響應(yīng)面試驗(yàn)優(yōu)化微波-超聲協(xié)同輔助硫酸降解玉米秸稈工藝

李文杰，李洪飛，，3，王維浩，賈鵬禹，，康麗君，寇 芳，張莉莉，尹 婧，曹龍奎，，*（.黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)食品學(xué)院，黑龍江 大慶 6339；.國(guó)家雜糧工程技術(shù)研究中心，黑龍江 大慶 6339；3.大慶宏源分離技術(shù)研究所，黑龍江 大慶 6339）

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響應(yīng)面試驗(yàn)優(yōu)化微波-超聲協(xié)同輔助硫酸降解玉米秸稈工藝

李文杰1，李洪飛1，2，3，王維浩2，賈鵬禹1，2，康麗君1，寇 芳1，張莉莉1，尹 婧1，曹龍奎1，2，*
（1.黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)食品學(xué)院，黑龍江 大慶 163319；2.國(guó)家雜糧工程技術(shù)研究中心，黑龍江 大慶 163319；3.大慶宏源分離技術(shù)研究所，黑龍江 大慶 163319）

研究微波、超聲與微波-超聲3 種輔助硫酸降解玉米秸稈方法，并采用響應(yīng)面法對(duì)微波-超聲協(xié)同輔助硫酸降解玉米秸稈的工藝進(jìn)行優(yōu)化，建立還原糖得率的五元二次回歸數(shù)學(xué)模型，并進(jìn)行了模型的有效性分析、單因素效應(yīng)分析、邊際效應(yīng)分析及因素間的交互作用分析。最佳工藝條件為溫度82 ℃、時(shí)間153 min、硫酸體積分?jǐn)?shù)3.1%、料液比1∶45（g/mL）和微波功率634 W，在此條件下，還原糖得率最大值為41.24%，實(shí)際結(jié)果與模型預(yù)測(cè)值吻合度高，說(shuō)明該模型切實(shí)可行。與在溫度120 ℃、硫酸體積分?jǐn)?shù)3%、料液比1∶20（g/mL）、時(shí)間2 h條件下水解玉米秸稈還原糖得率相比，含量提高6.6%。并通過(guò)離子色譜分析得出阿拉伯糖含量為1.75%，半乳糖含量為0.44%，葡萄糖含量為15.65%，木糖含量為7.98%，果糖含量為15.34%，纖維二糖含量為0.09%。

玉米秸稈；微波；超聲波；還原糖；響應(yīng)面法；離子色譜

玉米秸稈是工、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)可回收利用的重要資源，并且含有豐富的營(yíng)養(yǎng)［1］，其主要含有纖維素、半纖維素和木質(zhì)素，還富含有機(jī)質(zhì)、氮、磷、鉀等元素［2］。纖維素、半纖維素通過(guò)化學(xué)法和生物法可獲得葡萄糖、木糖、阿拉伯糖、半乳糖和甘露糖等還原糖，可用于制取酒精、木糖醇、乳酸、糠醛等其他生物制品。由于纖維素、半纖維素和木質(zhì)素構(gòu)成了玉米秸稈的骨架，并且纖維素外層被半纖維層和木質(zhì)素層覆蓋，使玉米秸稈難以降解，回收利用率低。目前，玉米秸稈降解的方法主要有機(jī)械粉碎、酸處理、堿處理、蒸汽爆破、生物方法處理等。最常采用的方法是酸處理法，但是，酸處理對(duì)設(shè)備要求較高，需耐酸耐高溫高壓。近幾年，有研究采用微波［3-8］、超聲波［9-12］輔助酸、堿水解及酶解玉米秸稈，劉權(quán)等［13］采用微波-超聲聯(lián)合堿液降解蘆葦秸稈，結(jié)果表明，微波可使部分半纖維素、木質(zhì)素等物質(zhì)化學(xué)鍵斷裂，堿液預(yù)處理可破壞木質(zhì)素結(jié)構(gòu)。玉米秸稈通過(guò)吸波使得自身溫度升高［14］，更大程度地促進(jìn)纖維素中的糖苷鍵斷裂［15］，因而提高了還原糖的產(chǎn)量。微波、超聲波具有不限制物料尺寸、不需要載氣、熱解速度快、節(jié)省能源、易于控制、熱解產(chǎn)物利用率高等優(yōu)點(diǎn)［16］。但是，目前采用微波-超聲協(xié)同輔助硫酸降解玉米秸稈的方法鮮見(jiàn)報(bào)道。因此，本研究選用此方法降解玉米秸稈制備還原糖。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

玉米秸稈取自黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)試驗(yàn)田，將其清理干凈，烘干保存、備用。

葡萄糖、苯酚（均為分析純） 天津市致遠(yuǎn)化學(xué)試劑有限公司；3，5-二硝基水楊酸（化學(xué)純） 上海展云化學(xué)有限公司；硫酸（分析純） 沈陽(yáng)市華東試劑廠；氫氧化鈉（分析純） 天津市北辰方正試劑廠；酒石酸鉀鈉（分析純） 天津市福晨化學(xué)試劑廠；亞硫酸鈉（分析純） 天津市北聯(lián)精細(xì)化學(xué)品開(kāi)發(fā)有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

CW2000型微波-超聲萃取儀 上海新拓分析儀器科技有限公司；T6新世紀(jì)紫外-可見(jiàn)分光光度計(jì) 北京普析通用儀器有限責(zé)任公司；ICS3000多功能色譜系統(tǒng)戴安中國(guó)有限公司。

1.3 方法

1.3.1 玉米秸稈不同酸解方法比較

取玉米秸稈粉2.00 g，以3%硫酸為提取液，在料液比1∶30（g/mL）、時(shí)間30 min、溫度分別為55、60、65、70、75 ℃的條件下，考察微波（功率600 W）、超聲（功率50 W）、微波-超聲（功率600 W和50 W）3 種方式對(duì)玉米秸稈降解程度的影響。

1.3.2 單因素試驗(yàn)

1.3.2.1 硫酸體積分?jǐn)?shù)對(duì)玉米秸稈酸降解的影響

取玉米秸稈粉2.00 g，在溫度80 ℃、微波功率600 W、超聲功率50 W、時(shí)間30 min、料液比1∶60（g/mL）的條件下，研究硫酸體積分?jǐn)?shù)分別為1%、3%、5%、7%、9% 5 個(gè)水平時(shí)玉米秸稈還原糖提取效果。

1.3.2.2 溫度對(duì)玉米秸稈酸降解的影響

取玉米秸稈粉2.00 g，在料液比1∶60（g/mL）、硫酸體積分?jǐn)?shù)3%、微波功率600 W、超聲功率50 W、時(shí)間30 min的條件下，研究溫度分別為50、60、70、80、90 ℃ 5 個(gè)水平時(shí)玉米秸稈還原糖提取效果。

1.3.2.3 微波功率對(duì)玉米秸稈酸降解的影響

取玉米秸稈粉2.00 g，在料液比1∶60（g/mL）、硫酸體積分?jǐn)?shù)3%、溫度80 ℃、超聲功率50 W、時(shí)間30 min的條件下，研究微波功率分別為500、600、700、800、900 W 5 個(gè)水平時(shí)玉米秸稈還原糖提取效果。

1.3.2.4 料液比對(duì)玉米秸稈酸降解的影響

取玉米秸稈粉2.00 g，在微波功率600 W、溫度80 ℃、硫酸體積分?jǐn)?shù)3%、超聲功率50 W、時(shí)間30 min的條件下，研究料液比分別為1∶20、1∶40、1∶60、1∶80、1∶100 （g/mL）5 個(gè)水平時(shí)玉米秸稈還原糖提取效果。

1.3.2.5 時(shí)間對(duì)玉米秸稈酸降解的影響

取玉米秸稈粉2.00 g，在料液比1∶60（g/mL）、硫酸體積分?jǐn)?shù)3%、微波功率600 W、超聲功率50 W、溫度80 ℃的條件下，研究時(shí)間分別為30、60、90、120、150、180 min 5 個(gè)水平時(shí)玉米秸稈還原糖提取效果。

1.3.3 響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用中心組合試驗(yàn)設(shè)計(jì)，以還原糖得率為響應(yīng)值，根據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果，選擇硫酸體積分?jǐn)?shù)、溫度、時(shí)間、料液比及微波功率5 個(gè)因素進(jìn)行響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)，試驗(yàn)因素水平及編碼見(jiàn)表1。

表1 響應(yīng) 面試 驗(yàn)因 素水 平及 編碼Table 1 Levels of in dependentp rocessvariables used for resp on se surface an alysis

1.3.4 還原糖含量測(cè)定

采用3，5-二硝基水楊酸比色法測(cè)定還原糖含量。測(cè)得還原糖標(biāo)準(zhǔn)曲線方程：Y=0.776 4X-0.028 9，R2=0.999 1。

1.3.5 降解液組分分析

采用離子色譜法對(duì)最優(yōu)條件下玉米秸稈酸解液中還原糖的主要成分進(jìn)行分析，色譜柱為CarboPac PA20（3 mm×250 mm）；檢測(cè)器為脈沖安培檢測(cè)器；梯度淋洗條件：0～20 min：3 mmol/L NaOH；20～25 min：3～100 mmol/L NaOH；25～45 min：100 mmol/L NaOH-100 mmol/L NaOAc；45～55 min：100 mmol/L NaOH-100 mmol/L NaOAc；55.1～57.1 min：200 mmol/L NaOH；57.2～67 min：3 mmol/L NaOH。

2 結(jié)果與分析

2.1 微波、超聲與微波-超聲處理方式比較結(jié)果

圖1 超聲、微波與微波-超聲處理對(duì)還原糖得率的影響Fig.1 Effect of single and combined applications of microwave and ultrasound on reducing sugar yield

由圖1可知，3 種輔助方式中還原糖得率大小順序?yàn)椋何⒉?超聲＞微波＞超聲，這是因?yàn)槲⒉?超聲協(xié)同作用可以將微波致熱和非致熱效應(yīng)和超聲的空化、高速剪切攪拌等特點(diǎn)結(jié)合在一起［17-18］，超聲波的空化作用［19］可使玉米秸稈中的晶區(qū)產(chǎn)生缺陷，纖維分子斷裂。微波可使硫酸溶液強(qiáng)烈震動(dòng)，硫酸分子不斷沖撞纖維分子，使纖維分子中晶區(qū)不斷向非晶區(qū)轉(zhuǎn)變，促進(jìn)纖維水解［20］。此外，微波-超聲協(xié)同作用，可防止酸解液中局部過(guò)熱以及生成的還原糖分解［21］。

2.2 單因素試驗(yàn)結(jié)果

圖2 單因素試驗(yàn)結(jié)果Fig.2 Results of single-factor experiments

由圖2a可知，當(dāng)硫酸體積分?jǐn)?shù)為3%時(shí)，還原糖得率最高為35.56%。硫酸體積分?jǐn)?shù)過(guò)高時(shí)，會(huì)造成還原糖脫水分解，降低還原糖得率。體積分?jǐn)?shù)過(guò)低時(shí)，不足以破壞纖維素、半纖維素及木質(zhì)素的晶體結(jié)構(gòu)，所以，還原糖得率較低。因此，選硫酸體積分?jǐn)?shù)3%為響應(yīng)面試驗(yàn)的中心點(diǎn)。

由圖2b可知，還原糖得率隨溫度升高而增加，80 ℃時(shí)達(dá)到最大值35.85%；隨后開(kāi)始降低，這是由于隨著還原糖質(zhì)量濃度增大，還原糖的分解速率增大，溫度的升高對(duì)還原糖分解速率的影響遠(yuǎn)大于其對(duì)還原糖生成速率的影響，還原糖轉(zhuǎn)化為糠醛等化學(xué)物質(zhì)。因此，選溫度80 ℃為響應(yīng)面試驗(yàn)的中心點(diǎn)。

由圖2c可知，還原糖得率在微波功率600 W時(shí)有最大值為36.41%，隨后開(kāi)始下降，但是變化幅度不明顯。微波功率的增大，強(qiáng)大的內(nèi)壓及分子間的摩擦力使纖維素、木質(zhì)素、半纖維素結(jié)構(gòu)破裂，超聲波對(duì)纖維的沖擊和剪切作用，使還原糖溶解速度加快，提取率升高；微波功率過(guò)大，溫度較高，還原糖易被分解，從而使提取率下降。因此，選微波功率600 W為響應(yīng)面試驗(yàn)的中心點(diǎn)。

由圖2d可知，當(dāng)硫酸溶液用量少時(shí)，酸液不足以完全降解可提取的纖維素、半纖維素和木質(zhì)素，溶液達(dá)到飽和而無(wú)法進(jìn)一步溶解目的產(chǎn)物，還原糖得率?。划?dāng)料液比達(dá)到1∶60時(shí)，還原糖得率達(dá)到37.66%；隨著硫酸溶液用量的繼續(xù)增大，目的產(chǎn)物溶出接近最大值，所以還原糖得率增加幅度減緩。因此，選料液比1∶60為響應(yīng)面試驗(yàn)的中心點(diǎn)。

由圖2e可知，還原糖得率隨時(shí)間的延長(zhǎng)而增加，當(dāng)時(shí)間延長(zhǎng)至150 min時(shí)，還原糖得率最大為40.9%；隨時(shí)間繼續(xù)延長(zhǎng)，還原糖得率降低，這是由于酸水解反應(yīng)是一個(gè)連續(xù)的反應(yīng)，還原糖為反應(yīng)的中間產(chǎn)物，反應(yīng)初期還原糖的分解速率小于其生成速率，使還原糖得率隨時(shí)間增加不斷增大，但是隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，還原糖質(zhì)量濃度逐漸增大，還原糖的分解速率開(kāi)始大于其生成速率時(shí)，還原糖得率就會(huì)逐漸降低。因此，選時(shí)間150 min為響應(yīng)面試驗(yàn)的中心點(diǎn)。

2.3 響應(yīng)面試驗(yàn)結(jié)果

2.3.1 響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果

表2 響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果Table 2 Experimentald esign and results for resp on sesurface analysis

基于單因素試驗(yàn)結(jié)果確定的最佳條件，以溫度、時(shí)間、硫酸體積分?jǐn)?shù)、料液比、微波功率這5 個(gè)因素為自變量，以還原糖得率為響應(yīng)值，設(shè)計(jì)共32 個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)的五元二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)，試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果見(jiàn)表2。

2.3.2 回歸模型方差分析及顯著性檢驗(yàn)

采用Design-Expert 8.0.6統(tǒng)計(jì)軟件對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，二次回歸方程以及回歸方程各項(xiàng)的方差分析結(jié)果見(jiàn)表3，二次回歸參數(shù)模型數(shù)據(jù)如表4所示。

表3 回歸模型方差分析Table 3 Analysis of variance （ANOVA）f orquadratic resp on se surface model

由表3可知，模型的P＜0.01，差異極顯著，說(shuō)明回歸模型擬合度較好，試驗(yàn)誤差?。皇M項(xiàng)P=0.158 4＞0.05，差異不顯著，說(shuō)明殘差由隨機(jī)誤差引起；R2=0.964 3，擬合度＞90%，說(shuō)明模型能夠反映響應(yīng)值變化，可以用該模型對(duì)微波-超聲協(xié)同輔助硫酸降解玉米秸稈提高還原糖得率進(jìn)行分析和預(yù)測(cè)。

表4 回歸模型系數(shù)的顯著性檢驗(yàn)Table4 Regressi on coefficientsi nregressi on m odel and t heirs ignificance

由表4可知，模型的一次項(xiàng)X1、X3、X4、X5極顯著，X2顯著，二次項(xiàng)X、X、X、X極顯著，交互項(xiàng)X2X4、X3X4極顯著，X1X2、X1X3顯著。根據(jù)一次項(xiàng)回歸系數(shù)的絕對(duì)值大小，可以得出對(duì)還原糖得率影響大小順序?yàn)椋何⒉üβ剩緶囟龋玖蛩狍w積分?jǐn)?shù)＞料液比＞時(shí)間。以還原糖得率為Y值，得出五元二次回歸方程為：

2.3.3 單因素效應(yīng)分析

采用降維方法，將模型中5 個(gè)自變量中任意4 個(gè)因素固定在零水平，可以得到剩余的1 個(gè)因素與響應(yīng)值的關(guān)系，分別為式（2）～（6）。得到各因素的單因素效應(yīng)方程如下：

根據(jù)方程，用Excel軟件畫(huà)出如圖3所示的單因素效應(yīng)圖。

圖3 單因素效應(yīng)曲線Fig.3 Single-factor effect curves

由圖3可以看出，還原糖得率隨微波功率水平值的增加而逐漸增加，隨其他4 個(gè)因素的增加呈先升高后降低的趨勢(shì)。微波功率在水平值為2時(shí)，還原糖得率最大；在水平值-1～1范圍內(nèi)，溫度、時(shí)間、硫酸體積分?jǐn)?shù)及料液比均存在一個(gè)固定值，可使還原糖得率最大，當(dāng)溫度、時(shí)間、硫酸體積分?jǐn)?shù)及料液比水平低于該固定值時(shí)，這4 個(gè)因素與還原糖得率均呈正相關(guān)；當(dāng)溫度、時(shí)間、硫酸體積分?jǐn)?shù)及料液比水平高于該固定值時(shí)，這4 個(gè)因素與還原糖得率均呈負(fù)相關(guān)。

2.3.4 邊際效應(yīng)分析

將單因素方程對(duì)本身求一階導(dǎo)數(shù)，得到單因素的邊際效應(yīng)方程。單因素的邊際效應(yīng)反映還原糖得率Y值隨各因素水平而變化的速率。各因素的邊際效應(yīng)方程為：

根據(jù)方程用Excel制成邊際效應(yīng)曲線，如圖4所示。

圖4 單因素邊際效應(yīng)曲線Fig.4 Marginal effect of each factor

由圖4可知，當(dāng)溫度水平值小于0.440時(shí)，隨著溫度的升高，還原糖得率增加，但增加的速率逐漸降低；當(dāng)溫度水平值大于0.440時(shí)，隨著溫度的繼續(xù)升高，還原糖得率開(kāi)始下降，并且下降的速率開(kāi)始增大。時(shí)間的臨界水平值為0.388，硫酸體積分?jǐn)?shù)的臨界水平值為0.255，料液比的臨界水平值為-0.387，微波功率的臨界水平值為1.97，當(dāng)?shù)陀谶@4 個(gè)因素的臨界水平值時(shí)，隨著各因素的增加，還原糖得率增加，但增加的速率逐漸降低；當(dāng)高于這4 個(gè)因素的臨界水平值時(shí)，隨著各因素的繼續(xù)升高，還原糖得率開(kāi)始下降，并且下降的速率開(kāi)始增大。各因素水平編碼越大，邊際產(chǎn)量越低，由式（7）～（11）的決定系數(shù)（即斜率絕對(duì)值）可看出，還原糖得率增長(zhǎng)率變化程度為硫酸體積分?jǐn)?shù)＞溫度＞料液比＞時(shí)間＞微波功率。

2.3.5 交互效應(yīng)分析

采用降維分析方法，觀察在其他因素條件固定不變情況下，某兩個(gè)因素對(duì)對(duì)還原糖得率的影響。用Design-Expert軟件作出相應(yīng)的等高線圖及響應(yīng)面圖，對(duì)這些因素中交互項(xiàng)之間影響顯著的交互效應(yīng)進(jìn)行分析。

圖5 各因素交互作用對(duì)還原糖得率的影響Fig.5 Response surface and corresponding contour plots showing the effect of interaction of various factors on the yield of reducing sugar

由圖5a可知，溫度與時(shí)間對(duì)還原糖得率的交互影響呈拋物線形，等高線呈橢圓形，說(shuō)明溫度與時(shí)間的交互作用對(duì)還原糖得率影響顯著。由等高線變化趨勢(shì)可知，當(dāng)溫度低于80～84 ℃之間某固定值、時(shí)間低于150～160 min之間某固定值時(shí)，還原糖得率隨溫度與時(shí)間水平的增加而增大；當(dāng)溫度高于80～84 ℃之間某固定值、時(shí)間高于150～160 min之間某固定值時(shí)，還原糖得率隨溫度與時(shí)間水平的增加而減??；當(dāng)時(shí)間120 min、溫度74 ℃左右時(shí)，還原糖得率為35.996 2%；時(shí)間143 min、溫度70 ℃左右就可獲得同樣還原糖得率，說(shuō)明，延長(zhǎng)反應(yīng)時(shí)間可以降低酸解溫度，同時(shí)，提高酸解溫度可以縮短反應(yīng)時(shí)間。

由圖5b可知，溫度與硫酸體積分?jǐn)?shù)對(duì)還原糖得率的交互影響呈拋物線形，等高線呈橢圓形，說(shuō)明溫度與硫酸體積分?jǐn)?shù)的交互作用對(duì)還原糖得率影響顯著。當(dāng)溫度為80～84 ℃之間某固定值、硫酸體積分?jǐn)?shù)為3.0%～3.4%之間某固定值時(shí)，還原糖得率有最大值；低于此值時(shí)，還原糖得率隨溫度與硫酸體積分?jǐn)?shù)水平的增加而增大；高于此值時(shí)，還原糖得率隨溫度與硫酸體積分?jǐn)?shù)水平的增加而降低。

由圖5c可知，時(shí)間與料液比對(duì)還原糖得率的交互影響呈拋物線形，等高線呈橢圓形，說(shuō)明時(shí)間與料液比的交互作用對(duì)還原糖得率影響顯著。當(dāng)時(shí)間為150～160 min之間某固定值、料液比為1∶45～1∶55之間某固定值時(shí)，還原糖得率有最大值；低于此值時(shí)，還原糖得率隨時(shí)間與料液比水平的增加而增大；高于此值時(shí)，還原糖得率隨時(shí)間與料液比水平的增加而降低。

由圖5d可知，硫酸體積分?jǐn)?shù)與料液比對(duì)還原糖得率的交互影響呈拋物線形，等高線呈橢圓形，說(shuō)明硫酸體積分?jǐn)?shù)與料液比的交互作用對(duì)還原糖得率影響顯著。與料液比方向比較，硫酸體積分?jǐn)?shù)效應(yīng)面曲線較陡，硫酸體積分?jǐn)?shù)等高線密度高于沿料液比移動(dòng)的密度，說(shuō)明，對(duì)還原糖得率的影響硫酸體積分?jǐn)?shù)較料液比顯著。還原糖得率隨料液比與硫酸體積分?jǐn)?shù)水平的增加呈先增加后降低趨勢(shì)。

在微波-超聲的協(xié)同作用下，硫酸溶液中水分子汽化產(chǎn)生壓力沖破玉米秸稈細(xì)胞的細(xì)胞壁，細(xì)胞壁出現(xiàn)孔洞和裂痕，使硫酸分子與纖維分子接觸面積增大，酸液預(yù)處理可引起纖維素明顯膨脹，增加內(nèi)表面積，降低纖維素結(jié)晶性，使木質(zhì)素與碳水化合物間的結(jié)構(gòu)鏈分離，破壞木質(zhì)素結(jié)構(gòu)［22-23］。在反應(yīng)初始階段，硫酸降解發(fā)生在纖維素晶體表面，纖維素與半纖維素之間的氫鍵斷裂，半纖維素與木質(zhì)素之間的α-二芐醚鍵斷裂［24］，此時(shí)，提高水解溫度、延長(zhǎng)水解時(shí)間、增大微波功率、增加溶劑用量、增加硫酸體積分?jǐn)?shù)均有助于纖維素晶區(qū)向非晶區(qū)轉(zhuǎn)變，氫鍵與α-二芐醚鍵充分?jǐn)嗔?，使半纖維素分子可以溶解在硫酸溶液中，纖維素非晶區(qū)進(jìn)行水解反應(yīng)，提高還原糖得率。隨著反應(yīng)進(jìn)行，硫酸降解由纖維素晶體表面向晶體內(nèi)部轉(zhuǎn)移，纖維素晶體內(nèi)部氫鍵結(jié)合牢固，結(jié)構(gòu)緊密，硫酸分子難以進(jìn)入，并且晶區(qū)的溶脹速度開(kāi)始降低，并低于非晶區(qū)的水解速度，纖維素晶區(qū)的比例就會(huì)增大，而非晶區(qū)的水解反應(yīng)一直在進(jìn)行，當(dāng)非晶區(qū)的水解反應(yīng)逐漸完成，而晶區(qū)的溶脹不足以填補(bǔ)非晶區(qū)的水解反應(yīng)時(shí)，繼續(xù)提高水解溫度、延長(zhǎng)水解時(shí)間、增大微波功率、增加溶劑用量、增加硫酸體積分?jǐn)?shù)就會(huì)導(dǎo)致還原糖得率開(kāi)始下降，因?yàn)?，高溫、高濃度硫酸的條件下，葡萄糖、木糖等還原糖會(huì)發(fā)生分解，生成糠醛等物質(zhì)。

2.3.6 最佳工藝確定與驗(yàn)證

根據(jù)以上分析，通過(guò)Design-Expert軟件模擬尋得最佳工藝條件為溫度82.36 ℃、時(shí)間152.57 min、硫酸體積分?jǐn)?shù)3.14%、料液比1∶44.69、微波功率634.37 W，此條件下還原糖得率為41.29%。為了驗(yàn)證模型預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性，在溫度82 ℃、時(shí)間153 min、硫酸體積分?jǐn)?shù)3.1%、料液比1∶45及微波功率634 W的條件下進(jìn)行降解，做3 個(gè)平行樣，還原糖得率分別為41.15%、41.47%、41.09%，平均值為41.24%。實(shí)測(cè)值與預(yù)測(cè)值相近，相對(duì)誤差為0.12%，證明用響應(yīng)面法優(yōu)化微波-超聲協(xié)同輔助硫酸降解玉米秸稈制備還原糖的工藝條件是可行的。

2.4 玉米秸稈降解液中還原糖組分分析

圖6 離子色譜檢測(cè)譜圖Fig.6 Ion chromatograms of mixed solution of reducing sugar standards and corn straw hydrolysate

如圖6b所示，有6 個(gè)峰與圖6a中相對(duì)應(yīng)，分別是阿拉伯糖、半乳糖、葡萄糖、木糖、果糖及纖維二糖。說(shuō)明，玉米秸稈經(jīng)酸解產(chǎn)生以上6 種還原糖。

表5 降解液中還原糖組成成分及質(zhì)量濃度Table5 Thec on centrati on s of reduc in g sugars in thehydrolysatesoluti on

將降解液稀釋1 000 倍，測(cè)得降解液中還原糖組成成分及質(zhì)量濃度如表5所示，經(jīng)計(jì)算得出玉米秸稈經(jīng)硫酸降解出各成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)，阿拉伯糖含量為1.75%，半乳糖含量為0.44%，葡萄糖含量為15.65%，木糖含量為7.98%，果糖含量為15.34%，纖維二糖含量為0.09%。木糖、阿拉伯糖、纖維二糖經(jīng)濟(jì)效益較高，具有很大的開(kāi)發(fā)前景。降解液中未檢出半乳糖醛酸和葡萄糖醛酸，說(shuō)明葡萄糖與半乳糖在80 ℃左右時(shí)未被氧化，有利于后續(xù)各還原糖的分離。

3 結(jié) 論

本研究采用微波-超聲協(xié)同輔助硫酸降解玉米秸稈制備還原糖，并利用響應(yīng)面法對(duì)其工藝條件進(jìn)行了優(yōu)化，得出最佳工藝條件為溫度82 ℃、時(shí)間153 min、硫酸體積分?jǐn)?shù)3.1%、料液比1∶45和微波功率634 W，還原糖得率最大值為41.24%。與在溫度120 ℃、硫酸體積分?jǐn)?shù)3%、料液比1∶20、時(shí)間2 h條件下水解玉米秸稈還原糖得率相比提高6.6%；與微波預(yù)處理玉米秸稈［6］還原糖得率相比提高5.74%；與超聲波預(yù)處理玉米秸稈［25］還原糖得率相比提高5.44%。通過(guò)離子色譜檢測(cè)得出阿拉伯糖含量為1.75%，半乳糖含量為0.44%，葡萄糖含量為15.65%，木糖含量為7.98%，果糖含量為15.34%，纖維二糖含量為0.09%。本實(shí)驗(yàn)可在常壓條件下進(jìn)行，降低能耗，并降解出多種還原糖，因此，可為工廠化做進(jìn)一步研究。

參考文獻(xiàn)：

［1］ 閆景鳳， 劉立強(qiáng)， 宋煒.對(duì)北方玉米秸稈綜合利用現(xiàn)狀的思考［J］.現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技， 2015（8）: 219-220.DOI:10.3969/ j.issn.1007-5739.2015.08.143.

［2］ 劉宇， 史同瑞， 朱丹丹.玉米秸稈利用現(xiàn)狀及其生物發(fā)酵技術(shù)研究進(jìn)展［J］.中國(guó)畜牧雜志， 2014， 50（6）: 61-64.DOI:10.3969/ j.issn.0258-7033.2014.06.013.

［3］ 李紅艷， 張?jiān)鰪?qiáng)， 李榮華， 等.微波輔助酸預(yù)處理玉米秸稈水解條件研究［J］.環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)， 2009， 29（12）: 2557-2566.DOI:10.3321/ j.issn:0253-2468.2009.12.013.

［4］ 劉建飛， 曹妍， 楊茂華.微波輔助DMSO/AmimCl復(fù)合溶劑預(yù)處理玉米秸稈的酶解影響［J］.化學(xué)學(xué)報(bào)， 2012， 70（18）: 1950-1956.DOI:10.6023/A12050221.

［5］ 劉偉偉， 馬歡， 曹成茂， 等.太陽(yáng)能蒸汽爆破和微波預(yù)處理對(duì)玉米秸稈產(chǎn)沼氣的影響［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)， 2012， 28（22）: 227-234.DOI:10.3969/j.issn.1002-6819.2012.22.032.

［6］ 鄒安， 沈春銀， 趙玲， 等.微波預(yù)處理對(duì)玉米秸稈的組分提取及糖化的影響［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)， 2011， 27（12）: 269-274.DOI:10.3969/ j.issn.1002-6819.2011.12.051.

［7］ 馬小華， 張西亞， 袁紅.微波輔助預(yù)處理對(duì)玉米秸稈中纖維素含量的影響及響應(yīng)面優(yōu)化［J］.江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)， 2013， 41（10）: 228-230.DOI:10.3969/j.issn.1002-1302.2013.10.086.

［8］ 李靜， 楊紅霞， 楊勇， 等.微波強(qiáng)化酸預(yù)處理玉米秸稈乙醇化工藝研究［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)， 2007， 23（6）: 199-202.DOI:10.3321/j.issn: 1002-6819.2007.06.039.

［9］ 胡斌， 張亮亮， 胡青平.超聲波預(yù)處理玉米秸稈的條件優(yōu)化［J］.西北農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)， 2012， 21（2）: 153-156.DOI:10.3969/ j.issn.1004-1389.2012.02.031.

［10］ YANG Peizhou， JIANG Shaotong， PAN Lijun， et al.Effects of ultrasound/dilute H2SO4pretreatment on cellulase activity of corn straw liquid fermentation［J］.Agricultural Basic Science and Method，2009， 10（6）: 20-22.DOI:10.3969/j.issn.1009-4229-B.2009.06.007.

［11］ 辛聯(lián)慶， 陳娟.超聲波結(jié)合稀堿預(yù)處理玉米秸稈發(fā)酵的研究［J］.北京化工大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）， 2013， 40（2）: 65-69.DOI:10.3969/ j.issn.1671-4628.2013.02.012.

［12］ 劉長(zhǎng)虹， 吳樹(shù)新， 朱艷坤.玉米秸稈制備木糖工藝的研究［J］.中國(guó)資源綜合利用， 2009， 27（1）: 9-12.DOI:10.3969/ j.issn.1008-9500.2009.01.008.

［13］ 劉權(quán)， 王艷霞， 王翠， 等.微波·超聲和堿液預(yù)處理對(duì)蘆葦秸稈木質(zhì)素的降解效果［J］.安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)， 2011， 39（28）: 17423-17424.DOI:10.13989/j.cnki.0517-6611.2011.28.037.

［14］ 楊昌炎， 吳禎禎， 鄭冬潔， 等.玉米秸稈微波熱解研究［J］.武漢工程大學(xué)學(xué)報(bào)， 2011， 33（6）: 20-22.DOI:10.3969/ j.issn.1674-2869.2011.06.004.

［15］ 牟莉.微波輔助下木質(zhì)纖維素降解與溶解過(guò)程的研究［D］.長(zhǎng)春: 東北師范大學(xué)， 2012.

［16］ 趙希強(qiáng).農(nóng)作物秸稈微波熱解實(shí)驗(yàn)及機(jī)理研究［D］.濟(jì)南: 山東大學(xué)， 2010.

［17］ SHEN Xiaofang.Combining microwave and ultrasound for rapid synthesis of nanowires: a case study on Pb（OH）Br［J］.Journal of Chemical Technology and Biotechnology， 2009， 84（12）: 1811-1817.DOI:10.1002/jctb.2250.

［18］ FENG Huangdi， YING Xili， PENG Yanqing， et al.FeCl3-promoted synthesis of 1，3，4-thiadiazoles under combined microwave and ultrasound irradiation in water［J］.Monatshefte fur Chemie-Chemical Monthly， 2012， 144（5）: 681-686.DOI:10.1007/s00706-012-0846-x

［19］ 李松曄， 劉曉非， 莊旭品， 等.棉漿粕纖維素的超聲波處理［J］.應(yīng)用化學(xué)， 2003， 20（11）: 1030-1034.DOI:10.3969/ j.issn.1000-0518.2003.11.003.

［20］ 熊犍， 葉君， 梁文芷， 等.微波對(duì)纖維素Ⅰ超分子結(jié)構(gòu)的影響［J］.華南理工大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）， 2000， 28（3）: 84-89.DOI:10.3321/ j.issn:1000-565X.2000.03.016.

［21］ 彭松， 王紅娟， 彭峰.溫和條件下微波超聲協(xié)同作用對(duì)纖維素酸解的研究［J］.化工新型材料， 2009， 37（5）: 64-68.DOI:10.3969/ j.issn.1006-3536.2009.05.023.

［22］ 梁新紅， 嚴(yán)天柱， 劉鄰渭.預(yù)處理方法對(duì)作物秸稈生物轉(zhuǎn)化的影響［J］.山西食品工業(yè)， 2004（4）: 5-8.DOI:10.3969/ j.issn.1673-6044.2004.04.002.

［23］ SINGH A， TUTEJA S， SINGH N， et al.Enhanced saccharification of rice straw and hull by microwave-alkali pretreatment and lignocellulolytic enzyme production［J］.Bioresource Technology，2011， 102（2）: 1773-1782.DOI:10.1016/j.biortech.2010.08.113.

［24］ 鄒安， 沈春銀， 趙玲.玉米秸稈中半纖維素的微波-堿預(yù)提取工藝［J］.華東理工大學(xué)學(xué)報(bào)， 2010， 36（4）: 469-474.

［25］ 崔玲.超聲波與助劑強(qiáng)化玉米秸稈預(yù)處理與酶水解的研究［D］.南京: 南京林業(yè)大學(xué)， 2007.DOI:10.7666/d.y1111938.

Optimization of Microwave/Ultrasonic-Assisted Sulfuric Acid Hydrolysis of Corn Straw by Using Response Surface Methodology

LI Wenjie1， LI Hongfei1，2，3， WANG Weihao2， JIA Pengyu1，2， KANG Lijun1， KOU Fang1， ZHANG Lili1， YIN Jing1， CAO Longkui1，2，*
（1.College of Food Science， Heilongjiang Bayi Agricultural University， Daqing 163319， China； 2.National Coarse Cereals Engineering Research Center， Daqing 163319， China； 3.Daqing Hongyuan Institute of Separation Technology， Daqing 163319， China）

In this study， we evaluated and compared the effectiveness of single and combined applications of microwave and ultrasonic for enhancing the sulfuric acid hydrolysis of corn straw.It turned out that the combined use of microwave and microwave was superior to either alone.Further， we optimized the microwave/ultrasonic hydrolysis process by using onefactor-a-time method and response surface methodology.A quadratic regression model for predicting the yield of reducing sugar as a function of 5 independent variables was formulated and validated.The marginal effect of the independent variables studied and their interactions were tested.The optimal process conditions were obtained as follows: temperature， 82 ℃；reaction time， 153 min； sulfuric acid concentration， 3.1%； solid/liquid ratio， 1:45 （g/mL）； and microwave power， 634 W.Under these conditions， the maximum yield of reducing sugar of 41.24% was obtained experimentally， which was in good agreement with the model prediction， indicating that the model is feasible.A 6.6% increase was achieved as compared to that obtained under the conditions: reaction time for 2 h at 120 ℃， a sulfuric acid concentration of 3%， and a solid/liquid ratio of 1:20 （g/mL）. Ion chromatographic analysis revealed that the hydrolysate solution under the optimized conditions contained 1.75% arab sugar， 0.44% galactose， 15.65% glucose， 7.98% xylose， 15.34% fructose， and 0.09% cellobiose.

corn straw； microwave； ultrasound； reducing sugar； response surface methodology； ion chromatography

10.7506/spkx1002-6630-201614008

X712

A

1002-6630（2016）14-0043-08

李文杰， 李洪飛， 王維浩， 等.響應(yīng)面試驗(yàn)優(yōu)化微波-超聲協(xié)同輔助硫酸降解玉米秸稈工藝［J］.食品科學(xué)， 2016， 37（14）: 43-50.DOI:10.7506/spkx1002-6630-201614008. http://www.spkx.net.cn

LI Wenjie， LI Hongfei， WANG Weihao， et al.Optimization of microwave/ultrasonic-assisted sulfuric acid hydrolysis of corn straw by using response surface methodology［J］.Food Science， 2016， 37（14）: 43-50.（in Chinese with English abstract）

DOI:10.7506/spkx1002-6630-201614008. http://www.spkx.net.cn

2015-12-14

生物質(zhì)綜合利用生產(chǎn)產(chǎn)業(yè)化技術(shù)項(xiàng)目（2041020002）；黑龍江省科技攻關(guān)項(xiàng)目（GC13B602）

李文杰（1991—），女，碩士研究生，研究方向?yàn)樯镔|(zhì)能源開(kāi)發(fā)利用。E-mail：470513370@qq.com

*通信作者：曹龍奎（1965—），男，教授，博士研究生，研究方向?yàn)檗r(nóng)產(chǎn)品加工。E-mail：caolongkui2013@163.com