用作燃料乙醇原料的刺槐無性系木質纖維素成分研究

王 沖，彭祚登，楊欣超，王 梁，王少明

(1.北京林業大學 國家能源非糧生物質原料研發中心，北京 100083；2.國有洛寧縣呂村林場，河南 洛寧 471700)

用作燃料乙醇原料的刺槐無性系木質纖維素成分研究

王 沖1，彭祚登1，楊欣超1，王 梁1，王少明2

(1.北京林業大學 國家能源非糧生物質原料研發中心，北京 100083；2.國有洛寧縣呂村林場，河南 洛寧 471700)

為了篩選出較適合生產燃料乙醇的刺槐無性系，選取8044、8048（豫刺1號）、83002（豫刺7號）、84023（豫刺8號）、速生刺槐（無性系3-Ⅰ）、四倍體刺槐、匈牙利大葉刺槐和普通刺槐8個無性系或品種作為研究對象，采用范式洗滌法，測定其纖維素、半纖維素和木質素含量，并研究了不同生長時期各成分的變化規律。結果顯示：大部分無性系纖維素平均含量在速生期最高，半纖維素含量在生長初期最高，木質素含量在速生期最低。且各無性系在同一生長時期，纖維素、半纖維素和木質素含量均存在顯著差異。普通刺槐和84023在生長末期的綜纖維素含量最高，均達到55%；其中，纖維素含量分別為34.7%和34.4%；木質素相對較低，分別為20.7%和18.8%，較適合作為生產燃料乙醇的原料。

刺槐無性系；木質纖維素成分；纖維素；半纖維素；木質素；燃料乙醇原料

近些年，由于化石能源的大范圍消耗，木材已經成為生產木質纖維素燃料的一種潛在資源[1]。目前，生物質燃料已發展至第二代，將富含纖維素和半纖維的木質生物質為原料，主要生產纖維素乙醇[2]。原料樹種主要有桉樹、楊樹和柳樹等[3]。

刺槐Robinia pseudoacaciaL.具有適應性強、耐干旱、耐貧瘠、容易繁殖、生長快等特點，在中國廣大地區都有栽培[4]。以其作為第二代生物質燃料原料，刺槐的生物量是足夠龐大的；另外，由于其萌蘗能力強，適合短輪伐經營，因此能夠滿足原料連續供應的要求。筆者對刺槐枝條的化學成分，即纖維素、半纖維素和木質素的含量進行了測定，對比了8種不同的無性系或品種之間的差異，并研究了其不同生長期化學成分的變化，以期為生產燃料乙醇的刺槐原料特性分析提供依據，并為刺槐能源林的無性系選擇提供理論指導。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

試驗材料為2年生萌生刺槐，包括8048（豫刺1號）、8044、83002(豫刺7號)、84023（豫刺8號）、速生（無性系3-Ⅰ）5個無性系和匈牙利大葉刺槐、四倍體刺槐和普通刺槐3個品種。

1.2 試驗地條件及試驗設計

試驗地點為河南洛寧呂村林場。該林場所屬地區屬暖溫帶大陸性季風氣候，受海陸季風影響，春旱多風、夏熱多雨、秋爽日照長、冬季寒冷少雨雪，氣溫年較差大，四季分明，雨熱同季。夏季多東風，冬季多西北風，年平均氣溫13.7℃，絕對最高氣溫42℃，絕對最低氣溫-21℃，無霜期215 d，年降水量606 mm，多集中于7～9月，占全年降水量47%，年平均相對濕度69%。土壤為褐土，土壤全氮、全磷、全鉀含量分別為1.16 g/kg，0.13 g/kg，2.31 g/kg。

試驗采用隨機區組設計，共8個無性系或品種，每個無性系3個重復。

表1 試驗設計?Table 1 Experimental design

每個小區面積為42 m2，株行距為1 m×1.5 m，不同地塊之間有3行隔離帶。

1.3 取樣方法及纖維素指標測定

1.3.1 樣品的采集與處理

2013年5月、7月、11月采樣，三個月份分別代表刺槐的生長初期、速生期和生長末期。取樣時，在每個小區中隨機選取3株刺槐標準木，分別剪取樹干上、中、下三個高度的枝條，在每個枝條上，每隔一段剪下2 cm的小段，分裝到信封中，做好標記。置于75 ℃烘箱中烘干至恒重，用粉碎機粉碎，過60目篩，準確稱取1 g（精確至0.001 g），用纖維素分析儀進行纖維素各組分測定。

1.3.2 指標測定

采用Van Soest 的方法測定枝條中的中性洗滌纖維素（NDF）、酸性洗滌纖維素（ADF）和酸性洗滌木質素（ADL）。然后根據測定結果計算出纖維素、半纖維素和綜纖維素的含量，分別為：纖維素=ADF-ADL；半纖維素=NDF-ADF；綜纖維素=半纖維素+纖維素；木質素=ADL-灰分，由于灰分含量太少，忽略不計，即木質素=ADL。

1.3.3 數據處理

采用SPSS 20.0軟件對試驗數據進行單因素方差分析（One-way ANOVA），用Duncan法在0.05水平上進行多重比較。采用Excel軟件繪制圖表。

2 結果與分析

2.1 刺槐不同品種纖維素含量差異的比較

纖維素是細胞壁的主要組成部分[5]。它是一種由D-吡喃葡萄糖在β-1,4-糖苷鍵的連接下組成的均相多糖，包含結晶區和無定形區兩部分[6]。由于構成纖維素的單體為六碳糖，因此通過生物方法或熱化學方法較容易轉化為乙醇[7]。

如圖1所示，8種無性系或品種在不同生長時期的纖維素含量的變化范圍在19.5 %～36.6%之間，這與趙靜測定的結果接近[8]，但低于A. F. Drummond提到的40%～50%[9]。不同無性系或品種的纖維素隨生長時期的變化規律不一致，8048、83002、84023、四倍體刺槐、速生刺槐5個無性系的纖維素含量先增加后減少，速生期的纖維素含量最高，平均含量為32.3%；8044和普通刺槐的纖維素先減少后增加，且11月份的纖維素含量較5月份的高，平均高出6.6%；只有匈牙利大葉刺槐的纖維素呈現一直增加的趨勢（如圖1）。

在3個生長時期，不同無性系或品種之間的纖維素含量均存在差異顯著（p＜0.05）。生長初期，纖維素含量最高的是普通刺槐，最低的是速生刺槐。速生期，四倍體刺槐、84023和83002的纖維素含量較為突出，依次為36.6%、35.2%和34.9%，最低為普通刺槐，只有24.5%，僅占四倍體刺槐的66.9%。生長末期，各無性系的纖維素含量為普通刺槐＞84023＞8044＞匈牙利大葉＞83002＞速生刺槐＞8048＞四倍體刺槐。

圖1 8種刺槐無性系不同生長時期纖維素含量比較Fig.1 Cellulose contents of 8 black locust clones in different growth periods

2.2 刺槐不同品種半纖維素含量差異的比較

半纖維素在植物資源中的含量僅次于纖維素，是一種取之不盡、用之不竭的再生性植物資源。在木材及非木材植物的細胞壁里，半纖維素是最復雜的組分，它們通過氫鍵與纖維素連接，以共價鍵 (主要是α- 苯甲基醚鍵) 與木素連接[10]。原料預處理過程就是斷開這些氫鍵和共價鍵，是使半纖維素和纖維素充分暴露，以便后期轉化為乙醇。半纖維素主要分為三類，即聚木糖類、聚葡萄甘露糖類和聚半乳糖葡萄甘露糖類。闊葉材與禾本科草類的半纖維素主要是聚木糖類多糖。木糖為五碳糖，能將其轉化為乙醇的微生物較少，因此相對于纖維素的轉化難度較大。

半纖維素含量隨生長季呈現出兩種不同的變化趨勢：8048、8044和83023三種無性系的半纖維素含量先升高后降低，即速生期的含量最高，平均含量為22.1%；而其他5個無性系，半纖維素含量呈現出先降低后升高的變化規律，最高含量均值為21.2%（如圖2）。

生長季內，只有速生期的無性系之間半纖維素含量有顯著差異。生長初期，含量最高的為83002和84023，同為22%；速生期，8044含量最高，為22.7%；生長末期，含量最高的是83002（22.4%）。

2.3 刺槐不同品種綜纖維素含量差異的比較

綜纖維素是纖維素和半纖維之和，是木質纖維原料中能夠轉化乙醇的有效部分。因此，將其作為衡量無性系生產燃料乙醇潛質的重要指標之一。

8種刺槐無性系在3個不同生長時期的綜纖維素含量均存在顯著差異性（p＜0.05）。各無性系綜纖維素含量隨生長時期的變化規律不一致，生長初期、速生期和生長末期的平均含量分別為44.8%、50.1%和49.3%。與Mustafa Vohra等人得出的闊葉木綜纖維素含量（78.8%）有差距[11]。這可能與取樣部位有關，因為樹干的綜纖維素含量比枝條高。8044和普通刺槐的綜纖維素含量呈V字型變化，匈牙利大葉呈現一直增加的趨勢，其余5種無性系的綜纖維素含量呈先降低后增加的變化規律。各無性系或品種，不同生長時期的綜纖維素極差在5.1%～16.2%之間（如圖3）。

圖2 8種刺槐無性系不同生長時期半纖維素含量比較Fig.2 Hemicellulose contents of 8 black locust clones in different growth periods

圖3 8種刺槐無性系不同生長時期綜纖維素含量比較Fig.3 Holo-cellulose contents of 8 black locust clones in different growth periods

生長初期，含量最高的為普通刺槐，最低為速生刺槐。速生期，84023的綜纖維素含量最高，為57.3 %，其次是83002，為56.8 %。生長末期，普通刺槐和84023含量最高（約為55.0%），匈牙利大葉和83002的含量次之，約為54.1%。

2.4 刺槐不同品種木質素含量差異的比較

木質素是一種由松柏醇、芥子醇和對香豆醇三種苯丙烷基單體組成的多酚類非晶態聚合物[12]。由于它的復雜性、不均勻性和與其他化學成分的緊密連接，在沒有改性的條件下，木質素很難分離并轉化為需要的產品（包括燃料乙醇），其結構也很難確定[13]。

8種刺槐無性系在3個不同生長時期的木質素含量均存在顯著差異性（p＜0.05）。83002、84023、匈牙利大葉、四倍體刺槐和速生刺槐5個無性系，木質素含量隨生長時期的變化，先減少后增加，變化范圍在6.2%～17.9%之間（如圖4）。

圖4 8種刺槐無性系不同生長時期木質素含量比較Fig.4 Lignin contents of 8 black locust clones in different growth periods

生長初期，普通刺槐木質素含量最低（22%），四倍體刺槐含量最高（28.9%）；速生期，83002和匈牙利大葉刺槐木質素含量最低（同為15.4%），普通刺槐含量最高（27.7%）；生長末期，8044木質素含量最低（16.8 %），四倍體刺槐含量最高（35.7 %）。

3 結論與討論

生長初期，8044和普通刺槐的綜纖維素最高，即能夠轉化為燃料乙醇的有效部分含量最高。另外，普通刺槐在纖維素含量上高于8044，在木質素含量上又是最低。因此，相對于8044更有優勢。這可能與普通刺槐比其他無性系在本地的適應性強有關。

速生期，84023的綜纖維素含量最高。在纖維素和半纖維含量上，84023分別僅次于四倍體刺槐和8044，木質素含量也相對較低，為18.8%。

生長末期，普通刺槐和84023的綜纖維素含量高于其他幾種無性系。其中，普通刺槐的。纖 維素含量最高。而木質素最低的是8044，僅為16.8%。

植物纖維原料主要由纖維素、半纖維素和木素三部分組成。綜纖維素是纖維素和半纖維素的總稱。其中，纖維素是由D-葡萄糖組成的均相多糖，半纖維素是木糖、阿拉伯糖、甘露糖和半乳糖等單糖組成的異質多糖。木素不能作為發酵底物，半纖維素可以發酵為乙醇，但比纖維素要困難[14]。因此，將綜纖維素和木質素含量作為評價幾種無性系品質的指標之一，并且將纖維素作為優先考慮對象。

本研究是基于燃料乙醇為目標的，而將刺槐作為生產燃料乙醇的原料，一般是在冬季進行采伐。因此，生長末期的化學成分更具有參考價值。從生長末期的數據上看，普通刺槐和84023較適合作為生產燃料乙醇的原料，進行大規模種植和推廣。

Werther Guidi等人[15]對楊樹的樹皮和木質部的化學成分研究發現楊樹木質部的纖維素平均含量在54.49%左右，而樹皮部分的為27.44%，兩者相差較大。但考慮到要將刺槐能源林進行短輪伐期經營，收獲時樹皮比例不高，生產中將樹皮分離后在作為原料生產乙醇不太實際，因此未將樹皮和樹干分開測定。方升佐[16]對楊樹無性系化學成分的研究也表明，胸徑處纖維素含量隨年輪的增加而增大。刺槐和楊樹同為闊葉樹種，由此推測，可能存在相似的規律。由于所采樣品均為枝條，樹皮比例相對較大，直徑較小，纖維素含量也較低。另外，S. Adamopoulos等人[17]的研究表明刺槐的不同高度處心材和邊材之間在木質素含量也存在明顯差異。如果要進一步研究無性系之間的化學成分差異規律，建議測定不同樹齡的各無性系的化學成分含量，以便確定其木質纖維素含量穩定性。

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Researches on lignocellulose components of different black locust clones for producing bioethanol

WANG Chong1, PENG Zuo-deng1, YANG Xin-chao1, WANG Liang1, WANG Shao-ming2
(1.National Energy R & D Center for Nonfood Biomass, Beijing Forestry University, Beijing 100083, China; 2.State-owned Forest Farm of Luoning County, Luoning 471700, Henan, China)

In order to study the differences of lignocellulose content among 8 black locust clones or varieties, eight two-year-old species, such as 8044 and Yuci No.1(8048), Yuci No.7(83002), Yuci No.8(84023), fast-growingRobinia pseudoacacia, tetraploidRobinia pseudoacacia, HungaryRobinia pseudoacaciaand common black locust were selected as the experimental materials. Cellulose,hemicellulose and lignin contents in different growing periods were determined by means of Van Soest P J’s method. The results show that for most of the 8 clones or varieties, their mean cellulose contents in fast-growing period stage were in the highest status, the mean hemicellulose contents in early growth stage were in the highest state, the mean lignin contents in fast-growing period stage were in the lowest state. And in the same period of each clonal growth, cellulose, hemicellulose and lignin contents were all signif i cantly different;In the growth telophase, the holo-cellulose percent contents in common black locust and Yuci No.8(84023) were both 55%, higher than other clones or varieties signif i cantly; the cellulose contents of common black locust and Yuci No.8(84023) were 34.7% and 34.4%respectively, and their lignin contents were 20.7% and 18.8% respectively, lower than the others. The two clones are more suitable to be used as the raw materials to produce fuel ethanol.

Robinia pseudoacacia(Black locust) clone; lignocellulose components; cellulose; hemi-cellulose; lignin; raw material of fuel ethanol

S792.26

A

1673-923X(2015)06-0124-04

10.14067/j.cnki.1673-923x.2015.06.023

2014-12-14

高等學校博士學科點專項科研基金（20120014130001）

王 沖，碩士研究生 通訊作者：彭祚登，副教授，博士；E-mail：zuodeng@sina.com

王 沖,彭祚登,楊欣超,等. 用作燃料乙醇原料的刺槐無性系木質纖維素成分研究[J].中南林業科技大學學報,2015,35(6): 124-127,138.

[本文編校：吳 彬]