响应面试验优化微波-超声协同辅助硫酸降解玉米秸秆工艺

李文杰，李洪飞，，3，王维浩，贾鹏禹，，康丽君，寇 芳，张莉莉，尹 婧，曹龙奎，，*（.黑龙江八一农垦大学食品学院，黑龙江 大庆 6339；.国家杂粮工程技术研究中心，黑龙江 大庆 6339；3.大庆宏源分离技术研究所，黑龙江 大庆 6339）



响应面试验优化微波-超声协同辅助硫酸降解玉米秸秆工艺

李文杰1，李洪飞1，2，3，王维浩2，贾鹏禹1，2，康丽君1，寇 芳1，张莉莉1，尹 婧1，曹龙奎1，2，*
（1.黑龙江八一农垦大学食品学院，黑龙江 大庆 163319；2.国家杂粮工程技术研究中心，黑龙江 大庆 163319；3.大庆宏源分离技术研究所，黑龙江 大庆 163319）

研究微波、超声与微波-超声3 种辅助硫酸降解玉米秸秆方法，并采用响应面法对微波-超声协同辅助硫酸降解玉米秸秆的工艺进行优化，建立还原糖得率的五元二次回归数学模型，并进行了模型的有效性分析、单因素效应分析、边际效应分析及因素间的交互作用分析。最佳工艺条件为温度82 ℃、时间153 min、硫酸体积分数3.1%、料液比1∶45（g/mL）和微波功率634 W，在此条件下，还原糖得率最大值为41.24%，实际结果与模型预测值吻合度高，说明该模型切实可行。与在温度120 ℃、硫酸体积分数3%、料液比1∶20（g/mL）、时间2 h条件下水解玉米秸秆还原糖得率相比，含量提高6.6%。并通过离子色谱分析得出阿拉伯糖含量为1.75%，半乳糖含量为0.44%，葡萄糖含量为15.65%，木糖含量为7.98%，果糖含量为15.34%，纤维二糖含量为0.09%。

玉米秸秆；微波；超声波；还原糖；响应面法；离子色谱

玉米秸秆是工、农业生产可回收利用的重要资源，并且含有丰富的营养［1］，其主要含有纤维素、半纤维素和木质素，还富含有机质、氮、磷、钾等元素［2］。纤维素、半纤维素通过化学法和生物法可获得葡萄糖、木糖、阿拉伯糖、半乳糖和甘露糖等还原糖，可用于制取酒精、木糖醇、乳酸、糠醛等其他生物制品。由于纤维素、半纤维素和木质素构成了玉米秸秆的骨架，并且纤维素外层被半纤维层和木质素层覆盖，使玉米秸秆难以降解，回收利用率低。目前，玉米秸秆降解的方法主要有机械粉碎、酸处理、碱处理、蒸汽爆破、生物方法处理等。最常采用的方法是酸处理法，但是，酸处理对设备要求较高，需耐酸耐高温高压。近几年，有研究采用微波［3-8］、超声波［9-12］辅助酸、碱水解及酶解玉米秸秆，刘权等［13］采用微波-超声联合碱液降解芦苇秸秆，结果表明，微波可使部分半纤维素、木质素等物质化学键断裂，碱液预处理可破坏木质素结构。玉米秸秆通过吸波使得自身温度升高［14］，更大程度地促进纤维素中的糖苷键断裂［15］，因而提高了还原糖的产量。微波、超声波具有不限制物料尺寸、不需要载气、热解速度快、节省能源、易于控制、热解产物利用率高等优点［16］。但是，目前采用微波-超声协同辅助硫酸降解玉米秸秆的方法鲜见报道。因此，本研究选用此方法降解玉米秸秆制备还原糖。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

玉米秸秆取自黑龙江八一农垦大学试验田，将其清理干净，烘干保存、备用。

葡萄糖、苯酚（均为分析纯） 天津市致远化学试剂有限公司；3，5-二硝基水杨酸（化学纯） 上海展云化学有限公司；硫酸（分析纯） 沈阳市华东试剂厂；氢氧化钠（分析纯） 天津市北辰方正试剂厂；酒石酸钾钠（分析纯） 天津市福晨化学试剂厂；亚硫酸钠（分析纯） 天津市北联精细化学品开发有限公司。

1.2 仪器与设备

CW2000型微波-超声萃取仪 上海新拓分析仪器科技有限公司；T6新世纪紫外-可见分光光度计 北京普析通用仪器有限责任公司；ICS3000多功能色谱系统戴安中国有限公司。

1.3 方法

1.3.1 玉米秸秆不同酸解方法比较

取玉米秸秆粉2.00 g，以3%硫酸为提取液，在料液比1∶30（g/mL）、时间30 min、温度分别为55、60、65、70、75 ℃的条件下，考察微波（功率600 W）、超声（功率50 W）、微波-超声（功率600 W和50 W）3 种方式对玉米秸秆降解程度的影响。

1.3.2 单因素试验

1.3.2.1 硫酸体积分数对玉米秸秆酸降解的影响

取玉米秸秆粉2.00 g，在温度80 ℃、微波功率600 W、超声功率50 W、时间30 min、料液比1∶60（g/mL）的条件下，研究硫酸体积分数分别为1%、3%、5%、7%、9% 5 个水平时玉米秸秆还原糖提取效果。

1.3.2.2 温度对玉米秸秆酸降解的影响

取玉米秸秆粉2.00 g，在料液比1∶60（g/mL）、硫酸体积分数3%、微波功率600 W、超声功率50 W、时间30 min的条件下，研究温度分别为50、60、70、80、90 ℃ 5 个水平时玉米秸秆还原糖提取效果。

1.3.2.3 微波功率对玉米秸秆酸降解的影响

取玉米秸秆粉2.00 g，在料液比1∶60（g/mL）、硫酸体积分数3%、温度80 ℃、超声功率50 W、时间30 min的条件下，研究微波功率分别为500、600、700、800、900 W 5 个水平时玉米秸秆还原糖提取效果。

1.3.2.4 料液比对玉米秸秆酸降解的影响

取玉米秸秆粉2.00 g，在微波功率600 W、温度80 ℃、硫酸体积分数3%、超声功率50 W、时间30 min的条件下，研究料液比分别为1∶20、1∶40、1∶60、1∶80、1∶100 （g/mL）5 个水平时玉米秸秆还原糖提取效果。

1.3.2.5 时间对玉米秸秆酸降解的影响

取玉米秸秆粉2.00 g，在料液比1∶60（g/mL）、硫酸体积分数3%、微波功率600 W、超声功率50 W、温度80 ℃的条件下，研究时间分别为30、60、90、120、150、180 min 5 个水平时玉米秸秆还原糖提取效果。

1.3.3 响应面试验设计

采用中心组合试验设计，以还原糖得率为响应值，根据单因素试验结果，选择硫酸体积分数、温度、时间、料液比及微波功率5 个因素进行响应面试验设计，试验因素水平及编码见表1。

表1 响应 面试 验因 素水 平及 编码Table 1 Levels of in dependentp rocessvariables used for resp on se surface an alysis

1.3.4 还原糖含量测定

采用3，5-二硝基水杨酸比色法测定还原糖含量。测得还原糖标准曲线方程：Y=0.776 4X-0.028 9，R2=0.999 1。

1.3.5 降解液组分分析

采用离子色谱法对最优条件下玉米秸秆酸解液中还原糖的主要成分进行分析，色谱柱为CarboPac PA20（3 mm×250 mm）；检测器为脉冲安培检测器；梯度淋洗条件：0～20 min：3 mmol/L NaOH；20～25 min：3～100 mmol/L NaOH；25～45 min：100 mmol/L NaOH-100 mmol/L NaOAc；45～55 min：100 mmol/L NaOH-100 mmol/L NaOAc；55.1～57.1 min：200 mmol/L NaOH；57.2～67 min：3 mmol/L NaOH。

2 结果与分析

2.1 微波、超声与微波-超声处理方式比较结果

图1 超声、微波与微波-超声处理对还原糖得率的影响Fig.1 Effect of single and combined applications of microwave and ultrasound on reducing sugar yield

由图1可知，3 种辅助方式中还原糖得率大小顺序为：微波-超声＞微波＞超声，这是因为微波-超声协同作用可以将微波致热和非致热效应和超声的空化、高速剪切搅拌等特点结合在一起［17-18］，超声波的空化作用［19］可使玉米秸秆中的晶区产生缺陷，纤维分子断裂。微波可使硫酸溶液强烈震动，硫酸分子不断冲撞纤维分子，使纤维分子中晶区不断向非晶区转变，促进纤维水解［20］。此外，微波-超声协同作用，可防止酸解液中局部过热以及生成的还原糖分解［21］。

2.2 单因素试验结果

图2 单因素试验结果Fig.2 Results of single-factor experiments

由图2a可知，当硫酸体积分数为3%时，还原糖得率最高为35.56%。硫酸体积分数过高时，会造成还原糖脱水分解，降低还原糖得率。体积分数过低时，不足以破坏纤维素、半纤维素及木质素的晶体结构，所以，还原糖得率较低。因此，选硫酸体积分数3%为响应面试验的中心点。

由图2b可知，还原糖得率随温度升高而增加，80 ℃时达到最大值35.85%；随后开始降低，这是由于随着还原糖质量浓度增大，还原糖的分解速率增大，温度的升高对还原糖分解速率的影响远大于其对还原糖生成速率的影响，还原糖转化为糠醛等化学物质。因此，选温度80 ℃为响应面试验的中心点。

由图2c可知，还原糖得率在微波功率600 W时有最大值为36.41%，随后开始下降，但是变化幅度不明显。微波功率的增大，强大的内压及分子间的摩擦力使纤维素、木质素、半纤维素结构破裂，超声波对纤维的冲击和剪切作用，使还原糖溶解速度加快，提取率升高；微波功率过大，温度较高，还原糖易被分解，从而使提取率下降。因此，选微波功率600 W为响应面试验的中心点。

由图2d可知，当硫酸溶液用量少时，酸液不足以完全降解可提取的纤维素、半纤维素和木质素，溶液达到饱和而无法进一步溶解目的产物，还原糖得率小；当料液比达到1∶60时，还原糖得率达到37.66%；随着硫酸溶液用量的继续增大，目的产物溶出接近最大值，所以还原糖得率增加幅度减缓。因此，选料液比1∶60为响应面试验的中心点。

由图2e可知，还原糖得率随时间的延长而增加，当时间延长至150 min时，还原糖得率最大为40.9%；随时间继续延长，还原糖得率降低，这是由于酸水解反应是一个连续的反应，还原糖为反应的中间产物，反应初期还原糖的分解速率小于其生成速率，使还原糖得率随时间增加不断增大，但是随着时间的延长，还原糖质量浓度逐渐增大，还原糖的分解速率开始大于其生成速率时，还原糖得率就会逐渐降低。因此，选时间150 min为响应面试验的中心点。

2.3 响应面试验结果

2.3.1 响应面试验设计与结果

表2 响应面试验设计及结果Table 2 Experimentald esign and results for resp on sesurface analysis

基于单因素试验结果确定的最佳条件，以温度、时间、硫酸体积分数、料液比、微波功率这5 个因素为自变量，以还原糖得率为响应值，设计共32 个试验点的五元二次回归正交旋转组合试验，试验设计与结果见表2。

2.3.2 回归模型方差分析及显著性检验

采用Design-Expert 8.0.6统计软件对试验结果进行分析，二次回归方程以及回归方程各项的方差分析结果见表3，二次回归参数模型数据如表4所示。

表3 回归模型方差分析Table 3 Analysis of variance （ANOVA）f orquadratic resp on se surface model

由表3可知，模型的P＜0.01，差异极显著，说明回归模型拟合度较好，试验误差小；失拟项P=0.158 4＞0.05，差异不显著，说明残差由随机误差引起；R2=0.964 3，拟合度＞90%，说明模型能够反映响应值变化，可以用该模型对微波-超声协同辅助硫酸降解玉米秸秆提高还原糖得率进行分析和预测。

表4 回归模型系数的显著性检验Table4 Regressi on coefficientsi nregressi on m odel and t heirs ignificance

由表4可知，模型的一次项X1、X3、X4、X5极显著，X2显著，二次项X、X、X、X极显著，交互项X2X4、X3X4极显著，X1X2、X1X3显著。根据一次项回归系数的绝对值大小，可以得出对还原糖得率影响大小顺序为：微波功率＞温度＞硫酸体积分数＞料液比＞时间。以还原糖得率为Y值，得出五元二次回归方程为：

2.3.3 单因素效应分析

采用降维方法，将模型中5 个自变量中任意4 个因素固定在零水平，可以得到剩余的1 个因素与响应值的关系，分别为式（2）～（6）。得到各因素的单因素效应方程如下：

根据方程，用Excel软件画出如图3所示的单因素效应图。

图3 单因素效应曲线Fig.3 Single-factor effect curves

由图3可以看出，还原糖得率随微波功率水平值的增加而逐渐增加，随其他4 个因素的增加呈先升高后降低的趋势。微波功率在水平值为2时，还原糖得率最大；在水平值-1～1范围内，温度、时间、硫酸体积分数及料液比均存在一个固定值，可使还原糖得率最大，当温度、时间、硫酸体积分数及料液比水平低于该固定值时，这4 个因素与还原糖得率均呈正相关；当温度、时间、硫酸体积分数及料液比水平高于该固定值时，这4 个因素与还原糖得率均呈负相关。

2.3.4 边际效应分析

将单因素方程对本身求一阶导数，得到单因素的边际效应方程。单因素的边际效应反映还原糖得率Y值随各因素水平而变化的速率。各因素的边际效应方程为：

根据方程用Excel制成边际效应曲线，如图4所示。

图4 单因素边际效应曲线Fig.4 Marginal effect of each factor

由图4可知，当温度水平值小于0.440时，随着温度的升高，还原糖得率增加，但增加的速率逐渐降低；当温度水平值大于0.440时，随着温度的继续升高，还原糖得率开始下降，并且下降的速率开始增大。时间的临界水平值为0.388，硫酸体积分数的临界水平值为0.255，料液比的临界水平值为-0.387，微波功率的临界水平值为1.97，当低于这4 个因素的临界水平值时，随着各因素的增加，还原糖得率增加，但增加的速率逐渐降低；当高于这4 个因素的临界水平值时，随着各因素的继续升高，还原糖得率开始下降，并且下降的速率开始增大。各因素水平编码越大，边际产量越低，由式（7）～（11）的决定系数（即斜率绝对值）可看出，还原糖得率增长率变化程度为硫酸体积分数＞温度＞料液比＞时间＞微波功率。

2.3.5 交互效应分析

采用降维分析方法，观察在其他因素条件固定不变情况下，某两个因素对对还原糖得率的影响。用Design-Expert软件作出相应的等高线图及响应面图，对这些因素中交互项之间影响显著的交互效应进行分析。

图5 各因素交互作用对还原糖得率的影响Fig.5 Response surface and corresponding contour plots showing the effect of interaction of various factors on the yield of reducing sugar

由图5a可知，温度与时间对还原糖得率的交互影响呈抛物线形，等高线呈椭圆形，说明温度与时间的交互作用对还原糖得率影响显著。由等高线变化趋势可知，当温度低于80～84 ℃之间某固定值、时间低于150～160 min之间某固定值时，还原糖得率随温度与时间水平的增加而增大；当温度高于80～84 ℃之间某固定值、时间高于150～160 min之间某固定值时，还原糖得率随温度与时间水平的增加而减小；当时间120 min、温度74 ℃左右时，还原糖得率为35.996 2%；时间143 min、温度70 ℃左右就可获得同样还原糖得率，说明，延长反应时间可以降低酸解温度，同时，提高酸解温度可以缩短反应时间。

由图5b可知，温度与硫酸体积分数对还原糖得率的交互影响呈抛物线形，等高线呈椭圆形，说明温度与硫酸体积分数的交互作用对还原糖得率影响显著。当温度为80～84 ℃之间某固定值、硫酸体积分数为3.0%～3.4%之间某固定值时，还原糖得率有最大值；低于此值时，还原糖得率随温度与硫酸体积分数水平的增加而增大；高于此值时，还原糖得率随温度与硫酸体积分数水平的增加而降低。

由图5c可知，时间与料液比对还原糖得率的交互影响呈抛物线形，等高线呈椭圆形，说明时间与料液比的交互作用对还原糖得率影响显著。当时间为150～160 min之间某固定值、料液比为1∶45～1∶55之间某固定值时，还原糖得率有最大值；低于此值时，还原糖得率随时间与料液比水平的增加而增大；高于此值时，还原糖得率随时间与料液比水平的增加而降低。

由图5d可知，硫酸体积分数与料液比对还原糖得率的交互影响呈抛物线形，等高线呈椭圆形，说明硫酸体积分数与料液比的交互作用对还原糖得率影响显著。与料液比方向比较，硫酸体积分数效应面曲线较陡，硫酸体积分数等高线密度高于沿料液比移动的密度，说明，对还原糖得率的影响硫酸体积分数较料液比显著。还原糖得率随料液比与硫酸体积分数水平的增加呈先增加后降低趋势。

在微波-超声的协同作用下，硫酸溶液中水分子汽化产生压力冲破玉米秸秆细胞的细胞壁，细胞壁出现孔洞和裂痕，使硫酸分子与纤维分子接触面积增大，酸液预处理可引起纤维素明显膨胀，增加内表面积，降低纤维素结晶性，使木质素与碳水化合物间的结构链分离，破坏木质素结构［22-23］。在反应初始阶段，硫酸降解发生在纤维素晶体表面，纤维素与半纤维素之间的氢键断裂，半纤维素与木质素之间的α-二苄醚键断裂［24］，此时，提高水解温度、延长水解时间、增大微波功率、增加溶剂用量、增加硫酸体积分数均有助于纤维素晶区向非晶区转变，氢键与α-二苄醚键充分断裂，使半纤维素分子可以溶解在硫酸溶液中，纤维素非晶区进行水解反应，提高还原糖得率。随着反应进行，硫酸降解由纤维素晶体表面向晶体内部转移，纤维素晶体内部氢键结合牢固，结构紧密，硫酸分子难以进入，并且晶区的溶胀速度开始降低，并低于非晶区的水解速度，纤维素晶区的比例就会增大，而非晶区的水解反应一直在进行，当非晶区的水解反应逐渐完成，而晶区的溶胀不足以填补非晶区的水解反应时，继续提高水解温度、延长水解时间、增大微波功率、增加溶剂用量、增加硫酸体积分数就会导致还原糖得率开始下降，因为，高温、高浓度硫酸的条件下，葡萄糖、木糖等还原糖会发生分解，生成糠醛等物质。

2.3.6 最佳工艺确定与验证

根据以上分析，通过Design-Expert软件模拟寻得最佳工艺条件为温度82.36 ℃、时间152.57 min、硫酸体积分数3.14%、料液比1∶44.69、微波功率634.37 W，此条件下还原糖得率为41.29%。为了验证模型预测的准确性，在温度82 ℃、时间153 min、硫酸体积分数3.1%、料液比1∶45及微波功率634 W的条件下进行降解，做3 个平行样，还原糖得率分别为41.15%、41.47%、41.09%，平均值为41.24%。实测值与预测值相近，相对误差为0.12%，证明用响应面法优化微波-超声协同辅助硫酸降解玉米秸秆制备还原糖的工艺条件是可行的。

2.4 玉米秸秆降解液中还原糖组分分析

图6 离子色谱检测谱图Fig.6 Ion chromatograms of mixed solution of reducing sugar standards and corn straw hydrolysate

如图6b所示，有6 个峰与图6a中相对应，分别是阿拉伯糖、半乳糖、葡萄糖、木糖、果糖及纤维二糖。说明，玉米秸秆经酸解产生以上6 种还原糖。

表5 降解液中还原糖组成成分及质量浓度Table5 Thec on centrati on s of reduc in g sugars in thehydrolysatesoluti on

将降解液稀释1 000 倍，测得降解液中还原糖组成成分及质量浓度如表5所示，经计算得出玉米秸秆经硫酸降解出各成分质量分数，阿拉伯糖含量为1.75%，半乳糖含量为0.44%，葡萄糖含量为15.65%，木糖含量为7.98%，果糖含量为15.34%，纤维二糖含量为0.09%。木糖、阿拉伯糖、纤维二糖经济效益较高，具有很大的开发前景。降解液中未检出半乳糖醛酸和葡萄糖醛酸，说明葡萄糖与半乳糖在80 ℃左右时未被氧化，有利于后续各还原糖的分离。

3 结 论

本研究采用微波-超声协同辅助硫酸降解玉米秸秆制备还原糖，并利用响应面法对其工艺条件进行了优化，得出最佳工艺条件为温度82 ℃、时间153 min、硫酸体积分数3.1%、料液比1∶45和微波功率634 W，还原糖得率最大值为41.24%。与在温度120 ℃、硫酸体积分数3%、料液比1∶20、时间2 h条件下水解玉米秸秆还原糖得率相比提高6.6%；与微波预处理玉米秸秆［6］还原糖得率相比提高5.74%；与超声波预处理玉米秸秆［25］还原糖得率相比提高5.44%。通过离子色谱检测得出阿拉伯糖含量为1.75%，半乳糖含量为0.44%，葡萄糖含量为15.65%，木糖含量为7.98%，果糖含量为15.34%，纤维二糖含量为0.09%。本实验可在常压条件下进行，降低能耗，并降解出多种还原糖，因此，可为工厂化做进一步研究。

参考文献：

［1］ 闫景凤， 刘立强， 宋炜.对北方玉米秸秆综合利用现状的思考［J］.现代农业科技， 2015（8）: 219-220.DOI:10.3969/ j.issn.1007-5739.2015.08.143.

［2］ 刘宇， 史同瑞， 朱丹丹.玉米秸秆利用现状及其生物发酵技术研究进展［J］.中国畜牧杂志， 2014， 50（6）: 61-64.DOI:10.3969/ j.issn.0258-7033.2014.06.013.

［3］ 李红艳， 张增强， 李荣华， 等.微波辅助酸预处理玉米秸秆水解条件研究［J］.环境科学学报， 2009， 29（12）: 2557-2566.DOI:10.3321/ j.issn:0253-2468.2009.12.013.

［4］ 刘建飞， 曹妍， 杨茂华.微波辅助DMSO/AmimCl复合溶剂预处理玉米秸秆的酶解影响［J］.化学学报， 2012， 70（18）: 1950-1956.DOI:10.6023/A12050221.

［5］ 刘伟伟， 马欢， 曹成茂， 等.太阳能蒸汽爆破和微波预处理对玉米秸秆产沼气的影响［J］.农业工程学报， 2012， 28（22）: 227-234.DOI:10.3969/j.issn.1002-6819.2012.22.032.

［6］ 邹安， 沈春银， 赵玲， 等.微波预处理对玉米秸秆的组分提取及糖化的影响［J］.农业工程学报， 2011， 27（12）: 269-274.DOI:10.3969/ j.issn.1002-6819.2011.12.051.

［7］ 马小华， 张西亚， 袁红.微波辅助预处理对玉米秸秆中纤维素含量的影响及响应面优化［J］.江苏农业科学， 2013， 41（10）: 228-230.DOI:10.3969/j.issn.1002-1302.2013.10.086.

［8］ 李静， 杨红霞， 杨勇， 等.微波强化酸预处理玉米秸秆乙醇化工艺研究［J］.农业工程学报， 2007， 23（6）: 199-202.DOI:10.3321/j.issn: 1002-6819.2007.06.039.

［9］ 胡斌， 张亮亮， 胡青平.超声波预处理玉米秸秆的条件优化［J］.西北农业学报， 2012， 21（2）: 153-156.DOI:10.3969/ j.issn.1004-1389.2012.02.031.

［10］ YANG Peizhou， JIANG Shaotong， PAN Lijun， et al.Effects of ultrasound/dilute H2SO4pretreatment on cellulase activity of corn straw liquid fermentation［J］.Agricultural Basic Science and Method，2009， 10（6）: 20-22.DOI:10.3969/j.issn.1009-4229-B.2009.06.007.

［11］ 辛联庆， 陈娟.超声波结合稀碱预处理玉米秸秆发酵的研究［J］.北京化工大学学报（自然科学版）， 2013， 40（2）: 65-69.DOI:10.3969/ j.issn.1671-4628.2013.02.012.

［12］ 刘长虹， 吴树新， 朱艳坤.玉米秸秆制备木糖工艺的研究［J］.中国资源综合利用， 2009， 27（1）: 9-12.DOI:10.3969/ j.issn.1008-9500.2009.01.008.

［13］ 刘权， 王艳霞， 王翠， 等.微波·超声和碱液预处理对芦苇秸秆木质素的降解效果［J］.安徽农业科学， 2011， 39（28）: 17423-17424.DOI:10.13989/j.cnki.0517-6611.2011.28.037.

［14］ 杨昌炎， 吴祯祯， 郑冬洁， 等.玉米秸秆微波热解研究［J］.武汉工程大学学报， 2011， 33（6）: 20-22.DOI:10.3969/ j.issn.1674-2869.2011.06.004.

［15］ 牟莉.微波辅助下木质纤维素降解与溶解过程的研究［D］.长春: 东北师范大学， 2012.

［16］ 赵希强.农作物秸秆微波热解实验及机理研究［D］.济南: 山东大学， 2010.

［17］ SHEN Xiaofang.Combining microwave and ultrasound for rapid synthesis of nanowires: a case study on Pb（OH）Br［J］.Journal of Chemical Technology and Biotechnology， 2009， 84（12）: 1811-1817.DOI:10.1002/jctb.2250.

［18］ FENG Huangdi， YING Xili， PENG Yanqing， et al.FeCl3-promoted synthesis of 1，3，4-thiadiazoles under combined microwave and ultrasound irradiation in water［J］.Monatshefte fur Chemie-Chemical Monthly， 2012， 144（5）: 681-686.DOI:10.1007/s00706-012-0846-x

［19］ 李松晔， 刘晓非， 庄旭品， 等.棉浆粕纤维素的超声波处理［J］.应用化学， 2003， 20（11）: 1030-1034.DOI:10.3969/ j.issn.1000-0518.2003.11.003.

［20］ 熊犍， 叶君， 梁文芷， 等.微波对纤维素Ⅰ超分子结构的影响［J］.华南理工大学学报（自然科学版）， 2000， 28（3）: 84-89.DOI:10.3321/ j.issn:1000-565X.2000.03.016.

［21］ 彭松， 王红娟， 彭峰.温和条件下微波超声协同作用对纤维素酸解的研究［J］.化工新型材料， 2009， 37（5）: 64-68.DOI:10.3969/ j.issn.1006-3536.2009.05.023.

［22］ 梁新红， 严天柱， 刘邻渭.预处理方法对作物秸秆生物转化的影响［J］.山西食品工业， 2004（4）: 5-8.DOI:10.3969/ j.issn.1673-6044.2004.04.002.

［23］ SINGH A， TUTEJA S， SINGH N， et al.Enhanced saccharification of rice straw and hull by microwave-alkali pretreatment and lignocellulolytic enzyme production［J］.Bioresource Technology，2011， 102（2）: 1773-1782.DOI:10.1016/j.biortech.2010.08.113.

［24］ 邹安， 沈春银， 赵玲.玉米秸秆中半纤维素的微波-碱预提取工艺［J］.华东理工大学学报， 2010， 36（4）: 469-474.

［25］ 崔玲.超声波与助剂强化玉米秸秆预处理与酶水解的研究［D］.南京: 南京林业大学， 2007.DOI:10.7666/d.y1111938.

Optimization of Microwave/Ultrasonic-Assisted Sulfuric Acid Hydrolysis of Corn Straw by Using Response Surface Methodology

LI Wenjie1， LI Hongfei1，2，3， WANG Weihao2， JIA Pengyu1，2， KANG Lijun1， KOU Fang1， ZHANG Lili1， YIN Jing1， CAO Longkui1，2，*
（1.College of Food Science， Heilongjiang Bayi Agricultural University， Daqing 163319， China； 2.National Coarse Cereals Engineering Research Center， Daqing 163319， China； 3.Daqing Hongyuan Institute of Separation Technology， Daqing 163319， China）

In this study， we evaluated and compared the effectiveness of single and combined applications of microwave and ultrasonic for enhancing the sulfuric acid hydrolysis of corn straw.It turned out that the combined use of microwave and microwave was superior to either alone.Further， we optimized the microwave/ultrasonic hydrolysis process by using onefactor-a-time method and response surface methodology.A quadratic regression model for predicting the yield of reducing sugar as a function of 5 independent variables was formulated and validated.The marginal effect of the independent variables studied and their interactions were tested.The optimal process conditions were obtained as follows: temperature， 82 ℃；reaction time， 153 min； sulfuric acid concentration， 3.1%； solid/liquid ratio， 1:45 （g/mL）； and microwave power， 634 W.Under these conditions， the maximum yield of reducing sugar of 41.24% was obtained experimentally， which was in good agreement with the model prediction， indicating that the model is feasible.A 6.6% increase was achieved as compared to that obtained under the conditions: reaction time for 2 h at 120 ℃， a sulfuric acid concentration of 3%， and a solid/liquid ratio of 1:20 （g/mL）. Ion chromatographic analysis revealed that the hydrolysate solution under the optimized conditions contained 1.75% arab sugar， 0.44% galactose， 15.65% glucose， 7.98% xylose， 15.34% fructose， and 0.09% cellobiose.

corn straw； microwave； ultrasound； reducing sugar； response surface methodology； ion chromatography

10.7506/spkx1002-6630-201614008

X712

A

1002-6630（2016）14-0043-08

李文杰， 李洪飞， 王维浩， 等.响应面试验优化微波-超声协同辅助硫酸降解玉米秸秆工艺［J］.食品科学， 2016， 37（14）: 43-50.DOI:10.7506/spkx1002-6630-201614008. http://www.spkx.net.cn

LI Wenjie， LI Hongfei， WANG Weihao， et al.Optimization of microwave/ultrasonic-assisted sulfuric acid hydrolysis of corn straw by using response surface methodology［J］.Food Science， 2016， 37（14）: 43-50.（in Chinese with English abstract）

DOI:10.7506/spkx1002-6630-201614008. http://www.spkx.net.cn

2015-12-14

生物质综合利用生产产业化技术项目（2041020002）；黑龙江省科技攻关项目（GC13B602）

李文杰（1991—），女，硕士研究生，研究方向为生物质能源开发利用。E-mail：470513370@qq.com

*通信作者：曹龙奎（1965—），男，教授，博士研究生，研究方向为农产品加工。E-mail：caolongkui2013@163.com