黑曲霉联合固体酸水解花生壳制备糠醛的研究

余先纯，李湘苏，龚铮午

（1.岳阳职业技术学院基础部，湖南岳阳414000；2.中南林业科技大学材料科学与工程学院，湖南长沙410004；3.南华大学教务科，湖南衡阳421002）

黑曲霉联合固体酸水解花生壳制备糠醛的研究

余先纯1，2，李湘苏3，龚铮午2

（1.岳阳职业技术学院基础部，湖南岳阳414000；2.中南林业科技大学材料科学与工程学院，湖南长沙410004；3.南华大学教务科，湖南衡阳421002）

采用黑曲霉和WO3/SnO2固体酸联合水解花生壳制备糠醛，运用正交实验和响应面分析方法对主要因素进行了优化分析。酶解的正交实验结果显示：在原料粒度110目、固液比1∶10、酶解温度为50℃、酶解时间为7h和酶液用量为30U/g干花生壳粉的条件下，制备戊糖的平均含量为14.87g·L-1。固体酸制备糠醛的响应面分析表明：当水解温度为163℃，水解时间134min，固体酸用量为6.4%时，糠醛的得率为68.52%，与未采用黑曲霉水解的工艺相比，糠醛的得率提高了15.69%。

黑曲霉，固体酸，联合水解，糠醛得率，响应面分析

糠醛分子结构中有一个呋喃环和一个醛基以及呋喃环中的两个双键和环醚键，可以发生氢化、氧化、氯化、硝化和缩合等反应[1]，因此，其被广泛应用于食品、医疗、化工等多个领域。花生壳作为农作物废弃物，大部分是以焚烧的形式被处理掉，这不仅浪费了大量的资源，还污染了环境。花生壳中含有丰富的半纤维素，其水解生成戊糖，生成的戊糖再经酸催化脱水生成糠醛[2]。目前，普遍采用强酸作催化剂来制备糠醛，但普遍存在着得率偏低、水解时间长、副产物多等不足，特别是大量的糠醛渣由于含有未分离的无机酸而只能用作锅炉的燃料而不能用作肥料，造成资源的浪费。同时，液态的无机酸不仅对设备具有腐蚀作用，而且难以与产品分离。虽然也有采用醋酸法、改良硫酸、酸式盐、碱式盐、金属氧化物等作为催化剂，但仍然对环境有一定的影响[3-4]。近年来，生物降解和固体酸催化技术符合“绿色化学”的要求而发展迅速。固体酸是可重复使用、易与液体分离的新型酸催化剂[5]；而生物酶水解的条件温和、能耗低、无污染[6]。目前还没有关于生物酶和固体酸联合水解花生壳制备糠醛的报道。本研究以花生壳为原料，采用黑曲霉和固体酸联合催化工艺将其降解制备糠醛，改善传统制备方法中存在的成本高、得率低、污染环境等不足。

1 材料与方法

1.1 材料与设备

花生壳 采自湖南农村，风干后粉碎，过筛备用；黑曲霉 诺维信（中国）生物技术有限公司；固体酸 参照文献[7]中的方法制备WO3/SnO2固体酸催化剂；主要试剂 均为分析纯。

UV-2000型紫外-可见光分光光度计 中国莱伯泰科公司；SHZ-82数显水浴恒温振荡器 江苏科兴；直径为φ40mm、容积为500mL的不锈钢反应釜 山东威海；170电子天平 德国Sartorius；TDL-40B离心机 美国Anke公司。

1.2 实验方法

1.2.1 花生壳的预处理 分别筛取20、50、80、110、140目经过干燥的花生壳粉，用固液比为1∶12（g/g）、浓度为6%的稀盐酸浸泡2h后过滤，将滤渣用水洗净后于80℃烘干至水分含量恒定，备用。

1.2.2 花生壳的酶解 称取6.0g经过预处理的花生壳粉，加入一定量的酶液，用蒸馏水调节固液比，在一定温度的水浴振荡器内酶解一段时间，离心后测定离心液中的戊糖。

1.2.3 糠醛的合成 将经过黑曲霉酶解的花生壳及其残渣和一定量的WO3/SnO2固体酸加入到带有电磁搅拌器的高压反应釜中加热反应，严格控制各种反应条件，待反应结束后将反应釜迅速置于冰水中冷却至室温，过滤后进行检测。同时将花生壳粉直接用固体酸水解进行对比实验。

1.2.4 响应面实验设计 将酶解液及其残渣用WO3/SnO2固体酸作为催化剂合成糠醛。在探索性实验的基础上，以水解温度（X1）、水解时间（X2）、固体酸用量（X3）3个因子为自变量，设计如表1所示的三因素三水平的响应面实验组合。

表1 响应面实验设计中的水平和编码Table 1 Level and code of variables chosen for RSM design

1.2.5 花生壳酶解液中戊糖的检测 用3，5－二硝基水杨酸（DNS）试剂法检测花生壳酶解液中的戊糖，按照式（1）计算戊糖得率；用UV-2000型紫外-可见光分光光度计测定接收液中糠醛浓度，按照计算式（2）计算糠醛的得率。

2 结果与讨论

2.1 酶解花生壳条件的确定

在探索性实验的基础上，采用单因素实验，考察原料粒度、固液比、酶解温度、酶液用量及酶解时间等因素对戊糖含量的影响，以确定酶解花生壳的最佳条件。

2.1.1 原料粒度确定 机械粉碎可以破坏木质素和半纤维素与纤维素的结合层，降低三者的结晶度，改变它们的结晶构造，有利于糖苷键断裂，促进花生壳粉的降解[8]，同时，较小的粒度会增加与酶液的接触面增大，加快降解。取粒度为20、50、80、110、140目经过预处理的花生壳粉，在其它条件相同的情况下进行对比实验，结果见图1，110目和140目戊糖的含量较高，且两者相近，根据实验数据以及考虑粉碎的成本，在本实验条件下，确定花生壳的粒度为110目。

图1 原料粒度对戊糖含量的影响Fig.1 Effect of raw material granularity on pentose content

2.1.2 固液比的确定 在水解温度为50℃、酶液用量为30U/g干花生壳粉、酶解时间7h和花生壳粉粒度为110目的条件下，不同固液比体系中戊糖的得率如图2所示，得率随固液比的增加而增加，在1∶10（g/g）时戊糖的得率较大，再增加固液比，得率虽有所上升，但很缓慢。这可以解释为：固液比的变化实际上是体系中酶液浓度发生了变化，而当固液比较高时，酶液浓度偏低，因而戊糖的得率增加缓慢。

图2 固液比对戊糖含量的影响Fig.2 Effect of solid-liquid ratio on pentose content

2.1.3 酶解温度的影响 反应体系的活性与酶解温度相关。选择固液比为1∶10、酶液用量为30U/g的干花生壳粉和粒度为110目的花生壳粉，在恒温水浴振荡器中、不同温度下反应7h，结果如图3所示，当温度为40～50℃时，随着温度升高，酶解液中的戊糖量逐渐增加，并在50℃附近得率达到15.29g·L-1；当温度高于50℃时，戊糖含量有降低的趋势。这是因为升高温度能够提高反应体系的活化分子数，进而提高反应得率，但太高的温度又会使酶液失活。

图3 酶解温度对戊糖含量得率的影响Fig.3 Effect of reaction temperature on pentose content

2.1.4 酶解时间的影响 反应体系中戊糖含量与酶解时间的长短相关。在水解温度为50℃、酶液用量为30U/g干花生壳粉、固液比为1∶10和粒度为110目的条件下，不同酶解时间内反应体系中戊糖的含量见图4，从图4中可以看出，随着水解时间的延长，戊糖的含量逐渐增加，当水解时间超过7h后，戊糖得率明显减小。这是因为随着酶解时间的增加，反应体系中副产物的量会逐渐增多，致使戊糖自身分解并和副反应产物进行缩合。

图4 酶解时间对戊糖含量得率的影响Fig.4 Effect of reaction time on pentose content

2.1.5 酶液用量的影响 酶液的用量直接关系到水解速度、戊糖的含量以及生产成本等问题。在经过预处理的花生壳粉中加入固液比为1∶10的蒸馏水和不同量的酶液，置于温度50℃恒温水浴振荡器中反应7h，结果见图5，当酶液用量低于30U/g干花生壳粉时，随着酶液用量的增加，戊糖释放量明显增加，但超过此值时，戊糖的释放量增加缓慢。这是因为增加酶液用量实际上是增加了酶液与花生壳粉的接触面积，当酶液与花生壳粉的接触面积达到峰值后，多余的酶液无法参与反应，因此戊糖的释放量增加缓慢。

图5 酶液用量对戊糖含量得率的影响Fig.5 Effect of volume of enzymolysis solution on pentose content

在上述反应条件下，采用L16（45）的多因素的正交实验得到最佳工艺：原料粒度110目、固液比1∶10、酶解温度为50℃、振荡水解时间为7h和酶液用量为30U/g干花生壳粉，在此条件下进行3次重复实验，戊糖的平均含量为14.87g·L－1。

2.2 合成糠醛的工艺条件优化

根据响应面实验设计要求进行实验，17次实验结果见表2，其中中心点5个重复。

2.2.1 多元回归分析 利用Design Expert 7.0软件对实验数据进行回归分析，结果见表2所示。同时得到二次回归方程：

表2 回归模型方差分析Table 2 Analysis of variance for regression model

表2中模型的P值为0.0008，表明模型非常显著；而失拟不显著，说明模型能够预测不同变量对糠醛得率的影响；同时，由式（3）可知，二次项系数均为负值，表明有最优值存在。

图6 固体酸用量和水解温度对糠醛得率的影响Fig.6 Effect of dosage of solid acid and hydrolysis temperature on the furfural yield

模型的响应面如图6～图8所示。图6为固体酸用量和水解温度交互作用的响应面图，从图6中可以发现，在一定温度条件下，糠醛的得率随着固体酸用量的增加而增加，这是因为反应体系中H+浓度的增加有利于加速反应的进行；而在固体酸用量一定的条件下，糠醛的得率随着温度的增加首先快速增加，但随后降低。这是因为增加温度能够增加反应体系的活性，有利于糠醛的生成，但过高的温度又会使糠醛进一步水解为乙酰丙酸及乙酸[9]，因此呈现出在高温时糠醛得率降低的现象。在本实验条件下，当固体酸用量为6.5%左右，温度在160℃附近时，糠醛的得率有最大值。

图7为反应水解时间和水解温度交互作用的响应面图。图7显示，随着水解温度和水解时间的增加，糠醛的得率逐步增加，在160℃和135min附近时达到最大，随后大幅度降低。这可以解释为提高水解温度和增加水解时间，能够促进脱水反应的进行，但随着水解时间的延长，反应体系中副产物的量会逐渐增多而对反应有抑制作用[10]。而增加水解温度，糠醛在高温处的分解也会增加。因此，较高的水解温度和较长的水解时间均将导致糠醛得率的降低。

图7 水解时间和温度对糠醛得率的影响Fig.7 Effectofhydrolysistimeandtemperatureonthefurfuralyield

图8显示了水解时间和固体酸用量的交互作用对糠醛得率的影响：当固体酸用量一定时，随着水解时间的延长，糠醛的得率迅速增加，随后减缓；当水解时间一定时，随着固体酸用量的增加，糠醛的得率表现出同样的特性，甚至有下降的趋势。这是因为增加固体酸的用量能够提高合成糠醛的速度，而过高浓度的固体酸又会加速戊糖和糠醛的聚合，从而影响了糠醛产率。在本实验条件下，在水解时间为135min左右、固体酸用量为6.5%左右时，糠醛的得率有最大值。

图8 水解时间和固体酸用量对糠醛得率的影响Fig.8 Effect of hydrolysis time and dosage of solid acid on the furfural yield

2.2.2 工艺优化与验证 应用多元回归模型对影响糠醛得率的参数进行优化分析，得到较优化的工艺条件为：水解温度162.57℃，水解时间为134.25min，固体酸用量为6.37%，糠醛的得率为68.17%。以163℃为水解温度，134min为水解时间，固体酸用量为6.4%，在此条件下进行3次验证性实验，3次实验结果的平均值为68.52%，与预测值接近，进一步表明所建立的多元回归模型对实验结果具有较好的预测性。而在相同工艺条件下，没有采用酶解工艺的糠醛得率只有52.83%，明显较低。

图9 模型的预测值与实际值Fig.9 Predicted value vs.actual of model

图9为模型的预测值与实际发生的对比情况，各数据点的分布基本上呈一直线，表明所建立的模型具有一定的可预测性。

3 结论

3.1 利用黑曲霉水解花生壳，当原料粒度110目、固液比1∶10（g/g）、酶解温度为50℃、振荡水解时间为7h和酶液用量为30U/g干花生壳粉时，戊糖的平均含量为14.87g·L-1。

3.2 酶解能够提高花生壳水解制备糠醛的得率，将酶解液及其残渣以WO3/SnO2固体酸为催化剂制备糠醛，最佳工艺条件为：水解温度163℃，水解时间134min，固体酸用量6.4%，此时糠醛的得率为68.52%，与相同工艺条件下未采用酶解相比得率提高了15.69%。

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Study on preparation of furfural with synergistic hydrolysis of aspergillus niger and solid acid method from peanut hull

YU Xian-chun1，2，LI Xiang-su3，GONG Zheng-wu2
（1.Basis Department，Yue Yang Vocationalamp;Technical College，Yueyang 414000，China；2.College of Material and Engineering，Central South University of Forestry and Technology，Changsha 410004，China；3.Academic Administration，University of South China，Hengyang 421002，China）

Furfural was made from peanut hull powder with synergistic hydrolysis with aspergillus niger and solid acid，orthogonal experiment and response surface methodology were applied to carry out optimum analysis on main parameters.The orthogonal experiment of enzyme experiments result showed that when the raw material granularity was 110 grit，solid-liquid ratio was 1∶10，the reaction temperature was 50°C，the reaction time was 7h，the volume of the enzymolysis solution was 30U/g of dried peanut hull powder and the average content of pentose was 14.87g·L-1.Response surface analysis indicated of solid acid hydrolysis that under a reaction temperature of 163°C，a reaction time of 134min and a solid acid dosage of 6.4%，the furfural yield could reach 68.52%.The synergistic hydrolysis of aspergillus niger and solid acid on peanut hull had the benefit of increasing the furfural yield.As compared to the technology without the use of aspergillus niger hydrolysis，the method produced furfural with 15.69%increased yield.

aspergillus niger；solid acid；synergistic hydrolysis；furfural yield；response surface methodology

TS201.2

B

1002-0306（2012）01-0230-04

2010－12－20

余先纯（1969-），女，硕士，副教授，研究方向：生物质材料与高分子材料。

湖南省教育厅科技项目（08D124）。