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《中南林業科技大學學報》2015年第二期

1材料與方法

1.1實驗材料原料：均采自湖南常德漢壽縣楊木速生基地，9年生的美洲黑楊Populusdeltoides，胸徑11.2m以上。樹高21m以上，2012年6月采樣分析，2013年12月分析檢測。蒸汽爆破預處理和菌處理后的楊木由中南林業科技大學生物乙醇研究中心提供。藥品：氫氧化鈉（分析純AR），硝酸（AR），95%乙醇（AR），溴酸鉀（AR），溴化鉀（AR）為國藥集團化學試劑有限公司；氯化鈉（AR），苯（AR），硫酸（AR），氯化鋇（CP），鹽酸（AR）株洲市星空化玻有限責任公司；硫代硫酸鈉（AR），碘化鉀（AR），淀粉（AR），酚酞（AR），甲基橙（AR）天津大茂化學試劑廠。主要儀器：索氏抽提器，糠醛蒸餾裝置、量筒、燒杯、抽濾瓶、堿式滴定管、砂芯漏斗、容量瓶、具塞錐形瓶（250/500/1000mL）、烘箱、干燥器，電爐，PB403-N電子天平，鄭州長城科工貿有限公司；SHZ-D（III）循環水式真空泵，鞏義市子華儀器有限責任公司，高溫爐。

1.2實驗方法實驗各項目分析方法均采用木材化學成分分析國家標準進行[6]。其中纖維素采用硝酸乙醇法測定；半纖維素采用二溴化法測定；木質素采用Klason法測定[7]；氫氧化鈉抽出物含量測定所用的NaOH濃度為0.998%；苯醇抽提物含量測定所用苯∶乙醇為2∶1；蛋白質測定方法采用凱氏定氮法測定。

2結果與分析

2.1抽提物木材中的抽出物主要為木材中少量的低分子成分，大部分儲存于細胞間隙與細胞腔中，木材中所含抽提物的含量與種類因生長立地條件不同而有所差異。一般而言，冷水抽提物包含單寧、色素、生物堿(主要為它的鹽類)，可溶性礦物成分及某些單糖；熱水抽提物除含有上述成分外，還包含有淀粉和果膠質；1%NaOH抽提物除包含更多量的熱水抽提物的各種成分外，還含有蛋白質、氨基酸、部分半纖維素、木質素的低聚物，以及少量油脂、蠟、樹脂和香精油；苯、乙醇抽提物中，主要有樹脂、蠟、脂肪、香精油、單寧、色素、部分碳水化合物和微量的木質素[7]。從表1可以看出原木試樣的抽提物含量和一般闊葉木中所含結果沒有多大區別。如表1所示，經過爆破處理后的試樣抽出物含量均高于原木試樣，這說明原木在高溫和稀酸處理下組分發生了變化，特別是高分子化合物。如圖1，從1%氫氧化鈉抽提物的含量比原木提高了近20個百分點，熱水抽提物是原木的一倍左右可以看出爆破預處理后半纖維素降解為一些小分子的有機物。而在菌處理的楊木中NaOH抽提物高達到59.7%，這說明細菌將木材中大分子有機物分解成低聚物，因此NaOH抽提物也可以作為判斷木材是否腐朽的一個重要指標。從表1可以看出，對菌處理后的試樣各抽出物含量均大于其他兩項，這是因為菌處理使得大部分纖維素轉化為乙醇和分解殘留的小分子。菌處理后的木材的抽出物除原木中所含的少量成分外，有木材中的高分子降解后的低聚物，也有菌種在對木材作用后產生的代謝低分子產物以及部分培養菌種所必須的培養基溶液，使1%氫氧化鈉抽提物的含量又提高了近20多個百分點。

2.2灰分灰分是樹木生長不可缺少的營養成分，原木試樣中的灰分為0.66%，屬于闊葉材中灰分一般的樹種，經爆破處理后，部分可溶性鉀、鈉鹽灰分溶解在水中，剩下不溶的鈣、鎂鹽類，所以這時的灰分有所降低。菌處理屬于生物反應工程，灰分的存在對其會有一定的影響，控制一個適宜的環境對于反應過程至關重要。所以菌處理后的灰分又所增加，這是菌種在進行反應過程中產生了代謝產物以及加入了適宜菌種生存的培養基溶液造成的。

2.3半纖維素與纖維素木材細胞壁主要是由纖維素、半纖維素、木質素組成。纖維素和半纖維素是可供生物乙醇發酵的主要成分。蒸汽爆破預處理利用木材細胞壁組分在165℃會發生熱解的原理，從而在高溫高壓酸性環境下加速這種熱解反應，將部分纖維素和大部分半纖維素水解為五碳糖和六碳糖。如圖2對比蒸汽爆破前后的半纖維素含量和熱水抽提物含量，我們可以看出木材在酸性水蒸氣的條件下，經過高溫高壓（3MPa、200ºC以上）處理使得原細胞壁被破壞，半纖維素基本被熱水解，這就使得1%NaOH溶液和苯醇抽提物含量均比原木抽提物顯著提高。蒸汽爆破將大量半纖維素水解為較小單元對后期菌處理有所貢獻，在較大改變木材原結構的同時對纖維素的水解貢獻大，適宜作為生物乙醇生產的預處理步驟。而經過菌處理后，木材的纖維素基本被酶水解，故抽提物含量也大大增加。纖維素的含量在經過蒸汽爆破處理后略有提高，這是由于蒸汽爆破將大部分半纖維水解并流失到溶液中，使得原料的質量減少而導致纖維素有所提高；而經菌處理后的試樣纖維素含量顯著降低而半纖維素基本沒有減少，說明混合纖維素酶主要酶解的是纖維素。同時，由于隨著纖維素酶解含量的降低使得基數變小，導致了酸不溶木素含量的增加。

2.4木素木質素是由苯丙烷單元通過醚鍵和碳碳鍵連接而成的聚酚類三維網狀高分子芳香族化合物[9]，由于其結構復雜，分子大，很難進入到細胞內部供微生物吸收利用，因此木質素對生物乙醇的生產是沒有貢獻的。由圖3數據可知，無論是蒸汽爆破預處理還是菌處理對木質素總量的影響都不大。而最后經過細菌處理的剩余產物中的主要成分為木質素，由此可知，如何高效合理的利用菌處理后的木質素是回收再利用生物乙醇發酵剩余產物的關鍵。

作者：閆興偉崔琳張林王芳陳茜文單位：中南林業科技大學材料科學與工程學院