小麥秸稈水熱預處理半纖維素降解動力學研究

張晗，付乾，2，廖強，2，夏奡，2，黃云，2，朱賢青，2，朱恂，2

（1 重慶大學工程熱物理研究所，重慶400030； 2 重慶大學低品位能源利用技術及系統教育部重點實驗室，重慶400030）

引 言

化石能源枯竭以及能源需求不斷增加，促進了可再生能源的發展。生物質能源作為一種儲量巨大的可再生能源，具有極大的發展潛力[1]。據統計，2016年世界生物質產量約1267億噸，相當于世界一次能源消耗的9.6 倍[2]。其中木質纖維素原料，如稻草、小麥秸稈和能源作物，由于是最廉價、最豐富的生物質能源，受到廣泛的關注[3]。目前對木質纖維素的利用主要有熱化學、生物化學等方法，將木質纖維素轉化為固、液、氣等能源加以利用。近幾年，隨著乙醇燃料需求量的增大，木質纖維素生化轉化制取生物乙醇燃料的技術具有極大的發展前景[4]。

木質纖維素類生物質生化轉化制備乙醇燃料主要包含三個階段：①預處理打破木質纖維素的結構交聯；②纖維素的酶解糖化；③微生物發酵制取乙醇燃料[5]。其中，對纖維素的酶解糖化可得到葡萄糖，能直接用于發酵制備乙醇。但是，由于木質纖維素結構緊密、結晶度高以及木質素對酶具有吸附性等因素，使得酶與纖維素的接觸面積較小，酶解糖化的速率和效率較低[6]。而預處理技術可以改變木質纖維素的結構，增加酶的可及表面積從而促進酶解糖化效率。近年來，針對木質纖維素進行預處理的技術得到了廣泛的研究，常用的有酸堿處理、水熱處理、菌酶處理等方法[7]。其中，由于水熱預處理環境友好且對設備要求低，研究者對其進行了大量的研究[8-14]。水熱預處理，又叫自水解，是利用高壓狀態下液態水特殊的性質，有效地對木質纖維素的緊密結構進行破壞的過程。在水熱過程中，連接半纖維素和纖維素的醚鍵斷裂，半纖維素部分或全部水解[15]，木質素在高溫下融化而結構改變，從而改變木質纖維素的結構，達到增加酶解糖化效率的目的[16]。

水熱預處理主要水解半纖維素，半纖維素占針葉木材的15%～20%，占闊葉木材和草類的15%～35%，其中木聚糖組成了80%以上的半纖維素[17]，深入研究木聚糖在水熱預處理過程中的水解過程有利于找到最佳的反應條件（溫度和反應時間），從而提高酶解糖化的效率。對木聚糖水熱過程中的反應動力學研究可以對水熱預處理的優化提供有用的依據[18]。目前的研究以均相反應動力學為基礎，改進Saeman模型，提出幾種木聚糖的水解路徑[19-21]。有學者認為木聚糖首先水解為低聚木糖，再進一步水解生成木糖單體[22]，也有部分學者認為木聚糖水解過程中同時產生低聚木糖和木糖[23]。Kobayashi等[24]提出了一種改進模型，認為木聚糖由兩種不同水解速率的組分組成，一部分快速水解，另一部分緩慢水解。之后有研究者也根據此提出一些更復雜的木聚糖反應動力學模型[25-27]。雖然以往的研究已經建立了許多動力學模型并確定相關的動力學參數，但是前期的研究大部分采用從原料中提取出的半纖維素或者木聚糖等模型化合物為研究對象，存在一定的局限性。

本研究以小麥秸稈為原料，在180～220℃溫度下水熱預處理10～60 min，分析小麥秸稈在水熱預處理過程中的成分變化，獲得水熱過程中木聚糖及降解產物的變化規律。同時以半纖維素降解產生低聚糖、單糖、糠醛以及其他降解產物為反應路徑，建立了小麥秸稈水熱水解的動力學模型，通過實驗數據和統計分析對模型進行驗證。利用獲得的動力學模型，可以明晰不同溫度下小麥秸稈水熱水解過程的反應機理，對小麥秸稈的水熱預處理工況設計提供一定的指導意義。

1 實驗材料與方法

1.1 原料

實驗原料為小麥秸稈，購買自中國河南省（聯豐農產品深加工有限責任公司，河南，中國），其組分含量分別為：42.97%的纖維素，20.31%的半纖維素，18.91%的木質素，10.54%的灰分以及7.27%的色素。小麥秸稈在真空干燥箱（DZF-6020 型，上海齊欣科學儀器有限公司，上海，中國）中60℃烘干后，用粉碎機（HB-XP 型，永康市小寶電器有限公司，浙江，中國）粉碎秸稈，然后將粉碎后的小麥秸稈渣在篩網中過濾，收集250～500 μm 大小的秸稈渣，用體積比2∶1的苯-乙醇溶液在索氏萃取器中抽提12 h 得到脫脂秸稈渣，在烘箱60℃烘干后放置在干燥器中備用。

1.2 水熱預處理

水熱預處理是在具有聚四氟乙烯內襯的不銹鋼高壓反應釜（西安泰康生物科技有限公司，西安，中國）中進行，配備有溫度控制器，壓力計，機械攪拌裝置。取4 g 脫脂后的干燥秸稈渣，浸入到76 ml去離子水中，制成固液比為1∶19的秸稈渣漿液。將配制的漿液加入高溫高壓反應釜中，擰緊密封反應釜，加熱到預設的溫度（180、190、200、210、220℃，升溫速率5℃·min-1）。待達到預定溫度后，恒溫處理10～60 min。等溫加熱結束后，通過冷卻水將反應釜內液體迅速冷卻至室溫以避免延續反應。泄壓后打開反應釜，收集水解液并用0.22 μm 水系濾頭過濾，放置在-20℃冰箱中保存待分析。而反應后的固體殘渣用去離子水洗滌抽濾3～5 次，直到抽濾液澄清為止，隨后60℃烘干后放置在干燥器中。

1.3 分析測試方法

根據美國能源國家實驗室制訂的兩步酸水解法[28]測定秸稈水熱處理前后生物質原料中碳水化合物、木質素以及灰分的含量。稱取0.3 g水解后的固體樣品置于100 ml 水解瓶中，加入72%濃硫酸3 ml，在30℃水浴鍋中保溫60 min，再加入84 ml 去離子水（稀釋至4%硫酸），放入高壓滅菌鍋中121℃保持60 min，水解結束后將水解瓶取出并冷卻至室溫，取1 ml 溶液用0.22 μm 水系過濾頭過濾去除不溶物，將濾液稀釋50 倍進入高效液相色譜儀(HPLC)（Ultimate3000，安捷倫科技有限公司，美國；HPX-87P 色譜柱）進行分析，測量液相中碳水化合物的含量，并通過單糖換算出纖維素、半纖維素含量。同時，待測原料兩步酸水解后，其固相洗滌抽濾3～5次，收集后置于烘箱中烘干后稱重，即為酸不溶木質素含量。酸溶木質素含量的測定是以4%稀硫酸為參比溶液，用紫外光分光光度計波長205 nm 處測量其水解溶液的吸收值，并按照式（1）計算

式中，B為酸溶木質素的含量，g·L-1；A為吸收值；D為稀釋倍數。測三次取平均值。

水熱預處理液體中單糖、低聚糖和降解產物的分析測定利用美國國家能源實驗室制訂的標準分析方法測定[28]。過濾后的水解液分為三部分，一部分溶液稀釋50 倍后進入高效液相色譜測量液體中單糖的濃度；一部分進入氣相色譜-質譜聯用儀(GC-MS)（TRACE1300,ISQ QD,賽默飛世爾科技公司，美國；HP-5MS 色譜柱）測量水解液中糠醛的濃度；第三部分水解液用4%的硫酸在高壓滅菌鍋中加熱到121℃保溫60 min，冷卻后稀釋50 倍進入高效液相色譜測量單糖濃度，與第一部分的單糖濃度差即為低聚糖的濃度。測三次取平均值。

1.4 動力學分析

本研究假設木聚糖在水解過程中先被水解為低聚木糖，再被水解為木糖以及副產物，且水解速率與濃度無關只與反應條件有關。以Kobayashi等[24]提出的模型為原型，將木聚糖分為兩種反應活性不同的木聚糖，一種水解速率更快，稱為快速木聚糖(fast-xylan)，一種水解速率慢，稱為慢速木聚糖(slow-xylan)。基于這些基礎，建立動力學模型如圖1所示。

圖1 動力學模型Fig.Kinetic model

其中，DP是糠醛的降解產物，因為其種類很多，不能用一種物質來表示。

假設一系列的反應都是一階不可逆的反應，溶液體積恒定，混合均勻，反應動力學方程可以描述如下

其中，k1和k2分別是快速木聚糖和慢速木聚糖的水解速率常數，k3是低聚木糖水解為木糖的速率常數，k4是木糖降解為糠醛的速率常數，k5是糠醛降解為其他副產物的速率常數。Xf表示快速木聚糖含量，Xs表示慢速木聚糖含量，XOS是低聚木糖含量，X是木糖含量，F表示糠醛含量。而木聚糖隨時間的變化量定義為

其中，XR表示固體殘余物中木聚糖含量，Ff是快速木聚糖占總木聚糖的份額，X0是初始木聚糖含量。

模型中的動力學常數(k1～k5)都受溫度的影響，與溫度的關系可以用Arrhenius 公式描述。因此，利用MATLAB 中的非線性回歸程序，將實驗數據擬合到動力學公式[式(2)～式(7)]中，可以計算出動力學常數k1～k5以及Ff，然后將其代入Arrhenius 公式[式(8)]中進行多元線性回歸擬合，確定指前因子以及反應活化能。

2 結果與討論

2.1 水熱預處理結果分析

2.1.1 水熱預處理后的秸稈殘余率與化學成分 由于木質素和半纖維素對纖維素的緊密包裹是影響纖維素酶解效率和發酵產率的主要因素，因此為了克服木質纖維素結構對產糖效率的影響，需要對生物質進行適當的預處理。在本研究中，采用水熱預處理的工藝來提高纖維素酶對小麥秸稈的酶解效率，經預處理后固體剩余物及組分含量如圖2所示。

圖2 水熱預處理后固體剩余物質量及化學組分含量Fig.2 Mass and chemical composition of solid residues after hydrothermal pretreatment

圖2(a)顯示了不同溫度水熱預處理后固體殘渣的剩余量，隨著預處理溫度的升高，固體殘渣含量逐漸降低，同時，在同一預處理溫度下，隨著預處理時間的延長，固體殘渣含量會逐漸保持穩定，說明繼續增加預處理時間并不能使固體殘渣的含量進一步降低。圖2(b)示出了不同溫度水預熱處理過程中木聚糖含量的變化，在同一預處理溫度下，木聚糖含量在預處理初始階段迅速降低，而后隨著預處理時間延長緩慢減少。同時，隨著預處理溫度的升高，木聚糖的含量也逐漸降低，當預處理溫度達到200℃時，99%的木聚糖被水解。這與之前的研究相似，Santucci 等[29]報道了在預處理溫度190℃、保溫67 min 時有94.5%的半纖維素去除率，Yu 等[30]的研究在預處理溫度180℃、保溫30 min 時有85%的半纖維素去除率。木聚糖被大量水解說明，水熱預處理過程中，秸稈主要的水解成分是半纖維素。圖2(c)是不同溫度水熱預處理后纖維素含量變化，隨著半纖維素被水解，纖維素含量明顯增加，但是在210℃和220℃預處理溫度下，纖維素含量隨著保溫時間的延長而下降，這是由于在高的預處理溫度下，纖維素中的部分非晶纖維素被水解，導致纖維素含量降低。圖2(d)顯示了不同溫度預處理后殘渣中木質素含量變化，由圖可知殘渣中木質素相對含量會隨著預處理溫度升高和時間延長呈現增加的趨勢，最大含量能達到41.53%。之前的研究也有類似的結論[31-32]。這主要是因為水熱預處理條件下木質素會形成熔融態酸不溶性物質而沉積在纖維素表面，并不會在水熱預處理下降解，因此隨著半纖維素含量的降低，木質素相對含量增加。由以上結論可知，在水熱預處理過程中小麥秸稈的失重主要是由于半纖維素的水解所致，半纖維素的水解會打破木質纖維素的結構交聯，增大酶解接觸面積，這有利于秸稈后續的酶解糖化。

2.1.2 水解液中物質變化分析 水解液中的低聚糖、單糖和副產物的含量測定如圖3 所示。由2.1.1節的結論可知，木聚糖是水熱過程中主要的水解成分，因此，低聚木糖是水解液中主要的低聚糖產物。圖3(a)示出了不同預處理溫度下水解液中低聚木糖濃度變化，這些低聚糖是由2～10個單糖聚合而成的可溶性化合物。由圖3(a)可知，水解液中低聚木糖在預處理開始階段具有很高的含量，隨著預處理時間的延長迅速降低。這是由于木聚糖的直接水解產物是低聚糖，單糖主要來源于低聚糖的進一步水解，因此，在反應初始階段，低聚木糖由于木聚糖水解而大量積聚，隨保溫時間延長水解液中大量積聚的低聚木糖會迅速水解為木糖。在預處理溫度180℃，保溫10 min 時水解液中低聚木糖濃度最高(2.64 g·L-1)，但隨著預處理溫度升高，保溫10 min 時低聚木糖的含量反而變低，這是由于隨著預處理程度的加深，低聚木糖在反應初始時急劇增加，保溫10 min 時低聚木糖已經開始大量水解，因此低聚木糖濃度反而降低，這與之前的研究報道相似[33]。

除了低聚糖以外，水解液中還含有大量的單糖，圖3(b)顯示了不同預處理溫度下水解液中木糖的濃度。木糖濃度在180℃預處理條件下隨保溫時間持續延長，最高可達3.84 g·L-1。當預處理溫度高于190℃時，木糖濃度呈現先急劇上升再下降的趨勢，水解出的木糖在高溫下會進一步降解為糠醛等副反應產物而消耗掉。同時，與低聚木糖濃度變化趨勢相似，最大木糖濃度會隨溫度而下降，這是由于隨著反應溫度的升高，木糖積聚與降解的速率同時加快了的原因。圖3(c)是水解液中糠醛濃度隨預處理溫度和時間的變化趨勢，在180℃預處理條件下，水解液中糠醛濃度較低(0.94 g·L-1)，大部分的木糖并沒有進一步降解為糠醛。當190℃水熱預處理時，糠醛濃度隨著預處理時間急劇增加，最高濃度可達4.79 g·L-1，而在200～220℃預處理條件下，水解液中積累的糠醛會進一步降解為乙酸等降解產物而大量消耗，糠醛的生成和降解達到穩定，水解液中糠醛濃度不再隨預處理時間延長而變化。

2.2 木聚糖水解反應動力學

在秸稈水熱預處理過程中，半纖維素是主要的降解組分，而木聚糖則是半纖維素的主要成分，所以，針對木聚糖水熱水解過程的動力學研究可以近似地描述秸稈在水解預處理過程的成分變化及反應機理。

根據實驗結果，對動力學方程式(2)～式(7)中反應速率常數進行擬合，反應動力學參數的擬合結果如表1所示。結果表明，隨著反應溫度的升高，快速木聚糖占總木聚糖的比例Ff由72%增加到96%，因此慢速木聚糖比例分數隨之下降，這種趨勢與之前的研究結果類似[22-24]。說明快速木聚糖和慢速木聚糖的比例不僅跟生物質種類有關，還與預處理溫度有關。同時快速木聚糖的反應速率常數k1是慢速木聚糖反應速率常數k2的100 倍以上，說明在預處理開始階段以快速木聚糖的水解為主，當快速木聚糖完全水解后以慢速木聚糖水解為主，因此木聚糖的含量會呈現先快速下降然后緩慢減少的趨勢[圖2(b)]。從表1 可知，本研究的各級反應速率常數均隨著溫度升高而增加，且前一級的反應速率常數總是比后一級的反應速率常數大。隨著溫度升高，k3與k4的比值逐漸降低，這表明隨著溫度升高木糖的分解速率變高，木糖的最高產量隨著溫度升高而降低，這與木糖的濃度變化趨勢相同[圖3（b）]。

圖3 水解液中低聚木糖、木糖以及糠醛的濃度Fig.3 Concentration of xylooligosaccharide,xylose and furfural in hrdrolysate

表1 不同溫度下水熱預處理過程的動力學速率常數Table 1 Kinetic rate constants of hydrothermal pretreatment at different temperatures

表2 指前因子與反應活化能Table 2 Frequency factors and activation energy

根據各溫度下的動力學常數利用Arrhenius 方程計算出反應活化能與指前因子，結果如表2所示。每個參數的R2都在0.94 以上，說明實驗數據與動力學模型吻合良好。k1的反應活化能最小，為50.86 kJ·mol-1，說明快速降解的木聚糖降解成低聚木糖的反應最容易發生。k3的反應活化能比k4的反應活化能小，所以低聚木糖的降解比木糖的降解更容易發生。因此，隨著保溫時間延長，水解液中低聚木糖濃度先增加先減小，木糖的濃度后增加后減少，如圖3（a）、（b）所示。k5的活化能比k4的小，這也能解釋為何糠醛的濃度變化相比于木糖的濃度變化較低。因為糠醛降解的活化能小，因此生成的糠醛大部分都會降解掉，水解液中糠醛的濃度保持在穩定的值，如圖3（c）所示。同時，為了驗證溫度與動力學參數k1～k5之間的依賴關系，繪制了lnki與T-1的關系曲線，如圖4 所示。由圖4 可知動力學反應速率常數與溫度的相關性良好，能很好地預估不同預處理溫度下各級動力學常數的變化，為水熱預處理工況的設計和優化提供參考。

3 結 論

圖4 lnki和T-1的Arrhenius圖Fig.4 Arrhenius plots of lnki versus T-1

本研究對小麥秸稈進行水熱預處理，研究其組分在水熱過程中的變化規律。小麥秸稈水熱預處理過程主要是木聚糖降解為低聚木糖、木糖、糠醛以及其他副產物的過程，在這個過程中，木質纖維素結構交聯被打破，半纖維素幾乎全部降解，纖維素和木質素的含量相對增加。根據木聚糖以及水解液中低聚木糖、木糖和糠醛的含量變化，提出反應動力學模型并擬合動力學方程獲得反應過程動力學參數。模型中將木聚糖分為快速降解和慢速降解兩部分,有效地說明了木聚糖含量隨保溫時間的變化規律，所提出的動力學路徑及反應速率常數可以很好地解釋低聚木糖、木糖和糠醛等降解產物含量的變化趨勢，與實驗數據的擬合度良好。同時驗證了反應速率常數與溫度的線性相關性良好，可以利用模型預估不同預處理溫度下的反應動力學參數。總體來說，本研究所提出的動力學模型可用于解釋水熱預處理過程中木聚糖的降解和轉化規律，為小麥秸稈的水熱預處理工藝的設計提供指導。