劉 婧，劉海棠,2,3

(1.中國(guó)輕工業(yè)造紙與生物質(zhì)精煉重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津市制漿造紙重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津科技大學(xué)輕工科學(xué)與工程學(xué)院，天津300457；2.中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院林產(chǎn)化學(xué)工業(yè)研究所，江蘇省生物質(zhì)能源與材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京210042；3.天津市海洋資源與化學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(天津科技大學(xué))，天津300457)

資源短缺和能源匱乏是現(xiàn)在全球面臨的共同問(wèn)題。據(jù)專(zhuān)家推斷，現(xiàn)在世界上所有已知儲(chǔ)備量的化石類(lèi)能源，如煤炭、石油等，在200年之內(nèi)將全部耗盡[1]。在被能源及環(huán)境問(wèn)題限制了全球造紙工業(yè)發(fā)展的背景下，生物質(zhì)精煉的發(fā)展成為不可抵擋之勢(shì)。在美國(guó)能源部的支持下，美國(guó)林產(chǎn)與造紙工業(yè)協(xié)會(huì)（American Forest and Paper Association,AF&PA）制訂了2020年發(fā)展規(guī)劃[2]，提出了“高效組合的林產(chǎn)品生物精煉”（integrated forest products biorefinery,IFBR）的概念，核心是整合全部的生物質(zhì)原料，比如木材纖維等，并通過(guò)能源轉(zhuǎn)化、包裝等手段充分發(fā)揮利用其自身的價(jià)值[3]。制漿造紙產(chǎn)業(yè)會(huì)消耗大量的生物質(zhì)資源（主要是木、竹、草等），在其所有的工序中，除了纖維素以紙漿的形式被有效地使用之外，大部分半纖維素和木質(zhì)素都以廢液的形式被排出或焚燒，不僅增加了環(huán)境負(fù)荷，還浪費(fèi)了大量的生物質(zhì)資源。在全球資源不足和能源危機(jī)的背景下，生物質(zhì)精制的概念被用于改變傳統(tǒng)的造紙產(chǎn)業(yè)，特別預(yù)水解液的增值化利用給傳統(tǒng)造紙行業(yè)帶來(lái)了額外的利潤(rùn)。

預(yù)水解液的成分比較復(fù)雜，包括低聚木糖、木糖、木質(zhì)素、甲酸、乙酸和糠醛等。其中，木糖含量最高，是生產(chǎn)糠醛的最主要原材料，擁有很高的潛在價(jià)值。木素作為預(yù)水解液中僅次于木糖的成分，也擁有重要的商業(yè)價(jià)值，它本身就是一種天然的膠黏劑和黏合劑，經(jīng)過(guò)加工還可以制備成為燃料；在生產(chǎn)無(wú)煙煤和無(wú)硫固體燃料的原料中，木素就占了一定比例。乙酸是預(yù)水解物中的重要成分，主要用于生產(chǎn)乙醇、乙酸酐、乙酸鹽和乙酸纖維素等[4]。另外，乙酸在工業(yè)中的應(yīng)用十分廣泛，在生產(chǎn)藥物、殺蟲(chóng)劑等領(lǐng)域有十分重要的應(yīng)用。倪永浩等[5]嘗試研究乙酸在工業(yè)生產(chǎn)中的循環(huán)利用，以預(yù)水解液為原料，用三辛胺/正辛醇體系萃取乙酸，再用氫氧化鈉反萃取，回收乙酸，并且取得了不錯(cuò)的成效。

與預(yù)水解液中的其他物質(zhì)相比，糠醛的含量是比較低的，但是這并不影響糠醛擁有最高的價(jià)值，其是化工領(lǐng)域30 種高價(jià)值基礎(chǔ)化學(xué)品之一。Di Blasi等[6]進(jìn)行生產(chǎn)糠醛的實(shí)驗(yàn)，以幾種闊葉木、針葉木及農(nóng)作物秸稈等作為原料進(jìn)行分析比對(duì)，結(jié)果表明用玉米芯生產(chǎn)糠醛的效果最好。分析得出玉米芯生產(chǎn)糠醛效果最好的原因是，玉米芯中擁有大量的半纖維素，而半纖維素的水解產(chǎn)物主要是木糖。

本文結(jié)合已有研究結(jié)果，以桉木預(yù)水解液為原料，在漆酶/木聚糖酶協(xié)同作用下去除部分木素，同時(shí)降解低聚木糖為木糖；然后以硫酸為催化劑對(duì)生產(chǎn)糠醛的工藝條件進(jìn)行研究，以期探究糠醛生產(chǎn)的最適條件，實(shí)現(xiàn)造紙廢液的高值化利用，減少對(duì)環(huán)境的污染。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 原料和試劑

桉木預(yù)水解液(PHL)由山東太陽(yáng)紙業(yè)提供。濃硫酸，分析純，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；葡萄糖、阿拉伯糖、木糖、糠醛，色譜純，Sigma-Aldrich 公司；木聚糖酶(NS51024)、漆酶(OMN07015)，諾維信生物技術(shù)有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

YA28X－4T 型立式壓力蒸汽滅菌器、HHS-21-4型電熱恒溫水浴鍋、HHS-21-4 型高溫高壓反應(yīng)釜，上海博訊有限公司；DKM610C 型電熱鼓風(fēng)干燥箱，日本雅馬拓公司；SHB－III 型循環(huán)水式多用真空泵，鄭州長(zhǎng)城科工貿(mào)易有限公司；AR2140 型電子天平、STARTER3100 型酸度計(jì)，奧豪斯儀器(常州)有限公司；1200 series 型高效液相色譜儀，德國(guó)愛(ài)捷倫公司；FTIR-650 型傅立葉紅外光譜分析儀，天津港東科技發(fā)展股份有限公司；SL-200PL 型移液槍?zhuān)诽乩铡ね欣鄡x器有限公司；T6 新世紀(jì)型紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)，北京普析儀器有限責(zé)任公司。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 預(yù)水解液組分分析

（1）單糖及糠醛含量的測(cè)定：量取10 mL PHL于50 mL 錐形瓶中，向其中加入378 μL 72%的硫酸進(jìn)行酸化；用錫箔紙將錐形瓶進(jìn)行封口，在高壓蒸汽滅菌鍋中將錐形瓶放置于最上層，覆蓋牛皮紙；設(shè)定溫度為121 ℃，時(shí)間為60 min，進(jìn)行高壓滅菌。滅菌的PHL 過(guò)0.22 μm 濾膜后用液相色譜儀測(cè)定。

（2）木素含量的測(cè)定：PHL 用去離子水稀釋一定倍數(shù)后過(guò)0.22 μm 的濾膜，以去離子水作為空白組，用紫外分光光度計(jì)測(cè)定205 nm 波長(zhǎng)處的吸收值（TAPPI，UM250）。根據(jù)式（1）計(jì)算木素含量。

式中：ε 為吸收系數(shù)，取110 L/(g·cm)；D 為稀釋倍數(shù)；A 為吸光度；L 為1 cm 比色皿的厚度；w 為木素含量。

（3）標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)的繪制：

（a）葡萄糖、木糖、阿拉伯糖標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)的繪制方法：稱(chēng)取葡萄糖、木糖標(biāo)準(zhǔn)品各0.2 g，阿拉伯糖0.15 g放入離心管中，補(bǔ)加流動(dòng)相至20 g，編號(hào)為B1，待完全溶解后進(jìn)行濃度梯度稀釋?zhuān)♂尯蟮臉悠贩謩e過(guò)0.22 μm 的濾膜，編號(hào)分別為B2、B3、…、B8，用液相分別測(cè)得其峰面積，以濃度(mg/g)為橫坐標(biāo)、峰面積為縱坐標(biāo)，繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)。

（b）糠醛標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)的繪制方法：稱(chēng)取0.2 g 糠醛于離心管中，向離心管中補(bǔ)加流動(dòng)相至20 g，編號(hào)為F1，搖勻后進(jìn)行濃度梯度稀釋?zhuān)♂尯蟮臉悠贩謩e過(guò)0.22 μm 的濾膜，編號(hào)分別為F2、F3、…、F8，用液相分別測(cè)得其峰面積，以濃度(mg/g)為橫坐標(biāo)、峰面積為縱坐標(biāo)，繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)，過(guò)程中注意遮光處理。

1.3.2 漆酶處理預(yù)水解液

（1）漆酶處理時(shí)間的確定：量取30 mL PHL 于50 mL 錐形瓶中，參考Wang 等[7]的研究，選用漆酶用量10 μL/mL 和溫度36 ℃的實(shí)驗(yàn)條件，且在恒溫?fù)u床150 r/min 轉(zhuǎn)速下分別處理0.5、1、2、3、4、5 h，然后滅活，過(guò)0.22 μm 的濾膜后待測(cè)，此時(shí)的預(yù)水解液記為L(zhǎng)-PHL。

（2）木素去除率的測(cè)定：木素去除率根據(jù)式（2）計(jì)算。

式中：w 為原水解液木素的含量；w′為漆酶處理后水解液木素的含量。

（3）木素紅外光譜分析：稱(chēng)取（0.001 0±0.000 2）g干燥后的漆酶處理后PHL 中析出的固體，加入（0.10±0.02）g 烘干的KBr，在瑪瑙研缽中充分研磨后壓片，空氣為背景，在檢測(cè)范圍為400～4 000 cm-1，分辨率為4 cm-1條件下掃描樣品。

1.3.3 木聚糖酶處理預(yù)水解液

通過(guò)初步實(shí)驗(yàn)確定了木聚糖酶對(duì)L-PHL 的作用條件。將L-PHL 轉(zhuǎn)移至燒杯中，繼續(xù)向其中加入2 mL 的木聚糖酶，在溫度為70 ℃、轉(zhuǎn)速150 r/min的條件下于恒溫?fù)u床中反應(yīng)2 h，然后經(jīng)滅活過(guò)0.22 μm 濾膜待測(cè)，此時(shí)的預(yù)水解液記為X-PHL。1.3.4 糠醛的制備

（1）取200 g 左右的X-PHL 于燒杯中，向其中加入98%的硫酸，使酸的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%，混勻。

（2）在高壓反應(yīng)釜中加入約2/3 體積的（1）中的混勻水解液，設(shè)定溫度為180 ℃，轉(zhuǎn)速為90 r/min，最大壓力15 MPa。

（3）等待儀器溫度升到180 ℃開(kāi)始保溫，保溫時(shí)間為90 min。

（4）保溫結(jié)束后將溫度調(diào)節(jié)至40 ℃，待降溫結(jié)束后將儀器拆卸，轉(zhuǎn)移液體至燒杯中，清洗儀器。

（5）用注射器吸取燒杯中液體，通過(guò)0.22 μm 濾膜，注射于液相小瓶中待測(cè)。

1.3.5 木糖轉(zhuǎn)化率及糠醛得率的計(jì)算

L-PHL 經(jīng)木聚糖酶處理后木糖轉(zhuǎn)化率依據(jù)式（3）計(jì)算。

X-PHL 在硫酸催化作用下所制備的糠醛得率依據(jù)式（4）計(jì)算。

2 結(jié)果與分析

2.1 預(yù)水解液組分分析

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)計(jì)算預(yù)水解液中各組分含量如表1所示。

表1 預(yù)水解液中各組分含量

2.2 漆酶處理預(yù)水解液

2.2.1 漆酶處理的最適時(shí)間

漆酶處理時(shí)間與木素去除率的關(guān)系如圖1所示。由圖1 可以看出：在酶用量、溫度等因素確定的條件下，隨著漆酶作用時(shí)間的變化，其對(duì)PHL 中木質(zhì)素的誘導(dǎo)聚合去除效果愈加明顯。作用時(shí)間達(dá)2 h 后木素去除效果基本不變，因此選取2 h 為漆酶作用PHL去除木素的最佳時(shí)間，此時(shí)的木素去除率達(dá)43%。

圖1 漆酶處理時(shí)間與木素去除率的關(guān)系

2.2.2 漆酶處理前后PHL 中各組分的變化

漆酶處理前后PHL 中各組分含量變化如表2所示。由表2 可以看出：經(jīng)過(guò)漆酶處理后，PHL 中木素的含量由4.14%下降到了2.36%，木素的去除率達(dá)到了43%，溶液中各糖組分的含量沒(méi)有發(fā)生大幅度的變化，葡萄糖、木糖、糠醛的含量有小幅度的增加，而阿拉伯糖則略微減少。根據(jù)以上數(shù)據(jù)的分析，漆酶對(duì)PHL 中的木素有著選擇吸附使得木素聚合的作用，這與Bourbonnais 等[8]的研究結(jié)果一致。

表2 漆酶處理前后PHL中各組分含量的變化

2.2.3 紅外光譜分析

加入漆酶后燒杯中析出固體與加入木聚糖酶后析出固體的紅外光譜圖相似，所以只分析加入漆酶后析出固體的紅外光譜圖，見(jiàn)圖2。

圖2 木素的紅外光譜圖

由圖2 木素的紅外光譜圖分析可知，3 429 cm-1是羥基的特征吸收峰；2 932 cm-1是—CH2—的特征吸收峰；1 542 cm-1、1 514 cm-1、1 422 cm-1為木素苯環(huán)骨架振動(dòng)特征吸收峰；1 458 cm-1是CH3—O 的吸收峰；1 215 cm-1是木素結(jié)構(gòu)中C—C、C—O、C=O 的振動(dòng)吸收峰，以上吸收峰說(shuō)明漆酶法處理預(yù)水解液后的析出固體為木素。

付時(shí)雨[9]和宋麗巖[10]經(jīng)過(guò)對(duì)木素的紅外光譜進(jìn)行分析和比對(duì)得出結(jié)論，如果在制漿或者漂白的過(guò)程中出現(xiàn)了碳水化合物的氧化反應(yīng)，則在光譜圖的1 730 cm-1處出現(xiàn)吸收峰。而在本實(shí)驗(yàn)所得的光譜圖里，在1 730 cm-1沒(méi)有相關(guān)峰生成，這說(shuō)明溶液中沒(méi)有發(fā)生氧化反應(yīng)，即漆酶除木素不會(huì)引起氧化反應(yīng)的生成，并且從漆酶的作用機(jī)理進(jìn)一步分析可知，相比PHL 中的其他組分漆酶對(duì)木素有選擇吸附的作用，具有除木素的專(zhuān)一性。

2.3 木聚糖酶處理L-PHL

木聚糖酶處理前后預(yù)水解液組分的變化如表3所示。木聚糖酶處理L-PHL 只對(duì)其中糖類(lèi)起作用，主要是L-PHL 中的單糖組分葡萄糖、木糖、阿拉伯糖，對(duì)其他組分無(wú)明顯效果，所以表3 中僅涉及相關(guān)單糖含量，尤其是木聚糖在木聚糖酶作用下降解成木糖的含量，以及后續(xù)實(shí)驗(yàn)中糠醛含量的變化。

表3 木聚糖酶處理前后預(yù)水解液各組分含量的變化

由表3 可以看出：葡萄糖、木糖、阿拉伯糖的含量都增加了，其中葡萄糖增加最多，木糖和阿拉伯糖的增加率也達(dá)到了20%以上，而糠醛略微減少。糖含量的變化說(shuō)明溶液中加入的木聚糖酶不僅作用于主鏈的β-1,4-糖苷鍵水解木聚糖分子，而且作用于木聚糖中阿拉伯糖側(cè)鏈殘基等，最終將木聚糖轉(zhuǎn)化為它的組成單糖。

2.4 制備糠醛

經(jīng)過(guò)在高壓反應(yīng)釜中的反應(yīng)后，預(yù)水解液中各組分含量變化如表4所示。由表4 可以看出：反應(yīng)后的糠醛含量大幅增加，阿拉伯糖含量有小幅增加，而葡萄糖含量略微降低，木糖含量大幅減少。由此可以得出結(jié)論，在以酸為催化劑時(shí)，溶液中的木糖大部分轉(zhuǎn)化為糠醛，有一少部分會(huì)轉(zhuǎn)化為阿拉伯糖。

表4 制備糠醛前后預(yù)水解液中各組分含量的變化

根據(jù)式（1）和式（2）計(jì)算可得：糠醛得率只有56.95%；木糖轉(zhuǎn)化率較高，為89.8%。導(dǎo)致這種現(xiàn)象的原因可能有：當(dāng)溶液中含有硫酸時(shí)，生成的糠醛可能會(huì)發(fā)生磺化反應(yīng)，導(dǎo)致已經(jīng)在溶液中的糠醛發(fā)生副反應(yīng)，降低了糠醛的得率。Zeitsch[11]的研究也證實(shí)了這一點(diǎn)，硫酸會(huì)與溶液中生成的糠醛發(fā)生反應(yīng)，使得實(shí)驗(yàn)結(jié)果中的得率較低。根據(jù)反應(yīng)結(jié)果分析得到的糠醛轉(zhuǎn)化率低的原因還可能是糠醛自身的降解反應(yīng)。Williams 等[12]曾定量地分析了糠醛在硫酸作反應(yīng)催化劑時(shí)損失反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)，研究表明糠醛的降解率不僅與氫離子濃度成比例關(guān)系，而且反應(yīng)溫度和糠醛濃度都會(huì)對(duì)其造成影響，該降解反應(yīng)為一級(jí)反應(yīng)。

3 結(jié)論

（1）在本實(shí)驗(yàn)條件下用漆酶處理預(yù)水解液除木素，最佳的處理時(shí)間為2 h。

（2）木聚糖酶處理L-PHL 后，在硫酸催化作用下木糖的轉(zhuǎn)化率為89.8%，糠醛的得率為56.95%。在漆酶/木聚糖酶雙功能作用下，木糖未能全部轉(zhuǎn)化為糠醛，可能有部分轉(zhuǎn)化為了阿拉伯糖。