高溫預處理玉米秸稈條件的優化

趙 明，任樹安，史 杰，崔藝穎，王 亮，錢朋智

（齊齊哈爾大學食品與生物工程學院，黑龍江齊齊哈爾 161006）

我國是一個農業大國，各類農作物纖維資源十分豐富，僅秸稈一項就超過7×108t，其中玉米秸稈約2.2×108t[1]。玉米秸稈的化學組成及含量為纖維素37.3%，半纖維素20.6%，木質素17.5%，灰分6.1%，有機酸鹽2.0%，可溶出物13.0%，其他3.5%。秸稈中的半纖維素可制備葡萄糖、木糖、阿拉伯糖等高附加值產品。

玉米秸稈半纖維素的預處理非常必要。玉米秸桿中的氫鍵使很多纖維素、半纖維素、木質素分子共同組成結晶結構，進而組成復雜的微纖維、結晶區和無定形區等纖維素聚合物。而這種高度有序的結晶結構使纖維素聚合物顯示出剛性和高度水不溶性[2]，因此高效利用玉米秸稈半纖維素的關鍵在于破壞其結晶結構，所以必須經過預處理，使得纖維素、半纖維素、木質素分離開，切斷它們的氫鍵，破壞晶體結構，降低聚合度，使半纖維素結構松散，使后續的水解更容易進行。

玉米秸稈半纖維素的預處理方法選擇主要從提高效率、降低成本、縮短處理時間和簡化工序等方面考慮。理想的預處理應能滿足下列要求：戊糖較少降解；避免生成對后序處理有抑制的副產品；成本較低，經濟上合理；處理后的玉米秸稈半纖維素純度較高，可以制備相應的產品，實現其高附加值利用。

目前，預處理的方法主要有物理法（球磨法）、化學法（酸法、堿法等）、物理化學法（蒸汽爆破法、氨蒸汽爆破法）等[3]。研究證實這些預處理過程的費用占總成本的20%左右[4-5]，是制約木質纖維素功能糖醇工業化的最大障礙，因此開發一種高效率、低能耗、低成本的預處理方法是研究熱點。

試驗以農業廢棄物玉米秸稈為原料，在相對高的溫度下，考查不同的條件對預處理效果的影響，并優化其最佳預處理條件，為木質纖維素制備木糖阿拉伯糖等功能糖漿提供一定的理論基礎。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

1.1.1 試驗原料

玉米秸稈，采自齊齊哈爾市龍沙區朝鮮屯農家玉米地，經粉碎，過40目篩后，備用。

1.1.2 主要試劑

斐林試劑、超純水、葡萄糖。

1.1.3 主要設備

FW100型粉碎機，上海市楚定分析儀器有限公司產品；LDZX-75KBS型立式壓力蒸汽滅菌器，上海申安醫療器械有限公司產品；布氏漏斗裝置，蜀牛玻璃儀器有限公司產品；WYT（0～80%） 型手持折光計，成都泰華光學有限公司產品；CD-UPTL-I-40L型超純水器，成都越純科技有限公司產品；馬弗爐，上海博訊醫療生物儀器股份有限公司產品；分析天平，梅特勒-托利多國際貿易（上海） 有限公司產品。

1.2 試驗方法

1.2.1 試驗工藝路線

玉米秸稈→粉碎→過40目篩，取篩下物→測水分、纖維素含量（干基）、半纖維素含量（干基）、木質素含量（干基）、灰分含量（干基）→單因素多水平熱水預處理→抽濾→測預處理液體積、預處理液可溶性固形物含量、預處理液總還原糖得率（即秸稈總還原糖損失率）、殘渣的質量（干基）、殘渣灰分含量（干基）→計算經處理后玉米秸稈總還原糖損失率和灰分去除率→確定最優預處理條件。

1.2.2 單因素多水平熱水預處理方法

以影響高溫蒸煮預處理效果的主要因素（料液比、蒸煮時間、蒸煮溫度）設計試驗，研究不同的蒸煮條件對玉米秸稈總還原損失率和灰分去除率的影響，并確定適合的蒸煮條件。

1.2.3 分析方法

玉米秸稈中水分含量采用快速水分測定儀進行測定；玉米秸稈纖維素、半纖維素、木質素含量采用前人方法[6]；糖液折光濃度采用手持糖量計進行測定；預處理液中總還原糖含量采用斐林試劑法進行測定；秸稈灰分含量采用GB 5009.4—2010方法進行測定；玉米秸稈總還原糖損失率、玉米秸稈灰分去除率按公式（1），（2） 計算。

2 結果與分析

2.1 玉米秸稈主要成分測定結果

玉米秸稈檢測結果為水分含量11.66%，灰分含量7.73%（干基），纖維素含量30.7%，半纖維素含量27.4%，木質素含量14.6%。

2.2 不同蒸煮時間的蒸煮結果

選定蒸煮溫度118℃，按料液比1∶7添加去離子水，分別設定蒸煮時間為0.5，1.0，1.5 h進行試驗。每個處理稱取150 g玉米秸稈（干基），每個處理重復3次。

結果表明，蒸煮時間為0.5 h時預處理后秸稈總還原糖損失率為1.86%，預處理后秸稈灰分去除率為35.2%；蒸煮時間為1.0 h時預處理后秸稈總還原糖損失率為3.05%，預處理后秸稈灰分去除率為39.8%；蒸煮時間為1.5 h時預處理后秸稈總還原糖損失率為2.72%，預處理后秸稈灰分去除率為43.0%.

由結果可知，玉米秸稈總還原糖損失率隨著水解時間的延長先增大后減??；玉米秸稈灰分去除率隨著水解時間的延長而增大。蒸煮時間為1.5 h時預處理后秸稈總還原糖損失率，比蒸煮時間為1.0 h時預處理后秸稈總還原糖損失率小，可能是隨著蒸煮時間的延長，玉米秸稈中溶出的總還原糖轉化為糠醛、有機酸等物質，從而使總還原糖檢測結果偏低。

從玉米秸稈總還原糖損失率和灰分去除率綜合考慮，單因素法優化的最佳蒸煮時間為0.5 h。

選定蒸煮時間0.5 h，按料液比1∶7添加去離子水，分別設定蒸煮溫度為118，123，128℃進行試驗。每個處理稱取150 g玉米秸稈（干基），每個處理重復3次。

結果表明，蒸煮溫度為118℃時預處理后秸稈總還原糖損失率為1.86%，預處理后秸稈灰分去除率為35.2%；蒸煮溫度為123℃時預處理后秸稈總還原糖損失率為3.06%，預處理后秸稈灰分去除率為54.2%；蒸煮溫度為128℃時預處理后秸稈總還原糖損失率為5.23%，預處理后秸稈灰分去除率為57.9%。

由結果可知，玉米秸稈總還原糖損失率隨著水解溫度的升高而增大，玉米秸稈灰分去除率隨著水解溫度的升高而增大。

從玉米秸稈總還原糖損失率和灰分去除率綜合考慮，單因素法優化的最佳蒸煮溫度為118℃。

2.3 不同蒸煮溫度的蒸煮結果

2.4 不同料液比的蒸煮結果

選定蒸煮時間0.5 h，蒸煮溫度118℃，分別設定料液比為1∶5，1∶7，1∶9進行試驗。每個處理稱取150 g玉米秸稈（干基），每個處理重復3次。

結果表明，料液比為1∶5時預處理后秸稈總還原糖損失率為1.69%，預處理后秸稈灰分去除率為13.7%；料液比為1∶7時預處理后秸稈總還原糖損失率為1.86%，預處理后秸稈灰分去除率為35.2%；料液比為1∶9時預處理后秸稈總還原糖損失率為6.45%，預處理后秸稈灰分去除率為59.54%。

由結果可知，玉米秸稈總還原糖損失率隨著料液比的增大而增大，玉米秸稈灰分去除率隨著料液比的增大而增大。從玉米秸稈總還原糖損失率和灰分去除率綜合考慮，單因素法優化的最佳料液比為1∶7。

3 結論

試驗主要研究了以玉米秸稈為原料，高溫蒸煮預處理的工藝條件，通過單因素多水平法對玉米秸稈的高溫蒸煮預處理工藝進行了深入的研究。

試驗結果表明，最優化的熱預處理條件為蒸煮溫度118℃，按絕干料液比1∶7添加純水，蒸煮時間0.5 h，預處理后玉米秸稈的灰份去除率為35.2%，玉米秸稈總還原糖損失率為1.86%。

玉米秸稈生產木糖、阿拉伯糖等功能糖漿（醇）已成為熱門研究課題，預處理技術作為木質纖維轉化為功能糖的關鍵步驟，也成為科研工作者關注的焦點。傳統的化學處理、機械處理技術等耗能較多，且不同程度地存在環境污染；蒸汽爆破預處理過程中，木糖的溶出規律缺乏系統的研究，且對其能夠應用于工業化生產的研究還不夠深入；生物處理技術從成本和設備角度考慮，占有獨特的優勢，但處理效率較低，利用基因工程和傳統的生物技術對秸稈進行預處理，但酶活和酶成本急需解決。

試驗研究方法節約了大量的能耗，比參考文獻中的化學法和蒸汽爆破法更加經濟，玉米秸稈總還原糖損失率較低，灰分去除率較高，環保壓力大幅減小。當然，利用多種預處理方法相結合，開發更加高效、無污染且成本低的預處理手段，將是今后玉米秸稈預處理的發展趨勢。