劉俊紅，王福梅，趙彩霞，陸友云

（河南城建學(xué)院生命科學(xué)與工程學(xué)院，河南 平頂山467044）

隨著現(xiàn)代工業(yè)的快速發(fā)展，對(duì)優(yōu)質(zhì)能源的迅速增加。常規(guī)能源的有限性和對(duì)環(huán)境的危害性推動(dòng)了對(duì)新能源和可再生能源的研究。如何開(kāi)發(fā)出新的清潔的能源來(lái)打破傳統(tǒng)能源的主導(dǎo)地位，逐漸提高生物燃料的使用比例就成為各國(guó)政府、專家、學(xué)者共同關(guān)注的焦點(diǎn)問(wèn)題[1-2]。

生物乙醇是可再生能源產(chǎn)品之一，含淀粉和纖維素豐富的原料經(jīng)過(guò)降解后得到還原糖，以還原糖作為碳源進(jìn)行發(fā)酵生產(chǎn)即可制備生物乙醇。麩皮是小麥加工的剩余物，含有碳水化合物和纖維素，以此為原料進(jìn)行糖化和發(fā)酵工藝制備生物乙醇，有利于農(nóng)業(yè)剩余物的深加工，可有效緩解能源短缺的現(xiàn)狀，改善和保護(hù)生態(tài)環(huán)境，促進(jìn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展，具有較高的經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益和環(huán)境效益。

麩皮的利用主要集中在加工飼料蛋白、提取膳食纖維、分離麩皮多糖、生產(chǎn)丙酮、提取谷氨酸等方面[3]，利用麩皮進(jìn)行乙醇的生產(chǎn)研究甚少。本文選擇麩皮為研究對(duì)象，分析了稀鹽酸濃度、液固比、處理溫度、處理時(shí)間等與糖化率的關(guān)系，找出麩皮預(yù)處理的優(yōu)化工藝條件，為后續(xù)的酶解提高還原糖得率奠定基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 主要儀器

QE-100 屹立高速中藥粉碎機(jī):武義縣屹立工具有限公司；FA1004B 電子天平:上海越平科學(xué)儀器有限公司；HWS28 型電熱恒溫水浴鍋:上海一恒科學(xué)儀器有限公司；LDZX-75KBS 立式電熱壓力蒸汽滅菌器:上海申安醫(yī)療器械廠；T6 新世紀(jì)紫外可見(jiàn)分光光度計(jì):北京普新通用儀器有限公司；ZPFA5250 鼓風(fēng)干燥箱:菏澤市石油化工學(xué)校儀器設(shè)備廠；HC-3518 高速離心機(jī):安徽中科中佳科學(xué)儀器有限公司。

1.2 試驗(yàn)材料

麩皮，市購(gòu)。烘干后用粉碎機(jī)粉碎，過(guò)60 目篩子后密封保存，隨用隨取。干燥時(shí)使用鼓風(fēng)干燥箱，溫度設(shè)定為70 ℃，避免過(guò)高溫度。

1.3 主要試劑

DNS 試劑、不同濃度的稀鹽酸。

1.4 葡萄糖標(biāo)準(zhǔn)曲線的制作[4-5]

1）稱取適量葡萄糖粉末放在電熱鼓風(fēng)干燥箱中70 ℃干燥至恒重。然后，稱取0.1 g 干燥好的葡萄糖配制成1 mg/mL 的葡萄糖標(biāo)準(zhǔn)溶液。

2）按表1分別取葡萄糖標(biāo)準(zhǔn)溶液于試管中，用蒸餾水稀釋至2 mL，然后依次加入DNS 試劑各2 mL，混合充分。

3）將2）中各試管放在沸水浴中煮沸6 min～8 min，然后，取出并用自來(lái)水冷卻至室溫。

4）用紫外可見(jiàn)光分光光度計(jì)在550 nm 下測(cè)OD值，得出葡萄糖標(biāo)準(zhǔn)曲線。

表1 葡萄糖標(biāo)準(zhǔn)曲線的制作Table1 The process of standard curve of glucose

1.5 方法

1.5.1 實(shí)驗(yàn)方法

用稀鹽酸處理實(shí)驗(yàn)材料，并分析酸濃度、液固比、溫度、處理時(shí)間對(duì)預(yù)處理效果的影響。每組實(shí)驗(yàn)做三組平行，每個(gè)平行使用3 個(gè)錐形瓶，加入過(guò)60 目篩子的麩皮后加稀鹽酸，使之在不同條件下反應(yīng)。結(jié)束后將固液混合物轉(zhuǎn)移至離心管中，3 600 r/min 離心7 min[9]。離心結(jié)束后取上清液100 μL，適當(dāng)稀釋后測(cè)吸光值，并記下離心液的總體積，計(jì)算糖化率，比較不同條件下的處理效果。

1.5.2 分析方法

采用DNS 法進(jìn)行吸光值的測(cè)定。取離心后的上清液進(jìn)行一定比例稀釋后，取2 mL 稀釋液到小試管，將2 mL DNS 試劑加入小試管，充分混勻后沸水浴7 min，冷卻后測(cè)550 nm 下的吸光值，認(rèn)真記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)并進(jìn)行計(jì)算。

葡萄糖標(biāo)準(zhǔn)曲線：y=7.108 6x-0.096 5。式中：x 為葡萄糖濃度，（mg/mL）；y 為OD 值。

還原糖總量=還原糖（mg/mL）×0.9×稀釋倍數(shù)×水解液體積

2 結(jié)果與分析

2.1 稀鹽酸濃度對(duì)預(yù)處理效果的影響

用電子天平準(zhǔn)確稱取1.000 g 過(guò)60 目篩子的麩皮，放入錐形瓶中，隨后用移液管加入9 mL 稀鹽酸（濃度分別為0.5%、1.0%、1.5%、2.0%、2.5%），放入高壓蒸汽滅菌器，120 ℃處理1 h。將錐形瓶中的固液混合物轉(zhuǎn)移至離心管中離心。取上清液100 μL 入大試管中，加入9.9 mL 蒸餾水，充分混勻后取1 mL 于小試管中，再加入1 mL 蒸餾水稀釋（空白試管中加入2 mL 蒸餾水）。然后在所有小試管中加入2 mL DNS 試劑，充分混勻后沸水浴7 min。結(jié)束后將試管冷卻，用分光光度計(jì)測(cè)550 nm 下的吸光值。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖1。

圖1 稀鹽酸濃度對(duì)預(yù)處理效果的影響Fig.1 Effect of dilute hydrochloric acid on pre treatment

從圖1中可以看出: 稀鹽酸濃度低于1.0%時(shí)，糖化率隨著酸濃度的增加而顯著增大，1.5%的稀鹽酸處理麩皮時(shí)糖化率最大，之后又逐漸降低，而1.0%和1.5%的鹽酸處理原料得到的還原糖得率變化不顯著，考慮到環(huán)境因素的影響，選擇稀鹽酸濃度1.0%。

2.2 液固比對(duì)麩皮預(yù)處理效果的影響

本組實(shí)驗(yàn)的液固比分別取4、5、6、7、8、9 mL/g，其他步驟與2.1 相同，酸濃度取1.0%。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖2。

圖2 液固比對(duì)預(yù)處理效果的影響Fig.2 Effect of ratio of liquid to solid on pre treatment

從圖2中可以看出：麩皮在稀鹽酸濃度為1.0%,溫度為120 ℃，時(shí)間為1 h 的條件下，隨著液固比的增加，糖化率不斷增大，液固比為6 mL/g 時(shí)糖化率達(dá)到最大值，隨后下降?？梢?jiàn)，液固比為6 mL/g 時(shí)麩皮預(yù)處理效果最好。

2.3 溫度對(duì)麩皮預(yù)處理效果的影響

本組實(shí)驗(yàn)的溫度分別取80、90、100、110、120 ℃，其他步驟與2.1 相同，酸濃度1.0 %，液固比為6 mL/g。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖3。

圖3 溫度對(duì)預(yù)處理效果的影響Fig.3 Effect of temperature on pretreatment

從圖3中可以看出：麩皮在稀鹽酸濃度為1.0%,液固比為6 mL/g，時(shí)間為1 h 的條件下，溫度對(duì)糖化率的影響較為明顯。80 ℃時(shí)糖化率很低，溫度上升到90 ℃之前，糖化率的變化緩慢；在100 ℃到120 ℃之間，糖化率顯著上升，120 ℃達(dá)到最大值。理論上，溫度繼續(xù)上升，纖維素結(jié)構(gòu)被破壞的程度增大，糖化率可能更高，但考慮到實(shí)驗(yàn)條件和試驗(yàn)成本，最高溫度選擇120 ℃。

2.4 時(shí)間對(duì)麩皮預(yù)處理效果的影響

本組實(shí)驗(yàn)的處理時(shí)間分別取20、40、60、80、100 min，其他步驟與2.1 相同，酸濃度1.0%，液固比為6 mL/g，溫度取120 ℃。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖4。

圖4 時(shí)間對(duì)預(yù)處理效果的影響Fig.4 Effect of time on pre treatment

從圖4中可以看出：在稀鹽酸濃度為1.0%，溫度為120 ℃的條件下，隨處理時(shí)間的增加，糖化率也不斷增加，時(shí)間達(dá)到80 min 時(shí)，糖化率達(dá)到最高，26.18%。因此，80 min 為最適處理時(shí)間。

3 纖維素預(yù)處理優(yōu)化工藝條件研究

在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，選取稀鹽酸濃度、液固比、處理溫度與處理時(shí)間4 個(gè)因素、3 個(gè)水平進(jìn)行正交試驗(yàn)[6]。因素水平表和正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)分別見(jiàn)表2和表3。

表2 因素水平表Table2 Factors and levels

表3 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)結(jié)果[8]（L934）Table3 Orthogonal experimental design and results

表3中，稀鹽酸濃度的極差最大，為15.883，說(shuō)明該因素是預(yù)處理的最敏感因素，此因素的波動(dòng)會(huì)引起結(jié)果發(fā)生較大的變化；液固比是最不敏感因素，該因素的變動(dòng)不會(huì)引起結(jié)果顯著變化，因此可結(jié)合具體的情況，選擇適宜的液固比。

正交試驗(yàn)的結(jié)果顯示，最佳工藝組合為A3B1C3D2，即1.5%的鹽酸、液固比5 mL/g、120 ℃下預(yù)處理80 min，纖維素的糖化效果最好，糖化率達(dá)到33.56%。極差分析的結(jié)果顯示：最佳工藝組合為A3B1C3D3，經(jīng)對(duì)比試驗(yàn)，該條件下的糖化率為32.95%。因此，麩皮預(yù)處理的優(yōu)化工藝條件為A3B1C3D2。

[1] 吳創(chuàng)之,馬隆龍.生物質(zhì)能現(xiàn)代化利用技術(shù)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2003

[2] 衛(wèi)民,劉天成,蔣劍春．生物質(zhì)能源轉(zhuǎn)化技術(shù)與應(yīng)用(Ⅶ)[J]．生物質(zhì)化學(xué)工程,2008,42(3)：64-69

[3] 王旭峰,何計(jì)國(guó),陶純潔,等.小麥麩皮的功能成分及加工利用現(xiàn)狀[J]．糧食與食品工業(yè)，2006(1):19-20

[4] 宋安東.生物質(zhì)(秸稈)纖維燃料乙醇生產(chǎn)工藝試驗(yàn)研究[D]．河南農(nóng)業(yè)大學(xué)博士論文,2003

[5] 安宏.纖維素水解制取燃料酒精的實(shí)驗(yàn)研究[D].浙江大學(xué)碩士論文,2005

[6] 王振宇,焦巖.超低溫微體化處理白樺木質(zhì)纖維素的糖化工藝研究[J].食品與發(fā)酵工業(yè)，2006,32（10）：74-76