崔茂金,黃明賢,賀龍嬌

（河南科技學(xué)院,河南新鄉(xiāng)453003）

隨著社會(huì)的發(fā)展,人類(lèi)對(duì)能源的需求逐步增加,然而化石能源資源是不可再生的能源,儲(chǔ)量有限,能源短缺就引起了人們的高度重視,解決能源短缺的重要舉措之一就是發(fā)展可再生能源[1-2].生物質(zhì)能源是蘊(yùn)藏在生物質(zhì)中的能量,是在光合作用下儲(chǔ)存的太陽(yáng)能,永遠(yuǎn)不會(huì)枯竭,其中可開(kāi)發(fā)利用的生物質(zhì)資源主要有農(nóng)作物秸稈、糞便、海藻等[3].木質(zhì)纖維素是地球上最豐富、最廉價(jià)且符合可持續(xù)發(fā)展要求的可再生資源[4].我國(guó)是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國(guó),每年形成的農(nóng)業(yè)廢棄物約有7億t,其中稻草秸稈1.8億t,小麥秸稈1.1億t,大豆秸稈1500萬(wàn)t,棉花秸稈1300萬(wàn)t,因此木質(zhì)纖維素資源極為豐富[5].目前,我國(guó)大部分稻草用作燃料或在田間被直接燃燒,不但破壞了生態(tài)平衡,使土壤肥力衰竭,造成農(nóng)業(yè)上的惡性循環(huán),而且污染環(huán)境,還存在火災(zāi)隱患.由于秸稈燃燒熱能利用率甚低,以其作燃料,對(duì)資源也是極大的浪費(fèi).因此,尋找一種先進(jìn)實(shí)用的技術(shù)高效地將稻草糖化,進(jìn)而通過(guò)微生物發(fā)酵生產(chǎn)燃料乙醇,對(duì)于解決環(huán)境污染和能源短缺具有重大的意義[6].

木質(zhì)纖維素組成復(fù)雜、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,因而使其直接被生物降解難于進(jìn)行.需要借助物理或化學(xué)的方法進(jìn)行預(yù)處理,使纖維素與木質(zhì)素、半纖維素等分離,使纖維素內(nèi)部氫鍵打開(kāi),使結(jié)晶纖維素成為無(wú)定型纖維素,以及進(jìn)一步打斷部分β-1,4-糖苷鍵,降低聚合度[7].稀堿處理是最常用的處理木質(zhì)纖維原料的化學(xué)處理方法之一,它可以除去木質(zhì)素和半纖維素,降低纖維素的聚合度,提高水解效率[8].采用廉價(jià)可再生的秸稈生產(chǎn)燃料乙醇作為化石能源的替代能源,符合國(guó)際能源標(biāo)準(zhǔn)要求,具有重大的意義和廣闊的前景.目前利用秸稈生產(chǎn)燃料乙醇的關(guān)鍵是原料預(yù)處理方法的選擇,高效菌種的選擇、合理運(yùn)用與改造,發(fā)酵過(guò)程的優(yōu)化等.因此，采用何種方式處理原材料,提高原料的利用率是人們關(guān)注的焦點(diǎn)之一[9].

本文以稀NaOH溶液對(duì)水稻秸稈進(jìn)行預(yù)處理,首先利用單因素試驗(yàn)分別研究了預(yù)處理溫度、預(yù)處理時(shí)間、NaOH溶液質(zhì)量濃度和底物質(zhì)量濃度對(duì)總還原糖量的影響,然后在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上,用四因素三水平正交試驗(yàn)對(duì)NaOH溶液預(yù)處理?xiàng)l件進(jìn)一步優(yōu)化,為水稻秸稈的開(kāi)發(fā)利用提供技術(shù)支持.

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

水稻秸稈取自河南省新鄉(xiāng)市延津縣大佛村,自然晾干,粉碎后過(guò)20目篩,然后放在干燥箱中100℃下干燥至恒重,備用.

1.2 儀器和試劑

SK-1快速混勻器（金壇市華峰儀器有限公司）；JY-6A恒溫?cái)嚢栌驮″仯ń饓刑炀箤?shí)驗(yàn)儀器廠）；UNICOWFJ 7200型分光光度計(jì)（上海尤尼柯儀器有限公司）；電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱（鞏義市予華儀器有限責(zé)任公司）；TDE4-WS臺(tái)式低速自動(dòng)平衡離心機(jī)（長(zhǎng)沙湘智離心機(jī)有限公司）；FZ102微型植物粉碎機(jī)（天津市泰斯特儀器有限公司）；電子天平（北京賽多利斯儀器系統(tǒng)有限公司）.

NaOH（分析純,天津市大陸化學(xué)試劑廠）；H2SO4（98%,分析純,鄭州派尼化學(xué)試劑廠）；葡萄糖（分析純,天津市德恩化學(xué)試劑有限公司）；苯酚（分析純,天津市德恩化學(xué)試劑有限公司）；201甲基硅油（常州市江南常新有機(jī)硅有限公司）.

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 試驗(yàn)步驟分別稱(chēng)取不同質(zhì)量粉碎干燥的底物于50 mL圓底燒瓶中,分別加入20 mL不同質(zhì)量濃度的NaOH,在恒溫?cái)嚢栌驮″佒胁煌臏囟认路胖貌煌臅r(shí)間,冷卻后取上清液稀釋一定的倍數(shù)測(cè)吸光度.試驗(yàn)設(shè)3次重復(fù).

1.3.2 總還原糖的測(cè)定總還原糖的測(cè)定采用苯酚-濃硫酸法,以葡萄糖為標(biāo)準(zhǔn)樣品.葡萄糖標(biāo)準(zhǔn)曲線如圖1所示.葡萄糖標(biāo)準(zhǔn)曲線方程為：y=-5.0794+88.8855x,R2=0.9998.

圖1 葡萄糖標(biāo)準(zhǔn)曲線Fig.1 Standard curve of glucose

1.3.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)分別研究了NaOH質(zhì)量濃度、預(yù)處理溫度、預(yù)處理時(shí)間和底物質(zhì)量濃度各單因素對(duì)總還原糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響.在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上,以NaOH質(zhì)量濃度、預(yù)處理溫度、底物質(zhì)量濃度和預(yù)處理時(shí)間為4個(gè)因素,每個(gè)因素選取3個(gè)水平,設(shè)計(jì)了四因素三水平L9（34）正交表,如表1所示.

表1 NaOH預(yù)處理正交試驗(yàn)驗(yàn)因素與水平Tab.1 Factors and levels of orthogonal experiments by NaOH pretreatment

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗(yàn)

2.1.1 NaOH質(zhì)量濃度的影響未經(jīng)預(yù)處理的水稻秸稈中總還原糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)為91.36 mg/g.NaOH預(yù)處理是一種常用的處理木質(zhì)纖維素的方法.在預(yù)處理溫度為100℃,時(shí)間為48 min,底物質(zhì)量濃度為5 g/L的條件下,NaOH質(zhì)量濃度對(duì)總還原糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響如圖2所示.

圖2 NaOH質(zhì)量濃度對(duì)總還原糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響Fig.2 Effect of NaOH concentration on the concentration of total reducing sugars

由圖2可知,NaOH預(yù)處理后的總還原糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)要比未經(jīng)NaOH預(yù)處理的高,說(shuō)明NaOH預(yù)處理可以提高底物的糖化率.隨著NaOH質(zhì)量濃度的增加,總還原糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸增大,在NaOH質(zhì)量濃度為80 g/L之前有明顯的增大趨勢(shì),之后隨著NaOH質(zhì)量濃度的增加增幅變緩,這是由于底物中能被NaOH降解轉(zhuǎn)化為糖的部分基本上被降解完了.綜合考慮預(yù)處理效果和成本,選擇質(zhì)量濃度為80 g/L的NaOH比較好,此質(zhì)量濃度下的總還原糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)為382.25 mg/g.

圖3 預(yù)處理溫度對(duì)總還原糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響Fig.3 Effect of pretreatment temperature on the concentration of total reducing sugars

2.1.2 預(yù)處理溫度的影響溫度是影響預(yù)處理效果的一個(gè)重要因素.在時(shí)間為48 min,NaOH質(zhì)量濃度為80 g/L,底物質(zhì)量濃度為5 g/L的條件下,預(yù)處理溫度對(duì)總還原糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響如圖3所示.由圖3可知,總還原糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨著預(yù)處理溫度升高先增加后減小,當(dāng)溫度為100℃時(shí)總還原糖的質(zhì)量分?jǐn)?shù)最大.這是由于隨著溫度的升高,NaOH預(yù)處理的效果越好,但是溫度升高到一定的程度時(shí)部分的糖會(huì)分解,而且溫度越高糖分解的就會(huì)越多,從而使總還原糖的質(zhì)量分?jǐn)?shù)下降.

2.1.3 底物質(zhì)量濃度的影響底物質(zhì)量濃度也是影響預(yù)處理效果的一個(gè)重要因素.在預(yù)處理溫度為100℃,NaOH質(zhì)量濃度為80 g/L,時(shí)間為48 min的條件下,底物質(zhì)量濃度對(duì)總還原糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響如圖4所示.

圖4 底物質(zhì)量濃度對(duì)總還原糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響Fig.4 Effect of substrate concentration on the concentration of total reducing sugars

由圖4可知,隨著底物質(zhì)量濃度的增加,總還原糖的質(zhì)量分?jǐn)?shù)先增加后減小,當(dāng)?shù)孜镔|(zhì)量濃度在5 g/L時(shí)總還原糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)最大.但總還原糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨底物質(zhì)量濃度改變而變化的幅度不大,說(shuō)明底物質(zhì)量濃度對(duì)預(yù)處理效果的影響有限.

2.1.4 預(yù)處理時(shí)間的影響預(yù)處理時(shí)間是影響預(yù)處理效果的另外一個(gè)重要因素.在預(yù)處理溫度為100℃,NaOH質(zhì)量濃度為80 g/L,底物質(zhì)量濃度為5 g/L條件下,時(shí)間對(duì)總還原糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響如圖5所示.

圖5 預(yù)處理時(shí)間對(duì)總還原糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響Fig.5 Effect of pretreatment time on the concentration of total reducing sugars

由圖5可知,隨著預(yù)處理時(shí)間的增加,總還原糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸增大,預(yù)處理時(shí)間過(guò)長(zhǎng)則有下降的趨勢(shì),這是因?yàn)闀r(shí)間越長(zhǎng)預(yù)處理的效果越好,但在較高的溫度下時(shí)間過(guò)長(zhǎng),可能會(huì)有部分的糖分解.

2.2 正交試驗(yàn)

在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)了四因素三水平L9（34）正交表,正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)及試驗(yàn)結(jié)果如表2所示.

表2 L9（34）正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果Tab.2 Design and results ofL9（34）orthogonal experiments

由表2極差分析可知,4個(gè)因素的主次順序?yàn)镹aOH質(zhì)量濃度＞預(yù)處理溫度＞底物質(zhì)量濃度＞預(yù)處理時(shí)間,NaOH質(zhì)量濃度和預(yù)處理溫度對(duì)總還原糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響較大,底物質(zhì)量濃度和預(yù)處理時(shí)間影響較小.優(yōu)選方案是NaOH質(zhì)量濃度100 g/L、預(yù)處理溫度120℃、底物質(zhì)量濃度2.5 g/L和預(yù)處理時(shí)間48 min,此時(shí)總還原糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)最大為464.59mg/g.

3 結(jié)論

本文通過(guò)單因素試驗(yàn)和正交試驗(yàn)研究了水稻秸稈NaOH預(yù)處理的最佳條件.結(jié)果表明：NaOH預(yù)處理可以顯著提高水稻秸稈的糖化率；NaOH質(zhì)量濃度和預(yù)處理溫度對(duì)預(yù)處理效果影響較大,底物質(zhì)量濃度和預(yù)處理時(shí)間對(duì)預(yù)處理效果影響較小；最佳預(yù)處理?xiàng)l件是NaOH質(zhì)量濃度100 g/L、預(yù)處理溫度120℃、底物質(zhì)量濃度為2.5 g/L和預(yù)處理時(shí)間48 min,此時(shí)總還原糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)最大為464.59 mg/g,為未處理底物的5.09倍.

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