微波預(yù)處理小麥秸稈工藝優(yōu)化研究

丁梁斌

（徐州生物工程職業(yè)技術(shù)學院，江蘇徐州221006）

我國作為小生產(chǎn)大國，小麥秸稈產(chǎn)量大，分布廣。為實現(xiàn)秸稈的資源化，減少環(huán)境污染，增加綠色能源的產(chǎn)出，各國紛紛研究秸稈纖維素生產(chǎn)乙醇，并且取得了一定進展。原料的預(yù)處理是秸稈發(fā)酵產(chǎn)乙醇技術(shù)的瓶頸問題。微波預(yù)處理可以使纖維素的分子間氫鍵發(fā)生變化，提高植物纖維素酶水解的效率[1]。本文使用微波對小麥秸稈進行預(yù)處理，分別研究了在不同固液比、微波功率、微波加熱時間、不同物料粉碎度下微波預(yù)處理方法對小麥秸稈還原糖濃度的影響，確定小麥秸稈微波預(yù)處理的最佳工藝條件。

1 實驗部分

1.1 材料與儀器

小麥秸稈：取自徐州市泉山區(qū)附近農(nóng)田，不含秸稈根部和麥穗，烘箱50℃干燥后備用。

纖維素酶：1.5萬U/g綠色木霉產(chǎn)的高活性纖維素酶，國藥集團化學試劑有限公司。

萬用電爐，興化市騰廠電氣設(shè)備有限公司；電子天平，上海方瑞儀器廠；T6型分光光度計，北京普析；電熱恒溫鼓風干燥器機，蘇州貫覺電熱設(shè)備有限公司。

1.2 實驗過程

1.2.1 DNS溶液的制備

稱取182 g酒石酸鉀鈉溶解于500 mL的純化水中作為溶液 A，再精密稱取（6.3±0.01）g DNS溶解于1 mol/L的NaOH溶液中，并與A溶液混合，分別加入5 g重蒸酚和5 g亞硫酸鈉，攪拌至溶解，加水至1 000 mL，避光保存?zhèn)溆谩?/p>

1.2.2 葡萄糖標準溶液的制備

精密稱取經(jīng)干燥至恒重的葡萄糖（0.5±0.000 1）g，加10 mL純化水溶解，加3 mL濃度為12 mol/L的濃硫酸，加水定容至1 000 mL，即得濃度為500 μg/mL葡萄糖標準溶液。

1.2.3 纖維素酶溶液的制備

精密稱取（0.1±0.01）g纖維素酶，將上述緩沖溶液定容至50 mL，4℃下暫存。現(xiàn)用現(xiàn)配，一般不超過2 h。

1.2.4 緩沖溶液的制備

分別配制0.1 mol/L的檸檬酸和檸檬酸鈉溶液，混合兩種溶液，以pH計校準，使其pH為4.8。

2 方法與結(jié)果

2.1 還原糖濃度的測定

2.1.1 葡萄糖標準曲線的繪制

取6支試管，按表1的順序加入各種試劑，在波長為540 nm下，以1號管為對照管，測定吸光度A。以吸光度為橫坐標，葡萄糖濃度為縱坐標，繪制葡萄糖溶液標準曲線，結(jié)果如圖1，R值顯示擬合度較好。

2.1.2 小麥秸稈預(yù)處理方法

小麥秸稈粉碎后，過80目篩，烘箱中50℃干燥，分別在不同的固液比、微波功率、微波加熱時間下預(yù)處理，預(yù)處理完成后，依次編號，分別精密稱?。?.05±0.001）g，精密量取纖維素酶溶液2.5 mL，再加入緩沖溶液2.5 mL，混合均勻[2]。

2.1.3 還原糖測定方法

用2.1.2預(yù)處理后的混合液，在50℃條件下，150 rpm振蕩反應(yīng)1 h，置于沸水浴2 min終止反應(yīng)，并過濾。精密量取續(xù)濾液0.5 mL至試管中，加入0.5 mL的DNS溶液，用沸水浴加熱5 min,冷卻后再加入4 mL蒸餾水，測定吸光度。依據(jù)葡萄糖標準曲線，得出還原糖含量（μg）[2]。

表1 葡萄糖標準曲線的測定方法

圖1 葡萄糖標準曲線

2.2 微波預(yù)處理小麥秸稈正交實驗考查

通過查閱資料和預(yù)實驗，發(fā)現(xiàn)微波預(yù)處理實驗中，加熱時間、加熱功率以及物料比、粉碎度對還原糖的濃度有顯著影響[3]。為了探究微波處理小麥秸稈的最佳工藝條件，通過比較，選取液固比、微波功率、微波加熱時間、粉碎度為因素進行正交實驗設(shè)計，如表2所示。

表2 微波預(yù)處理條件的正交實驗因素水平表

圖2 不同液固比對還原糖濃度的影響

2.2.1 液固比對微波預(yù)處理效果的影響

稱取過80目篩的小麥秸稈粉5 g，在液固比為10∶1，15∶1，20∶1，25∶1和30∶1的條件下經(jīng)過320 W，6 min的微波處理后，洗滌，過濾，于50℃烘箱內(nèi)烘至恒重。從5組預(yù)處理后的小麥秸稈中，分別精密稱?。?.05±0.001）g，加入精密量取纖維素酶溶液2.5 mL，再加入緩沖溶液2.5 mL，混合均勻。（50±1）℃下，將上述混合溶液150 rpm振蕩進行催化反應(yīng)1 h后，置于100℃沸水浴2 min，終止酶解反應(yīng)，并濾紙過濾，以DNS分析法測定酶解液中的還原糖濃度。根據(jù)測得的數(shù)據(jù)繪制液固比對微波預(yù)處理后還原糖濃度的影響曲線（見圖2），橫坐標為液固比，縱坐標為還原糖濃度（μg/mL）。

從圖2可以看出，液固比對微波預(yù)處理后還原糖濃度的影響：液固比在10∶1～20∶1，隨著液固比的增加，還原糖濃度增大；當超過這個范圍后，增加水的量，還原糖濃度減小。結(jié)果表明：本設(shè)計的實驗中液固比為20∶1的預(yù)處理效果較好。

2.2.2 微波功率對微波預(yù)處理效果的影響

將液固比定為20∶1，微波加熱時間為6 min，微波功率分別設(shè)定從160～800 W，以160 W為梯度，選用五個檔次進行處理。微波處理后，洗滌，過濾，于50℃烘箱內(nèi)烘至恒重。按照2.1.2中的處理方法，以微波功率為橫坐標，還原糖濃度（μg/mL）為縱坐標，繪制微波功率對還原糖濃度的影響曲線圖（見圖3）。

圖3 不同微波功率對還原糖濃度的影響

從圖3可以看出，在160～320 W范圍內(nèi)，隨著微波功率的增加，還原糖的濃度呈增大趨勢；功率超過320 W，隨著微波功率的增加，還原糖濃度隨之減小。實驗表明，微波功率對小麥秸稈還原糖濃度有一定的影響，微波功率和微波加熱時間存在著一定的反比關(guān)系，微波加熱時間選擇6 min時，處理小麥秸稈的微波功率選擇320 W為最佳。

2.2.3 微波加熱時間對微波預(yù)處理效果的影響

液固比為20∶1，微波功率為320 W時，將微波加熱時間設(shè)置為2～10 min，以2 min為梯度。微波處理后，洗滌，過濾，于50℃烘箱內(nèi)烘至恒重。按照2.1.2中的處理方法，以還原糖濃度（μg/mL）為縱坐標，微波加熱時間為橫坐標，繪制不同微波加熱時間對還原糖濃度影響的曲線圖（見圖4）。

圖4 不同微波加熱時間對還原糖濃度的影響

從圖4可以看出，在2～6 min范圍內(nèi)，隨著加熱時間的延長，酶還原糖濃度也隨之增大；當加熱時間超過6 min后，纖維素酶催化小麥秸稈水解反應(yīng)呈下降趨勢?？紤]到節(jié)能問題，在本設(shè)計的實驗中，采用微波功率320 W，微波加熱時間6 min。

2.2.4 微波預(yù)處理小麥秸稈的正交實驗

按照表2設(shè)計微波預(yù)處理的L9(33)正交實驗，其設(shè)計方案和實驗結(jié)果見表3。

分析表3可以發(fā)現(xiàn)，液固比A的影響結(jié)果為A2＞A1＞A3；物料粉碎度B 因素的影響結(jié)果為 B3＞B1＞B2；微波加熱時間C的影響結(jié)果是C1＞C3＞C2，微波加熱功率D的影響結(jié)果是 D2＞D1＞D3。分析 B3和 B2無顯著性差異，考慮節(jié)能因素，故微波處理條件選擇A2B2C1D2。從表4可知，各因素的影響主次順序為A＞D＞C＞B，即微波預(yù)處理對還原糖濃度的影響顯著性依次是液固比、物料粉碎度、微波加熱時間和微波功率。在液固比為20∶1，物料粉碎度為80目，微波加熱時間為4 min和微波加熱功率為160 W時，其對應(yīng)的還原糖濃度為386.61μg/mL。

3 結(jié)論

小麥秸稈的預(yù)處理方法有微波預(yù)處理、酸堿預(yù)處理、甘油預(yù)處理等[3]。本文主要討論了微波預(yù)處理對小麥秸稈酶解的影響，通過正交實驗分析了影響微波預(yù)處理中各因素對酶解效果影響的顯著性。但工業(yè)生產(chǎn)中，往往需要兩種及兩種以上的預(yù)處理方法聯(lián)合使用，才能最大程度地提高還原糖濃度。

表3 微波預(yù)處理小麥秸稈的正交實驗

表4 微波預(yù)處理小麥秸稈的方差分析表