王欢

摘 要：本文以玉米秸秆为原料，以硫酸为酸解剂，采用化学酸水解法对浓硫酸水解糖化作了研究，考察了浓酸水解的浓度、水解时间、水解温度、酸固比对水解工艺总糖收率的影响;采用正交实验优选了浓酸水解的工艺条件，确定较优的水解工艺条件为：酸浓度60%，酸固比 12：1，水解时间0.5 h，温度45℃，所得水解液中总糖收率可达66.54%。

关键词：酸水解;玉米秸秆;乙醇发酵

0 引言

人类进入21世纪对能源需求不断增加，我国能源战略也向多元化方向转变，生物质能源作为一种储量巨大的可再生能源，具有极大的发展潜力[1]。

秸秆的成分以半纤维素、纤维素为主，浓酸水解法是目前纤维质原料制糖重要的方法。浓酸水解糖的收率高，副产物较少，然而从经济方面考虑浓硫酸回收会增加操作费用且对生产设备要求高;酶法是纤维质类原料降解的发展趋势，但由于纤维质原料成分和结构的复杂性而使其应用受到限制。目前对木质纤维素的利用主要有热化学、生物化学等方法，将木质纤维素转化为固、液、气等能源加以利用。近几年，随着乙醇燃料需求量的增大，木质纤维素生化转化制取生物乙醇燃料的技术具有极大的发展前景。

1 实验部分

1.1 实验原料及仪器

原料：硫酸AR;玉米秸秆;葡萄糖AR;氢氧化钠AR;丙三醇AR;3，5-二硝基水杨酸CR。仪器：高速中药粉碎机（DFY-250）;电子天平（TB-214）;分光光度计（UV-754）;干燥箱（101-1）;加热炉（220V，2000W）;循环水式多用真空泵（SHB-IIIS）;集热式恒温加热磁力搅拌器（DF-101S）;高温油浴锅（N-6000）。

1.2 实验方法

1.2.1 原料预处理

玉米秸秆经粉碎机粉碎，筛分。将其中20-40目的秸秆粉末烘干后，置于干燥器内备用。

1.2.2 水解方法

将烘干后的秸秆与硫酸水溶液按一定酸固比加入到三口瓶，放入转子和沸石后，在油浴中加热进行酸解反应。反应一定时间后，冷却，减压过滤。

1.3 还原糖的测定

DNS法：吸取样液0.5mL，置于25mL比色管中，加蒸馏水至2mL刻度处，然后再加入DNS2mL，摇匀，置于沸水浴中加热2min，然后以流水迅速冷却，定容至25mL，摇匀。用分光光度计测其吸光度A，得样液浓度C1。

1.4 总糖收率的计算

式中：C1-样液的浓度（mg/mL）;V-容量瓶刻度（mL）;V1-吸取样液量（本文中均取0.5mL）;V2-比色管刻度（25mL）;总糖收率=M/M1×100%;M-总糖含量（g）;M1-原料质量（g）。

2 结果与讨论

2.1 常压浓酸水解糖化规律

2.1.1 浓酸浓度的影响

采用单因素实验分别研究浓酸浓度、水解时间、水解温度及酸固比对总糖收率的影响。

由图1可知，硫酸浓度在55%时有较大值。浓度低于55%时，玉米秸秆中纤维素的晶体结构不能被完全破坏，酸浓度增加至55%以后，总糖收率降低，表明糖类化合物发生了复合和分解反应，生成糠醛、羟甲基糠醛以及酚类化合物等。在水解效果相近的情况下，较低的硫酸浓度更具经济性。

2.1.2 水解时间的影响

在温度为65℃、酸固比为15：1、硫酸浓度为60%的条件下。总糖收率在0.45h处达到较大值。表明浓硫酸在0.45h以前能将秸秆中的纤维素水解得较完全;而在0.45h之后水解产物中出现脂肪酸、糠醛和芳香族化合物，致使总糖收率下降;1.1h以后，由于产物几乎不再变化，此处曲线较平缓。

2.1.3 温度的影响

总糖收率随温度升高而增加并在60℃时达到较大值，温度继续升高则总糖收率开始减小。这是由于温度升高，化学反应速率加快，纤维素几乎被完全水解，并且在60℃总糖收率有较大值;继续升温，糖类化合物在较高温度下被硫酸作用脱水生成糠醛及糠醛衍生物，又使得收率下降。

2.1.4 酸固比的影响

本文研究中，硫酸既作为水解剂，又作为催化剂。可以看出随着酸固比增加，在15：1时总糖收率达到较大值;但在15：1之前，酸固比的增加即增加了催化剂的量，在一定范围内促进糖化反应;在15：1后，酸固比过大，分子间碰撞机会减小，总糖收率降低。

2.2 常压浓酸水解糖化工艺条件的优化

以总糖收率为实验指标，进行四因素三水平（L934）无交互作用的正交实验。根据以上浓酸水解的单因素实验结果，系统考察酸浓度、水解时间、水解温度及酸固比对总糖收率的影响，并确定较优的浓酸水解糖化工艺条件，极差分析结果如表1所示。

由极差R知，各因素对总糖收率影响的显著性依次为：酸固比<温度<时间<浓度，浓度的影响达到极显著水平。这是由于浓酸主要水解纤维素，酸浓度增加，有利于水解。在选定水平范围内，水解时间适中，总糖收率较高。在本实验中，水解温度和酸固比各水平间的差异极小，对总糖收率几乎没有影响。综上，较优的实验条件为：酸浓度60%，水解时间0.45h，温度45℃，酸固比12：1。总糖收率可达66.54%。

2.3 浓酸水解制糖工艺的应用前景

该工艺的开发为秸秆制备燃料乙醇技术的推广应用奠定了基础，制糖条件温和、成本低廉、总糖收率高。玉米秸秆水解液中主要以可发酵的糖为主，容易被微生物所利用，因此可作为乙醇发酵底物用于发酵工业。

3 结论

①采用单因素及正交实验，考察了浓酸水解制糖工艺条件;②由极差R可知各因素对总糖收率影响的显著性依次为为：酸固比<温度<时间<浓度;③确定了浓酸水解较优的工艺条件为：酸浓度60%，水解时间0.45h，温度45℃，酸固比12：1。总糖收率可达66.54%。

参考文献：

[1]张龙翔.生化实验方法和技术（第二版）[M].北京：人民教育出版社，1997：116-123.

[2]徐洪章，葉小金，薛冬桦.玉米秸秆水解液发酵产微生物油脂的动力学模型研究[J].粮油食品科技，2014（04）.

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[4]崔振阳，张建，高秋强，鲍杰.玉米芯残渣原料发酵微生物油脂的营养因子优化[J].应用与环境生物学报，2013 （06）.

[5]许继飞，张艳芬，赵桂琦，赵吉.产油酵母利用不同基质累积油脂的研究进展[J].中国生物工程杂志，2013（09）.