玉米秸稈稀酸水解時糠醛形成原因及影響因素.doc

玉米秸稈稀酸水解時糠醛形成原因及影響因素呋喃甲醛產(chǎn)品結(jié)構(gòu)式中文別名 2-呋喃甲醛 ,呋喃甲醛 ,麩醛 ,人造蟻油 ,氧茂甲醛 英文別名 Furfural ,2-Furaldehyde ,Pyromucic aldehyde ,Furfurylidene 分子式C5H4O2分子量96.09玉米秸稈稀酸水解時糠醛形成原因及影響因素 江 滔 1,2，路 鵬 1，李國學(xué) 1 （1中國農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，北京 100193； 2樂山師范學(xué)院化學(xué)與生命科學(xué)學(xué)院，樂山 614004） 摘要：該文通過試驗研究了玉米秸稈在稀酸水解過程中糠醛類物質(zhì)的產(chǎn)生規(guī)律和主要影響因素。試驗結(jié)果表明：己糖轉(zhuǎn)化為羥甲基糠醛的反應(yīng)是水解液中糠醛類物質(zhì)產(chǎn)生的主要原因，而戊糖向糠醛的轉(zhuǎn)化率較低。影響水解液中糠醛類物質(zhì)濃度最大的因素是還原糖濃度，在所有系列試驗中糠醛濃度同還原糖濃度均顯著相關(guān)；水解時間對水解液中糠醛類物質(zhì)濃度有顯著影響，糠醛濃度隨著水解時間的增加而升高；稀硫酸 0.5%2.5%濃度的范圍內(nèi)能夠有效提高己糖向羥甲基糠醛的轉(zhuǎn)化效率；而固含物和水解溫度在試驗條件下對糠醛類物質(zhì)的產(chǎn)生沒有顯著影響。 關(guān)鍵詞：稀酸水解，玉米秸稈，糠醛，羥甲基糠醛 doi：10.3969/j.issn.1002-6819.2009.07.034 中圖分類號：TK6 文獻標識碼：A 文章編號：1002-6819(2009)-7-0185-05 江 滔，路 鵬，李國學(xué). 玉米秸稈稀酸水解時糠醛形成原因及影響因素J.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2009，25(7)：185189.Jiang Tao, Lu Peng, Li Guoxue. Formation cause and influencing factors of furfurals during the dilute acid hydrolysis of cornstalksJ. Transactions of the CSAE, 2009,25(7)：185189.(in Chinese with English abstract) 0 引言 近年來隨著能源危機的日益嚴重，各國科學(xué)家對纖維素水解發(fā)酵制乙醇的方法進行了大量的研究1-3，但是乙醇的產(chǎn)量和產(chǎn)率都不是太理想，其中一個重要原因是水解產(chǎn)生的單糖在高溫和酸性條件下轉(zhuǎn)化為甲酸、乙酸、糠醛類物質(zhì)和苯系化合物等發(fā)酵抑制物4-5?？啡╊愇镔|(zhì)包括糠醛和羥甲基糠醛，糠醛由木糖等戊糖在高溫條件下脫去一個水分子形成；羥甲基糠醛由葡萄糖、半乳糖等己糖脫去一個水分子而成。兩者化學(xué)、生物學(xué)性質(zhì)非常類似，通過分光光度法測定時不能將二者區(qū)分開，所以統(tǒng)稱為糠醛類物質(zhì)（若無特別說明本文中的糠醛均代表糠醛類物質(zhì)）。有研究表明，水解過程中產(chǎn)生的糠醛類物質(zhì)對碳同化過程中產(chǎn)生的糖酵解酶，如己糖激酶、葡萄糖磷酸異構(gòu)酶具有抑制作用 6 ，從而影響到乙醇發(fā)酵。目前，在發(fā)酵抑制物的研究中對抑制物去除方法探索相對較多7-8，而對水解過程中抑制物產(chǎn)生規(guī)律的研究較少。并且研究主要集中在乙酸等低分子有機酸9，對糠醛類物質(zhì)的研究相對較少。本文分別從水解時間、水解溫度、稀酸濃度、還原糖濃度等方面入手，以鮮和風(fēng)干玉米秸稈為對象，研究了纖維素類物質(zhì)稀酸水解過程中，糠醛類抑制物產(chǎn)生的規(guī)律和主要影響因素。 1 材料與方法 1.1 材料 玉米秸稈：取自中國農(nóng)業(yè)大學(xué)試驗田，采后一組立即殺青（鮮樣），一組自然風(fēng)干（干樣）。經(jīng)測定鮮秸稈的組成為（干基）：還原糖濃度10.86%，NDF（中性洗滌纖維）51.25%；NDF組成：半纖維素42.51%，纖維素50.79%，木質(zhì)素6.29%。風(fēng)干秸稈組成為（干基）：還原糖含量6.63%，NDF64.06%；NDF組成：半纖維素37.27%，纖維素53.82%，木質(zhì)素8.02%。 1.2 儀器 752N 分光光度計（上海精密科學(xué)儀器有限公司）；170 電子天平（德國 Sartorius）；TDL-40B 離心機（美國Anke 公司）；DK-S28 電熱恒溫水浴鍋（上海森信實驗儀器有限公司）；12 L 手提式高壓蒸氣滅菌鍋（上海博迅實業(yè)有限公司）。 1.3 水解試驗設(shè)計 研究在不同條件下，水解液中糠醛類物質(zhì)濃度和還原糖濃度的變化趨勢。試驗水平設(shè)置見表 1。 1.4 測定方法 1.4.1 糠醛類物質(zhì)測定方法紫外分光光度法糠醛、羧甲基糠醛在 272 nm 處紫外吸收無雜峰，吸收強度與其濃度成正比，不必加入任何顯色劑和對其他試劑作處理，就能取得較理想的結(jié)果。同時，溶液中硫酸與其他試劑也不會對結(jié)果產(chǎn)生明顯干擾10。 1.4.2 還原糖測定方法 DNS 法 還原糖在堿性條件下加熱被氧化成糖酸及其他產(chǎn)物，3,5-二硝基水楊酸則被還原為棕紅色的3-氨基-5-硝基水楊酸。在一定范圍內(nèi)，還原糖的量與棕紅色物質(zhì)顏色的深淺成正比關(guān)系11。 2 結(jié)果與分析 2.1 水解溫度對糠醛濃度的影響 圖 1 是鮮玉米秸稈和風(fēng)干玉米秸稈水解液中糠醛濃度隨溫度變化的曲線圖。如圖 1 所示，無論是鮮秸稈還是風(fēng)干秸稈，其水解液中的糠醛濃度都隨著溫度的上升而增加。對水解液中的糠醛濃度和溫度、糠醛濃度和還原糖濃度分別作相關(guān)性分析（見表 2），結(jié)果顯示水解液中糠醛濃度和溫度、還原糖濃度均為顯著相關(guān)，其 p 值均為 0（保留小數(shù)點為 3 位，下同）。表 2 糠醛濃度同溫度的偏相關(guān)分析Partial correlation analysis between the concentration of furfural and temperatur項目參數(shù) A還原糖濃度/mgmL-1 B溫度/還原糖濃度/mgmL-1（控 B）溫度/（控 A）糠醛濃度（鮮）r0.990.970.7370.129p000.0030.66糠醛濃度（干）r10.980.93-0.07p0000.812r:為相關(guān)性系數(shù) 水解液中的糠醛是由還原糖轉(zhuǎn)化而來的，而水解液中還原糖濃度則隨水解溫度的上升而增加，所以通過上述分析不能確定水解溫度的升高是否能增加還原糖向糠醛的轉(zhuǎn)化效率。為了進一步明確導(dǎo)致糠醛濃度上升的因素，分別以溫度和還原糖濃度為控制變量，對結(jié)果進行偏分析結(jié)果顯示當以還原糖作為控制變量的時候，水解液中糠醛濃度與溫度的相關(guān)性系數(shù)都很小，p值均大于 0.05。而當以溫度作為控制變量的時候，水解液中的糠醛濃度和還原糖濃度的相關(guān)性非常顯著， 值為p0。因此，在本試驗條件下，影響糠醛濃度變化的主要原因是水解液中還原糖濃度的變化；而溫度在試驗的范圍以內(nèi)對糠醛的產(chǎn)生影響不大。有研究表明，木糖轉(zhuǎn)化為糠醛的最佳溫度為 170180，當溫度低于 150時糠醛轉(zhuǎn)化率很低12。 2.2 稀酸濃度對糠醛濃度的影響 圖2是水解液中糠醛濃度與稀酸濃度的關(guān)系圖。從圖中可以看出，隨著稀酸濃度的增加，水解液中糠醛的濃度也迅速上升，當稀酸濃度超過1.5%后，糠醛的濃度基本保持在一個固定的水平。這種變化趨勢與還原糖隨溫度變化的趨勢很類似。以稀酸濃度為控制變量，做糠醛濃度和還原糖濃度的偏相關(guān)分析，結(jié)果如表3所示，無論是鮮秸稈還是風(fēng)干秸稈，二者均顯著相關(guān)。而當以還原糖為控制變量，做糠醛濃度和稀酸濃度的偏相關(guān)分析時得到2組不同的結(jié)果：對于鮮秸稈，相關(guān)系數(shù)r=0.72，p=0，極顯著相關(guān)；而對于風(fēng)干秸稈r=0.33，p=0.15，不相關(guān)。造成這種差異的原因是風(fēng)干秸稈的水解還原糖中己糖所占比例（20%左右）遠低于鮮秸稈（50%），而己糖轉(zhuǎn)化為羥甲基糠醛在稀酸條件下更為容易，戊糖轉(zhuǎn)化為糠醛的反應(yīng)需要更高的溫度和更高的酸濃度12。在無酸條件下，玉米秸稈水解液的還原糖中戊糖所占比例超過90%13，而當稀酸濃度超過0.5%，水解還原糖中己糖含量逐漸增加。在稀酸濃度為0.5%2.5%濃度范圍內(nèi)，以還原糖為控制變量，再做糠醛濃度和稀酸濃度的偏相關(guān)分析，二者相關(guān)系數(shù)為r=0.83，p=0.02，稀酸濃度和糠醛濃度表現(xiàn)為顯著相關(guān)。這表明：在試驗濃度范圍內(nèi)，稀酸濃度的增加能夠促進水解液中糠醛濃度增加，其原因是酸濃度的增加提高了己糖向羥甲基糠醛的轉(zhuǎn)化效率。但由于稀酸濃度的增加并沒有有效地提高戊糖轉(zhuǎn)化為糠醛的效率，所以在己糖含量較低的系列試驗中稀酸濃度對試驗結(jié)果的影響并不顯著。表 3 糠醛濃度同稀酸濃度的偏相關(guān)分析Partial correlation analysis between the concentration offurfural and the concentration of dilute acid項目參數(shù)A還原糖濃度/mgmL-1B還原糖濃度 稀酸濃度 /mgmL-1/mgmL-1 （控 B）稀酸濃度/mgmL-1 （控 A）糠醛濃度（鮮）r0.90.90.690.72p0000糠醛濃度（干）r0.940.880.720.33p0000.15 2.3 水解時間對糠醛濃度的影響 圖 3 是鮮秸稈和風(fēng)干秸稈水解液中還原糖濃度和糠醛濃度隨時間變化的曲線圖。從圖中可以看出，隨著時間的增加，鮮秸稈和風(fēng)干秸稈水解液中糠醛濃度均逐步升高。同前面一樣，對試驗結(jié)果進行偏相關(guān)分析。當以還原糖作為控制變量時，水解時間和糠醛濃度的相關(guān)性分析結(jié)果顯示二者顯著相關(guān)，p 值分別為 0.013 和 0。水解時間能夠顯著影響水解液中的糠醛濃度，減少水解時間能夠有效減少水解液中抑制物的形成。 與前面結(jié)論不同的是，當以時間作為控制變量時，糠醛濃度和還原糖濃度之間的相關(guān)性為不顯著。其原因是，在高溫、稀酸條件下，水解產(chǎn)生的糠醛、羥甲基糠醛還會進一步轉(zhuǎn)化為甲酸和乙酰丙酸14，而在不同時間條件下其轉(zhuǎn)化率存在較大差異，影響最終糠醛的濃度。而另外 3 組試驗，均在同一時間下進行水解反應(yīng)，糠醛類物質(zhì)的繼續(xù)轉(zhuǎn)化率相同。所以，時間對糠醛類抑制物的產(chǎn)生有顯著影響，過長的水解時間不但不能明顯增加水解效率，而且還會導(dǎo)致大量糠醛類抑制物及其衍生物的產(chǎn)生。表 4 糠醛濃度同時間的偏相關(guān)分析Partial correlation analysis between the concentration of furfural and hydrolysis time項目參數(shù)A還原糖濃度/mgmL-1 B 水解時間/mgmL-1還原糖濃度/mgmL-1 （控 B） 時間/mgmL-1 （控 A）糠醛濃度（鮮）r0.9390.9540.3660.586p000.1490.013糠醛濃度（干）r0.9410.9860.2170.88p000.4040 2.4 固含物對糠醛濃度的影響 圖 4 是水解液中糠醛濃度與固含物的關(guān)系圖。從圖中可以看出，隨著固含物的增加，水解液中糠醛濃度迅速上升。但是鮮秸稈和風(fēng)干秸稈的上升趨勢有所區(qū)別：鮮秸稈的上升趨勢一直保持在一個比較高的水平，而風(fēng)干秸稈水解液中糠醛的含量則在固含物超過 10%后，保持穩(wěn)定。其原因是：對于風(fēng)干秸稈，隨著固含物含量的增加，水解液中 H+的活性降低，進而使葡聚糖、葡甘露聚糖的水解效率降低15，因此水解液中的己糖含量并未增加。導(dǎo)致水解液中還原糖含量增加的主要原因是最不穩(wěn)定的木聚糖在高溫條件下釋放。而由于鮮秸稈中含有一定量的運輸態(tài)蔗糖（在高溫條件下不穩(wěn)定），因此隨著固含物的增加，水解液中的己糖濃度也逐漸增加，糠醛濃度也繼續(xù)增加。表 5 糠醛濃度與固含物的偏相關(guān)分析Partial correlation analysis between the concentration of furfural and the solid concentration項目參數(shù)A還原糖濃度/mgmL-1B固含物還原糖濃度/mgmL-1 （控 B）固含物（控 A）糠醛濃度（鮮）r0.9550.980.887-0.417p0000.138糠醛濃度（干）r0.960.8990.836-0.518p0000.058 以固含物為控制變量，進行糠醛濃度同還原糖含量的偏相關(guān)分析，結(jié)果顯示，鮮秸稈和風(fēng)干秸稈水解液中的糠醛濃度和還原糖濃度的相關(guān)性均為極顯著， 值均為p0。而在以還原糖濃度為控制變量的條件下，做糠醛濃度與固含物的偏相關(guān)分析結(jié)果顯示，無論是鮮秸稈還是風(fēng)干秸稈其 r 值均小于 0，固含物同糠醛含量之間的關(guān)系為負相關(guān)，即固含物的增加使還原糖轉(zhuǎn)化為糠醛類物質(zhì)的效率下降。其原因是高固含物導(dǎo)致水解液中的 H+的活性降低，降低了己糖向羥甲基糠醛轉(zhuǎn)化的效率。其原理與玉米秸稈稀酸水解過程中，固含物的增加導(dǎo)致水解效率下降相同15。但由于 p 值均大于 0.05，所以其相關(guān)性并不顯著。 3 結(jié)論和討論 1）在玉米秸稈稀酸水解過程中，還原糖濃度和糠醛濃度顯著相關(guān)，還原糖濃度是影響水解液中糠醛類物質(zhì)濃度的重要因素。其中，己糖轉(zhuǎn)化為羥甲基糠醛的反應(yīng)占據(jù)主導(dǎo)，而戊糖轉(zhuǎn)化為糠醛的反應(yīng)在試驗條件下轉(zhuǎn)化率較低，因此水解液中的己糖含量成為影響水解液中糠醛含量的最主要因素。由于鮮秸稈水解液中的還原糖含量尤其是己糖含量更高，因此鮮秸稈水解液中的糠醛含量要遠遠高于風(fēng)干秸稈。 2）水解時間能夠顯著影響還原糖向糠醛轉(zhuǎn)化的效率，時間越長，轉(zhuǎn)化效率越高。因此縮短水解時間不