玉米秸稈酸解產糖條件的優化

摘要：選擇了處理溫度、硫酸濃度、固液比３個因素，以還原糖產量為指標，利用正交試驗對玉米秸稈酸解產糖條件進行了優化，結果為處理溫度１２０ ℃、硫酸濃度０．１０ ｍｏｌ／Ｌ、固液比1∶１０（ｍ／Ｖ，ｇ∶ｍＬ，下同）為較優預處理條件。經過試驗驗證，在優化后的預處理條件下還原糖產量提高了４１．６％。

關鍵詞：玉米秸稈；酸解；還原糖；優化

中圖分類號：Ｓ８１６；ＴＳ２４４＋．１文獻標識碼：Ａ文章編號：0439－８114（２０11）16－3361-03

Optimization ofSugar Production Conditions by Corn Straw Acidolysis

ＧＡＯ Ｘｉａｏ－ｐｅｎｇ，ＲＥＮ Ｌｏｎｇ－ｈｕｉ，ＳＵＮ Ｚｈｏｎｇ－ｆｅｎｇ，ＬＩ Ｘｉｕ

（Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Lｉｆｅ Ｓｃｉｅｎｃｅ， Ｙａｎ’ａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， Ｙａｎ’ａｎ ７１６０００， Ｓｈａａｎｘｉ， Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ， ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｓｕｌｆｕｒｉｃ ａｃｉｄ ａｎｄ ｓｏｌｉｄ ｔｏ ｌｉｑｕｉｄ ｒａｔｉｏ ｗｅｒｅ ｕｓｅｄ ａｓ ｔｈｅ ｆａｃｔｏｒｓ ｏｆ ｏｒｔｈｏｇｏｎａｌ ｔｅｓｔ ｔｏ ｏｐｔｉｍｉｚｅ ｔｈｅ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ ｆｏｒ ｐｒｏｄｕｃｉｎｇ ｓｕｇａｒ ｂｙ ｃｏｒｎ ｓｔｒａｗ ａｃｉｄolysis． Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔ ｓｈｏｗｅｄ ｔｈａｔ ｗｈｅｎ ｔｈｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｗａｓ １２０ ℃， ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｓｕｌｆｕｒｉｃ ａｃｉｄ ｗａｓ ０．１０ ｍｏｌ／Ｌ， ｓｏｌｉｄ ｔｏ ｌｉｑｕｉｄ ｒａｔｉｏ ｗａｓ １∶１０（ｍ／Ｖ，ｇ∶ｍＬ）， ｔｈｅ ｙｉｅｌｄ ｏｆ ｒｅｄｕｃｉｎｇ ｓｕｇａｒ ｃｏｕｌｄ ｂｅ ｉｎｃｒｅａｓｅd ｂｙ ４１．６％．

Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： ｃｏｒｎ ｓｔｒａｗ； ａｃｉｄｏｌｙｓｉｓ； ｒｅｄｕｃｉｎｇ ｓｕｇａｒ； ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ

進入２０世紀以來，能源短缺問題日趨嚴峻，迫切需要人們開發替代能源。乙醇以其可再生、綠色無污染等優點受到普遍關注，利用木質纖維素生產燃料乙醇是未來能源發展的一個重要方向，既能解決能源危機，又充分利用了廢棄的秸稈等農業下腳料，還可保護環境［１］。試驗作為利用微生物分解玉米秸稈生產乙醇的前期工作，以處理后的還原糖產量為指標，對玉米秸稈進行分解前的預處理條件優化，以期可以快速、高效地產生乙醇，為微生物分解秸稈產醇提供有效的探索。

１材料與方法

１．１材料

１．１．１供試秸稈試驗用玉米秸稈采自延安市區周邊玉米地，經烘干粉碎至顆粒狀備用。

１．１．２儀器立式蒸汽滅菌鍋（ＬＳ－Ｂ５０Ｌ，江陰濱江醫療設備有限公司）；電熱恒溫鼓風干燥箱（ＤＨＧ－９０３０Ａ，上海精宏實驗設備有限公司）；紫外可見分光光度計（ＵＶｍｉｎｉ－１２４０，日本島津公司）；臺式低速離心機（ＫＤＣ－４０，科大創新股份有限公司中佳分公司）。

１．１．３試劑３，５－二硝基水楊酸、亞硫酸鈉、酒石酸鉀鈉等，均為分析純。

１．２方法

１．２．１玉米秸稈的處理根據趙磊等［２］的方法將玉米秸稈粉碎，稱取顆粒直徑為３ ｍｍ以下的玉米秸稈１．０ ｇ裝于１５０ ｍＬ的三角瓶中，按照表２的試驗方案，分９組進行處理，處理結束后自然冷卻，以

４ ０００ ｒ／ｍｉｎ離心１５ ｍｉｎ，取上清液過濾，濾液定容至１００ ｍＬ，所得糖液作為待測液備用。

１．２．２還原糖的測定還原糖的測定采用ＤＮＳ法［３］。①葡萄糖標準曲線的制作。分別取１ ｍｇ／ｍＬ葡萄糖標準溶液０．０、０．２、０．４、０．６、０．８、１．０、１．２ ｍＬ于２５ ｍＬ試管中，分別準確加入２.0 ｍＬ ＤＮＳ試劑、９.0 ｍＬ去離子水，沸水浴３ ｍｉｎ，流水沖洗冷卻至室溫，用去離子水定容。在５４０ ｎｍ波長下測定吸光度，以葡萄糖這個還原糖濃度為橫坐標，以ＯＤ５４０ｎｍ為縱坐標，繪制標準曲線。②待測樣品處理。將待測樣品適當稀釋，使樣品中還原糖濃度為０．１～１．０ ｍｇ／ｍＬ，取稀釋后的糖液１．０ ｍＬ于２５ ｍＬ刻度試管中，加ＤＮＳ試劑２．０ ｍＬ，沸水浴3 ｍｉｎ，冷卻后用去離子水補至刻度，在５４０ ｎｍ波長下測定吸光度，從標準曲線查出還原糖濃度，求出樣品中糖含量。

１．２．３優化方法采取單因素試驗篩選、正交試驗優化的方法進行。①單因素試驗篩選。根據已有文獻資料［４－６］，結合實際情況，選擇處理溫度（Ａ）、硫酸濃度（Ｂ）、固液比（Ｃ）、處理時間（Ｄ）４個因素進行試驗，每個因素從低到高依次各選５個水平（各因素的不同水平見表１）進行單因素篩選試驗。②正交試驗優化。根據單因素篩選的試驗結果，選擇對還原糖產量影響關鍵的因素和每個因素的水平，進行正交試驗優化，對優化結果再進行直觀極差分析、效應分析和方差分析。

１．２．４驗證試驗保持其余條件不變，分別在優化前和優化后的處理條件下，測量還原糖的產量。

２結果與分析

２．１標準曲線的繪制

按照葡萄糖標準曲線的制作方法繪制標準曲線見圖１。由圖１可知，該曲線ｒ＝０．９９９ １，說明曲線擬合度較好，可以用于還原糖產量的檢測。

２．２單因素試驗篩選結果

單因素試驗篩選結果見圖２。由圖２可知，在４個因素中，隨著處理時間的增加，還原糖產量沒有明顯變化；隨著處理溫度的增加，還原糖產量持續增加；而對固液比和硫酸濃度而言，還原糖產量變化表現出先升后降的趨勢；由此可說明處理溫度、硫酸濃度、固液比這３個因素對還原糖的產量是關鍵因素，因此，下一步的正交試驗，處理時間選擇３０ ｍｉｎ，其余３個因素在單因素試驗的基礎上，選擇合適的水平進行試驗。

２．３正交試驗結果

２．３．１正交試驗方案及結果根據單因素試驗結果，選擇處理溫度（Ａ）、硫酸濃度（Ｂ）、固液比（Ｃ）３個因素進行正交試驗；處理溫度（Ａ）由于試驗條件所限，所能達到的最高溫度為１２０℃，因此，取單因素試驗后３個水平，硫酸濃度（Ｂ）、固液比（Ｃ）分別以單因素試驗的最高還原糖產量對應的水平為中心水平，各取３個水平，試驗方案按照正交表Ｌ９（３４）安排，試驗因素與水平具體見表２，正交試驗方案及結果見表３。

２．３．２直觀極差分析由正交試驗結果直觀分析表2和表3可知，３個因素的Ｒ值大小依次為Ａ＞Ｂ＞Ｃ，說明在秸稈預處理的３個因素中，對還原糖產率的影響大小依次為處理溫度＞硫酸濃度＞固液比；經過分析，并初步確定玉米秸稈預處理條件優化結果是，處理溫度１２０ ℃、硫酸濃度０．１０ ｍｏｌ／Ｌ、固液比１∶１０（m/V，g∶mL，下同）。

２．３．３正交試驗各因素的效應分析根據優化試驗結果繪制的各因素效應趨勢見圖３。由圖３可以看出，硫酸濃度、固液比兩個因素的水平２都是最佳水平，因此，這兩個因素的最佳水平分別為硫酸濃度０．１０ ｍｏｌ／Ｌ、固液比１∶１０；而處理溫度這一因素水平３對應的還原糖產量最高，說明處理溫度超過１２０ ℃，還原糖產量還有增大的趨勢，但１２０ ℃的處理溫度是在現有條件下能達到的最高溫度，另外，處理溫度增高意味著能耗的增加，在生產中就會增加成本，因此處理溫度選擇了１２０ ℃。

２．３．４方差分析為進一步考查正交試驗結果的正確性，對綜合指標正交試驗結果進行了方差分析，結果見表４。由Ｆ值可知，Ｆ０．０５為１９．００，Ｆ０．０１為９９．００，因素Ａ（處理溫度）的Ｆ值為４９０．０７，ＦＡ＞Ｆ０．０１，說明處理溫度對還原糖產率影響極顯著；因素Ｂ（硫酸濃度）的Ｆ值為２５４．８１，ＦＢ＞Ｆ０．０１，說明硫酸濃度對還原糖產率的影響極顯著；因素Ｃ（固液比）的Ｆ值為８３．１９，Ｆ０．０５＜ＦＣ＜Ｆ０．０１，說明固液比對還原糖產率有顯著的影響，與極差直觀分析的結果相吻合。

２．４驗證試驗

保持其他條件不變，分別以優化后的處理條件（處理溫度１２０ ℃、硫酸濃度０．１０ ｍｏｌ／Ｌ、固液比１∶１０、處理時間３０ ｍｉｎ）和未優化的處理條件（處理溫度80 ℃、硫酸濃度0.04 ｍｏｌ／Ｌ、固液比１∶１、處理時間為３０ ｍｉｎ）進行對比試驗，結果兩組試驗還原糖的產量分別為６８７ ｍｇ、４８５ ｍｇ，產量提高了４１．６％。

３小結與討論

１）稀硫酸水解玉米秸稈的最佳處理條件為：處理溫度為１２０ ℃、硫酸濃度為０．１０ ｍｏｌ／Ｌ、固液比為１∶１０、處理時間為３０ ｍｉｎ。除處理時間外，其他結果都和劉慶玉等［６］的結果相一致，對于處理時間，大多數的報道［４－６］都認為較優的處理時間是１～２ ｈ，這可能是和所用的玉米秸稈的顆粒大小、成熟程度不同有關。在這些條件下，稀硫酸處理可以使玉米秸稈中的半纖維素木聚糖很好地降解而溶出。

２）處理溫度對還原糖產量的影響顯而易見，溫度從１1０ ℃到１２０ ℃的變化過程中，隨著溫度的升高，還原糖產量先是變化不大，從１１5 ℃之后是急劇增大，到１２０ ℃依然有增大的趨勢，所以條件許可的情況下，如果能進一步提高處理溫度，還原糖產量會更高［７］。

３）硫酸濃度對還原糖的產量也有直接的影響，在硫酸濃度從０．０５ ｍｏｌ／Ｌ到０．１５ ｍｏｌ／Ｌ逐步變化的過程中，隨著硫酸濃度的增大，還原糖的產量是先增大，后減小，在０．１０ ｍｏｌ／Ｌ時最大。還原糖產率有下降趨勢，原因可能是還原糖在較高硫酸濃度下部分降解而產生糠醛等物質［８］。

４）固液比對還原糖的產量有顯著的影響。在固液比由１∶５逐步變化為１∶１５的過程中，還原糖的產量依次增大，在１∶１０時達到最大，１∶１５時還原糖量略有下降，原因可能是預處理加大固液比中液體所占比例后，導致纖維素、半纖維素降解產物分解，導致了糖的損失［９］。

參考文獻：

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［８］ ＫＬＩＮＫＥ Ｈ Ｂ，ＴＨＯＭＳＥＮ Ａ Ｂ，ＡＨＲＩＮＧ Ｂ Ｋ． Ｉｎｈｉｂｉｔｉｏｎ ｏｆ ｅｔｈａｎｏｌ－ｐｒｏｄｕｃｉｎｇ ｙｅａｓｔ ａｎｄ ｂａｃｔｅｒｉａ ｂｙ ｄｅｇｒａｄａｔｉｏｎ ｐｒｏｄｕｃｔｓ ｐｒｏｄｕｃｅｄ ｄｕｒｉｎｇ ｐｒｅｔｒｅａｔｍｅｎｔ ｏｆ ｂｉｏｍａｓｓ［Ｊ］． Ａｐｐｌ Ｍｉｃｒｏｂｉｏｌ Ｂｉｏｔｅｃｈｎｏｌ，２００４，６６（１）：１０－２６．

［９］ 陳尚钘，勇強，徐勇，等． 玉米秸稈稀酸預處理的研究［Ｊ］． 林產化學與工業，２００８，２９（２）：９－２２．