摘要：采用酸法水解秸秆，以水解液中还原糖含量为指标，设计单因素试验考察水解剂、酸浓度、料液比、水解温度和水解时间等因素对水解效果的影响，并在此基础上采用正交试验设计对水解条件进行优化。结果表明，以稀硫酸为水解剂水解效果好于乙酸和水。优化的水解条件为水解时间1.0 h、稀硫酸质量分数5%、料液比1∶15（m秸秆∶V稀硫酸，g/mL）、温度120 ℃，该条件下水解液中还原糖含量为23.47 g/L。活性炭和Ca（OH）2配合使用可以有效地对水解液进行脱色，脱色率达46%。

　　关键词：秸秆；酸水解；还原糖；优化

　　中图分类号：S216.2 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2012）23-5436-03

　　Optimization of Hydrolysis Conditions of Corn Stalk by Acid Method

　　LIU Ping1a，ZHANG Zhu1b，ZHONG Xiang2，BAO Wen-ju1a，WEN Shao-hong1a

　　（1a.College of Life Science， 1b. Wenjing College， Yantai University， Yantai 264005， Shandong， China；

　　2.Yantai Entry-Exit Inspection and Quarantine Bureau， Yantai 264000， Shandong， China）

　　Abstract： Corn stalk was hydrolyzed by acid method. Using the content of reducing sugar in hydrolysates as indicator， the effects of hydrolyzing solvent， concentration of acid， solid to liquid ratio， hydrolyzing temperature and time on hydrolyzing were studied by single factor tests， based on which orthogonal design was conducted to optimize the hydrolysis conditions. The result showed that sulfuric acid was better hydrolyzing solvent that water and acetic acid. The optimum hydrolyzing conditions were， hydrolyzing time， 1.0 h； mass fraction of sulfuric acid， 5%； solid to liquid ratio，1∶15（m∶V， g/mL）； and hydrolyzing temperature， 120 ℃。 Under these conditions， the content of reducing sugar in hydrolysates could be 23.47 g/L. Activated carbon combining with Ca（OH）2 could decolorize the hydrolysates effectively as the decoloration rate reached up to 46%.

　　Key words： straw； acid hydrolysis； reducing sugar； optimization

　　中国每年会产生数亿吨农作物秸秆，其价格低廉、分布广泛，但目前的利用率极低，绝大多数被焚烧，这不仅是对资源的极大浪费，还会对生态环境造成严重破坏[1]。秸秆的主要成分为纤维、半纤维和木质素[2]，以其为原料，通过酸解或酶解法结合生物转化法制备琥珀酸、乳酸、乙醇等代谢产物，既可避免环境污染，又可实现生物质能源的高效利用，带来较大的经济和社会效益[3]。

　　酸法水解是转化秸秆常用的水解工艺，酸与秸秆原料反应，水解其中的纤维素和半纤维素，使其转化为单糖，预处理后的原料中木质素含量不变，半纤维素含量很少，纤维素的含量和聚合度有一定下降[4]。而酸解后的秸秆水解液含有糖类、微量元素等营养成分，可以被一些微生物利用，用于生产2，3-二丁醇[5]、乙醇[6，7]、甘油三酯[8]等工业原料。

　　本研究利用稀酸水解秸秆，以水解液中的还原糖含量为指标，设置单因素试验考察水解剂、酸浓度、料液比、水解温度和水解时间等因素对秸秆水解的影响，并通过正交试验优化水解条件，为秸秆资源的开发利用提供理论依据。

　　1 材料与方法

　　1.1 材料

　　试验用玉米秸秆采自烟台郊区农田，干燥后粉碎至30目备用。

　　1.2 试验方法

　　1.2.1 单因素试验 将粉碎后的秸秆粉末与酸溶液按比例混合，加热一定时间进行水解，采用3，5-二硝基水杨酸（DNS）法[9]测定水解液中还原糖含量。设置单因素试验考察溶剂、酸浓度、料液比、水解温度和水解时间对水解效果的影响。①水解溶剂。分别以水、4%的硫酸或4%的乙酸为溶剂，每克秸秆粉末中添加10 mL溶剂，即料液比为1∶10（m秸秆∶V溶剂，g/mL，下同），120 ℃水解60 min。②酸浓度。根据①的试验结果，选择适宜秸秆水解的水解剂，调节酸浓度分别为0.5%、1.0%、2.0%、3.0%、4.0%、5.0%（质量分数，下同），料液比1∶10、120 ℃水解60 min。③料液比。根据①和②优化的结果，分别按1∶5、1∶15、1∶20、1∶25、1∶30的料液比添加水解剂，120 ℃水解60 min。④水解温度。按①～③优化的条件，分别在25、45、80、100、120 ℃水解60 min。⑤水解时间。按①～④优化的条件，分别水解15、25、40、60、100 min。

　　1.2.2 正交试验 以水解液中还原糖含量为指标，设计L9（34）正交试验考察水解时间、酸浓度、料液比和水解温度对秸秆水解的影响，正交试验因素与水平见表1。

　　1.2.3 水解液的脱毒脱色 秸秆水解过程中会产生部分有毒有色物质，水解后必须进行脱毒处理[10，11]。本试验采用活性炭和Ca（OH）2脱色脱毒的方法，向水解液中添加适量的活性炭，过滤后添加Ca（OH）2与SO42-形成沉淀去除SO42-，采用可见光分光光度计测定脱色前后的吸光度A480 nm，计算脱色率[12]：

　　脱色率=■×100%

　　2 结果与分析

　　2.1 单因素试验结果

　　2.1.1 水解剂对秸秆水解的影响 分别以水、4%的乙酸和4%的稀硫酸为水解剂对秸秆进行水解，水解液中的还原糖含量见图1。从图1可以看出，在其他条件相同时，4%的硫酸水解产生的还原糖含量最高，以水和4%的乙酸为水解剂，所得水解液中还原糖含量相差不大，且乙酸在水解过程中会由于温度的升高而挥发，所以宜采用4%的硫酸为水解剂。

　　2.1.2 稀硫酸浓度对秸秆水解的影响 水解剂稀硫酸的浓度不同，水解液中还原糖的含量变化结果见图2。从图2可以看出，在试验范围内随着稀硫酸浓度的升高，纤维素和半纤维素等物质的水解程度增大，水解液中还原糖的含量升高，但稀硫酸浓度高于4.0%时水解液的色泽加深，不利于后续处理。

　　2.1.3 料液比对秸秆水解的影响 采用4%的稀硫酸对秸秆进行水解，水解剂用量对秸秆水解液中还原糖含量的影响结果见图3。料液比过高会导致多余的原料不能被充分水解，料液比较低时较大的料液接触面积可以提高水解效率，但过多的水解剂会稀释水解液，使还原糖含量降低，并导致生产成本的增加。由图3可知，料液比为1∶15时水解液中还原糖含量最高。

　　2.1.4 水解温度对秸秆水解的影响 秸秆在不同温度下水解，所得水解液中还原糖的含量如图4所示。从图4可以看出，在试验范围内，随着水解温度的升高，水解液中的还原糖含量逐渐升高。温度升高会加快纤维素、半纤维素结构的破坏，有利于秸秆的水解，但过高的温度会导致原料以及水解得到的糖焦化，从而使还原糖的含量降低。

　　2.1.5 水解时间对秸秆水解的影响 水解液中还原糖含量随水解时间的变化结果见图5。由图5可知，还原糖含量随水解时间的延长先迅速升高，水解时间超过60 min时还原糖含量随水解时间延长而升高的趋势变得平缓，上升幅度变小。

　　2.2 正交试验结果

　　正交试验结果见表2。由极差分析可知，4个因素中水解温度对水解液中还原糖含量的影响最大，其次是水解时间和硫酸浓度，料液比的影响最小。最佳试验组合为A1B3C3D3，即水解时间1.0 h、稀硫酸浓度5%、料液比1∶15、温度120 ℃，该条件下水解液中还原糖含量为23.47 g/L，高于其他试验组合。

　　2.3 秸秆水解液的脱毒脱色处理

　　秸秆水解液在高温酸性条件下容易产生有毒物质，此外水解液中残留的酸使水解液pH偏小，不适于微生物的繁殖。活性炭具有吸附能力，可以吸附水解液中的部分有毒有色物质，Ca（OH）2可以有效地中和水解液中残留的硫酸，同时去除糠醛和可溶性木质素。本研究采用Ca（OH）2配合活性炭对水解液进行脱毒脱色处理，水解液的脱色率为46%，脱色效果显著。

　　3 小结与讨论

　　通过单因素试验发现稀硫酸是适合秸秆水解的水解剂，采用正交试验进一步得到优化的水解条件为水解时间1.0 h、稀硫酸浓度5%、料液比1∶15、温度120 ℃，在此条件下秸秆水解液中还原糖的含量为23.47 g/L。活性炭和Ca（OH）2配合使用可以有效地对水解液进行脱色，脱色率达46%。

　　参考文献：

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　　（责任编辑 向 闱）