夏 雄，鄧 妍，劉 威，陸天陽(yáng)，許 霞，王怡人，羅俊杰

(1.常州大學(xué)環(huán)境與安全工程學(xué)院,江蘇 常州 213164；2.常州大學(xué)懷德學(xué)院,江蘇泰州 214500；3.邯鄲市環(huán)境保護(hù)局督查中心,河北 邯鄲 056000)

酶水解法提取剩余污泥蛋白質(zhì)是利用酶制劑水解破壞剩余污泥細(xì)菌的細(xì)胞壁，從而達(dá)到使細(xì)胞破裂，胞內(nèi)物質(zhì)溶出的目的[1-4]。目前使用酶水解法提取剩余污泥蛋白質(zhì)主要存在對(duì)細(xì)胞壁的破壞效果較差，需要大量的水解酶進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的水解過(guò)程，從而造成成本較高等問(wèn)題[5]。十二烷基硫酸鈉(SDS)作為一種陰離子表面活性劑，在其分子兩端分別分布著親水基和憎水基，形成了一種特殊的不對(duì)稱結(jié)構(gòu)[6]，正是這種獨(dú)特的分子結(jié)構(gòu)，使得SDS具有良好的兩親性和增溶作用[7-8]。因此，本次試驗(yàn)選取添加SDS表面活性劑來(lái)促進(jìn)復(fù)合酶水解剩余污泥蛋白質(zhì)，并在研究復(fù)合酶(堿性蛋白酶∶木瓜蛋白酶=4∶1)水解法提取剩余污泥蛋白質(zhì)的最佳提取條件(液固比為5∶1、復(fù)合酶加酶量為5.23%、反應(yīng)溫度為54.7℃、初始pH值為7.7和反應(yīng)時(shí)間為3.2 h，剩余污泥蛋白質(zhì)最大提取率為60.83%)的基礎(chǔ)上，研究了SDS對(duì)復(fù)合酶水解法提取剩余污泥蛋白質(zhì)的促進(jìn)作用，并通過(guò)響應(yīng)面分析法優(yōu)化其提取條件。

1 材料與方法

1. 1 污泥樣品

剩余污泥來(lái)源于江蘇省常州市某市政污水處理廠壓結(jié)后的固體污泥，取回污泥樣品后存放在冰箱內(nèi)，調(diào)節(jié)溫度至(4±0.5)℃。該剩余污泥樣品的相關(guān)特性指標(biāo)為：pH值6.7，含水率78.6%，蛋白質(zhì)含量40.2%(相對(duì)于剩余污泥干物質(zhì)的質(zhì)量)。

1. 2 主要試劑和儀器

本試驗(yàn)所用試劑主要包括：木瓜蛋白酶、堿性蛋白酶、SDS、福林酚試劑、牛血清白蛋白、硫酸銅、硫酸鉀、硼酸、甲基紅、亞甲基藍(lán)和溴甲酚綠等。

本試驗(yàn)所用儀器主要包括：電熱鼓風(fēng)干燥箱、pH計(jì)、多頭磁力加熱攪拌器、新世紀(jì)紫外/可見(jiàn)分光光度計(jì)、離心沉淀器和凱氏定氮裝置等。

1. 3 測(cè)定方法

(1) 剩余污泥中蛋白含量按照我國(guó)食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《食品中蛋白質(zhì)的測(cè)定》(GB 5009.5—2010)中的方法進(jìn)行測(cè)定。

(2) 剩余污泥蛋白質(zhì)提取液的蛋白質(zhì)含量采用福林酚試劑法進(jìn)行測(cè)定。

1. 4 試驗(yàn)方法

SDS促進(jìn)復(fù)合酶水解法提取剩余污泥蛋白質(zhì)的試驗(yàn)方法如下：先取適量剩余污泥置于250 mL燒杯內(nèi)，按照液固比為5∶1向燒杯內(nèi)添加適量的蒸餾水，之后通過(guò)一定濃度的稀鹽酸或稀氫氧化鈉溶液調(diào)節(jié)pH值；然后調(diào)節(jié)水浴溫度至所需恒定溫度，按照5.23%的添加量(相對(duì)于污泥質(zhì)量)加入一定量的復(fù)合酶，并按照復(fù)合酶的加酶量加入一定量的SDS，在一定轉(zhuǎn)速條件下攪拌、水解一段時(shí)間，反應(yīng)結(jié)束后，將污泥料漿置于100℃水浴條件下15 min，將蛋白酶滅活；最后將污泥料漿倒入離心管，在4 000 r/min轉(zhuǎn)速下離心10 min，離心后取上清液，即為剩余污泥蛋白質(zhì)提取液。

1. 5 試驗(yàn)方案

首先在確定復(fù)合酶加酶量為5.23%和提取過(guò)程中液固比為5∶1的條件下進(jìn)行單因素試驗(yàn)，分別考察初始pH值(7.0、7.2、7.4、7.6、7.8和8.0)、反應(yīng)溫度(51℃、53℃、55℃、57℃、59℃和61℃)、反應(yīng)時(shí)間(1.5 h、2 h、2.5 h、3 h、3.5 h和4 h)和SDS投加量(6%、7%、8%、9%、10%和11%)4個(gè)因素對(duì)SDS促進(jìn)復(fù)合酶水解法提取剩余污泥蛋白質(zhì)提取率的影響；然后根據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果，采用響應(yīng)面分析法，以剩余污泥蛋白質(zhì)的提取率(R)為響應(yīng)值，研究初始pH值(A)、反應(yīng)溫度(B)、反應(yīng)時(shí)間(C)和SDS投加量(D)對(duì)響應(yīng)值(R)的影響，每個(gè)因素取3個(gè)水平，設(shè)計(jì)了四因素三水平的響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2. 1 單因素試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1.1 初始pH值對(duì)SDS促進(jìn)復(fù)合酶水解法提取剩余污泥蛋白質(zhì)的影響

本試驗(yàn)設(shè)置反應(yīng)過(guò)程中初始pH值分別為7.0、7.2、7.4、7.6、7.8和8.0，其他反應(yīng)條件為：液固比5∶1，復(fù)合酶加酶量5.23%，反應(yīng)溫度55℃，反應(yīng)時(shí)間3 h，SDS投加量8%，考察了初始pH值對(duì)SDS促進(jìn)復(fù)合酶水解法提取剩余污泥蛋白質(zhì)的影響，其試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖1。

圖1 初始pH值對(duì)SDS促進(jìn)復(fù)合酶水解法提取剩余 污泥蛋白質(zhì)的影響Fig.1 Effect of initial pH on protein extraction from excess sludge with enhanced enzymatic hydrolysis by SDS and complex enzyme

由圖1可見(jiàn)，SDS促進(jìn)復(fù)合酶水解法提取剩余污泥蛋白質(zhì)最適宜的初始pH值為7.4，此時(shí)剩余污泥蛋白質(zhì)的提取率為65.51%；添加SDS促進(jìn)復(fù)合酶水解法提取剩余污泥蛋白質(zhì)最適宜的初始pH值為7.4，相較于未添加SDS的復(fù)合酶水解法提取剩余污泥蛋白質(zhì)最適宜的初始pH值7.7有所降低，這是因?yàn)镾DS作為添加劑會(huì)提高反應(yīng)體系的pH值。分析原因認(rèn)為：一方面，SDS在蒸餾水中溶解后本身就處于弱堿性的狀態(tài)，故當(dāng)其作為添加劑時(shí)會(huì)使反應(yīng)體系的pH值稍有上升；另一方面，在復(fù)合酶水解提取剩余污泥蛋白質(zhì)的初期，反應(yīng)體系的pH值主要受氨氮等物質(zhì)的影響，而這些物質(zhì)又屬于堿性物質(zhì)，在SDS的加入促進(jìn)復(fù)合酶水解的同時(shí)直接導(dǎo)致氨氮等堿性物質(zhì)的含量增大，最終使得反應(yīng)體系的pH值有所上升。

2.1.2 反應(yīng)溫度對(duì)SDS促進(jìn)復(fù)合酶水解法提取剩余污泥蛋白質(zhì)的影響

本試驗(yàn)設(shè)置反應(yīng)溫度分別為51℃、53℃、55℃、57℃、59℃和61℃，其他反應(yīng)條件為：液固比5∶1，復(fù)合酶加酶量5.23%，初始pH值7.4，反應(yīng)時(shí)間3 h，SDS投加量8%，考察了反應(yīng)溫度對(duì)SDS促進(jìn)復(fù)合酶水解法提取剩余污泥蛋白質(zhì)的影響，其試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖2。

圖2 反應(yīng)溫度對(duì)SDS促進(jìn)復(fù)合酶水解法提取剩余污 泥蛋白質(zhì)的影響Fig.2 Effect of reaction temperature on protein extraction from excess sludge with enhanced enzymatic hydrolysis by SDS and complex enzyme

由圖2可見(jiàn)，反應(yīng)溫度對(duì)SDS促進(jìn)復(fù)合酶水解法提取剩余污泥蛋白質(zhì)的效果有較大的影響，在反應(yīng)溫度為51～57℃的范圍內(nèi)，SDS促進(jìn)復(fù)合酶水解法提取剩余污泥蛋白質(zhì)的提取率與反應(yīng)溫度呈正相關(guān)，但當(dāng)反應(yīng)溫度繼續(xù)升高超過(guò)57℃后，SDS促進(jìn)復(fù)合酶水解法提取剩余污泥蛋白質(zhì)的提取率與反應(yīng)溫度呈負(fù)相關(guān)。分析原因認(rèn)為：雖然添加了SDS后，隨著反應(yīng)溫度的升高，SDS的增溶效果越來(lái)越顯著，更有利于大量的碳水化合物和蛋白質(zhì)脫離污泥顆粒表面并溶解到液相中，但是在復(fù)合酶水解提取污泥蛋白質(zhì)的過(guò)程中并不是反應(yīng)溫度越高越有利，這是因?yàn)閺?fù)合酶本身也是一種蛋白質(zhì)，超過(guò)最合適溫度后會(huì)導(dǎo)致蛋白質(zhì)變性，大部分酶蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)被破壞，從而造成蛋白酶不能正常發(fā)揮催化作用。故SDS促進(jìn)復(fù)合酶水解法提取剩余污泥蛋白質(zhì)最適宜的反應(yīng)溫度為57℃，此時(shí)剩余污泥蛋白質(zhì)的提取率為67.53%。

2.1.3 反應(yīng)時(shí)間對(duì)SDS促進(jìn)復(fù)合酶水解法提取剩余污泥蛋白質(zhì)的影響

本試驗(yàn)設(shè)置反應(yīng)時(shí)間分別為1.5 h、2 h、2.5 h、3 h、3.5 h和4 h，其他反應(yīng)條件為：液固比5∶1，復(fù)合酶加酶量5.23%，初始pH值7.4，反應(yīng)溫度57℃，SDS投加量8%，考察了反應(yīng)時(shí)間對(duì)SDS促進(jìn)復(fù)合酶水解法提取剩余污泥蛋白質(zhì)的影響，其試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖3。

圖3 反應(yīng)時(shí)間對(duì)SDS促進(jìn)復(fù)合酶提取剩余污泥蛋白 質(zhì)的影響Fig.3 Effect of reaction time on protein extraction from excess sludge with enhanced enzymatic hydrolysis by SDS and complex enzyme

由圖3可見(jiàn)，在反應(yīng)時(shí)間為2.5 h時(shí)出現(xiàn)了SDS促進(jìn)復(fù)合酶提取剩余污泥蛋白質(zhì)提取率的最大值68.32%，與復(fù)合酶提取剩余污泥蛋白質(zhì)時(shí)最適宜的反應(yīng)時(shí)間3.2 h相比，剩余污泥蛋白質(zhì)的提取率的最大值出現(xiàn)時(shí)間提前。分析原因認(rèn)為：SDS作為一種表面活性劑，具有一定的增溶作用，主要表現(xiàn)為在復(fù)合酶水解提取剩余污泥蛋白質(zhì)過(guò)程中，SDS的加入使得原本吸附于污泥表面的碳水化合物和蛋白質(zhì)提前脫附，也就是說(shuō)原本難以破壞的胞外多聚物被提前破壞，復(fù)合酶更加直接地作用于污泥微生物細(xì)胞，復(fù)合酶水解的反應(yīng)速率持續(xù)增大，從而導(dǎo)致SDS促進(jìn)復(fù)合酶水解法提取剩余污泥蛋白質(zhì)的提取率的最大值提前出現(xiàn)。

2.1.4 SDS投加量對(duì)SDS促進(jìn)復(fù)合酶水解法提取剩余污泥蛋白質(zhì)的影響

本試驗(yàn)設(shè)置SDS投加量分別為6%、7%、8%、9%、10%和11%，其他反應(yīng)條件為：液固比5∶1，復(fù)合酶加酶量5.23%，初始pH值7.4，反應(yīng)溫度57℃，反應(yīng)時(shí)間2.5 h，考察了SDS投加量對(duì)SDS促進(jìn)復(fù)合酶水解法提取剩余污泥蛋白質(zhì)的影響，其試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖4。

圖4 SDS投加量對(duì)SDS促進(jìn)復(fù)合酶水解法提取剩余 污泥蛋白質(zhì)的影響Fig.4 Effect of SDS dosage on protein extraction from excess sludge with enhanced enzymatic hydrolysis by SDS and complex enzyme

由圖4可見(jiàn)，隨著SDS投加量的增加，SDS促進(jìn)復(fù)合酶水解法提取剩余污泥蛋白質(zhì)的提取率逐漸升高，在SDS投加量從6%增加到8%的過(guò)程中，剩余污泥蛋白質(zhì)的提取率不斷上升；當(dāng)SDS投加量超過(guò)8%后，SDS投加量的增加并沒(méi)有引起剩余污泥蛋白質(zhì)提取率的明顯變化。分析原因認(rèn)為：SDS作為一種陰離子表面活性劑，在SDS投加量較少的情況下其增溶作用表現(xiàn)顯著，但是當(dāng)SDS投加量過(guò)多時(shí)，其增溶作用趨于飽和，出現(xiàn)剩余污泥蛋白質(zhì)提取率不再繼續(xù)升高的現(xiàn)象。故綜合考慮確定SDS促進(jìn)復(fù)合酶水解法提取剩余污泥蛋白質(zhì)最佳的SDS投加量為8%，此時(shí)剩余污泥蛋白質(zhì)的提取率達(dá)到68.34%。

2.2 SDS促進(jìn)復(fù)合酶水解法提取剩余污泥蛋白質(zhì)提取工藝的響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.2.1 響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果分析

根據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果，本文利用響應(yīng)面分析法，采用Design Expert 10軟件中的Box-Behnken Design模型設(shè)計(jì)響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)的相關(guān)試驗(yàn)方案[9-10]，設(shè)定響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)的4個(gè)因素分別為初始pH值(A)、反應(yīng)溫度(B)、反應(yīng)時(shí)間(C)和SDS投加量(D)，并確定各因素的3個(gè)水平，設(shè)計(jì)了四因素三水平的響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)，詳見(jiàn)表1。響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)過(guò)程中其余試驗(yàn)條件分別如下：復(fù)合酶中堿性蛋白酶與木瓜蛋白酶之比為4∶1，復(fù)合酶加酶量為5.23%，液固比為5∶1。

表1 響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)因素水平設(shè)計(jì)表

通過(guò)將響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)得到的試驗(yàn)值代入響應(yīng)面分析表，并對(duì)其進(jìn)行響應(yīng)面回歸分析，得到模型的預(yù)測(cè)值，見(jiàn)表2。

表2 響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果

通過(guò)響應(yīng)面分析對(duì)響應(yīng)值R與自變量A、B、C、D之間的關(guān)系進(jìn)行數(shù)學(xué)關(guān)系表達(dá)，得到擬合的回歸方程模型如下：

R=69.65+0.47×A-0.59×B+0.24×C+0.25×D+0.23×A×B-0.22×A×C-0.092×A×D+0.29×B×C+0.065×B×D+0.095×C×D-1.75×A2-4.40×B2-0.50×C2-0.81×D2

式中：R為剩余污泥蛋白質(zhì)的提取率(%)；A為初始pH值；B為反應(yīng)溫度(℃)；C為反應(yīng)時(shí)間(h)；D為SDS投加量(%)。

對(duì)上述擬合得到的回歸方程模型進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)及方差分析，其結(jié)果見(jiàn)表3。

由表3可見(jiàn)，該回歸方程模型p<0.000 1，為差異極顯著，失擬項(xiàng)p=0.230 1>0.05，為差異不顯著，說(shuō)明利用該響應(yīng)面分析結(jié)果擬合得到的回歸方程模型具有顯著意義。

表3 回歸方程模型的顯著性檢驗(yàn)及方差分析

注：“**”表示顯著性水平為差異極顯著，p<0.01；“*”表示顯著性水平為差異顯著，0.01

相關(guān)系數(shù)(R2)和調(diào)整相關(guān)系數(shù)(R2Adj)是檢驗(yàn)?zāi)Ｐ涂尚哦群蜏?zhǔn)確性的指標(biāo)，兩者數(shù)值越接近且越接近1，則證明模型的可信度和準(zhǔn)確性越高，模型擬合結(jié)果越能有效地反映試驗(yàn)數(shù)據(jù)。本試驗(yàn)方案中，相關(guān)系數(shù)R2=0.963 1和調(diào)整相關(guān)系數(shù)R2Adj=0.926 3，表明回歸方程模型對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的擬合情況較好，適用于對(duì)SDS促進(jìn)復(fù)合酶水解提取剩余污泥蛋白質(zhì)的提取率進(jìn)行分析與預(yù)測(cè)。通過(guò)F值大小可以得出各試驗(yàn)因素對(duì)SDS促進(jìn)復(fù)合酶水解法提取剩余污泥蛋白質(zhì)的影響顯著性由強(qiáng)至弱順序?yàn)椋悍磻?yīng)溫度>初始pH值>SDS投加量>反應(yīng)時(shí)間。

為了保證響應(yīng)面分析所得模型的準(zhǔn)確性，通過(guò)Design Expert 10軟件對(duì)預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值的誤差進(jìn)行了更深入的分析，主要通過(guò)殘差值的計(jì)算來(lái)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差偏離實(shí)測(cè)值及預(yù)測(cè)響應(yīng)值的程度進(jìn)行表征。圖5為內(nèi)部學(xué)生化殘差分布與標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布的概率關(guān)系圖，圖6為內(nèi)部學(xué)生化殘差與試驗(yàn)序號(hào)的關(guān)系圖，圖7為剩余污泥蛋白質(zhì)提取率實(shí)測(cè)值與預(yù)測(cè)值的關(guān)系圖。

圖5 內(nèi)部學(xué)生化殘差與標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布的概率關(guān)系圖Fig.5 Relationship between the internally studentized residuals and normal probability distribution

圖6 內(nèi)部學(xué)生化殘差與試驗(yàn)序號(hào)的關(guān)系圖Fig.6 Relationship between the internally studentized residuals and the experimental number

圖7 剩余污泥蛋白質(zhì)提取率實(shí)測(cè)值與預(yù)測(cè)值的關(guān)系圖Fig.7 Relationship between the actual and the predicted protein extraction rate

由圖5、圖6和圖7可見(jiàn)，本次試驗(yàn)的數(shù)據(jù)點(diǎn)呈現(xiàn)出線性分布模式，未出現(xiàn)特別明顯的異常點(diǎn)，說(shuō)明本次響應(yīng)面回歸分析所得到的二次回歸方程模型具有較為良好的擬合度(見(jiàn)圖5)；本次試驗(yàn)中涉及的所有數(shù)據(jù)點(diǎn)均呈現(xiàn)出隨機(jī)分布狀態(tài)，未發(fā)現(xiàn)任何的分布規(guī)律和變化趨勢(shì)，大部分內(nèi)部學(xué)生化殘差均分布在±3范圍之內(nèi)，從而更加證明了本次響應(yīng)面回歸分析所得到的二次回歸方程模型的擬合度具有較高的準(zhǔn)確性(見(jiàn)圖6)；本次試驗(yàn)的所有數(shù)據(jù)點(diǎn)幾乎平均分布于一條直線上，該直線的斜率剛好為1,說(shuō)明本次響應(yīng)面回歸分析所得到的預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)的試驗(yàn)值吻合情況良好，進(jìn)一步證明本次響應(yīng)面回歸分析所得到的二次回歸方程模型具有較為良好的擬合度(見(jiàn)圖7)。

2.2.2 各因素對(duì)剩余污泥蛋白質(zhì)提取率影響顯著性的響應(yīng)面分析

為了更加直觀地觀察初始pH值、反應(yīng)溫度、反應(yīng)時(shí)間和SDS投加量各因素之間的交互作用對(duì)剩余污泥蛋白質(zhì)提取率的影響，本文繪制了各因素兩兩之間交互作用的三維響應(yīng)面分析曲面圖，見(jiàn)圖8至圖13。

圖8 初始pH值與反應(yīng)溫度(T)之間交互作用的三維響 應(yīng)面分析曲面圖Fig.8 Three dimensional surface diagram of response surface analysis of the interaction between initial pH and temperature (T)

圖9 初始pH值與反應(yīng)時(shí)間(t)之間交互作用的三維響 應(yīng)面分析曲面圖Fig.9 Three dimensional surface diagram of response surface analysis of the interaction between initial pH and reaction time(t)

圖10 初始pH值與SDS添加量(W)之間交互作用的 三維響應(yīng)面分析曲面圖Fig.10 Three dimensional surface diagram of response surface analysis of the interaction between initial pH and SDS dosage (W)

圖11 反應(yīng)溫度(T)與反應(yīng)時(shí)間(t)之間交互作用的 三維響應(yīng)面分析曲面圖Fig.11 Three dimensional surface diagram of response surface analysis of the interaction between reaction temperature (T) and reaction time (t)

圖12 反應(yīng)溫度(T)與SDS投加量之間交互作用的 三維響應(yīng)面分析曲面圖Fig.12 Three dimensional surface diagram of response surface analysis of the interaction between reaction temperature (T) and SDS dosage (W)

圖13 SDS投加量與反應(yīng)時(shí)間(t)之間交互作用的三維響 應(yīng)面分析曲面圖Fig.13 Three dimensional surface diagram of response surface analysis of the interaction between SDS dosage and reaction time

由圖8可見(jiàn)，初始pH值與反應(yīng)溫度之間的交互作用對(duì)剩余污泥蛋白質(zhì)提取率的影響三維響應(yīng)面分析曲面近似為橢圓，表明因素A與B之間的交互作用對(duì)剩余污泥蛋白質(zhì)提取率的影響較為顯著；而從三維響應(yīng)面分析曲面的坡度可以看出，反應(yīng)溫度的影響要大于初始pH值。

同樣，由圖9至圖13可見(jiàn)，因素A與C之間的交互作用對(duì)剩余污泥蛋白質(zhì)提取率的影響較為顯著，初始pH值的影響要大于反應(yīng)時(shí)間；因素A與D之間的交互作用對(duì)剩余污泥蛋白質(zhì)提取率的影響較為顯著，初始pH值的影響要大于SDS投加量；因素B與C之間的交互作用對(duì)剩余污泥蛋白質(zhì)提取率的影響十分顯著，反應(yīng)溫度的影響要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于反應(yīng)時(shí)間；因素B與D之間的交互作用對(duì)剩余污泥蛋白質(zhì)提取率的影響十分顯著，反應(yīng)溫度的影響要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于SDS投加量；因素C與D之間的交互作用對(duì)剩余污泥蛋白質(zhì)提取率的影響不顯著，SDS投加量的影響要略大于反應(yīng)時(shí)間。

通過(guò)圖8至圖13的響應(yīng)面分析曲面圖，更加直觀地表明了SDS促進(jìn)復(fù)合酶水解法提取剩余污泥蛋白質(zhì)響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)中，各因素的影響顯著性由強(qiáng)至弱表現(xiàn)為：反應(yīng)溫度>初始pH值>SDS投加量>反應(yīng)時(shí)間。

2.2.3 驗(yàn)證性試驗(yàn)

對(duì)響應(yīng)值R進(jìn)行最大化計(jì)算，計(jì)算得到SDS促進(jìn)復(fù)合酶水解法提取剩余污泥蛋白質(zhì)提取率的最大值和對(duì)應(yīng)的最優(yōu)提取條件，見(jiàn)圖14。

圖14 響應(yīng)面法優(yōu)化結(jié)果Fig.14 Optimization results of the response surface methodology

根據(jù)對(duì)應(yīng)的編碼值計(jì)算，可得到響應(yīng)面優(yōu)化后的最佳提取條件為：初始pH值A(chǔ)取7.423、反應(yīng)溫度B取56.887℃、反應(yīng)時(shí)間C取2.606 h、SDS投加量D取8.156%，此時(shí)響應(yīng)值剩余污泥蛋白質(zhì)的提取率R的最大值為69.739%。

為了驗(yàn)證模型預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性，按照優(yōu)化后的提取條件，并考慮到試驗(yàn)過(guò)程中各因素控制的精確度影響，在修正條件下(初始pH值為7.4、反應(yīng)溫度為56.9℃、反應(yīng)時(shí)間為2.6 h、SDS投加量為8.16%)進(jìn)行了3次重復(fù)性驗(yàn)證試驗(yàn)，所得剩余污泥蛋白質(zhì)提取率R的平均值為69.12%，與響應(yīng)面回歸模型所得到的預(yù)測(cè)值(69.739%)十分接近，說(shuō)明本次響應(yīng)面分析所得的回歸模型可以很好地預(yù)測(cè)實(shí)際試驗(yàn)所得結(jié)果，表明通過(guò)響應(yīng)面優(yōu)化得到的SDS促進(jìn)復(fù)合酶水解法提取剩余污泥蛋白質(zhì)的工藝條件確實(shí)可行，具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

3 結(jié) 論

本文以江蘇省常州市某市政污水處理廠的剩余污泥為原料，將SDS作為添加劑，研究其對(duì)復(fù)合酶(堿性蛋白酶∶木瓜蛋白酶=4∶1)水解法提取剩余污泥蛋白質(zhì)的促進(jìn)作用，并根據(jù)前期試驗(yàn)結(jié)果，在確定液固比為5∶1和復(fù)合酶加酶量為5.23%的條件下，以剩余污泥蛋白質(zhì)的提取率為指標(biāo)，通過(guò)SDS促進(jìn)復(fù)合酶水解法提取剩余污泥蛋白質(zhì)的相關(guān)試驗(yàn)，主要得到以下結(jié)論：

(1) 通過(guò)對(duì)SDS投加量、反應(yīng)溫度、初始pH值和反應(yīng)時(shí)間因素進(jìn)行單因素試驗(yàn)和響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)，確定SDS促進(jìn)復(fù)合酶水解法提取剩余污泥蛋白質(zhì)的最佳提取條件為：液固比5∶1、復(fù)合酶加酶量5.23%、初始pH值7.4、反應(yīng)溫度56.9℃、反應(yīng)時(shí)間2.6 h、SDS投加量8.16%。在該提取條件下剩余污泥蛋白質(zhì)提取率的最大值可達(dá)69.12%，比僅使用復(fù)合酶的提取率(60.83%)提高了8.29%。

(2) 在首先確定液固比和復(fù)合酶加酶量的條件下，通過(guò)響應(yīng)面分析得到SDS促進(jìn)復(fù)合酶水解法提取剩余污泥蛋白質(zhì)各因素的影響顯著性由強(qiáng)至弱表現(xiàn)為：反應(yīng)溫度>初始pH值>SDS添加量>反應(yīng)時(shí)間。