王美鑫 戰(zhàn)雅微 馬騰飛 李志強
(國際竹藤中心,國家林業(yè)和草原局/北京市共建竹藤科學(xué)與技術(shù)重點實驗室 北京 100102)
能源和環(huán)境問題日益成為人們關(guān)注的焦點。生物質(zhì)能為中國碳達峰、碳中和的“雙碳” 目標(biāo)實現(xiàn),以及解決能源、資源與環(huán)境問題提供了一個可持續(xù)發(fā)展的途徑[1]。通過利用木質(zhì)纖維素制備生物基平臺化學(xué)品一直以來都是國內(nèi)外學(xué)者研究的熱點。當(dāng)前關(guān)于木質(zhì)纖維素制備化學(xué)品的研究雖然取得了重大進展,但仍存在目標(biāo)產(chǎn)物收率低、轉(zhuǎn)化工藝復(fù)雜、產(chǎn)物純化困難、成本高、催化劑易失活等問題[2]。目前,木質(zhì)纖維素中的纖維素和木質(zhì)素已有大量研究和應(yīng)用,而半纖維素由于其復(fù)雜和不均一的性質(zhì)致使其研究和利用受到一定限制。半纖維素是一種高附加值天然高分子材料,具有廣闊的發(fā)展前景,因此研究半纖維素的提取分離及其下游化學(xué)品的制備,被認為是提高生物質(zhì)全組分利用可行性的關(guān)鍵。
在眾多木質(zhì)纖維素生物質(zhì)中,玉米芯、秸稈等可降解的生物材料都可用于研究半纖維素,在這其中,竹子具有得天獨厚的優(yōu)勢,在中國尤為突出。中國竹資源豐富,種類達39 屬837 種[3],竹林地面積達701.97 萬hm2[4],竹資源居于世界首位。而且竹子具有生長快、再生能力強、產(chǎn)量高、一次種植即可連年持續(xù)利用的優(yōu)勢,既不與民爭地、爭糧,又能避免木材的過度采伐,一直被認為是生物燃料、生物基材料和生物基化學(xué)品的潛在原料。隨著科技進步與產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新,竹材在建材、造紙、輕工、食品、家居等行業(yè)得到廣泛應(yīng)用[3]。受竹子尖削度大和中空結(jié)構(gòu)等的影響,在竹產(chǎn)業(yè)加工利用過程中常常會產(chǎn)生大量的采伐和加工剩余物,這些剩余物都可作為竹化學(xué)品開發(fā)利用的原料。
然而,由于在竹材細胞結(jié)構(gòu)中,木質(zhì)素和半纖維素共同緊密地將纖維素包裹在內(nèi),而形成復(fù)雜的、難以降解的致密結(jié)構(gòu)體系[5],導(dǎo)致其處理難度高于農(nóng)業(yè)廢棄物和部分木材,直接用半纖維素酶處理得到木糖的得率很低,因此如何高效地將竹材的致密結(jié)構(gòu)打散,再水解半纖維素處理得到低聚木糖、木寡糖 (xylo-oligosaccharides,XOS) 和木糖,成為研究的熱點和難點?;诖耍疚膶陙硖崛“肜w維素及其解聚產(chǎn)物的研究進行綜述,簡述不同提取半纖維素的預(yù)處理方法,并分析一定的降解方法得到半纖維素的解聚產(chǎn)物——木寡糖和木糖;并借鑒其他木質(zhì)纖維原料的提取方法,可為竹材半纖維素的研究以及開發(fā)利用竹材半纖維素降解糖產(chǎn)物提供參考。
半纖維素在植物細胞壁中的含量僅次于纖維素,在大多數(shù)植物材料中約占1/3[6]。與纖維素不同,半纖維素由短小、高度支化的五碳和六碳糖單元聚合組成,如木聚糖、甘露聚糖、β-葡聚糖和木葡聚糖等。此外,半纖維素的含量和結(jié)構(gòu)、主鏈的長度和類型、側(cè)鏈的分布和類型隨木質(zhì)纖維素的種類不同而不同。值得注意的是,與纖維素和木質(zhì)素相比,半纖維素的聚合度很低、反應(yīng)活性高,半纖維素的高支化和無定形性質(zhì)使其易于轉(zhuǎn)化[7-8],在化學(xué)處理時木聚糖更容易降解成木寡糖或木糖。因此,研究木質(zhì)纖維原料中的纖維素、半纖維素和木質(zhì)素等3 大組分有效分離,再利用半纖維素制備木寡糖和木糖等下游產(chǎn)品,為木質(zhì)纖維素的工業(yè)化利用提供了重要途徑。
半纖維素具有許多優(yōu)良的性能,包括生物降解性、生物相容性、生物活性等[9],而且主鏈和側(cè)鏈含有大量的羥基、羰基、羧基和乙?;?,可以通過醚化、酯化和接枝共聚等方法進行改性,從而制備得到具有良好性能的水凝膠、吸附劑、催化劑、薄膜和生物復(fù)合材料等,廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)藥、造紙工業(yè)、食品包裝、化妝品和材料化工等多種領(lǐng)域[10-15](圖1)。
圖1 半纖維素的應(yīng)用Fig.1 The application of hemicellulose
將半纖維素分離解聚為木寡糖和單糖可以進一步擴大其應(yīng)用領(lǐng)域。木寡糖是由木聚糖水解產(chǎn)生的一種功能性低聚糖,主要含有木二糖、木三糖、木四糖、木五糖、木六糖、木七糖以及少量的木糖等。已研究確認的木寡糖的生理功能如圖1 所示。木寡糖的能量值幾乎為零,既不會影響血液中的血糖濃度,也不增加血糖中的胰島素水平[16],在調(diào)節(jié)血糖、降低血清和血脂膽固醇、優(yōu)化腸道菌群、預(yù)防癌癥以及食品保健等方面發(fā)揮了重要作用[17-18];同時,木寡糖極難被動物消化吸收,在腸道內(nèi)殘存率高,具有雙歧桿菌增殖性,是低聚糖類中增殖雙歧桿菌功能性最強的一個品種,其功效是其他低聚糖的15~20 倍,故應(yīng)用前景廣闊。半纖維素降解得到的木糖同樣也有重要用途,其脫水后可得到糠醛,經(jīng)氫化還原可制備木糖醇;經(jīng)硝酸氧化可得三羥基戊二酸,并通過一些特定的微生物發(fā)酵可進一步轉(zhuǎn)化為燃料乙醇、2,3-丁二醇和乳酸等,這些都可以廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)或是繼續(xù)制備其他下游化學(xué)品[19]。
目前,直接以木糖為原料制備下游化學(xué)品的研究較多,但是從木質(zhì)纖維原料中高效制備木糖和木寡糖的研究則相對偏少。竹材的半纖維素含量與闊葉材相近,明顯高于針葉材 (10%~15%),木聚糖約占半纖維素的90%[5],因此竹子無疑是一種制備木寡糖或木糖的理想生物質(zhì)原料。在眾多竹子品種中,毛竹是應(yīng)用最廣、經(jīng)濟價值最高的竹種,其半纖維素的結(jié)構(gòu)如圖2 所示。其中,毛竹的半纖維素主要是由D-吡喃木糖單元通過β-1,4 糖苷鍵連接而成的木聚糖構(gòu)成,且α-D-葡萄糖醛酸基和α-L-阿拉伯糖基以側(cè)鏈形式分別連接在主鏈結(jié)構(gòu)單元的C2 和C3 位置上[20]。毛竹半纖維素的主要單糖成分是木糖,因此其半纖維素的解聚產(chǎn)物主要為木寡糖和木糖。
圖2 毛竹的半纖維素結(jié)構(gòu)Fig.2 Hemicellulose structure of moso bamboo
木質(zhì)纖維生物質(zhì)中半纖維素的有效利用,包括從原料生物質(zhì)中選擇性溶解提取出半纖維素和轉(zhuǎn)化生成半纖維素衍生物的目標(biāo)產(chǎn)品2 方面。在植物細胞壁中,半纖維素與木質(zhì)素以共價鍵連接,通過氫鍵與纖維素連接,這些連接鍵阻礙了半纖維素從細胞壁中的提取。因此,研究有效的半纖維素提取方法對促進半纖維素的高效利用至關(guān)重要。對于竹材而言,竹材纖維素、半纖維素和木質(zhì)素相互交織形成了復(fù)雜的、難以降解的致密結(jié)構(gòu)體系,導(dǎo)致直接提取半纖維素的效率很低。因此,往往需要對竹材先進行處理,再通過水解得到木糖。目前從木質(zhì)纖維原料中提取半纖維素的處理方法包括堿法、堿性過氧化氫法、水熱法、有機溶劑法以及其他方法等[21-24]。
堿法是從生物質(zhì)中提取半纖維素最常用的方法,堿中的OH-可以使分子間的鍵發(fā)生皂化,脫去木質(zhì)素,促進膨脹,從而將半纖維素從細胞壁溶解[25]。常用的堿有NaOH、KOH、LiOH 等,堿的種類和濃度以及反應(yīng)時間和溫度都會對半纖維素得率產(chǎn)生影響。García 等[26]將小麥秸稈置于40 ℃氫氧化鈉溶液中反應(yīng)90 min,得到半纖維素的提取率為56.1%。也有研究者采用冷堿提取和乙醇沉淀分離提取半纖維素,取得了較好的效果[27-28]。Li 等[29]采用凍融輔助堿處理從竹子中獲得了高產(chǎn)率、低分子量的半纖維素,半纖維素的提取率高達64.71%。這是由于凍融過程會在生物質(zhì)內(nèi)形成冰晶造成機械損傷,但超低溫速凍對實驗設(shè)備要求較高,不易實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。一般用堿液處理,可以脫除聚木糖類半纖維素中的乙?;吞侨┧峄瑥亩岣呔勰咎堑慕Y(jié)晶程度。但在用堿液抽提半纖維素的方法中,半纖維素不可避免的會發(fā)生堿性剝皮反應(yīng)、脫乙酰基作用,甚至發(fā)生苷鍵斷裂的堿性水解,所以當(dāng)目標(biāo)產(chǎn)物是聚糖類半纖維素時應(yīng)力求減少這些反應(yīng)。
過氧化氫(H2O2) 在堿性環(huán)境中容易分解成羥基和超氧陰離子自由基,可以氧化木質(zhì)素結(jié)構(gòu),形成親水性基團,并打破木質(zhì)素分子單元之間的化學(xué)鍵,達到分離半纖維素的效果。Cengiz 等[30]用不同濃度的NaOH 和H2O2從罌粟和棉花秸稈中提取半纖維素,發(fā)現(xiàn)堿性H2O2是溶解半纖維素的有效溶劑。Brienzo 等[31]研究了堿性H2O2一步法提取甘蔗渣半纖維素的工藝,發(fā)現(xiàn)當(dāng)H2O2濃度為6%、處理4 h,得到的半纖維素產(chǎn)量可達90%。Xing 等[32]采用蒸汽爆破輔助堿性過氧化物法,從玉米秸稈中分離出半纖維素,研究發(fā)現(xiàn)經(jīng)蒸汽爆炸所提取的半纖維素組分是阿拉伯木聚糖、木葡聚糖和β-葡聚糖的混合物,再經(jīng)過堿性H2O2處理后,半纖維素回收率從6.2%提高到12.2%,而且當(dāng)H2O2濃度升高時,半纖維素聚合物會顯著降解;經(jīng)酸水解后,在半纖維素組分中以木糖(53.7%) 和葡萄糖(30.5%) 為主要糖成分。
水熱法是成本效益最佳的提取方法之一,用水做試劑,綠色環(huán)保,而且反應(yīng)時間短、效率高。Santos 等[33]在170 °C、60 min 的條件下從松木中提取到60%的半纖維素,提取的半纖維素主要在液相中以低聚物形式存在,總濃度達12.7 g/L。Moniz 等[34]利用水熱處理從玉米秸稈中選擇性分離半纖維素,結(jié)果發(fā)現(xiàn)原木聚糖的72.1%被溶解,其中63.2%被回收且為可溶性糖,包括木寡糖、木糖和阿拉伯糖。水熱法是利用水分子中自電離的H+進行自催化水解反應(yīng),從而將半纖維素溶出,而木質(zhì)素和纖維素幾乎不發(fā)生變化。水熱萃取的機理與弱酸處理相似,在水解過程中,半纖維素分子結(jié)構(gòu)中支鏈上的乙?;鶖嗔?,生成乙酸,乙酸分離出H+,使反應(yīng)體系的pH 值不斷降低[35],將多糖降解為單糖,木聚糖解聚的程度取決于自水解的嚴重程度。因此,通常利用水熱條件可以得到具有較低聚合度的半纖維素。但水熱反應(yīng)通常要在高溫高壓下進行,對設(shè)備要求較高。
用有機溶劑法分離得到的半纖維素純度高,化學(xué)活性好,且能夠很好地保護半纖維素的原有結(jié)構(gòu)不被破壞,特別是在用二甲亞砜(DMSO)提取半纖維素過程中可以保護乙?;皇芷茐?。Zhang 等[36]以1~3 年生慈竹為原料研究DMSO 提取的半纖維素的結(jié)構(gòu)特征,發(fā)現(xiàn)在DMSO 處理下,半纖維素的降解程度較低,半纖維素產(chǎn)率為綜纖維素的6.53%~9.78%。另一種有機溶劑1,4-二氧六環(huán),也作為半纖維素的提取溶劑,但其提取的半纖維素中會含少量的木質(zhì)素、阿魏酸和對羥基肉桂酸,且半纖維素得率較低,廢液回收困難[37]。此外,利用甲醇、乙醇、丁醇和丙酮等低沸點有機溶劑與NaOH 等堿性催化劑處理木質(zhì)纖維原料,可以選擇性地切斷細胞壁基質(zhì)中半纖維素和木質(zhì)素的連接,而不會使半纖維素大幅度降解[38]。但由于大多有機溶劑具有腐蝕性、毒性以及揮發(fā)性,對環(huán)境易造成污染,所以有學(xué)者研究使用綠色環(huán)保有機溶劑的方法,發(fā)現(xiàn)不僅可以降低成本、減少污染,而且在分離半纖維素的同時還可以保留纖維素,并對脫除的木質(zhì)素加以利用。如γ-戊內(nèi)酯(GVL) 就是一種來源于生物質(zhì)的綠色極性非質(zhì)子有機溶劑,具有良好的熱化學(xué)穩(wěn)定性,存儲安全且能夠大量移動,通過添加NaCl 或液態(tài)CO2可以方便回收和重復(fù)利用[21]。以往的研究集中于GVL/H2O 體系預(yù)處理生成富含纖維素的殘基,從而增強后續(xù)酶解[39-40],也有部分研究人員探索了其在木質(zhì)素方面的應(yīng)用[41]。而隨著半纖維素降解產(chǎn)物(木糖或木寡糖) 的高價值利用受到關(guān)注,GVL 在提取半纖維素催化轉(zhuǎn)化為有價值的平臺化學(xué)品方面也有一定應(yīng)用[42-43]。有研究以GVL/H2O 為溶劑,在不加酸的情況下對木材進行分餾,結(jié)果表明,有79.6%的半纖維素被有選擇性地萃取到有機相中,纖維素損失率極低為13%,在GVL/水體系中加入硫酸,可進一步提高半纖維素的分離效果[44]。Oyola-Rivera 等[45]研究了以H2SO4為催化劑、在GVL/H2O 的溶劑中處理甘蔗渣,得到木糖的最高得率為49%,這也為研究制備木糖提供了參考。
除以上方法外,還有蒸汽爆破、微波、超聲波等輔助堿法、低共熔溶劑、離子液體(ILs) 和酸法等。蒸汽爆破是在高溫和高壓下利用水蒸氣穿透細胞壁,然后再突然釋壓而爆破使其結(jié)構(gòu)被破壞。Mihiretu 等[46]使用蒸汽爆破預(yù)處理甘蔗渣和白楊,在204 ℃處理10 min 得到木聚糖的產(chǎn)量分別為51%和24%。Xie 等[47]以甘蔗渣為原料采用超聲輔助堿法提取半纖維素,半纖維素產(chǎn)率較未采用超聲輔助的提高了3.24%。Yang 等[48]設(shè)計并合成了6 種基于多元醇和天然有機酸的酸性低共熔溶劑用于提取玉米芯的半纖維素,結(jié)果表明,乙二醇∶草酸(4 ∶1) 和甘油∶草酸(4 ∶1) 均表現(xiàn)出良好的溶解性能,半纖維素的產(chǎn)率分別達到31.7%和36.3%,而且適宜的酸度和溫度可以有效避免半纖維素的過度降解。此外,對甲苯磺酸(p-TsOH) 對木質(zhì)素有良好的溶解性,且其強酸性會導(dǎo)致半纖維素極易發(fā)生降解,所以在提取半纖維素領(lǐng)域也具有一定的應(yīng)用潛力。p-TsOH 作為有機酸在木質(zhì)纖維素預(yù)處理工藝中具有性能穩(wěn)定、毒性小、易回收等優(yōu)點[49]。Feng等[50]以甘蔗渣為研究對象,在80 ℃、3.0%p-TsOH 和120 min 的條件下,得到半纖維素的分離率和提取率分別為73.23%和36.02%,為半纖維素的高效分離和提取提供了有價值的理論依據(jù)。Yu 等[51]用p-TsOH 預(yù)處理玉米秸稈,發(fā)現(xiàn)在100 ℃時水解產(chǎn)物中有85%的木糖,而且預(yù)處理溫度越高,降解得到的木糖越多,這為分離提取半纖維素中的木糖提供了重要參考,研究竹子半纖維素的提取可以充分借鑒此方法。此外,Lan 等[52]研究了甘蔗渣在1-丁基-3-甲基咪唑氯([C4mim]Cl) 中的溶解情況,用3%NaOH 溶液萃取,得到半纖維素的收率為26.04%。對于離子液體法,雖然其具有分離效率好、溶劑回收利用好、無污染的優(yōu)點,但離子液體的制備過程復(fù)雜,其成本高。而酸法處理,會使半纖維素與纖維素的氫鍵發(fā)生斷裂,也會導(dǎo)致一部分半纖維素的溶出,但由于半纖維素在酸性條件下容易水解,因此酸法提取的產(chǎn)率和分子量相對較低。
半纖維素常采用酶水解、自水解、催化水解和酸水解等方法由木聚糖解聚而得到木寡糖或木糖[53](表1)。
表1 木聚糖常用水解方法Tab.1 Common hydrolysis methods of xylan
半纖維素是復(fù)雜的雜多糖,因此酶解需要多種酶的作用,一般包括內(nèi)切木聚糖酶、酯酶、內(nèi)切甘露聚糖酶、β-甘露糖苷酶、α-葡萄糖苷酶和α-半乳糖苷酶等,而針對木聚糖的完全酶水解則需要多種酶的協(xié)調(diào)作用。首先,由內(nèi)切1,4-β-D-木聚糖酶隨機斷裂聚木糖骨架,產(chǎn)生木寡糖,降低了聚合度;然后由外切酶β-木糖苷酶將木寡糖分解為木糖。目前,由于酶解法環(huán)境友好且產(chǎn)生的副產(chǎn)物少,因此是食品工業(yè)生產(chǎn)木寡糖的首選方法。王東美等[54]采用酶法降解經(jīng)蒸汽爆破的玉米芯半纖維素生產(chǎn)木糖,當(dāng)在加酶量13.05 U/g、水料比13.2 ∶1、酶解時間5 h、酶解溫度47.3 ℃條件下,得到木糖的產(chǎn)率為83.24%。但由于酶解法對反應(yīng)條件要求嚴格,且隨著反應(yīng)的進行,酶易失活,耗時較長,成本較高,因此限制了其在生產(chǎn)中的大規(guī)模使用。
自水解法和稀酸水解法是降解半纖維素的傳統(tǒng)處理方法。自水解是在高溫或高壓下用水蒸氣或液態(tài)水進行熱處理,由水的自電離作用產(chǎn)生水合氫離子,從而觸發(fā)半纖維素的解聚產(chǎn)生木寡糖。Zhang 等[55]研究乙?;o助自水解處理甘蔗渣生產(chǎn)木寡糖,在200 ℃下自水解10 min 后木寡糖得率為50.35%。在溫度較高的反應(yīng)條件下,乙?;o助自水解增加了木二糖和木三糖的含量,同時也增加了纖維素的酶降解效率。Xu 等[56]研究了楊木半纖維素在160~180 ℃時的自水解過程,將半纖維素以超高的水解速率轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的單糖。酸法是處理半纖維素水解應(yīng)用最廣的一種手段,稀酸處理能夠破壞木質(zhì)素與纖維素和半纖維素之間的連接,促進半纖維素降解[57],通過控制酸解的時間、溫度和濃度,可有效提取半纖維素中的大部分木糖成分,此法適用性廣、成本低。常用的酸有鹽酸、硫酸、磷酸、硝酸、甲酸、馬來酸和草酸等。Zhang 等[58]采用蘋果酸(MA) 處理油茶殼,探究了酸濃度、反應(yīng)溫度和反應(yīng)時間對木寡糖的濃度和產(chǎn)率的影響,發(fā)現(xiàn)在使用2 mol/L的MA、120 ℃、30 min 的條件下,DP2-4 的木寡糖的最高產(chǎn)率為48.78%。也有研究從芒草中提取木糖,用0.3%的硫酸在180 ℃條件下處理10 min后,得到木糖產(chǎn)率最高為74.75%,半纖維素(主要是木聚糖) 的降解率為86.41%[59]。何文強等[60]用甲酸法預(yù)處理南荻,結(jié)果表明在反應(yīng)3 h、溫度100 ℃、料液比1 ∶10 的條件下半纖維素回收率為80.2%,半纖維素提取液中主要成分為木糖,且木糖提取率為89.8%。
此外,對催化水解法的研究也較多,Shatalov等[61]以新型鉬釩磷酸鹽雜多酸作為酸催化劑將半纖維素水解轉(zhuǎn)化為可溶性單糖和低聚糖,研究發(fā)現(xiàn)木聚糖的水解轉(zhuǎn)化率為98.5%。Zhang 等[62]以0.05 mol/L 的FeCl2和0.05 mol/L 的MgCl2共催化甘蔗渣生產(chǎn)木寡糖,產(chǎn)率達54.68% (29.34%木二糖和20.94%木三糖)。與酸性水解相比,酸性綠色離子液體表現(xiàn)出類似的半纖維素水解機制。Lopes 等[63]利用酸性1-乙基-3-甲基咪唑硫酸氫離子液體水溶液,選擇性高效水解麥草半纖維素為戊糖(木糖和阿拉伯糖),反應(yīng)液中戊糖的收率為80.5%,離子液體的回收率高達92.6%。
研究竹材半纖維素的解聚,可以充分借鑒以上其他木質(zhì)纖維原料分離半纖維素的預(yù)處理方法,以破壞原料的致密結(jié)構(gòu),第2 步再通過酶水解、自水解、催化水解和酸水解木聚糖來得到木寡糖或木糖。半纖維素的解聚過程經(jīng)歷了從長鏈到短鏈的多級降解過程,然后是更小范圍的可溶性低聚物和單體,在這個過程中,不僅要促進木聚糖的解聚,也要避免單糖的降解或損失。尤其是木糖在高溫和酸性環(huán)境中高度不穩(wěn)定,因此會生成一些糖降解產(chǎn)物如有機酸(如甲酸和乙酸)、呋喃(如5-羥甲基糠醛和糠醛)、不溶性腐殖質(zhì)等[64-65],所以在制備過程中要考慮減少抑制物的生成。
以竹材為原料的半纖維素提取和利用研究還處于起步階段,竹材半纖維素的提取和解聚過程應(yīng)結(jié)合竹材自身的結(jié)構(gòu)特性來開展研究。同時,要考慮到利用半纖維素的同時,兼顧纖維素和木質(zhì)素的同步開發(fā)利用,以期達到全組分高效利用的目的。根據(jù)目標(biāo)產(chǎn)物的不同,可設(shè)計開發(fā)各組分分步、分級利用的綜合工藝途徑。在未來的應(yīng)用中,還應(yīng)考慮使用綠色溶劑和反應(yīng)物進行半纖維素衍生化的綠色途徑。