酸法水解秸稈條件的優化

摘要：采用酸法水解秸稈，以水解液中還原糖含量為指標，設計單因素試驗考察水解劑、酸濃度、料液比、水解溫度和水解時間等因素對水解效果的影響，并在此基礎上采用正交試驗設計對水解條件進行優化。結果表明，以稀硫酸為水解劑水解效果好于乙酸和水。優化的水解條件為水解時間1.0 h、稀硫酸質量分數5%、料液比1∶15（m秸稈∶V稀硫酸，g/mL）、溫度120 ℃，該條件下水解液中還原糖含量為23.47 g/L?；钚蕴亢虲a（OH）2配合使用可以有效地對水解液進行脫色，脫色率達46%。

關鍵詞：秸稈；酸水解；還原糖；優化

中圖分類號：S216.2 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2012）23-5436-03

Optimization of Hydrolysis Conditions of Corn Stalk by Acid Method

LIU Ping1a，ZHANG Zhu1b，ZHONG Xiang2，BAO Wen-ju1a，WEN Shao-hong1a

（1a.College of Life Science， 1b. Wenjing College， Yantai University， Yantai 264005， Shandong， China；

2.Yantai Entry-Exit Inspection and Quarantine Bureau， Yantai 264000， Shandong， China）

Abstract： Corn stalk was hydrolyzed by acid method. Using the content of reducing sugar in hydrolysates as indicator， the effects of hydrolyzing solvent， concentration of acid， solid to liquid ratio， hydrolyzing temperature and time on hydrolyzing were studied by single factor tests， based on which orthogonal design was conducted to optimize the hydrolysis conditions. The result showed that sulfuric acid was better hydrolyzing solvent that water and acetic acid. The optimum hydrolyzing conditions were， hydrolyzing time， 1.0 h； mass fraction of sulfuric acid， 5%； solid to liquid ratio，1∶15（m∶V， g/mL）； and hydrolyzing temperature， 120 ℃. Under these conditions， the content of reducing sugar in hydrolysates could be 23.47 g/L. Activated carbon combining with Ca（OH）2 could decolorize the hydrolysates effectively as the decoloration rate reached up to 46%.

Key words： straw； acid hydrolysis； reducing sugar； optimization

中國每年會產生數億噸農作物秸稈，其價格低廉、分布廣泛，但目前的利用率極低，絕大多數被焚燒，這不僅是對資源的極大浪費，還會對生態環境造成嚴重破壞[1]。秸稈的主要成分為纖維、半纖維和木質素[2]，以其為原料，通過酸解或酶解法結合生物轉化法制備琥珀酸、乳酸、乙醇等代謝產物，既可避免環境污染，又可實現生物質能源的高效利用，帶來較大的經濟和社會效益[3]。

酸法水解是轉化秸稈常用的水解工藝，酸與秸稈原料反應，水解其中的纖維素和半纖維素，使其轉化為單糖，預處理后的原料中木質素含量不變，半纖維素含量很少，纖維素的含量和聚合度有一定下降[4]。而酸解后的秸稈水解液含有糖類、微量元素等營養成分，可以被一些微生物利用，用于生產2，3-二丁醇[5]、乙醇[6，7]、甘油三酯[8]等工業原料。

本研究利用稀酸水解秸稈，以水解液中的還原糖含量為指標，設置單因素試驗考察水解劑、酸濃度、料液比、水解溫度和水解時間等因素對秸稈水解的影響，并通過正交試驗優化水解條件，為秸稈資源的開發利用提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料

試驗用玉米秸稈采自煙臺郊區農田，干燥后粉碎至30目備用。

1.2 試驗方法

1.2.1 單因素試驗 將粉碎后的秸稈粉末與酸溶液按比例混合，加熱一定時間進行水解，采用3，5-二硝基水楊酸（DNS）法[9]測定水解液中還原糖含量。設置單因素試驗考察溶劑、酸濃度、料液比、水解溫度和水解時間對水解效果的影響。①水解溶劑。分別以水、4%的硫酸或4%的乙酸為溶劑，每克秸稈粉末中添加10 mL溶劑，即料液比為1∶10（m秸稈∶V溶劑，g/mL，下同），120 ℃水解60 min。②酸濃度。根據①的試驗結果，選擇適宜秸稈水解的水解劑，調節酸濃度分別為0.5%、1.0%、2.0%、3.0%、4.0%、5.0%（質量分數，下同），料液比1∶10、120 ℃水解60 min。③料液比。根據①和②優化的結果，分別按1∶5、1∶15、1∶20、1∶25、1∶30的料液比添加水解劑，120 ℃水解60 min。④水解溫度。按①～③優化的條件，分別在25、45、80、100、120 ℃水解60 min。⑤水解時間。按①～④優化的條件，分別水解15、25、40、60、100 min。

1.2.2 正交試驗 以水解液中還原糖含量為指標，設計L9（34）正交試驗考察水解時間、酸濃度、料液比和水解溫度對秸稈水解的影響，正交試驗因素與水平見表1。

1.2.3 水解液的脫毒脫色 秸稈水解過程中會產生部分有毒有色物質，水解后必須進行脫毒處理[10，11]。本試驗采用活性炭和Ca（OH）2脫色脫毒的方法，向水解液中添加適量的活性炭，過濾后添加Ca（OH）2與SO42-形成沉淀去除SO42-，采用可見光分光光度計測定脫色前后的吸光度A480 nm，計算脫色率[12]：

脫色率=■×100%

2 結果與分析

2.1 單因素試驗結果

2.1.1 水解劑對秸稈水解的影響 分別以水、4%的乙酸和4%的稀硫酸為水解劑對秸稈進行水解，水解液中的還原糖含量見圖1。從圖1可以看出，在其他條件相同時，4%的硫酸水解產生的還原糖含量最高，以水和4%的乙酸為水解劑，所得水解液中還原糖含量相差不大，且乙酸在水解過程中會由于溫度的升高而揮發，所以宜采用4%的硫酸為水解劑。

2.1.2 稀硫酸濃度對秸稈水解的影響 水解劑稀硫酸的濃度不同，水解液中還原糖的含量變化結果見圖2。從圖2可以看出，在試驗范圍內隨著稀硫酸濃度的升高，纖維素和半纖維素等物質的水解程度增大，水解液中還原糖的含量升高，但稀硫酸濃度高于4.0%時水解液的色澤加深，不利于后續處理。

2.1.3 料液比對秸稈水解的影響 采用4%的稀硫酸對秸稈進行水解，水解劑用量對秸稈水解液中還原糖含量的影響結果見圖3。料液比過高會導致多余的原料不能被充分水解，料液比較低時較大的料液接觸面積可以提高水解效率，但過多的水解劑會稀釋水解液，使還原糖含量降低，并導致生產成本的增加。由圖3可知，料液比為1∶15時水解液中還原糖含量最高。

2.1.4 水解溫度對秸稈水解的影響 秸稈在不同溫度下水解，所得水解液中還原糖的含量如圖4所示。從圖4可以看出，在試驗范圍內，隨著水解溫度的升高，水解液中的還原糖含量逐漸升高。溫度升高會加快纖維素、半纖維素結構的破壞，有利于秸稈的水解，但過高的溫度會導致原料以及水解得到的糖焦化，從而使還原糖的含量降低。

2.1.5 水解時間對秸稈水解的影響 水解液中還原糖含量隨水解時間的變化結果見圖5。由圖5可知，還原糖含量隨水解時間的延長先迅速升高，水解時間超過60 min時還原糖含量隨水解時間延長而升高的趨勢變得平緩，上升幅度變小。

2.2 正交試驗結果

正交試驗結果見表2。由極差分析可知，4個因素中水解溫度對水解液中還原糖含量的影響最大，其次是水解時間和硫酸濃度，料液比的影響最小。最佳試驗組合為A1B3C3D3，即水解時間1.0 h、稀硫酸濃度5%、料液比1∶15、溫度120 ℃，該條件下水解液中還原糖含量為23.47 g/L，高于其他試驗組合。

2.3 秸稈水解液的脫毒脫色處理

秸稈水解液在高溫酸性條件下容易產生有毒物質，此外水解液中殘留的酸使水解液pH偏小，不適于微生物的繁殖?；钚蕴烤哂形侥芰Γ梢晕剿庖褐械牟糠钟卸居猩镔|，Ca（OH）2可以有效地中和水解液中殘留的硫酸，同時去除糠醛和可溶性木質素。本研究采用Ca（OH）2配合活性炭對水解液進行脫毒脫色處理，水解液的脫色率為46%，脫色效果顯著。

3 小結與討論

通過單因素試驗發現稀硫酸是適合秸稈水解的水解劑，采用正交試驗進一步得到優化的水解條件為水解時間1.0 h、稀硫酸濃度5%、料液比1∶15、溫度120 ℃，在此條件下秸稈水解液中還原糖的含量為23.47 g/L。活性炭和Ca（OH）2配合使用可以有效地對水解液進行脫色，脫色率達46%。

參考文獻：

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（責任編輯 向 闈）