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水热预处理过程中pH值对玉米秸秆水解特性的影响

- ORCID：
孔军军
- ORCID：
牛子一
- ORCID：
于同金
- ORCID：
乌日娜
- ORCID：
王高升

天津科技大学天津市制浆造纸重点实验室，天津，300457

中图分类号： TS721⁺.3

最近更新：2020-11-24

DOI：10.11980/j.issn.0254-508X.2020.11.005

摘要

本研究采用乙酸或NaOH调节水热预处理的pH值，通过分析玉米秸秆中纤维素、半纤维素和木素降解产物的变化，研究了水热预处理的pH值对玉米秸秆水解特性的影响。结果表明，在水热预处理过程中，乙酸的添加促进了纤维素和半纤维素降解，但木素溶出率略有下降，水解液中木糖、低聚木糖、葡萄糖等糖类物质含量增加，糠醛和5-羟甲基糠醛等物质含量快速提升；当NaOH用量小于3%时，随着NaOH用量增加，纤维素和半纤维素降解减少，NaOH主要消耗于半纤维素中的乙酰基脱除；当NaOH用量为3%时，此时水热预处理终点pH值为5.84，固体物料得率达到最大值为75.15%；继续增加NaOH用量，木素的溶出率开始增加，固体物料得率下降。结果显示pH值可以成为调控水热预处理水解效果的重要手段。

关键词

水热预处理; 玉米秸秆; 水解液; pH值

我国是农业大国，农作物秸秆种类繁多、数量巨大。2016年全国主要农作物秸秆总量达到9.84×10⁸ t，玉米、水稻和小麦三大作物占比达到83.51%，是秸秆的主要来源，全国秸秆可收集量约为8.24×10⁸ t，秸秆肥料化、饲料化、燃料化、基料化和原料化利用总量达到6.73×10⁸ t，秸秆综合利用率达到81.68%，还有近20%秸秆未能加以利用^[

1]。在农作物秸秆中，玉米秸秆年产量最大，目前，玉米秸秆主要通过肥料化和饲料化等途径利用，还没有大规模工业原料化使用，加之秸秆地域分布广，不易收集，造成收集运输成本高、综合利用经济性差等问题，大量秸秆资源被浪费，特别是秸秆焚烧还带来了严重的环境污染问题。因此开展玉米秸秆高附加值利用研究，对提高秸秆利用效益，促进农民增收和环境保护具有重要意义。

玉米秸秆含有丰富的纤维素、半纤维素和木素等化学成分，如何实现这些成分的高效分离和利用成为了近年来生物炼制领域中持续性研究热点。水热预处理是一种被广泛关注的生物炼制的预处理方法^[

2-4]，该方法只加入水，不另外添加其他化学药品，在高温高压条件下，水自电离产生氢离子并催化半纤维素发生酸性水解、乙酰基脱除形成的乙酸使反应体系pH值进一步降低，导致纤维素、半纤维素及木素均发生不同程度的降解而进入水解液中，该方法有时也称为水热预水解、热水抽提或自水解^{[参考文献 5

百度学术}5]。水热预处理可以将生物质原料分离为固、液两部分，固体的主要成分为纤维素和木素，可用于糖化发酵乙醇^{[参考文献 6

百度学术}6]和造纸^{[参考文献 7-8}7-8]等，而水解液中以降解的半纤维素为主，主要应用于发酵生产乙醇^{[参考文献 9

百度学术}9]、氢气^{[参考文献 10-11}10-11]和沼气^{[参考文献 12-13}12-13]等生物能源，提取生成木糖、低聚木糖、木糖醇等食品添加剂和保健品^{[参考文献 14-15}14-15]，以及生产糠醛^{[参考文献 16

百度学术}16]等生物基化学品等方面，因此水解液的高效利用对提高秸秆利用的经济效益具有重要意义。

在水热预处理过程中如何有效地调控作用效果是该技术应用的关键所在，通常温度和时间被认为是主要的影响因素。通过调整温度或时间可以改变水热预处理效果，但是升高温度或延长时间将会增加能量消耗或降低生产效率，因此寻求一个新的调控方法十分必要。本研究通过调整水热预处理pH值，研究了玉米秸秆中主要成分纤维素、半纤维素和木素的降解，重点考察了pH值变化对水解液化学组分的影响，以期为pH值调控木质纤维素原料水热预处理效果的可行性提供借鉴。

1 材料与方法

1.1 实验原料

玉米秸秆取自山东省德州市。整株玉米秸秆收割后风干，裁取完整的地上部分（根部除外），沿秸秆的长度方向切成长度为2~4 cm的料段，筛除粉末和杂质。装入聚乙烯塑料袋中，密封后贮存于阴凉处备用。

在水热预处理实验时所用的化学试剂如乙酸和NaOH均为分析纯，而在高效液相色谱分析所用的化学试剂如糠醛、羟甲基糠醛（5-HMF）、乙酸、葡萄糖、木糖和阿拉伯糖等均为色谱纯。

1.2 实验方法

实验所采用的流程如图1所示。

图1 实验流程示意图

水热预处理采用的设备是间歇式电加热旋转蒸煮器（KRK，日本），将75 g绝干的玉米秸秆原料装入容积为1 L的蒸煮器小罐中，然后加入自来水，固液比为1∶5，根据要求加入适量的乙酸或NaOH，固定所有组的最高温度和保温时间。烈度因子（Severity Factor，简称SF）常被用来表示温度与时间复合作用效果，本实验采用的烈度因子为3.77，烈度因子为最高温度保温阶段与升、降温阶段烈度因子之和^[

17]，最高温度保温阶段烈度因子（SF_m）计算见式（1），升温和降温阶段烈度因子（SF_T）计算公式见式（2）（以5 min为1个计算区间）。

S F_{m} = l g [t \cdot e^{\frac{T - T r e f}{14.75}}]

（1）

S F_{T} = l g [\sum_{t_{T > 100 ℃}}^{t_{e n d}} R (t) \cdot △ t_{5 m i n}]

（2）

式中，t为保温时间，min；T为最高温度，°C； $T r e f$ 为参考温度，本实验中为100°C。

在预处理完成后，采用降温法放料。将反应罐迅速放入冰水中冷却，待温度降至室温后，将物料倒入400目尼龙滤袋中，挤压脱水至物料浓度20%，得到浓水解液，并测定pH值，该值也是水热预处理后的终了pH值，然后加适量自来水将物料稀释至浓度10%，充分混合后，再挤压浓缩至20%，得到一洗稀水解液，重复上述操作，分别得到二洗和三洗稀水解液。将3次的稀水解液与浓水解液混合后测定水解液中物质含量。将洗涤后的固体物料浓缩分散后装入聚乙烯塑料袋，平衡24 h后测其水分含量，然后计算固体物料得率。

1.3 分析方法

水解液中的各种糖类、乙酸、糠醛、5-羟甲基糠醛（5-HMF）等化学组分的测定采用高效液相色谱法（HPLC），所用高效液相色谱仪是Agilent 1200，色谱柱是Bio-Rad Aminex HPX-87H，柱温55℃，检测器为示差折光检测器（G1362A），流动相为0.005 mol/L H₂SO₄，流速0.6 mL/min，进样量为10 μL，采用外标法测定。

水解液中单糖、乙酸、糠醛和5-HMF等浓度的测定：将水解液经离心去除沉淀物后，用微孔滤膜（0.22 μm）过滤，直接用HPLC测定水解液中葡萄糖、木糖、阿拉伯糖、乙酸、糠醛和5-HMF浓度，水解液中葡萄糖、木糖、阿拉伯糖、乙酸、糠醛和HMF的生成量计算如式（3）所示。

M_{i} = \frac{C_{i} \times V}{75} \times 100 %

（3）

式中，M_i为水解液中物质（葡萄糖、木糖、阿拉伯糖、乙酸、糠醛或HMF）生成量（相对于绝干原料），%；C_i为HPLC测定的水解液中葡萄糖、木糖、阿拉伯糖、乙酸、糠醛和HMF浓度，g/L；V为洗涤完成并混合后所得水解液总体积，L。

水解液中总糖浓度测定：将水解液经离心去除沉淀物后，取20 mL水解液加入0.7 mL质量分数72%硫酸，在121℃的高压灭菌锅中进行酸解60 min，然后测定其中葡萄糖、木糖和阿拉伯糖浓度。低聚糖的浓度为总糖浓度与相应的单糖浓度的差值。总糖生成量和低聚糖生成量计算参照式（3）。

在水热预处理所得到的水解液中，除存在溶解性木素等酚类物质外，还存在纤维素和半纤维素的降解产物，如甲酸、乙酸、糠醛和5-HMF等物质。研究发现甲酸和乙酸等物质在波长205 nm处有显著吸收，而糠醛和羟甲基糠醛在波长280 nm处有紫外特征吸收，采用传统木素测定波长205 nm和280 nm时，由于干扰性物质存在而影响其准确性，必须选择适当的UV波长并进行方法改进^[

18]。笔者参照文献[19] 进行了水解液中溶解木素含量的测定，以蒸馏水为参照物，分析用波长225 nm。标准木素的制备方法：加浓硫酸于玉米秸秆水解液中，调节pH 值接近于0，静置至沉淀出现，将沉淀物过滤分离、冷冻干燥即得木素标准物。建立该木素浓度与吸光度回归方程，测定水解液吸光度后计算得到水解液中木素浓度。

玉米秸秆原料中水分、灰分、苯-醇抽出物、酸不溶木素和酸溶木素含量分别按照国家标准GB/T 2677.2—2011、GB/T 742—2008、GB/T 26776—1994、GB/T747—2003和GB/T 10337—2008进行测定。纤维素和半纤维素（聚戊糖）含量参照NREL方法^[

20]进行测定。

2 结果与讨论

通过对玉米秸秆化学组分分析可知，原料中水分含量为9.17%，纤维素含量最高为38.7％；其次是半纤维素含量为22.9％；总木素含量为19.6％，其中酸溶木素含量为2.2％，另外，玉米秸秆灰分含量较高，为10.5％，苯-醇抽出物含量3.55％。

当水热预处理烈度因子为3.77时，玉米秸秆主要组分纤维素、半纤维素和木素均发生不同程度降解，水解液呈酸性，含有葡萄糖、低聚葡萄糖、低聚木糖、木糖、阿拉伯糖、乙酸和解聚的木素等，还有少量的糠醛、5-HMF等发酵抑制物^[

21]。在烈度因子不变的条件下，在水热预处理过程中通过添加乙酸或NaOH来调节反应的pH值，原料中的纤维素、半纤维素和木素均发生了一系列的化学变化，本研究主要探讨了水热预处理时pH值变化对水解液性能的影响。

2.1 水热预处理时添加乙酸或NaOH对水解液及固体物料的影响

玉米秸秆在烈度因子为3.77的水热预处理后，添加乙酸和NaOH对水解液pH值、固含量及固体物料得率的影响见表1。由表1可知，未添加乙酸、NaOH时，浓水解液pH值为4.72，固含量为7.38%，此时固体物料得率为64.36%。若在水热预处理时添加用量1%～4%乙酸，随着乙酸用量增加，浓水解液pH值缓慢降低，固含量先有所升高后又略有下降，所得固体物料得率也有所下降。若在水热预处理时添加用量1%～5%NaOH，浓水解液pH值随着NaOH用量的增加而上升，但是当NaOH用量低于4.5%时，浓水解液pH值保持为酸性，说明此时在水热预处理过程中一直有酸性物质产生而消耗所添加的NaOH。浓水解液固含量随着NaOH用量增加先降低而后升高，当NaOH用量为3%时，固含量最低。NaOH用量对固体物料得率的影响正好相反，随着NaOH用量的增加，所得到的固体物料的得率先上升后下降，当NaOH用量为3%时，固体物料得率最高，为75.15%，此时浓水解液pH值为5.84。固体物料得率和浓水解液固含量变化，与水热预处理时玉米秸秆主要成分降解有关，将在后面讨论。

表1 水热预处理时添加乙酸或NaOH对浓水解液pH值、固含量及固体物料得率影响

预处理条件^*	pH值	固含量/%	固体物料得率/%
4%乙酸	4.23	7.43	60.86
3%乙酸	4.35	7.57	61.60
2%乙酸	4.47	7.95	61.87
1%乙酸	4.57	7.58	61.99
0	4.72	7.38	64.36
1.00%NaOH	5.12	6.79	67.87
2.00%NaOH	5.51	6.32	73.45
3.00%NaOH	5.84	6.11	75.15
4.00%NaOH	6.33	7.73	65.13
4.25%NaOH	6.65	8.28	64.98
4.50%NaOH	6.86	8.86	64.58
4.75%NaOH	7.96	9.55	63.44
5.00%NaOH	8.38	9.92	61.23

注：

*预处理其他条件：烈度因子3.77，液比1∶5，化学药品用量相对于绝干原料而言。

当水热预处理过程中仅加入水时，浓水解液pH值为4.72。随着乙酸用量增加，浓水解液pH值降低，而随着NaOH用量增加，浓水解液pH值增加。因此，浓水解液的pH值可以反映水热预处理时酸或碱强度的变化。浓水解液的pH值也就是水热预处理终点pH值，在后续实验中，用其作为反映水热预处理酸碱强度的指标。

2.2 pH值对半纤维素降解产物的影响

半纤维素是玉米秸秆的主要化学成分之一，在水热预处理条件下容易发生降解，生成低聚木糖、木糖和阿拉伯糖等糖类物质，这些糖类物质还可以进一步脱水生成糠醛等，而半纤维素侧链上的乙酰基水解可以生成乙酸。在水热预处理过程中添加乙酸或NaOH，所得水解液化学成分变化如图2和图3所示。

图2 pH值对水解液中半纤维素糖类物质生成量的影响

注：

水解液中所含物质的生成量均相对于绝干原料而言，下同。

图3 pH值对水解液中糠醛生成量和乙酸生成量的影响

从图2可以看出，当终点pH值为5.84时，水解液中总木糖生成量最低；当终点pH值高于5.84时，随着NaOH用量增加，水解液中总木糖生成量逐渐增加，但在pH值接近中性和弱碱性后，总木糖生成量变化不明显；当终点pH值低于5.84时，随着pH值降低，水解液中总木糖逐渐增加，达到最高点7.45％，然后开始降低。从图2还可以看出，在所研究的pH值范围内，低聚木糖的变化趋势和总木糖相似，其生成量远大于木糖，当终点pH值超过5.84后，木糖生成量几乎不变。当pH值为5.84时，此时水解液中最低总木糖生成量为3.43％，低聚木糖在溶出总木糖中约占97.68%；当pH值降低到4.35时，总木糖增加至7.45％，低聚木糖在总木糖中所占比例为84.03%；当pH值升高至6.86时，总木糖生成量增加到4.90％，低聚木糖在总木糖中所占比例为91.20%；也就是说，在水热预处理时，加入酸比加入碱更能提高木糖类物质生成量。半纤维素中阿拉伯糖的溶出规律和木糖不同，当NaOH用量为2%～3%时，阿拉伯糖生成量有1个极小值，随着pH值的升高，阿拉伯糖生成量升高，pH值大于6.86后变化不大，若降低pH值，阿拉伯糖生成量先升高后再降低。

在酸性条件下，半纤维素降解生成的木糖和阿拉伯糖会进一步脱水生成糠醛，如图3所示，当预处理终点pH值低于4.72时，糠醛的生成量迅速增加，此时木糖和阿拉伯糖生成量在达到极大值后出现不同程度下降。但当pH值高于4.72时，在水解液中没有检测到糠醛，说明此时五碳糖能够稳定存在。

水解液中乙酸主要来自半纤维素上乙酰基脱除，在酸性或碱性条件下，乙酰基酯键比糖苷键更容易水解。从图3可以看出，当水热预处理只加入水时，乙酸生成量最低。随着水热预处理时乙酸的加入，水解液中乙酸生成量升高，此时水解液中乙酸量是添加的乙酸与半纤维素乙酰基水解产生乙酸二者之和。当在水热预处理过程中添加NaOH时，随着NaOH用量增加，半纤维素上的乙酰基脱除量不断增加，当NaOH用量为3%时，与水热预处理比较，乙酸生成量提高了65%，其后继续增加NaOH用量，乙酸生成量变化不大，这也说明半纤维素上乙酰基的脱除，是NaOH消耗的主要原因之一。

当终点pH值为5.84时，水解液中与半纤维素相关的降解产物最少，表明在此pH值下半纤维素稳定性好，这也是此条件下固体物料得率高的原因之一。

2.3 pH值对木素降解的影响

图4是水热预处理时pH值对水解液中木素溶出率的影响。由图4可以看出，随着水解液pH值升高，木素溶出率不断增加。pH值范围不同，木素溶出规律差异较大，pH值为4.23~5.84时，若在水热预处理时添加乙酸，随着乙酸用量增加，水解液中溶出木素量下降，说明在高温且酸性较强的条件下木素发生缩合反应，也有研究认为在酸性条件下溶出的木素又以球形粒子形式沉积到固体物料表面；但当NaOH用量增加到3%时，木素溶出率几乎没有变化，结合图2可知，此时消耗的NaOH主要用于乙酸的中和。

图4 pH值对木素溶出率的影响

当pH值从5.84升高到6.33，此时NaOH用量从3%增加到4%，虽然终点pH值还处于弱酸范围内，但木素的溶出率从4.05%增加到4.85%，说明此时NaOH开始作用于木素。当NaOH用量从4%增加到5%，pH值变化迅速，从6.33升高到8.38，木素的溶出率随着pH值升高呈线性上升，由4.85%增加到5.59%。也就是说，当NaOH用量达到一定数值后，木素在氢氧根离子作用下发生降解而溶出，这是固体物料得率下降的主要原因。

2.4 pH值对纤维素降解产物的影响

图5是水热预处理时pH值变化对纤维素降解的影响。从图5可以看出，在终点pH值为5.84时，水解液中总葡萄糖生成量最低，由表1可知，此固体物料得率最高，说明此时纤维素最稳定，随着pH值降低，总葡萄糖生成量升高，在pH值为4.50附近时达到最大值，其后逐渐降低，结合葡萄糖生成量，在此条件下，纤维素降解产物多以低聚葡萄糖形式存在于水解液中。当NaOH用量为3%～5%时，水解液中总葡萄糖生成量低且变化不明显，说明此条件下纤维素化学结构是稳定的。

图5 pH值对纤维素降解产物的影响

从图5还可以看出，在单独加水的水热预处理时，水解液中葡萄糖含量最高，为0.71%。若加入乙酸，随着乙酸用量的增加，水解液中葡萄糖生成量下降，而此时5-HMF生成量上升，说明此时随着反应体系中pH值降低，葡萄糖会进一步脱水生成5-HMF，这也是在终点pH值小于4.50后，总葡萄糖生成量下降的原因，5-HMF的存在也会对水解液后续微生物发酵有抑制作用。若加入NaOH，随着NaOH用量增加，葡萄糖生成量逐渐降低，在中性和弱碱性范围内变化不大，此时无5-HMF生成。

3 结　论

本研究通过乙酸或NaOH调整水热预处理过程pH值，研究了玉米秸秆中主要成分纤维素、半纤维素和木素的降解，重点考察了pH值变化对水解液化学组分的影响。

3.1　在水热预处理过程中，若通过添加乙酸调节pH值，一方面由于酸催化作用的加强，纤维素和半纤维素等降解速率加快，水解液中木糖、低聚木糖、葡萄糖等糖类物质含量增加，另一方面产生的木糖、葡萄糖和阿拉伯糖等单糖会进一步发生脱水反应生成糠醛和5-羟甲基糠醛等物质。为了提高水解液中木糖或低聚木糖产率，应该控制适当的pH值。

3.2　在水热预处理过程中，若通过添加NaOH调节pH值，当NaOH用量为3%时，反应终点pH值为5.84，固体物料得率达到最大值为75.15%，此时纤维素和半纤维素最为稳定，木素溶出量没有明显增加；当NaOH用量小于3%时，NaOH主要作用于半纤维素中的乙酰基，固体物料得率下降的原因是纤维素和半纤维素降解；当NaOH用量大于3%时，NaOH主要作用于木素，水解液中木素含量增加，木素降解是固体物料得率下降的主要原因。

3.3　在水热预处理过程中，pH值变化对玉米秸秆主要化学组分降解有较大的影响，所得水解液的化学组分也随之发生变化，加入酸类物质可以提高水解液中糖类物质生成量，而加入碱类物质有助于木素和半纤维素中乙酰基的脱除。因此，pH值可以作为除温度和时间之外的第三种水热预处理的调控手段。

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