趙 明，任樹安，史 杰，崔藝穎，王 亮，錢朋智

（齊齊哈爾大學(xué)食品與生物工程學(xué)院，黑龍江齊齊哈爾 161006）

我國是一個農(nóng)業(yè)大國，各類農(nóng)作物纖維資源十分豐富，僅秸稈一項(xiàng)就超過7×108t，其中玉米秸稈約2.2×108t[1]。玉米秸稈的化學(xué)組成及含量為纖維素37.3%，半纖維素20.6%，木質(zhì)素17.5%，灰分6.1%，有機(jī)酸鹽2.0%，可溶出物13.0%，其他3.5%。秸稈中的半纖維素可制備葡萄糖、木糖、阿拉伯糖等高附加值產(chǎn)品。

玉米秸稈半纖維素的預(yù)處理非常必要。玉米秸桿中的氫鍵使很多纖維素、半纖維素、木質(zhì)素分子共同組成結(jié)晶結(jié)構(gòu)，進(jìn)而組成復(fù)雜的微纖維、結(jié)晶區(qū)和無定形區(qū)等纖維素聚合物。而這種高度有序的結(jié)晶結(jié)構(gòu)使纖維素聚合物顯示出剛性和高度水不溶性[2]，因此高效利用玉米秸稈半纖維素的關(guān)鍵在于破壞其結(jié)晶結(jié)構(gòu)，所以必須經(jīng)過預(yù)處理，使得纖維素、半纖維素、木質(zhì)素分離開，切斷它們的氫鍵，破壞晶體結(jié)構(gòu)，降低聚合度，使半纖維素結(jié)構(gòu)松散，使后續(xù)的水解更容易進(jìn)行。

玉米秸稈半纖維素的預(yù)處理方法選擇主要從提高效率、降低成本、縮短處理時(shí)間和簡化工序等方面考慮。理想的預(yù)處理應(yīng)能滿足下列要求：戊糖較少降解；避免生成對后序處理有抑制的副產(chǎn)品；成本較低，經(jīng)濟(jì)上合理；處理后的玉米秸稈半纖維素純度較高，可以制備相應(yīng)的產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)其高附加值利用。

目前，預(yù)處理的方法主要有物理法（球磨法）、化學(xué)法（酸法、堿法等）、物理化學(xué)法（蒸汽爆破法、氨蒸汽爆破法）等[3]。研究證實(shí)這些預(yù)處理過程的費(fèi)用占總成本的20%左右[4-5]，是制約木質(zhì)纖維素功能糖醇工業(yè)化的最大障礙，因此開發(fā)一種高效率、低能耗、低成本的預(yù)處理方法是研究熱點(diǎn)。

試驗(yàn)以農(nóng)業(yè)廢棄物玉米秸稈為原料，在相對高的溫度下，考查不同的條件對預(yù)處理效果的影響，并優(yōu)化其最佳預(yù)處理?xiàng)l件，為木質(zhì)纖維素制備木糖阿拉伯糖等功能糖漿提供一定的理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

1.1.1 試驗(yàn)原料

玉米秸稈，采自齊齊哈爾市龍沙區(qū)朝鮮屯農(nóng)家玉米地，經(jīng)粉碎，過40目篩后，備用。

1.1.2 主要試劑

斐林試劑、超純水、葡萄糖。

1.1.3 主要設(shè)備

FW100型粉碎機(jī)，上海市楚定分析儀器有限公司產(chǎn)品；LDZX-75KBS型立式壓力蒸汽滅菌器，上海申安醫(yī)療器械有限公司產(chǎn)品；布氏漏斗裝置，蜀牛玻璃儀器有限公司產(chǎn)品；WYT（0～80%） 型手持折光計(jì)，成都泰華光學(xué)有限公司產(chǎn)品；CD-UPTL-I-40L型超純水器，成都越純科技有限公司產(chǎn)品；馬弗爐，上海博訊醫(yī)療生物儀器股份有限公司產(chǎn)品；分析天平，梅特勒-托利多國際貿(mào)易（上海） 有限公司產(chǎn)品。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 試驗(yàn)工藝路線

玉米秸稈→粉碎→過40目篩，取篩下物→測水分、纖維素含量（干基）、半纖維素含量（干基）、木質(zhì)素含量（干基）、灰分含量（干基）→單因素多水平熱水預(yù)處理→抽濾→測預(yù)處理液體積、預(yù)處理液可溶性固形物含量、預(yù)處理液總還原糖得率（即秸稈總還原糖損失率）、殘?jiān)馁|(zhì)量（干基）、殘?jiān)曳趾浚ǜ苫?jì)算經(jīng)處理后玉米秸稈總還原糖損失率和灰分去除率→確定最優(yōu)預(yù)處理?xiàng)l件。

1.2.2 單因素多水平熱水預(yù)處理方法

以影響高溫蒸煮預(yù)處理效果的主要因素（料液比、蒸煮時(shí)間、蒸煮溫度）設(shè)計(jì)試驗(yàn)，研究不同的蒸煮條件對玉米秸稈總還原損失率和灰分去除率的影響，并確定適合的蒸煮條件。

1.2.3 分析方法

玉米秸稈中水分含量采用快速水分測定儀進(jìn)行測定；玉米秸稈纖維素、半纖維素、木質(zhì)素含量采用前人方法[6]；糖液折光濃度采用手持糖量計(jì)進(jìn)行測定；預(yù)處理液中總還原糖含量采用斐林試劑法進(jìn)行測定；秸稈灰分含量采用GB 5009.4—2010方法進(jìn)行測定；玉米秸稈總還原糖損失率、玉米秸稈灰分去除率按公式（1），（2） 計(jì)算。

2 結(jié)果與分析

2.1 玉米秸稈主要成分測定結(jié)果

玉米秸稈檢測結(jié)果為水分含量11.66%，灰分含量7.73%（干基），纖維素含量30.7%，半纖維素含量27.4%，木質(zhì)素含量14.6%。

2.2 不同蒸煮時(shí)間的蒸煮結(jié)果

選定蒸煮溫度118℃，按料液比1∶7添加去離子水，分別設(shè)定蒸煮時(shí)間為0.5，1.0，1.5 h進(jìn)行試驗(yàn)。每個處理稱取150 g玉米秸稈（干基），每個處理重復(fù)3次。

結(jié)果表明，蒸煮時(shí)間為0.5 h時(shí)預(yù)處理后秸稈總還原糖損失率為1.86%，預(yù)處理后秸稈灰分去除率為35.2%；蒸煮時(shí)間為1.0 h時(shí)預(yù)處理后秸稈總還原糖損失率為3.05%，預(yù)處理后秸稈灰分去除率為39.8%；蒸煮時(shí)間為1.5 h時(shí)預(yù)處理后秸稈總還原糖損失率為2.72%，預(yù)處理后秸稈灰分去除率為43.0%.

由結(jié)果可知，玉米秸稈總還原糖損失率隨著水解時(shí)間的延長先增大后減??；玉米秸稈灰分去除率隨著水解時(shí)間的延長而增大。蒸煮時(shí)間為1.5 h時(shí)預(yù)處理后秸稈總還原糖損失率，比蒸煮時(shí)間為1.0 h時(shí)預(yù)處理后秸稈總還原糖損失率小，可能是隨著蒸煮時(shí)間的延長，玉米秸稈中溶出的總還原糖轉(zhuǎn)化為糠醛、有機(jī)酸等物質(zhì)，從而使總還原糖檢測結(jié)果偏低。

從玉米秸稈總還原糖損失率和灰分去除率綜合考慮，單因素法優(yōu)化的最佳蒸煮時(shí)間為0.5 h。

選定蒸煮時(shí)間0.5 h，按料液比1∶7添加去離子水，分別設(shè)定蒸煮溫度為118，123，128℃進(jìn)行試驗(yàn)。每個處理稱取150 g玉米秸稈（干基），每個處理重復(fù)3次。

結(jié)果表明，蒸煮溫度為118℃時(shí)預(yù)處理后秸稈總還原糖損失率為1.86%，預(yù)處理后秸稈灰分去除率為35.2%；蒸煮溫度為123℃時(shí)預(yù)處理后秸稈總還原糖損失率為3.06%，預(yù)處理后秸稈灰分去除率為54.2%；蒸煮溫度為128℃時(shí)預(yù)處理后秸稈總還原糖損失率為5.23%，預(yù)處理后秸稈灰分去除率為57.9%。

由結(jié)果可知，玉米秸稈總還原糖損失率隨著水解溫度的升高而增大，玉米秸稈灰分去除率隨著水解溫度的升高而增大。

從玉米秸稈總還原糖損失率和灰分去除率綜合考慮，單因素法優(yōu)化的最佳蒸煮溫度為118℃。

2.3 不同蒸煮溫度的蒸煮結(jié)果

2.4 不同料液比的蒸煮結(jié)果

選定蒸煮時(shí)間0.5 h，蒸煮溫度118℃，分別設(shè)定料液比為1∶5，1∶7，1∶9進(jìn)行試驗(yàn)。每個處理稱取150 g玉米秸稈（干基），每個處理重復(fù)3次。

結(jié)果表明，料液比為1∶5時(shí)預(yù)處理后秸稈總還原糖損失率為1.69%，預(yù)處理后秸稈灰分去除率為13.7%；料液比為1∶7時(shí)預(yù)處理后秸稈總還原糖損失率為1.86%，預(yù)處理后秸稈灰分去除率為35.2%；料液比為1∶9時(shí)預(yù)處理后秸稈總還原糖損失率為6.45%，預(yù)處理后秸稈灰分去除率為59.54%。

由結(jié)果可知，玉米秸稈總還原糖損失率隨著料液比的增大而增大，玉米秸稈灰分去除率隨著料液比的增大而增大。從玉米秸稈總還原糖損失率和灰分去除率綜合考慮，單因素法優(yōu)化的最佳料液比為1∶7。

3 結(jié)論

試驗(yàn)主要研究了以玉米秸稈為原料，高溫蒸煮預(yù)處理的工藝條件，通過單因素多水平法對玉米秸稈的高溫蒸煮預(yù)處理工藝進(jìn)行了深入的研究。

試驗(yàn)結(jié)果表明，最優(yōu)化的熱預(yù)處理?xiàng)l件為蒸煮溫度118℃，按絕干料液比1∶7添加純水，蒸煮時(shí)間0.5 h，預(yù)處理后玉米秸稈的灰份去除率為35.2%，玉米秸稈總還原糖損失率為1.86%。

玉米秸稈生產(chǎn)木糖、阿拉伯糖等功能糖漿（醇）已成為熱門研究課題，預(yù)處理技術(shù)作為木質(zhì)纖維轉(zhuǎn)化為功能糖的關(guān)鍵步驟，也成為科研工作者關(guān)注的焦點(diǎn)。傳統(tǒng)的化學(xué)處理、機(jī)械處理技術(shù)等耗能較多，且不同程度地存在環(huán)境污染；蒸汽爆破預(yù)處理過程中，木糖的溶出規(guī)律缺乏系統(tǒng)的研究，且對其能夠應(yīng)用于工業(yè)化生產(chǎn)的研究還不夠深入；生物處理技術(shù)從成本和設(shè)備角度考慮，占有獨(dú)特的優(yōu)勢，但處理效率較低，利用基因工程和傳統(tǒng)的生物技術(shù)對秸稈進(jìn)行預(yù)處理，但酶活和酶成本急需解決。

試驗(yàn)研究方法節(jié)約了大量的能耗，比參考文獻(xiàn)中的化學(xué)法和蒸汽爆破法更加經(jīng)濟(jì)，玉米秸稈總還原糖損失率較低，灰分去除率較高，環(huán)保壓力大幅減小。當(dāng)然，利用多種預(yù)處理方法相結(jié)合，開發(fā)更加高效、無污染且成本低的預(yù)處理手段，將是今后玉米秸稈預(yù)處理的發(fā)展趨勢。