超聲波結(jié)合堿性H₂O₂法提取甘蔗渣綜纖維素

雷聲波 黃斌良 黃燕菲 江朝明 吳華德 藍健益 楊齊

摘要：【目的】優(yōu)化堿性H2O2結(jié)合超聲波處理甘蔗渣的工藝，為甘蔗渣的進一步綜合利用提供技術(shù)支持?！痉椒ā坷脡A性H2O2配合超聲波對甘蔗渣進行處理，對影響處理后甘蔗渣中綜纖維素及木質(zhì)素含量的各因素進行單因素試驗和響應(yīng)面分析，確定最佳工藝條件。【結(jié)果】NaOH溶液質(zhì)量濃度、H2O2體積分數(shù)和超聲波處理時間3個因素，以及兩因素間的交互作用對處理后甘蔗渣中綜纖維素和木質(zhì)素比值（H/L）均有極顯著影響（P<0.01）；堿性H2O2結(jié)合超聲波處理甘蔗渣的最佳工藝條件：NaOH溶液質(zhì)量濃度4.9%、H2O2體積分數(shù)3.8%、超聲波處理時間2.1 h，在此條件下處理的甘蔗渣中H/L實際為10.01，與預(yù)測值（10.03）基本吻合，此時處理樣品中木質(zhì)素含量為9.03%、綜纖維素含量為90.57%?！窘Y(jié)論】響應(yīng)面法優(yōu)化的堿性H2O2結(jié)合超聲波處理工藝可有效脫除甘蔗渣中木質(zhì)素，較大程度保留綜纖維素，可為甘蔗渣的進一步加工利用提供技術(shù)參考。

關(guān)鍵詞： 超聲波；甘蔗渣；綜纖維素；脫木質(zhì)素

中圖分類號： S216.2；S566.109.9 文獻標志碼：A 文章編號：2095-1191（2018）02-0354-06

Abstract：【Objective】Sugarcane bagasse processing technique by utilizing alkaline-H2O2 combined with ultrasonic was optimized to provide reference for further utilization of sugarcane bagasse. 【Method】Alkaline-H2O2 was utilized together with ultrasonic to process bagasse， and the factors effecting the contents of holocellulose and lignin in treated bagasse were analyzed using single factor experiments and response surface method. The optimal process conditions were determined. 【Result】NaOH mass concentration，H2O2 volume fraction， ultrasonic action time， and interaction between every two factors had extremely significant influence（P<0.01） on ratio of holocellulose to lignin（H/L）in sugarcane bagasse. The optimal sugarcane bagasse processing technique by utilizing alkaline-H2O2 combined with ultrasonic was as follows：NaOH mass concentration 4.9%，H2O2 volume fraction 3.8%，ultrasonic action time 2.1 h. Under these conditions，the actual H/L in sugarcane bagasse was 10.01，coinciding with the predicted value（10.03）. The content of lignin and holocellulose were 9.03% and 90.57% respectively. 【Conclusion】The alkaline-H2O2 process combined with ultrasonic optimized by response surface method can effectively remove lignin and maintain holocellulose to the greatest extent. This method can provide technical support for further development and utilization of sugarcane bagasse.

Key words： ultrasonic； sugarcane bagasse； holocellulose； delignification

0 引言

【研究意義】廣西是我國甘蔗種植大省，甘蔗種植面積和蔗糖產(chǎn)量均居國內(nèi)第一，年產(chǎn)蔗糖約1000萬t，占全國蔗糖產(chǎn)量的60%以上。甘蔗渣是蔗糖生產(chǎn)中的副產(chǎn)物，每生產(chǎn)1 t蔗糖，即能產(chǎn)生2～3 t甘蔗渣，因此甘蔗渣資源化利用問題是研究人員關(guān)注的熱點之一。甘蔗渣中約含有25%的半纖維素、50%的纖維素及25%的木質(zhì)素，其中綜纖維素（半纖維素和纖維素）是很多高附加值產(chǎn)品如低聚木糖、燃料乙醇、纖維寡糖、膳食纖維等的原料來源（Pandey et al.，2000），但這3種成分結(jié)合緊密，難以對綜纖維素加以利用。因此，在進一步利用甘蔗渣之前，必須進行預(yù)處理（高月淑等，2016）?！厩叭搜芯窟M展】生物質(zhì)材料的預(yù)處理方法包括物理法、化學法和生物法。物理法包括粉碎、研磨及蒸汽爆破等；化學法是利用酸、堿、H2O2、臭氧等化學物質(zhì)對生物質(zhì)材料進行預(yù)處理；生物法預(yù)處理是通過能夠降解木質(zhì)素的微生物如白腐菌對生物質(zhì)材料進行預(yù)處理（Blanchette，1991；Singh et al.，2014）。在預(yù)處理過程中，通常是幾種方法結(jié)合使用，能得到更好的預(yù)處理效果。李春光等（2011a）采用NaOH配合亞氯酸鈉和醋酸處理玉米秸稈，其半纖維素脫除率可達92.82%，木質(zhì)素脫除率為64.32%；Vanderghem等（2012）研究甲酸/乙酸配合高溫處理奇崗，在107 ℃條件下處理3 h后，奇崗的木質(zhì)素脫除率可達86.6%；趙志剛等（2016b）研究了酸堿結(jié)合法對甘蔗渣的處理效果，發(fā)現(xiàn)先酸后堿的處理方法能較好地去除甘蔗渣中的木質(zhì)素，與單用酸或堿處理相比，更有利于后續(xù)的酶解過程。 【本研究切入點】雖然已有一些學者對甘蔗渣進行處理研究（李春光等，2011b；王淋靚等，2013），但主要目的是脫除木質(zhì)素和半纖維素，提取纖維素，對于利用堿性H2O2配合超聲波僅脫除木質(zhì)素，提取綜纖維素的研究目前尚無相關(guān)報道?！緮M解決的關(guān)鍵問題】利用堿性H2O2配合超聲波對甘蔗渣進行處理，并對影響處理后甘蔗渣中綜纖維素和木質(zhì)素含量的各因素進行響應(yīng)面分析，探索木質(zhì)素脫除率較高、綜纖維素保留較完全的處理工藝，為甘蔗渣的進一步綜合利用提供技術(shù)支持。

1 材料與方法

1. 1 試驗材料

甘蔗渣來自廣西農(nóng)墾集團良圻糖廠，經(jīng)沖洗、烘干、粉碎過80目篩后使用。試驗所用H2O2、NaOH和H2SO4均購自國藥集團化學試劑有限公司，為分析純。主要儀器設(shè)備：CBM-10A高效液相色譜（HPLC）系統(tǒng)（日本島津公司）、KQ-300VED超聲波清洗器（昆山市超聲儀器有限公司）、QXR800-30馬弗爐（上海黔通儀器科技有限公司）、DHG-9246A電熱恒溫干燥箱（上海精宏實驗設(shè)備有限公司）。

1. 2 甘蔗渣處理

取粉碎后的甘蔗渣10 g，浸入一定量的堿性H2O2中，在超聲波作用下處理一段時間后離心，取沉淀再次重懸、離心；最后取沉淀于50～60 ℃烘干至恒重，檢測處理后甘蔗渣中的綜纖維素和木質(zhì)素含量。

1. 3 單因素對甘蔗渣綜纖維素和木質(zhì)素含量的影響

1. 3. 1 H2O2體積分數(shù) 配制NaOH溶液質(zhì)量濃度2%、H2O2體積分數(shù)0～5%的堿性H2O2溶液100 mL，共5份，均加入10 g甘蔗渣，在超聲波頻率100 Hz的條件下處理1.0 h后，3500 r/min離心10 min，取固體烘干至恒重，檢測樣品的綜纖維素及木質(zhì)素含量。

1. 3. 2 NaOH溶液質(zhì)量濃度 配制NaOH溶液質(zhì)量濃度0～5%、H2O2體積分數(shù)2%的堿性H2O2溶液100 mL，共5份，均加入10 g甘蔗渣，在超聲波頻率100 Hz的條件下處理1.0 h后，3500 r/min離心10 min，取固體烘干至恒重，檢測樣品的綜纖維素及木質(zhì)素含量。

1. 3. 3 超聲波處理時間的影響 配制NaOH溶液質(zhì)量濃度2%、H2O2體積分數(shù)2%的堿性H2O2溶液100 mL，共5份，均加入10 g甘蔗渣，在超聲波頻率100 Hz的條件下分別處理甘蔗渣0～2.5 h，3500 r/min離心10 min后，取固體烘干至恒重，檢測樣品的綜纖維素及木質(zhì)素含量。

1. 4 響應(yīng)面試驗

在單因素試驗的基礎(chǔ)上，確定影響甘蔗渣處理的關(guān)鍵因素及各因素的最佳用量范圍，設(shè)計響應(yīng)面試驗。以綜纖維素和木質(zhì)素比值（H/L）為因變量，以NaOH溶液質(zhì)量濃度、H2O2體積分數(shù)和超聲波處理時間為自變量，因素水平編碼值見表1。

1. 5 甘蔗渣成分檢測

取300 mg樣品置于玻璃試管內(nèi)，加入3 mL 72% H2SO4，于30 ℃水浴1 h，每隔5～10 min用玻璃棒攪拌1次；水浴處理后將混合液倒入三角瓶中，加入84 mL去離子水，封口后于121 ℃蒸煮1 h。取110 ℃烘干至恒重的坩堝過濾器一只，記錄其重量W1；將混合液通過坩堝過濾器抽濾，濾液留用；用大量水將坩堝過濾器再次抽濾，然后烘干至恒重，記錄其重量W2；將坩堝過濾器置于馬弗爐中550 ℃處理8 h，記錄其重量W3。質(zhì)量差（W2-W3）即為其中酸不可溶木質(zhì)素質(zhì)量。取留用的坩堝過濾器濾液，320 nm時測定其吸光值OD320，計算可溶木質(zhì)素含量（Sluiter et al.，2008）。

將濾液用CaCO3固體調(diào)至中性后取上清液，用高效液相色譜法（HPLC）測定戊糖和己糖的峰面積，通過戊糖標準曲線y=17407x-1940[R2=0.998，x為戊糖質(zhì)量濃度（g/L），y為峰面積（μV?s）]和己糖標準曲線y=19352x-4646[R2=0.995，x為己糖質(zhì)量濃度（g/L），y為峰面積（μV?s）]，計算得出該成分質(zhì)量濃度，進而計算綜纖維素含量（Sluiter et al.，2008）。

1. 6 統(tǒng)計分析

每個試驗進行3次平行試驗，采用Design-Expert 8.0.6進行響應(yīng)面試驗設(shè)計及數(shù)據(jù)分析。

2 結(jié)果與分析

2. 1 H2O2體積分數(shù)對甘蔗渣綜纖維素和木質(zhì)素含量的影響

由圖1可知，經(jīng)超聲波處理后的樣品綜纖維素含量均高于未經(jīng)超聲波處理的樣品，而木質(zhì)素含量均低于未經(jīng)超聲波處理的樣品。與未添加H2O2的處理相比，經(jīng)H2O2體積分數(shù)為1%～5%堿溶液處理后的樣品綜纖維素含量略有提高，木質(zhì)素含量略有降低，但隨著H2O2體積分數(shù)的增加，各組樣品間的綜纖維素和木質(zhì)素含量未表現(xiàn)出明顯差異，可能與超聲波的存在加速了H2O2釋放有關(guān)。

2. 2 NaOH溶液質(zhì)量濃度對甘蔗渣綜纖維素和木質(zhì)素含量的影響

由圖2可知，隨著NaOH溶液質(zhì)量濃度的增加，經(jīng)超聲波處理和未經(jīng)超聲波處理的樣品綜纖維素含量均不斷升高，木質(zhì)素含量均不斷降低；且經(jīng)超聲波處理的樣品綜纖維素含量均高于未經(jīng)超聲波處理的樣品，木質(zhì)素含量均低于未經(jīng)超聲波處理的樣品。

2. 3 超聲波處理時間對甘蔗渣綜纖維素和木質(zhì)素含量的影響

由圖3可知，隨著超聲波處理時間的延長，樣品綜纖維素含量不斷上升，處理2.0 h時達峰值；而樣品內(nèi)木質(zhì)素含量不斷降低，處理2.0 h后趨于穩(wěn)定；經(jīng)超聲波處理的樣品綜纖維素含量均高于未經(jīng)超聲波處理的樣品，木質(zhì)素含量均低于未經(jīng)超聲波處理的樣品。

2. 4 響應(yīng)面結(jié)果分析

2. 4. 1 響應(yīng)面分析方案及結(jié)果 根據(jù)試驗結(jié)果（表2），建立數(shù)學模型為H/L=9.52+0.87A+0.15B+0.45C+0.43AB-0.32AC+0.21BC-0.61A2-0.37B2-0.73C2。

從表3可看出，試驗?zāi)Ｐ驼wP<0.0001，說明該方程模型極顯著。NaOH溶液質(zhì)量濃度、H2O2體積分數(shù)和超聲波處理時間對甘蔗渣處理后的H/L影響均為極顯著（P<0.01，下同）。失擬項為0.8468，相對純誤差而言影響不顯著（P>0.05，下同），說明該方程擬合情況良好。經(jīng)計算，決定系數(shù)R2為0.9986，說明99.86%的數(shù)據(jù)可用來解釋該模型；實際相關(guān)系數(shù)（Adj R2）為0.9970，與預(yù)測相關(guān)系數(shù)（Pred R2=0.9933）基本一致；模型的信噪比為81.04，遠高于4，說明該模型可用來預(yù)測響應(yīng)值?？傮w來說，模型的擬合度很好，試驗誤差較小，可用于對甘蔗渣處理工藝進行分析。

2. 4. 2 各因素的交互作用 根據(jù)所得的回歸方程繪制三維響應(yīng)曲面圖（圖4）。從圖4-A可看出，NaOH溶液質(zhì)量濃度和H2O2體積分數(shù)與處理后甘蔗渣的H/L呈正比，在設(shè)定的取值范圍內(nèi)，H/L隨NaOH溶液質(zhì)量濃度和H2O2體積分數(shù)的增加而增大；從圖4-B可看出， H2O2體積分數(shù)和超聲波處理時間與處理后甘蔗渣的H/L也呈正比，在設(shè)定的取值范圍內(nèi)，H/L隨H2O2體積分數(shù)的增加和超聲波處理時間的延長而增大；從圖4-C可看出，NaOH溶液質(zhì)量濃度和超聲波處理時間與處理后甘蔗渣的H/L也呈正比，在設(shè)定的取值范圍內(nèi)，隨著NaOH溶液質(zhì)量濃度的增加和超聲波處理時間的延長，H/L也增大。比較發(fā)現(xiàn)，H2O2體積分數(shù)形成的曲線不如NaOH溶液質(zhì)量濃度和超聲波處理時間形成的曲線陡峭，說明H2O2體積分數(shù)對處理后甘蔗渣H/L的影響小于另外兩個因素，但其影響均表現(xiàn)為極顯著。

2. 5 甘蔗渣處理工藝優(yōu)化

根據(jù)試驗結(jié)果，利用Design-Expert 8.0.6進行優(yōu)化，得到甘蔗渣處理最佳工藝條件：當NaOH溶液質(zhì)量濃度為4.93%、H2O2體積分數(shù)為3.8%、超聲波處理時間為2.11 h時，H/L達最大值（10.03）。為便于實際操作，將響應(yīng)面優(yōu)化方案調(diào)整為NaOH溶液質(zhì)量濃度4.9%、H2O2體積分數(shù)3.8%、超聲波處理時間2.1 h，進行驗證試驗，得到H/L實際結(jié)果為10.01，與優(yōu)化值基本吻合，此時處理樣品中木質(zhì)素含量為9.03%，綜纖維素含量為90.57%。

3 討論

H2O2作為一種常見的氧化劑，通常與堿結(jié)合用于生物質(zhì)材料的脫木質(zhì)素或提取纖維素（Suchy and Argyropoulos，2001）。本研究中，NaOH溶液質(zhì)量濃度、H2O2體積分數(shù)和超聲波處理時間對甘蔗渣處理結(jié)果影響極顯著。劉俊紅等（2016）利用H2O2和超聲波提取麩皮纖維素，結(jié)果表明，H2O2體積分數(shù)對纖維素提取率影響顯著，而超聲波處理時間的影響不顯著，本研究結(jié)果與其存在差異，可能與試驗材料不同有關(guān)；Ramadoss和Muthukumar（2016）研究超聲波、H2O2和金屬離子結(jié)合使用對甘蔗渣綜纖維素的提取和木質(zhì)素的脫除效果，結(jié)果發(fā)現(xiàn)隨著超聲波處理時間的延長和H2O2體積分數(shù)的增加，甘蔗渣綜纖維素提取率和木質(zhì)素脫除率也隨之增加，本研究結(jié)果與其基本一致。

超聲波能加強物理或化學處理方法與樣品之間的反應(yīng)，進而提高預(yù)處理效果（Subhedar and Gogate，2013）。本研究結(jié)果表明，經(jīng)超聲波處理的樣品木質(zhì)素含量明顯低于未經(jīng)超聲波處理的樣品，與王淋靚等（2013）研究發(fā)現(xiàn)超聲波輔助堿性H2O2處理后的甘蔗渣纖維素含量較無超聲波輔助處理的樣品含量提高8.69%的結(jié)果基本一致，即經(jīng)超聲波處理的樣品木質(zhì)素脫除效果較好。Subhedar和Gogate（2014）研究了堿結(jié)合超聲波對舊報紙回收再利用過程的處理效果，發(fā)現(xiàn)堿濃度對樣品脫木質(zhì)素影響較明顯，且超聲波存在時，木質(zhì)素脫除效果明顯高于未經(jīng)超聲波輔助處理的樣品，本研究結(jié)果與其相似。

在有關(guān)甘蔗渣預(yù)處理的研究報道中，研究者大多關(guān)注甘蔗渣纖維素提取，通過脫除盡可能多的木質(zhì)素和半纖維，提高纖維素含量。李春光等（2011b）研究了NaOH溶液、H2O2和NaClO溶液相結(jié)合脫除甘蔗渣木質(zhì)素與半纖維素的工藝條件，發(fā)現(xiàn)在最佳工藝條件下半纖維素脫除率為75.54%，木質(zhì)素脫除率為94.44%；趙志剛等（2016a）利用NaOH/H2O2去除甘蔗渣中木質(zhì)素和半纖維素，纖維素提取率在90.00%以上，且破壞了甘蔗渣的表面結(jié)構(gòu)，提高了后續(xù)纖維素酶的酶解效率。與前人研究相比，本研究側(cè)重于脫除木質(zhì)素，保留綜纖維素，雖然使用的工藝條件相對溫和，但是保留了較多的綜纖維素，同時使得處理后的甘蔗渣有更多加工的可能性和更廣的利用范圍。

4 結(jié)論

響應(yīng)面法優(yōu)化的堿性H2O2結(jié)合超聲波處理工藝可有效脫除甘蔗渣中木質(zhì)素，較大程度保留綜纖維素，可為甘蔗渣的進一步加工利用提供技術(shù)支持。

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（責任編輯 羅 麗）