玉米秸秆半纤维素的水解研究.docx

总第 49 期 1999 年Sum 49 1999SC IEN C E A N D T ECHN OL O GY玉米秸秆半纤维素的水解研究陈学武苗芳侯建革张桂李俊英河北科技大学生物科学与工程系石家庄050018摘要玉米秸秆在我国产量高但利用率低, 为利用其含有的大量纤维素、半纤维素和木质素, 主要研究了玉米秸秆中半纤维素的水解性能, 确定最佳水解条件: w2% ; 120 ; 0. 1 M P a; 1 h。 水解产物主要是D 2木糖。关键词玉米秸秆; 半纤维素; 水解; D 2木糖( 盐酸) 为中国图书资料分类法分类号353. 421TQS tu dy o nH yd ro ly s is T ech n iqu e o fH em i2ce llu lo se f rom Co rn s ta lkC h en X u ew u M iao F an gH o u J ian geZh an g Gu i L i J u n y in gD ep a r tm en t o f B io lo g ica l Sc ience and E ng inee r ing,H ebe i U n ive r sity o f Sc ience and T ech no lo g ica l, Sh ijiazh uang, 050018A bstra c tT h e o u tp u t o f co rn sta lk is ve ry h igh in C h ina bu t it s ava ilab ility is low. Ah yd ro ly t icm e tho d is fo und to m ak e u se o f co rn sta lk rea so nab ly and th e be st h yd ro ly sis co nd it io n s a re def ined:2% H CL ; 120 ; 0. 1 M P a; 1. 0 ho u r. T h e m a in com po sit io n o f h yd ro ly sis p ro duc t s is D 2x y lo se.Key word sco rn sta lk; h em i2ce llu lo se; h yd ro ly sis; D 2x y lo se生物能源的开发是当前世界各国都在着重研究的重大课题。“生物能”一般是指从植物获得的能源, 它的利用潜力十分巨大。农作物秸秆在我国年产量高达 5. 7 亿 t, 但利用率较低, 甚至被 大量焚烧, 严重污染了大气环境。 目前许多人在致力于秸秆转化为能源的综合利用研究, 我们针 对玉米秸秆中半纤维素的水解作了初步探索。半纤维素的物质组分与结构特点半纤维素是植物细胞壁的组成成分之一, 它能被热的无机酸所水解。与纤维素相比它是相当 容易被水解的。半纤维素的结构单元是木糖、阿拉伯糖、葡萄糖等以及这些糖的甲基化、乙酯化单 位和醛酸衍生物。 不同来源的半纤维素各种结构单元比例不同, 但分布比较稳定的组分是木糖,1收稿日期: 1999201222; 修回日期: 1999204202; 责任编辑: 陈玉堂河 北 科 技 大 学 学 报1999 年48木糖间以 21, 4 糖苷键连接, 分支度高。半纤维素在酸催化作用下被水解成单糖, 反应过程如下: H C l 半纤维素nC 5H 10O 5。加热nH 2O(聚木糖)半纤维素水解的关键是提高转化率, 并制得一定糖浓度的水解液, 以保证在发酵、食品等方面得到利用1 。2 半纤维素水解条件的选择2. 1水解条件实验采用河北地区产玉米秸秆, 储存时间为 1 a。秸秆主要化学成分: 水分、灰分、聚戊糖、果 胶、蛋白、木素、纤维素的质量分数 (% ) 分别为: 8. 96, 5. 77, 20. 87, 0. 55, 2. 74, 21. 52, 38. 922 。秸秆水解前为粉末状, 经前期实验发现粉末过筛后 ( 20, 30, 40, 200 目) 选用 30 目粉末得率达80% 左右, 水解状态较好。选定加入量 20 g , 固液质量比为 112 (m m ) , 先使其在常温常压下水解, 再增加温度压力等其他条件。 因浓 H 2 SO 4 不宜挥发, 必需用碱中和法去除水解液中过量的 酸, 通常还需去除中和反应产生的盐, 以减少对后部测定及水解液利用的干扰。H 2 SO 4 对设备有较强的腐蚀性, 还易使玉米秆粉末发生碳化, 不利于水解反应的进行。综合上述因素, 选定易挥发的 H C l 为水解用酸, 碱中和产生的氯盐干扰性较少。2. 2影响半纤维素水解的因素为求得适宜水解条件, 选 4 个影响水解的因素: 酸、酸浓度、水解温度及时间。 每种因素取 3个位级, 因素位级表见表 1, 正交实验结果见表 2, 正交实验综合评价见表 33 。表 1因素位级表因素位级号酸种类(A )酸浓度(B )水解温度(C ) 水解时间(D ) h硫磷酸酸 酸浓酸128040室温246 中等浓度 3 盐稀酸表 2正交实验 (样品量为 20 g )因素实验号总还原糖量 g水解率 %ABCD碳化严重0. 363. 903. 530. 192. 760. 521. 0712345678123123121112223312323131132213321. 819. 517. 71. 013. 82. 65. 4 9 3 3 2 1 2. 16 10. 8 第 2 期陈学武等 玉米秸秆半纤维素的水解研究49表 3正交实验综合评价因素项目ABCDK = 1 位级之和K = 2 位级之和 K = 3 位级之和 极差 R = 最大-最优方案4. 051. 628. 827. 20A 34. 266. 483. 752. 73B 23. 836. 054. 612. 22C 22. 358. 503. 646. 15D 2最小从表 3 可以看出, 上述 4 个因素对水解率影响顺序为酸种类 (A )、水解时间 (D )、酸浓度 (B )、水解温度 (C ) , 第 1 轮实验的优选方案即为采用中等浓度的盐酸在 40 下水解 4 h。由于正交实 验中没有这一组条件, 因此在该条件下做以下几组平行实验, 结果见表 4。 结果表明优方案的水解率略低于正交表中 3 号实验结果, 但在水解率相差不大的情况下, 采用中等浓度酸比采用高浓 度酸要经济, 对设备腐蚀也小。 在平行实验中发现经 40 目筛处理的玉米秆粉末对其水解率并无 明显提高, 说明粉碎粒度对水解效果影响不大。表 4优方案水解实验实验号原 料状 态总还原糖量 g水解 率 %123粉粉 粉末末 末3. 513. 433. 8617. 617. 219. 3 4 过 40 目筛3. 56 17. 8 2. 3采用升温加压条件水解实验如表 5 所示。 结果在低含量盐酸、加压条件下最优方案为质量分数为 2% 的盐酸,0. 1 M P a在 120 下作用 1 h。 其水解率为 30% 以上, 且重现性好, 而对玉米秆进行预先膨爆和 酸浸泡都不能提高水解率。表 5沸腾及加压条件下水解实验实验号原料w ( 酸) %温度 表压 M P a水解时间 h还原糖量 g水解率 %粉粉 粉 粉 粉 粉 粉 膨 膨末末 末 末 末 末 末 爆 爆 浸1234567891020212222210011112012012012012012012000. 050. 10. 10. 10. 10. 10. 10. 11. 045. 535. 727. 136. 246. 495. 494. 3710. 55. 227. 728. 635. 731. 232. 527. 521. 9 10 酸2 120 0. 1 1 5. 91 29. 6 水解液成分的分析利用纸层析法分析, 层析图谱如图 1, 根据玉米秆的主要成分推断其水解液可能含有: 葡萄 糖、果糖、D 2木糖、D 2甘露糖、L 2阿拉拍糖等。以上述种类糖为标准样定性分析水解液成分4 。点 样量 0. 3 L , 展层剂为 v (正丁醇) v (乙醇) v (水) = 532, 显色剂为苯胺2草酸。 可看出水3解液中含大量D 2木糖。(下转第 53 页)第 2 期董秀平等 螺旋板换热器在发酵工业中的应用53参考文献1 兰州石油机械研究所主编 1 换热器: 下册 1 北京: 烃加工出版社, 199012 392 华南理工大学化工原理教研组编 1 化工过程及设备设计 1 广州: 华南理工大学出版社, 1986. 49 653 谢林 1 螺旋板换热器在我国酒精行业上应用的前景 1 酿酒科技, 1995 ( 3) : 29 304 幡野佐一编 1 换热器 1 李云倩, 林义英译 1 北京: 化学工业出版社, 1987157 675 朱聘冠编 1 换热器原理及计算 1 北京: 清华大学出版社, 1987. 198 204作者简介: 董秀平, 男, 1963 年出生, 讲师。(上接第 49 页)结论41) 玉米秆半纤维素的最佳水解条件为 w( 盐酸) 为 2% , 0. 1 M P a, 120 , 作用时间 1 h。2 ) 由层析图谱可看出水解样点分布整齐, 均为标准D 2木糖样点位置, 且样点轮廓较 小, 只可能含少量葡萄糖、果糖等单糖。 最佳水解条件下水解率可达 30% 以上, 因此可以 判定原料中半纤维素绝大部分已被水解, 少量纤维素被水解, 剩余残渣主要是纤维素和木质素。3) 水解产物大部分为D 2木糖并含少量葡 萄糖。图 1层析图谱4)D 2木糖为一种五碳单糖, 甜度为蔗糖甜度的 40% , 它是无毒、低热量的甜味剂, 由于不被人体吸收, 提纯出来可用于糖尿病人或高血压患者的食品中。 水解液可尝试用于酒精发酵, 有望 使其成本大大降低, 同时解