超聲波輔助磷鎢酸降解水稻秸稈的工藝

李靜 ，袁珍玉，呂佳佳 ，戴余軍*

1. 湖北工程學(xué)院，湖北省植物功能成分利用工程技術(shù)研究中心（孝感 432000）；2. 湖北工程學(xué)院特色果蔬質(zhì)量安全控制湖北省重點(diǎn)實(shí)驗室（孝感 432000）；3. 湖北大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院（武漢 430062）

中國是水稻種植大國，2016年中國的水稻秸稈產(chǎn)量約為2.28億 t[1]。隨著水稻種植面積的逐年遞增，水稻秸稈的產(chǎn)量也在逐年增加。水稻秸稈是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中的副產(chǎn)品，約占水稻質(zhì)量的70%～80%，其中，纖維素、半纖維素、木質(zhì)素的含量約占其秸稈質(zhì)量的60%～80%[2]。纖維素和半纖維素是生產(chǎn)葡萄糖、甘露糖、半乳糖和阿拉伯糖等還原糖的重要來源。由于纖維素和半纖維素獨(dú)特的理化性質(zhì)，使其在自然狀態(tài)下很難被降解，導(dǎo)致水稻秸稈利用率低，利用程度受到限制。目前，利用農(nóng)作物秸稈降解生產(chǎn)還原糖的研究多集中在酸、堿降解法和酶法降解方面[3-9]，利用超聲波輔助磷鎢酸降解水稻秸稈的方法鮮見報道。研究選用超聲波作為輔助提取手段，對磷鎢酸降解水稻秸稈的工藝進(jìn)行研究，以期提高水稻秸稈降解生產(chǎn)還原糖的效率，為實(shí)現(xiàn)變“草”為“糧”提供新的思路。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

水稻秸稈：選取孝感本地2018年10月秋收后水稻秸稈，清水洗凈，剪成約5 cm長短，放入烘箱中烘至恒重，經(jīng)粉碎機(jī)粉碎后，過40目篩保存?zhèn)溆谩?/p>

3, 5-二硝基水楊酸，化學(xué)純；磷鎢酸、葡萄糖、苯酚、氫氧化鈉、無水亞硫酸鈉、四水合酒石酸鉀鈉，分析純。

1.2 儀器與設(shè)備

BL1311057型萬能高速粉碎機(jī)，上海比朗儀器有限公司；DT5-2型低速臺式離心機(jī)，北京時代北利離心機(jī)儀器有限公司；LKTC-B1-T型恒溫水浴鍋，江蘇盛藍(lán)儀器制造有限公司；DL-480B型智能超聲波儀，海之信儀器有限公司；V5600型可見分光光度計，上海元析儀器有限公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 水稻秸稈降解工藝

稱取0.5 g秸稈粉末，以1∶15（g/mL）料液比加入6%磷鎢酸溶液，在60 ℃水浴鍋中水浴4 h，再利用超聲儀器在200 W下超聲20 min，離心，取上清液。

1.3.2 單因素試驗

1.3.2.1 超聲功率對水稻秸稈降解的影響

稱取0.5 g秸稈粉末，以1∶15（g/mL）料液比加入6%磷鎢酸溶液，在60 ℃水浴鍋中水浴4 h，超聲20 min的條件下，研究超聲功率分別100，150，200，250和300 W時，水稻秸稈還原糖的提取效果。

1.3.2.2 超聲時間對水稻秸稈降解的影響

稱取0.5 g秸稈粉末，以1∶15（g/mL）料液比加入6%磷鎢酸溶液，在60 ℃水浴鍋中水浴4 h，超聲功率200 W的條件下，研究超聲時間分別為20，40，60，80和100 min時，水稻秸稈還原糖的提取效果。

1.3.2.3 磷鎢酸濃度對水稻秸稈降解的影響

稱取0.5 g秸稈粉末，以1∶15（g/mL）料液比加入磷鎢酸溶液，在60 ℃水浴鍋中水浴4 h，超聲功率200 W的條件，研究加入磷鎢酸濃度分別為2%，4%，6%，8%和10%時，水稻秸稈還原糖的提取效果。

1.3.2.4 水浴溫度對水稻秸稈降解的影響

稱取0.5 g秸稈粉末，以1∶15（g/mL）料液比加入6%磷鎢酸溶液，在水浴鍋中水浴4 h，超聲功率200 W的條件下超聲20 min，研究水浴溫度分別為30，40，50，60和70 ℃時，水稻秸稈還原糖的提取效果。

1.3.2.5 水浴時間對水稻秸稈降解的影響

稱取0.5 g秸稈粉末，以1∶15（g/mL）料液比加入6%磷鎢酸溶液，在60 ℃水浴鍋中水浴，超聲功率200 W的條件下超聲20 min，研究水浴時間分別為2，4，6，8和10 h時，水稻秸稈還原糖的提取效果。

1.3.3 正交試驗優(yōu)化設(shè)計

在單因素試驗的基礎(chǔ)上選擇影響顯著的4個因素（超聲功率、磷鎢酸濃度、水浴溫度、水浴時間）進(jìn)行四因素三水平正交試驗。1.3.4 還原糖含量測定

表1 水稻秸稈降解正交試驗設(shè)計表

采用3, 5-二硝基水楊酸比色法測定還原糖含量。測得還原糖標(biāo)準(zhǔn)曲線方程為Y=1.123 3X-0.138 6，R2=0.995 6，線性關(guān)系良好。

還原糖產(chǎn)率計算公式為：

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素結(jié)果分析

2.1.1 超聲波功率對水稻秸稈降解的影響

由圖1可知，隨著超聲功率的增加，還原糖產(chǎn)率不斷增加，并在200 W時達(dá)到最大值為46.40%，繼續(xù)增加超聲功率，還原糖產(chǎn)率反而呈現(xiàn)下降趨勢。這是因為在超聲功率增加的初期，秸稈中的纖維素受到超聲波的空化作用被降解為還原糖，隨著超聲功率的提高，空化作用的能量隨之提高，使得空化泡的數(shù)量大大增加，有利于秸稈的降解。但是當(dāng)功率繼續(xù)增大時，空化泡過大無法瞬間崩滅，影響超聲波處理的效率，同時已被降解的還原糖進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為糖醛等低分子量物質(zhì)，因此還原糖含量反而逐漸降低，還原糖產(chǎn)率也因此減小。因此，在其他條件不變時，超聲波功率為200 W時為最佳。

圖1 超聲功率對水稻秸稈降解的影響

2.1.2 超聲時間對水稻秸稈降解的影響

由圖2可知，隨著超聲時間的延長，還原糖產(chǎn)率也呈現(xiàn)緩慢的增長趨勢，并在80 min時達(dá)到最大值為39.10%，繼續(xù)延長超聲時間還原糖產(chǎn)率出現(xiàn)下降現(xiàn)象。這是由于在超聲輔助處理初期，水稻秸稈受到空化作用被降解，隨著時間的延長，水稻秸稈已經(jīng)在最大程度上被降解，此時還原糖產(chǎn)率達(dá)到最大值。超聲時間的進(jìn)一步增加不能夠進(jìn)一步降解秸稈，同時降解所得的還原糖部分被分解為糖醛等物質(zhì)，因此還原糖含量反而降低，還原糖產(chǎn)率下降。因此在其他條件不變的情況下，超聲波時間選取80 min為最佳。

2.1.3 磷鎢酸濃度對水稻秸稈降解的影響

由圖3可知，隨著磷鎢酸濃度的增加，還原糖產(chǎn)率不斷增加，并在6%達(dá)到最大值為44.22%，繼續(xù)增加磷鎢酸濃度，還原糖產(chǎn)率降低。這是因為磷鎢酸濃度增加時會破壞纖維素的晶體結(jié)構(gòu)，會產(chǎn)生更多的還原糖，使得還原糖產(chǎn)率增加，但是隨著磷鎢酸濃度的持續(xù)增加導(dǎo)致溶液的pH發(fā)生變化，pH降低，還原糖會進(jìn)一步反應(yīng)生成其他物質(zhì)，使得還原糖產(chǎn)率降低。所以在其他條件不變的情況下，超聲波輔助磷鎢酸降解水稻秸稈時，磷鎢酸濃度應(yīng)選取6%為最佳。

圖3 磷鎢酸濃度對水稻秸稈降解的影響

2.1.4 水浴溫度對水稻秸稈降解的影響

由圖4可知，隨著水浴溫度的增加還原糖產(chǎn)率持續(xù)增加，在60 ℃時還原糖產(chǎn)率達(dá)到最大值為41.94%，進(jìn)一步升溫處理后還原糖產(chǎn)率下降。這是由于反應(yīng)溫度升高加速了水稻秸稈的降解，使得還原糖產(chǎn)率增加，但當(dāng)溫度過高時，還原糖會在高溫條件下發(fā)生碳化，還原糖含量反而減少，還原糖產(chǎn)率降低。因此，在其他條件不變的情況下，水浴溫度維持在60 ℃為最佳。

圖4 水浴溫度對水稻秸稈降解的影響

2.1.5 水浴時間對水稻秸稈降解的影響

由圖5可知，隨著水浴時間的增加，還原糖產(chǎn)率持續(xù)增加，水浴時間繼續(xù)增加，還原糖產(chǎn)率降低。這是因為隨著秸稈粉末與磷鎢酸彼此充分接觸，促進(jìn)了纖維素的降解，還原糖產(chǎn)率增加，但是浸泡時間過長反而會生成一些其他的副產(chǎn)物，還原糖產(chǎn)率會有所下降。因而，在其他條件不變的情況下，水浴時間取4 h為最佳。

圖5 水浴時間對水稻秸稈降解的影響

2.2 正交試驗結(jié)果

基于單因素試驗結(jié)果，選取超聲功率、磷鎢酸濃度、水浴溫度、水浴時間這4個因素為自變量，以還原糖產(chǎn)率為評價指標(biāo)，設(shè)計L9(34)因素表進(jìn)行試驗，結(jié)果見表2。由表2可知，超聲波輔助磷鎢酸降解水稻秸稈的影響程度為：水浴時間＞水浴溫度＞磷鎢酸濃度＞超聲波功率。超聲波輔助磷鎢酸降解水稻秸稈的最佳條件是A2B2C3D3，即超聲波功率為200 W，磷鎢酸濃度為4%，水浴溫度為70 ℃，水浴時間為6 h。在此條件下進(jìn)行驗證試驗，重復(fù)3次，平均還原糖產(chǎn)率達(dá)到49.54%。驗證試驗組還原糖產(chǎn)率明顯高于正交試驗中還原糖產(chǎn)率最高的一組，結(jié)果符合預(yù)期效果。

表2 水稻秸稈降解正交試驗結(jié)果分析表

由表3可知，超聲波功率、磷鎢酸濃度、水浴溫度、水浴時間這4個因素的p值都小于0.01，說明這4個因素對水稻秸稈的降解均有極顯著地影響。

表3 水稻秸稈降解正交試驗方差分析表

3 結(jié)論

研究旨在探究超聲波輔助磷鎢酸對水稻秸稈降解的影響，以最終的還原糖產(chǎn)率為評價指標(biāo)。在單因素試驗的基礎(chǔ)上設(shè)計正交試驗，并進(jìn)行極差分析和方差分析，得到影響效果從大到小為：水浴時間＞水浴溫度＞磷鎢酸濃度＞超聲波功率。且4個因素都有極顯著地影響還原糖產(chǎn)率。優(yōu)化所得最佳工藝條件是A2B2C3D3，即超聲波功率為200 W，磷鎢酸濃度為4%，水浴溫度為70 ℃，水浴時間為6 h時還原糖產(chǎn)率達(dá)到了最高的49.54%。此研究為水稻秸稈資源的再利用提供了良好的理論基礎(chǔ)，為降解水稻秸稈生產(chǎn)還原糖提供數(shù)據(jù)支持。