三元低共熔溶剂预处理甘蔗渣的酶解性能研究_陶顺辉.pdf
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1、第 43 卷第 2 期2023 年 4 月林 产 化 学 与 工 业Chemistry and Industry of Forest ProductsVol.43 No.2Apr.2023 收稿日期:2022-01-28 基金项目:国家自然科学基金资助项目(21978053);广东省重点领域研发计划项目(2020B0101070001)作者简介:陶顺辉(1995),男,湖南宁远人,硕士生,从事生物质组分高效分离与高值化利用研究 通讯作者:林晓清,教授,博士生导师,研究领域为生物质炼制化学品及下游分离纯化应用基础研究;E-mail:linxiaoqing 。doi:10.3969/j.issn.
2、0253-2417.2023.02.017三元低共熔溶剂预处理甘蔗渣的酶解性能研究TAO Shunhui陶顺辉1,张可炫1,李碧莹1,郑晓洁1,刘 耀1,林晓清1,2,3(1.广东工业大学 轻工化工学院,广东 广州 510006;2.广东省植物资源生物炼制重点实验室,广东 广州 510006;3.广州市清洁交通能源化学重点实验室,广东 广州 510006)摘 要:以制糖工业副产物甘蔗渣(SCB)作为木质纤维原料,使用具有优异相转移催化能力的三乙基苄基氯化铵(TEBAC)、无毒无害的甘油(GL),以及高价态路易斯酸六水合氯化铝(ACH)组成的三元低共熔溶剂(DES)对 SCB 进行预处理,系统考
3、察了 DES 物质的量之比、预处理温度、预处理时间、固液质量比对 SCB 中各组分含量和纤维素酶解效率的影响。研究结果表明:最佳预处理条件为 nTEBAC nGL nACH为120.05、预处理时间 30 min、预处理温度 120 和固液质量比 1 15,此优化条件下木质素去除率达到(86.23 2.11)%,纤维素保留率为(94.51 2.03)%,酶解纤维素转化率达到(98.21 1.02)%,相较于未处理 SCB 提高了 2 倍,葡萄糖得率高达(81.94 1.98)%,提高了 1.5 倍。SEM、FT-IR 和 XRD 分析结果表明:三元 DES 预处理能够有效去除SCB 中的木质素
4、和半纤维素,从而使纤维素的结晶度由未预处理的 41.19%提高到预处理后的 65.87%。DES 经过 5 次循环利用后,纤维素转化率和葡萄糖得率仍达到(92.36 1.64)%和(74.45 1.12)%,依旧保持了较好的预处理效果。关键词:三元低共熔溶剂;甘蔗渣;预处理;酶解中图分类号:TQ35 文献标志码:A 文章编号:0253-2417(2023)02-0135-08引文格式:陶顺辉,张可炫,李碧莹,等.三元低共熔溶剂预处理甘蔗渣的酶解性能研究J.林产化学与工业,2023,43(2):135-142.Enzymatic Digestibility of Ternary Deep Eut
5、ectic Solvent PretreatedSugarcane BagasseTAO Shunhui1,ZHANG Kexuan1,LI Biying1,ZHENG Xiaojie1,LIU Yao1,LIN Xiaoqing1,2,3(1.School of Chemical Engineering and Light Industry,Guangdong University of Technology,Guangzhou 510006,China;2.Guangdong Provincial Key Laboratory of Plant Resources Biorefinery,
6、Guangzhou 510006,China;3.GuangzhouKey Laboratory of Clean Transportation Energy Chemistry,Guangzhou 510006,China)Abstract:Sugarcane bagasse(SCB),a by-product of the sugar industry,was used as a lignocellulosic raw material.In thepresent study,a ternary deep eutectic solvent(DES)composed of triethylb
7、enzyl ammonium chloride(TEBAC)with strong phasetransfer catalytic ability,non-toxic and harmless glycerol(GL)and high-valence Lewis acid aluminum chloride hexahydrate(ACH),was used to pretreat SCB.The effects of molar ratio of ternary DES,reaction temperature,reaction time and solid-liquid mass rati
8、o on the content of each component in SCB and cellulase enzymatic digestibility were systematically investigated.The results showed that the optimal pretreatment conditions were as follows:the molar ratio of nTEBACnGLnACHwas 120.05,thepretreatment time was 30 min,the pretreatment temperature was 120
9、 and the solid-liquid ratio was 1 15.Under theseconditions,the lignin removal rate was(86.23 2.11)%,and the cellulose retention rate was(94.51 2.03)%.Theconversion of enzymatic hydrolysis cellulose was(98.21 1.02)%,which was 2 times higher than that of untreated SCB,andthe yield of glucose was(81.94
10、 1.98)%,which was increased by 1.5 times.The results of SEM,FT-IR and XRD analysisshowed that ternary DES pretreatment could effectively remove lignin and hemicellulose from SCB,and the crystallinity of celluloseincreased from 41.19%to 65.87%after pretreatment.Importantly,DES still maintained good p
11、retreatment performance after 5136 林 产 化 学 与 工 业第 43 卷cycles of recycling,and the cellulose conversion rate and glucose yield reached(92.36 1.64)%and(74.45 1.12)%,respectively.Key word:ternary deep eutectic solvent;sugarcane bagasse;pretreatment;enzymatic digestibility甘蔗渣是甘蔗制糖工业的副产物1。以甘蔗渣为原料通过预处理、酶水
12、解和发酵制备生物燃料,可实现甘蔗渣变废为宝,对缓解能源紧张和减少环境污染具有重要意义2。然而,甘蔗渣中的纤维素、半纤维素和木质素(“三大素”)互相交联缠绕形成一种致密的结构,使其难以被分离3。预处理是甘蔗渣“三大素”高效分离与高值化利用的关键步骤4,其目的是破坏甘蔗渣的致密结构,将木质素和半纤维素溶解去除,保留富含纤维素的组分,从而提高酶的可及性和酶解效率5。溶解去除的木质素可以通过提纯得到高纯木质素,从而应用于吸附材料、橡胶补强、疏水添加剂等领域。目前,甘蔗渣预处理方法主要有物理法、化学法、物理-化学法和生物法6,其中化学法是甘蔗渣预处理中被研究最多的方法7。常用溶剂主要有酸、碱、有机溶剂、
13、离子液体、低共熔溶剂(DES)8-9。其中,DES 作为一种新兴的绿色溶剂,由一定物质的量之比的氢键供体(如季铵盐和季磷盐)和氢键受体(如羧酸和多元醇)组成10,具有离子液体的优良特性11,同时具有毒性更低、制备简单、价格低廉的特点10。值得注意的是,并不是所有的 DES 都具备优异的预处理能力12。当前被研究最多的 DES 是氯化胆碱与各类酸和醇组成的二元 DES。甘油(GL)是生物柴油工业产生的主要副产物,廉价且无毒,可用作氢键供体。然而单独使用氯化胆碱/甘油 DES 作为预处理溶剂时,由于氯化胆碱/甘油 DES 的高黏度,通常需要严格的预处理条件。Procentese 等13利用氯化胆碱
14、/甘油 DES 在 150 下预处理玉米芯 15 h,可以去除59%的木质素。Xu 等14利用氯化胆碱/甘油 DES 在 180 下预处理玉米秸秆 2 h,木质素的去除率大于 60%。尽管氯化胆碱/甘油 DES 在木质纤维类生物质预处理领域有一定的优势,但苛刻的预处理条件限制了其大规模应用。课题组前期研究发现,三乙基苄基氯化铵(TEBAC)具有强大的相转移能力,可以把木质素从固态中转移到液态,同时芳环的存在能够促进木质素苯丙烷单元的溶解,从而达到高效选择性分离木质素的目的15。六水合氯化铝(ACH)作为路易斯酸,由于其在溶剂中具有提供质子的出色能力,用于 DES 体系时能有效调节 DES 的氢
15、键酸碱度,提升 DES 体系中的氢键作用力,有效打断三大素之间的化学键,从而达到高效脱除木质素的目的16,且 ACH 在同类型的金属氯化物中价格最为低廉。值得注意的是,TEBAC 和 ACH 并不能组成二元 DES,需要有另一种组分对二者进行调节。基于此,本研究选取 TEBAC、GL、ACH 组成三元 DES 对甘蔗渣进行预处理,探索该三元 DES 对甘蔗渣预处理及酶解性能的作用机制,揭示其对甘蔗渣预处理的影响规律,以期为甘蔗渣的高值化利用提供理论参考。1 实 验1.1 原料、试剂与仪器甘蔗渣(SCB)由广西贵糖有限公司提供,SCB 原料洗净烘干,用粉碎机粉碎过 0.25 mm 筛;因为 SC
16、B原料比较大块,首次烘干可能不彻底,因此将获得的 SCB 粉末置于105 烘箱中再次烘干,冷却装袋备用。1.5 L 纤维素酶(54 FPU/mL)和 AMG300L-葡萄糖苷酶(94 CBU/mL),诺维信公司。三乙基苄基氯化铵(TEBAC,纯度 98%)、甘油(GL,纯度 92%)和六水合氯化铝(ACH,纯度 96%),均为市售分析纯。Hitachi S-4800 型扫描电镜(SEM),日本日立公司;Nicolet 6700 傅里叶变换红外光谱(FT-IR)仪,美国赛默飞世尔科技公司;XPert PRO PANalytical 型 X 射线衍射(XRD)仪,荷兰帕纳科公司;Agilent 1
17、260Infinity II 型高效液相色谱(HPLC)仪,美国安捷伦公司。1.2 低共熔溶剂的制备将按一定物质的量之比(120、120.05、120.1、12 0.2 和 1 2 0.3)称量好的 TEBAC、GL、ACH 加入三颈烧瓶中,在 100 下搅拌加热,直至烧瓶内溶液澄清后停止加热,冷却至室温即得三元低共熔溶剂(DES)。1.3 DES 预处理甘蔗渣按一定质量比(15、110、115 和120)称取2 g SCB 和 DES 加入三颈烧瓶中混合均匀,加入搅拌第 2 期陶顺辉,等:三元低共熔溶剂预处理甘蔗渣的酶解性能研究137 子搅拌,在一定温度(80、100、120 和140)下预
18、处理一定时间(10、30、60 和90 min)后,将混合物冷却至室温,向混合物中加入 5 倍体积的无水乙醇进行洗涤,随后置于60 恒温水浴锅中搅拌1 h。然后减压抽滤,滤渣置于105 烘箱中干燥至质量恒定,称质量并装袋备用。滤液于55 下旋转蒸发,回收乙醇,并向浓缩液中加入去离子水,摇匀后静置至有固体析出,随后在 11 000 r/min 转速下离心 5 min,将离心管下层沉淀物转移至 50 真空干燥箱中,干燥 24 h 后取出称质量,获得再生木质素。所得上层清液经旋转蒸发,获得回收 DES。1.4 预处理前后甘蔗渣的酶解在 50 mL 带塞的锥形瓶中加入 0.4 g 预处理后或未处理的
19、SCB,加入 20 mL 柠檬酸缓冲液(pH 值4.8,50 mmol/L,50),15 FPU/g 纤维素酶,35 CBU/g-葡萄糖苷酶,底物质量浓度 20 g/L,置于 50、150 r/min 恒温摇床内进行酶解反应。72 h 后取样 500 L,沸水浴灭活 10 min,然后在 11 000 r/min 转速下离心 2 min。取上清液稀释一定倍数,过滤膜,用 HPLC 检测其中单糖含量。1.5 分析方法1.5.1 SEM 分析 将未处理的和经过预处理的 SCB 样品粘附在导电胶带上,固定后经表面喷金以增强样品导电性,使用 SEM 观察样品的形貌结构。1.5.2 FT-IR 分析 使
20、用 FT-IR 仪测定预处理前后甘蔗渣的 FT-IR。样品采用 KBr 压片法进行压片,设置分辨率 4 cm-1,扫描波数范围为 400 4 000 cm-1,扫描次数为 32 次。1.5.3 XRD 分析 DES 预处理前后的甘蔗渣使用 XRD 仪测定其衍射峰。以铜靶作为射线源,检测电压为 40 kV,工作电流为 40 mA,使用 80 r/min 的旋转速度收集 5 50每个衍射图案。1.5.4 HPLC 分析 根据美国可再生能源实验室(NREL)方法测定预处理前后甘蔗渣中纤维素、木聚糖和木质素含量。单糖质量浓度通过 HPLC 仪测定,色谱柱为 Aminex HPX-87H 柱(300 m
21、m 7.8 mm,Bio-Rad,USA),示差检测器(RID),5 mmol/L 稀硫酸为流动相,流速为 0.5 mL/min,柱温为 50。1.6 计算方法残渣回收率、纤维素保留率、木聚糖损失率和木质素去除率的计算方法分别为:残渣回收率=预处理后 SCB 质量/SCB 原料质量 100%;纤维素保留率=预处理后 SCB 中纤维素质量/SCB 原料中纤维素质量 100%;木聚糖损失率=(1-预处理后 SCB 中木聚糖质量分数/SCB 原料中木聚糖质量分数)100%;木质素去除率=(1-预处理后 SCB 中木质素质量分数/SCB 原料中木聚糖质量分数)100%。纤维素酶解转化率()和葡萄糖收率
22、(Y)的计算公式如下:=Cglu V 0.9+Cclb V 0.95mcel 100%Y=0.9 Cglu VMcel 100%式中:Cglu酶解液中葡萄糖的质量浓度,g/L;Cclb酶解液中纤维二糖的质量浓度,g/L;V酶解液体积,L;mcel酶解样品中纤维素的质量,g;Mcel甘蔗渣原料中纤维素的质量,g。2 结果与讨论2.1 不同条件对甘蔗渣组分及其酶解效率的影响2.1.1 DES 中 ACH 用量 在预处理温度为120、反应时间为1 h 和固液质量比为115 的条件下,考察三元 DES 中 ACH 用量对甘蔗渣各组分含量和酶解效率的影响,结果见表 1 和表 2。由表可知,随着DES 中
23、 ACH 用量的增加,残渣回收率逐渐降低,当 ACH 用量为 0.3 mol 时,残渣回收率仅为 39.78%。值得注意的是,单独使用 ACH 水溶液(ACH 用量与 nTEBACnGLnACH为 1 2 0.05 的 DES 中 ACH 用量相同)和 nTEBACnGL为 12 的 DES 预处理后甘蔗渣中的木质素去除率分别为 12.83%和8.84%;木聚糖损失率分别为 17.91%和 21.23%;纤维素保留率分别为 99.00%和 78.85%。然而,随着 DES 中 ACH 用量的增加,纤维素保留率先增加后减少。当 ACH 用量为 0.05 mol 时,纤维素保留率达到最高 93.7
24、4%,138 林 产 化 学 与 工 业第 43 卷木聚糖损失率为 94.62%,木质素去除率为 86.79%。说明 ACH 的引入能有效地促进 TEBAC-GL 二元DES 破坏木质纤维素致密的结构,高效去除木质素和半纤维素。表 1 不同预处理条件对甘蔗渣各组分含量的影响Table 1 Effects of different pretreatment conditions on the content of each component of SCB项目item残渣回收率/%residue recovery残渣组成 residue composition/%纤维素 cellulose木聚糖
25、 xylan木质素 ligninnTEBACnGLnACH未处理 untreated10037.72 1.0622.95 1.3222.34 1.4212099.06 1.2030.02 1.1218.25 0.9120.55 1.32120.0153.31 2.6162.51 1.219.43 0.617.48 0.86120.0542.61 2.3682.97 1.132.90 0.196.92 0.65120.142.50 1.7876.43 1.540.22 0.115.47 0.21120.240.23 1.9877.96 1.210.79 0.126.15 0.33120.339.
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