马铃薯秸秆发酵制燃料乙醇预处理条件的优化研究

安玉民，王菊葵，魏文慧，陈思源

（宁夏师范学院化学化工学院，宁夏固原756000）

　　摘要：以马铃薯秸秆为原料，用不同浓度的稀盐酸、稀硫酸、NaOH溶液、Na₂S溶液、NaHCO₃溶液、NH₃·H₂O和NaOH-H₂O₂的混合溶液对马铃薯秸秆进行预处理；通过单因素和正交试验，分析预处理后秸秆中纤维素的含量、糖化率等。结果表明，对秸秆糖化率的影响由大到小为浓度、处理时间、固液比（质量与体积之比）、温度；以3%NaOH溶液和3%H₂O₂（体积比为2∶1）混合液为处理试剂，在温度为60℃，处理时间为4d，固液比（质量与体积之比）为1∶12为最佳的处理条件。

　　近年来，随着全球化石燃料日益短缺和环境污染加重，很多国家开展清洁能源和可再生能源的开发利用，其中，以农作物秸秆等木质纤维为原料生产燃料乙醇成为研究的焦点[1]。国内外一些公司建立了示范工厂，使木质纤维素生产燃料乙醇的技术初步实现了产业化。例如，加拿大Iogen公司建成用麦秸生产燃料乙醇的示范工厂，可加工麦秆50t/d[2]。美国的BC International公司以甘蔗残渣为原料，用稀硫酸水解的工艺[2]，计划建成年产燃料乙醇7600万L的工厂。美国的Arkenol公司在南加州建立了一个中试工厂，以稻草为原料，用浓酸水解的工艺生产燃料乙醇[2]。华东理工大学等单位以废木屑为原料，以酸水解的工艺为主，建成生产燃料乙醇约600t/a的示范工厂[3]。文献显示，研究大多以玉米秸秆和小麦秸秆为原料生产燃料乙醇，而以马铃薯秸秆为原料的相关研究较少。马铃薯秸秆是我国北方马铃薯产区的主要农作物废弃物，如果能加以利用，既可消除环境隐患，又能为农民增加收入。

　　秸秆的成分以纤维素、半纤维素为主，其次是木质素、蛋白质、氨基酸、树脂、单宁、无机盐等，其中，木质素与半纤维素将纤维素分子紧紧包裹在里面，且木质素的结构复杂，难溶于水。研究表明，若不除掉木质素，在秸秆酸解和酶解时，纤维素的水解效率只有10%~20%[4]。因此，要提高秸秆中纤维素的酶解效率和“出酒率”，需对原料进行预处理，首先要解决木质素的降解问题。目前，对玉米秸秆的预处理主要有物理方法、化学方法[5]和生物预处理法[6-7]，其中，化学方法中的稀酸水解法[8]研究比较多。借鉴对玉米秸秆的预处理技术，笔者分别用稀盐酸、稀硫酸、NaOH溶液、NaOH-H₂O₂混合溶液、Na₂S溶液、NaHCO₃溶液、NH₃·H₂O对马铃薯秸秆进行预处理，测定处理后秸秆的糖化率，并对预处理条件进行优化，寻找最佳的处理条件。

　　1材料与仪器

　　原料取自宁夏固原市西吉县新营乡白城村。马铃薯秸秆经水洗后干燥，粉碎，过30~60目筛，备用。SE-202F电子天平（东莞市精工仪器厂）；J2X-9076电热恒温鼓风干燥箱（上海博迅实业有限公司）；SHB-IV循环水式真空泵（郑州长城科工贸有限公司）；XMTD-204数显式电热恒温水浴锅（常州诺基仪器有限公司）；VIS-723N紫外可见分光光度计（北京瑞利分析仪器公司）；ZD-85恒温振荡器（常州国华电器有限公司）。

　　2实验

　　2.1试剂的预处理

　　取15g秸秆粉3份，分别加入250mL碘量瓶中，按m（固）∶V（液）=1∶10分别加入0.5%，1%，2%的稀盐酸、稀硫酸、NaOH溶液、NaHCO₃溶液、NaOH-H₂O（等浓度混合）混合液、Na₂S溶液、NH₃·H₂O，混合后用保鲜膜覆盖，再用橡皮筋密封，20℃下放置5d。用碱中和至中性，抽滤。用自来水充分冲洗，将滤渣在80℃烘干，测纤维素、半纤维素和木质素的损失率及糖化率。

　　2.2实验方法

　　2.2.1葡萄糖标准曲线的绘制 用二硝基水杨酸（DNS）法[9]测葡萄糖标准溶液的光密度D，绘制葡萄糖的标准曲线。取经80℃干燥2h的葡萄糖固体0.100g，加水溶解后定容于100mL容量瓶中。取6支25mL比色管，分别加入葡萄糖标准溶液（ρ=1.0g/L）0，0.2，0.4，0.6，0.8，1.0mL，补充蒸馏水至2mL。再分别加入2.0mL的DNS试剂，摇匀，在沸水中加热5min，冷却后定容至25mL。取浓度最大的溶液，在λ=470~550nm进行波长扫描，选择D最大的波长作为测定波长，在该波长下测定混合体系的D，绘制葡萄糖溶液的标准曲线。

　　2.2.2纤维素、半纤维素和木质素的损失率 秸秆粉经预处理后，测定各种试剂处理前后样品中纤维素、半纤维素和木质素的质量分数[10]，计算各种组分的损失率RL:

　　2.2.3秸秆的糖化率 在100mL具塞三角瓶中加入1g预处理秸秆粉和50mL 0.1mol/L HAc-NaAc缓冲溶液（pH=4.8），再加入1mL 1%纤维素酶（ 15000U/g）溶液及2滴甲苯，放置恒温振荡器中，在60r/min、45℃下反应48h。然后取0.4mL糖溶液于25mL比色管中，再加入0.8mLDNS试剂，摇匀，沸水中加热5min，冷却后定容至25mL。用分光光度计在λ=490nm时测定混合体系的D。在同样的条件下，测定不加酶、各预处理后秸秆溶液的D。根据以下公式计算秸秆的糖化率RG:

　　2.2.4正交实验 根据预处理结果，选择处理后样品中纤维素、葡萄糖质量分数最高的试剂，进行以处理试剂的浓度、处理温度、处理时间、固液比（质量与体积之比）为因素的L₁₆（4⁴）正交实验，筛选最佳的预处理条件。

　　3结果与分析

　　3.1预处理后样品中各组分的质量分数及损失率

　　预处理前，马铃薯秸秆中纤维素、半纤维素和木质素的平均质量分数分别为35.35%，11.60%，26.45%（表1）。预处理后，纤维素损失率最大的是用NH₃·H₂O处理后的样品，平均损失率为62.33%，损失率最小的是用NaOH-H₂O₂混合溶液处理后的样品，平均损失率为6.84%；半纤维素损失率最大的是用NaOH溶液处理后的样品，平均损失率为36.3%；木质素损失率最大的是用NaOH-H₂O₂混合溶液处理后的样品，平均损失率为54 .66%。

　　3.2预处理后样品的糖化率

　　1）最佳测定波长的确定。取56g/L的葡萄糖标准溶液在分光光度计上进行波长扫描，从λ=470nm开始，每隔5nm扫描一次，记录溶液的D（图1）。由图1可知，还原糖在λ=490nm处有最大的吸收。

　　2）葡萄糖溶液的标准曲线。葡萄糖溶液的质量浓度ρ和体系的D见图2。

　　3）预处理后各样品的糖化率。预处理后各样品加酶前后溶液的D及RG见表2。由表2可知，用NaOH-H₂O₂混合溶液处理后，样品中纤维素的质量分数和加酶水解后的还原糖质量分数最高。尽管糖化率最高的是用NH₃·H₂O处理后样品，但用NH₃·H₂O处理后样品中纤维素的质量分数比用NaOH-H₂O₂混合溶液处理后的低很多，且还原糖的质量分数也低。因此，综合考虑各种因素，选择用NaOH-H₂O₂混合溶液作为处理试剂进行下一步实验。

　　3.3正交实验

　　根据上述预处理实验，选择用NaOH-H₂O₂混合溶液处理马铃薯秸秆。以混合溶液的质量分数w（A）、处理温度T（B）、处理时间t（C）、固液比（质量与体积之比，D）为因素，设计正交实验，结果见表3~4。

　　由表4可知，对糖化率的影响由大到小依次为处理试剂的浓度、处理时间、固液比（质量与体积之比）、处理温度，即最佳的实验条件为A₄C₂D₃B₄。

　　4结论

　　虽然酸解法在玉米秸秆的预处理中运用较广，但碱法处理的成本低，对环境的污染小。考虑诸多因素，在该实验条件下，对马铃薯秸秆的最佳预处理条件:以V（3%NaOH溶液）∶V（3%H₂O₂溶液）=2∶1为处理试剂，处理温度T=60℃、固液比（m（固）∶V（液））=1∶12、处理时间t=4d，秸秆的糖化率在40%以上。