小麦秸秆水热预处理半纤维素降解动力学研究

张晗，付乾，2，廖强，2，夏奡，2，黄云，2，朱贤青，2，朱恂，2

（1 重庆大学工程热物理研究所，重庆400030； 2 重庆大学低品位能源利用技术及系统教育部重点实验室，重庆400030）

引 言

化石能源枯竭以及能源需求不断增加，促进了可再生能源的发展。生物质能源作为一种储量巨大的可再生能源，具有极大的发展潜力[1]。据统计，2016年世界生物质产量约1267亿吨，相当于世界一次能源消耗的9.6 倍[2]。其中木质纤维素原料，如稻草、小麦秸秆和能源作物，由于是最廉价、最丰富的生物质能源，受到广泛的关注[3]。目前对木质纤维素的利用主要有热化学、生物化学等方法，将木质纤维素转化为固、液、气等能源加以利用。近几年，随着乙醇燃料需求量的增大，木质纤维素生化转化制取生物乙醇燃料的技术具有极大的发展前景[4]。

木质纤维素类生物质生化转化制备乙醇燃料主要包含三个阶段：①预处理打破木质纤维素的结构交联；②纤维素的酶解糖化；③微生物发酵制取乙醇燃料[5]。其中，对纤维素的酶解糖化可得到葡萄糖，能直接用于发酵制备乙醇。但是，由于木质纤维素结构紧密、结晶度高以及木质素对酶具有吸附性等因素，使得酶与纤维素的接触面积较小，酶解糖化的速率和效率较低[6]。而预处理技术可以改变木质纤维素的结构，增加酶的可及表面积从而促进酶解糖化效率。近年来，针对木质纤维素进行预处理的技术得到了广泛的研究，常用的有酸碱处理、水热处理、菌酶处理等方法[7]。其中，由于水热预处理环境友好且对设备要求低，研究者对其进行了大量的研究[8-14]。水热预处理，又叫自水解，是利用高压状态下液态水特殊的性质，有效地对木质纤维素的紧密结构进行破坏的过程。在水热过程中，连接半纤维素和纤维素的醚键断裂，半纤维素部分或全部水解[15]，木质素在高温下融化而结构改变，从而改变木质纤维素的结构，达到增加酶解糖化效率的目的[16]。

水热预处理主要水解半纤维素，半纤维素占针叶木材的15%～20%，占阔叶木材和草类的15%～35%，其中木聚糖组成了80%以上的半纤维素[17]，深入研究木聚糖在水热预处理过程中的水解过程有利于找到最佳的反应条件（温度和反应时间），从而提高酶解糖化的效率。对木聚糖水热过程中的反应动力学研究可以对水热预处理的优化提供有用的依据[18]。目前的研究以均相反应动力学为基础，改进Saeman模型，提出几种木聚糖的水解路径[19-21]。有学者认为木聚糖首先水解为低聚木糖，再进一步水解生成木糖单体[22]，也有部分学者认为木聚糖水解过程中同时产生低聚木糖和木糖[23]。Kobayashi等[24]提出了一种改进模型，认为木聚糖由两种不同水解速率的组分组成，一部分快速水解，另一部分缓慢水解。之后有研究者也根据此提出一些更复杂的木聚糖反应动力学模型[25-27]。虽然以往的研究已经建立了许多动力学模型并确定相关的动力学参数，但是前期的研究大部分采用从原料中提取出的半纤维素或者木聚糖等模型化合物为研究对象，存在一定的局限性。

本研究以小麦秸秆为原料，在180～220℃温度下水热预处理10～60 min，分析小麦秸秆在水热预处理过程中的成分变化，获得水热过程中木聚糖及降解产物的变化规律。同时以半纤维素降解产生低聚糖、单糖、糠醛以及其他降解产物为反应路径，建立了小麦秸秆水热水解的动力学模型，通过实验数据和统计分析对模型进行验证。利用获得的动力学模型，可以明晰不同温度下小麦秸秆水热水解过程的反应机理，对小麦秸秆的水热预处理工况设计提供一定的指导意义。

1 实验材料与方法

1.1 原料

实验原料为小麦秸秆，购买自中国河南省（联丰农产品深加工有限责任公司，河南，中国），其组分含量分别为：42.97%的纤维素，20.31%的半纤维素，18.91%的木质素，10.54%的灰分以及7.27%的色素。小麦秸秆在真空干燥箱（DZF-6020 型，上海齐欣科学仪器有限公司，上海，中国）中60℃烘干后，用粉碎机（HB-XP 型，永康市小宝电器有限公司，浙江，中国）粉碎秸秆，然后将粉碎后的小麦秸秆渣在筛网中过滤，收集250～500 μm 大小的秸秆渣，用体积比2∶1的苯-乙醇溶液在索氏萃取器中抽提12 h 得到脱脂秸秆渣，在烘箱60℃烘干后放置在干燥器中备用。

1.2 水热预处理

水热预处理是在具有聚四氟乙烯内衬的不锈钢高压反应釜（西安泰康生物科技有限公司，西安，中国）中进行，配备有温度控制器，压力计，机械搅拌装置。取4 g 脱脂后的干燥秸秆渣，浸入到76 ml去离子水中，制成固液比为1∶19的秸秆渣浆液。将配制的浆液加入高温高压反应釜中，拧紧密封反应釜，加热到预设的温度（180、190、200、210、220℃，升温速率5℃·min-1）。待达到预定温度后，恒温处理10～60 min。等温加热结束后，通过冷却水将反应釜内液体迅速冷却至室温以避免延续反应。泄压后打开反应釜，收集水解液并用0.22 μm 水系滤头过滤，放置在-20℃冰箱中保存待分析。而反应后的固体残渣用去离子水洗涤抽滤3～5 次，直到抽滤液澄清为止，随后60℃烘干后放置在干燥器中。

1.3 分析测试方法

根据美国能源国家实验室制订的两步酸水解法[28]测定秸秆水热处理前后生物质原料中碳水化合物、木质素以及灰分的含量。称取0.3 g水解后的固体样品置于100 ml 水解瓶中，加入72%浓硫酸3 ml，在30℃水浴锅中保温60 min，再加入84 ml 去离子水（稀释至4%硫酸），放入高压灭菌锅中121℃保持60 min，水解结束后将水解瓶取出并冷却至室温，取1 ml 溶液用0.22 μm 水系过滤头过滤去除不溶物，将滤液稀释50 倍进入高效液相色谱仪(HPLC)（Ultimate3000，安捷伦科技有限公司，美国；HPX-87P 色谱柱）进行分析，测量液相中碳水化合物的含量，并通过单糖换算出纤维素、半纤维素含量。同时，待测原料两步酸水解后，其固相洗涤抽滤3～5次，收集后置于烘箱中烘干后称重，即为酸不溶木质素含量。酸溶木质素含量的测定是以4%稀硫酸为参比溶液，用紫外光分光光度计波长205 nm 处测量其水解溶液的吸收值，并按照式（1）计算

式中，B为酸溶木质素的含量，g·L-1；A为吸收值；D为稀释倍数。测三次取平均值。

水热预处理液体中单糖、低聚糖和降解产物的分析测定利用美国国家能源实验室制订的标准分析方法测定[28]。过滤后的水解液分为三部分，一部分溶液稀释50 倍后进入高效液相色谱测量液体中单糖的浓度；一部分进入气相色谱-质谱联用仪(GC-MS)（TRACE1300,ISQ QD,赛默飞世尔科技公司，美国；HP-5MS 色谱柱）测量水解液中糠醛的浓度；第三部分水解液用4%的硫酸在高压灭菌锅中加热到121℃保温60 min，冷却后稀释50 倍进入高效液相色谱测量单糖浓度，与第一部分的单糖浓度差即为低聚糖的浓度。测三次取平均值。

1.4 动力学分析

本研究假设木聚糖在水解过程中先被水解为低聚木糖，再被水解为木糖以及副产物，且水解速率与浓度无关只与反应条件有关。以Kobayashi等[24]提出的模型为原型，将木聚糖分为两种反应活性不同的木聚糖，一种水解速率更快，称为快速木聚糖(fast-xylan)，一种水解速率慢，称为慢速木聚糖(slow-xylan)。基于这些基础，建立动力学模型如图1所示。

图1 动力学模型Fig.Kinetic model

其中，DP是糠醛的降解产物，因为其种类很多，不能用一种物质来表示。

假设一系列的反应都是一阶不可逆的反应，溶液体积恒定，混合均匀，反应动力学方程可以描述如下

其中，k1和k2分别是快速木聚糖和慢速木聚糖的水解速率常数，k3是低聚木糖水解为木糖的速率常数，k4是木糖降解为糠醛的速率常数，k5是糠醛降解为其他副产物的速率常数。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。而木聚糖随时间的变化量定义为

其中，XR表示固体残余物中木聚糖含量，Ff是快速木聚糖占总木聚糖的份额，X0是初始木聚糖含量。

模型中的动力学常数(k1～k5)都受温度的影响，与温度的关系可以用Arrhenius 公式描述。因此，利用MATLAB 中的非线性回归程序，将实验数据拟合到动力学公式[式(2)～式(7)]中，可以计算出动力学常数k1～k5以及Ff，然后将其代入Arrhenius 公式[式(8)]中进行多元线性回归拟合，确定指前因子以及反应活化能。

2 结果与讨论

2.1 水热预处理结果分析

2.1.1 水热预处理后的秸秆残余率与化学成分 由于木质素和半纤维素对纤维素的紧密包裹是影响纤维素酶解效率和发酵产率的主要因素，因此为了克服木质纤维素结构对产糖效率的影响，需要对生物质进行适当的预处理。在本研究中，采用水热预处理的工艺来提高纤维素酶对小麦秸秆的酶解效率，经预处理后固体剩余物及组分含量如图2所示。

图2 水热预处理后固体剩余物质量及化学组分含量Fig.2 Mass and chemical composition of solid residues after hydrothermal pretreatment

图2(a)显示了不同温度水热预处理后固体残渣的剩余量，随着预处理温度的升高，固体残渣含量逐渐降低，同时，在同一预处理温度下，随着预处理时间的延长，固体残渣含量会逐渐保持稳定，说明继续增加预处理时间并不能使固体残渣的含量进一步降低。图2(b)示出了不同温度水预热处理过程中木聚糖含量的变化，在同一预处理温度下，木聚糖含量在预处理初始阶段迅速降低，而后随着预处理时间延长缓慢减少。同时，随着预处理温度的升高，木聚糖的含量也逐渐降低，当预处理温度达到200℃时，99%的木聚糖被水解。这与之前的研究相似，Santucci 等[29]报道了在预处理温度190℃、保温67 min 时有94.5%的半纤维素去除率，Yu 等[30]的研究在预处理温度180℃、保温30 min 时有85%的半纤维素去除率。木聚糖被大量水解说明，水热预处理过程中，秸秆主要的水解成分是半纤维素。图2(c)是不同温度水热预处理后纤维素含量变化，随着半纤维素被水解，纤维素含量明显增加，但是在210℃和220℃预处理温度下，纤维素含量随着保温时间的延长而下降，这是由于在高的预处理温度下，纤维素中的部分非晶纤维素被水解，导致纤维素含量降低。图2(d)显示了不同温度预处理后残渣中木质素含量变化，由图可知残渣中木质素相对含量会随着预处理温度升高和时间延长呈现增加的趋势，最大含量能达到41.53%。之前的研究也有类似的结论[31-32]。这主要是因为水热预处理条件下木质素会形成熔融态酸不溶性物质而沉积在纤维素表面，并不会在水热预处理下降解，因此随着半纤维素含量的降低，木质素相对含量增加。由以上结论可知，在水热预处理过程中小麦秸秆的失重主要是由于半纤维素的水解所致，半纤维素的水解会打破木质纤维素的结构交联，增大酶解接触面积，这有利于秸秆后续的酶解糖化。

2.1.2 水解液中物质变化分析 水解液中的低聚糖、单糖和副产物的含量测定如图3 所示。由2.1.1节的结论可知，木聚糖是水热过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产物。图3(a)示出了不同预处理温度下水解液中低聚木糖浓度变化，这些低聚糖是由2～10个单糖聚合而成的可溶性化合物。由图3(a)可知，水解液中低聚木糖在预处理开始阶段具有很高的含量，随着预处理时间的延长迅速降低。这是由于木聚糖的直接水解产物是低聚糖，单糖主要来源于低聚糖的进一步水解，因此，在反应初始阶段，低聚木糖由于木聚糖水解而大量积聚，随保温时间延长水解液中大量积聚的低聚木糖会迅速水解为木糖。在预处理温度180℃，保温10 min 时水解液中低聚木糖浓度最高(2.64 g·L-1)，但随着预处理温度升高，保温10 min 时低聚木糖的含量反而变低，这是由于随着预处理程度的加深，低聚木糖在反应初始时急剧增加，保温10 min 时低聚木糖已经开始大量水解，因此低聚木糖浓度反而降低，这与之前的研究报道相似[33]。

除了低聚糖以外，水解液中还含有大量的单糖，图3(b)显示了不同预处理温度下水解液中木糖的浓度。木糖浓度在180℃预处理条件下随保温时间持续延长，最高可达3.84 g·L-1。当预处理温度高于190℃时，木糖浓度呈现先急剧上升再下降的趋势，水解出的木糖在高温下会进一步降解为糠醛等副反应产物而消耗掉。同时，与低聚木糖浓度变化趋势相似，最大木糖浓度会随温度而下降，这是由于随着反应温度的升高，木糖积聚与降解的速率同时加快了的原因。图3(c)是水解液中糠醛浓度随预处理温度和时间的变化趋势，在180℃预处理条件下，水解液中糠醛浓度较低(0.94 g·L-1)，大部分的木糖并没有进一步降解为糠醛。当190℃水热预处理时，糠醛浓度随着预处理时间急剧增加，最高浓度可达4.79 g·L-1，而在200～220℃预处理条件下，水解液中积累的糠醛会进一步降解为乙酸等降解产物而大量消耗，糠醛的生成和降解达到稳定，水解液中糠醛浓度不再随预处理时间延长而变化。

2.2 木聚糖水解反应动力学

在秸秆水热预处理过程中，半纤维素是主要的降解组分，而木聚糖则是半纤维素的主要成分，所以，针对木聚糖水热水解过程的动力学研究可以近似地描述秸秆在水解预处理过程的成分变化及反应机理。

根据实验结果，对动力学方程式(2)～式(7)中反应速率常数进行拟合，反应动力学参数的拟合结果如表1所示。结果表明，随着反应温度的升高，快速木聚糖占总木聚糖的比例Ff由72%增加到96%，因此慢速木聚糖比例分数随之下降，这种趋势与之前的研究结果类似[22-24]。说明快速木聚糖和慢速木聚糖的比例不仅跟生物质种类有关，还与预处理温度有关。同时快速木聚糖的反应速率常数k1是慢速木聚糖反应速率常数k2的100 倍以上，说明在预处理开始阶段以快速木聚糖的水解为主，当快速木聚糖完全水解后以慢速木聚糖水解为主，因此木聚糖的含量会呈现先快速下降然后缓慢减少的趋势[图2(b)]。从表1 可知，本研究的各级反应速率常数均随着温度升高而增加，且前一级的反应速率常数总是比后一级的反应速率常数大。随着温度升高，k3与k4的比值逐渐降低，这表明随着温度升高木糖的分解速率变高，木糖的最高产量随着温度升高而降低，这与木糖的浓度变化趋势相同[图3（b）]。

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

表1 不同温度下水热预处理过程的动力学速率常数Table 1 Kinetic rate constants of hydrothermal pretreatment at different temperatures

表2 指前因子与反应活化能Table 2 Frequency factors and activation energy

根据各温度下的动力学常数利用Arrhenius 方程计算出反应活化能与指前因子，结果如表2所示。每个参数的R2都在0.94 以上，说明实验数据与动力学模型吻合良好。k1的反应活化能最小，为50.86 kJ·mol-1，说明快速降解的木聚糖降解成低聚木糖的反应最容易发生。k3的反应活化能比k4的反应活化能小，所以低聚木糖的降解比木糖的降解更容易发生。因此，随着保温时间延长，水解液中低聚木糖浓度先增加先减小，木糖的浓度后增加后减少，如图3（a）、（b）所示。k5的活化能比k4的小，这也能解释为何糠醛的浓度变化相比于木糖的浓度变化较低。因为糠醛降解的活化能小，因此生成的糠醛大部分都会降解掉，水解液中糠醛的浓度保持在稳定的值，如图3（c）所示。同时，为了验证温度与动力学参数k1～k5之间的依赖关系，绘制了lnki与T-1的关系曲线，如图4 所示。由图4 可知动力学反应速率常数与温度的相关性良好，能很好地预估不同预处理温度下各级动力学常数的变化，为水热预处理工况的设计和优化提供参考。

3 结 论

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

本研究对小麦秸秆进行水热预处理，研究其组分在水热过程中的变化规律。小麦秸秆水热预处理过程主要是木聚糖降解为低聚木糖、木糖、糠醛以及其他副产物的过程，在这个过程中，木质纤维素结构交联被打破，半纤维素几乎全部降解，纤维素和木质素的含量相对增加。根据木聚糖以及水解液中低聚木糖、木糖和糠醛的含量变化，提出反应动力学模型并拟合动力学方程获得反应过程动力学参数。模型中将木聚糖分为快速降解和慢速降解两部分,有效地说明了木聚糖含量随保温时间的变化规律，所提出的动力学路径及反应速率常数可以很好地解释低聚木糖、木糖和糠醛等降解产物含量的变化趋势，与实验数据的拟合度良好。同时验证了反应速率常数与温度的线性相关性良好，可以利用模型预估不同预处理温度下的反应动力学参数。总体来说，本研究所提出的动力学模型可用于解释水热预处理过程中木聚糖的降解和转化规律，为小麦秸秆的水热预处理工艺的设计提供指导。