預處理條件對麩皮糖化率的影響

劉俊紅，王福梅，趙彩霞，陸友云

（河南城建學院生命科學與工程學院，河南 平頂山467044）

隨著現代工業的快速發展，對優質能源的迅速增加。常規能源的有限性和對環境的危害性推動了對新能源和可再生能源的研究。如何開發出新的清潔的能源來打破傳統能源的主導地位，逐漸提高生物燃料的使用比例就成為各國政府、專家、學者共同關注的焦點問題[1-2]。

生物乙醇是可再生能源產品之一，含淀粉和纖維素豐富的原料經過降解后得到還原糖，以還原糖作為碳源進行發酵生產即可制備生物乙醇。麩皮是小麥加工的剩余物，含有碳水化合物和纖維素，以此為原料進行糖化和發酵工藝制備生物乙醇，有利于農業剩余物的深加工，可有效緩解能源短缺的現狀，改善和保護生態環境，促進農業生產發展，具有較高的經濟效益、社會效益和環境效益。

麩皮的利用主要集中在加工飼料蛋白、提取膳食纖維、分離麩皮多糖、生產丙酮、提取谷氨酸等方面[3]，利用麩皮進行乙醇的生產研究甚少。本文選擇麩皮為研究對象，分析了稀鹽酸濃度、液固比、處理溫度、處理時間等與糖化率的關系，找出麩皮預處理的優化工藝條件，為后續的酶解提高還原糖得率奠定基礎。

1 材料與方法

1.1 主要儀器

QE-100 屹立高速中藥粉碎機:武義縣屹立工具有限公司；FA1004B 電子天平:上海越平科學儀器有限公司；HWS28 型電熱恒溫水浴鍋:上海一恒科學儀器有限公司；LDZX-75KBS 立式電熱壓力蒸汽滅菌器:上海申安醫療器械廠；T6 新世紀紫外可見分光光度計:北京普新通用儀器有限公司；ZPFA5250 鼓風干燥箱:菏澤市石油化工學校儀器設備廠；HC-3518 高速離心機:安徽中科中佳科學儀器有限公司。

1.2 試驗材料

麩皮，市購。烘干后用粉碎機粉碎，過60 目篩子后密封保存，隨用隨取。干燥時使用鼓風干燥箱，溫度設定為70 ℃，避免過高溫度。

1.3 主要試劑

DNS 試劑、不同濃度的稀鹽酸。

1.4 葡萄糖標準曲線的制作[4-5]

1）稱取適量葡萄糖粉末放在電熱鼓風干燥箱中70 ℃干燥至恒重。然后，稱取0.1 g 干燥好的葡萄糖配制成1 mg/mL 的葡萄糖標準溶液。

2）按表1分別取葡萄糖標準溶液于試管中，用蒸餾水稀釋至2 mL，然后依次加入DNS 試劑各2 mL，混合充分。

3）將2）中各試管放在沸水浴中煮沸6 min～8 min，然后，取出并用自來水冷卻至室溫。

4）用紫外可見光分光光度計在550 nm 下測OD值，得出葡萄糖標準曲線。

表1 葡萄糖標準曲線的制作Table1 The process of standard curve of glucose

1.5 方法

1.5.1 實驗方法

用稀鹽酸處理實驗材料，并分析酸濃度、液固比、溫度、處理時間對預處理效果的影響。每組實驗做三組平行，每個平行使用3 個錐形瓶，加入過60 目篩子的麩皮后加稀鹽酸，使之在不同條件下反應。結束后將固液混合物轉移至離心管中，3 600 r/min 離心7 min[9]。離心結束后取上清液100 μL，適當稀釋后測吸光值，并記下離心液的總體積，計算糖化率，比較不同條件下的處理效果。

1.5.2 分析方法

采用DNS 法進行吸光值的測定。取離心后的上清液進行一定比例稀釋后，取2 mL 稀釋液到小試管，將2 mL DNS 試劑加入小試管，充分混勻后沸水浴7 min，冷卻后測550 nm 下的吸光值，認真記錄實驗數據并進行計算。

葡萄糖標準曲線：y=7.108 6x-0.096 5。式中：x 為葡萄糖濃度，（mg/mL）；y 為OD 值。

還原糖總量=還原糖（mg/mL）×0.9×稀釋倍數×水解液體積

2 結果與分析

2.1 稀鹽酸濃度對預處理效果的影響

用電子天平準確稱取1.000 g 過60 目篩子的麩皮，放入錐形瓶中，隨后用移液管加入9 mL 稀鹽酸（濃度分別為0.5%、1.0%、1.5%、2.0%、2.5%），放入高壓蒸汽滅菌器，120 ℃處理1 h。將錐形瓶中的固液混合物轉移至離心管中離心。取上清液100 μL 入大試管中，加入9.9 mL 蒸餾水，充分混勻后取1 mL 于小試管中，再加入1 mL 蒸餾水稀釋（空白試管中加入2 mL 蒸餾水）。然后在所有小試管中加入2 mL DNS 試劑，充分混勻后沸水浴7 min。結束后將試管冷卻，用分光光度計測550 nm 下的吸光值。實驗結果見圖1。

圖1 稀鹽酸濃度對預處理效果的影響Fig.1 Effect of dilute hydrochloric acid on pre treatment

從圖1中可以看出: 稀鹽酸濃度低于1.0%時，糖化率隨著酸濃度的增加而顯著增大，1.5%的稀鹽酸處理麩皮時糖化率最大，之后又逐漸降低，而1.0%和1.5%的鹽酸處理原料得到的還原糖得率變化不顯著，考慮到環境因素的影響，選擇稀鹽酸濃度1.0%。

2.2 液固比對麩皮預處理效果的影響

本組實驗的液固比分別取4、5、6、7、8、9 mL/g，其他步驟與2.1 相同，酸濃度取1.0%。實驗結果見圖2。

圖2 液固比對預處理效果的影響Fig.2 Effect of ratio of liquid to solid on pre treatment

從圖2中可以看出：麩皮在稀鹽酸濃度為1.0%,溫度為120 ℃，時間為1 h 的條件下，隨著液固比的增加，糖化率不斷增大，液固比為6 mL/g 時糖化率達到最大值，隨后下降。可見，液固比為6 mL/g 時麩皮預處理效果最好。

2.3 溫度對麩皮預處理效果的影響

本組實驗的溫度分別取80、90、100、110、120 ℃，其他步驟與2.1 相同，酸濃度1.0 %，液固比為6 mL/g。實驗結果見圖3。

圖3 溫度對預處理效果的影響Fig.3 Effect of temperature on pretreatment

從圖3中可以看出：麩皮在稀鹽酸濃度為1.0%,液固比為6 mL/g，時間為1 h 的條件下，溫度對糖化率的影響較為明顯。80 ℃時糖化率很低，溫度上升到90 ℃之前，糖化率的變化緩慢；在100 ℃到120 ℃之間，糖化率顯著上升，120 ℃達到最大值。理論上，溫度繼續上升，纖維素結構被破壞的程度增大，糖化率可能更高，但考慮到實驗條件和試驗成本，最高溫度選擇120 ℃。

2.4 時間對麩皮預處理效果的影響

本組實驗的處理時間分別取20、40、60、80、100 min，其他步驟與2.1 相同，酸濃度1.0%，液固比為6 mL/g，溫度取120 ℃。實驗結果見圖4。

圖4 時間對預處理效果的影響Fig.4 Effect of time on pre treatment

從圖4中可以看出：在稀鹽酸濃度為1.0%，溫度為120 ℃的條件下，隨處理時間的增加，糖化率也不斷增加，時間達到80 min 時，糖化率達到最高，26.18%。因此，80 min 為最適處理時間。

3 纖維素預處理優化工藝條件研究

在單因素試驗的基礎上，選取稀鹽酸濃度、液固比、處理溫度與處理時間4 個因素、3 個水平進行正交試驗[6]。因素水平表和正交試驗設計分別見表2和表3。

表2 因素水平表Table2 Factors and levels

表3 正交試驗設計與試驗結果[8]（L934）Table3 Orthogonal experimental design and results

表3中，稀鹽酸濃度的極差最大，為15.883，說明該因素是預處理的最敏感因素，此因素的波動會引起結果發生較大的變化；液固比是最不敏感因素，該因素的變動不會引起結果顯著變化，因此可結合具體的情況，選擇適宜的液固比。

正交試驗的結果顯示，最佳工藝組合為A3B1C3D2，即1.5%的鹽酸、液固比5 mL/g、120 ℃下預處理80 min，纖維素的糖化效果最好，糖化率達到33.56%。極差分析的結果顯示：最佳工藝組合為A3B1C3D3，經對比試驗，該條件下的糖化率為32.95%。因此，麩皮預處理的優化工藝條件為A3B1C3D2。

[1] 吳創之,馬隆龍.生物質能現代化利用技術[M].北京:化學工業出版社,2003

[2] 衛民,劉天成,蔣劍春．生物質能源轉化技術與應用(Ⅶ)[J]．生物質化學工程,2008,42(3)：64-69

[3] 王旭峰,何計國,陶純潔,等.小麥麩皮的功能成分及加工利用現狀[J]．糧食與食品工業，2006(1):19-20

[4] 宋安東.生物質(秸稈)纖維燃料乙醇生產工藝試驗研究[D]．河南農業大學博士論文,2003

[5] 安宏.纖維素水解制取燃料酒精的實驗研究[D].浙江大學碩士論文,2005

[6] 王振宇,焦巖.超低溫微體化處理白樺木質纖維素的糖化工藝研究[J].食品與發酵工業，2006,32（10）：74-76