基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的棉稈酶解糖化的模擬與優(yōu)化

呼肖娜，龔曉武，王雅，陳宇，周娜*

（石河子大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院/新疆兵團(tuán)化工綠色過程重點(diǎn)實驗室，石河子 新疆 832003）

新疆盛產(chǎn)棉花，同時有棉花秸稈（簡稱棉稈）生成，2016年棉稈產(chǎn)量約有1.2×107t[1]。目前，大部分棉稈用于還田或焚燒，只有少量被有效利用[2]。為了提高棉稈的利用率，可將棉稈轉(zhuǎn)化生產(chǎn)可發(fā)酵糖，為發(fā)酵生產(chǎn)生物乙醇提供原料[3]。

棉稈的化學(xué)組分主要包括纖維素、半纖維素和木質(zhì)素，其中纖維素被木質(zhì)素和半纖維素包裹，導(dǎo)致纖維素在酶解反應(yīng)中轉(zhuǎn)化生成葡萄糖的水解效率低，因此，在酶解反應(yīng)之前，必須對棉稈進(jìn)行預(yù)處理[4]。堿法預(yù)處理因其處理效率高且工藝較為簡單已成為最可行的方法之一[5]。Silverstei等[6]比較 H2SO4、NaOH、H2O2和O3四種不同試劑對棉稈的處理過程發(fā)現(xiàn)，NaOH可以去除65.63%的木質(zhì)素，使纖維素的轉(zhuǎn)化率達(dá)到60.8%。目前，有關(guān)生物質(zhì)酶解糖化的研究表明，生物質(zhì)在水解過程中受到多種因素的影響，且其動力學(xué)過程是非線性的，酶解機(jī)理復(fù)雜，簡單的模型無法精確的解釋[7-8]。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（Artificial neural network，ANN）基于模擬生物大腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)處理，可對非線性過程進(jìn)行模擬分析，從而預(yù)測未知物；其中，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的誤差反向傳播，可以通過調(diào)整網(wǎng)絡(luò)權(quán)值和閾值，降低預(yù)測誤差。近年來，由于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有較好的預(yù)測性能被廣泛應(yīng)用[9]，然而，在生物質(zhì)的酶解過程中鮮有應(yīng)用。

本研究首先通過Box-Behnken設(shè)計實驗，然后采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型對經(jīng)NaOH預(yù)處理的棉稈在纖維素酶中水解的過程進(jìn)行模擬與優(yōu)化，得到最佳酶解條件，并對酶解前后的棉稈進(jìn)行了形貌和結(jié)構(gòu)表征。

1 實驗部分

1.1 實驗原料

實驗所用棉稈取自石河子市郊區(qū)，先日照曬干，然后粉碎、過篩，得到2 mm粒徑的棉稈，保存?zhèn)溆谩?/p>

1.2 試劑

氫氧化鈉（NaOH），分析純，天津市永晟精細(xì)化工有限公司；無水乙酸鈉（CH3COONa），分析純，天津市福晨化學(xué)試劑廠；冰乙酸(CH3COOH)，分析純天津市永晟精細(xì)化工有限公司；纖維素酶，寧夏和氏璧生物技術(shù)有限公司。

1.3 NaOH預(yù)處理棉稈的纖維素酶水解方法

取10 g粉碎的棉稈于250 mL的反應(yīng)器中，加入100 mL 6%（wt/wt）NaOH溶液，在60℃反應(yīng)60 h，預(yù)處理完成后，水洗至中性，烘干，保存。將適量上述經(jīng)NaOH處理后的棉稈置于錐形瓶中，加入含有纖維素酶的緩沖溶液，調(diào)節(jié) pH為 4.5-5.0，設(shè)置纖維素酶用量（30-70 FPU/g）、溫度（35-55℃）、酶解時間（0-72 h）、和固含量（S/L，5-15%(wt/v)），進(jìn)行單因素實驗，研究不同因素對棉稈在纖維素酶中水解效率的影響。每個實驗進(jìn)行2次，求均值。

1.4 Box-behnken實驗設(shè)計

在單因素實驗的基礎(chǔ)上，根據(jù)Box-Behnken中心組合實驗設(shè)計原理，研究纖維素酶酶解的4個反應(yīng)條件（纖維素酶用量、酶解溫度、酶解時間和固含量）對棉稈酶解產(chǎn)糖的影響，設(shè)計四因素三水平實驗，如表1所示。每組平行2次。

表1 Box-behnken設(shè)計的變量和對應(yīng)的范圍Tab.1 Variables and their ranges used by Box-Behnken design generation

1.5 分析方法

棉稈酶解液中的還原糖含量通過HPLC測定，測試條件見文獻(xiàn)[10]；采用掃描電鏡（SEM）表征物料的表面形貌；物料的結(jié)晶度指數(shù)用XRD分析測定[11]。結(jié)晶度指數(shù)是根據(jù)經(jīng)驗公式（1）計算，通過XRD圖譜計算結(jié)晶度指數(shù)。利用FT-IR譜圖記錄物料的官能團(tuán)變化。

上式中：002指 002晶面的最大衍射峰強(qiáng)；am指2 =18°時的衍射峰強(qiáng)。

1.6 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的建立

在Box-Behnken設(shè)計實驗基礎(chǔ)上，采用Matlab 2014軟件，通過BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立模型，以纖維素酶用量、酶解溫度、水解時間以及固含量為網(wǎng)絡(luò)的4個輸入?yún)?shù)，以棉稈的還原糖產(chǎn)率作為輸出目標(biāo)參數(shù)，通過多次訓(xùn)練，在確保預(yù)測還原糖產(chǎn)率與實驗值之間的誤差足夠小時，確定隱含層的神經(jīng)元數(shù)為7，即網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)為 4-7-1，如圖1所示。

圖1 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型圖Fig.1 BP Neural network diagram

在BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型中， 代表網(wǎng)絡(luò)的連接權(quán)值，下標(biāo) 和 分別代表輸入層、隱含層和輸出層的神經(jīng)元，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)神經(jīng)元之間的連接權(quán)值可以評估輸入變量對輸出變量的影響[12]。根據(jù)模型的均方誤差（Mean Square Error，MSE）和相關(guān)系數(shù)（ ）可以評估棉稈在纖維素酶中酶解過程的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的有效性， 值越小， 趨于1，網(wǎng)絡(luò)模型的穩(wěn)定性越好，預(yù)測能力越精準(zhǔn)[9，13]。

2 結(jié)果與分析

2.1 棉稈的化學(xué)組分分析

棉稈原料、NaOH處理棉稈以其酶解后棉稈的各組分含量如表2所示。由表2可知：棉稈經(jīng)過NaOH預(yù)處理以及纖維素酶酶解后，纖維素含量先從30.32%上升到61.5%，然后下降至31.25%；半纖維素含量變化不顯著；木質(zhì)素含量從25.54%減小到17.19%，水解后上升至31.62%。這也表明NaOH處理可以有效去除或降解木質(zhì)素，使纖維素的含量相對升高[14]。另外，在纖維素酶溶液中，棉稈中的纖維素水解生成可發(fā)酵糖，使纖維素的含量降低。

表2 三種棉稈物料的組分Tab.2 Chemical composition of three different kinds of cotton stalk materials

2.2 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的建立與優(yōu)化

在單因素實驗基礎(chǔ)上，通過Design Export 8.0軟件中的Box-Behnken設(shè)計對棉稈在纖維素酶中酶解的反應(yīng)進(jìn)行設(shè)計，根據(jù)實驗設(shè)計方案進(jìn)行實驗，棉稈的還原糖產(chǎn)率列于表3中，棉稈在纖維素酶中酶解的數(shù)據(jù)將用于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的建模分析。

根據(jù)Box-Behnken實驗設(shè)計得到的數(shù)據(jù)（表3）完成神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的構(gòu)建。通過網(wǎng)絡(luò)代碼的編輯，將28組數(shù)據(jù)分成三部分，14組數(shù)據(jù)用于網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練，7組數(shù)據(jù)用于網(wǎng)絡(luò)測試，剩余的7組用于網(wǎng)絡(luò)驗證。經(jīng)過多次模擬，得到最優(yōu)網(wǎng)絡(luò)模型結(jié)構(gòu)見圖1。

在BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的多次訓(xùn)練過程中，網(wǎng)絡(luò)輸出值與實驗結(jié)果的誤差下降穩(wěn)定。由表4可知：

（1）BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型(訓(xùn)練、測試和驗證)的 MSE值小，表明優(yōu)化后的模型比較穩(wěn)定；

（2）模型的回歸值接近 1，表明 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在預(yù)測NaOH處理棉稈在纖維素酶中酶解產(chǎn)糖方面是有效的。

表3 Box-Behnken設(shè)計方案及響應(yīng)值Tab.3 Box-Behnken experimental design and corresponding extraction yields

表4 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的均方誤差及回歸值Tab.4 MSE and R of the BPNN model

棉稈在纖維素酶中糖化過程的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型參數(shù)經(jīng)過多次訓(xùn)練以及優(yōu)化，得到最優(yōu)的參數(shù)，結(jié)果見表5。

表5 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化參數(shù)（權(quán)值和閾值）Tab.5 Optimized parameters(weights and bias)of the BPNN model

采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對棉稈在纖維素酶中酶解過程進(jìn)行模擬訓(xùn)練后，運(yùn)用仿真分析，再將網(wǎng)絡(luò)仿真的輸出結(jié)果和實驗得到還原糖產(chǎn)率進(jìn)行回歸分析，得到 為0.9571，網(wǎng)絡(luò)輸出結(jié)果與實驗結(jié)果非常接近，表明建立的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型可以用于預(yù)測NaOH處理棉稈在纖維素酶中酶解產(chǎn)糖的工藝。

圖2 還原糖產(chǎn)率真實值與BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測值的比較圖Fig.2 Comparison of experimental reducing sugar yield and BPNN simulated value

根據(jù)建立的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的連接權(quán)值，可以定量計算出纖維素酶用量、酶解溫度、水解時間和固含量對輸出結(jié)果的貢獻(xiàn)率，結(jié)果（表6）顯示：酶解的各因素對還原糖產(chǎn)率影響強(qiáng)弱為：酶解溫度>水解時間>纖維素酶用量>固含量。

通過BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化棉稈酶解糖化過程，得到最優(yōu)的水解條件為：纖維素酶用量、酶解溫度、水解時間和固含量分別為70 FPU/g、46.31℃、72 h和7.5%，在此條件下獲得最高還原糖產(chǎn)率為62.14%。

表6 纖維素酶酶解因素對棉稈酶解過程的貢獻(xiàn)率Tab.6 Relative importance of input variables on enzymatic digestibility

對該模型的預(yù)測結(jié)果進(jìn)行驗證，得到還原糖產(chǎn)率為62.63%，驗證實驗結(jié)果與預(yù)測值相近，表明建立的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型在預(yù)測棉稈在纖維素酶中酶解產(chǎn)糖方面較為可靠。

2.3 表征與分析

對棉稈原料、NaOH處理棉稈以及酶解后的棉稈殘渣進(jìn)行XRD和FT-IR分析，結(jié)果如圖3所示。

由圖3中XRD圖可計算出棉稈原料結(jié)晶度指數(shù)為30.91%，經(jīng)NaOH處理后升至51.59%，酶解后降低到38.29%，表明棉稈經(jīng)NaOH處理后，結(jié)晶區(qū)的纖維素含量增大；酶解后，棉稈中的纖維素水解生成糖[15]，這與棉稈的組分分析結(jié)果一致。

棉稈物料FT-IR圖的波數(shù)范圍是從4000-600 cm-1。1720、1384和668 cm-1的吸收峰是木質(zhì)素的特征峰[16]，與原料相比，經(jīng) NaOH預(yù)處理后，此處峰強(qiáng)減弱，表明棉稈中的木質(zhì)素被去除。897 cm-1處吸收峰歸屬于纖維素特征峰，經(jīng)NaOH處理后，峰強(qiáng)增強(qiáng)，酶解后峰強(qiáng)減弱，這與XRD結(jié)果一致，這是由于棉稈中的纖維素含量經(jīng)堿處理后相對上升，酶解后又有所降低。

圖3 三種棉稈物料的XRD和FT-IR圖Fig.3 XRD diagram and FT-IR pattern of three different kinds of cotton stalk samples

對棉稈原料、NaOH預(yù)處理棉稈及其最優(yōu)酶解條件下水解后的棉稈殘渣進(jìn)行掃描電鏡（SEM）分析，結(jié)果（圖4）顯示：未處理棉稈的表面較為平整光滑，緊湊且無裂紋；經(jīng)過NaOH處理后，棉稈表面結(jié)構(gòu)破壞，原有的平滑規(guī)整的表面被打破，結(jié)構(gòu)松散，表面出現(xiàn)一些小孔；酶解后大量纖維素水解生成糖，表面孔徑擴(kuò)大，結(jié)構(gòu)嚴(yán)重破壞。

圖4 三種棉稈物料的的SEM圖（a.棉稈原料；b.NaOH處理棉稈；c.酶解后殘渣）Fig.4 SEM diagram of three different kinds of cotton stalk samples

3 討論

棉稈的酶解糖化過程主要采用纖維素酶將物料中的纖維素降解生成還原糖，為生產(chǎn)燃料乙醇提供糖源。因此，提高酶水解效率是非常重要的一步。

（1）棉稈中的纖維素被半纖維素和木質(zhì)素纏繞和包裹，難以被降解，堿預(yù)處理可以移除或降解木質(zhì)素，使纖維素表面暴露，提高與酶的接觸面積，從而提高棉稈的水解產(chǎn)率。

（2）通過Box-Behnken和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析得到的各因素對棉稈酶解糖化的貢獻(xiàn)率具有一定差異。Box-Behnken設(shè)計實驗是通過F檢驗法定性分析各因素對還原糖產(chǎn)率的影響，而BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型是根據(jù)輸入層與隱含層之間的權(quán)值以及隱含層與輸出層之間的權(quán)值來分析并定量計算各因素的貢獻(xiàn)率大小，兩者的計算方法和建模方式不同，導(dǎo)致模擬結(jié)果有所不同。纖維素酶水解棉稈生產(chǎn)還原糖是一個復(fù)雜的非線性過程，利用Box-Behnken設(shè)計結(jié)果作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練樣本，構(gòu)建非線性數(shù)學(xué)模型，可以降低實驗時間和成本。

4 結(jié)論

（1）本文研究建立了NaOH處理棉稈酶解糖化的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，該模型可以用于預(yù)測棉稈酶解的還原糖產(chǎn)率。

（2）經(jīng)NaOH處理的棉稈在纖維素酶中酶解的最佳條件如下：纖維素酶用量為 70 FPU/g，酶解溫度為46.31℃，水解時間為72 h，固含量為7.5%，此時棉稈的還原糖產(chǎn)率為62.14%。

（3）NaOH預(yù)處理可以有效去除棉稈中的木質(zhì)素，使纖維素的含量相對升高，與纖維素酶的接觸位點(diǎn)增多，從而提高棉稈的水解產(chǎn)率。