于德涵 朱穎怡 黎莉 武海玲

摘要：為破壞玉米芯木質(zhì)纖維素的緊密結(jié)構(gòu)以利于酶解、發(fā)酵，先通過(guò)篩選試驗(yàn)確定最適有機(jī)酸及其濃度；再以復(fù)合酶解試驗(yàn)確定最佳玉米芯水解酶組成及配比；最后通過(guò)響應(yīng)面試驗(yàn)優(yōu)化最佳預(yù)處理工藝。結(jié)果表明，以10%的馬來(lái)酸對(duì)玉米芯預(yù)處理后酶水解的最優(yōu)工藝為料液比25∶1、超聲功率310 W，在71 ℃條件下超聲處理34 min，處理后殘余物用纖維素酶、β-葡萄糖苷酶和木聚糖酶（1∶2∶1）在pH 4.8、50 ℃條件下復(fù)合酶解48 h。此條件下還原糖得率達(dá)34.49%，接近玉米芯中纖維素含量，證明了該預(yù)處理酶解工藝穩(wěn)定、可靠，可為玉米芯發(fā)酵生產(chǎn)燃料乙醇提供前期技術(shù)支持。

關(guān)鍵詞：超聲輔助；有機(jī)酸預(yù)處理；玉米芯；酶解；工藝優(yōu)化

中圖分類號(hào)：TS210.9???????? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：0439-8114（2024）05-0168-07

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2024.05.030??????????? 開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

Optimization of ultrasonic-assisted compound enzymatic hydrolysis process of corncob pretreated with organic acid

YU De-han， ZHU Ying-yi， LI Li， WU Hai-ling

（School of Food and Pharmaceutical Engineering， Suihua University， Suihua? 152061， Heilongjiang，China）

Abstract：The purpose was to destroy the tight structure of corncob lignocellulose for enzymatic hydrolysis and fermentation. The optimum organic acid and its concentration were determined by screening experiment firstly. Then the optimal composition and ratio of hydrolases for corncob were determined by compound enzymatic hydrolysis experiment. Finally， the optimal pretreatment process was optimized by response surface experiment. The results showed that the optimum process of enzymatic hydrolysis of corncob pretreated with 10% maleic acid was as follows： the liquid-solid ratio of 25∶1，ultrasonic power of 310 W， and ultrasonic treatment time of 34 min at 71 ℃， and the residue was hydrolyzed with cellulase， β-glucosidase and xylanase （1∶2∶1） for 48 h at pH 4.8 and temperature 50 ℃. Under this condition， the yield of reducing sugar was 34.49%，which was close to the cellulose content in corncob. The method was proved to be stable and reliable，and could provide preliminary technical support for ethanol production from corncob by fermentation.

Key words： ultrasonic-assisted； organic acid pretreatment； corncob； enzymatic hydrolysis； process optimization

收稿日期：2022-10-13

基金項(xiàng)目：黑龍江省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（202110236017）；黑龍江省教育廳基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)項(xiàng)目（YWK10236210231）

作者簡(jiǎn)介：于德涵（1982-），男，黑龍江綏化人，講師，碩士，主要從事活性物質(zhì)的分離與應(yīng)用開發(fā)研究，（電話）18245528558（電子信箱）

yudehan@163.com。

于德涵，朱穎怡，黎 莉，等. 超聲輔助有機(jī)酸預(yù)處理玉米芯復(fù)合酶解工藝優(yōu)化［J］. 湖北農(nóng)業(yè)科學(xué)，2024，63（5）：168-174．

玉米芯是玉米加工后的殘余物，中國(guó)每年產(chǎn)生的玉米芯約7 000萬(wàn)～8 000萬(wàn)t，而利用率不足年產(chǎn)量的20%，大量焚燒和丟棄的玉米芯既提高了環(huán)境治理的成本，又造成了極大的浪費(fèi)，所以合理利用這些農(nóng)林廢棄物資源變得尤為重要。

玉米芯的能量密度約為5 000 kJ/m3，較玉米秸稈和柳枝稷高出1倍［1］，在燃料乙醇的生產(chǎn)、運(yùn)輸和存儲(chǔ)成本控制方面更有優(yōu)勢(shì)，是一種優(yōu)良的木質(zhì)纖維素資源。玉米芯中的纖維素是以葡萄糖為基礎(chǔ)單元的聚合物，其最安全、最經(jīng)濟(jì)的糖化方法之一是纖維素酶水解法，但是纖維素通常會(huì)被半纖維素等物質(zhì)連接、包裹，并被木質(zhì)素嚴(yán)密覆蓋，其外部的致密結(jié)構(gòu)導(dǎo)致纖維素酶無(wú)法作用于底物使其分解為用于發(fā)酵的單糖和寡糖，所以使用玉米芯作原料發(fā)酵生產(chǎn)燃料乙醇的關(guān)鍵是利用某些方法對(duì)其預(yù)先處理，以脫除纖維素外部的木質(zhì)素和半纖維素成分，為微生物的纖維素酶能透過(guò)木質(zhì)纖維素表層與底物結(jié)合提供必要通道和合理的空間［2］。

現(xiàn)階段，預(yù)處理木質(zhì)纖維素材料的方法主要有物理法、化學(xué)法和生物法。物理法多采用粉碎、蒸汽爆破等方式，一般要求大型設(shè)備，能耗大，不易控制商業(yè)成本［3］；化學(xué)法最常用無(wú)機(jī)強(qiáng)酸或強(qiáng)堿，但該類方法對(duì)設(shè)備的耐腐蝕要求高，在安全生產(chǎn)和環(huán)境治理的成本控制方面難度大，還會(huì)在處理后產(chǎn)生影響后續(xù)酶水解和發(fā)酵的副產(chǎn)物，導(dǎo)致纖維素糖化率低［4］；生物法是使用微生物發(fā)酵的方式分解木質(zhì)素，這種方法的缺點(diǎn)是難以尋找適用微生物［5］。

有機(jī)酸是目前較受歡迎的預(yù)處理試劑，因?yàn)樵谝欢ㄋ嵝詶l件下，木質(zhì)纖維素中的半纖維素會(huì)分解為木糖和木聚寡糖等成分從木質(zhì)纖維素中脫除，使其“結(jié)晶”結(jié)構(gòu)被破壞。Zhang等［6］的研究表明乙酸在處理木質(zhì)纖維素材料產(chǎn)低聚木糖方面有一定的選擇性；De等［7］報(bào)道了利用甲酸/乙酸對(duì)廢棄稻草進(jìn)行預(yù)處理，能夠有效移除稻草結(jié)構(gòu)中的木質(zhì)素和溶解半纖維素；Barisik等［8］報(bào)道馬來(lái)酸和草酸在210 ℃等條件下麥秸的糖化效率能達(dá)90%以上，乙醇產(chǎn)率接近80%。當(dāng)前，已報(bào)道的有機(jī)酸預(yù)處理工藝條件多是高溫、高壓等極端條件，本研究選擇在常壓溫和條件下采用超聲輔助小分子有機(jī)酸預(yù)處理玉米芯，以玉米芯還原糖得率評(píng)價(jià)預(yù)處理效果，以期開發(fā)出一種低污染、高效率的玉米芯預(yù)處理工藝，為燃料乙醇產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供助力。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

材料與試劑：玉米芯，采集于黑龍江省綏化市北林區(qū)，品種為先玉335；纖維素酶，食品級(jí)，河南俊一生物科技有限公司；果膠酶，食品級(jí)，山東隆科特酶制劑有限公司；木聚糖酶，食品級(jí)，河南仰韶生化工程有限公司；β-葡萄糖苷酶，BR，上海源葉生物科技有效公司；其他試劑皆為國(guó)產(chǎn)分析純。

儀器與設(shè)備：UV-759型分光光度計(jì)，上海精密科學(xué)儀器有限公司；JY92-IIDN型超聲波儀，寧波新芝生物科技股份有限公司；FW100型粉碎機(jī)，天津市泰斯特儀器有限公司；HH-M6型恒溫水浴鍋，江蘇春蘭科學(xué)儀器有限公司；PHSJ-5型酸度計(jì)，上海儀電科學(xué)儀器股份有限公司；SHB-IIIG型循環(huán)水真空泵，鄭州長(zhǎng)城科工貿(mào)有限公司。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 玉米芯試驗(yàn)前處理 將玉米芯清洗干凈后于65 ℃干燥4 h，粉碎后過(guò)40目篩，再將粉末干燥至恒重，密封、備用。

1.2.2 超聲-有機(jī)酸液預(yù)處理 稱取1.0 g玉米芯粉末，加入20 mL有機(jī)酸溶液充分混勻，置超聲儀中調(diào)節(jié)溫度60 ℃、功率300 W，超聲處理20 min，反應(yīng)結(jié)束后樣品經(jīng)布氏漏斗抽濾，濾渣經(jīng)去離子水沖洗2次后烘干至恒重，記錄重量并室溫密封保存。

1.2.3 酶水解試驗(yàn) 取0.1 g預(yù)處理完畢的玉米芯粉末置于50 mL碘量瓶中，加入10 mL pH 4.8的醋酸緩沖液混勻，再加入纖維素酶和β-葡萄糖苷酶，使得兩種酶的終濃度分別達(dá)到50 FPU/g底物和50 CB/g底物，最后用緩沖液補(bǔ)齊至20 mL，蓋好瓶塞，在恒溫?fù)u床中以50 ℃、100 r/min水解，分別在1、6、12、24、48、72 h測(cè)定水解液中葡萄糖含量，計(jì)算還原糖得率，評(píng)價(jià)預(yù)處理效果。還原糖得率計(jì)算公式如下。

還原糖得率=[葡萄糖含量×0.9×10玉米芯粉末質(zhì)量×1? 000×玉米芯預(yù)處理后殘余質(zhì)量玉米芯粉末質(zhì)量×]100%?????????????? ???????? ? （1）

葡萄糖含量的測(cè)定選擇DNS比色法［9］，纖維素酶活（FPU）和β-葡萄糖苷酶活（CB）測(cè)定方法及操作參見(jiàn)文獻(xiàn)［10］。

1.2.4 有機(jī)酸篩選試驗(yàn) 試驗(yàn)選擇馬來(lái)酸、丙二酸、富馬酸、檸檬酸、蘋果酸、乙酸和丁二酸共7種有機(jī)酸，分別使用5%濃度溶液進(jìn)行操作，預(yù)處理和酶解流程同“1.2.2”和“1.2.3”，使用去離子水處理后玉米芯粉末沉淀進(jìn)行酶解作對(duì)照。

1.2.5 有機(jī)酸最適濃度篩選試驗(yàn) 將經(jīng)“1.2.4”篩選出的有機(jī)酸配制成濃度為1%、3%、5%、10%、15%和20%的溶液分別進(jìn)行預(yù)處理和酶水解操作，篩選出預(yù)處理效果最好的有機(jī)酸濃度。

1.2.6 酶配比的優(yōu)化 樣品材料經(jīng)預(yù)處理后主要成分為纖維素，還可能含有一部分木質(zhì)素、半纖維素、果膠、葡聚糖等成分，試驗(yàn)使用的基礎(chǔ)水解酶是纖維素酶（最優(yōu)溫度50 ℃、最佳pH 4.8）和β-葡萄糖苷酶（最優(yōu)溫度50 ℃，最佳pH 4.8）混合物，通過(guò)篩選纖維素酶和β-葡萄糖苷酶的比例、酶蛋白中添加的木聚糖酶或果膠酶的比例等，優(yōu)化水解酶的組成。

在50 ℃、pH 4.8的最適酶解條件下，設(shè)置纖維素酶和β-葡萄糖苷酶比例（1∶1、1∶2、2∶1）進(jìn)行酶解試驗(yàn)，確定兩種基礎(chǔ)酶的最適比例；固定兩種基礎(chǔ)酶的比例和用量，向酶中分別添加不同比例的木聚糖酶或果膠酶，測(cè)定還原糖得率，以此得到最佳水解酶組成和配比。

1.2.7 預(yù)處理?xiàng)l件單因素試驗(yàn) 將依次經(jīng)“1.2.4”和“1.2.5”篩選出的有機(jī)酸分別改變超聲功率（100、200、300、400、500 W）、超聲溫度（40、50、60、70、80、90 ℃）、超聲時(shí)間（5、10、20、30、40、50 min）和液料比（10∶1、15∶1、20∶1、25∶1、30∶1、35∶1、40∶1）等單因素試驗(yàn)條件，其他操作同“1.2.2”和“1.2.3”。

1.2.8 響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì) 根據(jù)“1.2.7”試驗(yàn)結(jié)果及顯著性分析，以還原糖得率（Y）為響應(yīng)值，選擇合適的響應(yīng)因素和水平進(jìn)行Box-Behnken設(shè)計(jì)，采用響應(yīng)面分析確定最佳預(yù)處理工藝。具體響應(yīng)因素和水平見(jiàn)表1。

1.3 數(shù)據(jù)處理

所有試驗(yàn)進(jìn)行3組平行操作，數(shù)據(jù)取平均值；響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)及數(shù)據(jù)處理使用Design expert 8.0.6軟件；單因素試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理使用SPSS 16.0和Microsoft office excel 2016軟件。

2 結(jié)果與分析

2.1 有機(jī)酸的篩選

玉米芯經(jīng)過(guò)7種有機(jī)酸溶液的預(yù)處理后質(zhì)量會(huì)有不同程度的減少，預(yù)處理后物料減少質(zhì)量和酶解后還原糖得率見(jiàn)圖1。

使用有機(jī)酸處理玉米芯粉末，會(huì)使物料脫除一部分物質(zhì)而導(dǎo)致質(zhì)量下降，脫下的主要成分為分解的半纖維素，還有少量的酸溶木質(zhì)素及其他成分［11］。由圖1a可知，使用馬來(lái)酸處理材料時(shí)，物料質(zhì)量減少量最大，其次是檸檬酸，但二者差異不顯著（P>0.05），其余幾種有機(jī)酸脫除物質(zhì)的質(zhì)量都顯著減少；7種有機(jī)酸（馬來(lái)酸至丁二酸）的酸性是依次降低的，除馬來(lái)酸酸性最高、脫除效果最好外，其他有機(jī)酸的脫除效果和酸性并不完全正相關(guān)。從酶解后還原糖得率（圖1b）看，所有試驗(yàn)組的還原糖得率均隨著酶解時(shí)間的延長(zhǎng)而增加，至48 h時(shí)基本達(dá)到最大值，再延長(zhǎng)反應(yīng)時(shí)間，沒(méi)有顯著變化（P>0.05）；馬來(lái)酸預(yù)處理物料后酶水解48 h和72 h的還原糖得率沒(méi)有顯著差異，但48 h值顯著高于其他幾種有機(jī)酸的峰值，故選擇預(yù)處理用有機(jī)酸為馬來(lái)酸，酶解時(shí)間為48 h。

2.2 有機(jī)酸最適濃度篩選試驗(yàn)

分別使用不同濃度的馬來(lái)酸進(jìn)行預(yù)處理和酶解操作，還原糖得率結(jié)果如圖2所示。由圖2可知，隨著馬來(lái)酸濃度的上升，還原糖得率呈先顯著上升后趨于平穩(wěn)略有下降的趨勢(shì)，濃度達(dá)10%后，酸濃度的增加對(duì)還原糖得率的影響不再顯著（P>0.05）。隨著馬來(lái)酸濃度的增加，半纖維素分解速度加快，酸溶成分的溶解度逐漸增大，玉米芯中纖維素、半纖維素和木質(zhì)素之間的化學(xué)鍵斷裂，結(jié)構(gòu)被破壞［12］，使得酶解效率提高，還原糖得率上升；濃度達(dá)10%以后，再增加有機(jī)酸濃度還原糖得率有下降趨勢(shì)，這可能是因?yàn)橛袡C(jī)酸濃度過(guò)大會(huì)使纖維素水解流失，造成后續(xù)酶解時(shí)葡萄糖產(chǎn)量降低，所以馬來(lái)酸的最佳濃度為10%。

2.3 水解酶配比優(yōu)化

分別調(diào)整水解體系中纖維素酶和β-葡萄糖苷酶的比例（1∶1、1∶2、2∶1），酶解不同時(shí)長(zhǎng)時(shí)還原糖得率見(jiàn)圖3。3種配比方案中，纖維素酶∶β-葡萄糖苷酶為1∶2時(shí)，水解前、中期反應(yīng)速度較快，6、12、24 h的水解還原糖得率都明顯高于另兩種配比方案，但48 h后還原糖得率只是稍高于另外兩種，沒(méi)有明顯差異；二者比例為1∶2、酶解72 h的還原糖得率同48 h無(wú)明顯差異（P>0.05）。這說(shuō)明改變纖維素酶和β-萄萄糖苷酶的比例并不能明顯提高水解反應(yīng)終點(diǎn)的還原糖得率，但纖維素酶∶β-葡萄糖苷酶=1∶2時(shí)會(huì)縮短酶促反應(yīng)時(shí)間，更快地完成水解。

在纖維素酶和β-葡萄糖苷酶中添加一定的木聚糖酶（1∶2∶1、1∶2∶2）或果膠酶（1∶2∶1、1∶2∶2）進(jìn)行酶解，測(cè)量還原糖得率，以纖維素酶∶β-葡萄糖苷酶=1∶2作對(duì)照，結(jié)果見(jiàn)圖4。

由圖4可知，在纖維素酶和β-葡萄糖苷酶中加入木聚糖酶，水解后還原糖得率有所提高，在酶解48 h時(shí)，3種酶比例為1∶2∶1和1∶2∶2時(shí)，還原糖得率分別為32.64%和32.28%，都顯著高于不添加木聚糖酶的酶解還原糖得率，但二者之間沒(méi)有明顯差距，說(shuō)明在水解酶中加入木聚糖酶有助于提高還原糖的得率，但是在試驗(yàn)范圍內(nèi)添加量的多少對(duì)試驗(yàn)結(jié)果不會(huì)造成明顯差異；另外，在水解酶中加入果膠酶后還原糖得率和不加入果膠酶結(jié)果無(wú)明顯差異，說(shuō)明在經(jīng)過(guò)超聲和有機(jī)酸處理過(guò)后的玉米芯材料中沒(méi)有果膠酶作用的底物。

綜上，在50 ℃、pH 4.8條件下使用纖維素酶：β-葡萄糖苷酶∶木聚糖酶=1∶2∶1酶解預(yù)處理后的玉米芯材料，效果最為理想。

2.4 預(yù)處理?xiàng)l件單因素試驗(yàn)結(jié)果

使用濃度為10%的馬來(lái)酸進(jìn)行超聲輔助預(yù)處理操作，考察超聲功率、超聲溫度、超聲時(shí)間和液料比對(duì)預(yù)處理效果的影響。

2.4.1 超聲功率對(duì)還原糖得率的影響 由圖5可知，還原糖得率隨超聲功率的增加呈先上升后下降的趨勢(shì)，且差異顯著（P<0.05）。超聲波主要通過(guò)空化效應(yīng)和熱效應(yīng)破壞木質(zhì)纖維素，增大酶和纖維素的接觸面積，一方面超聲波破壞纖維素結(jié)晶分子內(nèi)和分子間的化學(xué)鍵，使纖維素內(nèi)部孔隙增大，酶可結(jié)合于纖維素結(jié)構(gòu)內(nèi)部；另一方面超聲波促使半纖維素分解，并破壞木質(zhì)素分子間結(jié)構(gòu)，使木質(zhì)纖維素的表面形態(tài)發(fā)生改變，讓被緊密包裹的纖維素結(jié)構(gòu)暴露出來(lái)，使酶更易與纖維素外部接觸，發(fā)生作用［13］。因此，超聲功率較弱時(shí)，上述作用能力不強(qiáng)，還原糖得率較低，隨著超聲功率的加大，超聲對(duì)木質(zhì)纖維素的破壞作用越強(qiáng)，酶解效果越理想。但當(dāng)超聲功率過(guò)大時(shí)，體系中出現(xiàn)過(guò)多的空化泡，產(chǎn)生較強(qiáng)的消能作用［14］，超聲對(duì)木質(zhì)素和半纖維素的破壞作用反而降低，對(duì)預(yù)處理不利；超聲能量過(guò)強(qiáng)還會(huì)導(dǎo)致纖維素分解，這也是導(dǎo)致還原糖得率降低的原因。

2.4.2 超聲溫度對(duì)還原糖得率的影響 由圖6可知，超聲溫度對(duì)還原糖得率有顯著的影響。溫度低時(shí)，糖轉(zhuǎn)化率隨著溫度的升高而增加，到70 ℃時(shí)達(dá)到最高值，為28.87%；再提高溫度，預(yù)處理效果反而下降。較高的溫度對(duì)超聲處理木質(zhì)纖維素是有積極作用的，有助于木質(zhì)纖維素化學(xué)鍵的斷裂和木質(zhì)素的去除，尤其有利于半纖維素的降解［15］，所以相對(duì)較高的溫度有助于提高預(yù)處理效果；但是溫度過(guò)高，也會(huì)使得纖維素在超聲和酸性作用下分解，降低酶解后還原糖得率。

2.4.3 超聲時(shí)間對(duì)還原糖得率的影響 由圖7可知，超聲預(yù)處理時(shí)間由5 min升至30 min時(shí)，還原糖的轉(zhuǎn)化率顯著增加，繼續(xù)延長(zhǎng)超聲時(shí)間，轉(zhuǎn)化率又有所下降。這是因?yàn)槌曌饔脮r(shí)間短時(shí)，預(yù)處理對(duì)木質(zhì)纖維素中半纖維素的水解和木質(zhì)素的脫除作用能力不強(qiáng)，而隨著超聲處理時(shí)間的延長(zhǎng)，空化效應(yīng)和能量的累積使得這種能力增強(qiáng)，加大了預(yù)處理的效果［16］；而超聲時(shí)間超過(guò)30 min后，隨著對(duì)物料輻射超聲能量的時(shí)間延長(zhǎng)，更多的纖維素會(huì)被降解，降低后續(xù)酶解時(shí)還原糖的得率。

2.4.4 液料比對(duì)還原糖得率的影響 由圖8可知，液料比較低時(shí)，隨著試劑用量的增加預(yù)處理效果越好，酶解還原糖的得率越高，這是因?yàn)榘肜w維素在有機(jī)酸和超聲的作用下分解，溶劑的使用量增加，促進(jìn)了木糖等可溶成分的溶解，進(jìn)一步加強(qiáng)了半纖維素的分解［17］，提高了預(yù)處理效果；液料比為25∶1時(shí)還原糖得率達(dá)到最大值，再增加預(yù)處理試劑，還原糖得率基本不變。

2.5 響應(yīng)面試驗(yàn)結(jié)果與優(yōu)化分析

2.5.1 回歸模型建立與顯著性檢驗(yàn) 依據(jù)Box-Behnken設(shè)計(jì)了總計(jì)29組試驗(yàn)，包含了回歸模型中的5個(gè)中心點(diǎn)、8個(gè)軸點(diǎn)和16個(gè)析因點(diǎn)，設(shè)計(jì)及結(jié)果見(jiàn)表2。

對(duì)上表數(shù)據(jù)進(jìn)行二次多項(xiàng)式回歸擬合，4因素回歸方程式如下：

Y=33.87+0.84A+0.38B+0.82C-0.21D-0.25AB+0.032AC-0.29AD-0.19BC+0.23BD-0.045CD-3.61A2-1.59B2-0.95C2-1.89D2。

從方差分析結(jié)果（表3）可知，該回歸模型P<0.001，表明其可靠程度高、結(jié)果有效；R2=0.986 0、校正系數(shù)R2Adj =0.971 9、失擬項(xiàng)P=0.999 9>0.05不顯著，表明模型擬合度高，即擬合值與實(shí)際結(jié)果高度相關(guān)，試驗(yàn)結(jié)果誤差對(duì)試驗(yàn)結(jié)果影響較小。模型的CV值為1.13%、信噪比為26.84，表明模型的試驗(yàn)精度高、可靠性好，模型能真實(shí)地反映試驗(yàn)結(jié)果。在所有考察因素中，超聲功率、超聲溫度和超聲時(shí)間對(duì)水解后還原糖得率有顯著影響；其中，對(duì)還原糖得率影響最大的是超聲功率，其次為超聲時(shí)間和超聲溫度，影響最小的是液料比。

2.5.2 數(shù)學(xué)模型及響應(yīng)面分析 根據(jù)所得到的模型對(duì)超聲功率（A）、超聲溫度（B）、超聲時(shí)間（C）和液料比（D）的交互作用進(jìn)行分析。響應(yīng)曲面的陡峭和平緩程度與上述各因素之間相互作用的強(qiáng)弱是正相關(guān)的。各參數(shù)交互作用的響應(yīng)曲面見(jiàn)圖9。在A、B、C、D 4個(gè)因素中任意2個(gè)因素交互作用時(shí)，一個(gè)因素條件值不發(fā)生變化時(shí)，還原糖得率總是隨著另一因素的增加呈先升后降的趨勢(shì)；影響還原糖得率的各交互作用因素中，交互作用最強(qiáng)的是AD，其響應(yīng)面最為陡峭；而響應(yīng)面最為平緩的是AC，即二者的交互作用對(duì)還原糖得率的影響最弱。

2.5.3 最優(yōu)工藝驗(yàn)證 經(jīng)過(guò)Design Expert 8.0.6對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化得到的最佳預(yù)處理工藝為超聲功率311.81 W、超聲溫度70.80 ℃、超聲時(shí)間34.28 min、液料比24.68∶1，理論預(yù)計(jì)值為34.12%。在實(shí)際驗(yàn)證試驗(yàn)中，考慮操作的可實(shí)現(xiàn)性，將玉米芯預(yù)處理酶解操作工藝參數(shù)調(diào)整為濃度為10%的馬來(lái)酸與玉米芯粉末以25∶1比例混勻，在功率310 W、溫度71 ℃條件下超聲處理34 min后，再將沉淀物于50 ℃、pH 4.8環(huán)境下以纖維素酶∶β-葡萄糖苷酶∶木聚糖酶=1∶2∶1水解48 h。最終得到的還原糖得率實(shí)際平均值為34.49%，與軟件模擬預(yù)測(cè)值誤差為1.1%，實(shí)際與模型優(yōu)化符合良好，證實(shí)了優(yōu)化條件有效、可靠。

3 小結(jié)

試驗(yàn)采用有機(jī)酸結(jié)合超聲輔助在較溫和條件下對(duì)玉米芯進(jìn)行預(yù)處理和復(fù)合酶解。經(jīng)過(guò)有機(jī)酸種類和濃度的篩選、水解酶配比及預(yù)處理工藝的優(yōu)化，最終得到的對(duì)玉米芯的最優(yōu)預(yù)處理酶解工藝為10%的馬來(lái)酸，在液料比25∶1、功率310 W、71 ℃條件下超聲處理34 min后，在pH 4.8、溫度為50 ℃緩沖液中用1∶2∶1的纖維素酶、β-葡萄糖苷酶和木聚糖酶復(fù)合酶解48 h。此條件下還原糖的得率為34.49%，該值與模型的預(yù)測(cè)值相符，也與文獻(xiàn)中報(bào)道的玉米芯中纖維素含量一致［18］。和常規(guī)的酸預(yù)處理木質(zhì)纖維素工藝相比，采用超聲輔助有機(jī)酸法，既大幅降低了使用強(qiáng)酸對(duì)環(huán)境的嚴(yán)重污染和對(duì)耐腐蝕設(shè)備的要求，又避免了工藝中對(duì)高溫、高壓的要求，是一種安全、經(jīng)濟(jì)的預(yù)處理玉米芯工藝，為打破后續(xù)乙醇發(fā)酵生產(chǎn)的技術(shù)瓶頸提供支持。

參考文獻(xiàn)：

［1］ WANG G S， LEE J W， ZHU J Y， et al. Dilute acid pretreatment of corncob for efficient sugar production［J］.Applied biochemistry and biotechnology，2011，163（5）：658-668.

［2］ CHANDRA R P， BURA R， MABEE W E， et al. Substrate pretreatment： The key to effective enzymatic hydrolysis of lignocellulosics？［J］.Advances in biochemical engineering/biotechnology，2007.DOI：10.1007/10_2007_064.

［3］ 李彥軍，鄭 楠，王加啟，等.秸稈飼料的蒸汽爆破預(yù)處理技術(shù)研究進(jìn)展［J］.動(dòng)物營(yíng)養(yǎng)學(xué)報(bào)，2021，33（12）：6676-6683.

［4］ 李亞茹，時(shí)君友，宋曉敏，等.玉米秸稈組分分離預(yù)處理方法的研究進(jìn)展［J］.林產(chǎn)工業(yè)，2021，58（10）：73-76，79.

［5］ 賈 琳，劉 楊，張智理，等.秸稈生物預(yù)處理技術(shù)現(xiàn)狀及研究進(jìn)展［J］.煤炭與化工，2017，40（4）：30-32.

［6］ ZHANG H Y， XU Y， YU S Y. Co-production of functional xylooligosaccharides and fermentable sugars from corncob with effective acetic acid prehydrolysis［J］. Bioresource technology， 2017. DOI： http：//dx.doi.org/10.1016/j.biortech.2017.02.094.

［7］ DE S，MISHRA S，POONGUZHALI E， et al. Fractionation and characterization of lignin from waste rice straw： Biomass surface chemical composition analysis［J］. International journal of biological macromolecules， 2019， 145：795-803.

［8］ BARISIK G， ISCI A， KUTLU N， et al. Optimization of organic acid pretreatment of wheat straw［J］.Biotechnology progress，2016，?? 32（6）：1487-1493.

［9］ MILLER G L. Use of dinitrosalicylic acid reagent for determination of reducing sugar［J］.Analytical biochemistry，1959， 31（3）：426-428.

［10］ GHOSE T， GHOSE T K. Measurement of cellulase activities. International union of pure and applied chemistry［J］. Pure and applied chemistry，1987，59（2）：257-268.

［11］ 喬 慧，歐陽(yáng)水平，劉 蕾，等.低濃度乙酸預(yù)處理玉米芯的工藝研究［J］.林產(chǎn)化學(xué)與工業(yè)，2019，39（1）：81-87.

［12］ 王 樂(lè).基于有機(jī)酸體系下的生物質(zhì)預(yù)處理及其酶解特性的研究［D］.濟(jì)南：齊魯工業(yè)大學(xué)，2021.

［13］ 王巧燕. 超聲波—微波輔助紫莖澤蘭水解制取還原糖的研究［D］.昆明：昆明理工大學(xué)，2019.

［14］ 崔媛媛，許琳琳，鄭文靜，等.響應(yīng)面優(yōu)化超聲輔助NaOH/氨水預(yù)處理甘蔗渣［J］.食品研究與開發(fā)，2018，39（3）：116-122.

［15］ 王志男.微波及超聲輔助離子液體預(yù)處理桉木研究［D］.廣州：華南農(nóng)業(yè)大學(xué)，2018.

［16］ 何香凝，劉 娜，王 園，等.酶解玉米芯木聚糖的超聲輔助提取工藝及抗氧化活性［J］.食品工業(yè)，2021，42（5）：1-5.

［17］ 潘 晴.玉米秸稈髓芯制備低聚木糖的研究［D］.吉林：北華大學(xué)，2021.

［18］ 劉 彬，連 戰(zhàn)，劉仲洋，等.堿法預(yù)處理玉米芯糖化發(fā)酵轉(zhuǎn)化酒精工藝優(yōu)化［J］.中國(guó)釀造，2019，38（5）：127-130.