黑曲霉聯合固體酸水解花生殼制備糠醛的研究

余先純，李湘蘇，龔錚午

（1.岳陽職業(yè)技術學院基礎部，湖南岳陽414000；2.中南林業(yè)科技大學材料科學與工程學院，湖南長沙410004；3.南華大學教務科，湖南衡陽421002）

黑曲霉聯合固體酸水解花生殼制備糠醛的研究

余先純1，2，李湘蘇3，龔錚午2

（1.岳陽職業(yè)技術學院基礎部，湖南岳陽414000；2.中南林業(yè)科技大學材料科學與工程學院，湖南長沙410004；3.南華大學教務科，湖南衡陽421002）

采用黑曲霉和WO3/SnO2固體酸聯合水解花生殼制備糠醛，運用正交實驗和響應面分析方法對主要因素進行了優(yōu)化分析。酶解的正交實驗結果顯示：在原料粒度110目、固液比1∶10、酶解溫度為50℃、酶解時間為7h和酶液用量為30U/g干花生殼粉的條件下，制備戊糖的平均含量為14.87g·L-1。固體酸制備糠醛的響應面分析表明：當水解溫度為163℃，水解時間134min，固體酸用量為6.4%時，糠醛的得率為68.52%，與未采用黑曲霉水解的工藝相比，糠醛的得率提高了15.69%。

黑曲霉，固體酸，聯合水解，糠醛得率，響應面分析

糠醛分子結構中有一個呋喃環(huán)和一個醛基以及呋喃環(huán)中的兩個雙鍵和環(huán)醚鍵，可以發(fā)生氫化、氧化、氯化、硝化和縮合等反應[1]，因此，其被廣泛應用于食品、醫(yī)療、化工等多個領域。花生殼作為農作物廢棄物，大部分是以焚燒的形式被處理掉，這不僅浪費了大量的資源，還污染了環(huán)境?；ㄉ鷼ぶ泻胸S富的半纖維素，其水解生成戊糖，生成的戊糖再經酸催化脫水生成糠醛[2]。目前，普遍采用強酸作催化劑來制備糠醛，但普遍存在著得率偏低、水解時間長、副產物多等不足，特別是大量的糠醛渣由于含有未分離的無機酸而只能用作鍋爐的燃料而不能用作肥料，造成資源的浪費。同時，液態(tài)的無機酸不僅對設備具有腐蝕作用，而且難以與產品分離。雖然也有采用醋酸法、改良硫酸、酸式鹽、堿式鹽、金屬氧化物等作為催化劑，但仍然對環(huán)境有一定的影響[3-4]。近年來，生物降解和固體酸催化技術符合“綠色化學”的要求而發(fā)展迅速。固體酸是可重復使用、易與液體分離的新型酸催化劑[5]；而生物酶水解的條件溫和、能耗低、無污染[6]。目前還沒有關于生物酶和固體酸聯合水解花生殼制備糠醛的報道。本研究以花生殼為原料，采用黑曲霉和固體酸聯合催化工藝將其降解制備糠醛，改善傳統(tǒng)制備方法中存在的成本高、得率低、污染環(huán)境等不足。

1 材料與方法

1.1 材料與設備

花生殼 采自湖南農村，風干后粉碎，過篩備用；黑曲霉 諾維信（中國）生物技術有限公司；固體酸 參照文獻[7]中的方法制備WO3/SnO2固體酸催化劑；主要試劑 均為分析純。

UV-2000型紫外-可見光分光光度計 中國萊伯泰科公司；SHZ-82數顯水浴恒溫振蕩器 江蘇科興；直徑為φ40mm、容積為500mL的不銹鋼反應釜 山東威海；170電子天平 德國Sartorius；TDL-40B離心機 美國Anke公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 花生殼的預處理 分別篩取20、50、80、110、140目經過干燥的花生殼粉，用固液比為1∶12（g/g）、濃度為6%的稀鹽酸浸泡2h后過濾，將濾渣用水洗凈后于80℃烘干至水分含量恒定，備用。

1.2.2 花生殼的酶解 稱取6.0g經過預處理的花生殼粉，加入一定量的酶液，用蒸餾水調節(jié)固液比，在一定溫度的水浴振蕩器內酶解一段時間，離心后測定離心液中的戊糖。

1.2.3 糠醛的合成 將經過黑曲霉酶解的花生殼及其殘渣和一定量的WO3/SnO2固體酸加入到帶有電磁攪拌器的高壓反應釜中加熱反應，嚴格控制各種反應條件，待反應結束后將反應釜迅速置于冰水中冷卻至室溫，過濾后進行檢測。同時將花生殼粉直接用固體酸水解進行對比實驗。

1.2.4 響應面實驗設計 將酶解液及其殘渣用WO3/SnO2固體酸作為催化劑合成糠醛。在探索性實驗的基礎上，以水解溫度（X1）、水解時間（X2）、固體酸用量（X3）3個因子為自變量，設計如表1所示的三因素三水平的響應面實驗組合。

表1 響應面實驗設計中的水平和編碼Table 1 Level and code of variables chosen for RSM design

1.2.5 花生殼酶解液中戊糖的檢測 用3，5－二硝基水楊酸（DNS）試劑法檢測花生殼酶解液中的戊糖，按照式（1）計算戊糖得率；用UV-2000型紫外-可見光分光光度計測定接收液中糠醛濃度，按照計算式（2）計算糠醛的得率。

2 結果與討論

2.1 酶解花生殼條件的確定

在探索性實驗的基礎上，采用單因素實驗，考察原料粒度、固液比、酶解溫度、酶液用量及酶解時間等因素對戊糖含量的影響，以確定酶解花生殼的最佳條件。

2.1.1 原料粒度確定 機械粉碎可以破壞木質素和半纖維素與纖維素的結合層，降低三者的結晶度，改變它們的結晶構造，有利于糖苷鍵斷裂，促進花生殼粉的降解[8]，同時，較小的粒度會增加與酶液的接觸面增大，加快降解。取粒度為20、50、80、110、140目經過預處理的花生殼粉，在其它條件相同的情況下進行對比實驗，結果見圖1，110目和140目戊糖的含量較高，且兩者相近，根據實驗數據以及考慮粉碎的成本，在本實驗條件下，確定花生殼的粒度為110目。

圖1 原料粒度對戊糖含量的影響Fig.1 Effect of raw material granularity on pentose content

2.1.2 固液比的確定 在水解溫度為50℃、酶液用量為30U/g干花生殼粉、酶解時間7h和花生殼粉粒度為110目的條件下，不同固液比體系中戊糖的得率如圖2所示，得率隨固液比的增加而增加，在1∶10（g/g）時戊糖的得率較大，再增加固液比，得率雖有所上升，但很緩慢。這可以解釋為：固液比的變化實際上是體系中酶液濃度發(fā)生了變化，而當固液比較高時，酶液濃度偏低，因而戊糖的得率增加緩慢。

圖2 固液比對戊糖含量的影響Fig.2 Effect of solid-liquid ratio on pentose content

2.1.3 酶解溫度的影響 反應體系的活性與酶解溫度相關。選擇固液比為1∶10、酶液用量為30U/g的干花生殼粉和粒度為110目的花生殼粉，在恒溫水浴振蕩器中、不同溫度下反應7h，結果如圖3所示，當溫度為40～50℃時，隨著溫度升高，酶解液中的戊糖量逐漸增加，并在50℃附近得率達到15.29g·L-1；當溫度高于50℃時，戊糖含量有降低的趨勢。這是因為升高溫度能夠提高反應體系的活化分子數，進而提高反應得率，但太高的溫度又會使酶液失活。

圖3 酶解溫度對戊糖含量得率的影響Fig.3 Effect of reaction temperature on pentose content

2.1.4 酶解時間的影響 反應體系中戊糖含量與酶解時間的長短相關。在水解溫度為50℃、酶液用量為30U/g干花生殼粉、固液比為1∶10和粒度為110目的條件下，不同酶解時間內反應體系中戊糖的含量見圖4，從圖4中可以看出，隨著水解時間的延長，戊糖的含量逐漸增加，當水解時間超過7h后，戊糖得率明顯減小。這是因為隨著酶解時間的增加，反應體系中副產物的量會逐漸增多，致使戊糖自身分解并和副反應產物進行縮合。

圖4 酶解時間對戊糖含量得率的影響Fig.4 Effect of reaction time on pentose content

2.1.5 酶液用量的影響 酶液的用量直接關系到水解速度、戊糖的含量以及生產成本等問題。在經過預處理的花生殼粉中加入固液比為1∶10的蒸餾水和不同量的酶液，置于溫度50℃恒溫水浴振蕩器中反應7h，結果見圖5，當酶液用量低于30U/g干花生殼粉時，隨著酶液用量的增加，戊糖釋放量明顯增加，但超過此值時，戊糖的釋放量增加緩慢。這是因為增加酶液用量實際上是增加了酶液與花生殼粉的接觸面積，當酶液與花生殼粉的接觸面積達到峰值后，多余的酶液無法參與反應，因此戊糖的釋放量增加緩慢。

圖5 酶液用量對戊糖含量得率的影響Fig.5 Effect of volume of enzymolysis solution on pentose content

在上述反應條件下，采用L16（45）的多因素的正交實驗得到最佳工藝：原料粒度110目、固液比1∶10、酶解溫度為50℃、振蕩水解時間為7h和酶液用量為30U/g干花生殼粉，在此條件下進行3次重復實驗，戊糖的平均含量為14.87g·L－1。

2.2 合成糠醛的工藝條件優(yōu)化

根據響應面實驗設計要求進行實驗，17次實驗結果見表2，其中中心點5個重復。

2.2.1 多元回歸分析 利用Design Expert 7.0軟件對實驗數據進行回歸分析，結果見表2所示。同時得到二次回歸方程：

表2 回歸模型方差分析Table 2 Analysis of variance for regression model

表2中模型的P值為0.0008，表明模型非常顯著；而失擬不顯著，說明模型能夠預測不同變量對糠醛得率的影響；同時，由式（3）可知，二次項系數均為負值，表明有最優(yōu)值存在。

圖6 固體酸用量和水解溫度對糠醛得率的影響Fig.6 Effect of dosage of solid acid and hydrolysis temperature on the furfural yield

模型的響應面如圖6～圖8所示。圖6為固體酸用量和水解溫度交互作用的響應面圖，從圖6中可以發(fā)現，在一定溫度條件下，糠醛的得率隨著固體酸用量的增加而增加，這是因為反應體系中H+濃度的增加有利于加速反應的進行；而在固體酸用量一定的條件下，糠醛的得率隨著溫度的增加首先快速增加，但隨后降低。這是因為增加溫度能夠增加反應體系的活性，有利于糠醛的生成，但過高的溫度又會使糠醛進一步水解為乙酰丙酸及乙酸[9]，因此呈現出在高溫時糠醛得率降低的現象。在本實驗條件下，當固體酸用量為6.5%左右，溫度在160℃附近時，糠醛的得率有最大值。

圖7為反應水解時間和水解溫度交互作用的響應面圖。圖7顯示，隨著水解溫度和水解時間的增加，糠醛的得率逐步增加，在160℃和135min附近時達到最大，隨后大幅度降低。這可以解釋為提高水解溫度和增加水解時間，能夠促進脫水反應的進行，但隨著水解時間的延長，反應體系中副產物的量會逐漸增多而對反應有抑制作用[10]。而增加水解溫度，糠醛在高溫處的分解也會增加。因此，較高的水解溫度和較長的水解時間均將導致糠醛得率的降低。

圖7 水解時間和溫度對糠醛得率的影響Fig.7 Effectofhydrolysistimeandtemperatureonthefurfuralyield

圖8顯示了水解時間和固體酸用量的交互作用對糠醛得率的影響：當固體酸用量一定時，隨著水解時間的延長，糠醛的得率迅速增加，隨后減緩；當水解時間一定時，隨著固體酸用量的增加，糠醛的得率表現出同樣的特性，甚至有下降的趨勢。這是因為增加固體酸的用量能夠提高合成糠醛的速度，而過高濃度的固體酸又會加速戊糖和糠醛的聚合，從而影響了糠醛產率。在本實驗條件下，在水解時間為135min左右、固體酸用量為6.5%左右時，糠醛的得率有最大值。

圖8 水解時間和固體酸用量對糠醛得率的影響Fig.8 Effect of hydrolysis time and dosage of solid acid on the furfural yield

2.2.2 工藝優(yōu)化與驗證 應用多元回歸模型對影響糠醛得率的參數進行優(yōu)化分析，得到較優(yōu)化的工藝條件為：水解溫度162.57℃，水解時間為134.25min，固體酸用量為6.37%，糠醛的得率為68.17%。以163℃為水解溫度，134min為水解時間，固體酸用量為6.4%，在此條件下進行3次驗證性實驗，3次實驗結果的平均值為68.52%，與預測值接近，進一步表明所建立的多元回歸模型對實驗結果具有較好的預測性。而在相同工藝條件下，沒有采用酶解工藝的糠醛得率只有52.83%，明顯較低。

圖9 模型的預測值與實際值Fig.9 Predicted value vs.actual of model

圖9為模型的預測值與實際發(fā)生的對比情況，各數據點的分布基本上呈一直線，表明所建立的模型具有一定的可預測性。

3 結論

3.1 利用黑曲霉水解花生殼，當原料粒度110目、固液比1∶10（g/g）、酶解溫度為50℃、振蕩水解時間為7h和酶液用量為30U/g干花生殼粉時，戊糖的平均含量為14.87g·L-1。

3.2 酶解能夠提高花生殼水解制備糠醛的得率，將酶解液及其殘渣以WO3/SnO2固體酸為催化劑制備糠醛，最佳工藝條件為：水解溫度163℃，水解時間134min，固體酸用量6.4%，此時糠醛的得率為68.52%，與相同工藝條件下未采用酶解相比得率提高了15.69%。

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Study on preparation of furfural with synergistic hydrolysis of aspergillus niger and solid acid method from peanut hull

YU Xian-chun1，2，LI Xiang-su3，GONG Zheng-wu2
（1.Basis Department，Yue Yang Vocationalamp;Technical College，Yueyang 414000，China；2.College of Material and Engineering，Central South University of Forestry and Technology，Changsha 410004，China；3.Academic Administration，University of South China，Hengyang 421002，China）

Furfural was made from peanut hull powder with synergistic hydrolysis with aspergillus niger and solid acid，orthogonal experiment and response surface methodology were applied to carry out optimum analysis on main parameters.The orthogonal experiment of enzyme experiments result showed that when the raw material granularity was 110 grit，solid-liquid ratio was 1∶10，the reaction temperature was 50°C，the reaction time was 7h，the volume of the enzymolysis solution was 30U/g of dried peanut hull powder and the average content of pentose was 14.87g·L-1.Response surface analysis indicated of solid acid hydrolysis that under a reaction temperature of 163°C，a reaction time of 134min and a solid acid dosage of 6.4%，the furfural yield could reach 68.52%.The synergistic hydrolysis of aspergillus niger and solid acid on peanut hull had the benefit of increasing the furfural yield.As compared to the technology without the use of aspergillus niger hydrolysis，the method produced furfural with 15.69%increased yield.

aspergillus niger；solid acid；synergistic hydrolysis；furfural yield；response surface methodology

TS201.2

B

1002-0306（2012）01-0230-04

2010－12－20

余先純（1969-），女，碩士，副教授，研究方向：生物質材料與高分子材料。

湖南省教育廳科技項目（08D124）。