水热耦合稀乙酸拆解杨木纤维的条件优化及表征

摘要

采用水热耦合稀乙酸预处理技术对速生杨木进行拆解，研究了乙酸质量分数、固液比、温度及反应时间对杨木木糖去除率和纤维素拆解分离得率的影响规律。结果表明，在乙酸质量分数0.5%、固液比1∶20、温度170℃、反应时间30 min条件下，木糖去除率为92.9%，纤维素拆解分离得率为94.0%。通过对水热残渣和预处理液的结构与成分分析，表明水热耦合稀乙酸预处理是一种温和的拆解分离方法，其主要去除杨木纤维中半纤维素的木糖成分，将大部分木糖转化为低聚木糖，同时对纤维素和木质素的破坏较小，从而保护纤维素、提高纤维素酶的可及度。

关键词

水热预处理; 乙酸; 杨木; 木糖; 纤维素拆解

随着地球上不可再生能源的减少，如何减少碳排放，降低对化石燃料的依赖，是世界各国面临的重大问题^[1]。目前，利用可再生的林木生物质原料制备高效清洁的燃料是解决这一问题的途径之一^[2-4]。但由于林木生物质结构复杂、更为致密，抗降解性强，严重制约了后续醇类燃料的转化与生产^[5]。而现有传统的预处理技术大都存在反应条件苛刻、毒性大以及成本高的缺点^[6-8]。因此，需要寻找一种绿色、高效、低毒的预处理技术来拆解分离林木三大组分，提高纤维素的拆解分离得率（亦称纤维素回收率或纤维素保留率），并促进其向醇类的转化^[9-10]，同时使用拆解过程中产生的副产物来生产高值化的产品，从而降低醇类燃料的生产成本。近年来，水热预处理技术在分离结构较为疏松的农林剩余物方面取得了不错的进展。王安等人^[11]对玉米秸秆进行水热预处理，其半纤维素去除率达92.9%。但对于结构更为致密的林木生物质来说，往往要耦合其他预处理技术才能达到较好的拆解分离效果^[12]。通过加入适量的HCl、H₂SO₄等无机强酸可以提高拆解分离效果。Cara等人^[13]使用水热耦合质量分数1%稀硫酸拆解橄榄树，取得了很好的效果，但其高达75%的总糖去除率说明在去除半纤维素的同时也破坏了大量的纤维素，并产生了大量的抑制物影响了后续的酶解发酵。

采用低浓度的乙酸耦合水热预处理可以对半纤维素特别是木糖进行有效地去除，也不会引入新的酸性物质^[14]。而且在合适的反应条件下，对纤维素和木质素的破坏较小，可以避免纤维素的损失和酚类抑制物的产生，不会影响后续的酶解发酵^[15]。因此本研究采用水热耦合稀乙酸的方法对杨木进行预处理，研究乙酸质量分数、温度、时间、固液比等对杨木纤维拆解的影响规律，分析预处理前后杨木、水热预处理液中化学成分以及结构的变化，从而构建绿色低毒的拆解分离技术，以实现对杨木组分的拆解分离，增加纤维素酶解可及性。同时获得高品质木糖和木质素进一步转化为高附加值的化学品，用来降低林木生物质制备醇类燃料的成本，实现增值联产。

1 实 验

1.1　实验原料及试剂

实验所用杨木为山东省德州市木材加工剩余物（40~60目），乙酸（GR级，阿拉丁试剂公司，纯度99.8%）。

1.2　实验方法

将乙酸稀释到指定浓度后与适量杨木共同置于高压反应釜中，开启搅拌桨，使杨木与乙酸混合均匀，然后升温至反应温度，并保温一定时间。反应结束后，迅速通入冷凝水终止反应并抽滤得到预处理液。残渣用纯水多次洗涤过滤，于105℃下干燥备用。

1.3　分析方法

1.3.1　固体残渣和预处理液的成分分析

水热耦合稀乙酸预处理固体残渣和预处理液中葡萄糖、木糖、乙酸、糠醛、5-羟甲基糠醛和木质素含量的测定参照美国能源部NREL/TP510-42618标准^[16]，均采用日本岛津LC-16高效液相色谱仪（HPLC）测定。

葡萄糖、木糖和乙酸的含量测试采用的色谱柱为Aminex HPX-87P，示差折光检测器。测试条件为：流动相0.05 mol/L H₂SO₄、流速0.6 mL/min，进样量20 μL；糠醛和5-羟甲基糠醛含量测试采用的色谱柱为Shim-pack GIST C18，UV检测器，流动相为乙腈∶水=10∶90，流速1 mL/min，进样量20 μL。所测样品均用0.22 μm水系滤膜过滤后进样。

水解液中低聚合度木糖含量的检测方式为再水解，即水解液与同体积质量分数8% H₂SO₄溶液混合（即H₂SO₄质量分数稀释为4%），随后在121℃的高压灭菌锅中水解60 min。水解后的溶液经HPLC检测后可得到水解液的总木糖浓度，即预处理后水解液中木糖和低聚合度木糖含量的总和，总木糖含量减去再水解之前水解液测得的木糖含量即为低聚合度木糖含量。

纤维素是林木生物质转化醇类燃料的最主要组分，通过适当的预处理将纤维素与半纤维素、木质素分离，从而增加纤维素酶的可及性，即为纤维素拆解分离。纤维素拆解分离得率是指林木生物质经水热耦合稀乙酸预处理固体残渣中的纤维素质量与原料中的纤维素质量之比。本研究中纤维素拆解分离得率（ε）、木糖去除率（σ）及木质素去除率（μ）分别按式（1）、式（2）和式（3）计算。

$$\epsilon =\frac{X_{\mathrm{2}}}{X_{\mathrm{1}}}\times \mathrm{100}\mathrm{\%}$$

（1）

$$\sigma =(\mathrm{1}-\frac{Y_{\mathrm{2}}}{Y_{\mathrm{1}}})\times \mathrm{100}\mathrm{\%}$$

（2）

$$\mu =(\mathrm{1}-\frac{Z_{\mathrm{2}}}{Z_{\mathrm{1}}})\times \mathrm{100}\mathrm{\%}$$

（3）

式中，$X_{\mathrm{1}}$表示杨木中纤维素质量，g；$X_{\mathrm{2}}$表示杨木经水热耦合稀乙酸预处理后固体残渣中纤维素质量，g；$Y_{\mathrm{1}}$表示杨木中木糖质量，g；$Y_{\mathrm{2}}$表示杨木经水热耦合稀乙酸预处理后固体残渣中木糖质量，g；$Z_{\mathrm{1}}$表示杨木中木质素质量，g；$Z_{\mathrm{2}}$表示杨木经水热耦合稀乙酸预处理后固体残渣中木质素质量，g。

采用美国安捷伦科技有限公司7890A-5975C型气质联用仪（GC-MS）对水热耦合稀乙酸预处理液的成分进行分析。色谱条件：色谱柱为HP-5MS (30.0 m×250 μm, 0.25 μm)，气化室温度250℃，载气He，载气流量1.0 mL/min，不分流进样。质谱条件：EI源，电子能量70 eV，离子源温度230℃，扫描质量范围为20～500 amu。

1.3.2　固体残渣孔隙结构与化学结构分析

水热耦合稀乙酸预处理前后杨木的比表面积、孔容和孔分布情况采用美国康塔NOVA2000e氮吸附仪测定。采用日本岛津IRTracer100傅里叶变换红外光谱仪（FT-IR）表征固体残渣结构，扫描范围为 400~4000 cm^-1，分辨率为2 cm^-1，扫描次数为 2次。采用日本理学UItimaIV X射线衍射仪（XRD）对比分析杨木、固体残渣的结晶结构，实验条件：管压40 kV，管流40 mA，入射线波长0.15418 nm，扫描范围2θ=3°~90°，扫描步长0.04°，扫描速度38.4 s/步。纤维素结晶度（CrI）计算如式（4）所示。

$$\mathrm{C}\mathrm{r}\mathrm{I}(\mathrm{\%})=\frac{I_{\mathrm{002}}-I_{\mathrm{a}\mathrm{m}}}{I_{\mathrm{002}}}$$×100%

（4）

式中，$I_{\mathrm{002}}$和$I_{\mathrm{a}\mathrm{m}}$分别表示2θ=22°时结晶区的最大峰强度和2θ=18°时非结晶区的最小峰强度。

2 结果与分析

2.1　水热耦合稀乙酸预处理条件优化

2.1.1　乙酸质量分数对拆解杨木纤维三大组分的影响

图1为温度170℃、反应时间30 min、固液比1∶20条件下，乙酸质量分数对拆解杨木纤维三大组分的影响。从图1中看出，纯水水热对杨木的拆解作用比较温和，能保留绝大部分的纤维素，但对木糖的去除效果有限，去除率仅为73.2%。加入低浓度的乙酸可以提高催化活性，促进杨木纤维中聚木糖的水解。随着乙酸质量分数的提高，木糖去除率不断上升，但纤维素拆解分离得率会略有下降。而当乙酸质量分数为0.5%时，木糖去除率提高到92.9%，木质素去除率为11.8%，同时纤维素拆解分离得率仍可以达到94.0%。继续增加乙酸质量分数为1.0%时，纤维素拆解分离得率大幅下降至78.2%，木质素的去除率增加到21.2%，而木糖去除率相差不大。由此可见乙酸水热法所加入的乙酸含量不宜过高，加入质量分数0.5%的乙酸可以在最大程度保留纤维素不被破坏的前提下，实现对木糖的高去除率。

图1  乙酸质量分数对杨木纤维拆解效果的影响

Fig. 1  Effect of acetic acid mass fraction on the deconstruction of poplar fiber

2.1.2　固液比对拆解杨木纤维三大组分的影响

图2为乙酸质量分数0.5%、温度170℃和反应时间30 min条件下，固液比对拆解杨木纤维三大组分的影响。从图2中可以看出，固液比对纤维素拆解分离得率影响不大，而木糖去除率随着固液比的增加先上升后下降。在固液比为1∶20时木糖去除率达到峰值92.9%，而在固液比为1∶30时木糖去除率骤降至81.1%，这是由于过量的水反而吸收了反应体系的空化能量，导致木糖去除率下降^[7]。木质素去除率随固液比的增大略有上升并逐渐呈现平稳的趋势，大都在10%左右，由此可见，固液比对木糖的去除率影响较大，而对纤维素和木质素的影响较小，选择固液比为1∶20较为合适。

图2  固液比对杨木纤维拆解效果的影响

Fig. 2  Effect of solid-liquid ratio on the deconstruction of poplar fiber

2.1.3　反应时间对拆解杨木纤维三大组分的影响

图3为乙酸质量分数0.5%、温度170℃和固液比1∶20条件下，反应时间对拆解杨木纤维三大组分的影响。当反应时间为10 min时，虽然纤维素的拆解分离得率高达98.3%，但此时木糖和木质素的去除率均处于较低水平，不利于杨木纤维三大组分的拆解。延长反应时间，纤维素的拆解分离得率随反应时间的延长呈线性降低，当反应时间为120 min时，纤维素拆解分离得率降至86.4%。与此同时，木糖的去除率随反应时间的增加呈先升高后降低的趋势，当反应时间为30 min时，木糖去除率大幅升高至92.9%，此时木糖去除率与纤维素的拆解分离得率均保持在较高水平，当反应时间为60 min时，木糖去除率与30 min时相当。继续延长反应时间，木糖去除率开始下降，120 min时仅为83.5%。木质素去除率随着反应时间的延长没有特别明显的变化趋势，大都在7%～13.3%的范围内。在反应时间为120 min时，木质素去除率达到最大值13.3%，这也说明反应时间过长会导致木质素的降解，综上所述可以初步确定反应时间为30 min。

图3  反应时间对杨木纤维拆解效果的影响

Fig. 3  Effect of holding time on the deconstruction of poplar fiber

2.1.4　温度对拆解杨木纤维三大组分的影响

图4为乙酸质量分数0.5%、反应时间30 min和固液比1∶20条件下，温度对拆解杨木纤维三大组分的影响。从图4中可以看出，纤维素拆解分离得率随温度的升高逐渐降低，木糖去除率随温度的升高呈先升高后略有下降的趋势。当温度低于180℃时，能保持较高的纤维素拆解分离得率且均在91.3%以上，木糖的去除率在170℃时达到最大值92.9%。当温度超过185℃时，纤维素拆解分离得率由于纤维素的降解而开始下降，同时木质素的去除率显著增加，其所形成的水溶性物质可能因为再凝结作用而附着于水热滤渣的表面^[17]，从而导致木糖去除率也随之下降。木质素去除率随温度的升高呈现缓慢增长的趋势，在200℃时达到15.2%，这也间接地说明温度对木质素去除率的影响并不大。因此，水热耦合稀乙酸预处理的温度不宜过高，170℃时较为合适。

图4  温度对杨木纤维拆解效果的影响

Fig. 4  Effect of temperature on the deconstruction of poplar fiber

综上所述，水热耦合稀乙酸拆解杨木纤维的较优条件为：乙酸质量分数0.5%、固液比1∶20、温度170℃、反应时间30 min。此时，纤维素拆解分离得率为94.0%，木糖去除率为92.9%，木质素去除率为11.8%。

2.2　水热耦合稀乙酸固体残渣的分析

2.2.1　孔隙结构分析

采用氮吸附仪对杨木经水热耦合稀乙酸预处理前后的孔隙结构变化情况进行分析，未经预处理的杨木比表面积和孔体积较小，其比表面积为1.46 m²/g，孔体积为0.004 cm³/g，说明杨木结构较为致密，使得纤维素酶难以和纤维素形成有效的接触。而采用水热耦合稀乙酸的方法对杨木进行预处理后，杨木的比表面积增加至2.25 m²/g，孔体积增大至0.01 cm³/g，说明此预处理可以有效地破坏杨木的致密结构，从而使更多的纤维素暴露出来，提高了纤维素酶的可及性^[18]。

2.2.2　组成、化学结构分析

采用FT-IR和XRD对水热耦合稀乙酸预处理产生的固体残渣进行结构表征（见图5）。FT-IR振动峰对应的官能团归属参考文献[19-20]。如图5（a）所示，1740 cm^-1处的振动峰为聚木糖的特征峰，经过水热耦合稀乙酸预处理后，1740 cm^-1处振动峰明显减弱，说明大部分半纤维素被脱除。1024、1112、898 cm^-1处的振动峰为纤维素特征峰，其中898 cm^-1处是纤维素I型特征峰，表明预处理不会改变纤维素的晶型。固体残渣的XRD衍射结果如图5（b）所示。从图5（b）可以看出，处理前后主要信号峰均在2θ=18°~22°，均为纤维素I型的晶面。这表明纤维素的晶态结构并没有因为预处理而发生明显改变，与红外分析结果一致。由式（4）计算得出杨木的结晶度为35.4%。经预处理后，固体残渣结晶度为41.5%，结晶度略有提高，这说明在水热耦合稀乙酸预处理过程中，随着木糖的去除，使得纤维素组分比例增加，从而表现为纤维素结晶度的增加。

图5  水热耦合稀乙酸预处理前后杨木的FT-IR谱图和XRD谱图

Fig. 5  FT-IR and XRD spectra of poplar before and after hydrothermal coupling dilute acetic acid pretreatment

2.3　水热耦合稀乙酸预处理液成分的分析

表1为GC-MS分析的水热耦合稀乙酸预处理液中的主要成分，包括游离酸、醛、酚、芳香族等多种物质。由于预处理中除了加入的少量乙酸外，在预处理过程中由于乙酰基的脱除也会产生一定量的乙酸，因此预处理液体中乙酸相对含量较高，约为71.55%。同时糠醛的相对含量达到了11.38%，说明预处理过程中有木糖降解成单糖并转化成糠醛。预处理液中少量的5-羟甲基糠醛、乙酰丙酸和苯基类化合物反映了水热耦合稀乙酸对杨木中纤维素和木质素的破坏很小。采用HPLC进一步分析了各主要化学成分的含量，结果见表2。从表2可以看出，预处理液中含有6.52 mg/L糠醛、138 mg/L木糖和2628 mg/L低聚合度木糖，说明半纤维素中的木糖主要转化成了低聚合度木糖，反映出生产高价值低聚木糖的巨大潜力；虽然其也发生了过度降解产生了糠醛，但是含量很少。预处理液中仅含有少量的葡萄糖和5-羟甲基糠醛说明水热耦合稀乙酸对杨木中纤维素的影响较小，这也与前述预处理后杨木纤维高拆解分离得率的结果相符。因此水热耦合稀乙酸是一种温和的杨木预处理技术，在实现对杨木中木糖的高值高效分离的同时，对纤维素和木质素的破坏较小，从而减少了副产物的产生。

表1  GC-MS分析的预处理液中的主要成分

Table 1  Main components of pretreated solution analyzed by GC-MS

类别		名称		相对含量/%
酸类		乙酸		71.55
		草酸		0.2
		甲酸		0.88
		乙酰丙酸		0.67
		丙二酸		3.88
醛类		糠醛		11.38
		丁醛		0.46
		二甲基丁醛		0.18
		5-羟甲基糠醛		1.42
		戊醛		0.24
酯类		二乙酸酯		0.18
		醋酸酯		2.96
苯基类		苯甲醛		0.13
		苯酚		0.44
		苯乙醛		0.44
		对愈创木酚		0.06
		丁香酚		0.05
		苯甲酸		0.05
其他				4.83

表2  HPLC测定的预处理液中的主要成分

Table 2  Main components of pretreated solution determined by HPLC ( mg/L )

葡萄糖	木糖	低聚合度木糖	乙酸	糠醛	5-羟甲基糠醛
33	138	2628	398	6.52	8.82

3 结论

3.1 水热预处理过程中加入少量的乙酸能够促进杨木纤维的拆解分离，可以实现在去除大部分木糖的同时，仍能够保持较高的纤维素拆解分离得率以及较低的木质素去除率。结果表明，在乙酸质量分数0.5%、固液比1∶20、温度170℃、反应时间30 min条件下，木糖去除率为92.9%，纤维素拆解分离得率为94.0%，木质素去除率为11.8%。

3.2 水热耦合稀乙酸预处理主要去除杨木中的半纤维素，导致纤维孔容增大、比表面积增大，同时纤维素的结晶度略有增加。

3.3 杨木拆解分离出半纤维素中的木糖主要转化成了高价值的低聚合度木糖，只有少量过度降解成葡萄糖和糠醛。葡萄糖、5-羟甲基糠醛以及苯基类化合物含量少说明预处理对纤维素和木质素的破坏小，在去除不利于酶解发酵的五碳糖的同时，增加纤维素酶的可及性，有利于醇类原料的生产和木质素的工业化利用。