性分析及非糖物质的变化规律

2.3.1 预水解液中醛类物质质量浓度

不同温度下预水解液中醛类物质质量浓度检测结果如表4所示。糠醛类物质对后续预水解液发酵过程中的酶效具有抑制作用[12]。糠醛类物质的来源为预水解过程产生的单糖的深度降解[13]。由表4可知，在190 ℃下，保温时间为60 min 时，就可以检测到羟甲基糠醛，较170 ℃提前了40 min，说明升高温度可以缩短羟甲基糠醛生成时间，进一步说明升高温度促进了己糖的降解。此外，在相同的预水解条件下，预水解液中羟甲基糠醛含量大于糠醛含量。说明在设定的预水解条件下，己糖转化为羟甲基糠醛的反应是预水解液中醛类物质产生的主要原因，而戊糖向糠醛的转化率相对较低[14]。

表4 预水解液中糠醛类物质的质量浓度Tab.4 Concentration of furfuraldehydes contents in pre-hydrolysate g/L

2.3.2 预水解液pH与酸溶木素质量分数分析

由图2可知，在预水解过程中，预水解液pH与酸溶木素含量变化负相关，即随着预水解温度的升高和保温时间的延长，预水解液的pH逐渐降低而酸溶木素含量增大。在保温初期，pH急剧下降，此时酸溶木素含量快速增加，说明保温初期为酸性物质和酸溶木素快速溶出阶段。不同温度下酸溶木素含量变化趋势相似，但温度越高，其含量也越高。预水解液pH的变化范围为7.0～3.5，说明甲酸、乙酸、糖醛酸等酸性物质含量随着预处理温度的升高而增加[15]，进而导致水解液体系pH降低。

3 结 论

桉木热水预水解在150 ℃条件下，预水解液中木糖含量低于其他糖(半乳糖、阿拉伯糖等)含量，说明半纤维素的聚木糖主链在温和的预水解条件下，难以发生大程度的水解。作为半纤维素支链的阿拉伯糖、半乳糖等，较易发生水解。桉木热水预水解在170和190 ℃条件下，预水解液中木糖含量大于其他糖类物质，说明增加预水解温度可以促进聚木糖的水解。剧烈的预水解条件会使纤维素发生一定程度的水解，不利于固相纤维素的保留。桉木热水预水解的最佳条件：液比5∶1，预处理温度190 ℃，保温时间60 min。

图2 预水解液pH及酸溶木素质量分数的变化关系Fig.2 The concentration of soluble lignin and pH for pre-hydrolysate under different conditions

桉木热水预水解过程中，糠醛在预水解温度150和170 ℃下没有生成；在190 ℃下，80 min糠醛才开始生成，并且随着保温时间的延长，其含量逐渐增加。升高温度可以促进戊糖的降解，同时保温时间的延长可使戊糖降解速度增大，转化为糠醛。羟甲基糠醛在150 ℃所得预水解液中未被检测到；在170 ℃、100 min下才检测到羟甲基糠醛的存在，并且随着保温时间延长其生成量增多；在190 ℃下，于60 min开始检测到预水解液中羟甲基糠醛的存在，升高保温温度会加快己糖的降解，保温时间延长预水解液中羟甲基糠醛含量逐渐增加。适度地缩短预水解保温时间，可在保持预水解效果的前提下，减缓碳水化合物的深度降解。

随着桉木热水预水解条件的增强，预水解过程中糖类物质发生降解产生酸类物质，pH逐渐降低，酸溶木素逐渐增加，在190 ℃、120 min pH达到最低值3.5，酸溶木素也相对较高。这对下一步预水解液的发酵不利。可通过降低保温温度或者缩短保温时间来控制预水解液中酸类物质生成量和酸溶木素的溶出。