劉寶菊，劉雙彥，侯文貴，任洪東，連 峰

（1.天津天大天久科技股份有限公司，天津300072； 2.天津大學石油化工技術開發(fā)中心，天津300072）

亞臨界水體系中木薯糟生產酒精預處理工藝

劉寶菊1，劉雙彥2，侯文貴1，任洪東1，連 峰2

（1.天津天大天久科技股份有限公司，天津300072； 2.天津大學石油化工技術開發(fā)中心，天津300072）

木薯發(fā)酵制備乙醇會產生大量的廢棄物木薯糟。采用亞臨界水工藝處理木薯糟，可以實現(xiàn)木薯糟中纖維素和半纖維素的有效利用。在單因素實驗的基礎上，以木薯糟原料降解產生的木糖和葡萄糖共發(fā)酵生成酒精量（Y）為目標，進行Box-Behnken多因素實驗設計，得到了亞臨界水處理木薯糟的最佳工藝條件：反應溫度193℃，固液比0.114，反應時間51 min；在此條件下擬發(fā)酵酒精量為70.6 mg/g，實驗驗證值為69.5 mg/g，誤差小于2%，該優(yōu)化方法可靠，探索得到的工藝條件可用于木薯糟的亞臨界水處理工藝。

酒精； 木薯糟； 亞臨界水； 木糖； 葡萄糖； 優(yōu)化設計

木薯是一種現(xiàn)階段可以在工業(yè)上大規(guī)模利用、經濟可行的非糧燃料乙醇生產原料，目前我國廣西中糧、河南天冠及安徽豐源生化等國家定點單位多采用木薯原料生產燃料乙醇，2016年相關企業(yè)燃料乙醇產量達到105.5萬t[1]。而在木薯酒精生產過程中，生產1 t酒精即產生約400 kg的廢棄物——木薯糟，木薯糟的資源化利用已成為制約木薯乙醇產業(yè)發(fā)展的重要因素[2]。傳統(tǒng)處理方式中木薯糟多被用于生產有機肥，或烘干后作為燃料，不僅附加利用價值較低，且木薯糟中含有的約20 wt%纖維素以及5 wt%半纖維素等組分沒有得到充分利用。將木薯糟作為生產燃料乙醇的原料，不僅可解決木薯糟的處理問題，而且木薯糟的全組分利用有助于緩解傳統(tǒng)燃料乙醇生產過程中所存在的原料短缺問題，以達到環(huán)境、經濟效益雙重受益的目的。

在利用纖維素原料生產燃料乙醇時，需要對原料進行預處理以打破纖維素、半纖維素以及木質素所形成的致密三維網(wǎng)絡結構，從而增加底物的孔隙度和比表面積等，進而提高纖維素酶解速率和葡萄糖得率[3]。同時，通過對原料的預處理，可回收利用半纖維素降解產生的五碳糖，達到纖維素原料全組分利用的目的。目前，纖維素原料預處理工藝主要包括物理方法[4-5]、化學方法[6-8]、物理化學方法[9-10]和生物法[11]。近年來，亞臨界水以其獨特的優(yōu)勢在生物質資源化領域表現(xiàn)出廣闊的應用前景，而亞臨界水預處理工藝即是利用高溫下水電離出的水合氫離子(H3O+)對結構致密的纖維素原料進行的自催化水解反應過程[12-14]。亞臨界水預處理條件溫和，可以在預處理液中回收半纖維素降解產生的木糖，同時溶解部分木質素，獲得可及度較高的纖維素以及大部分木質素，經過纖維素酶獲得葡萄糖，滿足了纖維素原料纖維素、半纖維素以及木質素的全組分綜合利用的生物煉制新理念。

為了實現(xiàn)木薯糟的全組分利用，同時滿足兼顧C5和C6共代謝生產酒精的新要求，筆者采用亞臨界水預處理技術對木薯糟原料進行預處理工藝研究。首先通過單因素實驗研究了固液比、反應溫度及反應時間等因素對預處理過程中木糖收率、酶解過程中葡萄糖收率，以及副產物乙酸、糠醛及5-羥甲基糠醛（HMF）等生成量的影響規(guī)律。在此基礎上，確定亞臨界水處理的適宜條件及區(qū)域，以原料所含C5和C6的共發(fā)酵酒精生成量為響應值，采用響應曲面法（RSM）對亞臨界水預處理工藝進行多因素實驗設計，獲得木薯糟亞臨界水預處理優(yōu)化工藝條件。

1 材料與方法

1.1 原料、試劑和儀器

木薯糟：天津掛月集團提供，樣品經自然風干后，在105℃空氣環(huán)境下烘干5 h，再將樣品磨制成粉末，并篩分出粒徑40～60目的樣品備用。

對照品：D-木糖，分析純，阿拉?。黄咸烟?，分析純，阿拉??；冰乙酸，分析純，天津市江天化工技術有限公司；糠醛，分析純，天津市光復精細化工技術有限公司；HMF，分析純，阿拉丁。

儀器設備：上海市實驗儀器廠生產的ZK-82A型真空干燥器；美國Parr公司生產的Mparr 4843型高溫高壓反應釜；上海智城分析儀器制造有限公司生產的ZHWY-2102C型搖床；上海新諾儀器設備有限公司生產的YX280B型高壓滅菌鍋；安捷倫科技有限公司生產的AGILENT-1100型高效液相色譜和Agilent（6980-5973N）型氣相色譜-質譜聯(lián)用儀。

1.2 實驗方法

1.2.1 木薯糟組成分析方法

本文中測量薯渣中含水量的方法參考GB/T 5009.3—2003《食品中水分的測定》[15]。根據(jù)美國國家可再生能源實驗室（NREL）提出的《Determination of Structural Carbohydrates and Lignin in Biomass》方法系統(tǒng)測定木質纖維素原料中纖維素、半纖維素和木質素三大組分含量[16-17]。灰分測定方法主要參考GB/T 5009.4—2010《糧食、油料檢驗灰分測定》[18]。

1.2.2 亞臨界水預處理實驗

取400 g去離子水，加入一定質量的木薯糟原料，配制成固液比（木薯糟原料的質量與水的質量的比值）為0.05～0.15的木薯糟樣品，混合后加入到1000 mL的反應釜中，設定預處理目標溫度，開始加熱，當熱電偶顯示的釜內溫度達到預處理目標設定溫度時，開始計時。預處理反應結束后，將反應釜中混合物料取出，通過布氏漏斗進行固液分離，木薯糟固體殘渣放入烘箱中干燥后備用，預處理液送至高效液相色譜進行分析測定。

1.2.3 單糖及副產物分析

木薯糟亞臨界水預處理過程，處理液中主要含有葡萄糖和木糖等單糖產物，單糖的含量采用高效液相色譜(HPLC AGILENT-1100)進行分析測定。色譜柱為Aminex HPX-87H離子分離柱，柱溫為40℃，檢測器為RID示差檢測器，檢測器溫度為35℃，以4 mM硫酸作為流動相，流動相流速為0.6 mL/min。

木薯糟亞臨界水預處理過程，處理液中會產生乙酸、糠醛、HMF等降解副產物，生成的降解副產物的含量采用高效液相色譜(HPLC AGILENT-1100)進行測定。色譜柱為Aminex HPX-87H離子分離柱，柱溫為40℃，檢測器為RID示差檢測器，檢測器溫度為35℃，以4 mM硫酸作為流動相，流動相流速為0.6 mL/min。

1.2.4 酶解試驗

以100 mL的磨口錐形瓶為容器，按順序分別向其中放入1 g經亞臨界水預處理的木薯糟原料，30 g緩沖溶液，0.95 g纖維素復合酶以及0.05 g β-寡糖酶，然后將配好酶解溶液的錐形瓶有序擺放在ZHWY-2102C型搖床中，搖床水浴溫度設定為50℃，搖床轉速設定為120 r/min，酶解時間設定為72 h。

本文主要計算公式如下：

2 結果與討論

在亞臨界水處理木薯糟的單因素實驗中，考察某因素對預處理液中木糖收率、降解副產物以及酶解實驗中葡萄糖收率的影響時，其他因素分別為固液比0.10，反應溫度180℃，反應時間90 min?；趩我蛩乜疾焖玫降墓に嚄l件范圍，進行多因素實驗，設計并選擇Box-Behnken設計模型[19]對影響擬發(fā)酵酒精生成量的關鍵因素進行最佳水平研究，以獲得固液比、反應溫度及反應時間的最佳條件。

2.1 木薯糟組分分析

根據(jù)1.2.1分析方法得出的木薯糟原料組分分析結果列于表1。由表1可以看出，木薯糟中纖維素與半纖維素含量較高，是一種制備纖維素乙醇的理想原料。木薯糟原料pH4.7，呈弱酸性，這是由于酒精發(fā)酵以及精餾脫水單元存在的乳酸、乙酸等酸性物質吸附在木薯糟原料表面。

2.2 單因素實驗結果

2.2.1 固液比的影響

表1 木薯糟原料組分分析表

在預處理反應液中除了木糖和葡萄糖，還存在著半纖維素上乙酰基脫落水解生成的乙酸、木糖降解產生的糠醛以及葡萄糖降解產生的HMF等副產物，這些副產物對后續(xù)的酶解單元和發(fā)酵單元會產生一定的抑制作用，一般被視作抑制物。預處理液中木糖得率及主要降解產物乙酸、糠醛、HMF的生成量隨固液比的變化規(guī)律見圖1。由圖1（a）可以看出，木糖收率隨著固液比的升高而呈現(xiàn)出降低的趨勢，并且當固液比從0.125升高到0.15時，木糖收率下降趨勢顯著，其原因為預處理液中固液比過高而阻礙了木薯糟表面生成的糖在溶液中的溶解，且會造成嚴重的物料沾壁現(xiàn)象，導致預處理效率較低。因此，為了回收預處理液中的木糖，固液比0.125是適宜的。預處理液中乙酸、糠醛和HMF隨固液比變化的生成規(guī)律分別如圖 1（b）、（c）、（d）所示，可以看出，反應液中降解產物生成量均隨固液比的升高呈現(xiàn)出降低的趨勢。固液比升高，半纖維素中乙?；撀溥^程受阻，因此預處理液中乙酸生成量降低，過高的固液比反而阻礙了纖維素與半纖維素的降解過程，導致木糖和葡萄糖收率降低，其相應的降解產物糠醛和HMF的生成量也隨之降低。

經亞臨界水預處理后的木薯糟的酶解葡萄糖收率隨固液比變化的規(guī)律見圖2。由圖2可以看出，酶解葡萄糖收率隨固液比的升高呈現(xiàn)出持續(xù)降低的趨勢。當固液比從0.05上升到0.15，葡萄糖收率從73.62%下降到65.15%。由實驗結果可以看出，較低的固液比有利于酶解反應的進行，但是水解液中可發(fā)酵糖濃度較低，加上反應設備的消耗，成本較高，對于酶解葡萄糖收率來說，固液比0.10是適宜的。

圖1 預處理液中木糖收率及主要降解產物生成量隨固液比變化曲線

圖2 酶解葡萄糖收率隨固液比變化曲線

2.2.2 溫度的影響

預處理液中木糖收率及主要降解產物乙酸、糠醛、HMF的生成量隨反應溫度的變化規(guī)律見圖3。由圖3（a）可以看出，預處理液中的木糖收率隨著預處理溫度的升高而呈現(xiàn)出先上升后下降的趨勢。預處理過程中半纖維素水解生成木糖，再進一步降解為糠醛等小分子降解產物。隨著反應溫度的升高，木糖的生成速率和木糖的降解速率均升高，且兩者增加幅度不同，當木糖的降解速率大于木糖的生成速率時，木糖收率開始降低[20]。為了回收預處理液中的木糖，反應溫度180℃是適宜的。預處理液中乙酸、糠醛和HMF隨固液比變化的生成規(guī)律分別如圖3（b）、（c）、（d）所示，由圖3 可以看出，反應液中主要降解產物均隨溫度的升高呈現(xiàn)出升高的趨勢。當反應溫度從180℃上升到240℃，乙酸的生成量上升較為平緩，說明乙酰基在180℃已經基本脫落。當反應溫度高于180℃時，糠醛生成量上升比較明顯，這與木糖收率的結果一致，說明溫度高于180℃時，木糖的降解速率大于其生成速率。HMF生成量隨著反應溫度的升高而逐漸增加，與糠醛生成量相比，HMF生成量較低，其原因為葡萄糖較木糖難降解。

經亞臨界水預處理后的木薯糟原料酶解葡萄糖收率隨溫度變化的規(guī)律見圖4。由圖4可以看出，酶解葡萄糖收率隨著反應溫度的升高呈現(xiàn)出先增大后降低的趨勢。預處理過程中溫度升高有利于打破纖維素的致密結構，使得酶解過程中纖維素酶與底物接觸面積增大，酶解葡萄糖收率升高；但當預處理溫度過高時，纖維素在預處理過程中即開始大量降解生成葡萄糖，造成纖維素的損失，因此酶解過程中效率降低。對于酶解葡萄糖收率來說，反應溫度200℃是適宜的。

圖3 預處理液中木糖收率及主要降解產物生成量隨溫度變化曲線

圖4 酶解葡萄糖收率隨溫度變化曲線

2.2.3 時間的影響

處理液中木糖收率及主要降解產物乙酸、糠醛、HMF的生成量隨反應時間變化的規(guī)律見圖5。由圖5（a）可以看出，木糖收率隨著反應時間的延長而呈現(xiàn)出先上升后下降的趨勢。當反應時間從15 min延長到45 min時，木糖的生成速率大于其降解速率，因此木糖收率上升顯著；當反應時間從45min延長到120 min時，木糖的生成速率小于其降解速率，因此木糖收率下降，且可以看出木糖收率降低速率越來越快，這與Kobayashi等[21]的研究結果一致。為了回收預處理液中的木糖，反應時間45 min是適宜的。

預處理液中乙酸、糠醛和HMF隨固液比變化的生成規(guī)律分別如圖5（b）、（c）、（d）所示。由圖5（b）可以看出，反應處理開始的前45 min，乙酸的生成速率較大，45 min后，乙酸的生成速率降低，反應液中乙酸的生成量增加很緩慢，其原因為半纖維素是由易降解和難降解兩部分構成[22]。由圖5（c）、（d）可以看出，糠醛和HMF的生成量隨反應時間的延長均呈現(xiàn)出升高的趨勢。在反應時間為15～45 min時，隨著反應時間的延長，糠醛生成速率緩慢升高，而在45 min后，糠醛生成速率升高明顯，糠醛由木糖降解產生，這和圖5（a）中木糖收率先增加后降低的趨勢是相一致的。

圖5 預處理液中木糖收率及主要降解產物生成量隨時間變化曲線

經亞臨界水預處理后的木薯糟原料酶解葡萄糖收率隨時間變化的規(guī)律見圖6。由圖6可以看出，當反應時間達到60 min后，木薯糟的酶解葡萄糖收率開始下降，其原因為苛刻的預處理條件會使纖維素在預處理過程中即降解生成葡萄糖，造成纖維素的損失。對于木薯糟的酶解葡萄糖收率來說，反應時間60 min是適宜的。

圖6 酶解葡萄糖收率隨時間變化曲線

在上述的亞臨界水預處理實驗研究中，考察了預處理液中木糖收率以及乙酸、糠醛、HMF的生成規(guī)律及木薯糟酶解葡萄糖收率隨固液比、反應溫度和反應壓力的變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)預處理液中抑制物生成規(guī)律與主要單糖生成規(guī)律一致。分別以預處理液中的木糖收率和酶解液中葡萄糖收率為指標，對固液比、反應溫度和反應壓力做了單因素影響規(guī)律的研究，初步確定木薯糟亞臨界水預處理工藝的適宜條件范圍為：固液比0.100～0.125，溫度180～200 ℃，時間45～60 min。

2.3 預處理工藝條件優(yōu)化

2.3.1 多因素實驗設計

基于上述單因素考察所得的最優(yōu)范圍，對影響預處理液中木糖和酶解液中葡萄糖擬發(fā)酵酒精生成量的關鍵因素，利用Box-Behnken設計進行最佳水平的研究和探索，由統(tǒng)計軟件Design Expert 8.0.6（Stat-Ease Inc.,Minneapolis,USA）完成實驗設計、數(shù)據(jù)的分析以及二次模型的建立。以經亞臨界水預處理獲得的木糖和經酶解獲得的葡萄糖的擬發(fā)酵酒精生成量為響應目標Y，總共設計17組實驗，實驗設計響應面分析因素與水平編碼表列于表2，Box-Behnken設計試驗方案及結果列于表3中。

表2 響應面分析因素與水平編碼表

表3 多因素實驗設計方案與結果

2.3.2 多因素實驗結果分析

以乙醇生成量Y為響應目標值，采用Design Expert 8.0.6軟件進行回歸分析，擬合得到模型的最適函數(shù)為式（4），對回歸方程進行方差分析見表4。由表4可知，模型擬合相關系數(shù)為94.51%，擬合程度良好。該模型的P值為0.0012，表明該模型只有0.12%的可能性會發(fā)生由于噪音引起的F值偏大的狀況，針對本實驗的響應目標值Y所選用的模型具有很好的顯著性。

表4 回歸方程各項的方差分析

2.3.3 最優(yōu)結果預測與驗證

采用Design Expert 8.0.6軟件的Response Optimizer對實驗模型進行典型性分析，得到了模型的最優(yōu)解，即以木薯糟為原料，利用水解生成的木糖和葡萄糖共發(fā)酵生產乙醇的最佳反應條件：反應溫度為193℃，固液比0.114，反應時間為51 min，擬發(fā)酵的乙醇最大生成量為70.6 mg/g。

通過重復實驗以驗證模型公式的合適性和有效性，在模型預測的最優(yōu)工藝條件下，獲得反應處理液中木糖收率和酶解液中葡萄糖得率的平均值分別為56.9%和72.6%，乙酸、糠醛和HMF的生成量分別為0.335 g/g半纖維素、0.0433 g/g半纖維素和0.0055 g/g纖維素。利用木糖和葡萄糖共發(fā)酵生產乙醇產量的平均值為69.5 mg/g，預測值與實驗值接近，誤差小于2%，優(yōu)化模型可靠，證明了本方法對木薯糟亞臨界水預處理工藝優(yōu)化是可行的。

3 結論

采用亞臨界水預處理技術對木薯糟原料進行預處理可充分利用木薯糟中的纖維素及半纖維素，從而將木薯糟轉化為高附加值的產品。在上述單因子實驗探究中，確定的適宜條件為：180～200℃，45～60 min，固液比0.100～0.125。在此基礎上，以木薯糟原料中C5和C6擬共發(fā)酵生成乙醇量為優(yōu)化目標，進行多因素實驗優(yōu)化。通過對優(yōu)化結果的分析，確定了以木薯糟為原料亞臨界水預處理的最佳反應條件：反應溫度為193℃，固液比0.114，反應時間為51 min，擬發(fā)酵乙醇生成量為70.6 mg/g，在上述實驗條件下得出的實驗值為69.5 mg/g。

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截至9月19日茅臺醬香酒銷量增長153%

本刊訊：據(jù)《中國酒業(yè)新聞》報道，貴州茅臺醬香酒公司提前100天完成全年43億元銷售任務。2017年9月21日獲悉，截至9月19日，茅臺醬香酒公司實現(xiàn)銷售收入43.06億元，同比增長226%；完成銷量2.035萬噸，同比增長153%，任務完成率78%。其中，茅臺王子酒完成銷售7375噸，實現(xiàn)銷售額15.56億元。茅臺醬香酒公司董事長李明燦曾指出，2018年醬香系列酒在銷售原則上不再增加計劃量，而是按照2017年市場容量進行投放，不增量不增商。事實上，今年5月，茅臺醬香酒公司已經停止了經銷商招募，但仍有上百家新的經銷商等待簽約排隊。（江源薦，駱佳龍編輯）

來源：中國酒業(yè)新聞 2017-09-22

Pretreatment of Cassava Lees by Subcritical Water to Produce Alcohol

LIU Baoju1,LIU Shuangyan2,HOU Wengui1,REN Hongdong1and LIAN Feng2
(1.Tianda Tianjiu Technology Co.Ltd.,Tianjin 300072;2.Petrochemical Technology Development Center,Tianjin University,Tianjin 300072,China)

A large amount of cassava lees was produced in the production of ethanol by cassava.The pretreatment of cassava lees by subcritical water technology could achieve effective utilization of cellulose and hemicellulose in cassava lees.On the basis of single factor test,Box-Behnken multi-factor experiment was performed with alcohol yield(Y)produced by xylose and glucose as the goal,and the optimum pretreatment conditions of cassava lees by subcritical water were determined as follows:reaction temperature was at 193℃,the ratio of solid and liquid was 0.114,and reaction time was 51 min.Under the above conditions,the predicted alcohol yield reached up to 70.6 mg/g and the actual alcohol yield was 69.5 mg/g(the error was less than 2%between the predicted value and experimental value),which proved that the optimization model was reliable.

alcohol;cassava lees;subcritical water;xylose;glucose;optimization

TS262.2；TS261.4

A

1001-9286（2017）10-0071-08

10.13746/j.njkj.2017161

2017-06-06

劉寶菊（1966-），女，高級工程師，主要從事化工過程新工藝的研發(fā)。

劉雙彥（1990-），女，碩士生，主要從事化工過程新工藝的研發(fā)，E-mail：tju1510@163.com。

優(yōu)先數(shù)字出版時間：2017-07-21；地址：http://kns.cnki.net/kcms/detail/52.1051.TS.20170721.1043.004.html。