化石能源的日渐耗竭及其引发的严重环境问题，迫使人们寻找新的可再生和清洁能源^{[1, 2]}。生物质作为一种可再生能源，其分布广泛，储量丰富，引起越来越多的关注^[3]。以自然界广泛存在的木质纤维素为原料，经过一系列的物理和化学过程可生产制备多种高附加值的化学品，它们在医药、化工等领域有着非常广泛的应用^{[4, 5, 6, 7]}。

我国是典型的农业大国，作为生物质资源的农作物秸秆产量巨大，据统计其产量可达7亿多t·a^{-1 [8]}，其中水稻秸秆占南方农作物秸秆的绝大部分。目前，相当一部分农作物秸秆被就地焚烧或用作生活燃料^[8]，这样不仅浪费了宝贵的资源，而且容易引起环境污染等问题，因此对农作物秸秆的有效利用成为研究的重点^[9]。在农作物秸秆的资源化利用过程中，关键步骤之一是将其水解产生糖。农作物秸秆的稀酸水解是较常见的水解方法^{[10, 11]}。但是由于农作物秸秆中的半纤维素与纤维素的水解条件差异较大^{[12, 13]}，传统的一步水解法很难同时得到较高的木糖和葡萄糖产率。本文将采用两步法对水稻秸秆进行酸水解，以期获得较高的木糖和葡萄糖产率，为水稻秸秆的资源化利用提供一定借鉴。

葡萄糖、木糖、糠醛(天津市光复精细化工研究所)；甲酸、乙酰丙酸、乙酸(天津市津科精细化工研究所)；5-HMF(安耐吉化学公司)；稀硫酸溶液(上海麦克林生化科技有限公司)。

水稻秸秆取自湘潭(长沙)某农田，于80 ℃干燥24 h，之后粉碎，过40目筛备用。水稻秸秆成分通过美国国家可再生能源实验室(NREL)的方法测定，其纤维素、半纤维素含量分别为30.5%和17.2%。

Waters超高效液相色谱(UPLC)；德国Sartorius公司电子天平；低、高速离心机。

准确称取一定质量的水稻秸秆于聚四氟乙烯不锈钢反应釜中，加入一定体积的稀硫酸溶液，将不锈钢反应釜置于预先升温至设定温度的加热搅拌仪，开始计时。第一、二步水解反应所用反应釜体积分别为100 mL和50 mL，反应过程中转速控制在1 000 r·min^-1；每组实验重复3次，实验数据取平均值计算。反应流程如图 1所示。

图 1 水稻秸秆稀酸水解流程图 Figure 1 Dilute acid hydrolysis process of rice straw

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反应结束后，迅速用冷水将反应釜冷却，将水解液离心分离，过0.2 μm滤膜，用高效液相色谱分析，采用标准曲线法对水解产物进行定量测定。

高效液相色谱分析测试条件：色谱柱型号为SUGAR SH1011，流动相0.005 mol·L^-1硫酸溶液，流速0.5 mL·min^-1，柱温50 ℃，RI检测器温度35 ℃。

利用Microsoft Excel 2013进行实验基础数据的处理，应用Origin 8.5分析数据、作图。

首先采用传统的一步法对水稻秸秆进行了稀酸水解实验(图 2)。从图 2可以看到，在160 ℃下反应30 min，就可以得到较高的木糖产率(169.1 g·kg^-1)，而此时葡萄糖产率只有55.6 g·kg^-1。为了提高葡萄糖产率，进一步延长反应时间，可以看到随着反应时间的延长，葡萄糖产率逐步增加，到300 min时葡萄糖产率达到127.5 g·kg^-1，但此时生成的木糖却发生了明显的分解，转化为糠醛、甲酸、乙酸等产物。在300 min时木糖产率下降为19.1 g·kg^-1。因此，在传统的一步水解反应中，无法同时获得高产率的葡萄糖和木糖。

Reaction conditions: rice straw 0.5 g, 160 ℃, 50 mL 0.125 mol·L-1 H2SO4 图 2 一步法酸水解中产物产率随时间的变化 Figure 2 Variation of product yields over time in one-step hydrolysis

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为了防止葡萄糖产率增加的同时发生已经生成木糖的进一步分解，接下来采用两步水解法来处理水稻秸秆。首先在一个较低的温度下对水稻秸秆进行水解处理，以获得高产率的木糖；然后将未反应的水稻秸秆(此时的秸秆已去除绝大部分半纤维素，而以纤维素和木质素成分为主)分离后，再在较高反应温度下将其中的纤维素组分水解为葡萄糖，以期获得高产率的木糖和葡萄糖。

在第一步酸水解反应中，主要是通过优化反应条件，得到较高的木糖产率。第一步酸水解过程中所用稀酸水溶液体积均为25 mL。

温度对第一步水解反应的影响如图 3所示。从图 3可知，当反应温度为120 ℃时，反应速率较低，反应150 min后，木糖产率仍然较低；随着反应温度的升高，木糖生成速率开始加快，160 ℃时，反应60 min，木糖的产率达到最大值169.6 g·kg^-1，之后随着反应时间延长，木糖产率出现一定程度的降低。

Reaction conditions: rice straw 1.0 g, 0.5% wt H2SO4 图 3 第一步中反应温度对水稻秸秆稀酸水解的影响 Figure 3 Effect of reaction temperature on rice straw hydrolysis catalyzed by dilute acid in the first-step

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图 4显示了不同酸浓度对木糖产率的影响。从图 4可知，较低酸浓度下，木糖的生成速率较慢；随着酸浓度的增加，木糖生成速率逐渐加快。与温度对反应的影响类似，在较高酸浓度下，随着反应时间的延长，木糖产率同样出现不同程度的降低。

Reaction conditions: rice straw 1.0 g, 140 ℃ 图 4 第一步中酸浓度对水稻秸秆稀酸水解的影响 Figure 4 Effect of acid concentration on rice straw hydrolysis catalyzed by dilute acid in the first- step

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从现实意义考虑，底物浓度越高，对实际生产应用越有利。实验选取不同水稻秸秆用量进行了研究，结果如图 5所示。当水稻秸秆用量为0.5、1.0 g和1.5 g时，木糖最大产率分别为171.5、167.1、162.6 g·kg^-1。当水稻秸秆用量从0.5 g增加到1.5 g，木糖的最大产率变化不大，可见稀酸水解体系在较高底物浓度时仍具有良好的催化效果。

Reaction conditions: 140 ℃, 0.5% wt H2SO4 图 5 第一步中底物用量对水稻秸秆稀酸水解的影响 Figure 5 Effect of substrate concentration on rice straw hydrolysis catalyzed by dilute acid in the first- step

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对水稻秸秆第一步水解液成分进行分析，结果如图 6所示。从图 6可知，水解液中主要组分有木糖(162.6 g·kg^-1)、糠醛(5.3 g·kg^-1)、乙酸(18.2 g·kg^-1)、葡萄糖(30.5 g·kg^-1)、HMF(4.9 g·kg^-1)，乙酰丙酸和甲酸未检出。由结果可知，在选定的实验条件下，水解液中最主要的成分是木糖，其他成分含量相对较少，因此非常有利于木糖的下一步利用。

Reaction conditions: rice straw 1.5 g, 0.5% wt H2SO4, 140 ℃, 120 min 图 6 水稻秸秆稀酸水解液中产物 Figure 6 Products in the acid hydrolyzate of rice straw

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基于第一步水稻秸秆稀酸水解的实验结果，选取140 ℃，120 min，0.5% wt H₂SO₄，1.5 g底物反应条件下剩余的固体物质离心分离，用去离子水清洗，于80 ℃干燥24 h后，进行第二步水解反应。对其成分测定可知，其纤维素为47.0%。第二步酸水解过程中所用稀酸水溶液体积均为10 mL。

图 7显示了第二步中温度对水稻秸秆酸水解的影响。从图 7可知，当反应温度为160 ℃时，反应速率较低，葡萄糖和其他产物的产率都较低；当温度为180 ℃时，葡萄糖的产率明显增加，达到216.5 g·kg^-1，其他产物仍维持在相对较低水品；当温度为200 ℃，葡萄糖的产率迅速减低，而乙酰丙酸和甲酸的产率有明显增加，其产率分别达到了187.9 g·kg^-1和90.0 g·kg^-1。

Reaction conditions: 1.0% wt H2SO4, 0.5 g rice straw, 120 min 图 7 第二步中反应温度对水稻秸秆稀酸水解的影响 Figure 7 Effect of reaction temperature on rice straw hydrolysis catalyzed by dilute acid in the second-step

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图 8显示了180 ℃时，第二步水解液中产物产率随时间的变化。目标产物葡萄糖的产率随着反应时间的延长，迅速增加，由60 min的129.5 g·kg^-1到120 min的216.5 g·kg^-1。除木糖外，其他各产物产率总体随时间呈上升趋势。

Reaction conditions: 180 ℃, 1.0% wt H2SO4, 0.5 g rice straw 图 8 第二步中反应时间对水稻秸秆稀酸水解的影响 Figure 8 Effect of reaction time on rice straw hydrolysis catalyzed by dilute acid in the second-step

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从图 9可知，较低酸浓度下，葡萄糖和其他产物产率均较低；一定浓度范围内，随着酸浓度的提高，产物产率出现明显的增加；但酸浓度为2.0% wt时，葡萄糖产率出现小幅度下降，而乙酰丙酸和甲酸出现了明显程度的增加，其产率分别达到了119.6 g·kg^-1和63.1 g·kg^-1，说明酸浓度的提高不仅能保持较高的葡萄糖产率，而且有助于乙酰丙酸和甲酸的生成。

Reaction conditions: 180 ℃, 0.5 g rice straw, 120 min 图 9 第二步中酸浓度对水稻秸秆稀酸水解的影响 Figure 9 Effect of acid concentration on rice straw hydrolysis catalyzed by dilute acid in the second-step

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图 10显示了第二步水解反应中不同水稻秸秆用量时，水解液中各产物产率的变化。从实验结果可知，水稻秸秆用量为0.25、0.5 g和0.75 g时，对应的葡萄糖产率分别是237.1、216.5 g·kg^-1和193.1 g·kg^-1，随着水稻秸秆用量的增加呈现出较为明显的下降趋势。

Reaction conditions: 180 ℃, 1.0% wt H2SO4, 120 min 图 10 第二步中底物用量对水稻秸秆稀酸水解的影响 Figure 10 Effect of substrate concentration on rice straw hydrolysis catalyzed by dilute acid in the second-step

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水稻秸秆在酸水解过程中，乙酸主要产生于半纤维中乙酰基的裂解^[14]，除此外还存在以下主要反应^{[15, 16, 17]}：

因为半纤维素的酸水解比纤维素更容易实现，所以在水稻秸秆的一步法酸水解过程中，选定实验条件下，葡萄糖和木糖产率随时间呈现不同的变化趋势(图 2)。也正因为这样，在水稻秸秆的一步法酸水解中很难同时得到高的木糖和葡萄糖产率。

由于半纤维素的水解较为容易^[12]，因此在第一步水稻秸秆的酸水解反应中，在较低的温度、酸浓度和较高的底物浓度下(图 3~图 5)，就可以实现水稻秸秆中半纤维素向木糖的高效转化。从图 6的结果可知，第一步酸水解中，其主要产物是木糖，葡萄糖和其他糖类衍生物含量较少，说明在选定的反应条件下，可实现半纤维素的高效水解，同时减小了其他反应的发生。

第一步酸水解，可以看作是水稻秸秆的前处理。在这一过程中，大部分半纤维素被水解转化为木糖，使水稻秸秆中的纤维素暴露，增加了第二步酸水解过程中H+对纤维素的可及度，可以大大增加纤维素的水解程度^{[18, 19]}。

图 7~图 10显示了不同因素对第二步水解反应的影响。结合前面所列举的主要反应和图 7的结果可知，与低温相比，在反应温度200 ℃时，生成的葡萄糖在高温下可能发生进一步的分解，经由5-羟甲基糠醛(HMF)最终生成乙酰丙酸和甲酸等^[20]。图 8的结果显示，在一定反应时间段内葡萄糖的产率呈现上升趋势，说明在这个时间段内，葡萄糖的生成速率大于其的分解速率，葡萄糖得到不断地积累。图 9则说明，酸浓度的提高有利于葡萄糖产率的增加，但是超过一定范围，葡萄糖的分解速率开始大于其生成速率，葡萄糖产率降低。但是考虑到乙酰丙酸和甲酸的大幅度增加，说明酸浓度的提高一定程度上增加了纤维素的转化率。图 10说明提高底物浓度对葡萄糖的产率起到了一定抑制作用，一方面可能是高底物浓度加剧了副反应的发生；另一方面可能是高底物浓度致使H+浓度不足。

本研究中，通过两步法对水稻秸秆进行酸催化水解，克服了一步法水稻秸秆水解过程中无法同时获得高的木糖和葡萄糖产率的问题，既可以得到很高的木糖产率，又可以得到较高的葡萄糖产率。第一步酸水解中，木糖产率可达到162.6 g·kg^-1(140 ℃，0.5% wt H₂SO₄，1.5 g底物，120 min)；第二步酸水解中，葡萄糖产率可达到216.5 g·kg^-1(180 ℃，1.0% wt H₂SO₄，0.5 g底物，120 min)。

反应温度、反应时间和酸浓度对水稻秸秆两步酸水解过程的产物分布和产率都有着重要影响。