不同品种泡桐制备乙醇的预处理工艺优化研究*

朱秀红 赵珠琳 程红梅 温道远 茹广欣

（河南农业大学林学院，河南 郑州 450002）

能源问题是当今世界面临的严峻问题，目前生物质制乙醇已经成为较成功的能源替代品种。巴西、美国、欧盟、泰国、印度等都在积极开展对生物质制乙醇的研究与生产，用作汽车燃料等。我国是第三大生物燃料乙醇生产国和应用国。虽然起步晚，但发展迅速，以农林废弃物等木质纤维素原料制取乙醇燃料技术己进入年产万吨级规模的中试阶段[1]。第一代燃料乙醇以玉米、甘蔗等粮食为原料，但存在 “与人争粮”等问题[2-3]。为解决这一问题，第二代燃料乙醇以非粮食的木质纤维素为原料[4-5]。但生产成本高，国内外目前均未实现大规模生产。近几年，生物质制乙醇采取对含有木质纤维素的原料进行预处理，然后再经纤维素酶降解为还原糖，最后用酵母菌发酵生成乙醇[6-11]。这一工艺有效解决了“与人争粮”的问题；对生物质纤维素进行利用，增加了其经济价值，同时乙醇产量也有所提升，但无法解决生产成本高这一问题。学者们对优质生物质材料和预处理方法展开研究，以实现高效经济地降解半纤维素、木质素，提高纤维素含量，通过酶解、糖化、发酵，提高乙醇产量，降低成本，最终实现生物质制乙醇大规模生产的目的[12-14]。

泡桐木质结构疏松，纤维素含量丰富，分布广，是我国主要的速生阔叶树种，易于取材[15]。目前木质纤维生物质制备乙醇原料的预处理方法通常分为物理法、化学法、物理化学法。现阶段物理法有机械粉碎、微波法；化学法有稀硫酸、氢氧化钠预处理法等，试验研究中采用这些预处理方法均取得了不错的效果。本文以泡桐的6 个典型品种作为试验材料，选择稀硫酸、氢氧化钠化学预处理法和微波-氢氧化钠物理-化学预处理法，对不同泡桐品种生物质制乙醇的预处理工艺进行比较研究，探究预处理效果较好的泡桐品种和预处理方法，以期为解决生物质制乙醇过程中成本过高的问题提供思路。

1 材料与方法

1.1 材料

毛泡桐（Paulownia tomentosa）、兰考泡桐（Paulownia elongate）、楸叶泡桐（Paulownia catalpifolia）、白花泡桐（Paulownia fortune）、川泡桐（Paulownia fargesii）、台湾泡桐（Paulownia kawakamii）采集于河南农业大学科教园区实验基地。采集的泡桐枝条，自然晒干后，用植物型粉碎机粉碎，收集80 目的粉末。稀硫酸，广州化学试剂厂。氢氧化钠，天津市大茂化学试剂厂。纤维素酶，SIGMA-ALORICH公司。

1.2 设备

高速万能粉碎机，天津市泰斯特仪器有限公司；高压蒸汽灭菌锅，上海申安医疗器械厂；恒温水浴锅，上海鑫翁科学仪器有限公司；微波炉，上海乔跃电子科技有限公司；紫外可见分光光度计，安捷伦（Aglient）科技公司。

1.3 试样成分测定

纤维素、木质素、半纤维素含量测定方法采用改良王玉万法[16]。

1.4 试样预处理

1.4.1 稀硫酸预处理

称取粉碎的泡桐粉末2 g，放入250 mL三角瓶中封口，以固液比1∶10的比例加入浓度1.14 %的稀硫酸溶液，145.7 ℃高温预处理39.3 min，冷却后，用氢氧化钠溶液调pH至5.0左右[17-19]。

1.4.2 氢氧化钠预处理

称取粉碎的泡桐粉末2 g，放入250 mL三角瓶中，以固液比1∶10的比例加入浓度为10 %的氢氧化钠溶液，80 ℃反应15 min，反应结束后用离子水进行残渣过滤，调pH值为5.0左右[20-22]。

1.4.3 微波-氢氧化钠预处理

称取粉碎的泡桐粉末2 g，放入250 mL三角瓶中，以固液比1∶10的比例加入浓度为10 %的氢氧化钠溶液，在微波炉中以400 W的微波强度处理2 min。反应结束后用离子水进行残渣过滤，调pH值至5.0左右[23]。

1.5 预处理后泡桐酶解糖化

首先，配制纤维素酶液，用50 mmol/L，pH 4.8 的醋酸-醋酸钠缓冲溶液溶解纤维素酶，酶负荷为50 FPU/g基质；然后，称取0.16 g泡桐粉末置于10 mL离心管中，加入8 mL纤维素酶液，在48 ℃恒温水浴锅中酶解反应48 h，反应结束后取上清液按一定倍数稀释后测定还原糖的含量[24-25]。

1.6 还原糖测定方法

利用紫外可见分光光度计对预处理酶水解后的还原糖含量进行检测，采用DNS法测定水解液中还原糖的含量[26]。

2 结果与分析

2.1 泡桐不同生长时期的成分分析

表1 为不同生长时期泡桐枝条的纤维素含量。6 个品种泡桐枝条的纤维素含量，4 月以毛泡桐最为丰富，纤维素含量为40.12 %。6 月、10 月兰考泡桐的纤维素含量最高，分别为44.21 %、45.67 %。8 月毛泡桐纤维素含量最高，为46.81 %。6 个泡桐品种枝条的纤维素含量均为8 月最高，该月份的毛泡桐、兰考泡桐、楸叶泡桐、白花泡桐、川泡桐、台湾泡桐枝条纤维素含量分别为46.81 %、46.03 %、45.76 %、45.31 %、45.25 %、42.21 %。

表1 不同生长时期泡桐枝条的纤维素含量Tab.1 Cellulose content of Paulownia poles at different growth stages

由表2 可知，4 月、6 月、10 月6 个品种泡桐枝条的半纤维素含量，以白花泡桐最为丰富，分别达到21.78 %、27.67 %、28.89 %。8 月川泡桐的半纤维素含量最高，为30.96 %。6 个泡桐品种的半纤维素含量均为8 月份最高，其中毛泡桐、兰考泡桐、楸叶泡桐、白花泡桐、川泡桐、台湾泡桐枝条的半纤维素含量分别为24.29 %、24.96 %、26.23 %、30.80 %、30.96 %、29.32 %。

表2 不同生长时期泡桐枝条的半纤维素含量Tab.2 Hemicellulose content of Paulownia at different growth stages

由表3 可知， 6 个品种泡桐枝条的木质素含量，4月、6 月、8 月、10 月均以兰考泡桐最为丰富，分别为15.64 %、19.56 %、21.33 %、20.19 %。6 个泡桐品种的木质素含量均为8 月份最高，其中毛泡桐、兰考泡桐、楸叶泡桐、白花泡桐、川泡桐、台湾泡桐枝条的木质素含量分别为17.64 %、21.33 %、20.02 %、15.47 %、15.33 %、14.28 %。

表3 不同生长时期泡桐枝条的木质素含量Tab.3 Lignin content of Paulownia at different growth stages

从上述数据可知，8 月份采集的6 个品种泡桐枝条的纤维素含量丰富，因此，选取8 月份生长时期的泡桐作为试验材料。

2.2 不同预处理方法对泡桐成分的影响

2.2.1 稀硫酸预处理后的泡桐成分分析

由图1 可知，经稀硫酸预处理后,毛泡桐、兰考泡桐、楸叶泡桐、白花泡桐、川泡桐、台湾泡桐枝条的纤维素含量分别为80.67 %、74.71 %、74.78 %、74.95 %、74.39 %、69.68 %，相比预处理前的纤维素含量分别提升了33.86 %、28.68 %、29.02 %、29.64 %、29.14 %、27.47 %，其中毛泡桐枝条的纤维素含量提升最大，纤维素含量最高；半纤维素含量分别为4.28 %、4.98 %、7.3 %、12.09 %、11.98 %、11.5 %，相比预处理前的半纤维素含量分别降低了20.01 %、19.98 %、18.93 %、18.71 %、18.98 %、17.82 %，其中毛泡桐枝条半纤维素降低最多。木质素含量分别为14.45 %、18.39 %、17.31 %、12.65 %、12.69 %、13.05 %，相比预处理前的木质素含量分别降低了3.19 %、2.94 %、2.71 %、2.82 %、2.64 %、1.23 %，其中毛泡桐枝条的木质素降低最多。分析试验数据得出，毛泡桐枝条的纤维素含量提升最大，半纤维素、木质素降低最多，说明稀硫酸预处理对毛泡桐枝条的效果最好。

图1 稀硫酸预处理后不同品种泡桐的纤维素、半纤维素、木质素含量Fig.1 The content of cellulose, hemicellulose and lignin in different varieties of Paulownia after dilute sulfuric acid pretreatment

2.2.2 氢氧化钠预处理后的泡桐成分分析

由图2 可知，经氢氧化钠预处理后,毛泡桐、兰考泡桐、楸叶泡桐、白花泡桐、川泡桐、台湾泡桐枝条的纤维素含量分别为83.48 %、77.94 %、76.79 %、76.09 %、75.68 %、72.10 %，相比预处理前的纤维素含量分别提升了36.67 %、31.91 %、31.03 %、30.78 %、30.43 %、29.89 %，其中毛泡桐枝条的纤维素含量提升最大，纤维素含量最高；半纤维素含量分别为4.27 %、6.37%、8.22 %、12.83 %、13.74 %、12.36 %，相比预处理前的半纤维素含量分别降低了20.02 %、18.59 %、18.01 %、17.97 %、17.22 %、16.96 %，其中毛泡桐枝条半纤维素降低最多。木质素含量分别为11.12 %、15.24 %、14.37 %、10.34 %、10.44 %、10.27 %，相比预处理前的木质素含量分别降低了6.52 %、6.09 %、5.65 %、5.13 %、4.89 %、4.01 %，其中毛泡桐枝条木质素降低最多。分析试验数据得出，毛泡桐枝条的纤维素含量提升最大，半纤维素、木质素降低最多，说明氢氧化钠预处理对毛泡桐枝条的效果最好。

图2 氢氧化钠预处理后不同品种泡桐的纤维素、半纤维素、木质素含量Fig.2 Cellulose, hemicellulose and lignin content of different Paulownia varieties after pretreatment with sodium hydroxide

2.2.3 微波-氢氧化钠预处理后的泡桐成分分析

由图3 可知，微波-氢氧化钠预处理后毛泡桐、兰考泡桐、楸叶泡桐、白花泡桐、川泡桐、台湾泡桐枝条的纤维素含量分别为84.82 %、78.36 %、 77.74 %、76.44 %、76.24 %、72.48 %，相 比 预 处理前的纤维素含量分别提升了38.01 %、32.33 %、31.98 %、31.13 %、30.99 %、30.27 %，其中毛泡桐枝条的纤维素含量提升最大，纤维素含量最高；半纤维素含量分别为3.06 %、4.83 %、6.76 %、11.98 %、12.93 %、11.56 %，相比预处理前的半纤维素含量分别降低了21.23 %、20.13 %、19.47 %、18.82 %、18.03 %、17.76 %，其中毛泡桐枝条的半纤维素降低最多。木质素含量分别为10.99 %、15.22 %、14.19 %、10.03 %、10.36 %、9.85 %，相比处理前的木质素含量分别降低了6.65 %、6.11 %、5.83 %、5.44 %、4.97 %、4.43 %，其中毛泡桐枝条的木质素降低最多。分析试验数据得出，毛泡桐枝条的纤维素含量提升最大，半纤维素、木质素降低最多，说明微波-氢氧化钠预处理对毛泡桐枝条的效果最好。

图3 微波-氢氧化钠预处理后不同品种泡桐的纤维素、半纤维素、木质素含量Fig.3 Cellulose, hemicellulose and lignin content of different Paulownia varieties after microwave-sodium hydroxide pretreatment

2.3 不同预处理酶解后还原糖产量分析

由图4可知，毛泡桐、兰考泡桐、楸叶泡桐、白花泡桐、川泡桐、台湾泡桐枝条稀硫酸预处理酶解后还原糖产量分别为402.67、400.01、396.67、386.25、381.89、372.18 mg/g，其中毛泡桐枝条的还原糖产量最高。氢氧化钠预处理酶解后还原糖产量分别为453.02、449.76、444.25、430.01、429.74、 419.65 mg/g，其中毛泡桐枝条的还原糖产量最高。微波-氢氧化钠预处理酶解后还原糖产量分别为471.38、466.59、460.98、450.09、448.19、432.29 mg/g，其中毛泡桐枝条的还原糖产量最高。分析试验数据得出：6个泡桐品种中，毛泡桐枝条预处理酶解后的还原糖产量最高；3种预处理方法中，以微波-氢氧化钠预处理酶解后的还原糖产量为最高。

图4 不同预处理方法对不同品种泡桐预处理酶解后的还原糖产量Fig.4 Different pretreatment methods on the reducing sugar yield of different Paulownia varieties after pretreatment and enzymatic hydrolysis

3 结论

采用3 种不同预处理方法，对6 个不同品种泡桐的枝条进行处理，以微波-氢氧化钠预处理毛泡桐的效果良好。用该法预处理后，毛泡桐枝条的纤维素含量达到84.82 %，相比预处理前的纤维素含量提升了38.01 % ；半纤维素、木质素含量分别降低了21.23 %和6.65 %；还原糖产量为471.38 mg/g。纤维素含量和还原糖产量均高于其他5 个泡桐品种和其他2 种预处理方法。本文为解决生物质纤维素制乙醇成本过高，无法大规模投入生产问题提供了一种思路。