正交試驗(yàn)優(yōu)化柳葉氫氧化鈉預(yù)處理?xiàng)l件

崔茂金,李長(zhǎng)恭,祝勇,鄧月娥,劉玲歌

（河南科技學(xué)院,河南新鄉(xiāng)453003）

正交試驗(yàn)優(yōu)化柳葉氫氧化鈉預(yù)處理?xiàng)l件

崔茂金,李長(zhǎng)恭,祝勇,鄧月娥,劉玲歌

（河南科技學(xué)院,河南新鄉(xiāng)453003）

以粉碎干燥后的柳葉為底物,通過正交試驗(yàn)研究了溫度、時(shí)間、底物質(zhì)量濃度和氫氧化鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)4個(gè)因素對(duì)總還原糖的影響.結(jié)果表明：氫氧化鈉預(yù)處理?xiàng)l件的主次順序?yàn)闇囟?、氫氧化鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)、底物質(zhì)量濃度、時(shí)間；氫氧化鈉預(yù)處理柳葉的最佳條件為溫度100℃、氫氧化鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%、底物質(zhì)量濃度10 g/L、時(shí)間45 min,此時(shí)含總還原糖量最大為260.04 mg/g,這說明堿預(yù)處理對(duì)于提高柳葉的糖化率非常必要.

柳葉；堿預(yù)處理；總還原糖；正交試驗(yàn)；優(yōu)化

隨著社會(huì)和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,能源與環(huán)境問題已成為制約人類可持續(xù)發(fā)展的主要因素.農(nóng)林生物質(zhì)如小麥秸稈、水稻秸稈、樹葉是一類資源豐富、可再生的資源.生物質(zhì)資源的高效利用,不僅可以獲得清潔能源如乙醇和氫氣,而且可以減少因其焚燒或者丟棄造成的環(huán)境污染,因而可以取得一舉兩得的效果.農(nóng)林生物質(zhì)主要由纖維素、半纖維素和木質(zhì)素組成.纖維素是地球上儲(chǔ)量最豐富的有機(jī)化合物,它是由D-葡萄糖以β-1,4-糖苷鍵相連的多糖,具有較高的聚合度,分為結(jié)晶區(qū)和無定形區(qū).半纖維素是五碳糖和六碳糖采用無定形的方式聚合而形成的帶有支鏈的不均一的多糖,起到連結(jié)纖維素和木質(zhì)素的作用.木質(zhì)素主要是由三個(gè)單體-紫丁香基丙烷（S）、愈創(chuàng)木酚基丙烷（G）和對(duì)羥苯基丙烷（H）通過氧化組合耦合反應(yīng)而形成高聚物[1].這3種組分不是簡(jiǎn)單的物理混合,而是通過共價(jià)鍵和非共價(jià)鍵的相互作用而連接.纖維素被木質(zhì)素和半纖維素纏繞并包裹在周圍,使其很難與纖維素酶直接接觸[2].農(nóng)林生物質(zhì)這種復(fù)雜的結(jié)構(gòu)使其很難被直接通過發(fā)酵的方式轉(zhuǎn)化為清潔能源.因而,農(nóng)林生物質(zhì)制取清潔能源的主要問題是如何經(jīng)濟(jì)、有效地將生物質(zhì)中的纖維素通過預(yù)處理轉(zhuǎn)化成可發(fā)酵的糖.目前常用的預(yù)處理方法有生物預(yù)處理、物理預(yù)處理、化學(xué)預(yù)處理和物理-化學(xué)預(yù)處理,各種預(yù)處理方法都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)[3-4].

柳葉是一種常見的農(nóng)林生物質(zhì).本研究通過正交試驗(yàn)研究溫度、時(shí)間、底物質(zhì)量濃度和氫氧化鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)4個(gè)因素對(duì)柳葉堿預(yù)處理的影響.通過正交試驗(yàn)結(jié)果的極差和方差分析,得出影響柳葉堿預(yù)處理的主次因素和最佳預(yù)處理?xiàng)l件,為生物質(zhì)的高效利用提供理論依據(jù).

1 試驗(yàn)部分

1.1 原料、儀器和試劑

1.1.1 試驗(yàn)原料柳葉于河南省新鄉(xiāng)市河南科技學(xué)院內(nèi)秋天收集,選取無霉變的柳葉自然晾干,粉碎后在120℃下干燥3 h作為底物.

1.1.2 試驗(yàn)儀器主要試驗(yàn)儀器見表1.

1.1.3 試驗(yàn)試劑濃硫酸（分析純,鄭州派尼化學(xué)試劑廠）；氫氧化鈉（分析純,天津市瑞金特化學(xué)品有限公司）；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,天津市福晨化學(xué)試劑廠）；201甲基硅油（常州市江南常新有機(jī)硅有限公司）.

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 堿預(yù)處理稱取不同質(zhì)量的底物于圓底燒瓶中,分別加入不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的氫氧化鈉溶液,搖勻,放入恒溫?cái)嚢栌驮″佒?在不同的溫度下預(yù)處理不同的時(shí)間.反應(yīng)結(jié)束后稀釋一定的倍數(shù)測(cè)定吸光度.每組試驗(yàn)重復(fù)3次取平均值.

1.2.2 總還原糖濃度的測(cè)定總還原糖濃度的測(cè)定采用苯酚-濃硫酸法,以葡萄糖為標(biāo)準(zhǔn)樣品[5-6].

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

選取溫度、時(shí)間、底物質(zhì)量濃度和氫氧化鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為因素,每個(gè)因素下取5個(gè)水平,設(shè)計(jì)了四因素五水平正交試驗(yàn).正交試驗(yàn)的因素與水平如表2所示.

2 結(jié)果與分析

2.1 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果

四因素五水平正交試驗(yàn)的設(shè)計(jì)及結(jié)果如表3所示.

由表3可知,當(dāng)氫氧化鈉預(yù)處理柳葉條件為A2（溫度為100℃）,B3（時(shí)間為45min）,C4（底物質(zhì)量濃度為10g/L）,D5（氫氧化鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%）時(shí),含還原糖量最大為260.04mg/g,說明堿預(yù)處理可以提高柳葉的糖化率.

2.2 極差和方差分析

對(duì)柳葉的氫氧化鈉預(yù)處理的正交試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行極差和方差分析,如表4和表5所示.

由表4中的極差的大小可知,氫氧化鈉預(yù)處理對(duì)總還原糖影響的主次順序?yàn)槭菧囟取溲趸c質(zhì)量分?jǐn)?shù)、底物質(zhì)量濃度和時(shí)間.由表5中的F值可以看出各因素對(duì)總還原糖影響的主次順序?yàn)闇囟?、氫氧化鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)、底物質(zhì)量濃度和時(shí)間,這與極差分析結(jié)果是一致的.溫度和氫氧化鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)總還原糖的影響極顯著,底物質(zhì)量濃度影響顯著,時(shí)間影響不顯著.

本研究用氫氧化鈉對(duì)柳葉進(jìn)行預(yù)處理,與用鹽酸對(duì)柳葉預(yù)處理的試驗(yàn)結(jié)果不同[7],這是因?yàn)閴A預(yù)處理主要是降解生物質(zhì)中的半纖維素和木質(zhì)素[8],而酸預(yù)處理主要是降解生物質(zhì)中的半纖維素[9].本研究也與用氫氧化鈉對(duì)水稻秸稈預(yù)處理的實(shí)驗(yàn)結(jié)果不同[6],這是因?yàn)椴煌纳镔|(zhì)中的主要成分（纖維素、半纖維素和木質(zhì)素）含量和結(jié)合方式不同.

3 結(jié)論

本研究通過四因素五水平的正交試驗(yàn)研究了氫氧化鈉預(yù)處理對(duì)柳葉中總還原糖的影響,得出如下結(jié)論：正交試驗(yàn)的試驗(yàn)結(jié)果可以得出氫氧化鈉預(yù)處理柳葉的最佳條件為溫度為100℃、氫氧化鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%、底物質(zhì)量濃度為10 g/L、時(shí)間為45 min,此時(shí)含總還原糖量最大,為260.04 mg/g,這說明堿預(yù)處理可以提高柳葉的糖化率；正交試驗(yàn)的極差和方差分析可以得出氫氧化鈉預(yù)處理對(duì)總還原糖影響的主次順序?yàn)闇囟取溲趸c質(zhì)量分?jǐn)?shù)、底物質(zhì)量濃度和時(shí)間.溫度和氫氧化鈉濃度對(duì)總還原糖的影響極顯著,底物濃度影響顯著,時(shí)間影響不顯著.

[1]RALPH J,LUNDQUISTK,BRUNOWG,et al.Lignins：natural polymers fromoxidative couplingof4-hydroxyphenypropanoids[J]. PhytochemistryReview,2004,3：29-60.

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（責(zé)任編輯：盧奇）

Optimization of sodium hydroxide pretreatment conditions of willow leaves by orthogonal experiment

CUI Maojin,LI Changgong,ZHU Yong,DENG Yuee,LIU Lingge
（Henan Institute ofScience and Technology,Xinxiang453003,China）

In this paper,the effect of four factors which were temperature,time,substrate concentration and sodium hydroxide concentration on the total reducing sugar was studied by orthogonal experiment using dry and comminuted willow leaves as substrate.The results showed that the primary and secondary factors of sodium hydroxide pretreatment conditions were temperature,sodium hydroxide concentration,substrate concentration,time.The optimal sodium hydroxide pretreatment conditions of willow leaves were temperature of 100℃,sodium hydroxide concentration of 10%,substrate concentration of 10 g/L and time of 45 min.The maximum of total reducing sugar concentration was 260.04 mg/g at the optimal sodium hydroxide pretreatment conditions,indicating that alkali pretreatment is necessary to improve the saccharification rate of willow leaves.

willow leaves；alkali pretreatment；total reducing sugar；orthogonal experiment；optimization

X712

A

1008-7516（2016）05-0059-04

10.3969/j.issn.1008-7516.2016.05.012

2016-06-28

崔茂金（1980—）,男,山東臨沂人,博士,講師.主要從事農(nóng)林生物質(zhì)資源化的研究.