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實驗室(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行研究,以期提高水稻秸稈降解生產(chǎn)還原糖的效率,為實現(xiàn)變“草”為“糧”提供新的思路。
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。
BL1311057型萬能高速粉碎機,上海比朗儀器有限公司;DT5-2型低速臺式離心機,北京時代北利離心機儀器有限公司;LKTC-B1-T型恒溫水浴鍋,江蘇盛藍儀器制造有限公司;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。
1.3.1 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。測得還原糖標準曲線方程為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:
2.1.1 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)率達到最大值。超聲時間的進一步增加不能夠進一步降解秸稈,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)率達到最大值為41.94%,進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
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,設(shè)計L9(34)因素表進行試驗,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。在此條件下進行驗證試驗,重復(fù)3次,平均還原糖產(chǎn)率達到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
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。在單因素試驗的基礎(chǔ)上設(shè)計正交試驗,并進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。