全 文 ：第 27 卷 第 7 期
2014 年 7 月
环 境 科 学 研 究
Ｒesearch of Environmental Sciences
Vol． 27，No． 7
July，2014
蒋媛媛，包海军，曾淦宁，等．稀酸预处理铜藻制备生物乙醇工艺［J］．环境科学研究，2014，27(7):804-812．
JIANG Yuanyuan，BAO Haijun，ZENG Ganning，et al． Optimization of Sargassum horneri pretreatment process using diluted acid for bioethanol［J］． Ｒesearch
of Environmental Sciences，2014，27(7) :804-812．
收稿日期:2013 － 10 － 15 修订日期:2014 － 03 － 12
基金项目:浙江省自然科学基金项目(LY12D06004);浙江省科技厅
公益项目(2013C33005)
作者简介:蒋媛媛(1989 －)，女，江苏泰州人，jiangyuanyuan913@126. com．
* 责任作者，曾淦宁(1977 －)，男，江西吉安人，副教授，博士，主要从
事海洋生化资源开发及环境保护，gnzeng@ zjut． edu． cn
稀酸预处理铜藻制备生物乙醇工艺
蒋媛媛1，包海军2，曾淦宁1* ，艾 宁2，王铁杆3，张茹霞1，吴 勇1
1．浙江工业大学海洋学院，浙江 杭州 310014
2．浙江工业大学化学工程学院，浙江 杭州 310014
3．浙江省海洋水产养殖研究所，浙江 温州 325000
摘要:选取暖温带海洋生态环境生物修复的首选物种———铜藻(Sargassum horneri)为原料进行生物乙醇的制备，以稀硫酸水解
后的还原糖收率为响应值，考察水解温度、液固比、水解时间和w(H2SO4)等参数对水解效率的影响． 为优化稀酸水解铜藻预处
理的工艺条件，在单因素试验的基础上，利用 Box-Benhnken中心组合设计法和响应面分析法，建立稀酸预处理工艺参数的回归
模型，并与酶水解及发酵相结合验证了铜藻稀酸预处理效果． 结果表明:①稀酸水解铜藻的最优工艺参数． 水解温度为 120 ℃，
液固比为 20∶ 1，水解时间为 2. 00 h，w(H2SO4)为 4. 50% ． ②稀酸水解铜藻过程中各影响因素之间存在交互作用，水解时间和
w(H2SO4)的非线性作用显著． ③对经最佳稀酸预处理工艺处理后的铜藻粉进行酶水解，其还原糖收率为 44. 05%，是未预处理
下的 8. 14 倍，并且后续进行发酵后，乙醇产率达 7. 80%，是未预处理下的 2. 00 倍． 表明铜藻是一种潜在的生物乙醇原料，稀酸
预处理方法对铜藻生物乙醇的制备行之有效．
关键词:铜藻;稀酸水解;还原糖收率;响应面法;生物乙醇
中图分类号:X705 文章编号:1001 － 6929(2014)07 － 0804 － 09
文献标志码:A DOI:10. 13198 / j． issn． 1001-6929． 2014． 07． 18
Optimization of Sargassum horneri Pretreatment Process Using Diluted Acid for
Bioethanol
JIANG Yuan-yuan1，BAO Hai-jun2，ZENG Gan-ning1，AI Ning2，WANG Tie-gan3，ZHANG Ｒu-xia1，WU Yong1
1． College of Marine，Zhejiang University of Technology，Hangzhou 310014，China
2． College of Chemical Engineering，Zhejiang University of Technology，Hangzhou 310014，China
3． Zhejiang Mariculture Ｒesearch Institute，Wenzhou 325000，China
Abstract:Ethanol is an increasingly common，environmentally-friendly renewable fuel． This study investigated bioethanol production from
Sargassum horneri，a preferred species to repair warm temperature marine ecological environments． The effects of hydrolysis pretreatment
including hydrolyzing temperature，liquid-solid ratio，time and concentration of sulfuric acid on hydrolysis efficiency were studied on the
basis of the hydrolysis rate of sugar reduction． A parametric regression model of S． horneri pretreatment process was established according
to Box-Behnken design and response surface methodology，and the pretreatment performance of diluted acid was investigated by combining
with enzyme hydrolysis and fermentation． The results showed that the optimal values of the parameters were hydrolysis temperature of 120
℃，liquid-solid ratio of 20∶ 1，hydrolysis time of 2. 00 h and acid concentration of 4. 50% ． The interactions of different factors could not
be ignored;the nonlinear effect between hydrolysis time and the concentration of sulfuric acid was significant． The recovery of reducing
sugar and bio-ethanol was 44. 05% and 7. 80%，respectively，which was eight and two times higher than the untreated S． horneri，when
the species was preprocessed under the optimum acid hydrolysis． It was concluded that S． horneri is a potential bioethanol source species，
and dilute sulfuric acid pretreatment is an effective pretreatment
method to produce bioethanol．
Key words:Sargassum horneri;dilute acid hydrolysis;reducing
sugar yield; response surface methodology;
bioethanol
第 7 期 蒋媛媛等:稀酸预处理铜藻制备生物乙醇工艺
生物乙醇作为常规化石燃料的一种替代能源，以
其清洁无污染、燃烧值高和可再生等优点赢得了广泛
关注，被称为 21世纪“绿色燃料”［1-2］． “不与粮争地，不
与人争食”的第二代生物燃料(纤维素生物乙醇)正成为
未来生物能源产业发展的方向，技术改进、工艺优化和
原料拓展成为该领域内的热点问题［3］．
预处理过程是生物质制备乙醇的关键步骤，对之
前的原料尺寸处理和之后的酶水解和发酵过程都有
很大的影响． 选择合适的预处理方法破坏天然植物
的纤维结构，去除阻碍糖化和发酵的生物质内在结
构，进而提高后续的酶解效率以及乙醇产量，是木质
纤维素制备生物乙醇的关键技术之一［4-5］． 由于稀酸
法能够水解的w(半纤维素)高达 80% ～90%，并可与
酶水解联合处理;此外，与传统浓酸法相比，稀酸法对
设备的耐腐蚀性要求相对较低，与新兴的超低酸法相
比，其反应温度以及压力要求也较低，因而稀酸水解
法在现行生物乙醇工业体系中是应用最广泛、有效和
相对廉价的预处理方法［6］． 但是，稀酸水解仍存在较
大的局限性，除对设备的要求外，不同的原料往往对
应不同的水解温度、水解时间和w(H2SO4)
［7］;处理
过程中产生的反应抑制产物(如糠醛、乙酸等)也需
要在发酵前予以脱除，由此增加了生产成本［8］．
国内外利用木质纤维素制备生物乙醇的相关研
究主要集中在陆地上的麦秸、稻壳、玉米芯以及蔗渣
上［9-12］． 事实上，大型海藻等藻类资源极为丰富，与
淀粉类和陆地纤维素类等原材料(如玉米等作物)相
比，用其制备生物乙醇优越性十分突出，具有不占用
农业用地、生长周期短、产量高、木质素含量相对较
低、易被粉碎和干燥及处理、加工条件要求相对较低
等优点［13］，被 FAO(Food and Agriculture Organization
of the United Nation，联合国粮食及农业组织)视为最
适合做生物质资源的藻类［14］;理想条件下，海藻能够
生产的乙醇产量可达甘蔗的 2 倍、玉米的 5 倍［15］．
海带属的 Saccharina japonica(海带)、卡帕藻属
的 Kappaphycus alvarezii(长心卡帕藻)、大叶藻属的
Zostera marina(大叶藻)、硬毛藻属的 Chaetomorpha
linum(刚毛藻)［16-19］等虽均已被证实是生产生物乙
醇的可行性原料，但该类研究仍处于产业化开发初
期，主要原因:①工业应用成本高，尚未出现有优势的
工业设计;②对不同原料在预处理过程中的产物转化
过程尚缺乏定量了解，对预处理工艺的探讨还处在实
验室比较层面，特别是对稀酸预处理的研究还远远不
够． 目前，国内利用大型海藻制备生物乙醇的主要对
象仍是传统原料———海带［20-23］，对其他藻类制备可
行性的探讨尚未有效开展．
铜藻(Sargassum horneri)生长速度快，生物量大，
被誉为“海中森林”，是暖温带海洋生态环境生物修
复的首选物种，具有良好的开发前景［24］． 铜藻富含
有益的生源要素而被广泛应用于医药、食品、饲料和
有机肥料等方面［25］，但其资源化开发目前仍集中在
多糖的制备及应用方面［26］，利用其富含木质纤维素
和高吸附性特点进行的工业探索多见于活性炭［27］．
基于上述考虑，笔者研究水解温度、液固比、水解时间
以及w(H2SO4)等参数对铜藻水解效果的影响规律，
以期为大型海藻制备生物乙醇工业化利用进行前期
探索．
1 材料与方法
1. 1 试验原料
试验用铜藻于 2012 年 3 月取自浙江省温州南麂
海域，将其清洗、烘干和粉碎处理后过 80 ～ 150 目
(106 ～ 180 μm)筛备用． 纤维素酶购自江苏淮安百
麦绿色生物能源有限公司，酶活约 180 IU /g． 安琪高
温酿酒酵母购自安琪酵母股份有限公司．
1. 2 试验方法
1. 2. 1 铜藻酸水解试验
1. 2. 1. 1 单因素试验
选取水解温度、液固比、水解时间和w(H2SO4)4
个影响因素． 称取经洗净、干燥和粉碎后的藻粉
2. 00 g，按照单因素试验条件进行预处理:分别以水解
温度(80、90、100、110、120 和 130 ℃)进行单因素试验
〔固定液固比为 15∶ 1，水解时间为1. 00 h，w(H2SO4)为
3. 00%〕;分别以液固比(5∶ 1、10∶ 1、15∶ 1、20∶ 1、25∶ 1
和 30∶ 1)进行单因素试验〔固定水解温度为 100 ℃，
水解时间为 1. 00 h，w(H2SO4)为 3. 00%〕;分别以水
解时间(0. 50、1. 00、1. 50、2. 00、2. 50 和 3. 00 h)做单
因素试验〔固定水解温度为 100 ℃，液固为 15 ∶ 1，
w(H2SO4)为 3. 00%〕;分别以w(H2SO4) (0%、1. 00%、
2. 00%、3. 00%、5. 00%和 10. 00%)为考察因素进行单
因素试验〔固定水解温度为 100 ℃，液固为 15∶ 1，水解
时间为 1. 00 h〕． 水解完成后抽滤，收集滤液，测定水
解液中的 ρ(还原糖)． 滤渣于 80 ℃下烘干后测定其
w(纤维素)和w(半纤维素)．
1. 2. 1. 2 响应面试验
在单因素试验的基础上，采用 Design-Expert 进
行 Box-Behnken试验设计(BBD)． 设影响显著的水
解温度、水解时间和w(H2SO4)3 个因素为自变量，还
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环 境 科 学 研 究 第 27 卷
原糖收率为响应值，根据单因素试验结果设计试验方
案，各因素水平值见表 1.
表 1 试验设计的各因素水平
Table 1 Coding of experimental factors and levels
因素
水平值
－ 1 0 1
水解温度 /℃ 100 110 120
水解时间 /h 1. 50 2. 00 2. 50
w(H2SO4)/% 3. 00 4. 00 5. 00
1. 2. 2 酶水解及酵母发酵
称取经预处理、未经预处理的固体藻粉各 2. 00 g
置于 250 mL 锥形瓶中，分别加入 100 mL 蒸馏水，用
H2SO4 溶液调节至 pH 为 4. 8. 再分别加入 20 IU /g
的纤维素酶，置于 50 ℃、150 r /min 摇床内水解
1. 00 h，抽取一定量水解液离心后测定 ρ(还原糖)．
继续水解 2. 00 h 后加入一定量的酵母，并置于摇床
内发酵，发酵条件:ρ(酵母)为 0. 01 g /mL，摇床温度
为 36 ℃、转速为 150 r /min，发酵时间 5 d． 反应完成
后取出测定 ρ(乙醇)．
1. 2. 3 测定方法
w(纤维素)和w(半纤维素)分别采用硫酸与重铬
酸钾氧化法以及盐酸水解法〔c(盐酸)为 2 mol /L〕［28］
测定;ρ(还原糖)采用 DNS 法(以葡萄糖作标准曲
线)［29］测定;ρ(乙醇)采用重铬酸钾氧化比色法［30］测
定． 还原糖收率的计算以原料中纤维素和半纤维素可
分别水解得到的理论葡萄糖及木糖量为基准，定义为
Y =
mＲ
mC × 1. 11 +mH × 1. 14
× 100%
式中:Y为还原糖收率，%;mＲ 为水解得到的还原糖
质量，g;mC 为原料中的纤维素质量，g;mH 为原料中
的半纤维素质量，g．
2 结果与讨论
2. 1 铜藻主要成分
用 BSA224S天平〔赛多利斯科学仪器(北京)有限
公司〕准确称取0. 100 0 g藻粉进行测定，试验重复3次．
经测定，铜藻的主要组成:w(纤维素)为 37. 94%，
w(半纤维素)为 21. 80%，w(木质素)为 19. 69%．
2. 2 葡萄糖标准曲线
以 ρ(葡萄糖)为横坐标，对应的吸光度为纵坐
标，得到葡萄糖标准曲线:y = － 0. 022 2 + 1. 614 3x，
其 Ｒ2(复相关系数)为 0. 997 4，表明 ρ(还原糖)在
0 ～ 0. 5 mg /mL 范围内，ρ(还原糖)与吸光度有很好
的线性关系． 采用 F 检验法对该标准曲线进行显著
性检验〔F = 9. 33，小于F0. 01(1，4)= 21. 20〕，表明 x、y
线性关系显著．
2. 3 不同因素对稀硫酸水解铜藻的影响
水解温度、液固比、水解时间和w(H2SO4)对稀硫
酸水解铜藻的影响见图 1. 图 1(a)为稀酸水解过程
中还原糖收率、残渣中 w(纤维素)和w(半纤维素)随
水解温度的变化． 由图 1(a)可见，还原糖收率呈先
增后减趋势． 当水解温度低于 90 ℃时，还原糖收率
非常低，不到 4. 00% ． Lee 等［31］研究表明，水解反应
的活化能高于降解反应的活化能，所以提高水解温度
对水解反应更为有利，随之还原糖收率也就越高． 因
此，当水解温度为 90 ～ 110 ℃时，还原糖收率大幅增
加，在 110 ℃处达到极大值，约 15. 00% ． 当水解温度
超过 110 ℃后，还原糖收率与水解温度则呈负相关．
这是由于过高的水解温度会加剧葡萄糖、木糖和甘露
醇等还原糖脱水，生成糠醛和有机酸等发酵抑制物，
影响后续发酵效果［32］． 因此，选定110 ℃作为零水平
进行响应面优化． 半纤维素分子链中含有游离羟基，
并且是由多种单糖聚合而成的非晶体结构． 因此，与
具有晶体结构的纤维素相比，在酸性介质中半纤维素
的糖苷键较易断裂，降解成低聚糖，而低聚糖再进一
步水解成单糖． 对水解后的残渣进行成分分析发现，
在水解温度为 80 ℃时，w(半纤维素)已由原料的
21. 80%快速降至残渣中的 15. 03% ． 水解温度越高，
半纤维素水解程度越大;但在其后的升温过程中，下
降速率逐渐变缓． 这说明在较大的水解温度变化范
围内，半纤维素的水解效果变化不大，而残渣中的
w(纤维素)在 110 ℃后开始下降，该结论与文献［33］
的结论相一致．
由图 1(b)可见，铜藻的水解还原糖收率随着液
固比的增大呈先升后降的趋势． 在液固比为 20∶ 1时
存在极值，还原糖收率为 10. 92% ． 液固比由 5 ∶ 1增
至 20∶ 1时，还原糖收率增加了 50. 76%，该趋势说明
液固比小于 20∶ 1时，提高液固比能增加还原糖收率．
原因是液固比较小不足以提供糖苷键断裂所需的
H +浓度，并且藻粉与稀酸也不能充分接触． 而当液
固比大于 20∶ 1时，水解液中会存在过量的 H +，导致
水解出来的还原糖进一步脱水产生乙酸和糠醛等副
产物，造成还原糖收率小幅下降［32］． 分析还原糖收
率随液固比的变幅可知:在所研究的液固比范围内，
还原糖收率的最大值与最小值之差仅为 3. 68%，说
明液固比对水解结果影响不显著． 对水解残渣进行
成分分析的结果同样支持该结论:残渣中w(纤维素)
608
第 7 期 蒋媛媛等:稀酸预处理铜藻制备生物乙醇工艺
基本稳定在 52. 00% ～53. 00%之间，w(半纤维素)总
体维持在 6. 30%左右． 因此，选择 20 ∶ 1的液固比作
为最优参数，不再进行优化试验．
由图 1(c)可见，水解时间对铜藻水解的影响结
果在前 2. 00 h 内还原糖收率总体呈上升趋势，于
2. 00 h处达到极值． 在短时间的水解过程中，酸溶液
中的 H +破坏铜藻的糖苷键，使低聚糖和单糖等还原
糖得以释放． 由此可见，水解时间小于 2. 00 h 时，可
通过延长水解时间来提高还原糖收率;但大于 2. 00 h
时，还原糖收率反而呈下降趋势． 文献［34］对 H2SO4
和 HCl水解甜高粱渣产 C5 和 C6 等还原糖过程中的
发酵抑制物(乙酸、糠醛和羟甲基糠醛等)进行量化
分析，结果表明，水解时间和水解温度对抑制物的产
生有协同促进作用，抑制物浓度随着时间的增加而增
加． 研究［35］表明，较高水解温度下，随着水解时间的
增加，尽管木质纤维素继续转化为还原糖，但还原糖
分解速率大于其生成速率． 这意味着水解时间不宜
过高，在该试验中不宜超过 2. 00 h． 综合这些因素，
选取 2. 00 h 作为优化参数． 水解后残渣中的组分分
析结果显示，w(半纤维素)随水解时间的延长而下
降． 在前 1. 50 h 内，w(半纤维素)由 21. 80%迅速降
至 5. 20%，而后的 1. 50 h内变幅很小，表明延长水解
时间对水解效果的影响并不大;残渣中w(纤维素)由
原来的 37. 94%升至 1. 00 h 后的 53. 55%，然后趋于
平缓． 综上，在水解前期转化的组分几乎全部是半纤
维素，而纤维素的水解是在半纤维素和木质素的包被
作用被破坏、H +的浓度增加后开始的．
由图 1(d)可见，w(H2SO4)对还原糖收率的影响
非常显著． 不加酸时，还原糖收率仅为 2. 59% ． 随着
w(H2SO4)的增加，水解还原糖收率迅速上升．
w(H2SO4)由 0 增至 1. 00% 时，还原糖收率提高了
155. 98% ． 而w(H2SO4)由 1. 00%增至 3. 00%、3. 00%
增至 5. 00%、5. 00%增至 10. 00%时，还原糖收率提高
了 30. 62% ～ 79. 79%，增幅相对较小． w(H2SO4)越
高，对设备的腐蚀越强，并且随着w(H2SO4)的增大，
还原糖收率的增幅也逐渐减小，因此，w(H2SO4)超过
10. 00%时不予考察． 从化学机理上看，w(H2SO4)较
低时为半纤维素的水解提供了适量的 H +，H +能完全
被半纤维素中糖苷键的断裂所消耗，而当w(H2SO4)
达到一定值后，过剩 H + 会加快还原糖转化成 HMF
等副产物的速度，从而降低还原糖收率的提升速度．
研究［36］表明，采用硫酸水解石花菜制备葡萄糖和乙
酰丙酸，在酸水解制备糖的过程中w(H2SO4)不宜过
高，否则会导致糖的进一步降解，最适w(H2SO4)为
3. 00% ． 综合考虑，选择w(H2SO4)为 4. 00%进行后
期的参数优化． 铜藻残渣的成分分析结果显示:当
w(H2SO4)由 0增至 1. 00%时，残渣中的w(半纤维素)
由 13. 45%迅速降至 6. 58%，而后随着w(H2SO4)的
逐渐增加，铜藻残渣中w(半纤维素)仅有小幅下降．
为验证该结果，将w(H2SO4)由 5. 00%增至 10. 00%，
w(半纤维素)仅下降 5. 56% ． 说明当w(H2SO4)超过
1. 00%后，w(H2SO4)的增加对半纤维素的水解效果
影响不大． 而残渣中w(纤维素)的变化趋势显示，与
w(H2SO4)为 0 时相比，w(H2SO4)为 1. 00%时残渣
中的w(纤维素)有较大提高;此后，w(纤维素)呈下
降趋势． 这可能是因为硫酸使半纤维素糖苷键断裂
图 1 水解温度、液固比、水解时间、w(H2SO4)对铜藻原料稀酸水解的影响
Fig. 1 Effects of temperature，liquid-solid ratio，time and concentration of sulfuric acid on dilute acid hydrolysis
708
环 境 科 学 研 究 第 27 卷
的同时，也与纤维素中的糖苷键作用，使纤维素发生
水解，并且水解速率大于由半纤维素水解引起的
w(纤维素)的增长率．
2. 4 铜藻稀酸水解的响应面试验
结合单因素试验结果，以水解时间、水解温度以
及w(H2SO4)为自变量，还原糖收率为响应值，根据
Box-Behnken设计原理安排了 17组试验组合(见表 2)．
表 2 铜藻稀酸水解响应面分析试验结果
Table 2 Test design and results of response surface analysis
试验
编号
水解温
度 /℃
水解时
间 /h
w(H2SO4)/%
还原糖收
率 /%
1 100 2. 50 4. 00 23. 03
2 110 2. 00 4. 00 23. 52
3 110 1. 50 3. 00 11. 60
4 100 1. 50 4. 00 14. 37
5 110 2. 00 4. 00 23. 53
6 120 2. 00 3. 00 20. 63
7 100 2. 00 5. 00 22. 11
8 110 2. 00 4. 00 23. 53
9 110 2. 50 3. 00 13. 77
10 100 2. 00 3. 00 12. 64
11 110 2. 00 4. 00 23. 50
12 110 2. 00 4. 00 23. 54
13 110 2. 50 5. 00 23. 85
14 120 1. 50 4. 00 23. 24
15 120 2. 00 5. 00 25. 02
16 110 1. 50 5. 00 23. 03
17 120 2. 50 4. 00 24. 46
2. 4. 1 数据分析
以还原糖收率为响应值，采用 Design-Expert 对
铜藻稀酸水解进行多元回归拟合，得到稀酸水解预处
理工艺参数初步回归模型:
Y = 23. 53 + 2. 65A + 1. 61B + 4. 42C －
1. 86A × B － 1. 27A × C － 0. 34B × C －
0. 11A2 － 2. 15B2 － 3. 32C2
式中:A 为水解温度，℃;B 为水解时间，h;C 为
w(H2SO4) ，%;Y为还原糖收率，% ．
对数据进行统计分析(见表 3)可知，在所选择的
因素水平范围内〔水解温度为 80 ～ 130 ℃，水解时间
为 0. 50 ～ 3. 00 h，w(H2SO4)为 0. 00% ～ 10. 00%〕，
w(H2SO4)对还原糖收率具有非常显著的影响(P ＜
0. 000 1) ，水解温度以及水解时间对其具有显著影响
(P ＜ 0. 05) ，各因素对还原糖收率的影响程度为
w(H2SO4)＞水解温度 ＞水解时间． 此外，水解时间
的二次项和w(H2SO4)的二次项对还原糖收率影响显
著(P ＜ 0. 05) ，表明还原糖收率与这些因素水平具有
非常显著的非线性关系． 分析结果还表明，水解温度
与水解时间之间具有显著的交互作用(P ＜ 0. 05)．
表 3 铜藻稀酸水解响应面回归分析结果
Table 3 Variance analysis of developed regression equation
方差来源 平方和 自由度 均方差 F P 显著性
模型 323. 92 9 35. 99 18. 95 0. 000 4 *
A 56. 18 1 56. 18 29. 58 0. 001 0 *
B 20. 70 1 20. 70 10. 90 0. 013 1 *
C 156. 38 1 156. 38 82. 34 ＜ 0. 000 1 ＊＊
A × B 13. 84 1 13. 84 7. 29 0. 030 7 *
A × C 6. 45 1 6. 45 3. 40 0. 107 9
B × C 0. 46 1 0. 46 0. 24 0. 639 3
A2 0. 05 1 0. 05 0. 03 0. 875 9
B2 19. 40 1 19. 40 10. 21 0. 015 2 *
C2 46. 45 1 46. 45 24. 46 0. 001 7 *
注:＊＊表示差异极显著，P ＜ 0. 001;* 表示差异显著，P ＜ 0. 05.
基于回归模型方差分析结果，采用 Design-Expert
作水解时间、水解温度以及w(H2SO4)对还原糖收率
影响的响应面和等值线图，结果如图 2 ～ 4 所示．
w(H2SO4)为 4. 00%时，水解温度和水解时间及
其交互作用对还原糖收率的影响见图 2. 响应面显
示，水解温度的升高有助于提高还原糖收率;等值线
结果显示，水解温度一定时，还原糖收率随时间的延
长呈先增加后减小的趋势． 原因可能是水解时间过
长导致还原糖生成 5-HMF(5-羟甲基糠醛)等副产物
的速率增加，从而降低了还原糖收率［26］．
水解时间为 2. 00 h 时，水解温度和w(H2SO4)及
其交互作用对还原糖收率的影响见图 3. 在w(H2SO4)
约为 3. 65%时，随着水解温度由 100 ℃升至 115 ℃，相
应的还原糖收率由 20. 00% 增至 24. 00%;而当
w(H2SO4)为 5. 00%时，水解温度只需 105 ℃即可达
到 24. 00%的还原糖收率． 综上可知:在所选择的因
素水平范围内，当w(H2SO4)一定时，需要提高水解温
度以期增加还原糖收率;同样，当水解温度一定时，较
高还原糖收率亦可通过增大w(H2SO4)获得;并且当
w(H2SO4)在较高水平时，较低的水解温度也能得到
较高的还原糖收率．
水解温度为 110 ℃时，水解时间和w(H2SO4)及其
交互作用对还原糖收率的影响见图 4． 等值线接近圆
形说明交互作用不显著． 响应面结果显示，w(H2SO4)
的增加有助于提高还原糖收率，但还原糖收率增加到
一定程度后又呈下降趋势． 等值线结果显示，在水解
时间约为 2. 15 h，w(H2SO4)为 4. 60%时，还原糖收
率存在最大值;当二者水平过低或过高时，均会导致
还原糖收率下降．
808
第 7 期 蒋媛媛等:稀酸预处理铜藻制备生物乙醇工艺
图 2 水解时间和水解温度对还原糖收率影响的响应面和等值线
Fig. 2 Ｒesponse surface and contour plots for the effects of the time and temperature
on ratio of reducing sugar
图 3 水解温度和w(H2SO4)对还原糖收率影响的响应面和等值线
Fig. 3 Ｒesponse surface and contour plots for the effects of the temperature and
concentration of sulfuric acid on ratio of reducing sugar
图 4 水解时间和w(H2SO4)对还原糖收率影响的响应面和等值线
Fig. 4 Ｒesponse surface and contour plots for the effects of the time and
concentration of sulfuric acid on ratio of reducing sugar
908
环 境 科 学 研 究 第 27 卷
2. 4. 2 最佳参数的优化与验证
基于试验与模型拟合结果，采用 Design-Expert
对试验参数进一步优化． 由软件分析得到最优工艺
参数:水解温度为 120 ℃，水解时间为 2. 07 h，
w(H2SO4)为 4. 53%;按该参数条件，还原糖收率预
测值为 26. 21% ． 为实际操作方便，选取最佳条件:水
解温度为 120 ℃，液固比为 20 ∶ 1，水解时间为 2. 00
h，w(H2SO4)为 4. 50% ． 为了检验模型的准确性，在
上述条件下进行 3 次平行试验，还原糖收率平均值为
25. 57%，与预测值非常接近． 因此利用响应面法优
化铜藻酸水解预处理参数准确且可行．
2. 5 酶水解以及酵母发酵结果比较分析
将未经预处理的铜藻藻粉进行纤维素酶水解，还
原糖收率为 5. 41%;而对其经过稀酸预处理并进行
酶水解后，还原糖收率达 44. 05%，是未预处理下的的
8. 14倍． 将在最佳预处理条件下处理后的水解液及残
渣进行进一步酶水解、发酵，乙醇产率为 7. 80%，相
比于未经预处理直接酶水解及发酵的 3. 79%有大幅
提高．
国内外研究者利用大型海藻制备生物乙醇因选
用的原料、预处理、酶水解以及发酵等方法的不同，乙
醇产率也有所不同(见表 4) ，利用发酵性能更好的酵
母菌株有望得到更好的试验结果;因此，后续工作将
在目前利用酿酒酵母的基础上选用能同时利用 C5 和
C6 的酵母菌株，以期获得更高的乙醇产率，同时将围
绕金属离子对铜藻水解过程的影响展开新的研究．
表 4 与大型海藻制备生物乙醇相关研究结果的对比
Table 4 Compared with the related research of bioethanol synthesized by kelp
大型海藻 工艺条件 乙醇产率 /% 数据来源
北极海带(Laminaria hyperborea)
经切碎预处理后，加入海藻多糖酶与酿酒酵母 Ethanol Ｒed 同步糖
化发酵 48 h
0. 47 文献［37］
海带(Laminaria) 经粉碎、水浴蒸煮预处理后，加入酿酒酵母发酵 2. 10 文献［20］
马尾藻(Sargassum sagamianum)
于温度 200 ℃，压力 15 MPa的热液中预处理 15 min后，加入树干毕
赤酵母 CBS 7126 发酵 48 h
10. 00 文献［38］
长心卡帕藻(Kappaphycus alvarezii)
于w(H2SO4)为 0. 20%、温度为 130 ℃下预处理 15 min 后，加入酿
酒酵母发酵 24 h
1. 31 文献［16］
铜藻(Sargassum horneri)
于w(H2SO4)为 4. 50%，液固比为 20 ∶ 1，温度为 120 ℃下预处理 2
h，再经纤维素酶预水解 3 h后，加入酿酒酵母发酵 120 h
7. 80 该研究
3 结论
a)采用稀酸预处理铜藻可行且有效，可大幅提
升酶水解和发酵制醇效果． 在所选因素的水平范围
内，w(H2SO4)对还原糖收率具有非常显著的影响，水
解温度对其具有显著影响，水解时间的影响显著性其
次，液固比的影响并不显著．
b)通过单因素试验和响应面法对铜藻稀酸水解
预处理条件进行优化，确定铜藻稀酸水解预处理的最
佳工艺参数:水解温度为 120℃，液固比为 20∶ 1，水解
时间为 2. 00 h，w(H2SO4)为 4. 50% ． 在该条件下，还
原糖收率可达 25. 57% ． 试验结果表明，稀酸水解铜
藻过程中的影响因素之间具有交互作用，并非各自孤
立存在．
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(责任编辑:周巧富
檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪
)
科技期刊常用量的符号、名称及释义
符号 量名称 单位 说明
c 浓度、物质的量浓度 mol /m3 某物质的质量除以混合物的体积，如污染物 A的浓度应表示为 c(A)
ρ 质量浓度 kg /L 某物质的质量除以混合物的体积，如污染物 A的质量浓度应表示为 ρ(A)
w 质量分数 1，mg /kg 某物质的质量与混合物的质量之比，如污染物 A的质量分数应表示为 w(A)
φ 体积分数 1，mL /L 某物质的体积与混合物的体积之比，如污染物 A的体积分数应表示为 φ(A)
n 物质的量 mol 如污染物 A的量应表示为 n(A)
注:源自 GB 3102． 8—1993《物理化学和分子物理学的量和单位》．
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