玉米秸秆稀酸水解时糠醛形成原因及影响因素
江 滔 1,2，路 鹏 1，李国学 1※
（1．中国农业大学资源与环境学院，北京 100193； 2．乐山师范学院化学与生命科学学院，乐山 614004）
摘要：该文通过试验研究了玉米秸秆在稀酸水解过程中糠醛类物质的产生规律和主要影响因素。试验结果表明：己糖转化为羟甲基糠醛的反应是水解液中糠醛类物质产生的主要原因，而戊糖向糠醛的转化率较低。影响水解液中糠醛类物质浓度最大的因素是还原糖浓度，在所有系列试验中糠醛浓度同还原糖浓度均显著相关；水解时间对水解液中糠醛类物质浓度有显著影响，糠醛浓度随着水解时间的增加而升高；稀硫酸 0.5%～2.5%浓度的范围内能够有效提高己糖向羟甲基糠醛的转化效率；而固含物和水解温度在试验条件下对糠醛类物质的产生没有显著影响。
关键词：稀酸水解，玉米秸秆，糠醛，羟甲基糠醛
doi：10.3969/j.issn.1002-6819.2009.07.034
中图分类号：TK6
文献标识码：A
文章编号：1002-6819(2009)-7-0185-05
江 滔，路 鹏，李国学. 玉米秸秆稀酸水解时糠醛形成原因及影响因素[J].农业工程学报，2009，25(7)：185－189.Jiang Tao, Lu Peng, Li Guoxue. Formation cause and influencing factors of furfurals during the dilute acid hydrolysis of cornstalks[J]. Transactions of the CSAE, 2009,25(7)：185－189.(in Chinese with English abstract)
0 引言
近年来随着能源危机的日益严重，各国科学家对纤维素水解发酵制乙醇的方法进行了大量的研究[1-3]，但是乙醇的产量和产率都不是太理想，其中一个重要原因是水解产生的单糖在高温和酸性条件下转化为甲酸、乙酸、糠醛类物质和苯系化合物等发酵抑制物[4-5]。糠醛类物质包括糠醛和羟甲基糠醛，糠醛由木糖等戊糖在高温条件下脱去一个水分子形成；羟甲基糠醛由葡萄糖、半乳糖等己糖脱去一个水分子而成。两者化学、生物学性质非常类似，通过分光光度法测定时不能将二者区分开，所以统称为糠醛类物质（若无特别说明本文中的糠醛均代表糠醛类物质）。有研究表明，水解过程中产生的糠醛类物质对碳同化过程中产生的糖酵解酶，如己糖激酶、葡萄糖磷酸异构酶具有抑制作用 [6] ，从而影响到乙醇发酵。目前，在发酵抑制物的研究中对抑制物去除方法探索相对较多[7-8]，而对水解过程中抑制物产生规律的研究较少。并且研究主要集中在乙酸等低分子有机酸[9]，对糠醛类物质的研究相对较少。本文分别从水解时间、水解温度、稀酸浓度、还原糖浓度等方面入手，以鲜和风干玉米秸秆为对象，研究了纤维素类物质稀酸水解过程中，糠醛类抑制物产生的规律和主要影响因素。
1 材料与方法
1.1 材料
玉米秸秆：取自中国农业大学试验田，采后一组立即杀青（鲜样），一组自然风干（干样）。经测定鲜秸秆的组成为（干基）：还原糖浓度10.86%，NDF（中性洗涤纤维）51.25%；NDF组成：半纤维素42.51%，纤维素50.79%，木质素6.29%。风干秸秆组成为（干基）：还原糖含量6.63%，NDF64.06%；NDF组成：半纤维素37.27%，纤维素53.82%，木质素8.02%。
1.2 仪器
752N 分光光度计（上海精密科学仪器有限公司）；170 电子天平（德国 Sartorius）；TDL-40B 离心机（美国Anke 公司）；DK-S28 电热恒温水浴锅（上海森信实验仪器有限公司）；12 L 手提式高压蒸气灭菌锅（上海博迅实业有限公司）。
1.3 水解试验设计
研究在不同条件下，水解液中糠醛类物质浓度和还原糖浓度的变化趋势。试验水平设置见表 1。
1.4 测定方法
1.4.1 糠醛类物质测定方法－紫外分光光度法糠醛、羧甲基糠醛在 272 nm 处紫外吸收无杂峰，吸收强度与其浓度成正比，不必加入任何显色剂和对其他试剂作处理，就能取得较理想的结果。同时，溶液中硫酸与其他试剂也不会对结果产生明显干扰[10]。
1.4.2 还原糖测定方法— — DNS 法
还原糖在碱性条件下加热被氧化成糖酸及其他产物，3,5-二硝基水杨酸则被还原为棕红色的3-氨基-5-硝基水杨酸。在一定范围内，还原糖的量与棕红色物质颜色
的深浅成正比关系[11]。
2 结果与分析
2.1 水解温度对糠醛浓度的影响
图 1 是鲜玉米秸秆和风干玉米秸秆水解液中糠醛浓度随温度变化的曲线图。如图 1 所示，无论是鲜秸秆还是风干秸秆，其水解液中的糠醛浓度都随着温度的上升而增加。对水解液中的糠醛浓度和温度、糠醛浓度和还原糖浓度分别作相关性分析（见表 2），结果显示水解液中糠醛浓度和温度、还原糖浓度均为显著相关，其 p 值均为 0（保留小数点为 3 位，下同）。
| 表 2 糠醛浓度同温度的偏相关分析 Partial correlation analysis between the concentration of furfural and temperatur |
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| 项目 | 参数 | A 还原糖浓度 /mg•mL-1 |
B温度/℃ |
还原糖浓度/mg•mL-1（控 B） |
温度 /℃ （控 A） |
| 糠醛浓度 （鲜） |
r | 0.99 | 0.97 | 0.737 | 0.129 |
| p | 0 | 0 | 0.003 | 0.66 | |
| 糠醛浓度 （干） |
r | 1 | 0.98 | 0.93 | -0.07 |
| p | 0 | 0 | 0 | 0.812 | |
| r:为相关性系数 | |||||
水解液中的糠醛是由还原糖转化而来的，而水解液中还原糖浓度则随水解温度的上升而增加，所以通过上述分析不能确定水解温度的升高是否能增加还原糖向糠醛的转化效率。为了进一步明确导致糠醛浓度上升的因素，分别以温度和还原糖浓度为控制变量，对结果进行偏分析结果显示当以还原糖作为控制变量的时候，水解液中糠醛浓度与温度的相关性系数都很小，p值均大于 0.05。而当以温度作为控制变量的时候，水解液中的糠醛浓度和还原糖浓度的相关性非常显著， 值为p0。因此，在本试验条件下，影响糠醛浓度变化的主要原因是水解液中还原糖浓度的变化；而温度在试验的范围以内对糠醛的产生影响不大。有研究表明，木糖转化为糠醛的最佳温度为 170～180℃，当温度低于 150℃时糠醛转化率很低[12]。
2.2 稀酸浓度对糠醛浓度的影响
图2是水解液中糠醛浓度与稀酸浓度的关系图。从图中可以看出，随着稀酸浓度的增加，水解液中糠醛的浓度也迅速上升，当稀酸浓度超过1.5%后，糠醛的浓度基本保持在一个固定的水平。这种变化趋势与还原糖随温度变化的趋势很类似。以稀酸浓度为控制变量，做糠醛浓度和还原糖浓度的偏相关分析，结果如表3所示，无论是鲜秸秆还是风干秸秆，二者均显著相关。而当以还原糖为控制变量，做糠醛浓度和稀酸浓度的偏相关分析时得到2组不同的结果：对于鲜秸秆，相关系数r=0.72，p=0，极显著相关；而对于风干秸秆r=0.33，p=0.15，不相关。造成这种差异的原因是风干秸秆的水解还原糖中己糖所占比例（20%左右）远低于鲜秸秆（50%），而己糖转化为羟甲基糠醛在稀酸条件下更为容易，戊糖转化为糠醛的反应需要更高的温度和更高的酸浓度[12]。在无酸条件下，玉米秸秆水解液的还原糖中戊糖所占比例超过90%[13]，而当稀酸浓度超过0.5%，水解还原糖中己糖含量逐渐增加。在稀酸浓度为0.5%～2.5%浓度范围内，以还原糖为控制变量，再做糠醛浓度和稀酸浓度的偏相关分析，二者相关系数为r=0.83，p=0.02，稀酸浓度和糠醛浓度表现为显著相关。这表明：在试验浓度范围内，稀酸浓度的增加能够促进水解液中糠醛浓度增加，其原因是酸浓度的增加提高了己糖向羟甲基糠醛的转化效率。但由于稀酸浓度的增加并没有有效地提高戊糖转化为糠醛的效率，所以在己糖含量较低的系列试验中稀酸浓度对试验结果的影响并不显著。
| 表 3 糠醛浓度同稀酸浓度的偏相关分析 Partial correlation analysis between the concentration of furfural and the concentration of dilute acid |
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| 项目 | 参数 | A 还原糖浓度 /mg•mL-1 |
B还原糖浓度 稀酸浓度 /mg•mL-1 /mg•mL-1 （控 B） |
稀酸浓度 /mg•mL-1 （控 A） |
|
| 糠醛浓度 （鲜） |
r | 0.9 | 0.9 | 0.69 | 0.72 |
| p | 0 | 0 | 0 | 0 | |
| 糠醛浓度 （干） |
r | 0.94 | 0.88 | 0.72 | 0.33 |
| p | 0 | 0 | 0 | 0.15 | |
2.3 水解时间对糠醛浓度的影响
图 3 是鲜秸秆和风干秸秆水解液中还原糖浓度和糠醛浓度随时间变化的曲线图。从图中可以看出，随着时间的增加，鲜秸秆和风干秸秆水解液中糠醛浓度均逐步升高。同前面一样，对试验结果进行偏相关分析。当以还原糖作为控制变量时，水解时间和糠醛浓度的相关性分析结果显示二者显著相关，p 值分别为 0.013 和 0。水解时间能够显著影响水解液中的糠醛浓度，减少水解时间能够有效减少水解液中抑制物的形成。
与前面结论不同的是，当以时间作为控制变量时，糠醛浓度和还原糖浓度之间的相关性为不显著。其原因是，在高温、稀酸条件下，水解产生的糠醛、羟甲基糠醛还会进一步转化为甲酸和乙酰丙酸[14]，而在不同时间条件下其转化率存在较大差异，影响最终糠醛的浓度。而另外 3 组试验，均在同一时间下进行水解反应，糠醛类物质的继续转化率相同。所以，时间对糠醛类抑制物的产生有显著影响，过长的水解时间不但不能明显增加水解效率，而且还会导致大量糠醛类抑制物及其衍生物的产生。
| 表 4 糠醛浓度同时间的偏相关分析 Partial correlation analysis between the concentration of furfural and hydrolysis time |
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| 项目 | 参数 | A 还原糖浓度 /mg•mL-1 |
B 水解时间 /mg•mL-1 |
还原糖浓度 /mg•mL-1 （控 B） |
时间 /mg•mL-1 （控 A） |
| 糠醛浓度 （鲜） |
r | 0.939 | 0.954 | 0.366 | 0.586 |
| p | 0 | 0 | 0.149 | 0.013 | |
| 糠醛浓度 （干） |
r | 0.941 | 0.986 | 0.217 | 0.88 |
| p | 0 | 0 | 0.404 | 0 | |
2.4 固含物对糠醛浓度的影响
图 4 是水解液中糠醛浓度与固含物的关系图。从图中可以看出，随着固含物的增加，水解液中糠醛浓度迅速上升。但是鲜秸秆和风干秸秆的上升趋势有所区别：鲜秸秆的上升趋势一直保持在一个比较高的水平，而风干秸秆水解液中糠醛的含量则在固含物超过 10%后，保持稳定。其原因是：对于风干秸秆，随着固含物含量的增加，水解液中 H+的活性降低，进而使葡聚糖、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。导致水解液中还原糖含量增加的主要原因是最不稳定的木聚糖在高温条件下释放。而由于鲜秸秆中含有一定量的运输态蔗糖（在高温条件下不稳定），因此随着固含物的增加，水解液中的己糖浓度也逐渐增加，糠醛浓度也继续增加。
| 表 5 糠醛浓度与固含物的偏相关分析 Partial correlation analysis between the concentration of furfural and the solid concentration |
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| 项目 | 参数 | A 还原糖浓度 /mg•mL-1 |
B 固含物 |
还原糖浓度 /mg•mL-1 （控 B） |
固含物 （控 A） |
| 糠醛浓度 （鲜） |
r | 0.955 | 0.98 | 0.887 | -0.417 |
| p | 0 | 0 | 0 | 0.138 | |
| 糠醛浓度 （干） |
r | 0.96 | 0.899 | 0.836 | -0.518 |
| p | 0 | 0 | 0 | 0.058 | |
以固含物为控制变量，进行糠醛浓度同还原糖含量的偏相关分析，结果显示，鲜秸秆和风干秸秆水解液中的糠醛浓度和还原糖浓度的相关性均为极显著， 值均为p0。而在以还原糖浓度为控制变量的条件下，做糠醛浓度与固含物的偏相关分析结果显示，无论是鲜秸秆还是风干秸秆其 r 值均小于 0，固含物同糠醛含量之间的关系为负相关，即固含物的增加使还原糖转化为糠醛类物质的效率下降。其原因是高固含物导致水解液中的 H+的活性降低，降低了己糖向羟甲基糠醛转化的效率。其原理与玉米秸秆稀酸水解过程中，固含物的增加导致水解效率下降相同[15]。但由于 p 值均大于 0.05，所以其相关性并不显著。
3 结论和讨论
1）在玉米秸秆稀酸水解过程中，还原糖浓度和糠醛浓度显著相关，还原糖浓度是影响水解液中糠醛类物质浓度的重要因素。其中，己糖转化为羟甲基糠醛的反应占据主导，而戊糖转化为糠醛的反应在试验条件下转化率较低，因此水解液中的己糖含量成为影响水解液中糠醛含量的最主要因素。由于鲜秸秆水解液中的还原糖含量尤其是己糖含量更高，因此鲜秸秆水解液中的糠醛含量要远远高于风干秸秆。
2）水解时间能够显著影响还原糖向糠醛转化的效率，时间越长，转化效率越高。因此缩短水解时间不但能节约能源，还能有效抑制还原糖的损失和发酵抑制物的产生。
3）稀酸浓度亦能显著影响还原糖向糠醛转化的效率，其主要原因是，稀酸浓度的增加使己糖转化为羟甲基糠醛的效率增加。但是在试验的条件下增加稀酸浓度并不能提高戊糖转化为糠醛的效率。
4）在本试验条件下，温度对抑制物的产生没有显著影响，但是由于温度的上升能够增加水解液中还原糖的浓度和己糖的含量，因此，随着温度的增高，水解液中糠醛类抑制物的浓度也逐渐增加。
5）虽然随着固含物的增加水解液中的 H+的活性降低，但由己糖向羟甲基糠醛转化的反应在低 H+浓度条件下就能实现，所以固含物对糠醛类物质的形成不产生显著影响。
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