陈楚彬，刘弋潞，卢桂香，李巧文，卜进硕，何厚荣，蔡冰玫

(佛山科学技术学院环境与化学工程学院，广东 佛山 528000)

凤眼莲是一类世界公认的水生恶性杂草，经常会堵塞河道、破坏水生生态系统等[1]。作为大自然木质纤维素类物质之一，凤眼莲是地球上丰富的一种可再生能源[2-3]，适当的处理利用可使其“变废为宝”。水葫芦的含水量高，C/N比适当，可通过厌氧消化用于生产沼气，它易于降解且产气量高，每千克总固物(干重)约产气0.34 m3[4]。

降解凤眼莲需经一定的预处理，而采用臭氧、次氯酸钠等氧化处理可以提高木质素脱除效果，酸性水溶液可以将半纤维素水解为木糖、阿拉伯糖和甘露糖等单糖，二者都可以增大原料的多孔性，破坏生物质内部稳定结构，从而提高后续酶水解的效率[5-6]。EOW具有酸性和高效氧化性，可以水解秸秆中半纤维素，对秸秆中包裹在纤维素外面的木质素进行氧化破坏，促进酶与底物相互接触并发生生化反应，提高酶解速率和得糖率[7]。

1 实 验

1.1 试剂及材料

1.1.1 试 剂

葡萄糖(化学纯)；可溶性淀粉(化学纯)；3,5-二硝基水杨酸(≥98.0%)；盐酸(36.0%～38.0%)；乙醇(≥99.7%)；酒石酸钾钠(≥99.0%)；氯化钾(≥99.5%)；氯化钠(≥99.5%)、亚硫酸氢钠(58.5%～65.0%)；硫代硫酸钠(≥99.0%)；碘化钾(≥98.0%)；硫酸(≥98.0%)、柠檬酸(≥99.5%)；氢氧化钠(≥96.0%)；酚酞(68.0%～75.0%)；硝酸(65.0%～68.0%)、重铬酸钾(≥99.5%)；氯化钡(≥99.5%)；硝酸钙(≥98.0%)；醋酸(≥99.0%)；磷酸氢二钠(≥99.0%)；凤眼莲。

1.1.2 仪 器

CASET-250-pro型3D打印机，中科院电子技术有限公司；pHS-3C型数字酸度计，上海仪电科学仪器股份有限公司；RXN-3020A型恒流电源，兆信有限公司；AE224分析天平，北京赛多利斯仪器系统有限公司；SHT搅拌数显恒温电热套，山东鄂城晨博实验设备有限公司；UV-2102C型紫外-可见分光光度计，尤尼柯上海仪器有限公司；800B离心机，上海安亭科学仪器厂；101A-0数显电热鼓凤干燥箱，上海浦东荣丰科学仪器有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 EOW制备

图1和图2在3D打印[8-9]出的离子膜电解槽中，阴、阳极分别采用铂电极和钛电极。在电解过程中，加入0.3%～1.8%的NaCl溶液作为电解质，电解槽三室体积比为6:1:6，电解时间为35～85 min，电流密度为20 mA/cm2，电极间距为2 cm，电解一段时间后，在阳极区得到酸性氧化电解水，在阴极区得到碱性还原电位水。

图1 电解装置模型图

图2 电解装置组装图

1.2.2 纤维素的降解预处理

在100 mL 0.3%～1.8%(质量分数)EOW溶液中，精准称取4 g凤眼莲，两者混合均匀，于35～85 ℃预处理35～85 min，冷却后将溶液放入真空泵抽滤器抽滤，用蒸馏水冲洗滤渣，直到溶液显示中性为止，于(100±2) ℃下烘干2.5 h后，将成品研磨为粉末，完成纤维素的降解预处理。

1.3 测试方法

1.3.1 样品成分测试方法

凤眼莲预处理液中还原糖含量测定方法采用DNS显色法。待测样品的含水量、半纤维素、纤维素、木质素含量测定依照余君等的测试方法[10]。

1.3.2 还原糖得率计算公式

1.4 不同条件下EOW降解凤眼莲的测试

1.4.1 不同质量分数下EOW降解凤眼莲的测试

分别精确称取4 g凤眼莲于5只烧杯中，然后分别加入100 mL 质量分数为0.30、0.60、1.20、1.50、1.80的EOW电解液(制备方法见步骤，调节水浴温度75 ℃预处理1.3 h，冷却后进行还原糖含量测定，并记录数据。

1.4.2 不同温度下EOW降解凤眼莲的测试

分别精确称取4 g凤眼莲于5只烧杯中，加入100 mL 0.6%的EOW电解液中，调节水浴温度为35 ℃、45 ℃、55 ℃、65 ℃、75 ℃、85 ℃，然后在这几种温度下进行加热预处理1.3 h，冷却后进行还原糖含量测定，并记录数据。

1.4.3 不同处理时间下EOW降解凤眼莲的测试

分别精确称取4 g凤眼莲于5只烧杯中，加入100 mL 0.6%的EOW电解液中，温度75 ℃，分别处理45 min、55 min、65 min、75 min、85 min，冷却后进行还原糖含量测定，并记录数据。

2 结果与讨论

2.1 凤眼莲样品成分测试结果

2.1.1 水含量的测定结果

表1 凤眼莲植株的含水率

如表1所示，可以看出实验中凤眼莲样品植株的含水量均值为80.69%±0.36%，在植物中占比最大。在实现将凤眼莲资源化运用的研讨道路上，最大的难题就是提高凤眼莲厌氧降解过程的效率，解决因为含水率过高而导致的效率低等问题，研究出使凤眼莲高效合理脱水的方式。

2.1.2 纤维素、半纤维素、木质素含量的测定结果

图3 凤眼莲中各纤维素含量占比

2.2 不同条件下EOW降解凤眼莲的测试结果

2.2.1 不同质量分数下EOW降解凤眼莲的测试结果

从图4可得出，随着EOW质量分数的增加，降解后的还原糖产量先增后减，在EOW质量分数为0.60%时取得最高值(0.757±0.002) mg/mL，这是因为EOW的酸性会随着其本身质量分数而改变，在一定范围内，EOW质量分数增高，会导致其酸性迅速减弱，从而削弱了EOW对纤维素等物质的溶解能力。

图4 质量分数对EOW还原糖产量的影响

2.2.2 不同温度下EOW降解凤眼莲的测试

图5 温度对EOW还原糖产量的影响

由图5可以得到，随着温度逐渐提高，凤眼莲降解后的还原糖含量先增后减，但整体提升幅度不会过大，在75 ℃获得还原糖含量最高值(0.756±0.002)mg/mL。虽然温度提高会增强对凤眼莲纤维素等物质的破坏作用，但会降低EOW有效氯的含量，破坏EOW 的稳定性，两者作用相互补充抵消，所以温度对EOW 降解凤眼莲的影响不会很大。

2.2.3 不同处理时间下EOW降解凤眼莲的测试

图6 反应时间对EOW还原糖产量的影响

由图6可得，随着反应时间的增加，凤眼莲降解后的还原糖含量保持增长，最后趋于稳定，在75 min时取得最高还原糖含量(0.756±0.002) mg/mL。这可能是因为反应到最后，EOW不能破坏凤眼莲中结构很紧密的纤维素等物质，也可能因为时间太长EOW的不够稳定，所以75 min以后的反应时间对提高还原糖产量的作用也不大，此外还原糖在高温条件下也不会被破坏。

2.3 葡萄糖标准曲线绘制

图7 葡萄糖(1 mg/mL)标准曲线

2.4 不同的预处理方法预处理效果比较

表2 不同预处理方法的预处理效果比较

注：预处理温度为75 ℃，预处理时间75 min。

以上结果根据2.3.2公式。由表2可得，在预处理温度为75 ℃，预处理75 min的条件下，EOW的预处理还原糖得率最佳为35.56%，优于相同条件下的酸处理和碱处理。根据Hu等[11]提出的计算方法，当纤维素含量为20.85%、半纤维含量为16.30%，还原糖的理论产量约42%，EOW预处理的还原糖得率约为理论产量的85%。

3 结 论

(1)本实验对凤眼莲的各组分进行探究，得出凤眼莲样品植株的含水量均值为80.69%±57%，在植物中占比重最大。纤维素、半纤维素和木质素各占比20.85%、16.30%、2.26%，不仅资源丰富、价格低廉而且用途广泛，是高附加值的生物质原料，值得进一步探索更高效的处理利用方法。

(2)通过单因素实验，得到EOW预处理凤眼莲的最佳实验条件是质量分数为0.60%、温度75 ℃、反应时间75 min。在这条件下预处理凤眼莲可获得最高还原糖含量(0.756±0.002)mg/mL，最高还原糖得率为35.56%，比同等条件下酸处理和碱处理效率分别高1.08倍和3.78倍。

(3)EOW兼具酸性和氧化性，二者对纤维素的降解都有突出的作用，在一定程度上大大提高预处理效果，此外其酸性弱、对环境造成的污染较少，符合绿色清洁生产理念，适合于实际使用。