蒸汽爆破对桉木主化学成分和形态结构的影响

蒸汽爆破对桉木主化学成分和形态结构的影响

木材原料资源是植物通过光合作用产生的有机资源，主要由三种高度组成的化合物组成，如树木、农业和肥料。这是世界上最丰富的碳氢化合物资源。随着地球上不可再生资源的日益枯竭,利用生物技术将木质生物质进行生物转化具有重大意义。利用酶水解可以将其中的纤维素和半纤维素转化为单糖,单糖进一步用微生物发酵可转化为乙醇或单细胞蛋白等高附加值产品,提高利用率,这是目前生物质科学领域的研究热点。木质生物质资源生物转化的第一步就是采用纤维素酶对其进行水解,为此,纤维素酶必须吸附并接触到纤维素底物上才能使反应进行,因此,纤维素酶对纤维素的可及性是决定水解速度的关键因素。由于天然木质纤维原料在结构上的复杂性,使得未经处理的天然状态木质生物资源的酶解率小于20%,故必须对原料进行预处理,将纤维素、半纤维素和木素进行分离,提高纤维素酶的可及性。木质生物质原料预处理的方法很多,包括物理法、化学法、物理化学法和生物法等,其中蒸汽爆破预处理法高效、无污染、能耗较低,被视为提高木质生物资源酶可及性的有效手段之一。该法是1925年由W.H.Mason研究的用于生产纤维板的技术,作为木质纤维原料的预处理技术始于20世纪80年代,对阔叶材来说是最经济有效的预处理方法。因为在蒸汽爆破过程中,木片通过高压饱和蒸汽处理,然后压力骤减,使原料经爆破性减压而碎裂,物理和化学的作用引起半纤维素水解成单糖和寡糖,部分木素溶解,使得纤维素溶解性增大,适合于纤维素酶的作用。用这种方法预处理木片时添加SO2,或在爆破前对木片注入SO2或硫酸,可以促进酶的水解过程,而且对针叶材也有效。蒸汽爆破法作为木质生物质资源的一种预处理方法,目前的研究主要集中于其对木质原料纤维素酶水解的影响。本研究以尾叶桉(Eucalyptusurophylla)为材料,对其进行了蒸汽爆破处理,通过扫描电镜、红外光谱、X--射线衍射、化学成分的定量分析对蒸汽爆破的作用机制进行了初步分析。1材料和方法1.1u3000爆破压力试验木材选用三年生尾叶桉,由国家林业局桉树研究开发中心提供。木材先用削片机削成长2～4cm、宽1～3cm、厚0.3cm的薄片备用。蒸汽爆破前用0.2%硫酸预浸24h,以自来水浸泡24h作对照,固液比为1∶6。爆破采用的蒸汽压力分别为1.6、1.8、2.0、2.2MPa,压力保持时间均为4min,爆破后晾至气干。爆破装置由北京林业大学设计、制造,高压蒸汽由电热锅炉产生,每次爆破木片500g。1.2测定项目及方法爆破木材中纤维素含量的测定采用硝酸乙醇法,苯醇抽出物含量木素含量的测定采用苯--乙醇混合抽提法,木素含量测定采用72%硫酸法,聚戊糖含量的测定采用二溴化法。1.3相对结晶度计算纤维素结晶度的测定用X射线衍射法,仪器型号为XRD--6000,日本岛津公司生产。参数扫描范围:5°～40°;步进:0.20°;扫描速度:2.0°/min。气干纯纤维素用X射线从5°～40°扫描,根据Segal公式计算相对结晶度。Cr=(I002−Iam)I002×100%Cr=(Ι002-Ιam)Ι002×100%式中,Cr为相对结晶度,I002为002面衍射峰的极大强度,Iam为衍射是18°时非结晶背景的散射强度。1.4红外光谱分析采用傅立叶变换红外光谱仪对样品进行红外光谱分析,型号为TENSOR27,德国Bruker公司生产。1.5蒸汽爆破后纤维断裂率测试采用扫描电镜(型号为JSM--5500LV)观察样品的形貌。桉木削片经过蒸汽爆破后大部分断裂成纤维,爆破压力越大,得到的纤维越细碎,选择没有断裂的木块制样,在纵切面观察,每个处理观察两个样品。在相同的放大倍数下,每个样品随机选择10个视野,计数纹孔膜破损比例。2结果与分析2.1特殊爆破预处理对细胞指纹检测的影响蒸汽爆破对桉木微观形貌的影响见图1。从图1可以看出,未爆破的桉木纵切面上各类细胞排列整齐,形态清晰(图1A)。1.6MPa的蒸汽压力爆破对桉木纵切面微观形貌影响较小,只是纤维发生了一定程度的扭曲,仅有少部分纤维断裂成碎片,各类细胞如木纤维、导管、木射线的形态清晰可见(图1B)。2.2MPa的压力使纤维之间结合明显变得松弛,纤维或纤维束明显卷曲折叠,且有很大程度的断裂,导管分子和木射线细胞已经分辨不出(图1C);爆破前用0.2%硫酸预处理,纤维或纤维束卷曲断裂程度增大,更细碎,表面积更大(图1D)。从细胞上纹孔膜的电镜照片可以看出,未爆破的桉木,细胞上纹孔膜完整,只有少许裂缝(图1E);用硫酸预处理使纹孔膜上的裂缝增多,但纹孔膜仍在(图1F),没有发现整个纹孔膜破损的情况;蒸汽爆破后出现纹孔膜破损(图1G～I),1.6、2.2MPa爆破压力下,纹孔膜破损比例分别为(28.65±2.58)%、(43.23±2.12)%。结果表明,随爆破压力增大,破损纹孔膜所占的比例增加。Zhang等在对冷杉(Abiesfabri)进行蒸汽爆破处理后,也发现了管胞间具缘纹孔对上纹孔膜边缘的破损,且随爆破温度的升高,破损加剧。纹孔膜破损在蒸汽爆破木材的生物转化过程中,有利于纤维素酶的通过,增加了其与纤维素接触的机会,有利于纤维素酶水解。因为由纹孔和细胞腔构成的木材大毛细管系统平均直径在200～105或更大,而球形纤维素酶分子的平均尺寸仅59,也有报道是51,所以酶分子可以通过纹孔进入到细胞腔中。2.2蒸汽爆破对桉木聚戊糖的影响从图2、3可以看出,蒸汽爆破对纤维素含量的变化影响较小;聚戊糖和木素的含量降低,聚戊糖比木素降低得更显著。2.2MPa爆破的桉木的聚戊糖比未爆破的降低44.3%。爆破前用0.2%硫酸预处理,硫酸预处理加剧了聚戊糖的水解作用,聚戊糖降低得更显著。2.2MPa爆破的桉木聚戊糖比未爆破的降低71.7%,表明已经有大部分聚戊糖发生醋酸自水解,或在其他物理、化学作用下转变为可溶性低聚糖或单糖。蒸汽爆破对桉木苯醇抽出物含量的变化影响最显著,1.6和2.2MPa压力爆破的桉木苯醇抽出物含量分别比未爆破的提高2.4倍和5.3倍。爆破前用0.2%硫酸预处理,提高得更显著,2.2MPa压力爆破的桉木苯醇抽出物含量达到33.91%。在蒸汽爆破过程中有类似酸水解、热降解、类机械断裂、氢键破坏和结构重排等作用的协同效果,因而桉木木片经过蒸汽爆破处理后,化学成分含量变化较大。从图2、3可以看出,蒸汽爆破对桉木化学成分的影响是:纤维素含量变化不大,基本不受损失;苯醇抽出物含量的增加是源于聚戊糖和木素的部分降解;0.2%硫酸预处理使聚戊糖和木素的降解加剧。2.3不同爆破压力桉木纤维素非结晶区中结晶度变化蒸汽爆破桉木和未爆破桉木纤维素的X射线衍射图见图4。从图4中可以看出,桉木经过蒸汽爆破处理后,在2θ衍射角17°、22.5°和35°处的3个衍射峰都增高,尤其是代表结晶区强度的002面衍射峰(22.5°)更为尖锐,且随爆破压力的增大,衍射强度明显增强。在同样的爆破压力下,爆破前用0.2%硫酸预处理后桉木纤维素的衍射强度更高。说明蒸汽爆破可以造成纤维素的非结晶区部分降解,从而使结晶区的比例增大。结晶度的计算结果如表1所示。从表1可以看出,随爆破压力的增大,纤维素结晶度增大;1.6和2.2MPa爆破的桉木纤维素结晶度分别比未爆破的增加1.78%和4.53%。因为在高温蒸汽处理过程中产生的酸也会使纤维素非结晶区有少量分解,从而提高了结晶度。这与杨崎峰等对蔗渣进行蒸汽爆破处理所得研究结果是一致的。爆破前用硫酸预处理,纤维素结晶度在相同的爆破压力下比未经硫酸预处理的高,1.6和2.2MPa爆破的桉木纤维素结晶度分别比未用硫酸处理的提高了0.18%和1.10%,表明稀酸对纤维素非结晶区有水解作用,从而导致纤维素的相对结晶度提高,但结晶区的绝对数量是下降的。2.4爆破前后半纤维素原料的化学结构变化对木质纤维原料而言,红外光谱主要用于对纤维素、半纤维素和木素作定性分析,着重是结构分析,也可用于定量分析。木材纤维的红外光谱较为复杂,目前较多用于简单的定性评估。据资料表明,在木质纤维原料的红外光谱中,β--D--葡萄糖苷的特征峰为895cm-1,纤维素的特征峰为2900、1425和1374cm-1;半纤维素木聚糖的特征峰为1742cm-1;1595和1505cm-1的吸收峰则为木素的特征峰,且半纤维素和木素在1237cm-1处都有吸收。从图5、6可以看出,蒸汽爆破前的预处理过程对材料的化学成分有明显影响,0.2%硫酸预处理的红外光谱图在1743、1594和1237cm-1处的吸收峰都明显减弱,表明硫酸预处理能降低桉木中聚戊糖和木素的含量。此外,爆破处理前后,桉木纤维红外光谱图比较相似,只是部分吸收峰的强度发生了变化,证明没有新的化学结构和功能性基团生成,试样的主体化学结构没有明显变化。从图6中可以看出,β--D--葡萄糖苷的特征峰和代表纤维素特征峰的3处吸收值没有明显变化,表明桉木在蒸汽爆破处理后纤维素结构变化不大,从而进一步证实爆破处理对纤维素破坏较小。通过比较可以看出,半纤维素木聚糖的特征峰和代表半纤维素和木素的吸收峰两处吸收值在爆破处理后明显减弱,表明相当量的半纤维素在高温下发生脱乙酰化作用,形成有机酸。由于半纤维素自身的非晶态和低聚合度很容易受到破坏而降解,形成所谓的自体水解作用。因此,爆破过程中的酸碱度是影响半纤维素溶出的关键性因素。木素的特征峰为1595和1505cm-1处的芳环振动吸收,从图5、6可知,蒸汽爆破处理的样品在1595cm-1处的吸收峰减弱较明显,而1505cm-1处的吸收峰变化不明显,说明蒸汽爆破使木素分子结构受到了一定破坏,但不及半纤维素木聚糖的变化明显,这与化学成分分析的结果是一致的。3化学成