張 博， 劉慶玉， 薛志平， 張 敏

(沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué) 工程學(xué)院， 沈陽 110161)

響應(yīng)面法優(yōu)化玉米秸稈微波輔助酸預(yù)處理條件

張 博， 劉慶玉， 薛志平， 張 敏

(沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué) 工程學(xué)院， 沈陽 110161)

為了確定微波輔助酸處理玉米秸稈最優(yōu)工藝條件，文章根據(jù)響應(yīng)面法中心組合設(shè)計原理設(shè)計試驗，考察微波功率、處理時間和酸濃度對還原糖得率的影響;并采用超景深顯微鏡對處理前后玉米秸稈進(jìn)行分析。試驗結(jié)果表明：回歸模型的p值為0.0002，失擬項的p值為0.1298，說明回歸方程極顯著且模型擬合良好；各個因素影響主次順序為酸濃度>反應(yīng)時間>微波功率，微波功率與反應(yīng)時間的交互作用顯著；最佳處理條件為微波功率900 W，反應(yīng)時間20 min，酸濃度為2%，還原糖得率為230.9 mg·g-1。微波輔助酸預(yù)處理玉米秸稈能有效破壞纖維結(jié)構(gòu)，增大表面粗糙程度，改善孔隙率，酶解效率得以提高。

玉米秸稈； 微波輔助酸； 響應(yīng)面法； 預(yù)處理； 超景深

社會經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展與日益嚴(yán)峻的能源短缺問題之間的矛盾制約著各國綜合國力的提升。加快可再生能源的開發(fā)利用，促進(jìn)能源技術(shù)革命，調(diào)整能源結(jié)構(gòu)，構(gòu)建安全高效的能源體系新常態(tài)是解決我國能源問題的重要戰(zhàn)略選擇。大力推進(jìn)木質(zhì)纖維素綜合利用，是貫徹落實我國能源政策和實現(xiàn)我國能源戰(zhàn)略目標(biāo)重要途徑之一[1]。木質(zhì)纖維素類資源的物理結(jié)構(gòu)多是由纖維素、半纖維素、木質(zhì)素等復(fù)雜的分子體構(gòu)成，在空間分布上相互交錯嵌套，形成了不同層次抗降解屏障，對木質(zhì)纖維素類原料資源化利用提出挑戰(zhàn)。開展對木質(zhì)纖維素本質(zhì)結(jié)構(gòu)特性的研究，構(gòu)建高效預(yù)處理方法是破除抗降解屏障、提高原料轉(zhuǎn)化效率、促進(jìn)纖維素綜合利用的關(guān)鍵[2]。對秸稈等木質(zhì)纖維素原料利用時需經(jīng)過一定的預(yù)處理，用以提高其降解、轉(zhuǎn)化效率從而提高原料利用率。目前常見的預(yù)處理方法有酸處理[3]、堿處理[4]、膨化處理[5]、蒸汽爆破[6]、氧化處理[7]等。近年來微波預(yù)處理成為研究熱點[8-10]，側(cè)重于輔助化學(xué)試劑進(jìn)行預(yù)處理，減少化學(xué)試劑用量，降低后續(xù)處理成本[11-13]。

筆者采用微波輔助酸預(yù)處理方法，根據(jù)中心組合設(shè)計實驗原理，探究不同條件下玉米秸稈水解還原糖得率，為微波輔助預(yù)處理技術(shù)在玉米秸稈資源化利用中應(yīng)用提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

玉米秸稈取自沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)教學(xué)科研基地，采用實驗室自制設(shè)備粉碎后烘干，過40目篩備用。濃H2SO4，NaOH，3,5二硝基水楊酸等常見化學(xué)分析試劑均為分析純購置于國藥試劑。

1.2 試驗儀器

H2P-150全溫震蕩培養(yǎng)箱，SHZ-DIII循環(huán)水真空泵，DHG-9620A鼓風(fēng)干燥箱，格蘭仕G90F25CN3L智能微波爐，致微GI54DS立式自動壓力滅菌器，凱達(dá)TGL20M離心機(jī)，精宏恒溫水浴鍋，Sartorius BSA224S電子天平，基恩士VHX-5000超景深顯微鏡，元析UV5200紫外可見分光光度計

1.3 試驗方法

1.3.1 單因素試驗

取樣加入不同濃度的硫酸，考察液固比一定時微波輔助酸水解在不同微波功率、反應(yīng)時間及酸濃度條件下玉米秸稈還原糖得率，還原糖含量采用DNS法[14]。還原糖得率定義為每克玉米秸稈預(yù)處理后所產(chǎn)還原糖質(zhì)量，單位是mg·g-1。

1.3.2 響應(yīng)面試驗

采用Design-Expert 8.06軟件進(jìn)行試驗設(shè)計與響應(yīng)面分析，并進(jìn)行試驗優(yōu)化與驗證[15]。結(jié)合單因素試驗結(jié)果與試驗設(shè)備條件，設(shè)定液固比為20∶1，以微波功率(x1)、反應(yīng)時間(x2)、酸濃度(x3)3個因素為自變量，以還原糖得率為響應(yīng)值，采用Central Composite Design響應(yīng)面法分析[16-17]，因素水平編碼見表1。試驗設(shè)計20個實驗組，14個分析因子，零點試驗進(jìn)行6次，空白組為去離子水處理玉米秸稈。

表1 試驗因素水平編碼表

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素實驗

2.1.1 微波功率對玉米秸稈水解的影響

稱取烘干后的5 g秸稈，以液固比20∶1，硫酸濃度為4%分別在微波功率為180 W，360 W ，540 W，720 W，900 W條件下處理3 min，考察水解后還原糖得率。如圖1所示，隨著微波功率的增加，還原糖得率逐漸增加，功率達(dá)到900 W時還原糖得率達(dá)到最大值。在180 W到360 W范圍內(nèi)增長緩慢，在540 W到900 W范圍內(nèi)還原糖得率增加迅速。在微波功率較低時，熱效應(yīng)不明顯，分子熱運動不夠劇烈，對晶體結(jié)構(gòu)破壞程度不強(qiáng)烈。同時低微波功率條件下微波電磁場強(qiáng)度不夠，非熱效應(yīng)對破壞纖維素晶體結(jié)構(gòu)加速作用不顯著[18]。當(dāng)微波功率較高時，熱效應(yīng)顯著，β-1, 4糖苷鍵被破壞。微波電磁場產(chǎn)生的非熱效應(yīng)加速對纖維素晶體結(jié)構(gòu)的破壞，纖維結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，還原糖得率較高[19]。

圖1 微波功率對還原糖得率的影響

2.1.2 酸濃度對玉米秸稈水解的影響

稱取烘干后的5 g秸稈，以液固比20∶1，硫酸濃度0.5%，1%，2%，3%，4%條件下微波540 W處理3 min，考察水解后還原糖得率。如圖2所示隨著酸濃度的增加，還原糖得率呈先降低后增加最后平穩(wěn)的趨勢，在0.5%～4%范圍內(nèi)還原糖得率波動范圍不大。由于纖維素是由晶體和無定形區(qū)構(gòu)成，當(dāng)反應(yīng)體系中酸濃度達(dá)到一定值時，[H+]能夠破壞葡萄糖基之間的化學(xué)鍵。在所選稀酸濃度范圍內(nèi)，酸濃度變化對還原糖得率的影響需深入探究。

2.1.3 反應(yīng)時間對玉米秸稈水解的影響

取5 g秸稈，以液固比20∶1，硫酸濃度4%條件下微波900 W處理2～20 min，考察水解后還原糖得率。分析圖3可以看出，隨著微波反應(yīng)時間的增加，還原糖得率逐漸增加，反應(yīng)時間為20 min時還原糖得率最大。在2～20 min范圍內(nèi)增長迅速，反應(yīng)時間對還原糖得率的影響顯著。在長時間高功率微波作用下時，熱效應(yīng)顯著，分子熱運動劇烈，高微波功率產(chǎn)生高強(qiáng)度微波電磁場，非熱效應(yīng)對破壞纖維素晶體結(jié)構(gòu)促進(jìn)作用顯著。纖維素晶體結(jié)構(gòu)被破壞，還原糖得率較高。

圖2 酸濃度對玉米秸稈水解的影響

圖3 反應(yīng)時間對玉米秸稈水解的影響

2.2 響應(yīng)面法優(yōu)化微波輔助酸預(yù)處理玉米秸稈

2.2.1 試驗結(jié)果

響應(yīng)面法中心組合設(shè)計及試驗結(jié)果見表2。

2.2.2 模型擬合及方差分析

方差分析見表3。

分析表3可知，模型極顯著，失擬項不顯著，說明該模型擬合良好，相比其他優(yōu)化方法更能具有優(yōu)越性。一次項均顯著，功率與時間的交互作用顯著，二次項微波功率和反應(yīng)時間顯著。將不顯著項剔除之后重新擬合之后得到還原糖得率與各因素的回歸方程：

表2 試驗設(shè)計及結(jié)果

注：由于微波設(shè)備局限性，試驗9和10分別調(diào)整為360 W反應(yīng)20 min和900 W反應(yīng)20 min。

表3 方差分析表

交互作用對玉米秸稈水解的影響，基于回歸模型采用Design-Expert 8.06軟件進(jìn)行分析繪制。分析圖4，隨著微波功率和反應(yīng)時間的增加，還原糖得率逐漸增加，提升趨勢明顯，微波功率900 W、反應(yīng)時間為20 min時還原糖得率達(dá)到最大值。當(dāng)微波功率一定時，隨反應(yīng)時間增加還原糖得率增加；當(dāng)反應(yīng)時間一定時，隨微波功率增加還原糖得率增加，與單因素分析一致。強(qiáng)烈的微波熱效應(yīng)和高微波功率產(chǎn)生高強(qiáng)度微波電磁場形成的非熱效應(yīng)能夠有效破壞纖維素晶體結(jié)構(gòu)。

2.3 超景深顯微鏡分析

利用超景深顯微鏡對微波輔助酸預(yù)處理后的玉米秸稈進(jìn)行不同倍率觀察分析，并合成三維景深圖像(見圖5～圖8)。

未經(jīng)處理的玉米秸稈表面相對光滑平整，未見大量空穴，蠟質(zhì)層未受破壞。同時分析超景深三維圖可以看出觀測區(qū)域平均高差較小，起伏不明顯。經(jīng)微波輔助酸預(yù)處理的玉米秸稈纖維結(jié)構(gòu)被破壞，有大量空穴產(chǎn)生，纖維結(jié)構(gòu)有裂痕，晶體結(jié)構(gòu)被破壞，秸稈表面粗糙度增大。對比超景深三維圖可以看出玉米秸稈表面起伏明顯，產(chǎn)生的空穴較深，觀測區(qū)域平均高差增大，纖維結(jié)構(gòu)大量暴露，利于在后續(xù)反應(yīng)中纖維素酶等與秸稈充分作用。

圖4 微波功率與反應(yīng)時間交互作用曲面圖

圖5 未經(jīng)處理玉米秸稈1000倍超景深顯微平面圖

圖6 未經(jīng)處理玉米秸稈3000倍超景深顯微三維圖

圖7 微波輔助酸處理玉米秸稈1000倍超景深顯微平面圖

圖8 微波輔助酸處理玉米秸稈3000倍超景深顯微三維圖

2.4 微波輔助酸預(yù)處理玉米秸稈的工藝優(yōu)化與驗證

采用Design-expert 8.0.6進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，目標(biāo)值還原糖得率最高，驗證試驗及結(jié)果如表4所示，設(shè)平行試驗3組。

表4 優(yōu)化實驗及結(jié)果

預(yù)測值與驗證試驗結(jié)果誤差均小于5%，因此采用微波輔助酸處理玉米秸稈，優(yōu)化結(jié)果準(zhǔn)確可靠，能夠為生產(chǎn)實踐提供理論依據(jù)。

3 結(jié)論

用微波輔助酸預(yù)處理玉米秸稈，以微波功率、反應(yīng)時間和酸濃度為自變量，以還原糖為響應(yīng)值，通過回歸分析，建立的擬合良好的回歸模型。對于給定的顯著性水平p<0.05和p<0.01，失擬項的p值為0.1298，表明該模型的失擬項不顯著?；貧w模型的p值為0.0002，說明回歸方程極顯著；根據(jù)方差分析結(jié)果和響應(yīng)面圖可知，在微波功率為540～900 W，反應(yīng)時間為15～20 min及酸濃度在1%～2%的條件下，對還原糖得率影響的主次順序為硫酸濃度>反應(yīng)時間>微波功率。利用Design-Expert8.0.6軟件優(yōu)化回歸方程確定最佳處理條件為：微波功率為900 W，反應(yīng)時間20 min和酸濃度為2%。處理后還原糖得率為230.9 mg·g-1，預(yù)測值與驗證值相對誤差為3.8%；通過超景深觀察分析，微波輔助酸預(yù)處理玉米秸稈能有效破壞纖維結(jié)構(gòu)，增大表面粗糙程度，改善玉米秸稈空隙率，促進(jìn)纖維素酶等進(jìn)入玉米秸稈內(nèi)部對其進(jìn)行酶解。

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Optimization of Microwave Assisted Acid Pretreatment for Corn Stalk by Response Surface Methodology /

ZHANG Bo, LIU Qing-yu, XUE Zhi-ping, ZHANG Min /

(College of Engineering, Shenyang Agricultural University, Shenyang 110161, China)

In this study, the microwave assisted acid pretreatment of the corn stalk was optimized by Central-Composite design based on the principle of Response Surface Methodology. Effects of microwave power intensity, pretreatment duration and acid concentration on reducing sugar yield were investigated. The morphological features and macrostructure of corn stalk before and after pretreatment were analyzed by the 3D microscope. The results showed that the p-value of regression model was 0.0002, and the p-value of lack of fit was 0.1298, which illustrated that the established regression model was remarkable and fitted desirably. The primary and secondary order of the three influence factor was acid concentration>pretreatment duration>microwave power intensity. There was a significant interaction between microwave power and reaction duration. The optimal conditions were 2% of acid concentration, 900W of microwave intensity, and 20 min of radiation time, under which the reducing sugar yield reached 230.9 mg·g-1. Through the microwave assisted acid pretreatment, the fiber structures of the corn stalk were destroyed effectively, the surface roughness was increased, and porosity was improved, thus the enzymatic hydrolysis rate of corn stalk was enhanced.

corn stalk； microwave assisted acid； response surface method； pretreatment； 3D microscope

2016-06-27

2016-07-28

項目來源： 遼寧省自然科學(xué)基金項目(2014027012)

張 博(1992-)，男，河南鎮(zhèn)平人，碩士，主要從事新能源工程綜合能源系統(tǒng)研究工作，E-mail：syauzb@163.com

張 敏，E-mail：minzhang412@163.com

S216.4; X712

A

1000-1166(2017)02-0051-05