李定國 ，王樹東 ，吳志莊 ，詹 鵬 ，張 林 ，陳介南 ，何 鋼

（1.中南林業(yè)科技大學(xué) a國家林業(yè)局生物乙醇研究中心；b生物環(huán)境科學(xué)與技術(shù)研究所, 湖南 長沙 410004;2. 國家林業(yè)局 竹子研究開發(fā)中心，浙江 杭州100091)

竹質(zhì)纖維的蒸汽爆破預(yù)處理研究

李定國1a,b，王樹東2，吳志莊2，詹 鵬1a,b，張 林1a,b，陳介南1a,b，何 鋼1a,b

（1.中南林業(yè)科技大學(xué) a國家林業(yè)局生物乙醇研究中心；b生物環(huán)境科學(xué)與技術(shù)研究所, 湖南 長沙 410004;2. 國家林業(yè)局 竹子研究開發(fā)中心，浙江 杭州100091)

考察了蒸汽爆破法對竹子進行預(yù)處理效果的影響。結(jié)果表明：爆破原料粉碎至0.5～1.0 cm可得爆破還原糖得率為6.85%，原料含水率為10%時可有效促進半纖維素在蒸汽爆破過程中降解和去除部分木質(zhì)素，得到還原糖得率最高，為7.95%；隨著爆破壓力增加和保壓時間延長, 爆破還原糖得率大體上逐漸提高,而劇烈的爆破條件（壓力＞3.5 MPa、時間＞240 s）下，還原糖得率會有所下降，半纖維素、纖維素、木質(zhì)素有相應(yīng)的降解，同時實驗證實汽爆壓力對爆破效果更為顯著，好的處理效果應(yīng)以高溫短時間(180 s)為佳；電鏡掃描(SEM)表明竹纖維木質(zhì)素結(jié)構(gòu)隨著壓力的增高、保壓時間延長其被破壞程度逐漸加深，纖維素結(jié)構(gòu)由致密變得疏松多孔，甚至呈蜂窩狀。

竹子；竹質(zhì)纖維；蒸汽爆破；預(yù)處理；電鏡掃描

目前燃料乙醇生產(chǎn)主要以糧食為原料，考慮到糧食安全，開發(fā)木質(zhì)纖維素等非糧乙醇技術(shù)受到國內(nèi)外廣泛重視[1]。竹子是森林資源的重要組成部分，作為世界上竹子資源最豐富的國家，我國是竹子的中心產(chǎn)區(qū)之一，素有“竹子王國”的美譽[2]。竹子是速生型植物資源，具有生長快、易繁殖、單產(chǎn)高、成本低、生產(chǎn)周期短等優(yōu)點[3]；同時竹子富含半纖維素和纖維素且廉價易得，可以代替有限的糧食作為發(fā)酵生產(chǎn)燃料乙醇的原料[4]。利用纖維素酶水解木質(zhì)生物資源轉(zhuǎn)化乙醇時，纖維素對纖維素酶的可及性是決定水解速度的關(guān)鍵因素。眾多實驗表明，不經(jīng)過預(yù)處理的天然狀態(tài)的纖維素生物資源的酶解率低于20%[5]。同時竹子具有強度高、硬度大、彈性好等特點[6]，因此，要想利用竹子，必須對物料進行預(yù)處理，增加纖維素對酶的可及性，從而有效地酶解纖維素。生物質(zhì)原料預(yù)處理的方法很多,包括物理法、化學(xué)法、物理化學(xué)法和生物法等，但普遍存在能耗大、生產(chǎn)效率低、成本高、處理時間長、有毒副產(chǎn)物對后續(xù)酶解有影響等缺點。蒸汽爆破預(yù)處理方法作為一個熱機械化學(xué)過程，在適宜條件下，可有效地分離出活性纖維，使催化劑與纖維素的可及性大大增加[7]，并且不用或少用化學(xué)藥品，對環(huán)境無污染，能耗較低[8]，因此被視為提高木質(zhì)生物資源的酶可及性的有效手段之一。目前，有關(guān)蒸汽爆破對竹子預(yù)處理的研究還未見相關(guān)報道。

本試驗主要研究蒸汽爆破原料粒徑、含水率、爆破壓力和保壓時間對爆破后纖維木質(zhì)素成分的變化、爆破還原糖得率等方面的影響，初步分析其作用機制，為木質(zhì)纖維素轉(zhuǎn)化燃料乙醇提供理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

取自廣東廣寧青皮竹，將竹子切成片狀，得到蒸汽爆破所需原料。原料的含水率為0～5%，經(jīng)檢測試樣干重含量組成為纖維素44.81%，半纖維素27.48%，木質(zhì)素22.76%。

1.2 實驗裝置

本研究使用的爆破設(shè)備是由鶴壁市正道重型機械廠研發(fā)的蒸汽爆破試驗臺——QBS-80型汽爆分析試驗臺，該設(shè)備分為燃?xì)饧訜嵫b置、蒸汽爆破腔、蒸汽發(fā)生器、收集腔和輔助控制系統(tǒng)等部分。

1.3 試驗與方法

1.3.1 竹子預(yù)處理

在蒸汽爆破裝置的爆破反應(yīng)器中填裝竹子片；開啟蒸汽發(fā)生器，蒸汽到達(dá)預(yù)設(shè)溫度后即可通入爆破反應(yīng)器；在預(yù)設(shè)蒸汽壓力下維壓不同時間，瞬間釋放壓力，爆破完成，將爆破液和爆破渣一起干燥，爆破渣烘干至無水,收集備用。

1.3.2 分析方法

纖維木質(zhì)素成分含量測定采用質(zhì)量減重法[9]，木質(zhì)纖維素內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化程度的分析采用電鏡掃描(SEM))觀察[10]。還原糖含量測定采用3，5-二硝基水楊酸法(DNS法)[11]。

2 結(jié)果與分析

2.1 原料粒度對蒸汽爆破預(yù)處理效果的影響

2.1.1 不同粒徑原料蒸汽爆破后的主要成分

從圖1可知，爆破后半纖維素含量大幅度降低，隨著粒度的減小而減少，＜0.5 cm的半纖維素降低明顯，由爆破前的27.48%降至11.38%。但原料的大小變化對爆破后半纖維素含量影響并不明顯，維持在11.38%～13.76%，在1.0～2.0 cm以下半纖維素組分的差異不大，表明顆粒在小于1.0 cm時蒸汽爆破的效果基本相同，沒必要將竹子過度粉碎，減少磨碎需要的能耗。原料粒徑由大變小，纖維素含量有所下降，由2.0～3.0 cm的46.64%降到了＜0.5 cm的38.78%。木質(zhì)素的含量隨粒度的減小而增大，在＜1.0～2.0 cm時變化很小，但粒徑達(dá)到2.0～3.0 cm時，木質(zhì)素含量為24.14%，木質(zhì)素的去除效果較差，將不利于后續(xù)的酶解發(fā)酵的進行。

圖1 不同粒徑對竹子蒸汽爆破的影響Fig. 1 Effects of different particle diameter on bamboo steam explosion

2.1.2 不同粒度原料蒸汽爆破后的還原糖得率

還原糖得率隨著竹子逐漸變大先升高后降低，粒徑為＜0.5、0.5～1.0、1.0～2.0 cm時差異很小，分別為6.26%、6.85%、6.43%，而粒徑為2.0～3.0 cm時迅速降到0.28%。這是因為粒徑小的物料表面積大，傳熱阻力小，在同等處理強度下，高壓蒸汽滲透速率快，受熱程度較均勻。但粒徑過小并不適宜進行蒸汽爆破預(yù)處理，這是因為受熱程度太過劇烈會導(dǎo)致更多木糖和阿拉伯糖的降解以及產(chǎn)生醛等抑制物，而且過小的物料顆粒粉碎時能耗大。結(jié)合爆破渣成分的變化和還原糖得率綜合考慮，建議爆破竹子以0.5～1.0 cm為宜。

“4 道程序”：開發(fā)設(shè)計專題班課程，組織教師專家研發(fā)課程或采購針對性的課程，開設(shè)在線學(xué)習(xí)專題班在集團范圍招生，運用數(shù)據(jù)進行分析、管理與反饋。

2.2 原料含水率對蒸汽爆破預(yù)處理效果的影響

2.2.1 不同含水率原料蒸汽爆破后成分變化

由圖2可以看出，3組分隨含水率的增加變化趨勢是一致的，都逐漸升高，在30%以下差異很小，30%以上較大，半纖維素從含水率30%的12.87%升到70%的27.94%，原因為隨著含水率的增加，減少了半纖維素的去除而使得其含量相應(yīng)增加。木質(zhì)素從含水率30%的13.45%升到70%的24.03%，而纖維素隨含水率的改變其成分變化非常小，維持在43.84%～45.88%之間。

圖2 不同含水率對竹子蒸汽爆破的影響Fig. 2 Effects of different mositure content on bamboo steam explosion

2.2.2 不同含水率生物質(zhì)蒸汽爆破后的還原糖得率

由圖3所示，爆破原料含水率10%至70%的爆破渣還原糖得率呈現(xiàn)出了線性的關(guān)系，這對竹子爆破在選擇含水率時有著重要的意義。原因為提高物料濕度，有助于蒸爆物料充分溶脹從而提高汽爆效果。但濕度過高(＞30%)會使蒸爆的效果變差，其原因為原料內(nèi)部的空隙被過多的水分子占據(jù)，而降低了傳質(zhì)效率使高壓蒸汽難以滲入，達(dá)不到爆破處理強度。

圖3 含水率對蒸汽爆破后還原糖得率的影響Fig. 3 Effects of mositure content on reduced sugar yield after explosion

2.3 爆破壓強與保持壓強時間（保壓時間）共同對預(yù)處理效果的影響

通過蒸汽爆破來處理竹子，是借助適當(dāng)壓力的蒸汽在爆破缸內(nèi)對物料進行加熱和滲透，然后瞬時將物料置于較小壓力下來達(dá)到半纖維素、纖維素和木質(zhì)素組分分離的過程，故決定蒸爆效果的主要參數(shù)為蒸汽爆破時的蒸汽壓力和維持壓力的時間。

本實驗前期研究已經(jīng)做過對單因素爆破壓力和保壓時間的探索，現(xiàn)對壓力的3個水平（2.5、3.0、3.5 MPa）、保壓時間的3個水平（120、180、240 s）進行爆破，分析爆破壓力和保壓時間共同對爆破效果的影響。

2.3.1 蒸汽壓力、保留時間對纖維木質(zhì)素成分影響

（1）對爆破后半纖維素的影響

圖4 爆破壓力對半纖維素的影響Fig. 4 Effects of steam exploded pressure on hemicellulose

（2）對爆破后纖維素的影響

如圖5所示，在2.5 、3.5 MPa時隨著時間的延長，纖維素含量有微小變化，3.0 MPa在180 s時纖維素含量最高，為47.62%，保壓時間延續(xù)至240 s時，迅速下降到了39.01%，表明此壓力下，延長保壓時間能大幅度地促進纖維素的降解。對于相同的保壓時間，不同的壓力規(guī)律不一致，120 s時纖維素隨壓力增加而逐漸減少。180 s、3.0 MPa下纖維素比重最高，原因是半纖維素和木質(zhì)素的降解使得纖維素比重升高，而較大壓力3.5 MPa時各組分都有相應(yīng)的降解，故纖維素含量也不會很高。維壓為240 s時，蒸汽壓力3.0 MPa下纖維素含量最低，為39.01%，表明此時的保壓時間下能很好地降解纖維素。雖然壓力3.5 MPa和保壓時間240 s下的纖維素含量不低，但鑒于能耗隨壓力的升高和保壓時間的延長而增加，它不一定就是最好條件。

圖5 爆破壓力對纖維素的影響Fig. 5 Effects of steam exploded pressure on cellulose

（3）對爆破后木質(zhì)素的影響

如圖6所示，在壓力2.5與3.0 MPa 下木質(zhì)素含量伴隨保壓時間延長而降低，3.0 MPa下的變化曲線更為明顯。這表明在蒸汽爆破過程中，適當(dāng)壓力下延長保壓時間有助于木質(zhì)素的降解。壓力3.5 MPa下在120～240 s內(nèi)木質(zhì)素含量差異很小，只是在240 s時因為半纖維素大幅度降解而有所微小提升，說明此壓力下得到木質(zhì)素含量隨著保壓時間的延長相對比較穩(wěn)定。對于相同的保壓時間180、240 s呈現(xiàn)的規(guī)律是一樣的，隨著壓力變大而木質(zhì)素含量降低，并且3.0～3.5 MPa降幅明顯比2.5～3.0 MPa大，說明提高壓力能促進木質(zhì)素的去除。在120 s時壓力3.0 MPa下木質(zhì)素含量比2.5 MPa略高，因為3.0 MPa時半纖維素和纖維素比2.5 MPa降解得多，而3.5 MPa較大的壓力則能大幅度降解木質(zhì)素的緣故。3.5 MPa在不同保壓時間木質(zhì)素最低，分別為11.05%、10.63%、11.29%，對于3.5 MPa保壓時間持續(xù)到240 s時木質(zhì)素含量有所提高。除了是因為大部分半纖維素水解而使木質(zhì)素百分比增加外，水解過程中產(chǎn)生的羥甲基糠醛和糠醛抑制物在酸性環(huán)境下反應(yīng)形成假木質(zhì)素（類似木質(zhì)素結(jié)構(gòu)）也是引起木質(zhì)素增加的主要因素[13]?？傮w上認(rèn)為，提高壓力比、延長保壓時間對去除木質(zhì)素的效果要好。

2.3.2 蒸汽壓力、保留時間對還原糖得率的影響

從圖7可知，還原糖得率在不同壓力下隨保留時間變化表現(xiàn)不完全一致。當(dāng)爆破時間一樣時，還原糖得率呈現(xiàn)的規(guī)律是一致的，3.0 MPa＞2.5 MPa＞3.5 MPa，并且3.0～3.5 MPa變化幅度要比2.5～3.0 MPa大。在壓力2.5 MPa下變化較小，一旦壓力達(dá)到了3.0 MPa，還原糖得率迅速升到最大值后降到3.5 MPa的最低值。這是由于較低的汽爆壓力（如2.5 MPa）下纖維木質(zhì)素被破壞的內(nèi)部結(jié)構(gòu)有限，纖維素和半纖維素只是部分降解為單糖，得到木糖及少量葡萄糖；3.0 MPa時因為水蒸汽滲透進入纖維素內(nèi)部結(jié)構(gòu)能使部分半纖維素中乙?；鶊F水解而形成有機酸，如糠醛酸和乙酸。這些酸成為催化劑又加快了半纖維素的分解，而太高的壓力（3.5 MPa）容易使已經(jīng)降解生產(chǎn)的單糖進一步分解，故還原糖降低[14]。當(dāng)保壓時間不同時，2.5 MPa下隨保留時間增加還原糖得率逐漸增加，3.0 MPa下隨著保壓時間的延長還原糖得率呈現(xiàn)先升后降的規(guī)律，在180 s還原糖得率達(dá)到最高（7.93%），3.5 MPa下隨保留時間延長還原糖得率表現(xiàn)出迅速遞減的規(guī)律。這是由于保壓時間的延長，纖維素和半纖維素開始降解，還原糖得率上升，但在高溫高壓的條件下，木質(zhì)素、纖維素、半纖維素降解產(chǎn)物可能會進一步分解成乙酸、5-羥甲基糠醛、糠醛、酚類化合物等[15]，還原糖得率降低，這和過高的爆破壓力下還原糖得率低是相似的。還原糖得率最高值（7.93%）取得于壓力3.0 MPa、保留時間180 s條件下，其次是壓力3.0 MPa、維壓時間120 s下的7.30%。

圖6 爆破壓力對木質(zhì)素的影響Fig.6 Effects of steam exploded pressure on lignin

圖7 蒸汽爆破壓力和保留時間對還原糖得率的影響Fig. 7 Effects of steam exploded pressure and retained time on reduced sugar yield

2.4 電鏡掃描

Chen[16]SEM掃描得到麥草蒸汽爆破后的照片，發(fā)現(xiàn)麥草經(jīng)汽爆后半纖維素及部分木質(zhì)素降解成低分子物質(zhì)，纖維素變?yōu)橐子诤罄m(xù)酶解的疏松多孔結(jié)構(gòu)，本實驗得出類似的結(jié)果。

圖8 蒸汽爆破竹子掃描電鏡照片F(xiàn)ig. 8 SEM picture of steam exploded bamboo

從圖8可知，竹子在經(jīng)汽爆預(yù)處理前表面光滑，纖維整齊排列且無明顯的孔隙和破損，結(jié)構(gòu)致密。在相同保壓時間120 s時，隨著汽爆壓力的增加，竹子爆破后結(jié)構(gòu)破壞程度加劇，大部分細(xì)胞壁在3.0 MPa壓力時被破壞，部分的半纖維溶出，竹子表面出現(xiàn)了斷裂的木質(zhì)纖維素成分，不再有有序排列的單纖維束，竹子表面的孔隙度有所增多；而3.5 MPa壓力下汽爆的竹子表面幾乎看不到排列的纖維，已經(jīng)呈現(xiàn)出蜂窩狀結(jié)構(gòu)，且結(jié)構(gòu)松軟，表明竹子被破損的程度和溶出半纖維素的程度隨蒸汽壓力增大而加劇。在同樣的3.0 MPa爆破壓力、保壓時間為120、240 s時的SEM照片可知，爆破后的竹子表面隨壓力的變化要比隨保壓時間的變化更加明顯。保壓時間為120 s時表面出現(xiàn)了部分的碎片，而240 s時表面碎片變得更加細(xì)小模糊，但表面的孔隙度及纖維束的排列狀況變化有限。這表明對于破壞竹子結(jié)構(gòu)，保壓時間的作用不是很明顯，但隨著保壓時間的延長，附著在竹子表面的大部分碎片類物質(zhì)如半纖維素等被降解和溶解。總體來講，在爆壞破碎竹子結(jié)構(gòu)程度上，保壓時間要比蒸汽壓力的作用小。

樣品經(jīng)過預(yù)處理后有疏松的表面，且出現(xiàn)層層脫離現(xiàn)象，孔徑加多、加大，有助于樣品比表面積的增大，結(jié)構(gòu)的這些改變均促進纖維素酶的酶解，是提高纖維質(zhì)酶水解率的基礎(chǔ)。

3 結(jié) 論

(1)蒸汽爆破預(yù)處理時，原料粉碎至0.5～1.0 cm不僅減少了因原料粉碎過細(xì)而過多消耗能量，又能適度破壞竹子內(nèi)部結(jié)構(gòu)，得到較高還原糖得率，為6.85 %。

(2)原料含水率在10%時可有效促進半纖維素在蒸汽爆破過程中溶出，去除部分木質(zhì)素，得到還原糖得率最高（7.95%），半纖維素和木質(zhì)素由70%的27.94%、24.03%分別降到了10%含水率的13.65%、14.42%。

(3)隨著爆破壓力的增加和保壓時間的延長,爆破渣還原糖得率大體上逐漸提高,半纖維素、纖維素、木質(zhì)素有相應(yīng)地降解，同時實驗證實汽爆壓力對爆破效果更為顯著。

(4)對不同壓力、保壓時間下的爆破渣進行SEM電鏡掃描，SEM觀察發(fā)現(xiàn)去纖維化隨著壓力的增高和時間的延長而加劇，提高了纖維素的粗糙度和增加孔隙結(jié)構(gòu)，將有利于后續(xù)酶解。

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Study on steam explosion pretreatment of bamboo lignocellulose

LI Ding-guo1a,b, WANG Shu-dong2, WU Zhi-zhuang2, ZHAN Peng1a,b, ZHANG Lin1a,b, CHEN Jie-nan1a,b, HE Gang1a,b
(1a. Bioethanol Research Center Attached to State Administration of Forestry;b. Institute of Biological and Environmental Science& Technology Forestry, Central South University of Forestry and Technology, Changsha 410004, Hunan, China; 2. Forestry Bamboo Research and Development Center Attached to State Administration of Forestry, Hangzhou 100091, Zhejiang, China)

The effects of steam explosion on bamboo pretreatment were examined. In terms of effectiveness for steam explosion,after the raw materials were ground to 0.5～1.0 cm, the explosion reduced sugar yield was 6.85%. The moisture content of 10% was favorable for the degradation of hemicellulose and partial removal of lignin in the process of steam explosion, thus producing the highest reduced sugar yield of 7.95%. Along with the increases in explosion pressure and duration, the reduced sugar yield substantially and gradually increased, but under severe explosion conditions (pressure ＞ 3.5 MPa, time ＞ 240 s), the reduced sugar yield declined, with corresponding degradation of hemicellulose, cellulose, and lignin. The steam explosion pressure was shown to be more signif i cant than duration on explosion effect, therefore high temperature and short time (180s) are preferred for good treatment effect. The scanning electron microscopy (SEM) shows that the extent of damage to lignocellulose structure increased gradually with the increases of explosion pressure and duration, the lignocellulose structure changed from dense to loose and porous, and even to honeycomb-like.

bamboo; bamboo fi ber; steam explosion; pretreatment; scanning electron microscopy

S781.9

A

1673-923X(2013)05-0114-06

2012-12-16

國家公益性行業(yè)科研專項 (編號201004001)；國家948項目(編號2012-4-10)；湖南省科學(xué)技術(shù)廳科技計劃重點項目（編號2011WK2001）；常德市科學(xué)技術(shù)局技術(shù)研究與開發(fā)資金項目（編號2011GK06）

李定國（1987-），男，廣西桂林人，碩士研究生，研究方向為酶工程、發(fā)酵工程、生物化學(xué)；Tel：18711075210；

E-mail：lidingguo1108@163.com

陳介南（1961-），男，美國佛羅里達(dá)州人，教授,博士，博士生導(dǎo)師，研究方向為生物能源、生物環(huán)境、生物納米的研究；

E-mail：chenjnx@gmail.com

[本文編校：謝榮秀]