超声波辅助磷钨酸降解水稻秸秆的工艺

李静 ，袁珍玉，吕佳佳 ，戴余军*

1. 湖北工程学院，湖北省植物功能成分利用工程技术研究中心（孝感 432000）；2. 湖北工程学院特色果蔬质量安全控制湖北省重点实验室（孝感 432000）；3. 湖北大学生命科学学院（武汉 430062）

中国是水稻种植大国，2016年中国的水稻秸秆产量约为2.28亿 t[1]。随着水稻种植面积的逐年递增，水稻秸秆的产量也在逐年增加。水稻秸秆是农业生产过程中的副产品，约占水稻质量的70%～80%，其中，纤维素、半纤维素、木质素的含量约占其秸秆质量的60%～80%[2]。纤维素和半纤维素是生产葡萄糖、甘露糖、半乳糖和阿拉伯糖等还原糖的重要来源。由于纤维素和半纤维素独特的理化性质，使其在自然状态下很难被降解，导致水稻秸秆利用率低，利用程度受到限制。目前，利用农作物秸秆降解生产还原糖的研究多集中在酸、碱降解法和酶法降解方面[3-9]，利用超声波辅助磷钨酸降解水稻秸秆的方法鲜见报道。研究选用超声波作为辅助提取手段，对磷钨酸降解水稻秸秆的工艺进行研究，以期提高水稻秸秆降解生产还原糖的效率，为实现变“草”为“粮”提供新的思路。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

水稻秸秆：选取孝感本地2018年10月秋收后水稻秸秆，清水洗净，剪成约5 cm长短，放入烘箱中烘至恒重，经粉碎机粉碎后，过40目筛保存备用。

3, 5-二硝基水杨酸，化学纯；磷钨酸、葡萄糖、苯酚、氢氧化钠、无水亚硫酸钠、四水合酒石酸钾钠，分析纯。

1.2 仪器与设备

BL1311057型万能高速粉碎机，上海比朗仪器有限公司；DT5-2型低速台式离心机，北京时代北利离心机仪器有限公司；LKTC-B1-T型恒温水浴锅，江苏盛蓝仪器制造有限公司；DL-480B型智能超声波仪，海之信仪器有限公司；V5600型可见分光光度计，上海元析仪器有限公司。

1.3 试验方法

1.3.1 水稻秸秆降解工艺

称取0.5 g秸秆粉末，以1∶15（g/mL）料液比加入6%磷钨酸溶液，在60 ℃水浴锅中水浴4 h，再利用超声仪器在200 W下超声20 min，离心，取上清液。

1.3.2 单因素试验

1.3.2.1 超声功率对水稻秸秆降解的影响

称取0.5 g秸秆粉末，以1∶15（g/mL）料液比加入6%磷钨酸溶液，在60 ℃水浴锅中水浴4 h，超声20 min的条件下，研究超声功率分别100，150，200，250和300 W时，水稻秸秆还原糖的提取效果。

1.3.2.2 超声时间对水稻秸秆降解的影响

称取0.5 g秸秆粉末，以1∶15（g/mL）料液比加入6%磷钨酸溶液，在60 ℃水浴锅中水浴4 h，超声功率200 W的条件下，研究超声时间分别为20，40，60，80和100 min时，水稻秸秆还原糖的提取效果。

1.3.2.3 磷钨酸浓度对水稻秸秆降解的影响

称取0.5 g秸秆粉末，以1∶15（g/mL）料液比加入磷钨酸溶液，在60 ℃水浴锅中水浴4 h，超声功率200 W的条件，研究加入磷钨酸浓度分别为2%，4%，6%，8%和10%时，水稻秸秆还原糖的提取效果。

1.3.2.4 水浴温度对水稻秸秆降解的影响

称取0.5 g秸秆粉末，以1∶15（g/mL）料液比加入6%磷钨酸溶液，在水浴锅中水浴4 h，超声功率200 W的条件下超声20 min，研究水浴温度分别为30，40，50，60和70 ℃时，水稻秸秆还原糖的提取效果。

1.3.2.5 水浴时间对水稻秸秆降解的影响

称取0.5 g秸秆粉末，以1∶15（g/mL）料液比加入6%磷钨酸溶液，在60 ℃水浴锅中水浴，超声功率200 W的条件下超声20 min，研究水浴时间分别为2，4，6，8和10 h时，水稻秸秆还原糖的提取效果。

1.3.3 正交试验优化设计

在单因素试验的基础上选择影响显著的4个因素（超声功率、磷钨酸浓度、水浴温度、水浴时间）进行四因素三水平正交试验。1.3.4 还原糖含量测定

表1 水稻秸秆降解正交试验设计表

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为Y=1.123 3X-0.138 6，R2=0.995 6，线性关系良好。

还原糖产率计算公式为：

2 结果与分析

2.1 单因素结果分析

2.1.1 超声波功率对水稻秸秆降解的影响

由图1可知，随着超声功率的增加，还原糖产率不断增加，并在200 W时达到最大值为46.40%，继续增加超声功率，还原糖产率反而呈现下降趋势。这是因为在超声功率增加的初期，秸秆中的纤维素受到超声波的空化作用被降解为还原糖，随着超声功率的提高，空化作用的能量随之提高，使得空化泡的数量大大增加，有利于秸秆的降解。但是当功率继续增大时，空化泡过大无法瞬间崩灭，影响超声波处理的效率，同时已被降解的还原糖进一步转化为糖醛等低分子量物质，因此还原糖含量反而逐渐降低，还原糖产率也因此减小。因此，在其他条件不变时，超声波功率为200 W时为最佳。

图1 超声功率对水稻秸秆降解的影响

2.1.2 超声时间对水稻秸秆降解的影响

由图2可知，随着超声时间的延长，还原糖产率也呈现缓慢的增长趋势，并在80 min时达到最大值为39.10%，继续延长超声时间还原糖产率出现下降现象。这是由于在超声辅助处理初期，水稻秸秆受到空化作用被降解，随着时间的延长，水稻秸秆已经在最大程度上被降解，此时还原糖产率达到最大值。超声时间的进一步增加不能够进一步降解秸秆，同时降解所得的还原糖部分被分解为糖醛等物质，因此还原糖含量反而降低，还原糖产率下降。因此在其他条件不变的情况下，超声波时间选取80 min为最佳。

2.1.3 磷钨酸浓度对水稻秸秆降解的影响

由图3可知，随着磷钨酸浓度的增加，还原糖产率不断增加，并在6%达到最大值为44.22%，继续增加磷钨酸浓度，还原糖产率降低。这是因为磷钨酸浓度增加时会破坏纤维素的晶体结构，会产生更多的还原糖，使得还原糖产率增加，但是随着磷钨酸浓度的持续增加导致溶液的pH发生变化，pH降低，还原糖会进一步反应生成其他物质，使得还原糖产率降低。所以在其他条件不变的情况下，超声波辅助磷钨酸降解水稻秸秆时，磷钨酸浓度应选取6%为最佳。

图3 磷钨酸浓度对水稻秸秆降解的影响

2.1.4 水浴温度对水稻秸秆降解的影响

由图4可知，随着水浴温度的增加还原糖产率持续增加，在60 ℃时还原糖产率达到最大值为41.94%，进一步升温处理后还原糖产率下降。这是由于反应温度升高加速了水稻秸秆的降解，使得还原糖产率增加，但当温度过高时，还原糖会在高温条件下发生碳化，还原糖含量反而减少，还原糖产率降低。因此，在其他条件不变的情况下，水浴温度维持在60 ℃为最佳。

图4 水浴温度对水稻秸秆降解的影响

2.1.5 水浴时间对水稻秸秆降解的影响

由图5可知，随着水浴时间的增加，还原糖产率持续增加，水浴时间继续增加，还原糖产率降低。这是因为随着秸秆粉末与磷钨酸彼此充分接触，促进了纤维素的降解，还原糖产率增加，但是浸泡时间过长反而会生成一些其他的副产物，还原糖产率会有所下降。因而，在其他条件不变的情况下，水浴时间取4 h为最佳。

图5 水浴时间对水稻秸秆降解的影响

2.2 正交试验结果

基于单因素试验结果，选取超声功率、磷钨酸浓度、水浴温度、水浴时间这4个因素为自变量，以还原糖产率为评价指标，设计L9(34)因素表进行试验，结果见表2。由表2可知，超声波辅助磷钨酸降解水稻秸秆的影响程度为：水浴时间＞水浴温度＞磷钨酸浓度＞超声波功率。超声波辅助磷钨酸降解水稻秸秆的最佳条件是A2B2C3D3，即超声波功率为200 W，磷钨酸浓度为4%，水浴温度为70 ℃，水浴时间为6 h。在此条件下进行验证试验，重复3次，平均还原糖产率达到49.54%。验证试验组还原糖产率明显高于正交试验中还原糖产率最高的一组，结果符合预期效果。

表2 水稻秸秆降解正交试验结果分析表

由表3可知，超声波功率、磷钨酸浓度、水浴温度、水浴时间这4个因素的p值都小于0.01，说明这4个因素对水稻秸秆的降解均有极显著地影响。

表3 水稻秸秆降解正交试验方差分析表

3 结论

研究旨在探究超声波辅助磷钨酸对水稻秸秆降解的影响，以最终的还原糖产率为评价指标。在单因素试验的基础上设计正交试验，并进行极差分析和方差分析，得到影响效果从大到小为：水浴时间＞水浴温度＞磷钨酸浓度＞超声波功率。且4个因素都有极显著地影响还原糖产率。优化所得最佳工艺条件是A2B2C3D3，即超声波功率为200 W，磷钨酸浓度为4%，水浴温度为70 ℃，水浴时间为6 h时还原糖产率达到了最高的49.54%。此研究为水稻秸秆资源的再利用提供了良好的理论基础，为降解水稻秸秆生产还原糖提供数据支持。