李由，吳越，鐘禹，林琦璇，任俊莉

（華南理工大學(xué)輕工科學(xué)與工程學(xué)院制漿造紙工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510640）

木質(zhì)纖維素類生物質(zhì)是世界最豐富的可利用有機(jī)資源[1]。我國(guó)農(nóng)業(yè)生物質(zhì)資源豐富（如秸稈和玉米芯等），富含半纖維素組分[2-3]，是木糖的主要來(lái)源之一[3]。木糖可作為具有食品保健功能的甜味劑，可以進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為化工原料糠醛[4]，還可以通過(guò)發(fā)酵轉(zhuǎn)化為液體燃料乙醇[5]。

目前，木質(zhì)纖維素制備木糖的方法眾多，以酸解為主。Ouyang 等[6]采用88%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的甲酸在固液比1∶10、100℃下處理芒草3h，木糖得率為74.90%。Luo 等[7]發(fā)現(xiàn)，采用1g Al2(SO4)3·18H2O、100mL H2O 預(yù)處理4g 玉米秸稈原料（130℃、4h），90.2%的半纖維素被選擇性溶解并進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為85.1%的木糖。Ji 等[8]在硫酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%、溫度為140℃的條件下水解麥秸90min，木糖得率為91.5%。Zheng等[9]結(jié)合螺旋擠出機(jī)處理蒸汽爆破后的玉米芯，在操作時(shí)間1.5h、壓力1.1×103kPa的情況下，木糖得率為80%。Loow等[10]用氯化膽堿（尿素和CuCl2組合）預(yù)處理油棕，在4h、120℃下，木糖得率為74%（14.76g/L）。以上不同預(yù)處理雖然效果較好，但存在預(yù)處理時(shí)間過(guò)長(zhǎng)、預(yù)處理步驟繁雜甚至預(yù)處理?xiàng)l件苛刻等問(wèn)題。此外，上述研究中木質(zhì)素和纖維素發(fā)生大量降解，組分拆解選擇性低，還存在對(duì)后續(xù)發(fā)酵有抑制作用的副產(chǎn)物[11]。因此探索一種半纖維素高選擇性拆解的預(yù)處理方法是十分必要的。

無(wú)機(jī)熔鹽水合物作為一種類離子液體狀體系，制備容易且價(jià)格低廉，具有不易揮發(fā)、無(wú)毒性且環(huán)境友好性[12]。無(wú)機(jī)熔鹽水合物可以作為溶解纖維素等多糖的介質(zhì)[12]，但由于木質(zhì)纖維原料存在天然抗降解屏障，阻礙了無(wú)機(jī)熔鹽水合物直接作用于纖維素[13]，使得溶解纖維素所需的時(shí)間過(guò)長(zhǎng)[14]。同時(shí)，因?yàn)榘肜w維素的無(wú)定形結(jié)構(gòu)更易與熔鹽水合物反應(yīng)，在短時(shí)間內(nèi)水合物對(duì)木質(zhì)纖維中的半纖維素有著較高的選擇性溶脹作用[15-16]。因此，本實(shí)驗(yàn)選擇無(wú)機(jī)熔鹽水合物作為半纖維素潤(rùn)脹劑。在眾多無(wú)機(jī)熔鹽水合物中，氯化鋅水合物成本低且不易揮發(fā)[17]，所以將它作為預(yù)處理試劑。因短時(shí)間內(nèi)僅溶脹半纖維素，所以需要添加Br?nsted酸作為催化劑來(lái)使得潤(rùn)脹的半纖維素水解為單糖。與鹽酸相比，硫酸不易揮發(fā)且易于儲(chǔ)存，所以本實(shí)驗(yàn)采用硫酸作為酸性催化劑。

本實(shí)驗(yàn)采用氯化鋅熔鹽水合物溶液（ZnCl2·4H2O）協(xié)同稀硫酸作為預(yù)處理體系，研究了其對(duì)小麥秸稈預(yù)處理的效果。主要考察了預(yù)處理?xiàng)l件對(duì)半纖維素拆解以及定向解聚為木糖的效果，同時(shí)探究了預(yù)處理后小麥秸稈的酶水解情況。此外，還探討了氯化鋅的回收循環(huán)利用。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

小麥秸稈，易高卓新節(jié)能技術(shù)（上海）有限公司，粉碎過(guò)篩后，選擇40～60目部分，在體積比為1∶2的乙醇-丙酮混合液抽提8h，再經(jīng)過(guò)蒸餾水洗滌后在45℃條件下烘干12h，得到脫蠟的小麥秸稈粉末。纖維素酶，丹麥諾維信（Novozyme）生物工程有限公司，濾紙酶活為138FPU/mL。實(shí)驗(yàn)中所用氯化鋅、硫酸、鹽酸、檸檬酸、檸檬酸鈉等試劑均為分析純。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 氯化鋅熔鹽溶液的制備

將干燥的氯化鋅溶解于去離子水中，使其質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到65.4%[13]，然后在80℃下攪拌6h直到形成均一透明的ZnCl2·4H2O 熔鹽水溶液，冷卻至室溫后，轉(zhuǎn)移至冰箱冷藏保存。

1.2.2 酸性熔鹽水合物處理

將20mL氯化鋅水合物與2g脫蠟小麥秸稈粉末均勻混合于50mL圓底燒瓶中，在水浴鍋加熱攪拌，同時(shí)緩慢地添加硫酸溶液。反應(yīng)一定時(shí)間后，固液分離，對(duì)濾液和殘?jiān)M(jìn)行分析?？疾炜傮w積硫酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)（1%、1.5%、2%、2.5%、3%、3.5%）、反應(yīng)溫度（70℃、80℃、90℃、100℃、110℃、120℃）、反應(yīng)時(shí)間（5min、8min、10min、15min、20min）對(duì)原料組分拆解效率及單糖得率的影響。

1.2.3 酶水解

計(jì)算濕物料水分，取一定質(zhì)量濕物料，保證其絕干后質(zhì)量為0.2g，放入50mL 錐形瓶中，加入10mL 檸檬酸-檸檬酸鈉緩沖溶液（0.05mmol/L、pH=4.8），纖維素酶添加量為20FPU/g 絕干底物（138FPU/mL 濾紙酶活）。在50℃、150r/min 的恒溫振蕩器中酶解72h。反應(yīng)中定時(shí)取樣100μL上清液并滅活10min 后，通過(guò)0.22μm 水系濾頭過(guò)濾，利用高效液相色譜儀（HPLC）進(jìn)行糖含量分析。所有的測(cè)試均為一式三份進(jìn)行，結(jié)果顯示為平均值數(shù)值。酶解得率的計(jì)算[18]見(jiàn)式(1)。

式中，Yg為葡萄糖酶解得率，%；mg為樣品中葡萄糖質(zhì)量，g；mrc為酶解殘?jiān)欣w維素質(zhì)量，g。

1.2.4 氯化鋅的回收利用

預(yù)處理后，過(guò)濾分離殘?jiān)玫綖V液，然后加入氫氧化銨水溶液，使得pH 在7～8 之間，再分離形成白色沉淀，加入鹽酸水溶液使其溶解。最后將液體轉(zhuǎn)移至蒸發(fā)皿中，冷凍干燥，得到氯化鋅固體[19]。

1.3 分析方法

1.3.1 小麥秸稈組分分析

采用《煤的工業(yè)分析方法》（GB/T 212—2008）對(duì)抽提后小麥秸稈原料的水分、灰分、揮發(fā)分與固定碳組成進(jìn)行測(cè)定

1.3.2 小麥秸稈三大組分分析

小麥秸稈經(jīng)過(guò)預(yù)處理后的殘?jiān)欣w維素、半纖維素與木質(zhì)素含量采用美國(guó)可再生能源實(shí)驗(yàn)室（NREL） 分析方法測(cè)定[20]。實(shí)驗(yàn)中利用HPLC（Agilent 1200） 進(jìn)行定量分析（色譜柱為BIORAD Aminex HPX-87H 柱，流動(dòng)相為5mmol/L H2SO4溶液，流速為0.5mL/min，柱箱溫度60℃，檢測(cè)器溫度為40℃）。預(yù)處理后的纖維素保留率（N1，%）、半纖維素脫除率（N2，%）、木質(zhì)素脫除率（N3，%）、木糖得率（N4，%）、葡萄糖得率（N5，%）、阿拉伯糖得率（N6，%）、固體回收率（N7，%）分別按式(2)～式(8)計(jì)算。

式中，M1為原料中纖維素質(zhì)量；m1為殘?jiān)衅咸烟琴|(zhì)量；M2為原料中半纖維素質(zhì)量；m2為原料中木糖與阿拉伯糖質(zhì)量之和；m2'為殘?jiān)心咎桥c阿拉伯糖質(zhì)量之和；M3為原料中木質(zhì)素質(zhì)量；m3為殘?jiān)心举|(zhì)素質(zhì)量；M4為原料中木糖質(zhì)量；m4為HPLC測(cè)得水解液的木糖質(zhì)量；M5為原料中葡萄糖糖質(zhì)量；m5為HPLC測(cè)得水解液的葡萄糖糖質(zhì)量；M6為原料中阿拉伯糖質(zhì)量；m6為HPLC測(cè)得水解液的阿拉伯糖質(zhì)量；m為預(yù)處理前原料質(zhì)量；m'為預(yù)處理后殘?jiān)|(zhì)量。

1.3.3 響應(yīng)面統(tǒng)計(jì)分析

通過(guò)軟件Design-Expert 10 對(duì)自變量參數(shù)與響應(yīng)值進(jìn)行二次回歸模型建立，響應(yīng)面設(shè)計(jì)與方差設(shè)計(jì)。每組設(shè)置3個(gè)平行，通過(guò)在Design-Expert軟件中選擇Box-Behnken中心組合原理進(jìn)行響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，從而獲得優(yōu)化工藝條件[21]，并對(duì)優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行5次重復(fù)。

1.4 表征方法

1.4.1 X射線衍射儀（XRD）分析

預(yù)處理前后小麥秸稈的結(jié)晶特性使用X射線衍射儀（XRD，D8-ADVANCE，德國(guó)布魯克公司）進(jìn)行測(cè)量。X 射線管為銅靶，管電壓40kV，管電流30mA，采用2θ聯(lián)動(dòng)掃描，掃描范圍為2°～60°，掃描速度4°/min。結(jié)晶指數(shù)（crystallization Index，CrI）由式(8)[22]計(jì)算。

式中，CrI 是結(jié)晶度；I200表示2θ=22.5°處纖維素結(jié)晶區(qū)范圍的衍射信號(hào)強(qiáng)度；Iam表示2θ=18°處纖維素?zé)o定形區(qū)范圍的衍射信號(hào)強(qiáng)度。

1.4.2 紅外光譜（FTIR）分析

預(yù)處理前后對(duì)小麥秸稈的官能團(tuán)變化分析使用傅里葉紅外光譜儀（TENSOR 27 型紅外光譜儀，布魯克光譜儀器公司）進(jìn)行探究。波數(shù)范圍為400～4000cm-1，掃描時(shí)間為32s，分辨率為2cm-1，將樣品與溴化鉀粉末按照1∶80的質(zhì)量比壓制成薄且透明的薄片進(jìn)行掃描[23]。

1.4.3 掃描電子顯微鏡（SEM）分析

使用場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡（LEO1530VP型，德國(guó)ZEISS公司）觀察預(yù)處理前后小麥秸稈表面形貌。先使樣品均勻分散于導(dǎo)電膠之上，再對(duì)其進(jìn)行鍍金處理。

2 結(jié)果與討論

2.1 預(yù)處理前后小麥秸稈化學(xué)組成變化

首先對(duì)抽提后的小麥秸稈進(jìn)行工業(yè)組成分析，經(jīng)檢測(cè)，小麥秸稈中水分占4.87%，灰分占7.16%，揮發(fā)分占77.68%，固定碳占10.29%。脫蠟后小麥秸稈中纖維素質(zhì)量分?jǐn)?shù)36.49%，半纖維素質(zhì)量分?jǐn)?shù)23.13%，木質(zhì)素質(zhì)量分?jǐn)?shù)20.58%?？傮w而言各個(gè)成分的測(cè)定值與相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道的含量基本一致[24]，均在正常范圍內(nèi)。

為了探究氯化鋅熔融鹽水合物和硫酸的協(xié)同作用以及熔融鹽水合物加入量的影響，考察了不同的預(yù)處理體系對(duì)秸稈組分的結(jié)果變化，其結(jié)果見(jiàn)表1所示。只經(jīng)過(guò)熔鹽水合物（ZnCl2·4H2O）預(yù)處理15min，半纖維素只有極少量的脫除，使得纖維素和木質(zhì)素的占比略有升高，這是因?yàn)閆nCl2·nH2O（n≠3）本身就只是纖維素的弱溶脹劑[25]。同時(shí)熔鹽水合物直接作用于小麥秸稈時(shí)，半纖維素和木質(zhì)素組成的天然屏障會(huì)限制其與纖維素的接觸[26]，所以不會(huì)對(duì)纖維素造成很強(qiáng)的破壞作用。當(dāng)對(duì)小麥秸稈只進(jìn)行3%稀硫酸預(yù)處理（100℃、15min）時(shí)，底物中半纖維素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)產(chǎn)生了一定的下降，從23.13%降低至19.09%。降低程度不高的原因在于反應(yīng)時(shí)間過(guò)短[27]，預(yù)處理效果不顯著。而在采用稀酸結(jié)合熔鹽水合物進(jìn)行預(yù)處理后，預(yù)處理物料中半纖維素質(zhì)量分?jǐn)?shù)大幅降低（約3%），而纖維素與木質(zhì)素質(zhì)量分?jǐn)?shù)迅速升高。硫酸和氯化鋅熔鹽水合物的協(xié)同預(yù)處理效果明顯，主要因?yàn)槁然\熔鹽水合物的快速潤(rùn)脹半纖維素作用，使得稀酸能快速水解半纖維素。

表1 預(yù)處理前后物料組分含量

接下來(lái)，考察了預(yù)處理體系的固液比（1∶5、1∶10、1∶15）對(duì)預(yù)處理效果的影響，見(jiàn)表1。由表1 可知固液比對(duì)于處理效果的影響不是很明顯，從拆解效率和溶劑用量等方面考慮，固液比為1∶10較好。

2.2 反應(yīng)條件對(duì)預(yù)處理效果的影響

2.2.1 單因素實(shí)驗(yàn)

本研究考察了單因素硫酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)、溫度、時(shí)間對(duì)組分拆解效果的影響，見(jiàn)圖1和圖2。首先，固定反應(yīng)溫度（100℃）和時(shí)間（15min），考察了硫酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)（1%～3.5%）對(duì)預(yù)處理效果的影響。如圖1(a)所示，隨著添加的硫酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)從1%逐漸上升至3.5%，木糖得率由0迅速升高，在稀硫酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%的條件下，木糖得率最高，為90.73%（3.28mg/mL），且此時(shí)水解液中葡萄糖的得率小于5%。這是由于反應(yīng)體系中的無(wú)機(jī)鹽可以提高氫離子活性[28]，從而使得作為催化劑的硫酸更快地將潤(rùn)脹的半纖維素水解為單糖[29]，H+可以打斷小麥秸稈中半纖維素間的糖苷鍵，從而促進(jìn)半纖維素的水解[30]。半纖維素側(cè)鏈上阿拉伯糖得率的變化趨勢(shì)與木糖得率的變化趨勢(shì)相似，迅速升高至85.28%。但是硫酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的時(shí)候單糖沒(méi)有形成，阿拉伯糖的得率為19.41%，說(shuō)明半纖維素側(cè)鏈優(yōu)先斷裂進(jìn)入水解液。從圖2(a)可以看出，預(yù)處理后殘?jiān)咎呛侩S著硫酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)的升高而降低，說(shuō)明半纖維素拆解效率顯著提高，因而導(dǎo)致纖維素和木質(zhì)素含量升高。硫酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)繼續(xù)提高為3%～3.5%時(shí)，半纖維素脫除率變化不大[圖1(b)]，僅相差0.02%，但纖維素保留率出現(xiàn)略微下降，降低了3.33%[圖2(a)]。因此，在預(yù)處理過(guò)程中的適宜酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)選定3%為宜。

圖2 反應(yīng)條件對(duì)預(yù)處理后殘?jiān)慕M分含量影響

在硫酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)3%下，考察了反應(yīng)溫度和反應(yīng)時(shí)間對(duì)組分拆解效果的影響。固定反應(yīng)時(shí)間為15min，隨著反應(yīng)溫度的不斷升高，各單糖得率顯著提升[圖1(c)]。當(dāng)反應(yīng)溫度高于100℃，繼續(xù)升高溫度，半纖維素脫除率變化不大[圖1(d)]，但從圖2(b)可以得出此時(shí)殘?jiān)欣w維素比例迅速下降，這與圖1(d)纖維素保留率降低明顯相吻合，說(shuō)明溫度太高，纖維素解聚程度增加。固定反應(yīng)溫度100℃，考察反應(yīng)時(shí)間對(duì)預(yù)處理效果的影響，見(jiàn)圖1(e)。當(dāng)反應(yīng)處理5min 時(shí)，木糖得率較低（僅為19.45%），隨著反應(yīng)時(shí)間的增加，木糖得率逐漸增加，后變平緩，與半纖維素的脫除率趨勢(shì)相近[圖1(f)]。當(dāng)反應(yīng)時(shí)間由10min 增長(zhǎng)至15min 時(shí)，木糖得率從60.18%增長(zhǎng)至90.73%，升高了30.55%。結(jié)合圖1、圖2可以看出，硫酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.0%，反應(yīng)溫度選擇為100℃，反應(yīng)時(shí)間選擇為15min，該條件下的預(yù)處理效果較好。

2.2.2 響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)

結(jié)合單因素實(shí)驗(yàn)，選取三個(gè)影響木糖得率的因素：溫度（A）、時(shí)間（B）與硫酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)（C），采用Box-Behnken 的中心組合設(shè)計(jì)原理設(shè)計(jì)三因素三水平的響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)。通過(guò)對(duì)表2 中結(jié)果的分析，獲得回歸模型ANOVA 分析與各因素間的主效應(yīng)結(jié)果（圖3）。由于模型的P值顯著，失擬項(xiàng)不顯著，說(shuō)明實(shí)驗(yàn)因素受未知因素的干擾小。而擬合檢驗(yàn)的結(jié)果顯著則說(shuō)明構(gòu)建的模型是有效的，所以進(jìn)行分析預(yù)測(cè)的結(jié)果是相對(duì)可靠的。因此可以利用此回歸方程確定反應(yīng)過(guò)程中木糖得率的最優(yōu)工藝。

圖3 三維響應(yīng)面三種影響因素間兩兩的相互作用圖

表2 方差結(jié)果分析

2.2.3 響應(yīng)曲面圖

圖3所示是兩因素交互作用的響應(yīng)面三維空間曲線圖，險(xiǎn)峻程度反映影響的顯著性，響應(yīng)面的曲面越大，表明影響因素之間的差異更加明顯，而橢圓形的等高線則說(shuō)明交互作用顯著[31]。根據(jù)結(jié)果顯示，三個(gè)特性對(duì)木糖得率的影響從大到小進(jìn)行排序?yàn)椋簳r(shí)間＞硫酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)＞溫度。

2.2.4 模型驗(yàn)證

經(jīng)過(guò)Design-Expert 軟件計(jì)算并優(yōu)化得到了最優(yōu)的反應(yīng)條件（溫度97℃，時(shí)間19.0min，硫酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)3.3%），此時(shí)預(yù)測(cè)最大值為91.91%。

對(duì)此，采用上述最優(yōu)條件進(jìn)行了驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，具體結(jié)果見(jiàn)表3。驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)平行進(jìn)行5 次，木糖得率均值為90.16%，基本與軟件的預(yù)測(cè)值相同，最大偏差為2.34%，最小偏差為1.15%。結(jié)果表明，該模型對(duì)于木糖得率的分析是基本準(zhǔn)確的，具有一定的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

表3 回歸模型驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

2.3 XRD分析

小麥秸稈的結(jié)晶度對(duì)后續(xù)的酶解效果影響顯著[32]，結(jié)合響應(yīng)面分析中時(shí)間變量影響最大的結(jié)果，選取溫度組樣品探究其預(yù)處理前后結(jié)晶度的變化，結(jié)果如圖4 所示。經(jīng)過(guò)預(yù)處理后的纖維素晶型并未發(fā)生改變，為典型的Ⅰ型纖維素，這也與FTIR 的結(jié)果相一致。此外，隨著反應(yīng)時(shí)間延長(zhǎng)至15min，結(jié)晶度由49.08% （原料） 上升至61.04%，這是由于大量半纖維素的脫除引起的[33]。但隨著反應(yīng)時(shí)間的進(jìn)一步延長(zhǎng)，纖維素結(jié)晶度下降至56.97%，其原因是預(yù)處理時(shí)間過(guò)長(zhǎng)纖維素的結(jié)晶區(qū)域也會(huì)受到一定破壞，從而導(dǎo)致CrI 值降低[34]。

圖4 預(yù)處理前后小麥秸稈的X射線衍射光譜圖

2.4 紅外光譜分析

預(yù)處理時(shí)間對(duì)小麥秸稈結(jié)構(gòu)的變化見(jiàn)圖5。3400cm-1處的峰是由于O—H的拉伸振動(dòng)所導(dǎo)致的。隨著處理時(shí)間的變長(zhǎng)，此處的特征峰變得越來(lái)越尖銳。這是由于隨著反應(yīng)時(shí)間的不斷延長(zhǎng)，纖維素、半纖維素和木質(zhì)素之間的連接發(fā)生斷裂，使得更多的纖維素暴露出來(lái)[35]。1364cm-1為I 型纖維素的紅外特征吸收峰，表面預(yù)處理前后晶型并未改變，這與XRD 結(jié)果相對(duì)應(yīng)。1736cm-1處的特征峰是半纖維素的C= = O 伸縮振動(dòng)吸收峰[36]，隨著處理時(shí)間的延長(zhǎng)，吸收峰逐漸減弱并最終消失，此現(xiàn)象說(shuō)明半纖維素的C= = O 鍵斷裂，乙酰基脫離，半纖維素發(fā)生降解。1040cm-1是纖維素糖苷鍵的特征吸收峰[37]，隨著預(yù)處理時(shí)間延長(zhǎng)15min，該峰未發(fā)生明顯變化，說(shuō)明大部分纖維素未被降解，但延長(zhǎng)反應(yīng)時(shí)間至20min時(shí)，該峰明顯減弱，表明纖維素逐漸降解，與圖1(f)纖維素保留率發(fā)生下降的結(jié)果一致。1267cm-1是愈創(chuàng)木基木質(zhì)素的C—H 振動(dòng)吸收峰[38]，此處的特征峰幾乎沒(méi)有發(fā)生變化，說(shuō)明木質(zhì)素受到的破壞程度較小。

圖5 小麥秸稈預(yù)處理前后紅外光譜圖

2.5 掃描電子顯微鏡分析

采用SEM 觀察了不同預(yù)處理時(shí)間下小麥秸稈表面形貌的變化，見(jiàn)圖6所示。抽提后的小麥秸稈在未經(jīng)熔鹽水合物預(yù)處理前，總體來(lái)看還是比較光滑且結(jié)構(gòu)致密的。預(yù)處理時(shí)間5min 時(shí)，纖維表面結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了一部分破損與一定的褶皺；反應(yīng)時(shí)間8min 時(shí)，纖維表面開(kāi)始出現(xiàn)了少量孔洞，可能由于半纖維素的溶出并解聚造成；反應(yīng)時(shí)間10min時(shí)，纖維表面的孔洞越來(lái)越多，說(shuō)明半纖維素溶出的量增多，造成孔洞增多；反應(yīng)時(shí)間15min時(shí)，表面結(jié)構(gòu)的破壞程度也更加嚴(yán)重；反應(yīng)時(shí)間20min時(shí)，纖維表面破壞嚴(yán)重，纖維素結(jié)構(gòu)遭到很大破壞?？傊S著反應(yīng)時(shí)間的越來(lái)越長(zhǎng)，熔鹽水合物對(duì)小麥秸稈三大組分之間形成的抗降解屏障的破壞也越來(lái)越強(qiáng)。纖維結(jié)構(gòu)的破損是因?yàn)榘肜w維素的不斷溶出所造成的，而表面褶皺的形成是因?yàn)槊摮肜w維素后纖維的結(jié)構(gòu)變得更加疏松導(dǎo)致的[39]。

圖6 預(yù)處理后殘?jiān)腟EM圖

2.6 氯化鋅的回收利用

對(duì)于反應(yīng)后得到的水解液，通過(guò)滴加氨水至中性的方式得到氫氧化銨鋅沉淀[40]，然后通過(guò)滴加鹽酸的方式將沉淀溶解，最后再經(jīng)過(guò)冷凍干燥來(lái)回收氯化鋅固體。如圖7(a)所示，氯化鋅和回收獲得的氯化鋅有著基本相同的2θ值，證明晶體結(jié)構(gòu)沒(méi)有受到破壞，該處理方式實(shí)現(xiàn)了對(duì)氯化鋅的回收利用。從圖7(b)可以看出，對(duì)回收獲得的氯化鋅進(jìn)行5次循環(huán)利用后，在回收率依然保持較高水平（質(zhì)量分?jǐn)?shù)為80%）的同時(shí)，木糖得率依然維持在較高水平（＞87%，表4），對(duì)纖維素的解聚影響較小。而對(duì)于氯化鋅的重復(fù)利用，避免了鋅離子對(duì)環(huán)境的污染危害，從而實(shí)現(xiàn)了綠色的化學(xué)循環(huán)。

圖7 回收氯化鋅的XRD與循環(huán)回收率圖

表4 回收氯化鋅用于預(yù)處理的單糖得率

2.7 酶水解處理纖維素

考察了氯化鋅熔融鹽協(xié)同硫酸預(yù)處理對(duì)小麥秸稈酶水解效率的影響，見(jiàn)圖8 所示。未經(jīng)ZnCl2·4H2O 預(yù)處理的小麥秸稈，酶解72h葡萄糖得率為10.01%。隨著預(yù)處理時(shí)間的增加，酶解得率呈現(xiàn)先迅速增加然后趨于平緩的趨勢(shì)。這可能是因?yàn)樗嵝訸nCl2·4H2O 預(yù)處理加劇了半纖維素溶出并降解，破壞了木質(zhì)素-碳水化合物復(fù)合體，使更多的纖維素暴露出來(lái)，提高了酶對(duì)纖維素的可及性，從而提高酶水解效率。預(yù)處理15min的樣品經(jīng)酶解72h后，酶解得率已經(jīng)提升至77.81%（基于殘?jiān)w維素）。半纖維素脫除得越多，小麥秸稈表面形成的孔洞越多，從而提高了酶的可及性，酶水解的效果會(huì)提高，從而葡萄糖得率提高。與Kim等[41]使用酸性氯化鋅溶液在170℃下處理大麥秸稈20min后，在30FPU 的情況下酶解殘?jiān)?6h，酶解得率僅為73.8%相比，本實(shí)驗(yàn)在15min、100℃、硫酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)3%的預(yù)處理?xiàng)l件下，酶水解小麥秸稈72h，酶解得率便達(dá)到了77.81%，這可能是因?yàn)楸緦?shí)驗(yàn)預(yù)處理的溫度相對(duì)較低，對(duì)纖維素的降解破壞程度較小，從而使得酶解得率更高。

圖8 預(yù)處理時(shí)間對(duì)小麥秸稈殘?jiān)附庑Ч挠绊?/p>

總體而言，酶解效果不佳（＜90%）的原因可能是因?yàn)槟举|(zhì)素脫除程度過(guò)低，從而對(duì)酶水解效果產(chǎn)生不利影響[42]。但是這也為后續(xù)如何在保持半纖維素脫除的最佳條件下，通過(guò)對(duì)木質(zhì)素進(jìn)行脫除，提高酶解效果的兩步預(yù)處理方法提供了研究前提，也為實(shí)現(xiàn)對(duì)小麥秸稈中碳水化合物資源的分級(jí)利用提供了探索思路。

3 結(jié)論

（1）研究了氯化鋅熔鹽水合物為溶劑協(xié)同酸催化劑預(yù)處理小麥秸稈，通過(guò)單因素實(shí)驗(yàn)與響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)，得到酸性氯化鋅熔鹽水合物預(yù)處理小麥秸稈制備木糖的較優(yōu)工藝條件：溫度97℃、時(shí)間19.0min、硫酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)3.3%。此條件下木糖得率高達(dá)

90.85%。

（2）制備木糖過(guò)程中，時(shí)間對(duì)預(yù)處理效果影響最為關(guān)鍵，三種因素對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果影響因素從大到小為：時(shí)間＞硫酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)＞溫度。這是因?yàn)槟举|(zhì)纖維的致密結(jié)構(gòu)，使得硫酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)和溫度變化需要反應(yīng)較長(zhǎng)時(shí)間才能顯示出效果。

（3）通過(guò)SEM、FTIR、XRD 表征可知，經(jīng)過(guò)酸性熔鹽水合物預(yù)處理后，秸稈結(jié)構(gòu)產(chǎn)生顯著變化：纖維素結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞，相對(duì)結(jié)晶度增加。

（4）對(duì)反應(yīng)殘?jiān)M(jìn)行酶水解處理，酶解得率相比未處理原料提升了67.8%，升高明顯。半纖維素的脫除有利于酶解。