水稻秸秆NaOH预处理最佳条件的优化

崔茂金,黄明贤,贺龙娇

（河南科技学院,河南新乡453003）

随着社会的发展,人类对能源的需求逐步增加,然而化石能源资源是不可再生的能源,储量有限,能源短缺就引起了人们的高度重视,解决能源短缺的重要举措之一就是发展可再生能源[1-2].生物质能源是蕴藏在生物质中的能量,是在光合作用下储存的太阳能,永远不会枯竭,其中可开发利用的生物质资源主要有农作物秸秆、粪便、海藻等[3].木质纤维素是地球上最丰富、最廉价且符合可持续发展要求的可再生资源[4].我国是一个农业大国,每年形成的农业废弃物约有7亿t,其中稻草秸秆1.8亿t,小麦秸秆1.1亿t,大豆秸秆1500万t,棉花秸秆1300万t,因此木质纤维素资源极为丰富[5].目前,我国大部分稻草用作燃料或在田间被直接燃烧,不但破坏了生态平衡,使土壤肥力衰竭,造成农业上的恶性循环,而且污染环境,还存在火灾隐患.由于秸秆燃烧热能利用率甚低,以其作燃料,对资源也是极大的浪费.因此,寻找一种先进实用的技术高效地将稻草糖化,进而通过微生物发酵生产燃料乙醇,对于解决环境污染和能源短缺具有重大的意义[6].

木质纤维素组成复杂、结构稳定,因而使其直接被生物降解难于进行.需要借助物理或化学的方法进行预处理,使纤维素与木质素、半纤维素等分离,使纤维素内部氢键打开,使结晶纤维素成为无定型纤维素,以及进一步打断部分β-1,4-糖苷键,降低聚合度[7].稀碱处理是最常用的处理木质纤维原料的化学处理方法之一,它可以除去木质素和半纤维素,降低纤维素的聚合度,提高水解效率[8].采用廉价可再生的秸秆生产燃料乙醇作为化石能源的替代能源,符合国际能源标准要求,具有重大的意义和广阔的前景.目前利用秸秆生产燃料乙醇的关键是原料预处理方法的选择,高效菌种的选择、合理运用与改造,发酵过程的优化等.因此，采用何种方式处理原材料,提高原料的利用率是人们关注的焦点之一[9].

本文以稀NaOH溶液对水稻秸秆进行预处理,首先利用单因素试验分别研究了预处理温度、预处理时间、NaOH溶液质量浓度和底物质量浓度对总还原糖量的影响,然后在单因素试验的基础上,用四因素三水平正交试验对NaOH溶液预处理条件进一步优化,为水稻秸秆的开发利用提供技术支持.

1 材料与方法

1.1 试验材料

水稻秸秆取自河南省新乡市延津县大佛村,自然晾干,粉碎后过20目筛,然后放在干燥箱中100℃下干燥至恒重,备用.

1.2 仪器和试剂

SK-1快速混匀器（金坛市华峰仪器有限公司）；JY-6A恒温搅拌油浴锅（金坛市天竟实验仪器厂）；UNICOWFJ 7200型分光光度计（上海尤尼柯仪器有限公司）；电热恒温鼓风干燥箱（巩义市予华仪器有限责任公司）；TDE4-WS台式低速自动平衡离心机（长沙湘智离心机有限公司）；FZ102微型植物粉碎机（天津市泰斯特仪器有限公司）；电子天平（北京赛多利斯仪器系统有限公司）.

NaOH（分析纯,天津市大陆化学试剂厂）；H2SO4（98%,分析纯,郑州派尼化学试剂厂）；葡萄糖（分析纯,天津市德恩化学试剂有限公司）；苯酚（分析纯,天津市德恩化学试剂有限公司）；201甲基硅油（常州市江南常新有机硅有限公司）.

1.3 试验方法

1.3.1 试验步骤分别称取不同质量粉碎干燥的底物于50 mL圆底烧瓶中,分别加入20 mL不同质量浓度的NaOH,在恒温搅拌油浴锅中不同的温度下放置不同的时间,冷却后取上清液稀释一定的倍数测吸光度.试验设3次重复.

1.3.2 总还原糖的测定总还原糖的测定采用苯酚-浓硫酸法,以葡萄糖为标准样品.葡萄糖标准曲线如图1所示.葡萄糖标准曲线方程为：y=-5.0794+88.8855x,R2=0.9998.

图1 葡萄糖标准曲线Fig.1 Standard curve of glucose

1.3.3 试验设计分别研究了NaOH质量浓度、预处理温度、预处理时间和底物质量浓度各单因素对总还原糖质量分数的影响.在单因素试验的基础上,以NaOH质量浓度、预处理温度、底物质量浓度和预处理时间为4个因素,每个因素选取3个水平,设计了四因素三水平L9（34）正交表,如表1所示.

表1 NaOH预处理正交试验验因素与水平Tab.1 Factors and levels of orthogonal experiments by NaOH pretreatment

2 结果与分析

2.1 单因素试验

2.1.1 NaOH质量浓度的影响未经预处理的水稻秸秆中总还原糖质量分数为91.36 mg/g.NaOH预处理是一种常用的处理木质纤维素的方法.在预处理温度为100℃,时间为48 min,底物质量浓度为5 g/L的条件下,NaOH质量浓度对总还原糖质量分数的影响如图2所示.

图2 NaOH质量浓度对总还原糖质量分数的影响Fig.2 Effect of NaOH concentration on the concentration of total reducing sugars

由图2可知,NaOH预处理后的总还原糖质量分数要比未经NaOH预处理的高,说明NaOH预处理可以提高底物的糖化率.随着NaOH质量浓度的增加,总还原糖质量分数逐渐增大,在NaOH质量浓度为80 g/L之前有明显的增大趋势,之后随着NaOH质量浓度的增加增幅变缓,这是由于底物中能被NaOH降解转化为糖的部分基本上被降解完了.综合考虑预处理效果和成本,选择质量浓度为80 g/L的NaOH比较好,此质量浓度下的总还原糖质量分数为382.25 mg/g.

图3 预处理温度对总还原糖质量分数的影响Fig.3 Effect of pretreatment temperature on the concentration of total reducing sugars

2.1.2 预处理温度的影响温度是影响预处理效果的一个重要因素.在时间为48 min,NaOH质量浓度为80 g/L,底物质量浓度为5 g/L的条件下,预处理温度对总还原糖质量分数的影响如图3所示.由图3可知,总还原糖质量分数随着预处理温度升高先增加后减小,当温度为100℃时总还原糖的质量分数最大.这是由于随着温度的升高,NaOH预处理的效果越好,但是温度升高到一定的程度时部分的糖会分解,而且温度越高糖分解的就会越多,从而使总还原糖的质量分数下降.

2.1.3 底物质量浓度的影响底物质量浓度也是影响预处理效果的一个重要因素.在预处理温度为100℃,NaOH质量浓度为80 g/L,时间为48 min的条件下,底物质量浓度对总还原糖质量分数的影响如图4所示.

图4 底物质量浓度对总还原糖质量分数的影响Fig.4 Effect of substrate concentration on the concentration of total reducing sugars

由图4可知,随着底物质量浓度的增加,总还原糖的质量分数先增加后减小,当底物质量浓度在5 g/L时总还原糖质量分数最大.但总还原糖质量分数随底物质量浓度改变而变化的幅度不大,说明底物质量浓度对预处理效果的影响有限.

2.1.4 预处理时间的影响预处理时间是影响预处理效果的另外一个重要因素.在预处理温度为100℃,NaOH质量浓度为80 g/L,底物质量浓度为5 g/L条件下,时间对总还原糖质量分数的影响如图5所示.

图5 预处理时间对总还原糖质量分数的影响Fig.5 Effect of pretreatment time on the concentration of total reducing sugars

由图5可知,随着预处理时间的增加,总还原糖质量分数逐渐增大,预处理时间过长则有下降的趋势,这是因为时间越长预处理的效果越好,但在较高的温度下时间过长,可能会有部分的糖分解.

2.2 正交试验

在单因素试验的基础上,设计了四因素三水平L9（34）正交表,正交试验设计及试验结果如表2所示.

表2 L9（34）正交试验设计及结果Tab.2 Design and results ofL9（34）orthogonal experiments

由表2极差分析可知,4个因素的主次顺序为NaOH质量浓度＞预处理温度＞底物质量浓度＞预处理时间,NaOH质量浓度和预处理温度对总还原糖质量分数的影响较大,底物质量浓度和预处理时间影响较小.优选方案是NaOH质量浓度100 g/L、预处理温度120℃、底物质量浓度2.5 g/L和预处理时间48 min,此时总还原糖质量分数最大为464.59mg/g.

3 结论

本文通过单因素试验和正交试验研究了水稻秸秆NaOH预处理的最佳条件.结果表明：NaOH预处理可以显著提高水稻秸秆的糖化率；NaOH质量浓度和预处理温度对预处理效果影响较大,底物质量浓度和预处理时间对预处理效果影响较小；最佳预处理条件是NaOH质量浓度100 g/L、预处理温度120℃、底物质量浓度为2.5 g/L和预处理时间48 min,此时总还原糖质量分数最大为464.59 mg/g,为未处理底物的5.09倍.

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