NaOH与超声联合预处理玉米秸秆实验条件优化研究

王 雪， 苏小红， 陆 佳， 刘 泽， 刘 伟*

(1. 黑龙江省科学院， 哈尔滨 150001； 2. 黑龙江省能源环境研究院， 哈尔滨 150022)

我国是玉米种植大国，2021年我国玉米种植面积预计达到4000万亩[1]，在为食品、饲料等领域提供丰富原料的同时，产生了大量的玉米秸秆。据测算，我国2020～2021年度玉米秸秆的产量约为2.65亿t[2-3]，如无序或简单利用，体现不出玉米秸秆的可利用价值，还可能引发环境污染。利用玉米秸秆经厌氧发酵制备生物能源已成为其高值化利用的方式之一，即可供给清洁的沼气能源，又能生产优质肥料，还能实现碳减排[4-8]，一直受到国内外的广泛关注。然而，由于玉米秸秆特殊的木质纤维素结构，使得其直接厌氧发酵产生沼气的效率较低，必须对其进行预处理才能进行高效利用。

玉米秸秆的木质纤维素结构由木质素、纤维素和半纤维素经过碳链相互交联在一起，具有空间结构难破解的特征，使得发酵微生物很难对其进行利用[9-11]。常用的预处理方法包括化学、物理、生物等方法[12-13]。在这些预处理方法中，碱预处理通过使秸秆纤维内部的氢键结合变弱，从而破坏木质素结构，便于纤维素、半纤维素的后续利用[14-17]；超声预处理可通过共振破坏秸秆纤维中的结晶结构，从而达到破坏木质纤维素结构的效果[18-21]。本试验基于前期研究，将碱预处理与超声预处理联合作用于玉米秸秆，并与单一预处理在还原糖含量、三素变化量、厌氧发酵产气等方面进行对比分析。以期得到各种预处理的最佳条件，为厌氧发酵产沼气提供理论基础。

1 材料与方法

1.1 试验材料与仪器

试验采用自然条件下风干的玉米秸秆作为试验材料。取自黑龙江省哈尔滨市松北区松花江村的玉米农田，经粉碎成2～3 cm的小段。接种物选择黑龙江省能源环境研究院正在运行的中试平台厌氧发酵罐中的沼液。实验中所有试剂均为分析纯。玉米秸秆理化性质如表1。

表1 玉米秸秆理化性质 (%)

实验设备：KQ-200KDE型高功率数控超声破碎仪，AMPTS II全自动甲烷潜力测试系统，GZX-9140MBE数显鼓风干燥箱，SX-4-10型箱式电阻炉控制箱，ANKOM 200i半自动纤维分析仪，UV8000型紫外可见分光光度计。

1.2 试验方法

1.2.1 NaOH预处理试验

在室温条件下，称取3 g玉米秸秆放在250 mL烧杯中，分别加入不同浓度的NaOH溶液(1%，2%，4%，6%，8%)，在不同的挥发性固体含量(Vs)质量分数(8，10，12，15，18)下浸泡，浸泡时间(1 d，2 d，3 d，4 d，5 d)，测定玉米秸秆的还原糖含量，研究最佳的NaOH预处理试验条件，以未经过预处理的玉米秸秆为对照组，用最佳单因素预处理试验结果做正交优化试验。

1.2.2 超声预处理试验

在室温条件下，称取3 g玉米秸秆放在250 mL烧杯中，采用不同的超声温度(15℃，30℃，45℃，60℃)、超声时间(5 min，10 min，15 min，20 min)、超声功率(100W，120W，140W，160W)进行玉米秸秆还原糖含量测定，研究最佳的超声预处理条件，以未经过预处理的玉米秸秆为对照组，用最佳单因素预处理试验结果做正交优化试验。

1.2.3 NaOH联合超声预处理优化试验

根据NaOH预处理和超声预处理正交试验得到的最佳结果，以影响还原糖含量的主要因素为输入变量，以还原糖含量为指标，采用Design Expert 11软件，根据Box-behnken设计优化NaOH和超声联合预处理条件试验。

1.2.4 厌氧发酵试验

将NaOH预处理,超声预处理,NaOH和超声联合预处理后的玉米秸秆进行厌氧发酵产甲烷试验。发酵单元采用500 mL广口瓶，有效容积400 mL，发酵温度为55℃，发酵在中性条件下进行，发酵周期为15 d，并以未经处理的秸秆作为对照试验组，每个处理均设置3个平行，每天记录产气含量。

1.3 检测指标及分析方法

干物质含量(Ts含量)测定：烘干法(电热恒温鼓风干燥箱，104℃下烘4 h)；挥发性固体含量(VS含量)测定：烘干法(马弗炉中600℃下烘2 h)；纤维素、半纤维素及木质素测定：半自动纤维分析仪分析；还原糖含量测定：DNS(3，5-二硝基水杨酸)比色法[22]；甲烷日产量及累积产量：AMPTS II系统测得。

2 结果与分析

2.1 NaOH预处理对秸秆还原糖含量的影响

2.1.1 NaOH浓度,VS,浸泡时间对秸秆还原糖含量的影响

在VS值为12%、浸泡时间为3 d的条件下，考察NaOH浓度对还原糖含量的影响如图1。当NaOH浓度为2%时，糖含量最高，糖含量为0.0799 g·g-1。但当NaOH浓度升高时，还原糖的含量呈下降趋势，这可能是由于有部分葡萄糖发生脱水反应生成了抑制物5-羟甲基糠醛、糠醛等[23-24]。

图1 NaOH浓度对还原糖含量的影响

在NaOH浓度为2%、浸泡时间为3 d的条件下，考察VS质量分数对还原糖含量的影响如图2。由图可知，VS质量分数为12时最佳，还原糖含量为0.0796 g·g-1。在相同NaOH浓度下，还原糖含量相差很小，说明VS不是影响秸秆还原糖含量的主要因素。

图2 VS质量分数对还原糖含量的影响

在NaOH浓度为2%,VS质量分数为12的条件下，考察了浸泡时间变量对还原糖含量影响如图3。从图可知，随着浸泡时间的增加，还原糖含量随之增加，当浸泡时间为3 d时，还原糖含量达到最大值0.0764 g·g-1；但随着浸泡时间继续增加，还原糖含量呈下降趋势。这是由于随着浸泡时间的增加，玉米秸秆在碱性环境中产生了抑制后续发酵的副产物，如5-羟甲基糠醛等，从而影响还原糖含量[25]。

图3 浸泡时间对还原糖含量的影响

2.1.2 NaOH预处理正交优化试验

为了找出最适宜的NaOH预处理条件组合，在确定各预处理单因子对玉米秸秆糖化效果影响的基础上，设计3因素3水平的正交试验。采用L9(33)正交表考察各因素之间的相互作用，得到9个正交试验组，结果见表2。由表可知，最佳NaOH预处理条件为2%NaOH浓度、VS为11%、浸泡时间为2.5 d。3个因素对玉米秸秆处理影响顺序RA>RC>RB，即NaOH浓度>浸泡时间>VS，以2%NaOH浓度、VS为11%、浸泡时间为2.5 d进行验证性试验，还原糖含量为0.0837 g·g-1，高于正交试验表中所有试验。

表2 NaOH溶液预处理秸秆正交试验结果

对NaOH预处理前后玉米秸秆纤维素、半纤维素和木质素含量进行测定，结果见表3。从表3可知，经过NaOH预处理秸秆的半纤维素和木质素含量降低，而纤维素含量升高。半纤维素含量从29.25%降低到21.24%；木质素含量从9.18%降低至3.92%；纤维素含量从44.46%升高到52.88%。这是由于半纤维素和木质素是碱溶性的，随着NaOH的浓度增加，半纤维素和木质素含量随之减少[26]；经过NaOH预处理后的秸秆纤维素相对含量增加，这是由于半纤维素和木质素含量减少，导致纤维素占比增加，同时包裹在纤维素表面的木质素被降解，使其部分裸露出来，增大与底物的接触面积，有利于提高还原糖的含量。

表3 NaOH预处理玉米秸秆组分含量 (%)

2.2 超声预处理对秸秆还原糖得率的影响

2.2.1 超声温度、时间、功率对秸秆还原糖含量的影响

在超声时间为10 min、超声功率为140 W的条件下，考察超声温度对还原糖含量的影响，实验结果如图4所示。当温度达到60℃时，玉米秸秆糖含量达到最大值0.0787 g·g-1。反应温度升高，能加速破坏秸秆纤维素的结晶度，使秸秆纤维结构疏松，加速木质素的溶解，提高了秸秆的预处理效率。

图4 超声温度对还原糖含量的影响

在超声温度为45℃及超声功率为140 W条件下，考察超声时间对秸秆预处理的影响，实验结果如图5所示。从图可知，超声时间越长，还原糖含量越高。当超声时间为20 min时，还原糖含量最高为0.0694 g·g-1。这可能是由于超声可破坏秸秆结构，超声时间越长，其结构破损越严重，进而使可转化的还原糖含量增加。

图5 超声时间对还原糖含量的影响

在超声温度为45℃及超声时间为10 min条件下，考察超声功率对玉米秸秆预处理效果的影响，实验结果如图6所示。当超声功率为100 W时，还原糖含量最大0.0781 g·g-1。随着超声功率的提升，还原糖含量反之下降，这是由于超声功率升高破坏了还原糖的分子结构，从而导致还原糖含量下降。

图6 超声功率对还原糖含量的影响

2.2.2 超声预处理优化试验

为了寻找最适宜的超声预处理条件组合，在确定各预处理单因子对玉米秸秆糖化效果影响的基础上，设计3因素3水平的正交试验。采用L9(33)正交表考察各因素之间的相互作用，得到9个正交试验组，试验结果(见表4)。有表可知，最佳超声预处理条件为超声时间为22 min,超声温度为60℃,超声功率为80 W。3个因素对玉米秸秆预处理影响顺序RC>RB>RA，即超声功率>超声温度>超声时间，以超声时间为22 min、超声温度为60℃、超声功率为80 W进行验证性试验，还原糖含量为0.0786 g·g-1，高于正交试验表中所有试验。

表4 超声预处理秸秆正交试验结果

从表5可知，超声预处理对秸秆组分含量的变化有一定的影响，其中，半纤维素和木质素的含量较对照组降低，而纤维素含量升高。半纤维素含量从29.25%最低降至27.17%，木质素含量从9.18%最低降至8.05%。这是由于低频超声波产生有规律而温和的空化泡，其所形成的空化泡在破裂时产生强烈冲击可有效提高玉米秸秆中半纤维素和木质素的溶出速度，使得半纤维素和木质素含量下降，超声对纤维素组分作用不大，纤维素的占比增加导致其相对含量略有增加。

表5 超声预处理玉米秸秆组分含量 (%)

2.3 NaOH联合超声预处理响应面优化试验

2.3.1 试验设计与结果

根据Design-Expert 11 软件中的Box-Behnken设计原理，以处理前后秸秆还原糖含量变化为试验指标，选取NaOH与超声波优化后的A(NaOH浓度/%)，B(浸泡时间/h)，C(超声功率/W)，D(超声温度/℃)4个因素为自变量，设计4因素3水平的响应面正交试验。分析试验组24个，误差估计试验组5个。试验因素水平见表6及试验设计与结果见表7。

表6 试验因素水平表

表7 联合预处理试验设计与结果

从表8可知，预处理前后玉米秸秆组分含量变化显著，NaOH联合超声预处理后的秸秆中半纤维素、木质素含量均较其他实验组有所降低，半纤维素相对于单一超声预处理组下降了的1.7倍，相对于单一NaOH预处理组下降了6.7倍，相对于未处理组下降了8.4倍；木质素含量降低了，是超声预处理组的1.1倍，是NaOH预处理木质素降低含量的5.1倍，是未处理组的6.8倍。而联合预处理后秸秆中纤维素含量，相比超声预处理纤维素提高了1.2倍，相比NaOH预处理纤维素提高了1.8倍，相比未处理组纤维素提高了2.2倍。从上述数据可知，NaOH联合超声预处理的秸秆比单一预处理的秸秆效果好。

表8 联合预处理玉米秸秆组分含量 (%)

2.3.2 模型方差分析

由表9可得知，模型决定系数R2为0.8405，表明该模型能够反映还原糖含量的响应情况，拟合的情况适合该试验，利用该模型分析还原糖含量可行。模型变异系数为3.04%，小于上限值10%，说明模型可信度高。信噪比为9.6302，大于下限值4，说明模型平均预测误差小，拟合度好[27]。

表9 数学模型R2分析

回归模型方差分析结果见表10。回归方差分析显著性检验表明，该回归模型p<0.0001，方程模型达到显著，失拟项p=0.4060>0.05，不显著，说明该模型的拟合程度较好，试验误差小。因此该回归方程模型成立，可以用此模型对玉米秸秆还原糖含量进行分析及预测。根据F值的大小可以判断各因素影响效果的主次，F值越大，则对应因素的影响越主要。从方差分析结果可以看出，A(NaOH浓度/%)，B(浸泡时间/h)，C(超声功率/W)，D(超声温度/℃)的F值分别为37.34,0.5215,1.36，0.3599，所以4个因素对糖含量变化影响主次顺序为A(NaOH浓度/%)>C(超声功率/W)>B(浸泡时间/h)>D(超声温度/℃)。交互因素AD的概率P=0.0329<0.05,说明AD为显著影响因素，其他交互因素大于0.05，无统计学差异。对回归方差分析数据进行回归拟合，得到自变量与糖含量(Y)的二次多项回归方程为:

表10 试验结果方差分析

Y=+0.0870+0.0046A-0.0005B-0.0009C+0.0004D-0.0025AB-0.0010AC-0.0007AD+0.0031BC+0.0013BD+0.0011CD-0.0031A2+0.0019B2-0.0000C2-0.0027D2

2.3.3 双因素交互作用分析

为了直观地展现预处理因素对糖含量的影响，根据回归方程，对A(NaOH浓度/%),B(浸泡时间/h),C(超声功率/W),D(超声温度/℃)交互作用项找出了3个交互作用对糖含量影响的响应面图，考察拟合响应曲面的性状。

3D图倾斜度越高，坡度越陡，说明两者交互作用越显著，即坡度反应该因素对响应值影响的强弱程度，如图7～图9。从响应面图中可以看出，NaOH浓度和超声温度对糖含量的影响大于浸泡时间和NaOH、NaOH浓度和超声功率的影响。从图9可知，倾斜度越不高，坡度越不陡，趋近于平面，说明两者基本没有交互作用，即对糖含量的影响非常弱。

图7 NaOH浓度和超声温度对糖含量影响

图8 浸泡时间和NaOH浓度对糖含量影响

图9 NaOH浓度和超声功率对糖含量的影响

2.3.4 最佳条件的确定及验证

通过Design-Expert 11 软件对对上述模型进行优化分析，得到最佳条件：3%NaOH浓度，浸泡时间为48.005 h，超声功率为78.030 W，超声温度为51.037℃，模型预测条件下的糖含量为0.0950 g·g-1，修正后预处理条件为3%NaOH浓度，浸泡时间为48 h，超声功率为80 W，超声温度为50℃。

为验证该数学模型预测最优条件的可靠性，按修正的处理条件，进行3次平行验证试验，取平均值得到糖含量为0.0947 g·g-1，模型预测值与实际验证值相对误差仅为0.0003。说明拟合条件良好，参数可靠。

2.4 预处理条件对玉米秸秆厌氧发酵产气特性影响

对预处理前后的玉米秸秆进行厌氧发酵产沼气验证实验，分析不同的预处理条件下秸秆产气特性。从图10可得知，预处理前后的秸秆产气效果差异显著，从产气高峰上来看，经过预处理的实验组其产气高峰均有所提前，较未经处理的对照组提前了2～3天，产气效果较好的是NaOH联合超声预处理组，其最大日产气量出现在第4天，产气量为15.85 mL·g-1d-1，较对照组提高了81.1%。

图10 不同预处理下的日产气量变化图

由图11可知，与未经处理的对照组相比，经过预处理后的秸秆其甲烷累积产气量增加显著，甲烷累积产气量最大的是NaOH联合超声预处理，产气量达108.29 mL·g-1TS，较未处理组提高了79.4%，其次是超声预处理组、NaOH预处理组，累积产气量分别为87.73 mL·g-1TS,101.21 mL·g-1TS，NaOH联合超声预处理组比单一超声处理组及NaOH预处理组产气量分别提高了23%,7%。这也说明了联合预处理比单一预处理效果好。

图11 不同预处理下甲烷累计产气量变化图

3 结论

本文研究了玉米秸秆厌氧发酵的超声预处理、NaOH预处理、NaOH联合超声预处理优化试验，分别从还原糖含量、组分含量、产气量等方面进行分析，得到如下结论：

(1)超声预处理秸秆最佳条件为超声时间为22min,超声温度为60℃,超声功率为80 W，还原糖含量为0.0786 g·g-1，最大日产气量为13.45 mL·g-1TS，平均日产气量为5.85 mL·g-1TS，甲烷累积产气量为87.73 mL·g-1TS。

(2)NaOH预处理秸秆最佳条件为2%NaOH浓度,VS为11%,浸泡时间为2.5 d，还原糖含量为0.0837 g·g-1，最大日产气量为14.41 mL·g-1TS，平均日产气量为6.75 mL·g-1TS，甲烷累积产气量101.21 mL·g-1TS。

(3)NaOH联合超声预处理秸秆最佳条件为3%NaOH浓度，浸泡时间为48 h，超声功率为80 W，超声温度为50℃，还原糖含量为0.0947 g·g-1，最大日产气量为15.85 mL·g-1TS，平均日产气量为7.22 mL·g-1TS，甲烷累积产气量108.29 mL·g-1TS。联合预处理试验比单一超声预处理组产气量提高了23%，比单一NaOH预处理组产气量提高了7%，比未经预处理的对照组产气量提高了79%。预处理前后玉米秸秆的三素含量证明，联合预处理后的秸秆木质素和半纤维素降解最多，而纤维素相对含量有所增加，说明联合预处理比单一预处理效果好。