綠竹甲酸預(yù)處理脫木素的響應(yīng)面法優(yōu)化

唐興平　劉　婧　羅小林　黃六蓮　陳禮輝

(福建農(nóng)林大學(xué)材料工程學(xué)院,福建福州,350002)

?

研究論文

綠竹甲酸預(yù)處理脫木素的響應(yīng)面法優(yōu)化

唐興平劉婧羅小林*黃六蓮陳禮輝

(福建農(nóng)林大學(xué)材料工程學(xué)院,福建福州,350002)

摘要：利用Design-Expert統(tǒng)計(jì)軟件對(duì)影響綠竹甲酸預(yù)處理過程中木素溶出率的4個(gè)自變量(甲酸含量、液比、最高溫度和保溫時(shí)間)進(jìn)行四因素五水平的中心復(fù)合設(shè)計(jì),建立全因素二項(xiàng)式方程(模型Ⅰ)。以參數(shù)的顯著性為判定依據(jù),對(duì)全因素二項(xiàng)式方程進(jìn)行簡化處理,得到模型Ⅱ。將這2個(gè)模型用于木素溶出率預(yù)測，盡管2個(gè)模型的變異系數(shù)相近,且預(yù)測值與實(shí)測值的相關(guān)系數(shù)均高于0.9,但模型Ⅱ的信噪比比模型Ⅰ高近20%,表明簡化模型不僅可較好地預(yù)測綠竹甲酸預(yù)處理過程中的木素溶出率,且穩(wěn)定性較高。木素溶出率與固體基質(zhì)中纖維素酶水解轉(zhuǎn)化率之間為指數(shù)關(guān)系；但隨木素溶出率的增加,纖維素溶出率也隨之增加,最終酶水解葡萄糖得率呈先升高后降低的變化趨勢；為獲得更多的葡萄糖,較優(yōu)的木素溶出率約為50%。

關(guān)鍵詞：甲酸預(yù)處理；響應(yīng)面法優(yōu)化；木素溶出率；纖維素酶水解；葡萄糖得率

為緩解化石能源有限儲(chǔ)量及其利用引起的環(huán)境問題,開發(fā)可再生清潔能源(如纖維素燃料乙醇等)已成為重要的研究課題[1]。然而,木質(zhì)生物質(zhì)的結(jié)構(gòu)非常致密,纖維素、半纖維素和木素通過共價(jià)鍵連接形成的異質(zhì)性高分子聚合物結(jié)構(gòu)嚴(yán)重影響纖維素酶水解生產(chǎn)可發(fā)酵葡萄糖的效率[2]。為了提高木質(zhì)生物質(zhì)中纖維素對(duì)酶的可及性,預(yù)處理已成為纖維素燃料乙醇生產(chǎn)過程中必不可少的過程[3]。

現(xiàn)有的預(yù)處理方法主要有物理法、化學(xué)法和生物法。物理法預(yù)處理主要包括研磨和盤磨處理等,這些預(yù)處理過程較為清潔,但設(shè)備投資和能耗相對(duì)較高[4]?；瘜W(xué)法預(yù)處理主要包括熱水預(yù)處理、酸預(yù)處理、堿預(yù)處理、蒸汽爆破、有機(jī)溶劑預(yù)處理等[5- 8]?；瘜W(xué)預(yù)處理中熱水預(yù)處理最清潔,但對(duì)木質(zhì)生物質(zhì)中纖維素酶水解轉(zhuǎn)化率的提高不明顯[5]。稀酸(如稀硫酸和稀鹽酸)預(yù)處理可使半纖維素發(fā)生酸性水解而溶于預(yù)處理液中,固體基質(zhì)中纖維素酶水解轉(zhuǎn)化率得以顯著提高,但無機(jī)酸難以回收,且對(duì)設(shè)備的腐蝕性比有機(jī)酸強(qiáng)[9]。酸性亞硫酸鹽是化學(xué)預(yù)處理中效率較高的預(yù)處理方法,但大量硫化物(如二氧化硫、亞硫酸鹽和亞硫酸氫鹽等)殘留于預(yù)處理液和固體基質(zhì)中,不僅對(duì)操作人員的人身安全造成危害和對(duì)大氣產(chǎn)生不可忽視的影響,同時(shí)也對(duì)糖化和發(fā)酵過程使用的酶和微生物具有一定的毒害作用[10]。稀堿預(yù)處理對(duì)設(shè)備的腐蝕性相對(duì)較低,但固體基質(zhì)中殘留的堿以及木素的堿性降解產(chǎn)物會(huì)抑制酶的水解效率,將這些物質(zhì)洗出需耗用大量的潔凈水[11]。盡管有機(jī)溶劑(如乙醇等)預(yù)處理所用溶劑易于回收,但需添加無機(jī)酸或堿來提高預(yù)處理效率,最終也存在常規(guī)無機(jī)酸和堿法預(yù)處理所存在的問題[12]。典型的生物法預(yù)處理為白腐菌預(yù)處理,處理?xiàng)l件溫和,對(duì)設(shè)備和能耗的要求較低,基本無污染物產(chǎn)生,但處理周期過長,半纖維素和木素去除率低,預(yù)處理后固體基質(zhì)中纖維素酶水解效率也較低[13]。

綜上所述,現(xiàn)有預(yù)處理方法均無法同時(shí)滿足顯著提高纖維素酶水解效率、能耗低、環(huán)保、預(yù)處理液對(duì)人體無毒無害且易于回收等要求。相對(duì)而言,盡管有機(jī)酸預(yù)處理對(duì)設(shè)備也有一定的腐蝕性,但該方法所需能耗較低,預(yù)處理液易于回收,且可顯著提高木質(zhì)生物質(zhì)中纖維素酶水解效率。因此,本實(shí)驗(yàn)采用有機(jī)酸(如甲酸)對(duì)我國豐富的非木材資源(綠竹)進(jìn)行預(yù)處理；利用Design-Expert統(tǒng)計(jì)軟件對(duì)甲酸預(yù)處理實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行中心復(fù)合設(shè)計(jì)；同時(shí)考察甲酸預(yù)處理木素溶出量對(duì)固體基質(zhì)中纖維素酶水解轉(zhuǎn)化率和葡萄糖得率的影響,以期為以非木材資源為原料的纖維素燃料乙醇生產(chǎn)的產(chǎn)業(yè)化提供理論基礎(chǔ)。

1實(shí)驗(yàn)

1.1原料與藥品

實(shí)驗(yàn)用原料為福建漳州某林場提供的3年生綠竹,經(jīng)切片、磨粉至過40～60目篩和風(fēng)干后備用?？啡?F)、5-羥甲基糠醛(HMF)和乙酰丙酸(LA)購自Sigma公司,均為色譜純。用于預(yù)處理的甲酸購自國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司,為分析純。綠竹磨木木素采用Argyropoulos 等[14]開發(fā)的兩步酶水解-弱酸水解的方法進(jìn)行分離。

1.2綠竹的甲酸預(yù)處理

以木素溶出率為因變量,利用Design-Expert 8.0.6(Stat-Ease Inc,美國)統(tǒng)計(jì)軟件對(duì)影響木素溶出率的4個(gè)自變量進(jìn)行四因素五水平的中心復(fù)合設(shè)計(jì),并以+2、+1、0、-1、-2分別代表自變量的最高、高、中、低和最低水平(見表1),共30組實(shí)驗(yàn)。

表1　響應(yīng)面法優(yōu)化綠竹甲酸預(yù)處理木素溶出率的

注甲酸含量為甲酸在由甲酸和去離子水所組成混合溶液中的體積分?jǐn)?shù)。

甲酸預(yù)處理實(shí)驗(yàn)。首先取50 g竹粉置于1 L的圓底燒瓶中,添加一定量特定濃度的甲酸溶液,同時(shí)加入磁力攪拌子和玻璃珠,配置冷凝管,然后將整個(gè)裝置放入油浴鍋中。待油浴鍋升到特定溫度時(shí)開始計(jì)時(shí),預(yù)處理結(jié)束后,用墊有2層慢速濾紙的布氏漏斗進(jìn)行固液分離；收集濾液,然后用去離子水將濾紙表面固體基質(zhì)洗至中性,分散后密封于封口袋中平衡水分。取一定量固體基質(zhì),在105℃干燥后測定固體基質(zhì)得率,其余固體基質(zhì)用于酶水解實(shí)驗(yàn)。

1.3木素溶出率的測定

以50%的甲酸溶液為溶劑,配置一定濃度的糠醛、5-羥甲基糠醛和乙酰丙酸溶液,在波長260～450 nm范圍內(nèi)測定其光譜。

稱取13.2 mg綠竹磨木木素,將其溶于20 mL 50%的甲酸溶液。以此溶液為母液,然后用50%甲酸溶液將其稀釋10、20、30、40、50倍。在紫外-可見光區(qū)測定稀釋后溶液的光譜,選定特定波長建立標(biāo)準(zhǔn)曲線。取一定量甲酸預(yù)處理液,經(jīng)50%甲酸溶液稀釋和0.45 μm水性微孔濾膜過濾后,測定濾液吸光度；基于此吸光度和已建立的標(biāo)準(zhǔn)曲線,可根據(jù)式(1)計(jì)算木素溶出率(RL)：

(1)

式中,A325為稀釋后的甲酸預(yù)處理液在325 nm處的吸光度；V為甲酸預(yù)處理液體積，L；ε是木素的摩爾吸光系數(shù),L/(mg·cm)；λ是甲酸預(yù)處理液的稀釋倍數(shù)；W1是用于甲酸預(yù)處理的竹粉絕干質(zhì)量,g；CL是竹粉原料中木素含量, %；l為吸光度測定時(shí)比色血的寬度，1 cm。

1.4纖維素溶出率的測定

采用兩步水解法測定竹粉原料和固體基質(zhì)中纖維素含量[4]。取0.6 g竹粉(40～60目)置于20 mL血清瓶中,加入6 mL、72 %硫酸溶液和磁力攪拌子,在30 ℃水浴中反應(yīng)1 h；第一步酸水解結(jié)束后,將固液混合物倒入250 mL厚壁耐壓瓶(北京欣維爾玻璃儀器有限公司)中,然后加入168 mL去離子水,使硫酸稀釋至4%,然后用聚四氟乙烯蓋密封后在121℃油浴中反應(yīng)1 h；反應(yīng)結(jié)束后,用冷水終止反應(yīng),取1 mL上清液,經(jīng)NaOH溶液中和后,用生化分析儀(YSI 2900D,Yellow Springs Instrument Co.)測定其葡萄糖質(zhì)量濃度。甲酸預(yù)處理后綠竹纖維素溶出率(RC)的計(jì)算見式(2)和式(3)：

(2)

(3)

式中,Cg為葡萄糖質(zhì)量濃度,g/L；V為兩步水解最終的液體體積,mL；W2為加入竹粉的絕干質(zhì)量,g；C1和C2分別為竹粉原料和固體基質(zhì)中纖維素的含量, %；YS為甲酸預(yù)處理后固體基質(zhì)的得率, %。

1.5固體基質(zhì)的酶水解

按照參考文獻(xiàn)[15]的方法,固體基質(zhì)(質(zhì)量分?jǐn)?shù)2%)的酶水解在恒溫空氣浴搖床(481HP,Waltham)中進(jìn)行,以pH值4.8、50 mmol/L醋酸-醋酸鈉溶液為緩沖溶液,纖維素酶(Celluclast 1.5 L)和纖維二糖酶(Novozyme 188)的用量(對(duì)絕干固體基質(zhì))分別為15 FPU/g和22.5 CBU/g,酶水解溫度和轉(zhuǎn)速分別為50℃和200 r/min。酶水解72 h 后,取1 mL上清液,用生化分析儀測定其葡萄糖質(zhì)量濃度。固體基質(zhì)中纖維素酶水解轉(zhuǎn)化率(CEC)和葡萄糖得率(YG)分別按照式(4)和式(5)計(jì)算。

(4)

YG=CEC×(1-RC)

(5)

式中,ψ是酶水解液中固體基質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù), %；W3是加入固體基質(zhì)的絕干質(zhì)量,g；β是固體基質(zhì)的纖維素含量, %。

2結(jié)果與討論

2.1紫外光譜法測定木素質(zhì)量濃度時(shí)測定波長的優(yōu)化

對(duì)于酸法預(yù)處理,除木素溶出外,碳水化合物也會(huì)發(fā)生酸性降解反應(yīng),產(chǎn)生的物質(zhì)(如呋喃化合物和乙酰丙酸)在紫外光區(qū)也有吸收[16]。木素及干擾物的紫外光譜圖如圖1所示。由圖1可知,在 300 nm 前,50%的甲酸溶液具有一定的吸收；而在320 nm前,LA、F和HMF不僅分別在260、278和286 nm處具有最大吸收,三者在260～320 nm均具有明顯吸收,其可對(duì)甲酸預(yù)處理液中木素質(zhì)量濃度的測定產(chǎn)生較大干擾。因此,木素的測定波長應(yīng)在260～320 nm區(qū)域外進(jìn)行選擇。

值得注意的是,綠竹磨木木素的甲酸溶液不僅在上述碳水化合物降解產(chǎn)物紫外光吸收區(qū)域具有吸收,在320～420 nm區(qū)域也有吸收。在此區(qū)域,甲酸及其他碳水化合物降解產(chǎn)物均無吸收,不會(huì)對(duì)木素質(zhì)量濃度的測定產(chǎn)生干擾。木素質(zhì)量濃度相同時(shí)選擇較大吸光度所處的波長(325 nm)作為其測定波長。綠竹磨木木素質(zhì)量濃度與其在325 nm 處建立的標(biāo)準(zhǔn)曲線如圖2所示。從圖2可以看出,在325 nm處,綠竹磨木木素質(zhì)量濃度與其吸光度之間遵循朗伯-比爾定律,R2>0.99。因此,后續(xù)實(shí)驗(yàn)中甲酸預(yù)處理液中木素質(zhì)量濃度的測定基于此波長處的線性曲線。

圖1　木素及干擾物的紫外光譜圖

2.2甲酸預(yù)處理脫木素工藝的響應(yīng)面法優(yōu)化

圖2　綠竹磨木木素質(zhì)量濃度與其吸光度在325 nm處建立的標(biāo)準(zhǔn)曲線

對(duì)于甲酸預(yù)處理,甲酸含量(X1)、液比(X2)、最高溫度(X3)和保溫時(shí)間(X4)均可對(duì)木素溶出率產(chǎn)生影響。假設(shè)任意2個(gè)影響因素間均存在交互影響,則可根據(jù)全因素二次回歸方程對(duì)木素溶出率進(jìn)行擬合,擬合結(jié)果如表2所示。

經(jīng)最小二乘法擬合,二次回歸方程中4個(gè)自變量及其交互所形成復(fù)合因素的系數(shù)擬合如表3所示。擬合模型及其檢驗(yàn)如表4所示。對(duì)于擬合模型,其變異系數(shù)越低,表明實(shí)驗(yàn)的可信度和精確度越高[17]；信噪比是有效信號(hào)與噪聲的比值,其大于4.0視為合理。實(shí)驗(yàn)測得木素溶出率與模型預(yù)測值之間的關(guān)系如圖3所示。從表4和圖3可以看出,模型Ⅰ的變異系數(shù)和信噪比分別為9.37%和25.25,其實(shí)測值與預(yù)測值的相關(guān)系數(shù)(R2)高達(dá)0.94以上,表明該預(yù)測模型不僅具有較高的可信度和精確度,其預(yù)測效果也較好。然而,模型Ⅰ中包含14個(gè)參數(shù),模型稍顯復(fù)雜。為簡化模型,還需對(duì)各參數(shù)的顯著性進(jìn)行判定。

表4　擬合模型及其檢驗(yàn)

表2　以木素溶出率為因變量的四因素五水平

根據(jù)上述各單一和復(fù)合參數(shù)顯著性的判定,模型Ⅰ的二次回歸方程可簡化為模型Ⅱ。相對(duì)于模型Ⅰ,盡管模型Ⅱ的變異系數(shù)增大了1個(gè)百分點(diǎn),但其模型參數(shù)從14個(gè)降至5個(gè),可顯著簡化模型,增強(qiáng)其應(yīng)用性。除變異系數(shù)外,模型Ⅱ的信噪比則從模型Ⅰ的25.25上升到31.13,進(jìn)一步增強(qiáng)了模型的穩(wěn)定性。對(duì)于預(yù)測的準(zhǔn)確性而言,模型Ⅱ所得預(yù)測值與實(shí)測值的相關(guān)系數(shù)(R2)也高于0.91。綜合可知,以單一和復(fù)合參數(shù)顯著性為判定依據(jù)來簡化二次回歸方程的方式具有可行性,所得簡化模型可較好地預(yù)測綠竹甲酸預(yù)處理過程中木素的溶出率。

表3　4個(gè)自變量及其交互影響的顯著性判定

注X0為二次方程的常數(shù)項(xiàng)；**表示存在顯著性。

2.3木素溶出率對(duì)纖維素酶水解轉(zhuǎn)化率和葡萄糖得率的影響

圖3　實(shí)驗(yàn)測得木素溶出率與模型預(yù)測值之間的關(guān)系

木素溶出率(RL)對(duì)綠竹纖維素酶水解轉(zhuǎn)化率(CEC)和葡萄糖得率(YG)的影響如表5所示。從表5可看出,當(dāng)纖維素酶和纖維二糖酶的用量分別為15 FPU/g和22.5 CBU/g時(shí),未經(jīng)甲酸預(yù)處理的綠竹纖維素酶解轉(zhuǎn)化率低于5%。隨木素溶出率的不斷提高,纖維素酶水解轉(zhuǎn)化率也隨之提高。經(jīng)曲線擬合可知,木素溶出率與纖維素酶水解轉(zhuǎn)化率之間呈指數(shù)關(guān)系,其擬合方程為CEC=96.7+93.0/e0.04RL,R2=0.998。由此可見,根據(jù)表4中的模型Ⅱ可預(yù)測綠竹甲酸預(yù)處理過程中木素的溶出率；基于此指數(shù)函數(shù),可進(jìn)一步預(yù)測固體基質(zhì)中纖維素的酶水解轉(zhuǎn)化率。

表5　木素溶出率對(duì)綠竹纖維素酶水解

從表5還可看出,隨木素溶出率的不斷提高,盡管固體基質(zhì)中纖維素酶水解轉(zhuǎn)化率不斷提高,綠竹中纖維素溶出率也隨之提高,但最終酶水解葡萄糖得率呈先升高后降低的變化趨勢。例如,當(dāng)木素溶出率從19.2%提高至50%左右時(shí),固體基質(zhì)中纖維素酶水解轉(zhuǎn)化率從56.2%提高到88.4%,纖維素溶出率也從5.8%提高到14.8%,但由于纖維素酶水解轉(zhuǎn)化率提高的速率大于纖維素溶出率提高的速率,最終葡萄糖得率從52.9%提高到75.3%；當(dāng)木素溶出率繼續(xù)升高,由于纖維素酶水解轉(zhuǎn)化率提高的速率低于纖維素溶出率提高的速率,最終葡萄糖得率從75.3%降至71.5%。從獲得更高的可發(fā)酵葡萄糖得率的角度來看,綠竹甲酸預(yù)處理過程中較優(yōu)的木素溶出率約為50%。

3結(jié)論

3.1影響綠竹甲酸預(yù)處理木素溶出率的因素主要包括甲酸含量、液比、最高溫度和保溫時(shí)間；采用Design-Expert統(tǒng)計(jì)軟件對(duì)這4個(gè)因素進(jìn)行四因素五水平的中心復(fù)合設(shè)計(jì),可獲得用于預(yù)測木素溶出率的全因素二項(xiàng)式方程(模型Ⅰ),該模型含有14個(gè)參數(shù)。

3.2以參數(shù)的顯著性為判定依據(jù),去掉對(duì)木素溶出率無顯著影響的參數(shù)后,全因素二項(xiàng)式方程可精簡為僅含5個(gè)參數(shù)的簡化二項(xiàng)式方程(模型Ⅱ)。模型Ⅱ所得預(yù)測值與實(shí)測值的相關(guān)系數(shù)高于0.91,信噪比比模型Ⅰ高近20%,表明簡化模型可較好地預(yù)測綠竹甲酸預(yù)處理過程中木素的溶出率,且其穩(wěn)定性也較高。

3.3固體基質(zhì)中纖維素酶水解轉(zhuǎn)化率隨木素溶出率的提高而提高,但當(dāng)木素溶出率高于50%以后,纖維素溶出率也隨之提高,最終酶水解葡萄糖得率呈先升高后降低的變化趨勢。為獲得更多的葡萄糖,較優(yōu)的木素溶出率約為50%。

參考文獻(xiàn)

[1]趙小玲. 生物質(zhì)精煉技術(shù)和生物質(zhì)能源創(chuàng)新[J]. 中國造紙, 2012, 31(12): 51.

[2]Himmel M E, Ding S Y, Johnson D K, et al. Biomass recalcitrance: engineering plants and enzymes for biofuels production[J]. Science, 2007, 315(5813): 804.

[3]段超, 馮文英, 張艷玲. 木質(zhì)生物質(zhì)精煉預(yù)處理技術(shù)研究進(jìn)展[J]. 中國造紙, 2013, 32(1): 59.

[4]羅小林. 木質(zhì)生物質(zhì)SPORL預(yù)處理后酶水解和固液共發(fā)酵及同步產(chǎn)納米纖維素的研究[D]. 廣州： 華南理工大學(xué), 2011.

[5]Liu J, Li M, Luo X L, et al. Effect of hot-water extraction (HWE) severity on bleached pulp based biorefinery performance of eucalyptus during the HWE-Kraft-ECF bleaching process[J]. Bioresource Technology, 2015, 181: 183.

[6]遲聰聰, 張?jiān)? 于建仁, 等. 桉木半纖維素預(yù)提取工藝的初步研究[J]. 中國造紙學(xué)報(bào), 2008, 23(3): 6.

[7]Li X P, Luo X L, Li K C, et al. Effects of SPORL and Dilute Acid Pretreatment on Substrate Morphology, Cell Physical and Chemical Wall Structures, and Subsequent Enzymatic Hydrolysis of Lodgepole Pine[J]. Applied Biochemistry and Biotechnology, 2012, 168(6): 1556.

[8]李洲, 王高升, 王霞, 等. 亞硫酸氫鹽在SPORL法預(yù)處理稻草中的作用[J]. 中國造紙學(xué)報(bào), 2014, 29(4): 1.

[9]Larsson S, Palmqvist E, Hahn-H?gerdal B, et al. The generation of fermentation inhibitors during dilute acid hydrolysis of softwood [J]. Enzyme and Microbial Technology, 1999, 24(3/4): 151.

[10]Liu J, Luo X L, Cao S L, et al. Effects of Lignin Removal on Substrate Enzymatic Hydrolysis of SPORL-high-pH Pretreated Bagasse [J]. BioResources, 2013, 8(3): 4533.

[11]鄭杰, 孫廣衛(wèi), 李海明, 等. 綠液預(yù)處理?xiàng)钅玖蛩猁}法蒸煮脫木素反應(yīng)歷程研究[J]. 中國造紙學(xué)報(bào), 2013, 28(4): 12.

[12]夏青, 田彥, 姚蘭, 等. 乙醇預(yù)處理前后玉米秸稈半纖維素的提取及性質(zhì)研究[J]. 中國造紙學(xué)報(bào), 2015, 30(2): 12.

[13]Yang B,Wyman C E. Pretreatment: the key to unlocking low-cost cellulosic ethanol[J]. Biofuels, Bioproducts and Biorefining, 2008, 2(1): 26.

[14]Argyropoulos D S, Sun Y, Palus E. Isolation of residual kraft lignin in high yield and purity[J]. Journal of Pulp and Paper Science, 2002, 28(2): 50.

[15]Luo X L, Zhu J Y. Effects of drying induced fiber hornification on enzymatic saccharification of lignocelluloses[J]. Enzyme and Microbial Technology, 2011, 48(1): 92.

[16]張翠, 柴欣生, 羅小林, 等. 紫外光譜法快速測定生物質(zhì)提取液中的糠醛和羥甲基糠醛[J]. 光譜學(xué)與光譜分析, 2010, 30(1): 247.

[17]Pan X J, Xie D, Yu R W, et al. Pretreatment of lodgepole pine killed by mountain pine beetle using the ethanol organosolv process: Fractionation and process optimization[J]. Industrial & Engineering Chemistry Research, 2007, 46(8): 2609.

(責(zé)任編輯：陳麗卿)

Optimizing Lignin Removal of Green Bamboo during Formic Acid Pretreatment

by Response Surface Methodology

TANG Xing-pingLIU JingLUO Xiao-lin*HUANG Liu-lianCHEN Li-hui

(CollegeofMaterialEngineering,FujianAgricultureandForestryUniversity,Fuzhou,FujianProvince, 350002)

(*E-mail: xluo53@163.com)

Abstract：Central composite design (four-factor and five-level)of four independent variables influencing lignin removal rate(formic acid charge X1, the ratio of liquor to solid X2, pretreatment maximum temperature X3and the pretreatment time at maximum temperature X4) during formic acid pretreatment of green bamboo was conducted by Design-expert software. Based on this design, a binomial equation with full factors (Model Ⅰ) was developed to predict lignin removal rate. By removing the parameters without influence on lignin removal, the amount of parameters in prediction model was reduced from 14 to 5 based on the significance of single and multi parameters. As a result, a simplified binomial equation was obtained (Model Ⅱ). The coefficient variations (C.V.) of these two prediction models were similar. In the two models, the square of coefficients (R2) of both measured lignin removal rate and prediction value were higher than 0.9. But the ratio of signal-to-noise (SNR) of the simplified equation was 20% higher, which indicating the effectiveness and stability of the simplified model for predicting lignin removal during formic acid pretreatment of green bamboo. The exponential relationship between lignin removal (RL) and cellulose enzymatic conversion (CEC) could be expressed as CEC=96.7+93.0/exp(0.04RL), where R2was about 0.998. With the increase of RL, the cellulose removal (RC) also increased, but enzymatic hydrolysis glucose yield (YG) increased initially then reduced. The optimal RLwas approximately 50%.

Keywords：formic acid pretreatment; response surface methodology; lignin removal rate; cellulose enzymatic hydrolysis; glucose yield

作者簡介：唐興平,男,1958年生；高級(jí)實(shí)驗(yàn)師；主要研究方向：生物質(zhì)精煉。

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(31300495)；教育部博士點(diǎn)基金項(xiàng)目(20123515120018) ；福建省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(2013J05041,2014J05028)；中國博士后科學(xué)基金項(xiàng)目(2015M571955) ；福建省教育廳科技計(jì)劃項(xiàng)目(JB13033)。

收稿日期：2015- 08- 09

中圖分類號(hào)：TS749+.3

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1000- 6842(2015)04- 0001- 06

*通信聯(lián)系人：羅小林,E-mail:xluo53@163.com。