稀酸催化小麥秸稈分步水解研究

劉龍飛，邱 竹，石建東，王百軍

（常熟理工學院化學與材料工程學院，江蘇 常熟 215500）

農作物秸稈是地球上最重要的可再生資源之一，提高秸稈組分的轉化和利用效率是當前各國學者的研究熱點[1~2]。我國的秸稈資源非常豐富，年產量已超過7億t，折合成標煤約為3.5億t，全部利用可以減排8.5億t二氧化碳[3]；但是我國的秸稈綜合利用率還較低，焚燒廢棄秸稈的現(xiàn)象時有發(fā)生，既浪費了資源又污染了環(huán)境。利用秸稈水解產物戊糖、己糖發(fā)酵制備燃料乙醇是發(fā)展“秸稈能源”的重要途徑之一，并且生物乙醇是一種清潔燃料，燃燒產生的二氧化碳最終被用來形成新的生物質，不會造成大氣中二氧化碳的凈增長，有利于保護環(huán)境。

農作物秸稈主要成分是半纖維素、纖維素和木質素，其降解方法涉及物理、化學和生物等多種手段，其中稀酸催化水解被認為是最有希望實現(xiàn)工業(yè)化的途徑[4~5]。在稀酸催化條件下，半纖維素較易水解，所以首先被降解為還原糖；在微晶結構中，纖維素處在半纖維素、木質素的包被作用下，H＋很難作用于纖維素，因此只有當水解進行一段時間，微晶結構受到破壞后，纖維素的水解轉化才得以進行[6]。但在水解后期，半纖維素幾乎已經水解殆盡，其水解產生的單糖將在實驗條件下進一步轉化為糠醛等發(fā)酵抑制類物質，既降低了還原糖得率，也增加了水解液的脫毒處理難度[5]。因此，采用分步水解法，使秸稈中易于水解的半纖維素在較稀的酸濃度和較低的溫度、壓力下首先水解，把水解液與殘渣分離后，使殘渣中的纖維素在更高的酸濃度或溫度、壓力下進行水解，并控制工藝條件，使得最后一步水解過程僅有纖維素發(fā)生水解，這一步水解液中的還原糖僅有葡糖糖而沒有戊糖，因此分步水解工藝有望提高還原糖得率，減少水解液后處理成本。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

秸稈原料取自江蘇省如東縣所產的小麥秸稈，自然風干后用食品加工機粉碎并混合均勻，在烘箱中經12h烘干后測定出秸稈中半纖維素含量為24.50%，纖維素含量為33.16%，木質素含量為17.39%。

1.2 儀器設備

SQ2119D型多功能食品加工機，HZ50型水熱合成反應釜，DHG-9型鼓風干燥箱，HH-2型數(shù)顯恒溫水浴鍋，EL204型電子天平，7230G型可見分光光度計，F(xiàn)TIR-8700型傅里葉紅外光譜分析儀。

1.3 實驗方法

1.3.1 分步水解方法

將粉碎并混合均勻的秸稈粉末放入烘箱中于60℃烘干12h以上，取出后快速稱取一定質量，放入水熱合成反應釜，加入30mL 0.3%~0.5%濃度的硫酸溶液，放入設定好溫度的烘箱中進行第一步水解，水解結束后降至室溫，過濾，濾液測定還原糖含量，水解殘渣烘干稱重并測定半纖維素含量和纖維素含量。

在第一步水解的優(yōu)化工藝條件下進行多次水解，所得殘渣烘干混合，根據(jù)固含量要求稱取一定殘渣放入水熱合成反應釜，加入30mL 3%~5%濃度的硫酸溶液，放入設定好溫度的烘箱中進行第二步水解，實驗方法及分析方法同第一步水解。

在第二步水解的優(yōu)化工藝條件下進行多次水解，所得殘渣烘干混合進行第三步水解，實驗方法及分析方法同第一步水解。

1.3.2 正交試驗設計

根據(jù)探索實驗結果，每一步水解都選取酸濃度、原料固含量、反應時間和反應溫度4個因素進行正交試驗優(yōu)化，每個因素取3個水平，試驗因素水平如表1所示。

表1 正交試驗因素水平

1.3.3 測定和計算方法

還原糖濃度采用DNS比色法測定[7]，還原糖得率按如下公式計算：

半纖維素含量采用2 mol·L-1鹽酸水解法測定，纖維素含量采用72%濃硫酸水解法測定[8]，原料轉化率、半纖維素轉化率及纖維素轉化率按如下公式計算：

2 結果與分析

2.1 正交試驗結果分析

圖1 還原糖得率與因素水平的關系

表2 正交試驗結果

根據(jù)表1中的因素水平安排進行正交試驗，以還原糖得率為指標的試驗結果列于表2。為便于比較，根據(jù)對試驗結果的直觀分析繪出還原糖得率與因素水平的關系圖（圖1）。從圖1可以看出第一步水解的優(yōu)勢組合是A2B3C3D2，即酸濃度為0.4%，原料固含量為10%，反應時間為60min，反應溫度為115℃，對比圖中各因素的極差可以看出，實驗范圍內各因素的主次系列為B→A→D→C；同理第二步水解的優(yōu)勢組合為A2B2C2D2，即酸濃度為4%，原料固含量為9%，反應時間為55min，反應溫度為120℃，各因素的主次系列為C→D→A→B；第三步水解的優(yōu)勢組合為A2B3C3D3，即酸濃度為2%，原料固含量為10%，反應時間為80min，反應溫度為180℃，各因素的主次系列為D→C→A→B。對以上優(yōu)勢組合進一步實驗，實驗結果見表3，可以看出優(yōu)勢組合下所得還原糖得率均高于表2中的1~9號實驗結果，所以取優(yōu)勢組合為優(yōu)化工藝條件。

表3 優(yōu)化工藝條件下的實驗結果

假設100g小麥秸稈按表3中相同的實驗結果進行分步轉化（非放大實驗），根據(jù)表3逐步計算后可以作出分步水解過程中主要組分轉化進程圖如圖2。從圖中可以看出，經3步水解工藝，剩余殘渣28.76g，原料轉化率合計71.24%，三步水解過程共產糖53.72g，還原糖得率合計53.72%，較傳統(tǒng)的單步水解工藝有較大提高[9~10]。從圖中還可以看出，第一步水解過程和第二步水解過程共計98.08%的半纖維素發(fā)生了水解轉化，而纖維素幾乎未參加反應，所以水解液中戊糖成分較多；第三步水解過程則主要是纖維素水解轉化為葡萄糖，對這一步水解液中葡萄糖的分離純化成本較低。另外，第一步水解過程采用的酸濃度僅為0.4%，水解液除酸成本較低；所以采用三步水解工藝，有望降低水解液的后處理成本。

圖2 分步水解過程中主要組分轉化進程

2.2 秸稈原料及水解殘渣的紅外分析

對小麥秸稈原料及優(yōu)化工藝條件下的分步水解殘渣進行紅外表征，結果如圖3所示。根據(jù)有關文獻[11~14]，對于植物纖維組分，3410cm-1處的吸收是—OH 基團的伸縮振動，2910cm-1處的吸收來自—CH、—CH2不對稱伸縮振動，1320cm-1處的吸收來自C—C和C—O 骨架振動，1060cm-1處為碳水化合物C=O 伸縮振動。圖中可以看出，各步水解殘渣中的以上吸收峰變化不明顯，這是因為纖維素、半纖維素和木質素對這部分吸收峰都有貢獻，難以區(qū)分，所以需要選擇歸屬比較清晰的吸收峰進行比較。

圖3 秸稈原料及水解殘渣紅外光譜

1720cm-1~1730cm-1處的吸收峰表征與半纖維素或木質素有關的羰基C=O伸縮振動[14]，秸稈原料及第一步水解殘渣中該吸收峰比較明顯，而第二步水解殘渣中該吸收峰幾乎消失，說明第二步水解后半纖維素已基本被水解完全，第三步水解殘渣中該吸收峰又比較明顯，這是第三步水解殘渣中木質素所占比例大大上升的結果。897cm-1處的吸收峰是半纖維素或纖維素中β-糖苷鍵的振動吸收峰[12]，第二步水解殘渣中該吸收峰有所減弱，經第三步水解后，由于全部半纖維素及大部分纖維素已經水解，該吸收峰隨之消失。1510cm-1處的吸收是木質素中芳環(huán)的碳骨架振動， 1240cm-1~1270cm-1處的吸收是木質素C—OH 的伸縮振動，這2個吸收峰是木質素的特征吸收峰[12]，圖中可以看出，隨著水解的逐步進行，吸收峰逐漸增強，說明水解殘渣中木質素所占比例逐漸提高。1630cm-1處的吸收是吸收水的彎曲振動，為纖維材料吸收空氣中的水所致，水解殘渣中1630cm-1處吸收峰的吸收強度都要明顯高于秸稈原料在此處的吸收峰，尤其是第一步水解殘渣在此處的吸收峰強度最大，這說明經過水解處理后殘渣中的纖維素都明顯得到潤脹，對水的可及度增加，纖維素的潤脹有利于物料的水解轉化[14~15]。

3 結論

（1）以小麥秸稈為原料獲得了秸稈組分的分步水解優(yōu)化工藝，第一步水解的優(yōu)化工藝條件為：酸濃度0.4%，原料固含量10%，反應時間60min，反應溫度115℃；第二步水解的優(yōu)化工藝條件為：酸濃度4%，原料固含量9%，反應時間55min，反應溫度120℃；第三步水解的優(yōu)化工藝條件為：酸濃度2%，原料固含量10%，反應時間80min，反應溫度180℃。按以上工藝條件進行分步轉化，總的原料轉化率可達71.24%，總的還原糖得率可達53.72%，均高于傳統(tǒng)的單步水解工藝。

（2）小麥秸稈按以上分步水解工藝進行轉化，第一步水解過程和第二步水解過程主要是半纖維素的水解轉化，第三步水解過程則主要是纖維素的水解轉化，分步水解工藝降低了水解液的分離及后處理成本。

（3）對秸稈原料及分步水解殘渣的紅外光譜分析表明，隨著水解過程的逐步進行，半纖維素和纖維素的特征吸收峰逐漸減弱，木質素的特征吸收峰有所增強，與實驗中所測定的原料轉化數(shù)據(jù)一致。紅外光譜分析還表明，經稀酸處理后水解殘渣對水的可及度增加，有利于第三步水解過程中纖維素的水解轉化。

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