全 文 ：第３８卷第３期　　　　　　　　　 西 南 大 学 学 报 （自然科学版）　　　　　　　　　　　２０１６年３月
Ｖｏｌ．３８　Ｎｏ．３ Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｓｏｕｔｈｗｅｓｔ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ（Ｎａｔｕｒａｌ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　Ｅｄｉｔｉｏｎ） Ｍａｒ．　２０１６
ＤＯＩ：１０．１３７１８／ｊ．ｃｎｋｉ．ｘｄｚｋ．２０１６．０３．０２３
芦竹秸秆温和碱氧化预处理条件优化
①
付博元１，２，　李胜男１，２，　黄　磊１，２，　陈玉成１，２
１．西南大学 资源环境学院，重庆４００７１６；２．重庆市农业资源与环境重点实验室，重庆４００７１６
摘要：通过单因素试验和响应面试验对芦竹秸秆的碱预处理条件进行了优化．结果表明预处理最优条件为：处理温
度为６４℃，处理时间为２６．５ｈ，固液比为１∶２２．２，氢氧化钠质量分数为１．２４％，此条件下芦竹秸秆的失重率、纤
维素、半纤维素、木质素的保留率分别为３３．３７％，９７．７７％，４５．５３％，２６．７３％．经过预处理芦竹秸秆，在最优条件
预处理下水解产率为７７．７６％，比未处理秸秆的还原糖产量高０．６６ｇ／ｇ．
关　键　词：芦竹；碱；预处理；酶水解
中图分类号：ＴＱ３５２　　　　文献标志码：Ａ　　　　文章编号：１６７３－９８６８（２０１６）０３－０１４３－０６
据１９９９年至２０１０年的统计数据，在我国人工湿地系统中大约有７０种土著植物，大多数种类对污染物
具有较强的适应能力，其中包括芦竹（Ａｒｕｎｄｏ　ｄｏｎａｘ　Ｌ．）［１］．芦竹是纤维素类能源草本植物，可以生长至３
～１０ｍ，具有坚硬的茎藤，呈中空状且具节点，直径约为１～４ｃｍ，其干物质平均年产量可达３０～４０ｔ／
ｈｍ２［２－３］，是目前最具有发展前途的生物资源之一．为了保证人工湿地具有稳定的污染物去除效果，要对湿
地植物定期收割，现有收割植物多数被直接还田或者焚烧，造成生物资源的浪费．
在植物秸秆中，７５％～９５％都是木质纤维素，通过有效的预处理和组分分离手段可以将秸秆原料中的
纤维素、半纤维素和木质素等分离并分别加工成有价值的产品，而预处理则是其中的关键步骤之一，预处
理环节可决定纤维素与半纤维素的转化率和成本．预处理的主要目的在于增加材料表面孔隙度，降解半纤
维素和木质素，并降低纤维素的结晶度使其更易与酶反应［４－７］．
传统的物理法，对木质素含量较低的生物物质的处理效果较好，但能耗较大；生物法周期较长，处
理效率较低；化学法能有效降低纤维素的结晶度，除去半纤维素或木质素，能耗低、周期短、效率
高［８－１１］．化学法主要包括酸处理法和碱处理法．碱处理法相对于酸处理法条件较为温和．处理过程中糖
的损失较少．Ｍａｒｇ　ａｒｅｔａ［１２］等 采用两步法对麦秆进行温和碱氧化处理，结果可使质量分数８１％ 的木质
素得到降解，处理费用较低，且只产生少量的污染物；邓辉等［９］用２．０％ ＮａＯＨ在１２０℃下预处理棉花
秸秆７５ｍｉｎ，使其中的木质素、半纤维素含量分别降低６０．４２％ 和３５．０５％．然而目前的研究多集中于
农作物秸秆、甘蔗渣等材料，针对湿地收割植物，尤其是针对化学法预处理芦竹去除木质素的研究还较
少，本文采用温和碱／氧化法处理芦竹秸秆中的木质素，对处理条件进行了进一步优化．具体探讨并确定
了最佳的温和碱预处理条件．
① 收稿日期：２０１４－１２－０８
基金项目：国家自然科学基金项目（５１４０８４９３）；中央高校基本业务费专项资金 （ＸＤＪＫ２０１４Ｃ１８８）；西南大学博士基金项目
（ＳＷＵ１１４０１３）．
作者简介：付博元（１９８９－），女，内蒙古鄂尔多斯人，硕士研究生，主要从事水污染控制与环境规划管理方面的研究．
通信作者：黄　磊，博士，讲师．
１　材料与方法
１．１　材　料
芦竹秸秆：采自重庆市万州区高峰镇某运行２ａ以上的人工湿地，经试验测得其含水率约为７６．５６％，
切成１～２ｃｍ小段烘干，纤维素所占百分比为４３．１７％，半纤维素所占百分比为２８．９７％，木质素所占百分
比为１５．００％．
１．２　试验方法
１．２．１　单因子试验
１）选取预处理时间、固液比、温度、氢氧化钠质量分数、双氧水体积分数作为因子．
２）分别称取１ｇ芦竹秸秆置于不同的具塞锥形瓶中，进行预处理试验后取出，用滤布过滤并用水洗至中
性，放于１０５℃的干燥箱中烘干，测定处理后秸秆的木质纤维素成分，判断单因素结果．每个试验３次重复．
３）初始预处理条件：氢氧化钠质量分数１％，Ｈ２Ｏ２ 体积分数０．５％混合反应液，温度６０℃、固液比
（ｇ／ｍＬ）１∶２０，水浴２４ｈ．
４）选取的时间水平分别为４，８，１６，２４，３２ｈ；固液比的水平为１∶１０，１∶１５，１∶２０，１∶２５，１∶３０；温度
水平为４０，５０，６０，７０，８０，９０℃；氢氧化钠质量分数水平为０，０．０５％，０．２５％，０．５％，１％，１．５％；双氧水体
积分数为０，０．１％，０．３％，０．５％，０．７％．
１．２．２　响应面试验
根据Ｂｏｘ－Ｂｅｈｎｋｅｎ设计原理，选取预处理时间、固液比、温度、氢氧化钠质量分数４个因素，分别以
Ｘ１，Ｘ２，Ｘ３，Ｘ４表示．每个自变量的低中高水平分别以－１，０，１进行编码，以芦竹秸秆木质素保留率为响应
值，设计４因素３水平的响应面试验，分析温和碱处理对芦竹秸秆中木质素保留率的影响．
温度的编码水平为５０，６０，７０℃；处理时间为１６，２４，３２ｈ；固液比为１∶１５，１∶２０，１∶２５；氢氧化钠质
量分数水平为０．５％，１％，１．５％．
１．２．３　纤维素酶解
准确称取１．０００ｇ温和碱氧化前后的芦竹秸秆，分别置入１００ｍＬ锥形瓶中，加入２４．４ｍＬ　ｐＨ为
４．８的柠檬酸－柠檬酸钠缓冲液和０．６ｍＬ纤维素酶液，放入全空气恒温摇床中酶解，温度５０℃，转速
１５０ｒ／ｍｉｎ，每酶解１２ｈ取样测定还原糖浓度．每个试验３次重复．
１．３　测定方法
１．３．１　芦竹秸秆木质纤维素组分测定
取２份相同质量的未处理秸秆样品，称质量，取其中１份进行预处理，得到处理秸秆粉，称质量并
用 Ｖａｎ　Ｓｏｅｓｔ法测定处理前／后秸秆粉的木质纤维素组分含量，计算秸秆的失重率和各组分的保留率．
１．３．２　还原糖含量测定
酶解液中还原糖浓度测定根据３，５－二硝基水杨酸（ＤＮＳ）比色法，参见文献［１３］．
２　结果与分析
２．１　单因素试验结果分析
秸秆的酶解率与木质素含量有较大关系［１４－１５］，通过温和碱预处理，可以去除芦竹秸秆中木质素，改变
秸秆的结构，暴露秸秆中纤维素．因此，本试验主要以芦竹秸秆木质素的去除率、纤维素和半纤维素的保留
率为主要考察指标．
２．１．１　预处理时间对芦竹秸秆各组分的影响
在温度６０℃，选择固液比为１∶２０、氢氧化钠质量分数为１％、Ｈ２Ｏ２ 体积分数为０．５％预处理芦竹秸
秆，预处理时间对芦竹秸秆各组分的影响，结果见图１．
４４１ 西南大学学报（自然科学版）　　　　　ｈｔｔｐ：／／ｘｂｂｊｂ．ｓｗｕ．ｅｄｕ．ｃｎ　　　　　第３８卷
从图１中可以看出，随着处理时间的延长，芦竹秸秆失重率在逐渐增大，其中半纤维素和木质素的保
留率都在下降．而纤维素的保留率基本不再减少．预处理２４ｈ后，失重率增加较小，木质素保留率也基本
不再变化，故芦竹秸秆的后期试验预处理时间选择２４ｈ．
２．１．２　固液比对芦竹秸秆各组分的影响
温度６０℃，预处理时间２４ｈ、氢氧化钠质量分数为１％、Ｈ２Ｏ２ 体积分数为０．５％，芦竹秸秆分别采用
不同的固液比处理，结果见图２．
图１　预处理时间对芦竹秸秆失重率和各组分的影响 图２　固液比对芦竹秸秆失重率和各组分的影响
　　由图２可知，随着处理的固液比的增加，芦竹秸秆的失重率也增加，其中，秸秆中的半纤维素和木质
素的保留率都在下降，纤维素的保留率则基本保持不变；固液比为１∶２０时，芦竹秸秆中半纤维素和木质
素的保留率与固液比１∶２５时相差不大，故后期试验选择固液比为１∶２０．
２．１．３　氢氧化钠质量分数对芦竹秸秆各组分的影响
图３为在温度６０℃，固液比１∶２０，预处理时间２４ｈ，Ｈ２Ｏ２体积分数０．５％，不同ＮａＯＨ质量分数
（０，０．０５％，０．２５％，０．５％，１．０％，１．５％，２．０％）条件下预处理芦竹秸秆的失重率和木质素、纤维素、半纤
维素的保留率变化．
由图３可知，在 ＮａＯＨ质量分数０～０．２５％，芦竹秸秆的失重率和３种组份保留率基本没变化，从
０．２５％开始，随 ＮａＯＨ质量分数的增加，芦竹秸秆的失重 率也增加，半纤维素和木质素的保留率都在下
降，纤维素的保留率则基本保持不 变，但 ＮａＯＨ质量分数大于１％后，秸秆的失重率和３种组份保留率变
化较小，故 ＮａＯＨ质量分数定为１％．
２．１．４　双氧水体积分数对芦竹秸秆各组分的影响
图４为在温度６０℃，固液比１∶２０，预处理时间２４ｈ、ＮａＯＨ质量分数１％，不同的 Ｈ２Ｏ２ 体积分数
（０，０．１％，０．３％，０．５％，０．７％）条件下预处理芦竹秸秆的秸秆失重率和纤维素、半纤维素、木质素的保留
率变化．
图３　氢氧化钠质量分数对芦竹秸秆
失重率和各组分的影响
图４　双氧水体积分数对芦竹秸秆
失重率和各组分的影响
５４１第３期　　　　　　　　 　付博元，等：芦竹秸秆温和碱氧化预处理条件优化
　　从图４可以看出，选择不同 Ｈ２Ｏ２ 体积分数预处理秸秆，对秸秆的失重率和３种组份保留率影响
较小，在０～０．３％之间，木质素减少了７．３４％，Ｈ２Ｏ２ 体积分数增加对组份的影响很小，故 Ｈ２Ｏ２ 体
积分数０．３％．
２．１．５　温度对芦竹秸秆各组分的影响
在预处理时间２４ｈ，固液比为１∶２０、氢氧化钠质量分数为１％、Ｈ２Ｏ２ 体积分数为０．３％预处理芦竹
秸秆，考察不同温度（３０，４０，５０，６０，７０，８０，９０℃）对芦竹秸秆各组分的影响，结果见图５．
从图５可以看出，温度对芦竹秸秆各组分的影响较大，随着温度的升高，芦竹秸秆的失重率也随之增
加，半纤维素和木质素保留率随之降低．在６０℃后，半纤维素和木质素保留率降低较少，考虑到处理效率
与能耗的关系，选用６０℃作为后期的试验处理温度．
２．２　响应面优化试验分析
以木质素保留率为响应值，根据响应面设计试验方案进行温和碱氧化预处理芦竹秸秆试验，并得出相
应结果
设计中有析因点和零点试验共２７个，试验号１－２４是析因试验，２５－２７是中心试验，其中析因点为自
变量取值Ｘ１，Ｘ２，Ｘ３，Ｘ４ 所构成，零点区域为中心点，零点试验重复３次，来估计试验误差．以芦竹秸秆木
质素保留率（Ｙ）为响应值，利用 ｍｉｎｉｔａｂ１５软件对试验结果进行处理，得到响应面各因素与芦竹秸秆木质
素保留率的回归方程为：
Ｙ＝０．２９５　３３－０．０４８　０３　Ｘ１－０．０３４　８９　Ｘ２－０．０５９　６０　Ｘ３－０．２３４　２８　Ｘ４＋０．０２９　４１　Ｘ１Ｘ１＋
０．０３９　３９　Ｘ２Ｘ２＋０．０３９　４５　Ｘ３Ｘ３＋０．２２９　３０　Ｘ４Ｘ４＋０．０１８　１０　Ｘ１Ｘ２＋０．０２５　２０　Ｘ１Ｘ３＋
０．０１８　０７　Ｘ１Ｘ４＋０．０１８　６５　Ｘ２Ｘ３－０．０１０　３２　Ｘ２Ｘ４＋０．０１８　４５　Ｘ３Ｘ４ （１）
方程（１）的相关系数Ｒ２＝０．９９９　１，ｐ＝０．０２７，剩余标准差Ｓ＝０．００９．模型方程的拟合优度可以通过相关系
数Ｒ２ 来验证，该方程的Ｒ２ 值为０．９９９　１，说明大约有９９．９１％的木质素保留率变异分布在所研究的４个因
素中，在总变异中只有不到１％不能用该模型来解释，说明回归方程具有较好的拟合度．试验选用的模型显
著（ｐ＜０．０５）．
对回归方程进行系数显著性检验及方差分析．模型方程的一次项及二次项均极显著（ｐ＜０．０１），交互
项显著（ｐ＜０．０５）．
根据实验结果绘制响应面分析图，从中可以看出最佳参数及各参数之间的相互作用．当特征值均为正
值时，响应面分析图为山谷型曲面，有极小值存在；当特征值均为负值时，响应面分析图为山丘型曲面，有
极大值存在，当特征值有正有负时，为马鞍型曲面，无极值存在．根据响应面图可知，直观的看出各因素间
交互作用对木质素保留率影响的显著性．
对回归方程进行求解，得到Ｘ１ 为０．３７９　６，Ｘ２ 为０．３１３　５，Ｘ３ 为０．４４６　６，Ｘ４ 为０．４８５　０，即预处理温
度为６４℃，处理时间为２６．５ｈ，固液比为１∶２２．２，氢氧化钠质量分数为１．２４％，芦竹秸秆木质素保留率
最小的预测值（Ｙ）为２１．０６％．
为检验模型预测结果，以最佳条件下进行３次重复试验验证，得芦竹秸秆木质素平均保留率为
２６．７３％，试验值与理论值结果相差６％，但在最优条件下的试验结果在响应面设计试验中最好，说明响应
面优化结果有效，对芦竹秸秆预处理有一定的可行性．
２．３　温和碱氧化处理方法对芦竹秸秆糖化的影响
对最优条件下预处理后和未经处理的芦竹秸秆进行酶解对比分析，结果见图６．
由图６可知，温和碱氧化处理的芦竹秸秆酶水解４８ｈ，水解率为７７．７６％，未处理的芦竹秸秆水
解６０ｈ，水解率为１１．１６％，经过温和碱氧化处理的芦竹秸秆 能够更快的达到水解平衡且产生的还
６４１ 西南大学学报（自然科学版）　　　　　ｈｔｔｐ：／／ｘｂｂｊｂ．ｓｗｕ．ｅｄｕ．ｃｎ　　　　　第３８卷
原性糖大大的高于未处理的芦竹秸秆．可能是因为芦竹秸秆中半纤维素和木质素被温和碱液作用且
木质纤维素结构遭到破坏，使纤维素结构酶作用位点更多的暴露出来，酶能够更好的接触纤维素，从
而加快了酶解的效率．
图５　温度对芦竹秸秆失重率和各组分的影响 图６　芦竹秸秆酶水解生成还原糖随时间的变化
３　结　论
１）经过单因素和响应面试验条件优化，温和碱处理对芦竹秸秆中木质素的去除，半纤维素、纤维素酶
解反应性能的提高起到很好的效果，得出预处理最优条件为：处理温度为６４℃，处理时间为２６．５ｈ，固液
比为１∶２２．２，氢氧化钠质量分数为１．２４％，此条件下芦竹秸秆的失重率、纤维素、半纤维素、木质素的保
留率分别为３３．３７％，９７．７７％，４５．５３％，２６．７３％．
２）温和碱预处理芦竹秸秆，可以去除秸秆中更多的木质素，提高秸秆的酶解产率，最优条件预处理后
秸秆酶解产率为７７．７６％，比未处理秸秆的还原糖产量高０．６６ｇ／ｇ．
参考文献：
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Ｓｉｎｇｌｅ　Ｆａｃｔｏｒ　Ａｎａｌｙｓｉｓ　ａｎｄ　Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ　ｏｎ　Ａｌｋａｌｉ
Ｐｒｅｔｒｅａｔｍｅｎｔ　ｏｆ　Ｇｉａｎｔ　Ｒｅｅｄ（Ａｒｕｎｄｏ　ｄｏｎａｘ）Ｓｔｒａｗ
ＦＵ　Ｂｏ－ｙｕａｎ１，２，　ＬＩ　Ｓｈｅｎｇ－ｎａｎ１，２，
ＨＵＡＮＧ　Ｌｅｉ　１，２，　ＣＨＥＮ　Ｙｕ－ｃｈｅｎｇ１，２
１．Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ　ａｎｄ　Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ，Ｓｏｕｔｈｗｅｓｔ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ　４００７１６，Ｃｈｉｎａ；
２．Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ　Ｋｅｙ　Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ　ｏｆ　Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ　Ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ　ａｎｄ　Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ，Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ　４００７１６，Ｃｈｉｎａ
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ　ａ　ｓｉｎｇｌｅ－ｆａｃｔｏｒ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ　ａｎｄ　ａ　ｒｅｓｐｏｎｓｅ　ｓｕｒｆａｃｅ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ，ｔｈｅ　ａｌｋａｌｉ　ｐｒｅｔｒｅａｔｍｅｎｔ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ
ｆｏｒ　ｇｉａｎｔ　ｒｅｅｄ（Ａｒｕｎｄｏ　ｄｏｎａｘ）ｓｔａｌｋ　ｗｅｒｅ　ｏｐｔｉｍｉｚｅｄ．Ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗｅｄ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｏｐｔｉｍａｌ　ｐｒｅｔｒｅａｔｍｅｎｔ　ｃｏｎｄｉ－
ｔｉｏｎｓ　ｗｅｒｅ　ａｓ　ｆｏｌｏｗｓ：ｒｅａｃｔｉｏｎ　ｔｉｍｅ　ｗａｓ　２６．５ｈ，ｒａｔｉｏ　ｏｆ　ｌｉｑｕｉｄ　ｔｏ　ｓｏｌｉｄ　ｗａｓ　２２．２∶１，ＮａＯＨ　ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ
ｗａｓ　１．２４％ａｎｄ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｗａｓ　６４℃．Ｕｎｄｅｒ　ｔｈｅ　ａｂｏｖｅ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ，ｔｈｅ　ｗｅｉｇｈｔ　ｌｏｓｓ　ｒａｔｅ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｒｅｔｅｎｔｉｏｎ
ｒａｔｅ　ｏｆ　ｃｅｌｕｌｏｓｅ，ｈｅｍｉｃｅｌｕｌｏｓｅ　ａｎｄ　ｌｉｇｎｉｎ　ｗｅｒｅ　３３．３７％，９７．７７％，４５．５３％ａｎｄ　２６．７３％，ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ．Ａｆ－
ｔｅｒ　ｅｎｚｙｍａｔｉｃ　ｈｙｄｒｏｌｙｓｉｓ，ｔｈｅ　ｌｉｇｎｏｃｅｌｕｌｏｓｅ　ｈｙｄｒｏｌｙｓｉｓ　ｒａｔｅ　ｏｆ　ｐｒｅｔｒｅａｔｅｄ　ｓｔｒａｗ　ｃｏｕｌｄ　ｒｅａｃｈ　ｔｏ　７７．７６％，ａｎｄ
ｔｈｅ　ｒｅｄｕｃｉｎｇ　ｓｕｇａｒ　ｙｉｅｌｄ　ｗａｓ　ｈｉｇｈｅｒ　ｔｈａｎ　ｔｈｅ　ｕｎｔｒｅａｔｅｄ　ｓｔｒａｗ　ｂｙ　０．６６ｇ／ｇ．
Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｇｉａｎｔ　ｒｅｅｄ（Ａｒｕｎｄｏ　ｄｏｎａｘ）；ａｌｋａｌｉ；ｐｒｅｔｒｅａｔｍｅｎｔ；ｅｎｚｙｍａｔｉｃ　ｈｙｄｒｏｌｙｓｉｓ
责任编辑　陈绍兰　　　　
８４１ 西南大学学报（自然科学版）　　　　　ｈｔｔｐ：／／ｘｂｂｊｂ．ｓｗｕ．ｅｄｕ．ｃｎ　　　　　第３８卷