全 文 ：第７卷第３期
２００９年５月
生 物 加 工 过 程
ＣｈｉｎｅｓｅＪｏｕｒｎａｌｏｆＢｉｏｐｒｏｃｅｓｓＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ
Ｖｏｌ．７Ｎｏ．３
Ｍａｙ２００９
收稿日期：２００８－１０－２０
基金项目：国家重点基础研究计划（９７３计划）资助项目（２００７ＣＢ７１４３０３）
作者简介：罗灵芝（１９８４—），女，甘肃兰州人，硕士研究生，研究方向：生物乙醇；王永红（联系人），副教授，Ｅｍａｉｌ：ｙｈｗａｎｇ＠ｅｃｕｓｔ．ｅｄｕ．ｃｎ
响应面法优化玉米秸秆同步酶解发酵产乙醇条件
罗灵芝１，李春玲２，袁敬伟２，王永红１，储 炬１
（１．华东理工大学 生物反应器工程国家重点实验室，上海 ２００２３７；
２中粮生化能源（肇东）有限公司，肇东 １５１１００）
摘 要：对汽爆玉米秸秆同步酶解发酵生产乙醇的条件进行优化。首先利用ＦｒａｃｔｉｏｎａｌＦａｃｔｏｒｉａｌ设计法对影响乙醇
产量的７个因素进行评价，筛选出具有显著效应的３个因素，即反应温度、酶添加量、总反应时间，再以ＢｏｘＢｅｈｎｋｅｎ
设计法及响应面分析法确定主要因素的最佳水平，即反应温度３７℃，每 ｇ纤维素添加纤维素酶３２Ｕ，反应时间
８７ｈ，此时乙醇体积分数达到３６９％。新工艺条件实验结果表明，乙醇体积分数在８７ｈ可达到３７６％，和原工艺相
比，反应时间缩短了９ｈ，乙醇体积分数提高了１３％。
关键词：玉米秸秆；同步酶解发酵；响应面法；生物乙醇
中图分类号：ＴＱ３５３４２ 文献标志码：Ａ 文章编号：１６７２－３６７８（２００９）０３－００２７－０７
Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｏｆｓｉｍｕｌｔａｎｅｏｕｓｓａｃｃｈａｒｉｆｉｃａｔｉｏｎａｎｄｆｅｒｍｅｎｔａｔｉｏｎｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ
ｆｏｒｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎｏｆｂｉｏｅｔｈａｎｏｌｆｒｏｍｓｔｅａｍｅｘｐｌｏｄｅｄｃｏｒｎｓｔｏｖｅｒｕｓｉｎｇ
ｒｅｓｐｏｎｓｅｓｕｒｆａｃｅｍｅｔｈｏｄｏｌｏｇｙ
ＬＵＯＬｉｎｇｚｈｉ１，ＬＩＣｈｕｎｌｉｎｇ２，ＹＵＡＮＪｉｎｇｗｅｉ２，ＷＡＮＧＹｏｎｇｈｏｎｇ１，ＣＨＵＪｕ１
（１．ＳｔａｔｅＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＢｉｏｒｅａｃｔｏｒＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＥａｓｔＣｈｉｎａＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ２００２３７，Ｃｈｉｎａ；
２．ＺｈａｏｄｏｎｇＣＯＦＣＯＢｉｏｅｎｅｒｇｙａｎｄＢｉｏｃｈｅｍｉｃａｌＣｏ．，Ｌｔｄ，Ｚｈａｏｄｏｎｇ１５１１００，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｓｉｍｕｌｔａｎｅｏｕｓｓａｃｃｈａｒｉｆｉｃａｔｉｏｎａｎｄｆｅｒｍｅｎｔａｔｉｏｎ（ＳＳＦ）ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓｆｏｒｂｉｏｅｔｈａｎｏｌｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ
ｆｒｏｍｓｔｅａｍｅｘｐｌｏｄｅｄｃｏｒｎｓｔｏｖｅｒｗｅｒｅｏｐｔｉｍｉｚｅｄ．Ｔｈｒｅｅｆａｃｔｏｒｓｆｏｒａｆｅｃｔｉｎｇｔｈｅｙｉｅｌｄｏｆｅｔｈａｎｏｌｗｅｒｅ
ｓｃｒｅｅｎｅｄｏｕｔｕｓｉｎｇＦｒａｃｔｉｏｎａｌＦａｃｔｏｒｉａｌｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｄｅｓｉｇｎ，ａｎｄｔｈｅｎｏｐｔｉｍｉｚｅｄｂｙＢｏｘＢｅｈｎｋｅｎｆａｃｔｏｒｉａｌ
ｄｅｓｉｇｎｏｆｒｅｓｐｏｎｓｅｓｕｒｆａｃｅｍｅｔｈｏｄｏｌｏｇｙｉｎｓｈａｋｅｆｌａｓｋ．Ｍａｘｉｍｕｍｅｔｈａｎｏｌｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｏｆ３６９ｖｏｌ％
ｗａｓｐｒｅｄｉｃｔｅｄｕｎｄｅｒｔｈｅｃｏｎｄｉｔｉｏｎｏｆｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ３７℃，ｅｎｚｙｍｅｌｏａｄｉｎｇ３２Ｕ／ｇｃｅｌｕｌｏｓｅ，ｔｏｔａｌｔｉｍｅ
８７ｈｕｓｉｎｇｒｅｓｐｏｎｓｅｓｕｒｆａｃｅｐｌｏｔｓａｎｄｐｏｉｎｔｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎｔｏｏｌｏｆＤＥＳＩＧＮＥＸＰＥＲＴ７０ｓｏｆｔｗａｒｅ．Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎ
ｔａｌｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｅｄｔｈａｔｉｎｔｈｅｏｐｔｉｍｉｚｅｄＳＳＦｃｏｎｄｉｔｉｏｎａｔ８７ｈｔｈｅｅｔｈａｎｏｌｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎａｃｈｉｅｖｅｄ３７６％
ｖｏｌ．％，ｗｉｔｈｔｈｅｅｔｈａｎｏｌｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｉｎｃｒｅａｓｅｄｂｙ１３％ ａｎｄｔｏｔａｌｔｉｍｅｓｈｏｒｔｅｎｅｄｂｙ９ｈｃｏｍｐａｒｅｄｗｉｔｈ
ｔｈｅｏｒｉｇｉｎａｌｃｏｎｄｉｔｉｏｎ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｃｏｒｎｓｔｏｖｅｒ；ｓｉｍｕｌｔａｎｅｏｕｓｓａｃｃｈａｒｉｆｉｃａｔｉｏｎａｎｄｆｅｒｍｅｎｔａｔｉｏｎ；ｒｅｓｐｏｎｓｅｓｕｒｆａｃｅｍｅｔｈｏｄｏｌｏｇｙ；ｂｉｏ
ｅｔｈａｎｏｌ
自然界中可以用于生产生物乙醇的生物质来 源非常广泛，如稻草、甘蔗渣、秸秆等［１］。但是，与
葡萄糖或淀粉相比，利用木质纤维素为原材料生产
乙醇要困难得多，这是由于木质纤维素中只有纤维
素和半纤维素等成分，较易水解生成单糖，从而被
微生物所利用［２］。在生物乙醇的生产过程中，一般
采取添加纤维素酶的方法来水解木质纤维素生成
单糖，然后再利用酿酒酵母等微生物发酵生产乙
醇。但是现在越来越多的研究集中于将２个步骤耦
合起来，使酶解和发酵同时进行，即同步酶解发酵
（ＳＳＦ）［３］。
与分步酶解发酵（ＳＨＦ）相比，ＳＳＦ具有诸多优
点［４－８］。但是，ＳＳＦ本身也存在一定缺陷，主要问题
是水解和发酵所需的最佳温度不能匹配。一般纤
维素酶水解的最佳温度在４５～５０℃，而发酵的最佳
温度在３０～４０℃，所以 ＳＳＦ常在 ３５～３８℃下操
作［７］，希望可以兼顾纤维素酶活性的发挥和发酵的
效率。
部分 析 因 设 计 （ｆｒａｃｔｉｏｎａｌｆａｃｔｏｒｉａｌｄｅｓｉｇｎｓ，
ＦＦＤ）和响应面法（ｒｅｓｐｏｎｓｅｓｕｒｆａｃｅｍｅｔｈｏｄｏｌｏｇｙ，
ＲＳＭ）是应用最广泛的多因素优化方法之一，此类
方法利用响应面方法进行过程优化，克服了传统
的单因素实验需要花费大量时间的缺点，并且很
难考察培养基各成分之间相互影响的缺点［９］，可
以实现实验次数最小化，多因素交互作用分析，并
建立变量与响应之间的模型，从而预测最优化条
件和结果［１０］。本文选用基于统计学方法的多因素
实验，应用部分析因设计、ＢｏｘＢｅｈｎｋｅｎ设计和响
应面法，对影响同步酶解发酵水平的 ７个影响因
素进行评价，筛选３个关键影响因素，并最终优化
同步酶解发酵的条件。
１ 材料与方法
１１ 原材料、酶和菌种
１１１ 原材料
玉米秸秆（中国东北），经采集后，通过粉碎，风
干，以水蒸气作为催化剂在２０ＭＰａ、２０５℃下蒸汽
爆破６ｍｉｎ后，由旋风分离器进行收集，在通风良好
的环境中于室温条件下摊开保存。
１１２ 纤维素酶及酶活定义
纤维素酶：酸性纤维素酶，由高宝绿色科技集
团有限公司提供。
滤纸酶活单位（Ｕ）定义为：在５０℃、ｐＨ４８下，
恒温１ｈ，以水解反应中每分钟催化底物水解形成
１ｍｇ葡萄糖的酶量为１个单位Ｕ。
１１３ 发酵菌种
菌种：安琪酵母 （Ｓａｃｃｈａｒｏｍｙｃｅｓｃｅｒｅｖｉｓｉａｅ），安琪
酵母有限公司产品。
１１４ 汽爆秸秆洗涤工艺
在一个带有搅拌桨的反应器中洗涤汽爆玉米
秸秆。将玉米秸秆原料配成一定浓度的悬浊液，以
转速１００ｒ／ｍｉｎ充分搅拌１０ｍｉｎ后将物料取出并挤
干其中的水分，置通风处风干保存。
１１５ 水洗汽爆玉米秸秆干质量测定
将粉碎的水洗汽爆玉米秸秆过筛，选取直径
０４～０９ｍｍ的秸秆样进行实验分析。将秸秆样置
烘箱内（８０±３）℃烘至恒质量。计算２个平行试样
的质量分数，取平均值。
１２ 测定方法
１２１ 葡萄糖浓度测定
利用葡萄糖试剂盒测定葡萄糖浓度。
１２２ 产物乙醇含量测定
采用气相色谱法，以分析纯乙醇配成１％ ～５％
体积分数的标准溶液试样，以异戊醇作为内标，取
混合标准样进样。以乙醇峰面积与内标异戊醇峰
面积的比值为横坐标，对乙醇标准品浓度作图，得
到标准曲线。在同样气相色谱操作条件下分析待
测试样。
１２３ 基本工艺流程
采用同步酶解发酵工艺，即以质量分数１５％的
水洗汽爆秸秆为底物，添加适量纤维素酶，经过一
定时间的预酶解，再添加适量酵母，反应完成后测
定乙醇含量和残留的葡萄糖浓度。
１３ 实验设计
１３１ ＦｒａｃｔｉｏｎａｌＦａｃｔｏｒｉａｌ实验设计
根据前期实验结果和相关文献报道，本实验中
选取７个影响因素（变量）作为独立考察的因素，利
用ＤｅｓｉｇｎＥｘｐｅｒｔＳｏｆｔｗａｒｅ（ＳｔａｔＥａｓｅＩｎｃ．，Ｍｉｎｎｅａｐｏ
ｌｉｓ，ＭＮ，ＵＳＡ，Ｖｅｒｓｉｏｎ６０４）软件设计一２（７－２）两
水平部分析因设计（ＦＦＤ），以反应过程参数对乙醇
产量的影响以及各因素之间交互作用，确定影响乙
醇产量的显著因素。过程中采用１／２实验，选用了
Ｎ＝６８的ＦＦＤ设计表，即６４个析因实验（２７×１／２＝
６４），另加４个用于误差分析的中心点实验。本实
８２ 生 物 加 工 过 程 第７卷
验中各因素规范值与实际值的设定水平如表１所
示，评价指标（响应值）为乙醇产量（Ｙ１）和反应体系
中残留葡萄糖量（Ｙ２）。
表１ 析因实验各因素水平设计
Ｔａｂｌｅ１ ＦａｃｔｏｒｓａｎｄｃｏｄｅｄｖａｌｕｅｓｏｆＦＦＤ
因素
水平
－１ ０ １
Ａ初始ｐＨ（ｘ１） ４ ５ ６
Ｂ转速（ｘ２）／（ｒ·ｍｉｎ
－１） １００ １５０ ２００
Ｃ反应温度（ｘ３）／℃ ３２ ３５ ３８
Ｄ纤维素酶比活（ｘ４）／（Ｕ·ｇ
－１） ５ ２０ ３５
Ｅ酵母（ｘ５）／（ｇ·ｇ
－１） ０００１ ０００５ ００１０
Ｆ预酶解时间（ｘ６）／ｈ ０ ２ ４
Ｇ总反应时间（ｘ７）／ｈ ７２ ９６ １２０
１３２ 响应曲面（ＲＳＭ）实验设计
在析因实验的基础上，采用 ＢｏｘＢｅｈｎｋｅｎ法，对
析因实验设计筛选出的关键因子进行研究，建立的
模型（通常为二次多项式）用于预测获得最大期望
响应的水平。
以 ＦｒａｃｔｉｏｎａｌＦａｃｔｏｒｉａｌ实验确定的关键因子作
为变量，根据ＢｏｘＢｅｈｎｋｅｎ的设计原理，设计响应面
分析实验。
所有实验均在２５０ｍＬ发酵摇瓶中进行，每瓶装
液量为１００ｍＬ，每处理重复３次。
１３３ 验证实验
每个实验均进行２次，对应的响应值取２次实
验结果的平均值。
２ 结果与讨论
２１ ＦｒａｃｔｉｏｎａｌＦａｃｔｏｒｉａｌ分析同步酶解发酵条件
重要影响因素
利用 ＤｅｓｉｇｎＥｘｐｅｒｔ软件对 ＦｒａｃｔｉｏｎａｌＦａｃｔｏｒｉａｌ
实验结果进行方差分析，结果见表２。一般Ｐｒｏｂ＞Ｆ
值小于００５表明模型或参数有显著影响。由表２
可以看出，因素 Ｃ（反应温度），因素 Ｄ（纤维素酶）
和因素Ｇ（总反应时间）为影响同步酶解发酵水洗
汽爆玉米秸秆乙醇产量和残留葡萄糖浓度的３个显
著性因素（Ｐｒｏｂ＞Ｆ值均小于００５），因素Ａ（ｐＨ）、Ｂ
（转速）、Ｅ（酵母）、Ｆ（预酶解时间）对响应值影响不
显著。
本研究的主要目的是提高乙醇产量的同时提高
Ｃ源的利用率。对于因素Ａ（ｐＨ），实验结果表明，当
ｐＨ在４０～６０范围内时，酵母产乙醇的量不受影
响，该结果与文献［１１］报道一致。适当的转速是保证
体系充分混合从而彻底水解纤维素的必要条件，但本
实验采用低底物浓度，容易混合均匀，所以转速对乙
醇产量的影响并不显著。Ｚａｃｃｈｉ小组［１２－１４］研究证明
当增加酵母接种量时，酵母消耗更多的底物用于自身
生长代谢，乙醇的产量降低；当减少酵母接种量时，单
位体积内的乙醇生成速率随之下降，甚至导致发酵停
滞。但是，在同步酶解发酵过程中，酶解速率才是整
个同步酶解发酵过程的限速步骤，因而适当降低接种
量不会降低乙醇产量。本实验析因实验结果中，酵母
接种量的Ｐ值大于０００５，表明其对乙醇产量没有显
著影响。此外，本实验也对预酶解时间进行了考察，
结果表明，预酶解时间对乙醇产量没有影响。但是进
行适当的预酶解可以保证在发酵开始前，体系中存在
一定的葡萄糖供酵母生长利用，同时也能降低体系的
初始黏度，有利于酶解发酵［２］。
对于以上４个影响因素 Ａ、Ｂ、Ｅ、Ｆ，初始设定的
因子水平已处于最佳范围内，因而在后续的优化实
验中，因素 Ｂ、Ｅ和 Ｆ取析因实验中的中间水平（表
１）。因素Ａ对２个响应值没有明显影响，且水洗后
的秸秆物料 ｐＨ为５１２左右，为了简化工艺，后续
的优化实验中不再对 ｐＨ进行调整，而是保持物料
原始的ｐＨ状态。
根据析因实验结果，响应面实验中选取 Ｃ（温
度）、Ｄ（纤维素酶）、Ｇ（总反应时间）３个因素进行
优化。通过观察析因实验中心值和因素值之间的
差异，发现这些数据能够形成明显的曲面（曲率 Ｆ
值为９５３），因而不需要再进行登高实验。
２２ ＢｏｘＢｅｈｎｋｅｎ设计及响应面分析（ＲＳＭ）
根据析因实验结果，筛选出影响同步酶解发
酵水洗汽爆玉米秸秆乙醇产量和残留葡萄糖浓
度的反应温度、纤维素酶和总反应时间 ３个显著
性因素为主要变量，其余变量对响应值影响不
显著。
９２ 第３期 罗灵芝等：响应面法优化玉米秸秆同步酶解发酵产乙醇条件
表２ 析因实验设计回归分析结果（Ｙ１、Ｙ２）
Ｔａｂｌｅ２ Ｒｅｇｒｅｓｓｉｏｎａｎａｌｙｓｉｓｏｆｆｒａｃｔｉｏｎａｌｆａｃｔｏｒｉａｌｄｅｓｉｇｎ（Ｙ１、Ｙ２）
方差
来源
Ｙ１ Ｙ２
均方 Ｆ值 Ｐｒ＞Ｆ 均方 Ｆ值 Ｐｒ＞Ｆ
模型 ０７７９５７ ３５７３４７ ００００２ １２５３２２７０３ ２３１６０７ ０００８２
Ａ ００４８４０ ０２２１８６ ０６４０３ １５１５９７６６ ０２８０１７ ０５９９７
Ｂ ００７１５６ ０３２８０１ ０５７０２ １５９１０１２６６ ２９４０３２ ００９４５
Ｃ ００００１６ ００００７２ ０９７８８ ５０７４７８１４１ ９３７８６２ ０００４０
Ｄ ５４１７２６ ２４８３２１２ ＜００００１ １５３３７０１４１ ２８３４４１ ０１００５
Ｅ ００１７５６ ００８０４８ ０７７８２ １６３７２１３９１ ３０２５７１ ００９０１
Ｆ ００１５６２ ００７１６２ ０７９０４ ３７４９０６４１ ０６９２８６ ０４１０４
Ｇ ０３５７０１ １６３６４８ ０２０８６ １３６７４３７８９１ ２５２７１３９ ＜００００１
ＡＢ ００００９０ ０００４１３ ０９４９１ ７９８７８９１ ０１４７６２ ０７０３０
ＡＣ ００４０００ ０１８３３６ ０６７０９ ７０８８９１ ００１３１０ ０９０９５
ＡＤ ０３０２５０ １３８６６３ ０２４６３ ２６６５１４１ ００４９２５ ０８２５６
ＡＥ ０１８９２３ ０８６７３９ ０３５７６ １６３３１７０１６ ３０１８２３ ００９０４
ＡＦ ０２４２５６ １１１１８５ ０２９８３ ９８２５７６６ ０１８１５９ ０６７２４
ＡＧ ００５５２２ ０２５３１５ ０６１７８ ８３３７６６ ００１５４１ ０９０１９
ＢＣ ００３５１６ ０１６１１５ ０６９０３ １３０９５３５１６ ２４２０１３ ０１２８１
ＢＤ ００３１５１ ０１４４４２ ０７０６０ ０４０６４１ ００００７５ ０９７８３
ＢＥ ０００５２６ ００２４０９ ０８７７５ ２８３５０１４１ ０５２３９３ ０４７３６
ＢＦ ０３６０００ １６５０２０ ０２０６７ ３５８５０１６ ００６６２５ ０７９８３
ＢＧ ００１０５１ ００４８１６ ０８２７５ １２１７１３７６６ ２２４９３７ ０１４１９
ＣＤ ８９５５０６ ４１０４９０２ ＜００００１ ５９２３１３９１ １０９４６５ ０３０２１
ＣＥ ０３５７０１ １６３６４８ ０２０８６ １６７１７８７６６ ３０８９６０ ００８６８
ＣＦ ００９６１０ ０４４０５１ ０５１０９ １４５８２８５１６ ２６９５０３ ０１０８９
ＣＧ ０９８５０６ ４５１５３９ ００４０２ ２３１４２０１６ ０４２７６８ ０５１７１
ＤＥ ０００３３１ ００１５１６ ０９０２７ ９５０９５１４１ １７５７４４ ０１９２９
ＤＦ ０６０８４０ ２７８８８４ ０１０３１ １０７３８１４１ ０１９８４５ ０６５８５
ＤＧ ３３０３３１ １５１４２００ ００００４ １０１２５３９１ ０１８７１３ ０６６７８
ＥＦ ００９６１０ ０４４０５１ ０５１０９ ６３４０１４１ ０１１７１７ ０７３４０
ＥＧ ００８２６６ ０３７８８９ ０５４１９ １１６０２５３９１ ２１４４２５ ０１５１３
ＦＧ ０１４０６３ ０６４４６１ ０４２７０ １５９００１６ ００２９３８ ０８６４８
０３ 生 物 加 工 过 程 第７卷
使用ＤｅｓｉｇｎＥｘｐｅｒｔ软件对实验数据进行二次回
归分析，根据ＢｏｘＢｅｈｎｋｅｎ的设计原理，以Ｒ２考察模
型的拟合度，并预测最佳点。各因子设定水平及编
码值列于表３中，实验设计及结果见表４，各参数的
显著度见表５。
表３ ＢｏｘＢｅｈｎｋｅｎ实验设计因素水平
Ｔａｂｌｅ３ ＬｅｖｅｌｏｆｎｕｔｒｉｅｎｔｆａｃｔｏｒｓｕｓｅｄｉｎＢｏｘＢｅｈｎｋｅｎ
ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｄｅｓｉｇｎ
因素
水平
－１ ０ １
Ｈ反应温度（ｘ３）／℃ ３２ ３５ ３８
Ｉ纤维素酶比活（ｘ４）／（Ｕ·ｇ
－１） ５ ２０ ３５
Ｊ总反应时间（ｘ７）／ｈ ７２ ９６ １２０
运用ＤｅｓｉｇｎＥｘｐｅｒｔ７０软件对实验数据进行多
项式回归，得到二次经验模型
Ｙ＝３５６＋００７１ｘ３＋０４５ｘ４＋０１１ｘ７－００９８ｘ
２
３－
０３８ｘ２４－０１９ｘ
２
７＋００４０ｘ３ｘ４－００５２ｘ３ｘ７－００５０ｘ４ｘ７（１）
表４ ＢｏｘＢｅｈｎｋｅｎ实验设计和结果
Ｔａｂｌｅ４ Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｄｅｓｉｇｎａｎｄｒｅｓｕｌｔｓｏｆｔｈｅ
ＢｏｘＢｅｈｎｋｅｎ
序号 Ｈ Ｉ Ｊ
φ（乙醇）／％
响应值 预测值
１ －１ －１ ０ ３３８ ３３９
２ １ －１ ０ ３４７ ３５１
３ －１ １ ０ ２４２ ２３８
４ １ １ ０ ３４９ ３５６
５ ０ ０ －１ ３３０ ３２９
６ ０ ０ １ ２６０ ２６０
７ ０ ０ －１ ３００ ３０４
８ ０ ０ １ ２７１ ２７０
９ －１ ０ ０ ３６０ ３５６
１０ １ ０ ０ ３４５ ３４１
１１ －１ ０ ０ ３５５ ３５６
１２ １ ０ ０ ２６１ ２６６
１３ ０ －１ －１ ３６５ ３６５
１４ ０ １ －１ ３４８ ３４３
１５ ０ －１ １ ３５７ ３５６
１６ ０ １ １ ３３６ ３３７
１７ ０ ０ ０ ３６１ ３５６
表５ 响应面方差分析
Ｔａｂｌｅ５ Ｖａｒｉａｎｃｅａｎａｌｙｓｉｓｏｆｃａｌｃｕｌａｔｅｄｍｏｄｅｌ
方差来源 自由度 平方和 均方 Ｆ值 Ｐ＞Ｆ
模型 ９ ２６９ ０３０ ９６２９ ＜００００１
失拟项 ３ ００１３ ４１９７×１０－３ １８４ ０２８０１
确定系数Ｒ２ ０９９２０
从Ａｎｏｖａ分析结果（表５）看，方程有一个较高
的确定系数（Ｒ２＝０９９２０），说明９９２０％的实验数
据可以用这个方程解释。图１列出了部分计算出的
模型的响应面图。所有的响应面图／等高线都能用
来分析得出各因子的最优化值，但是很难同时分
析。利用ＤｅｓｉｇｎＥｘｐｅｒｔ软件的ｐｏｉｎｔｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ功能
可以用来预测乙醇产量最高时各因子的最佳值。
当各因子的优化值分别为温度３７℃，每ｇ纤维素添
加纤维素酶３２Ｕ，反应时间８７ｈ，乙醇体积分数可
达到最大３６９％。二次经验模型显示了因子间的
交互作用。从式（１）可以看出，温度和纤维素酶用
量有正交互作用，温度和总反应时间，纤维素酶和
总反应时间有负交互作用。保持其他反应条件不
变时，温度、纤维素酶和总反应时间对乙醇产量的
相对影响可以用等高线（二维）和响应曲面图（三
维）来表示［１５］。图１表明，随着反应时间的增加乙
醇产量先增加后下降，较高的温度和酶用量可使乙
醇产量达到最高。
ＳＳＦ工艺的主要问题是水解和发酵所需的最佳
温度不匹配。通常，纤维素酶解得率随温度升高呈
抛物线变化，最适宜酶水解温度范围为 ４５～
５５℃［１６］。本实验优化后的反应温度为３７℃，保证
了酵母能在最优温度范围内进行发酵，同时也尽可
能地提高了反应温度，从而利于酶解过程的进行。
１３ 第３期 罗灵芝等：响应面法优化玉米秸秆同步酶解发酵产乙醇条件
图１ 显著因素交互影响乙醇的曲面
Ｆｉｇ．１ Ｒｅｓｐｏｎｓｅｓｕｒｆａｃｅｐｌｏｔｏｆｔｈｅｅｆｅｃｔｓｏｆｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｆａｃｔｏｒｓｏｎｔｈｅｅｔｈａｎｏｌｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ
汽爆处理的玉米秸秆经纤维素酶酶解成葡萄
糖及纤维二糖，纤维素酶的用量直接决定着秸秆纤
维素的最终水解程度及乙醇产量。由于本实验中
发酵温度较低（３７℃），且实验结果表明，此温度下
纤维素酶活性仅为５０℃下的５０％（数据未显示），
因而，在ＳＳＦ过程中为达到同等水平的酶解效果，纤
维素酶用量必然高于 ＳＨＦ过程所用的酶量。经响
应面实验分析可知，优化后的用量为每 ｇ纤维素添
加纤维素酶３２Ｕ，约为１５％固体质量分数分步酶解
发酵过程最适用量的１６倍，但小于达到同等酶解
活性所需的酶用量，达到了优化的效果。
微生物发酵生产乙醇需要一个合理的发酵周
期，同步酶解发酵时间直接影响着乙醇的产量和产
率。周期短产率高，但不能达到很好的酶解效果，Ｃ
源利用率不高；而延长发酵时间，虽然可以达到好
的酶解效果但产率降低。其原因可能是发酵初期，
发酵醪中糖分较充足，酵母不断代谢糖分发酵成酒
精；发酵后期，发酵醪中的糖分含量减少，酵母可能
开始利用发酵产物———酒精为 Ｃ源来维持自身的
生长和繁殖［１７］。本实验总反应时间设定的上限值
为１２０ｈ，实验室原操作条件为９６ｈ，而优化后实际
为８７ｈ，大大地缩短了反应时间，在降低操作成本的
同时，也避免了出现产物乙醇被酵母消耗的现象。
为了验证预测值，以预测确定的各因子值做重
复实验，３次实验的乙醇体积分数平均值为３７６％，
表明模型的有效性为９７％，比对照（即原工艺）提高
了１３％，基本达到了实验设想的目的。
３ 结 论
本实验将统计学分析方法应用到汽爆玉米秸
秆同步酶解发酵条件的优化上，通过 ＦｒａｃｔｉｏｎａｌＦａｃ
ｔｏｒｉａｌ设计法分别对工艺中影响乙醇产量和残留的
葡萄糖浓度的因子进行评价，筛选出显著影响的因
子，再次通过ＢｏｘＢｅｈｎｋｅｎ设计及响应面分析，拟合
出一个二元二次多项式方程，找出了最佳值。实验
所确定的优化后的汽爆玉米秸秆同步酶解发酵过
程操作条件为：初始 ｐＨ５１２，转速 １５０ｒ／ｍｉｎ，反应
温度３７℃，每ｇ纤维素添加纤维素酶３２Ｕ，每ｇ秸
秆添加酵母 ０００５ｇ，预酶解时间２ｈ，总反应时间
８７ｈ。验证实验表明当干物质量分数为１５％时，在
优化的酶解发酵条件下，乙醇体积分数可提高
１３％，并且反应时间缩短９ｈ。
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３６３９．
国内简讯
我国首条百万吨生物基化工醇生产线将于２０１１年投产
我国首条百万吨生物基化工醇生产线将于２０１１年建成投产。该项目经国家发展与改革委员会和国家
环保总局批准，由长春大成集团投资建设，位于吉林省长春市东北部的兴隆山镇。
该项目具有完全自主知识产权，在生物基化工醇的制备、合成工艺、产品分离等关键环节均实现了新的
技术突破，单位体积生产能力增加５％，生产成本降低１０％，２０１１年生产线建成后，将实现产值６５亿元、利
税１５亿元的目标。
（文伟河）
３３ 第３期 罗灵芝等：响应面法优化玉米秸秆同步酶解发酵产乙醇条件