超聲堿化改善玉米秸稈纖維結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計與分析

沈維政，屈騰宇，魏曉莉，穆英鑫

（東北農(nóng)業(yè)大學電氣與信息學院，哈爾濱150030）

我國玉米秸稈資源豐富，大部分被直接還田或者焚燒。玉米秸稈的大量燃燒造成了巨大的資源浪費，同時引起了嚴重的環(huán)境污染[1-3]。據(jù)統(tǒng)計，我國東北地區(qū)冬季霧霾主要源于秸稈的直接燃燒[4]。近年來，隨著畜禽數(shù)量的逐年遞增，畜禽與人爭糧問題已受到廣泛關(guān)注[5]。利用玉米秸稈制作飼料不僅緩解了人畜爭糧問題，還極大地減輕了環(huán)境污染[6]?，F(xiàn)今，許多國家已把秸稈作為牛、羊等反芻動物的飼料資源[7]。玉米秸稈含有大量不易消化的纖維素和木質(zhì)素，消化率和利用率較低，畜禽很難有效利用[8]。目前，畜牧生產(chǎn)中常采用堿化法對秸稈進行預處理以便反芻動物消化，然而其消化率和利用率依然不高[9]。因此，研究開發(fā)秸稈預處理新工藝，解決秸稈低能量、多纖維、難消化的營養(yǎng)特性問題，對充分發(fā)揮秸稈潛在營養(yǎng)優(yōu)勢、解決人畜爭糧問題、推動低碳農(nóng)業(yè)發(fā)展意義重大[10]。

超聲降解作為一種新型降解技術(shù)，已在食品、化學、醫(yī)學等領(lǐng)域受到廣泛關(guān)注[11-13]。該技術(shù)能否聯(lián)合玉米秸稈堿化處理技術(shù)提高木質(zhì)素降解率和纖維素、半纖維素提取率仍有待研究。理論上，超聲波可作為驅(qū)動堿化的外加能量[14-15]，促進高分子多聚物的分解[16-18]?，F(xiàn)有的超聲波結(jié)合預處理秸稈制作粗飼料的技術(shù)研究多集中在預處理使用化學試劑的選擇上[19-21]，對超聲因素的考慮存在局限性及盲從性[22]。為探明在堿化反應體系下各超聲因素間的相互作用及最優(yōu)超聲控制參數(shù)，本文在前期堿化體系研究的基礎(chǔ)上，利用可優(yōu)化超聲參數(shù)的試驗裝置，采用4因素5水平響應面試驗設(shè)計方法，通過超聲功率、超聲時間、液固比與容器內(nèi)聲功率密度等超聲因素對堿化玉米秸稈營養(yǎng)結(jié)構(gòu)影響規(guī)律的研究，建立目標值的響應面模型，實現(xiàn)不同參數(shù)的優(yōu)化組合，并驗證優(yōu)化結(jié)果的可靠性，以期為超聲堿化玉米秸稈技術(shù)研究提供新思路。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

選取東北農(nóng)業(yè)大學試驗基地的優(yōu)質(zhì)黃干秸稈，將收獲后的秸稈切割成2～3 cm長，進行堿化處理。經(jīng)測量，堿化玉米秸稈含木質(zhì)素0.53%，纖維素31.62%，半纖維素19.85%。

1.2 試驗裝置

超聲波發(fā)生器：SJ1A-150W型細胞粉碎機，浙江省寧波市鄞州雙嘉儀器有限公司生產(chǎn)，工作頻率范圍為20～25 kHz，自動頻率跟蹤，功率為0～150 W可調(diào)，可選變幅桿直徑為2、3、6、8 mm。纖維素分析儀：ANKOM-A200i型半自動纖維素分析儀，使用電壓為220～240 V，電流頻率為50～60 Hz，處理溫度范圍為室溫～100℃，可測纖維素范圍為0%～100%。

1.3 試驗方法

1.3.1 超聲波處理

取過100目篩的秸稈粉末在水浴條件下進行超聲波處理。超聲功率分別為60、75、90、105、120 W，超聲時間分別為5、10、15、20、25 min，液固比分別為5∶1、10∶1、15∶1、20∶1、25∶1，容器內(nèi)聲功率密度分別為1.2、1.5、1.8、2.1、2.4 W/mL。處理完成后烘干，保證嚴格密封和良好的厭氧環(huán)境，置于室溫下進行預處理，試驗結(jié)束后測定秸稈木質(zhì)素、纖維素和半纖維素含量。

1.3.2 纖維素、半纖維素及木質(zhì)素含量測定

采用范氏纖維法測定中性洗滌纖維（neutral detergent fiber,NDF）含量和酸性洗滌纖維（acid detergent fiber,ADF）含量[23]。

粗纖維素含量為ADF經(jīng)72%硫酸消化后的殘渣質(zhì)量；半纖維素含量為NDF與ADF含量之差；木質(zhì)素含量為經(jīng)72%硫酸消化ADF后的殘渣灰化過程中逸出部分的質(zhì)量。

1.4 試驗設(shè)計

因考察因素和水平較多，各因素之間可能有交互關(guān)聯(lián)，為得到最佳超聲條件參數(shù)，利用響應面中心組合設(shè)計法進行優(yōu)化[24]。采用超聲功率、超聲時間、液固比和容器內(nèi)聲功率密度4個因素，每個因素選取5個水平，對秸稈制作粗飼料評定的3個指標（木質(zhì)素、纖維素、半纖維素）進行4因素5水平共31組響應面試驗設(shè)計（表1）。

表1 響應面試驗因素和水平Table 1 Factors and levels of response surface design

1.5 數(shù)據(jù)分析與處理

利用Design Expert 8.0.6軟件對試驗結(jié)果進行數(shù)據(jù)處理與優(yōu)化分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 試驗方案與結(jié)果

根據(jù)中心組合設(shè)計法進行4因素5水平響應面分析試驗方案設(shè)計，安排31次試驗進行最佳超聲參數(shù)優(yōu)化。以超聲功率、超聲時間、液固比和容器內(nèi)聲功率密度4個影響因素作為自變量，分別用X1、X2、X3、X4表示，玉米秸稈制作粗飼料評定指標采用木質(zhì)素、纖維素和半纖維素。響應面試驗設(shè)計方案和結(jié)果如表2所示。

2.2 響應面優(yōu)化法分析

利用Design Expert 8.0.6軟件對31組試驗數(shù)據(jù)進行分析，通過多元回歸擬合分析主要超聲因素對玉米秸稈飼料纖維素結(jié)構(gòu)的響應規(guī)律，建立木質(zhì)素、纖維素及半纖維素含量與超聲功率X1、超聲時間X2、液固比X3及容器內(nèi)聲功率密度X4的二次回歸模型。

根據(jù)表3中回歸方程顯著性分析可知：木質(zhì)素含量與各參數(shù)回歸方程的關(guān)系顯著（P＜0.05），其中模型二次項對木質(zhì)素含量影響極顯著，、對木質(zhì)素含量影響顯著。保留P＜0.05所有對木質(zhì)素含量影響項，可得二次多項式回歸方程，即公式（1）。

由F值可知，各超聲因素對木質(zhì)素含量的因子貢獻率表現(xiàn)為：超聲功率=超聲時間＞液固比＞容器內(nèi)聲功率密度。

纖維素含量與各參數(shù)回歸方程的關(guān)系極顯著（P＜0.01），其中模型的一次項X1對纖維素含量影響極顯著，對纖維素含量影響極顯著，對纖維素含量影響顯著，交互項X2X4對纖維素含量影響顯著。保留P＜0.05所有對纖維素含量影響項，剔除不顯著部分可得二次多項式回歸方程，即公式（2）。

由F值可知，各超聲因素對纖維素含量的因子貢獻率表現(xiàn)為：超聲功率＞超聲時間＞液固比＞容器內(nèi)聲功率密度。

半纖維素含量與各參數(shù)回歸方程的關(guān)系極顯著（P＜0.01），其中模型的一次項X1和二次項對半纖維素含量影響極顯著。保留P＜0.05所有對半纖維素含量影響項，可得二次多項式回歸方程，即公式（3）。

由F值可知，各超聲因素對半纖維素含量的因子貢獻率表現(xiàn)為：超聲功率＞超聲時間＞容器內(nèi)聲功率密度＞液固比。

各模型優(yōu)化后，木質(zhì)素含量、纖維素含量、半纖維素含量的決定系數(shù)分別為0.69、0.79、0.73，說明各模型可以較好地解釋響應值變化，且預測值與實際值之間具有較高相關(guān)性。試驗誤差較小，說明可以使用該模型對各響應值進行分析和預測。

2.3 玉米秸稈飼料纖維結(jié)構(gòu)的響應面分析

2.3.1 各因素對堿化玉米秸稈木質(zhì)素含量的影響

由回歸方程顯著性分析可知，超聲功率與超聲時間對木質(zhì)素含量影響顯著。如圖1所示，當液固比為15∶1和容器內(nèi)聲功率密度為1.8 W/mL

時，較長的超聲時間和適當?shù)某暪β视兄谀举|(zhì)素的去除。在超聲作用15～20 min、超聲功率90～105 W條件下，木質(zhì)素含量最低，木質(zhì)素去除效果較好。長時間大功率的超聲作用有助于木質(zhì)素的化學鍵斷裂[25]，同時，小分子質(zhì)量的化學物質(zhì)急劇揮發(fā)，產(chǎn)生壓力，促使木質(zhì)素纖維產(chǎn)生縫隙和孔洞[26-27]，促進木質(zhì)素降解。過長的超聲時間和過大的超聲功率并不能促使木質(zhì)素降解產(chǎn)生的較小顆粒繼續(xù)分解。

表2 試驗設(shè)計方案與響應值Table 2 Experiment design and results

表3 木質(zhì)素、纖維素和半纖維素含量回歸方程顯著性分析Table 3 Significance analysis of regression equation for lignin,cellulose and hemicellulose contents

圖1 超聲功率與超聲時間對木質(zhì)素含量的影響Fig.1 Effects of ultrasonic power and ultrasonic time on lignin content

2.3.2 各因素對堿化玉米秸稈纖維素含量的影響

由回歸方程顯著性可知，超聲功率和超聲時間對纖維素含量影響顯著。如圖2所示，在液固比15∶1和容器內(nèi)聲功率密度1.8 W/mL的情況下，較長的超聲時間和較高的超聲功率有利于纖維素的提取。纖維素含量隨超聲功率和時間的增加顯著上升。在超聲功率60～120 W、超聲時間5～25 min范圍內(nèi)，纖維素含量并未達到峰值。長時間大功率的超聲作用，引起較強的空化作用，使得包裹纖維素的木質(zhì)素大量破碎，致使纖維素大量釋放。在該超聲功率及時間范圍內(nèi)，隨著超聲波功率增加，媒介的空化效應增強[28]，加速了溶液流動，致使玉米秸稈受到超聲作用時間減少，從而導致纖維素降解率減少[29-30]。因此，超聲堿化作用有利于纖維素的提取。

2.3.3 各因素對堿化玉米秸稈半纖維素含量的影響

圖2 超聲功率與超聲時間對纖維素含量的影響Fig.2 Effects of ultrasonic power and ultrasonic time on cellulose content

依據(jù)表3模型顯著性分析結(jié)果可知，超聲功率對半纖維素含量的因子貢獻率最大。超聲功率和超聲時間對半纖維素含量的影響如圖3所示。在液固比為15∶1和容器內(nèi)聲功率密度為1.8 W/mL的情況下，半纖維素含量隨超聲功率的增加而增加。在超聲作用15～20 min、超聲功率95～110 W條件下，半纖維素含量最高。較長時間、較大功率的超聲作用有助于半纖維素的提取。隨著作用時間的增長和超聲功率的增加，超聲空化作用增強，促進木質(zhì)素降解和纖維素提取，以及半纖維素釋放，增強半纖維素提取作用。超過臨界值后，超聲時間繼續(xù)增長或超聲功率持續(xù)增強，半纖維素含量并不增加且微量減少。表明持續(xù)增強的空化作用導致半纖維素的分解作用增強，打破了半纖維素降解釋放平衡，從而導致半纖維素含量減少。

圖3 超聲功率與超聲時間對半纖維素含量的影響Fig.3 Effects of ultrasonic power and ultrasonic time on hemicellulose content

2.4 模型分析與驗證

利用Design Expert 8.0.6的優(yōu)化（Optimization）模塊進行工藝參數(shù)優(yōu)化，調(diào)節(jié)響應值的有效區(qū)間?？紤]畜禽纖維利用特點，即木質(zhì)素和纖維素含量最低、半纖維素含量較高時有利于玉米秸稈飼料纖維結(jié)構(gòu)優(yōu)化及畜禽對玉米秸稈飼料利用率的提高，對各參數(shù)進行優(yōu)化求解，得到各超聲因素的最優(yōu)工作參數(shù)為X1=99 W，X2=20 min，X3=7.8，X4=2.05 W/mL，此時，模型預測含木質(zhì)素0.48%，纖維素45.98%，半纖維素27.50%。分析整理各參數(shù)，并按超聲功率99 W、超聲時間20 min、液固比7.8∶1、容器內(nèi)聲功率密度2.05 W/mL配置各超聲參數(shù)進行驗證，試驗重復3次，驗證結(jié)果及誤差分析見表4。結(jié)果顯示，木質(zhì)素、纖維素及半纖維素含量的預測值與實際值的相對誤差分別小于13%、12%、14%。

表4 結(jié)果驗證及誤差分析Table 4 Verification results and error analysis

3 討論

目前研究表明，超聲空化效應是改善秸稈纖維結(jié)構(gòu)的主要作用機制[31-32]?；诔暡ǖ念l率特性對木質(zhì)素、纖維素和半纖維素成分進行選擇性作用[31]，超聲時間和超聲功率的交互作用對響應面模型具有顯著性影響。以“聲功率密度”表征超聲作用強度，建立以超聲功率、超聲時間、液固比及容器內(nèi)聲功率密度為優(yōu)化決策變量，以木質(zhì)素、纖維素及半纖維素含量作為響應值的多目標優(yōu)化模型，模型決定系數(shù)分別為0.69、0.79、0.73。表明響應面分析法所得模型可靠。顯著性分析表明，超聲功率、超聲時間對木質(zhì)素、纖維素和半纖維素含量的影響程度較強。在響應值有效范圍內(nèi)，最優(yōu)超聲參數(shù)為超聲功率99 W、超聲時間20 min、液固比7.8∶1、容器內(nèi)聲功率密度2.05 W/mL，在堿化基礎(chǔ)上進一步有效降低了玉米秸稈的木質(zhì)素含量，提高了玉米秸稈的可溶性纖維含量。木質(zhì)素、纖維素、半纖維素含量的響應面分析預測值與實際值相對誤差分別小于13%、12%、14%，說明根據(jù)模型采用響應面分析法得到的堿化玉米秸稈超聲處理優(yōu)化工藝準確可靠，具有應用價值，為其在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的開發(fā)利用提供了科學依據(jù)。

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