響應曲面法優化稀硫酸預處理玉米秸稈

朱 艷，王 奇，原 帥，2

（1.西安工程大學 環境與化學工程學院，陜西 西安710048；2.浙江大學 材料科學與工程學系，浙江 杭州310027）

由于能源需求量的急劇增長和石油供應緊張之間的矛盾日益加劇，以及化石燃料的使用產生的環境問題，都使得人們迫切需要一種環境友好型的、可再生的綠色能源，燃料乙醇以其安全清潔、環保和可再生的特點得到世界各國的普遍關注［1］.我國的纖維資源十分豐富，作物秸稈每年的產量就有7億多噸，相當于標準煤5億噸，僅玉米秸稈一項的年產量約為2億噸［2］.

木質纖維素主要由纖維素、半纖維素和木質素及灰分等組成，纖維素不僅被木質素和半纖維素所包裹，還具有高度的結晶性和聚合度，因此在發酵前必須進行預處理.作用主要是增大原料的內孔面積，破壞纖維素的結晶性并降低聚合度，脫出木質素和半纖維素的包覆作用，便于纖維素酶對纖維素的吸附，提高反應速度，降低成本［3］.玉米秸稈的處理包括焚燒、還田［4－5］、作為飼料［6］、發酵生成沼氣［7］、用于吸附［8］、生物預處理［9－11］、造紙等.本文研究在玉米秸稈制備乙醇的過程中采用稀硫酸對玉米秸稈進行預處理，研究了溫度、硫酸質量濃度、時間和固液比的影響，并用響應曲面法進行優化，對產物進行掃描電子顯微鏡（SEM），紅外光譜（IR）及X－射線衍射（XPD）分析.

1 實 驗

1.1 試劑與儀器

1.1.1 試劑 將玉米秸稈（西安臨潼）自然干燥后粉碎成實驗所需要的粒徑，并在105℃干燥恒重備用；濃硫酸（北京化工廠）；3，5－二硝基水楊酸（上海科豐化學試劑有限公司）；氫氧化鈉（天津市東麗區天大化學試劑廠）；酒石酸鉀鈉；（天津市天力化學試劑有限公司）；苯酚（天津市紅巖化學試劑廠）；亞硫酸鈉（天津市百世化工有限公司），葡萄糖（天津市天力化學試劑有限公司）等.

1.1.2 儀器 ZK型真空干燥箱（北京科偉永興儀器有限公司），712分光光度計（上海第三分析儀器廠），

電子天平（上海精密科學儀器有限公司），數控超級恒溫槽（寧波天恒儀器廠）等.

1.2 方法

稱取適量已干燥恒重的玉米秸桿，按不同的固液比加入相應濃度的硫酸攪拌均勻，按照不同的溫度（低溫水解在恒溫槽中進行，高溫在恒溫加熱磁力攪拌器中進行，處理不同的時間，反應結束后迅速冷卻），過濾并用熱水洗滌殘渣至濾液呈中性.濾液調節p H值后，測定其中還原糖的含量.在105℃時烘干并稱重，進行水分［12］、木質纖維素含量［13］和預處理液中還原糖［14］的測定.用SEM、IR和XRD表征秸稈預處理后的結構.用Segal公式求得其結晶度.

2 結果與分析

響應曲面法（RSM）是多變量的建模和優化的一種統計方法，在一系列的測試過程中它通過一階或二階多項式方程與插值相結合進行實驗設計，進而確定最優工藝條件.這種方法已成功地應用于包括纖維素的一些物質酶水解的優化［11］.

2.1 響應曲面設計

依據前面單因素實驗，找到影響因素的大致范圍后，再在固液比為10%的情況下用響應曲面法進行優化.根據Box－Behnken設計原則，考察溫度，時間，硫酸質量百分數3個因素，以溫度（X1）、時間（X2）、硫酸質量濃度（X3）為自變量，每個因素取3個水平值，用（－1，0，1）編碼，按Xi＝（xi－x0）/Δx.其中 Xi為自變量的編碼值，xi為自變量的實際值，x0為實驗中心點處自變量的實際值，Δx為自變量的變化步長，還原糖得率為響應值Yi.方程如下

當n＝3時

其中，B0是 常 數 項；B1，B2，B3是 一 次 項 系數；B11，B22，B33是 平 方 項 的 系 數；B12，B13，B23是交互項的系數；Yi是還原糖得率.使用Design Expert.8.05b軟件對數據進行擬合分析，得到二元多次回歸方程：

模型的方差分析如表1所示.引用模型的變量分析說明模型的擬合影響值p＜0.000 1時該模型是有效的.模型中各項的擬合影響值p＜0.01時表示該項對擬合的影響非常顯著，p＞0.05表示該項對擬合的影響不顯著，模型中各項的擬合影響值在0.01＜p＜0.05時表示該項對擬合的影響顯著.從表1可以看出X1（P＜0.000 1），X2（P＜0.00 1）影響極顯著，X3（P＝0.052 4）影響不顯著，交互項除X1X2影響顯著，其余不顯著，平方項影響顯著.模型的處理是適合的，可以很好地反映玉米秸稈稀硫酸預處理后還原糖得率的變化，模型的確定系數R2＝0.994 1，模型的調整確定系數0.983 6，與1比較接近，離散系數CV為2.83%，說明模型預測的和實驗情況幾乎相同，實驗操作可信，誤差較小.

使用Design Expert 8.05b軟件對數據進行擬合得到因素交互作用的響應面和等高線，得到模型的響應曲面分析及優化圖，如圖1所示.從圖1可知，溫度、時間和稀硫酸質量百分數3個變量的交互作用對還原糖得率的影響很顯著，在讓某一個因素不變時，伴隨其余兩個變量的增大，預處理后所得的還原糖的得率也快速增加，在增加到最大值后接著開始稍微減少.這表明恰當控制溫度、時間和稀硫酸質量百分數可以促進預處理效果更好，增加還原糖的得率.

表1 模型的方差分析Table 1 Analysis of model variance

圖1 外界因素對還原糖得率的響應曲面Fig.1 The response surface optimization of outshde factor on reducing sugar yield

利用Design Expert 8.05b軟件進行優化，在固液比為10%時，得到最優條件為：預處理溫度121.59℃、處理時間60.84min、稀硫酸質量百分數是1.07%，此條件下還原糖的得率是31.98%.

2.2 結構表征

2.2.1 SEM分析結果 將處理前后的玉米秸稈粉末使用JSM－6700F場發射掃描電子顯微鏡來查看秸稈表面結構變化情況.

圖2 處理前后秸桿表面結構變化SEM圖Fig.2 SEM of corn stalk before and after the treatment

由圖2可知，玉米秸稈未經稀硫酸預處理表面看上去平整光滑，結構很緊湊平行成束狀排列，幾乎沒有空隙；經稀硫酸預處理后，秸稈發生不同程度的斷裂，排列很凌亂無序，表面很蓬松且出現很多形如蜂窩狀的空隙，有效面積相對變大.表明經稀酸處理后纖維素更多暴露出來，纖維素酶可更好與其接觸，并進入內部反應.2.2.2 IR分析結果 玉米秸稈經稀硫酸預處理前后的紅外光譜圖如圖3所示.由圖3可知，玉米秸稈處理前后的形狀基本一樣，只是一些峰的強度有所改變.1 740.5cm－1處的吸收是木聚糖中羰基的伸縮振動，經過作用后峰的吸收強度減弱，說明半纖維素發生降解，由于聚合度低很容易發生去乙酰化的反應.1 648.9cm－1和1 513.6cm－1是芳香環的吸收峰，該位置屬于木質素的特征吸收峰，預處理前后這些峰都存在，通過稀硫酸處理后峰吸收強度略微降低，表明少量木質素在處理過程被破壞而發生分解.3 423.6cm－1處的振動為O—H鍵的伸縮振動，處理后強度有所降低，一些氫鍵被打開增加了底物的被吸附性；1 421.7cm－1，1 384.7cm－1和898.1cm－1是纖維的特征吸收峰，由圖3可知玉米秸稈經稀硫酸預處理前后變化不是很明顯.

圖3 玉米秸稈經稀硫酸預處理前后的IR圖Fig.3 IR of corn stalk before and after the treatment

圖4 秸稈處理前后的XRD圖Fig.4 XRD of corn stalk before and after the treatment

2.2.3 XRD分析結果 把原料及處理后的樣品進行XRD圖譜測定，如圖4所示，角度θ掃描從5～70°.結晶度I按Segal公式來求，即式中，I002為（002）晶面衍射強度，Iam為衍射角2θ＝18.5°的衍射強度.

分析發現秸稈處理前后峰的峰型變化不大，吸收強度為60min時變化不大，由表2可知，原料未處理的結晶度為40.9%，處理后的結晶度為45.6%，秸稈的相對結晶度略有變大，這對其中秸稈成分的分解、催化和降解影響不大.

3 結束語

為了提高玉米秸稈稀硫酸預處理的效果，對影響稀硫酸預處理玉米秸稈的因素如溫度、時間、稀硫質量百分數、固液比進行了單因素實驗，確定了其大概范圍.在上面分析的基礎下，采用響應曲面法對稀硫酸預處理的工藝進行優化，在固液比為10%的情況下，根據Box－Behnken設計原則，進行3因素3水平的實驗，使用Design Expert 8.05b軟件對實驗進行擬合，得到二元多次回歸方程：Y＝31.17＋4.25 X1＋1.23 X2＋0.61 X3－0.96 X1X2－0.22 X1X3－0.16 X2X3－6.29 X21－2.86 X22－4.57 X23，并且得到最優條件溫度為121.59℃，處理時間60.84min，稀硫酸的質量百分數1.07%.在此條件下還原糖的得率是31.98%.通過SEM觀察發現，經過處理的玉米秸桿表面很蓬松且出現很多形如蜂窩狀的空隙.通過IR表征發現，木質素和半纖維素的吸收峰強度降低，經過XRD觀察其結晶度變化不大，這說明秸稈在硫酸作用下發生了降解反應，實驗測得還原糖得率為32.6%，理論和實驗處理較為吻合.

表2 結晶度分析結果Table 2 Analysis of crystallimity

［1］ 劉德禮，謝林生，馬玉錄.木質纖維素預處理技術研究進展［J］.釀酒科技，2009（1）：105－110.LIU Deli，XIE Linsheng，MA Yulu.Research process in pretreatment techniques of lignocellulose［J］.Liquor－Making Science ＆ Technology，2009（1）：105－110.

［2］ 金慧，王黎春，杜風光，等.木質纖維素原料生產燃料乙醇預處理技術［J］.釀酒科技，2009（7）：95－98.JIN Hui，WANG Lichun，DU Fengguang，et al.Research progress in pretreatment techniques of lignocellulose for fuel ethand production［J］.Liquor－Making Science ＆ Technology，2009（7）：95－98.

［3］ Laureano－Perez L，Teymouri F，Alizadeh H，et al.Understanding factors that limit enzymatic hydrolysis of biomass［J］.Appl.Biochem Biotech，2005，6A：1081－1099.

［4］ 蔡立群，牛怡，羅珠珠，等.秸稈促腐還田土壤養分及微生物量的動態變化［J］.中國生態農業學報，2014，22（9）：1047－1056.CAI Liqun，NIU Yi，LUO Zhuzhu，et al.Dynamic characteristics of soil nutrients and soil microbial biomass of field－returned straws at different decay accretion conditions［J］.Chinese Journal of Eco－Agriculture，2014，22（9）：1047－1056.

［5］ 陳麗華，呂新，林碧嬌，等.廣譜抗真菌蛋白轉基因水稻秸稈模擬還田對土壤真菌群落結構的影響［J］.中國生態農業學報，2015，23（1）：87－94.CHEN Lihua，LYU Xin，LIN Bijiao，et al.Effects of simulated straw return of transgenic rice expressing broad－spectrum antifungal proteins on soil fungal community structure［J］.Chinese Journal of Eco－Agriculture，2015，23（1）：87－94.

［6］ 王璐璐，蔡國林，朱德偉，等.球磨預處理和固態發酵對玉米秸稈飼用品質的影響［J］.食品與生物技術學報，2014（11）：1148－1152.WANG Lulu，CAI Guolin，ZHU Dewei，et al.Effect of ball milling pretreatment and solid state fermentation on the feed quality of corn straw［J］.Journal of Food Science and Biotechnology，2014（11）：1148－1152.

［7］ 付善飛，許曉暉，師曉爽，等.厭氧發酵起始階段通氧對玉米秸稈產甲烷特性的影響［J］.化工學報，2015，66（3）：1111－1116.FU Shanfei，XU Xiaohui，SHI Xiaoshuang，et al.Effect of oxygen supply at initial stage of anaerobic digestion on biogas production from corn straw ［J］.CIESC Journal，2015，66（3）：1111－1116.

［8］ 蔣成義，胡婉玉，王安杏.生物秸稈吸附材料研究進展［J］.應用化工，2015，44（1）：165－171.JIANG Chengyi，HU Wanyu，WANG Anxing.Advances in adsorbent based－straw research［J］.Applied Chemical Industry，2015，44（1）：165－171.

［9］ 劉華敏，馬明國，劉玉蘭.預處理技術在生物質熱化學轉化中的應用［J］.化學進展，2014，26（1）：203－213.LIU Huamin，MA Mingguo，LIU Yulan.Applications of pretreatment in biomass thermo－chemical conversion technology［J］.Progress in Chemistry，2014，26（1）：203－213.

［10］ 賈逾澤，呂欣.小麥和玉米秸稈的亞臨界水預處理條件優化及其生產燃料乙醇的研究［J］.西北農林科技大學學報，2013，41（12），179－187.JIA Yuze，LYU Xin.Optimization of wheat and corn straw pretreating process with subcritical water and investigation on bioethanol production［J］.2013，41（12）：179－187.

［11］ 天津輕工業學院，大連輕工業學院，無錫輕工業學院.工業發酵過程分析［M］.北京：中國輕工業出版社，1997：35－38.Tianjing University of Science ＆ Technology，Dalian Polytechnic University，Jiangnan University.Industrial fermentation analysis［M］.Beijing：China Light Industry Press，1997：35－38.

［12］ 張紅漫，鄭榮平，陳敬文，等.NREL法測定木質纖維素原料組分含量［J］.分析實驗室，2010，29（11）：15－18.ZHANG Hongman，ZHENG Rongping，CHEN Jingwen，et al.Research progress in pretreatment techniques of lignocellulose for fuel ethanol production［J］.Chinese Journal of Analysis Laboratory，2010，29（11）：15－18.

［13］ 趙凱，許鵬舉，谷廣燁.3，5－二硝基水楊酸比色法測定還原糖含量的研究［J］.食品科學，2008，29（8）：534－536.ZHAO Kai，XU Pengju，Gu Guangye.Study on determination of reducing sugar content using 3，5－dinitrosalicylic acid method［J］.Food Science，2008，29（8）：534－536.

［14］ FERREIRA S，DUARTEA A P，RIBEIRO M H L，et al.Response surface optimization of enzymatic hydrolysis of cistus ladanifer and cytisus striatus for bioethanol production［J］.Biochemical Engineering Journal，2009（45）：192－200.