安玉民，王菊葵，魏文慧，陳思源

（寧夏師范學院化學化工學院，寧夏固原756000）

　　摘要：以馬鈴薯秸稈為原料，用不同濃度的稀鹽酸、稀硫酸、NaOH溶液、Na₂S溶液、NaHCO₃溶液、NH₃·H₂O和NaOH-H₂O₂的混合溶液對馬鈴薯秸稈進行預處理；通過單因素和正交試驗，分析預處理后秸稈中纖維素的含量、糖化率等。結果表明，對秸稈糖化率的影響由大到小為濃度、處理時間、固液比（質量與體積之比）、溫度；以3%NaOH溶液和3%H₂O₂（體積比為2∶1）混合液為處理試劑，在溫度為60℃，處理時間為4d，固液比（質量與體積之比）為1∶12為最佳的處理條件。

　　近年來，隨著全球化石燃料日益短缺和環境污染加重，很多國家開展清潔能源和可再生能源的開發利用，其中，以農作物秸稈等木質纖維為原料生產燃料乙醇成為研究的焦點[1]。國內外一些公司建立了示范工廠，使木質纖維素生產燃料乙醇的技術初步實現了產業化。例如，加拿大Iogen公司建成用麥秸生產燃料乙醇的示范工廠，可加工麥稈50t/d[2]。美國的BC International公司以甘蔗殘渣為原料，用稀硫酸水解的工藝[2]，計劃建成年產燃料乙醇7600萬L的工廠。美國的Arkenol公司在南加州建立了一個中試工廠，以稻草為原料，用濃酸水解的工藝生產燃料乙醇[2]。華東理工大學等單位以廢木屑為原料，以酸水解的工藝為主，建成生產燃料乙醇約600t/a的示范工廠[3]。文獻顯示，研究大多以玉米秸稈和小麥秸稈為原料生產燃料乙醇，而以馬鈴薯秸稈為原料的相關研究較少。馬鈴薯秸稈是我國北方馬鈴薯產區的主要農作物廢棄物，如果能加以利用，既可消除環境隱患，又能為農民增加收入。

　　秸稈的成分以纖維素、半纖維素為主，其次是木質素、蛋白質、氨基酸、樹脂、單寧、無機鹽等，其中，木質素與半纖維素將纖維素分子緊緊包裹在里面，且木質素的結構復雜，難溶于水。研究表明，若不除掉木質素，在秸稈酸解和酶解時，纖維素的水解效率只有10%~20%[4]。因此，要提高秸稈中纖維素的酶解效率和“出酒率”，需對原料進行預處理，首先要解決木質素的降解問題。目前，對玉米秸稈的預處理主要有物理方法、化學方法[5]和生物預處理法[6-7]，其中，化學方法中的稀酸水解法[8]研究比較多。借鑒對玉米秸稈的預處理技術，筆者分別用稀鹽酸、稀硫酸、NaOH溶液、NaOH-H₂O₂混合溶液、Na₂S溶液、NaHCO₃溶液、NH₃·H₂O對馬鈴薯秸稈進行預處理，測定處理后秸稈的糖化率，并對預處理條件進行優化，尋找最佳的處理條件。

　　1材料與儀器

　　原料取自寧夏固原市西吉縣新營鄉白城村。馬鈴薯秸稈經水洗后干燥，粉碎，過30~60目篩，備用。SE-202F電子天平（東莞市精工儀器廠）；J2X-9076電熱恒溫鼓風干燥箱（上海博迅實業有限公司）；SHB-IV循環水式真空泵（鄭州長城科工貿有限公司）；XMTD-204數顯式電熱恒溫水浴鍋（常州諾基儀器有限公司）；VIS-723N紫外可見分光光度計（北京瑞利分析儀器公司）；ZD-85恒溫振蕩器（常州國華電器有限公司）。

　　2實驗

　　2.1試劑的預處理

　　取15g秸稈粉3份，分別加入250mL碘量瓶中，按m（固）∶V（液）=1∶10分別加入0.5%，1%，2%的稀鹽酸、稀硫酸、NaOH溶液、NaHCO₃溶液、NaOH-H₂O（等濃度混合）混合液、Na₂S溶液、NH₃·H₂O，混合后用保鮮膜覆蓋，再用橡皮筋密封，20℃下放置5d。用堿中和至中性，抽濾。用自來水充分沖洗，將濾渣在80℃烘干，測纖維素、半纖維素和木質素的損失率及糖化率。

　　2.2實驗方法

　　2.2.1葡萄糖標準曲線的繪制 用二硝基水楊酸（DNS）法[9]測葡萄糖標準溶液的光密度D，繪制葡萄糖的標準曲線。取經80℃干燥2h的葡萄糖固體0.100g，加水溶解后定容于100mL容量瓶中。取6支25mL比色管，分別加入葡萄糖標準溶液（ρ=1.0g/L）0，0.2，0.4，0.6，0.8，1.0mL，補充蒸餾水至2mL。再分別加入2.0mL的DNS試劑，搖勻，在沸水中加熱5min，冷卻后定容至25mL。取濃度最大的溶液，在λ=470~550nm進行波長掃描，選擇D最大的波長作為測定波長，在該波長下測定混合體系的D，繪制葡萄糖溶液的標準曲線。

　　2.2.2纖維素、半纖維素和木質素的損失率 秸稈粉經預處理后，測定各種試劑處理前后樣品中纖維素、半纖維素和木質素的質量分數[10]，計算各種組分的損失率RL:

　　2.2.3秸稈的糖化率 在100mL具塞三角瓶中加入1g預處理秸稈粉和50mL 0.1mol/L HAc-NaAc緩沖溶液（pH=4.8），再加入1mL 1%纖維素酶（ 15000U/g）溶液及2滴甲苯，放置恒溫振蕩器中，在60r/min、45℃下反應48h。然后取0.4mL糖溶液于25mL比色管中，再加入0.8mLDNS試劑，搖勻，沸水中加熱5min，冷卻后定容至25mL。用分光光度計在λ=490nm時測定混合體系的D。在同樣的條件下，測定不加酶、各預處理后秸稈溶液的D。根據以下公式計算秸稈的糖化率RG:

　　2.2.4正交實驗 根據預處理結果，選擇處理后樣品中纖維素、葡萄糖質量分數最高的試劑，進行以處理試劑的濃度、處理溫度、處理時間、固液比（質量與體積之比）為因素的L₁₆（4⁴）正交實驗，篩選最佳的預處理條件。

　　3結果與分析

　　3.1預處理后樣品中各組分的質量分數及損失率

　　預處理前，馬鈴薯秸稈中纖維素、半纖維素和木質素的平均質量分數分別為35.35%，11.60%，26.45%（表1）。預處理后，纖維素損失率最大的是用NH₃·H₂O處理后的樣品，平均損失率為62.33%，損失率最小的是用NaOH-H₂O₂混合溶液處理后的樣品，平均損失率為6.84%；半纖維素損失率最大的是用NaOH溶液處理后的樣品，平均損失率為36.3%；木質素損失率最大的是用NaOH-H₂O₂混合溶液處理后的樣品，平均損失率為54 .66%。

　　3.2預處理后樣品的糖化率

　　1）最佳測定波長的確定。取56g/L的葡萄糖標準溶液在分光光度計上進行波長掃描，從λ=470nm開始，每隔5nm掃描一次，記錄溶液的D（圖1）。由圖1可知，還原糖在λ=490nm處有最大的吸收。

　　2）葡萄糖溶液的標準曲線。葡萄糖溶液的質量濃度ρ和體系的D見圖2。

　　3）預處理后各樣品的糖化率。預處理后各樣品加酶前后溶液的D及RG見表2。由表2可知，用NaOH-H₂O₂混合溶液處理后，樣品中纖維素的質量分數和加酶水解后的還原糖質量分數最高。盡管糖化率最高的是用NH₃·H₂O處理后樣品，但用NH₃·H₂O處理后樣品中纖維素的質量分數比用NaOH-H₂O₂混合溶液處理后的低很多，且還原糖的質量分數也低。因此，綜合考慮各種因素，選擇用NaOH-H₂O₂混合溶液作為處理試劑進行下一步實驗。

　　3.3正交實驗

　　根據上述預處理實驗，選擇用NaOH-H₂O₂混合溶液處理馬鈴薯秸稈。以混合溶液的質量分數w（A）、處理溫度T（B）、處理時間t（C）、固液比（質量與體積之比，D）為因素，設計正交實驗，結果見表3~4。

　　由表4可知，對糖化率的影響由大到小依次為處理試劑的濃度、處理時間、固液比（質量與體積之比）、處理溫度，即最佳的實驗條件為A₄C₂D₃B₄。

　　4結論

　　雖然酸解法在玉米秸稈的預處理中運用較廣，但堿法處理的成本低，對環境的污染小。考慮諸多因素，在該實驗條件下，對馬鈴薯秸稈的最佳預處理條件:以V（3%NaOH溶液）∶V（3%H₂O₂溶液）=2∶1為處理試劑，處理溫度T=60℃、固液比（m（固）∶V（液））=1∶12、處理時間t=4d，秸稈的糖化率在40%以上。