超声波结合碱性H2O2法提取甘蔗渣综纤维素

雷声波 黄斌良 黄燕菲 江朝明 吴华德 蓝健益 杨齐

摘要：【目的】优化碱性H2O2结合超声波处理甘蔗渣的工艺，为甘蔗渣的进一步综合利用提供技术支持。【方法】利用碱性H2O2配合超声波对甘蔗渣进行处理，对影响处理后甘蔗渣中综纤维素及木质素含量的各因素进行单因素试验和响应面分析，确定最佳工艺条件。【结果】NaOH溶液质量浓度、H2O2体积分数和超声波处理时间3个因素，以及两因素间的交互作用对处理后甘蔗渣中综纤维素和木质素比值（H/L）均有极显著影响（P<0.01）；碱性H2O2结合超声波处理甘蔗渣的最佳工艺条件：NaOH溶液质量浓度4.9%、H2O2体积分数3.8%、超声波处理时间2.1 h，在此条件下处理的甘蔗渣中H/L实际为10.01，与预测值（10.03）基本吻合，此时处理样品中木质素含量为9.03%、综纤维素含量为90.57%。【结论】响应面法优化的碱性H2O2结合超声波处理工艺可有效脱除甘蔗渣中木质素，较大程度保留综纤维素，可为甘蔗渣的进一步加工利用提供技术参考。

关键词： 超声波；甘蔗渣；综纤维素；脱木质素

中图分类号： S216.2；S566.109.9 文献标志码：A 文章编号：2095-1191（2018）02-0354-06

Abstract：【Objective】Sugarcane bagasse processing technique by utilizing alkaline-H2O2 combined with ultrasonic was optimized to provide reference for further utilization of sugarcane bagasse. 【Method】Alkaline-H2O2 was utilized together with ultrasonic to process bagasse， and the factors effecting the contents of holocellulose and lignin in treated bagasse were analyzed using single factor experiments and response surface method. The optimal process conditions were determined. 【Result】NaOH mass concentration，H2O2 volume fraction， ultrasonic action time， and interaction between every two factors had extremely significant influence（P<0.01） on ratio of holocellulose to lignin（H/L）in sugarcane bagasse. The optimal sugarcane bagasse processing technique by utilizing alkaline-H2O2 combined with ultrasonic was as follows：NaOH mass concentration 4.9%，H2O2 volume fraction 3.8%，ultrasonic action time 2.1 h. Under these conditions，the actual H/L in sugarcane bagasse was 10.01，coinciding with the predicted value（10.03）. The content of lignin and holocellulose were 9.03% and 90.57% respectively. 【Conclusion】The alkaline-H2O2 process combined with ultrasonic optimized by response surface method can effectively remove lignin and maintain holocellulose to the greatest extent. This method can provide technical support for further development and utilization of sugarcane bagasse.

Key words： ultrasonic； sugarcane bagasse； holocellulose； delignification

0 引言

【研究意義】广西是我国甘蔗种植大省，甘蔗种植面积和蔗糖产量均居国内第一，年产蔗糖约1000万t，占全国蔗糖产量的60%以上。甘蔗渣是蔗糖生产中的副产物，每生产1 t蔗糖，即能产生2～3 t甘蔗渣，因此甘蔗渣资源化利用问题是研究人员关注的热点之一。甘蔗渣中约含有25%的半纤维素、50%的纤维素及25%的木质素，其中综纤维素（半纤维素和纤维素）是很多高附加值产品如低聚木糖、燃料乙醇、纤维寡糖、膳食纤维等的原料来源（Pandey et al.，2000），但这3种成分结合紧密，难以对综纤维素加以利用。因此，在进一步利用甘蔗渣之前，必须进行预处理（高月淑等，2016）。【前人研究进展】生物质材料的预处理方法包括物理法、化学法和生物法。物理法包括粉碎、研磨及蒸汽爆破等；化学法是利用酸、碱、H2O2、臭氧等化学物质对生物质材料进行预处理；生物法预处理是通过能够降解木质素的微生物如白腐菌对生物质材料进行预处理（Blanchette，1991；Singh et al.，2014）。在预处理过程中，通常是几种方法结合使用，能得到更好的预处理效果。李春光等（2011a）采用NaOH配合亚氯酸钠和醋酸处理玉米秸秆，其半纤维素脱除率可达92.82%，木质素脱除率为64.32%；Vanderghem等（2012）研究甲酸/乙酸配合高温处理奇岗，在107 ℃条件下处理3 h后，奇岗的木质素脱除率可达86.6%；赵志刚等（2016b）研究了酸碱结合法对甘蔗渣的处理效果，发现先酸后碱的处理方法能较好地去除甘蔗渣中的木质素，与单用酸或碱处理相比，更有利于后续的酶解过程。 【本研究切入点】虽然已有一些学者对甘蔗渣进行处理研究（李春光等，2011b；王淋靓等，2013），但主要目的是脱除木质素和半纤维素，提取纤维素，对于利用碱性H2O2配合超声波仅脱除木质素，提取综纤维素的研究目前尚无相关报道。【拟解决的关键问题】利用碱性H2O2配合超声波对甘蔗渣进行处理，并对影响处理后甘蔗渣中综纤维素和木质素含量的各因素进行响应面分析，探索木质素脱除率较高、综纤维素保留较完全的处理工艺，为甘蔗渣的进一步综合利用提供技术支持。

1 材料与方法

1. 1 试验材料

甘蔗渣来自广西农垦集团良圻糖厂，经冲洗、烘干、粉碎过80目筛后使用。试验所用H2O2、NaOH和H2SO4均购自国药集团化学试剂有限公司，为分析纯。主要仪器设备：CBM-10A高效液相色谱（HPLC）系统（日本岛津公司）、KQ-300VED超声波清洗器（昆山市超声仪器有限公司）、QXR800-30马弗炉（上海黔通仪器科技有限公司）、DHG-9246A电热恒温干燥箱（上海精宏实验设备有限公司）。

1. 2 甘蔗渣处理

取粉碎后的甘蔗渣10 g，浸入一定量的碱性H2O2中，在超声波作用下处理一段时间后离心，取沉淀再次重悬、离心；最后取沉淀于50～60 ℃烘干至恒重，检测处理后甘蔗渣中的综纤维素和木质素含量。

1. 3 单因素对甘蔗渣综纤维素和木质素含量的影响

1. 3. 1 H2O2体积分数 配制NaOH溶液质量浓度2%、H2O2体积分数0～5%的碱性H2O2溶液100 mL，共5份，均加入10 g甘蔗渣，在超声波频率100 Hz的条件下处理1.0 h后，3500 r/min离心10 min，取固体烘干至恒重，检测样品的综纤维素及木质素含量。

1. 3. 2 NaOH溶液質量浓度 配制NaOH溶液质量浓度0～5%、H2O2体积分数2%的碱性H2O2溶液100 mL，共5份，均加入10 g甘蔗渣，在超声波频率100 Hz的条件下处理1.0 h后，3500 r/min离心10 min，取固体烘干至恒重，检测样品的综纤维素及木质素含量。

1. 3. 3 超声波处理时间的影响 配制NaOH溶液质量浓度2%、H2O2体积分数2%的碱性H2O2溶液100 mL，共5份，均加入10 g甘蔗渣，在超声波频率100 Hz的条件下分别处理甘蔗渣0～2.5 h，3500 r/min离心10 min后，取固体烘干至恒重，检测样品的综纤维素及木质素含量。

1. 4 响应面试验

在单因素试验的基础上，确定影响甘蔗渣处理的关键因素及各因素的最佳用量范围，设计响应面试验。以综纤维素和木质素比值（H/L）为因变量，以NaOH溶液质量浓度、H2O2体积分数和超声波处理时间为自变量，因素水平编码值见表1。

1. 5 甘蔗渣成分检测

取300 mg样品置于玻璃试管内，加入3 mL 72% H2SO4，于30 ℃水浴1 h，每隔5～10 min用玻璃棒搅拌1次；水浴处理后将混合液倒入三角瓶中，加入84 mL去离子水，封口后于121 ℃蒸煮1 h。取110 ℃烘干至恒重的坩埚过滤器一只，记录其重量W1；将混合液通过坩埚过滤器抽滤，滤液留用；用大量水将坩埚过滤器再次抽滤，然后烘干至恒重，记录其重量W2；将坩埚过滤器置于马弗炉中550 ℃处理8 h，记录其重量W3。质量差（W2-W3）即为其中酸不可溶木质素质量。取留用的坩埚过滤器滤液，320 nm时测定其吸光值OD320，计算可溶木质素含量（Sluiter et al.，2008）。

将滤液用CaCO3固体调至中性后取上清液，用高效液相色谱法（HPLC）测定戊糖和己糖的峰面积，通过戊糖标准曲线y=17407x-1940[R2=0.998，x为戊糖质量浓度（g/L），y为峰面积（μV?s）]和己糖标准曲线y=19352x-4646[R2=0.995，x为己糖质量浓度（g/L），y为峰面积（μV?s）]，计算得出该成分质量浓度，进而计算综纤维素含量（Sluiter et al.，2008）。

1. 6 统计分析

每个试验进行3次平行试验，采用Design-Expert 8.0.6进行响应面试验设计及数据分析。

2 结果与分析

2. 1 H2O2体积分数对甘蔗渣综纤维素和木质素含量的影响

由图1可知，经超声波处理后的样品综纤维素含量均高于未经超声波处理的样品，而木质素含量均低于未经超声波处理的样品。与未添加H2O2的处理相比，经H2O2体积分数为1%～5%碱溶液处理后的样品综纤维素含量略有提高，木质素含量略有降低，但随着H2O2体积分数的增加，各组样品间的综纤维素和木质素含量未表现出明显差异，可能与超声波的存在加速了H2O2释放有关。

2. 2 NaOH溶液质量浓度对甘蔗渣综纤维素和木质素含量的影响

由图2可知，随着NaOH溶液质量浓度的增加，经超声波处理和未经超声波处理的样品综纤维素含量均不断升高，木质素含量均不断降低；且经超声波处理的样品综纤维素含量均高于未经超声波处理的样品，木质素含量均低于未经超声波处理的样品。

2. 3 超声波处理时间对甘蔗渣综纤维素和木质素含量的影响

由图3可知，随着超声波处理时间的延长，样品综纤维素含量不断上升，处理2.0 h时达峰值；而样品内木质素含量不断降低，处理2.0 h后趋于稳定；经超声波处理的样品综纤维素含量均高于未经超声波处理的样品，木质素含量均低于未经超声波处理的样品。

2. 4 响应面结果分析

2. 4. 1 响应面分析方案及结果 根据试验结果（表2），建立数学模型为H/L=9.52+0.87A+0.15B+0.45C+0.43AB-0.32AC+0.21BC-0.61A2-0.37B2-0.73C2。

从表3可看出，试验模型整体P<0.0001，说明该方程模型极显著。NaOH溶液质量浓度、H2O2体积分数和超声波处理时间对甘蔗渣处理后的H/L影响均为极显著（P<0.01，下同）。失拟项为0.8468，相对纯误差而言影响不显著（P>0.05，下同），说明该方程拟合情况良好。经计算，决定系数R2为0.9986，说明99.86%的数据可用来解释该模型；实际相关系数（Adj R2）为0.9970，与预测相关系数（Pred R2=0.9933）基本一致；模型的信噪比为81.04，远高于4，说明该模型可用来预测响应值。总体来说，模型的拟合度很好，试验误差较小，可用于对甘蔗渣处理工艺进行分析。

2. 4. 2 各因素的交互作用 根据所得的回归方程绘制三维响应曲面图（图4）。从图4-A可看出，NaOH溶液质量浓度和H2O2体积分数与处理后甘蔗渣的H/L呈正比，在设定的取值范围内，H/L随NaOH溶液质量浓度和H2O2体积分数的增加而增大；从图4-B可看出， H2O2体积分数和超声波处理时间与处理后甘蔗渣的H/L也呈正比，在设定的取值范围内，H/L随H2O2体积分数的增加和超声波处理时间的延长而增大；从图4-C可看出，NaOH溶液质量浓度和超声波处理时间与处理后甘蔗渣的H/L也呈正比，在设定的取值范围内，随着NaOH溶液质量浓度的增加和超声波处理时间的延长，H/L也增大。比较发现，H2O2体积分数形成的曲线不如NaOH溶液质量浓度和超声波处理时间形成的曲线陡峭，说明H2O2体积分数对处理后甘蔗渣H/L的影响小于另外两个因素，但其影响均表现为极显著。

2. 5 甘蔗渣处理工艺优化

根据试验结果，利用Design-Expert 8.0.6进行优化，得到甘蔗渣处理最佳工艺条件：当NaOH溶液质量浓度为4.93%、H2O2体积分数为3.8%、超声波处理时间为2.11 h时，H/L达最大值（10.03）。为便于实际操作，将响应面优化方案调整为NaOH溶液質量浓度4.9%、H2O2体积分数3.8%、超声波处理时间2.1 h，进行验证试验，得到H/L实际结果为10.01，与优化值基本吻合，此时处理样品中木质素含量为9.03%，综纤维素含量为90.57%。

3 讨论

H2O2作为一种常见的氧化剂，通常与碱结合用于生物质材料的脱木质素或提取纤维素（Suchy and Argyropoulos，2001）。本研究中，NaOH溶液质量浓度、H2O2体积分数和超声波处理时间对甘蔗渣处理结果影响极显著。刘俊红等（2016）利用H2O2和超声波提取麸皮纤维素，结果表明，H2O2体积分数对纤维素提取率影响显著，而超声波处理时间的影响不显著，本研究结果与其存在差异，可能与试验材料不同有关；Ramadoss和Muthukumar（2016）研究超声波、H2O2和金属离子结合使用对甘蔗渣综纤维素的提取和木质素的脱除效果，结果发现随着超声波处理时间的延长和H2O2体积分数的增加，甘蔗渣综纤维素提取率和木质素脱除率也随之增加，本研究结果与其基本一致。

超声波能加强物理或化学处理方法与样品之间的反应，进而提高预处理效果（Subhedar and Gogate，2013）。本研究结果表明，经超声波处理的样品木质素含量明显低于未经超声波处理的样品，与王淋靓等（2013）研究发现超声波辅助碱性H2O2处理后的甘蔗渣纤维素含量较无超声波辅助处理的样品含量提高8.69%的结果基本一致，即经超声波处理的样品木质素脱除效果较好。Subhedar和Gogate（2014）研究了碱结合超声波对旧报纸回收再利用过程的处理效果，发现碱浓度对样品脱木质素影响较明显，且超声波存在时，木质素脱除效果明显高于未经超声波辅助处理的样品，本研究结果与其相似。

在有关甘蔗渣预处理的研究报道中，研究者大多关注甘蔗渣纤维素提取，通过脱除尽可能多的木质素和半纤维，提高纤维素含量。李春光等（2011b）研究了NaOH溶液、H2O2和NaClO溶液相结合脱除甘蔗渣木质素与半纤维素的工艺条件，发现在最佳工艺条件下半纤维素脱除率为75.54%，木质素脱除率为94.44%；赵志刚等（2016a）利用NaOH/H2O2去除甘蔗渣中木质素和半纤维素，纤维素提取率在90.00%以上，且破坏了甘蔗渣的表面结构，提高了后续纤维素酶的酶解效率。与前人研究相比，本研究侧重于脱除木质素，保留综纤维素，虽然使用的工艺条件相对温和，但是保留了较多的综纤维素，同时使得处理后的甘蔗渣有更多加工的可能性和更广的利用范围。

4 结论

响应面法优化的碱性H2O2结合超声波处理工艺可有效脱除甘蔗渣中木质素，较大程度保留综纤维素，可为甘蔗渣的进一步加工利用提供技术支持。

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（責任编辑 罗 丽）