全 文 ：第 30卷　第 3期
2009年 9月
内 蒙 古 农 业 大 学 学 报
JournalofInnerMongoliaAgriculturalUniversity
Vol.30　No.3
Sep.2009
沙柳 、柠条 、杨木纤维素酸水解制取葡萄糖的研究＊
李　月 1 , 　王喜明 2
(1.　黑龙江林业职业技术学院 ,牡丹江　157011;
2.　内蒙古农业大学材料科学与艺术设计学院 ,呼和浩特　010019)
摘要:　本文以沙柳 、柠条 、杨木为原材料 ,研究了 3种木材制取生物质燃料乙醇的原料预处理阶段纤维素酸水解转
化葡萄糖的影响因素和较佳条件 ,并寻找了 3种木材水解的较佳条件组合。 试验结果表明 , 2种灌木材酸水解转化
为葡萄糖的质量要明显高于杨木。原浆浓度为 8%, 酸浓度 0.4mol/L～ 0.5mol/L、水解时间 8h～ 10h、水解温度 70℃
～ 90℃是较佳木材纤维素转化为葡萄糖的反应条件。
关键词:　沙柳;　柠条;　杨木;　水解;　葡萄糖
中图分类号:　TQ351.3　　　文献标识码:　A　　　文章编号:1009-3575(2009)03-0160-05
STUDYONPREPARATIONOFGLUCOSEBYACIDICHYDROLYSISOFCELLULOSEFROMSalix, CaraganaANDPoplar
LIYue1 , 　WANGXi-ming2
(1.　HeilongjiangForestryVocation-TechnicalCollege, 157011, China;
2.　ColegeofMaterialScienceandArtsDesign, InnerMongoliaAgricalturalUniversity, Huhhot, 010018, China)
Abstract:　TheinfluencingfactorsandbetterconditionsbyacidichydrolysisofceluloseforglucosefromSalix, CaraganaandPoplar
inmaterialpretreatmentstagetoyieldthebiomassfuelalcoholwerestudiedinthispaper, andthebetterhydrolysistechnologybythis
threekindsofwoodwasprobed.Theresultsshowedthat:thequalityofglucosefromsalixandcaraganaishigherthanfrompoplarevi-
dently, andtheformerplasmconcentration(8%)、acidconcentration(0.4 ～ 0.5mol/L)、hydrolyzetime(8 ～ 10h)、hydrolyzetempera-
ture(70 ～ 90℃)arebetterreactionconditionstogetglucosefromwoodcelulose.
Keywords:　Salix;　caragana;　poplar;　hydrolyze;　dextrose
　　为降低对石油的依赖程度 、减少环境污染 ,使用
生物质燃料乙醇与汽油掺混作为动力能源已成为世
界各国能源战略的发展方向 [ 1] 。目前具有实际应用
的生物质生产燃料乙醇技术仅限于糖和淀粉原料的
发酵工艺 ,而使用粮食或甜高梁秸秆发酵制取燃料
乙醇会面临与人类争地 、季节性原料收购困难等一
系列问题[ 2, 3] 。因此 ,必须广辟原料来源 ,寻找 1种
替代型原料作为陈化粮及能源作物秸秆的有利补
充 。沙生灌木是广泛生长在我国西北地区的可再生
和利用的含有大量纤维素和半纤维素的木质资源 ,
是西部生态建设过程中重要的 、栽培面积最大的树
种 ,这些灌木林对我国西部生态产生重要的作用 [ 4] ,
开展沙生灌木制取燃料乙醇意义重大。众多研究表
明 ,制约生物质燃料乙醇规模化生产的瓶颈问题之
一即是原料预处理问题 [ 5 ～ 7] ,因此 ,本试验旨在对利
用内蒙古自治区沙生植物资源生产燃料乙醇的原料
酸水解预处理阶段的较佳条件进行初步探索 ,为沙
生灌木能源转化技术提供理论基础。
1　试验主要材料及仪器
1.1　试验原料
沙柳(Salix)、柠条 (Caragana)、杨木 (Poplar),
＊ 收稿日期:　2009-07-27基金项目:　内蒙古自治区科技厅新能源专项:文冠果生物柴油研究与开发作者简介:　李月(1979-),女 ,助教 ,硕士研究生 ,主要从事生物质能源 、木材干燥方面的研究.
试材采自内蒙古自治区鄂尔多斯市伊金霍洛旗新街
治沙站 。
1.2　试验主要仪器及试剂
主要仪器:TU-1900双光束紫外可见分光光度
计 、木材干燥箱 、多功能粉碎机等
主要试剂:硫酸(浓度 98.0%)、葡萄糖 (分析
纯)、DNS显色剂〔3 , 5-二硝基水杨酸(分析纯)、氢
氧化钠 、酒石酸钾钠(化学纯)、苯酚(化学纯)、无水
亚硫酸钠等(化学纯)〕
2　试验方法 [ 8 ～ 13]
2.1　葡萄糖标准曲线绘制
葡萄糖标准溶液(1mg/ml):用分析天平准确称
取 1.000g无水葡萄糖并定容至 1000ml(溶剂为
1mol/L硫酸钠)。
分别吸取 (1mg/ml)葡萄糖溶液 2.0ml、4.0ml、
6.0ml、8.0ml、10.0ml,用 1mol/L硫酸钠溶液定容至
50ml,分别吸取上述混和溶液 2.5ml,加入 2.5mlDNS
显色剂 ,于沸水中水浴 5min,冷却后加水 5ml,摇匀 ,
于 530nm处测光密度 , 作出葡萄糖浓度与吸光值
(Abs)的标准曲线(见图 1)。
表 1　3种木材酸水解因素水平表
Tab.1Factorsandlevelsofacidic
hydrolysisfromSalix, CaraganaandPoplar
原浆浓度% 酸浓度 mol/L 温度℃ 时间 h
10 0.5 70 6
8 0.4 80 8
6.25 0.3 90 10
2.2　样品处理
根据前期预备试验的结果 ,分别对沙柳 、柠条 、
杨木 3种木材进行水解试验 ,准确称取烘至绝干重
的 3种木材试样各 0.200g,分别在不同原浆浓度 、酸
浓度 、温度 、时间条件下进行四因素 、每因素三水平
全因子水解试验 ,因素与水平设置见表 1。
分别取出水解后的滤液 2.5ml,按不同因素水平
下的实际酸浓度用 1mol/L的氢氧化钠溶液中和至
中性 ,加入 2.5mlDNS显色剂 ,于沸水中水浴 5min,
各准确吸取 1ml,稀释至 25ml,于分光光度计 530nm
处比色 。根据葡萄糖标准曲线 ,通过吸光值直接读
取样品中葡萄糖浓度 。
3　试验结果与讨论
3.1　试验结果
糖化液中还原性糖以葡萄糖计 ,占干物质的百
分比称为 DE值。将树种也作为影响因素 ,对每一因
素水平单独影响下 ,木材纤维素水解转化为葡萄糖
的平均 DE值作为观测变量进行全因子试验 ,结果见
表 2。
图 1　葡萄糖标准曲线
Fig.1 Standardcurveofglucose
表 2　不同因素水平下酸水解平均 DE值
Tab.2 AveragevalueofDEbyacidichydrolysisindiferentfactorsandlevels
原料 原浆浓度% 酸浓度 mol/L 水解温度℃ 水解时间 h
沙柳 杨木 柠条 10 8 6.25 0.5 0.4 0.3 70 80 90 6 8 10
平均 DE值 14.41 15.34 17.40 15.94 16.37 15.90 16.71 14.66 11.78 13.03 14.28 17.32 11.05 14.46 17.44
3.2　讨论与分析
对试验结果使用 SAS8.2软件进行方差分析结
果见表 3
　　由方差分析结果可知 ,试验模型拟合数据较好 ,
不同因素与水平的处理对结果有显著差异 ,见表 4。
其中 ,原料种类 、酸浓度 、水解时间 、水解温度对结果
的影响在 α=0.01水平差异显著 ,原浆浓度对试验
结果影响在 α=0.05水平差异显著。
　　利用 SAS8.2对试验结果进行指定效应均值差
异(α=0.05)的多重区组检验(DUNCAN)分析 ,得到
各因素及交互作用对水解液平均 DE值的影响如下。
3.2.1　原料种类对水解液 DE值的影响　本试验沙
161第 3期　　　　　　　　　　　李　月等:　沙柳 、柠条 、杨木纤维素酸水解制取葡萄糖的研究
柳材的纤维素含量为 55.58%,杨木纤维素含量为
38.20%,柠条的纤维素含量为 49.90%。从 3种木
材的纤维素含量看 , 2种灌木材都要明显高于杨木 ,
故水解后葡萄糖的实际质量平均值均高于杨木 ,但
平均 DE值杨木则高于沙柳 ,二者均小于柠条(见图
2),可见 ,柠条是良好的水解制取生物质燃料乙醇的
原料。
表 3　3种木材酸水解液测定葡萄糖 DE值方差表
Tab.3 SummaryofanalysisofAveragevalueof
DEbyacidichydrolysisfromthreekindsofwood
R2 变异系数 误差均方根 平均 DE值
0.953 7 6.918 1 0.810 7 15.717 6
3.2.2　原浆浓度对水解液 DE值的影响　为使木材
中纤维素聚合度迅速下降 ,达到充分润胀 ,避免在酸
水解过程表面炭化 ,需先将木材粉末调和成一定浓
度的原浆。根据试验结果 , 原浆浓度在 10%和
6.25%水平下平均 DE值无显著差异并略低于 8%
水平(见图 3),故在后续酶解试验中原浆浓度选择
8%为宜 。
3.2.3　酸浓度对水解液 DE值的影响　酸浓度对试
材水解液中 DE值影响显著 ,随着酸浓度的增大水解
液中平均 DE值也明显增加(见图 4),酸浓度与反应
时间的交互作用对水解液的 DE值也有显著影响 ,时
间越长 ,反应越彻底 ,纤维素的转化率越高 (见图
5),但考虑到制约生产实际的成本与环境污染两个
瓶颈问题 ,应尽量降低酸的浓度 。
3.2.4　水解温度与时间对水解液 DE值的影响　试
验结果表明 ,在较高温度下 , 3种木材的水解程度均
有较大提高。当以 10℃为温度梯度时 ,随温度的升
高 ,水解液中平均 DE值增大的速率明显加快(见图
6)。随温度的升高水解液的平均 DE值也相应增大。
当以 2h为时间梯度时 ,平均 DE值的增大趋势较均
匀 。 1水平(6h)时的平均 DE值要小于以上各因素
水平下的指标 ,而 3水平(10h)的平均 DE值为以上
各因素水平指标中的最大值(见图 7)。
表 4　3种木材酸水解过程葡萄糖 DE值显著性分析
Tab.4SummaryofanalysisinacidichydrolysisfromSalix, CaraganaandPoplar
方差来源 自由度 平方和 均方 F值 显著性
原料 2 1142.03 571.02 399.51 ＊＊
原浆浓度 2 59.16 29.58 20.70 ＊
酸浓度 2 451.53 225.76 157.95 ＊＊
时间 2 3 413.28 1 706.64 1 194.03 ＊＊
温度 2 3 525.72 1 762.86 1 233.37 ＊＊
162 内 蒙 古 农 业 大 学 学 报　　　　 　　　　　　　　2009年
3.2.5　交互作用对水解液 DE值的影响　对试验结
果进行 SAS二元交互统计分析时发现 ,温度与时间
的交互 、温度与酸浓度的交互 、酸浓度与时间的交互
对水解液 DE值的影响在 α=0.01水平下差异显
著 ,但含有原浆浓度的交互 、原料与水解时间的交
互 、原料与水解温度的交互对结果影响不显著 。
4　结论
4.1　3种木材原料经过不同原浆浓度 、酸浓度 、时
间 、温度条件水解液的平均 DE值比较:柠条 >杨木
>沙柳 ,而实际水解获得葡萄糖的质量比较:柠条 >
沙柳 >杨木 。可见 ,沙生灌木是优良的制取生物质
燃料乙醇的原料 。
4.2　酸浓度 、温度 、时间是影响原料水解主要因素 ,
原浆浓度取 8%比较适宜 。在今后试验中 ,应缩短时
间梯度 ,并摸索加压试验条件对 DE值的影响 ,以提
高生产效率 。
表 5　3种木材酸水解较佳因素水平表
Tab.5 Factorsandlevelsofbeterconditionsbyhydrolysisforglucosefromthreekindsofwood
原浆浓度% 酸浓度 mol/L 温度℃ 时间 h
沙柳 8 0.4 80 10
杨木 8 0.5 90 8
柠条 8 0.4 70 8
163第 3期　　　　　　　　　　　李　月等:　沙柳 、柠条 、杨木纤维素酸水解制取葡萄糖的研究
4.3　为进行后续酶法水解 ,酸水解的 DE值在 12%
～ 18%为宜 ,本试验选择 17%作为后续酶法水解的
DE值 ,根据试验数据 ,可以得到如下因素水平组合
(见表 5)。
在后续研究中 ,还应细化各因素的水平范围 ,平
衡水解效果与成本 、环境污染之间的关系 ,筛选出更
加适宜的水解条件。
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