玉米秸稈酸解產(chǎn)糖條件的優(yōu)化

高小朋 任龍輝 孫中鋒等

摘要：選擇了處理溫度、硫酸濃度、固液比３個(gè)因素，以還原糖產(chǎn)量為指標(biāo)，利用正交試驗(yàn)對(duì)玉米秸稈酸解產(chǎn)糖條件進(jìn)行了優(yōu)化，結(jié)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(yōu)預(yù)處理?xiàng)l件。經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證，在優(yōu)化后的預(yù)處理?xiàng)l件下還原糖產(chǎn)量提高了４１．６％。

關(guān)鍵詞：玉米秸稈；酸解；還原糖；優(yōu)化

中圖分類號(hào)：Ｓ８１６；ＴＳ２４４＋．１文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：Ａ文章編號(hào)：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， Ｙａｎａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， Ｙａｎａｎ 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(jìn)入２０世紀(jì)以來，能源短缺問題日趨嚴(yán)峻，迫切需要人們開發(fā)替代能源。乙醇以其可再生、綠色無污染等優(yōu)點(diǎn)受到普遍關(guān)注，利用木質(zhì)纖維素生產(chǎn)燃料乙醇是未來能源發(fā)展的一個(gè)重要方向，既能解決能源危機(jī)，又充分利用了廢棄的秸稈等農(nóng)業(yè)下腳料，還可保護(hù)環(huán)境［１］。試驗(yàn)作為利用微生物分解玉米秸稈生產(chǎn)乙醇的前期工作，以處理后的還原糖產(chǎn)量為指標(biāo)，對(duì)玉米秸稈進(jìn)行分解前的預(yù)處理?xiàng)l件優(yōu)化，以期可以快速、高效地產(chǎn)生乙醇，為微生物分解秸稈產(chǎn)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(yàn)用玉米秸稈采自延安市區(qū)周邊玉米地，經(jīng)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(yī)療設(shè)備有限公司）；電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱（ＤＨＧ－９０３０Ａ，上海精宏實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司）；紫外可見分光光度計(jì)（ＵＶｍｉｎｉ－１２４０，日本島津公司）；臺(tái)式低速離心機(jī)（ＫＤＣ－４０，科大創(chuàng)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(jù)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(yàn)方案，分９組進(jìn)行處理，處理結(jié)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(cè)液備用。

１．２．２還原糖的測(cè)定還原糖的測(cè)定采用ＤＮＳ法［３］。①葡萄糖標(biāo)準(zhǔn)曲線的制作。分別?。?ｍｇ／ｍＬ葡萄糖標(biāo)準(zhǔn)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(zhǔn)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(cè)定吸光度，以葡萄糖這個(gè)還原糖濃度為橫坐標(biāo)，以ＯＤ５４０ｎｍ為縱坐標(biāo)，繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線。②待測(cè)樣品處理。將待測(cè)樣品適當(dāng)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(bǔ)至刻度，在５４０ ｎｍ波長下測(cè)定吸光度，從標(biāo)準(zhǔn)曲線查出還原糖濃度，求出樣品中糖含量。

１．２．３優(yōu)化方法采取單因素試驗(yàn)篩選、正交試驗(yàn)優(yōu)化的方法進(jìn)行。①單因素試驗(yàn)篩選。根據(jù)已有文獻(xiàn)資料［４－６］，結(jié)合實(shí)際情況，選擇處理溫度（Ａ）、硫酸濃度（Ｂ）、固液比（Ｃ）、處理時(shí)間（Ｄ）４個(gè)因素進(jìn)行試驗(yàn)，每個(gè)因素從低到高依次各選５個(gè)水平（各因素的不同水平見表１）進(jìn)行單因素篩選試驗(yàn)。②正交試驗(yàn)優(yōu)化。根據(jù)單因素篩選的試驗(yàn)結(jié)果，選擇對(duì)還原糖產(chǎn)量影響關(guān)鍵的因素和每個(gè)因素的水平，進(jìn)行正交試驗(yàn)優(yōu)化，對(duì)優(yōu)化結(jié)果再進(jìn)行直觀極差分析、效應(yīng)分析和方差分析。

１．２．４驗(yàn)證試驗(yàn)保持其余條件不變，分別在優(yōu)化前和優(yōu)化后的處理?xiàng)l件下，測(cè)量還原糖的產(chǎn)量。

２結(jié)果與分析

２．１標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制

按照葡萄糖標(biāo)準(zhǔn)曲線的制作方法繪制標(biāo)準(zhǔn)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(chǎn)量的檢測(cè)。

２．２單因素試驗(yàn)篩選結(jié)果

單因素試驗(yàn)篩選結(jié)果見圖２。由圖２可知，在４個(gè)因素中，隨著處理時(shí)間的增加，還原糖產(chǎn)量沒有明顯變化；隨著處理溫度的增加，還原糖產(chǎn)量持續(xù)增加；而對(duì)固液比和硫酸濃度而言，還原糖產(chǎn)量變化表現(xiàn)出先升后降的趨勢(shì)；由此可說明處理溫度、硫酸濃度、固液比這３個(gè)因素對(duì)還原糖的產(chǎn)量是關(guān)鍵因素，因此，下一步的正交試驗(yàn)，處理時(shí)間選擇３０ ｍｉｎ，其余３個(gè)因素在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，選擇合適的水平進(jìn)行試驗(yàn)。

２．３正交試驗(yàn)結(jié)果

２．３．１正交試驗(yàn)方案及結(jié)果根據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果，選擇處理溫度（Ａ）、硫酸濃度（Ｂ）、固液比（Ｃ）３個(gè)因素進(jìn)行正交試驗(yàn)；處理溫度（Ａ）由于試驗(yàn)條件所限，所能達(dá)到的最高溫度為１２０℃，因此，取單因素試驗(yàn)后３個(gè)水平，硫酸濃度（Ｂ）、固液比（Ｃ）分別以單因素試驗(yàn)的最高還原糖產(chǎn)量對(duì)應(yīng)的水平為中心水平，各?。硞€(gè)水平，試驗(yàn)方案按照正交表Ｌ９（３４）安排，試驗(yàn)因素與水平具體見表２，正交試驗(yàn)方案及結(jié)果見表３。

２．３．２直觀極差分析由正交試驗(yàn)結(jié)果直觀分析表2和表3可知，３個(gè)因素的Ｒ值大小依次為Ａ＞Ｂ＞Ｃ，說明在秸稈預(yù)處理的３個(gè)因素中，對(duì)還原糖產(chǎn)率的影響大小依次為處理溫度＞硫酸濃度＞固液比；經(jīng)過分析，并初步確定玉米秸稈預(yù)處理?xiàng)l件優(yōu)化結(jié)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(yàn)各因素的效應(yīng)分析根據(jù)優(yōu)化試驗(yàn)結(jié)果繪制的各因素效應(yīng)趨勢(shì)見圖３。由圖３可以看出，硫酸濃度、固液比兩個(gè)因素的水平２都是最佳水平，因此，這兩個(gè)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(duì)應(yīng)的還原糖產(chǎn)量最高，說明處理溫度超過１２０ ℃，還原糖產(chǎn)量還有增大的趨勢(shì)，但１２０ ℃的處理溫度是在現(xiàn)有條件下能達(dá)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(chǎn)中就會(huì)增加成本，因此處理溫度選擇了１２０ ℃。