正交试验优化柳叶氢氧化钠预处理条件

崔茂金,李长恭,祝勇,邓月娥,刘玲歌

（河南科技学院,河南新乡453003）

正交试验优化柳叶氢氧化钠预处理条件

崔茂金,李长恭,祝勇,邓月娥,刘玲歌

（河南科技学院,河南新乡453003）

以粉碎干燥后的柳叶为底物,通过正交试验研究了温度、时间、底物质量浓度和氢氧化钠质量分数4个因素对总还原糖的影响.结果表明：氢氧化钠预处理条件的主次顺序为温度、氢氧化钠质量分数、底物质量浓度、时间；氢氧化钠预处理柳叶的最佳条件为温度100℃、氢氧化钠质量分数10%、底物质量浓度10 g/L、时间45 min,此时含总还原糖量最大为260.04 mg/g,这说明碱预处理对于提高柳叶的糖化率非常必要.

柳叶；碱预处理；总还原糖；正交试验；优化

随着社会和经济的发展,能源与环境问题已成为制约人类可持续发展的主要因素.农林生物质如小麦秸秆、水稻秸秆、树叶是一类资源丰富、可再生的资源.生物质资源的高效利用,不仅可以获得清洁能源如乙醇和氢气,而且可以减少因其焚烧或者丢弃造成的环境污染,因而可以取得一举两得的效果.农林生物质主要由纤维素、半纤维素和木质素组成.纤维素是地球上储量最丰富的有机化合物,它是由D-葡萄糖以β-1,4-糖苷键相连的多糖,具有较高的聚合度,分为结晶区和无定形区.半纤维素是五碳糖和六碳糖采用无定形的方式聚合而形成的带有支链的不均一的多糖,起到连结纤维素和木质素的作用.木质素主要是由三个单体-紫丁香基丙烷（S）、愈创木酚基丙烷（G）和对羟苯基丙烷（H）通过氧化组合耦合反应而形成高聚物[1].这3种组分不是简单的物理混合,而是通过共价键和非共价键的相互作用而连接.纤维素被木质素和半纤维素缠绕并包裹在周围,使其很难与纤维素酶直接接触[2].农林生物质这种复杂的结构使其很难被直接通过发酵的方式转化为清洁能源.因而,农林生物质制取清洁能源的主要问题是如何经济、有效地将生物质中的纤维素通过预处理转化成可发酵的糖.目前常用的预处理方法有生物预处理、物理预处理、化学预处理和物理-化学预处理,各种预处理方法都有各自的优缺点[3-4].

柳叶是一种常见的农林生物质.本研究通过正交试验研究温度、时间、底物质量浓度和氢氧化钠质量分数4个因素对柳叶碱预处理的影响.通过正交试验结果的极差和方差分析,得出影响柳叶碱预处理的主次因素和最佳预处理条件,为生物质的高效利用提供理论依据.

1 试验部分

1.1 原料、仪器和试剂

1.1.1 试验原料柳叶于河南省新乡市河南科技学院内秋天收集,选取无霉变的柳叶自然晾干,粉碎后在120℃下干燥3 h作为底物.

1.1.2 试验仪器主要试验仪器见表1.

1.1.3 试验试剂浓硫酸（分析纯,郑州派尼化学试剂厂）；氢氧化钠（分析纯,天津市瑞金特化学品有限公司）；葡萄糖（分析纯,天津市德恩化学试剂有限公司）；苯酚（分析纯,天津市福晨化学试剂厂）；201甲基硅油（常州市江南常新有机硅有限公司）.

1.2 试验方法

1.2.1 碱预处理称取不同质量的底物于圆底烧瓶中,分别加入不同质量分数的氢氧化钠溶液,摇匀,放入恒温搅拌油浴锅中,在不同的温度下预处理不同的时间.反应结束后稀释一定的倍数测定吸光度.每组试验重复3次取平均值.

1.2.2 总还原糖浓度的测定总还原糖浓度的测定采用苯酚-浓硫酸法,以葡萄糖为标准样品[5-6].

1.3 试验设计

选取温度、时间、底物质量浓度和氢氧化钠质量分数为因素,每个因素下取5个水平,设计了四因素五水平正交试验.正交试验的因素与水平如表2所示.

2 结果与分析

2.1 正交试验设计及结果

四因素五水平正交试验的设计及结果如表3所示.

由表3可知,当氢氧化钠预处理柳叶条件为A2（温度为100℃）,B3（时间为45min）,C4（底物质量浓度为10g/L）,D5（氢氧化钠质量分数为10%）时,含还原糖量最大为260.04mg/g,说明碱预处理可以提高柳叶的糖化率.

2.2 极差和方差分析

对柳叶的氢氧化钠预处理的正交试验结果进行极差和方差分析,如表4和表5所示.

由表4中的极差的大小可知,氢氧化钠预处理对总还原糖影响的主次顺序为是温度、氢氧化钠质量分数、底物质量浓度和时间.由表5中的F值可以看出各因素对总还原糖影响的主次顺序为温度、氢氧化钠质量分数、底物质量浓度和时间,这与极差分析结果是一致的.温度和氢氧化钠质量分数对总还原糖的影响极显著,底物质量浓度影响显著,时间影响不显著.

本研究用氢氧化钠对柳叶进行预处理,与用盐酸对柳叶预处理的试验结果不同[7],这是因为碱预处理主要是降解生物质中的半纤维素和木质素[8],而酸预处理主要是降解生物质中的半纤维素[9].本研究也与用氢氧化钠对水稻秸秆预处理的实验结果不同[6],这是因为不同的生物质中的主要成分（纤维素、半纤维素和木质素）含量和结合方式不同.

3 结论

本研究通过四因素五水平的正交试验研究了氢氧化钠预处理对柳叶中总还原糖的影响,得出如下结论：正交试验的试验结果可以得出氢氧化钠预处理柳叶的最佳条件为温度为100℃、氢氧化钠质量分数为10%、底物质量浓度为10 g/L、时间为45 min,此时含总还原糖量最大,为260.04 mg/g,这说明碱预处理可以提高柳叶的糖化率；正交试验的极差和方差分析可以得出氢氧化钠预处理对总还原糖影响的主次顺序为温度、氢氧化钠质量分数、底物质量浓度和时间.温度和氢氧化钠浓度对总还原糖的影响极显著,底物浓度影响显著,时间影响不显著.

[1]RALPH J,LUNDQUISTK,BRUNOWG,et al.Lignins：natural polymers fromoxidative couplingof4-hydroxyphenypropanoids[J]. PhytochemistryReview,2004,3：29-60.

[2]崔美,黄仁亮,苏荣欣,等.木质纤维素新型预处理与顽抗特性[J].化工学报,2012,63（3）：677-687.

[3]张爱萍,谢军.生物质制乙醇预处理方法的研究进展[J].华南农业大学学报,2014,35（4）：77-84.

[4]关倩,蒋剑春,徐俊,等.木质纤维生物质热化学转化预处理技术研究进展[J].生物质化学工程,2014,48（6）：56-61.

[5]DUBIOS M,GILLES K A,HAMILTON J K,et al.Colorimetric method for determination of sugars and related substances[J]. Analytical Chemistry,1956,28（3）：350-356.

[6]崔茂金,黄明贤,贺龙娇.水稻秸秆NaOH预处理最佳条件的优化[J].河南科技学院学报（自然科学版）,2012,40（4）：7-11.

[7]崔茂金,祝勇,周玉.柳树叶酸预处理工艺的优化[J].广州化工,2015,43（3）：57-59.

[8]SUN R C,MARK L J,BANKS W B.Influence of alkaline pre-treatments on the cell wall components wheat straw[J].Industrial Crops and Products,1995,4（2）：127-145.

[9]常娟,卢敏,尹清强,等.秸秆资源预处理研究进展[J].中国农学通报,2012,28（11）：1-8.

（责任编辑：卢奇）

Optimization of sodium hydroxide pretreatment conditions of willow leaves by orthogonal experiment

CUI Maojin,LI Changgong,ZHU Yong,DENG Yuee,LIU Lingge
（Henan Institute ofScience and Technology,Xinxiang453003,China）

In this paper,the effect of four factors which were temperature,time,substrate concentration and sodium hydroxide concentration on the total reducing sugar was studied by orthogonal experiment using dry and comminuted willow leaves as substrate.The results showed that the primary and secondary factors of sodium hydroxide pretreatment conditions were temperature,sodium hydroxide concentration,substrate concentration,time.The optimal sodium hydroxide pretreatment conditions of willow leaves were temperature of 100℃,sodium hydroxide concentration of 10%,substrate concentration of 10 g/L and time of 45 min.The maximum of total reducing sugar concentration was 260.04 mg/g at the optimal sodium hydroxide pretreatment conditions,indicating that alkali pretreatment is necessary to improve the saccharification rate of willow leaves.

willow leaves；alkali pretreatment；total reducing sugar；orthogonal experiment；optimization

X712

A

1008-7516（2016）05-0059-04

10.3969/j.issn.1008-7516.2016.05.012

2016-06-28

崔茂金（1980—）,男,山东临沂人,博士,讲师.主要从事农林生物质资源化的研究.