玉米秸稈纖維素提取工藝優(yōu)化

楊文玲 王妨茶

摘要[目的]優(yōu)化提取玉米秸稈纖維素的最佳工藝條件。[方法]采用氫氧化鈉-醋酸-亞氯酸鈉法提取玉米秸稈纖維素，并用硝酸乙醇法測定纖維素含量。利用單因素試驗探討原料用量、提取時間以及提取溫度等因素對產(chǎn)品纖維素含量的影響，并利用正交試驗優(yōu)化工藝條件。[結(jié)果]提取玉米秸稈纖維素的最佳工藝條件為：提取過程中，攪拌速度為500r/min;半纖維素脫除過程中，稱取5g秸稈粉末，NaOH溶液質(zhì)量分數(shù)為9%，提取溫度T1為60℃，提取時間t1為120min，將產(chǎn)物洗滌烘干;木質(zhì)素脫除過程中，取上述產(chǎn)物進行試驗，亞氯酸鈉用量為1.5g，醋酸用量為10mL，提取溫度T2為70℃，提取時間t2為60min，將產(chǎn)物洗滌烘干得到纖維素。在此最優(yōu)工藝條件下，產(chǎn)品纖維素純度平均可達81.45%，最高可達82.29%，而且經(jīng)紅外分析可發(fā)現(xiàn)半纖維素和木質(zhì)素已基本被去除。[結(jié)論]該工藝研究可為玉米秸稈纖維素的批量生產(chǎn)提供理論指導。

關鍵詞玉米秸稈;纖維素;提取工藝;正交試驗

中圖分類號S131文獻標識碼A

文章編號0517-6611（2019）01-0198-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2019.01.058

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

纖維素屬于可降解天然高分子化合物，廣泛存在于植物秸稈中。目前，我國農(nóng)作物秸稈產(chǎn)量約占全球總量的20%，但是綜合利用率只有50%，大部分被就地還田或直接焚燒，造成嚴重的資源浪費[1]。秸稈中含有大量的纖維素，是一種豐富的生物質(zhì)能源。因此，植物秸稈的開發(fā)利用具有重要意義。近年來，人們對秸稈纖維素的提取工藝進行了大量研究[2-6]。目前，秸稈纖維素提取通常采用高壓蒸煮法[7]、氫氧化鈉-醋酸-亞氯酸鈉法[8]、過氧酸體系法[9]等。

在植物秸稈中，纖維素是秸稈中的支架，而半纖維素和木質(zhì)素則是其中的填充物。秸稈主要由纖維素（36.5%～38.6%）、半纖維素（38.0%～38.8%）和木質(zhì)素（12.3%～17.6%）3個部分組成[10]。雖然纖維素不溶于水，但是半纖維素具有親水性，可溶于堿溶液，堿液可以切斷半纖維素與纖維素之間的氫鍵連接[11];亞氯酸鹽具有強氧化性，與木質(zhì)素反應，增加了親水性，木質(zhì)素氯酸鹽在酸性條件下產(chǎn)物進一步水解，木質(zhì)素氯酸鹽溶出，最終可將纖維素從秸稈中提取出來。因此，筆者以玉米秸稈粉末為原料，采用氫氧化鈉-醋酸-亞氯酸鈉法提取玉米秸稈中的纖維素，利用硝酸乙醇法測定纖維素的含量;通過單因素試驗分析各個試驗條件的影響，并利用正交試驗優(yōu)化提取玉米秸稈纖維素的最佳工藝條件。

1材料與方法

1.1材料

1.1.1研究對象。

玉米秸稈粉末，來自河北省石家莊市的秋天秸稈。

1.1.2主要試劑。

氫氧化鈉，分析純，天津市永大化學試劑有限公司;亞氯酸鈉，分析純，天津歐博凱化工有限公司;醋酸，分析純，天津市富宇精細化工有限公司;無水乙醇，分析純，天津市永大化學試劑有限公司;硝酸，分析純，天津市凱通化學試劑有限公司。

1.1.3主要儀器。

恒溫水浴鍋，XMTD-7000型，北京市永光明醫(yī)療儀器有限公司;精密增力電動攪拌器，JJ-1100W型，江蘇金壇宏華儀器廠;馬弗爐，SX-2.5-10型，天津市泰斯特儀器有限公司;真空泵，SHB-Ⅲ型，鄭州長城科工貿(mào)有限公司;鼓風干燥箱，101-1A型，天津市泰斯特儀器有限公司;傅里葉紅外光譜儀，F(xiàn)TS-135型，美國BIO-RAD。

1.2方法

1.2.1秸稈纖維素的提取。

秸稈纖維素的提取分為兩步進行。首先，稱取5g左右玉米秸稈粉末，加入100mLNaOH水溶液中，水浴加熱并攪拌，以去除玉米秸稈中的半纖維素，反應完成后抽濾并烘干;然后將上述產(chǎn)物加入亞氯酸鈉與醋酸的100mL混合水溶液中，水浴加熱并攪拌，以去除玉米秸稈中的木質(zhì)素，反應完成后，過濾并烘干。

1.2.2纖維素含量測定。

試驗中采用硝酸乙醇法測定纖維素的含量[12-13]。稱取1g左右的產(chǎn)品（m0）放入干燥的錐形瓶中，加入25mL體積比為1∶4的硝酸乙醇混合液中，加熱回流1h，冷卻后用G4玻璃砂芯漏斗抽濾，并用混合液洗滌殘渣，再用熱水洗滌至不再呈酸性為止，最后用無水乙醇洗滌2次，烘干并稱重（m1），然后500℃下焙燒2h并稱重（m2）。纖維素含量C計算方法如下：

C=（m1-m2）/m0×100%

式中，C為纖維素含量（%）;m0為所取產(chǎn)品的質(zhì)量（g）;m1為產(chǎn)品焙燒前的質(zhì)量（g）;m2為產(chǎn)品焙燒后的質(zhì)量（g）。

1.2.3單因素試驗。

試驗主要考察原料用量、提取溫度以及提取時間等因素對產(chǎn)品纖維素含量的影響。

1.2.4正交試驗。

在單因素試驗的基礎上，選取對試驗結(jié)果影響較大的4個因素進行正交試驗，每個因素選擇3個水平，進行L9（34）正交試驗，并對試驗結(jié)果進行分析，優(yōu)化提取玉米秸稈纖維素的最佳工藝條件;并在最佳工藝條件下進行3次驗證試驗。

2結(jié)果與分析

2.1單因素試驗

2.1.1NaOH溶液質(zhì)量分數(shù)對產(chǎn)品纖維素含量的影響。

從圖1可看出，提高NaOH溶液的質(zhì)量分數(shù)能增高產(chǎn)品的纖維素含量，但是由于半纖維素能夠溶于堿液，隨著NaOH溶液質(zhì)量分數(shù)的增大，溶液中半纖維素含量的增加，溶液黏稠度變大，造成傳質(zhì)阻力變大，進而導致產(chǎn)品纖維素含量降低。因此，NaOH溶液質(zhì)量分數(shù)選取7%為宜。

2.1.2提取溫度T1對玉米秸稈纖維素含量的影響。

從圖2可看出，在一定的溫度范圍內(nèi)，提高提取溫度能增加產(chǎn)品的纖維素含量，但是溫度過高導致半纖維素的溶解度降低，產(chǎn)品半纖維含量增高，導致產(chǎn)品纖維素含量降低。因此，提取溫度T1選取55℃為宜。

2.1.3提取時間t1對產(chǎn)品纖維素含量的影響。

從圖3可看出，延長提取時間能增高纖維素含量，但是提取時間過長，產(chǎn)品纖維素含量反而有輕微下降。這是由于提取到一定時間，半纖維素已經(jīng)基本溶出，提取時間過長對產(chǎn)品纖維的的含量無明顯影響，延長時間還會增加能耗。因此，提取時間t1選取90min為宜。

2.1.4亞氯酸鈉用量對產(chǎn)品纖維素含量的影響。

從圖4可看出，增加亞氯酸鈉用量能增高纖維素含量，但是亞氯酸鈉用量過多可能使木質(zhì)素與亞氯酸鈉的反應逆向進行，導致產(chǎn)品纖維素含量降低。因此，亞氯酸鈉用量選取1.0g為宜。

2.1.5醋酸用量對產(chǎn)品纖維素含量的影響。

從圖5可看出，增加醋酸用量能增高纖維素含量，但是醋酸用量過多可能導致木質(zhì)素氯酸鹽的水解受到抑制，最終導致產(chǎn)品纖維素含量降低。因此，醋酸用量選取10mL為宜。

2.1.6提取溫度T2對產(chǎn)品纖維素含量的影響。

從圖6可看出，提高提取溫度能增高產(chǎn)品的纖維素含量，但是溫度過高導致木質(zhì)素氯酸鹽溶解度降低，同時木質(zhì)素氯酸鹽的水解也受到抑制，導致產(chǎn)品纖維素含量降低。因此，提取溫度T2選取70℃為宜。

2.1.7提取時間t2對產(chǎn)品纖維素含量的影響。

從圖7可看出，延長提取時間t2能增高纖維素含量，但是提取時間過長，產(chǎn)品纖維素含量反而下降。這可能是由于木質(zhì)素氯酸鹽已經(jīng)基本溶出，攪拌時間過長導致纖維素結(jié)構遭到一定程度的破壞，進而使產(chǎn)品纖維素含量降低。因此，提取時間t2選取60min為宜。

2.1.8攪拌速度對產(chǎn)品纖維素含量的影響。

從圖8可看出，提高攪拌速度能增加產(chǎn)品纖維素含量，但是攪拌速度過快，產(chǎn)品纖維素含量反而下降。這可能是由于攪拌速度過快導致反應不完全，進而使產(chǎn)品纖維素含量降低。因此，攪拌速度選取500r/min為宜。

2.2正交試驗

為了確定玉米秸稈提取纖維素的最佳操作條件，根據(jù)單因素試驗結(jié)果，選取對試驗影響最大的4個因素進行正交試驗。以NaOH溶液質(zhì)量分數(shù)（A）、提取溫度T1（B）、提取時間t1（C）、亞氯酸鈉用量（D）為變量，不考慮因素間的交互作用，設計了4因素3水平的正交試驗，因素水平選擇見表1，正交試驗結(jié)果見表2。

由表2可知，4個因素對產(chǎn)品的纖維素含量影響從大到小依次為B（提取溫度T1）、D（亞氯酸鈉用量）、C（提取時間t1）、A（NaOH溶液質(zhì)量分數(shù)）;可確定最佳方案為A3B3C3D3。因此，正交試驗優(yōu)化得到的最佳工藝條件為：提取過程中，攪拌速度為500r/min;半纖維素脫除過程中，稱取5g秸稈粉末，NaOH溶液質(zhì)量分數(shù)為9%，提取溫度T1為60℃，提取時間t1為120min，將產(chǎn)物洗滌烘干;木質(zhì)素脫除過程中，取上述產(chǎn)物進行試驗，亞氯酸鈉用量為1.5g，醋酸用量為10mL，提取溫度T2為70℃，提取時間t2為60min，將產(chǎn)物洗滌烘干得到纖維素。

2.3驗證試驗

根據(jù)以上正交試驗確定的最佳工藝條件，進行3次重復試驗。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，提取的產(chǎn)品纖維素含量較高，平均可達81.45%，最高可達82.29%。

2.4紅外分析

從原料與產(chǎn)品纖維素的紅外光譜（圖9）可看出，波數(shù)1731.78cm-1處的吸收峰表征與木質(zhì)素、半纖維素有關的羰基伸縮振動;木質(zhì)素的特征吸收峰為1515.81cm-1;經(jīng)過處理后兩峰都已消失[14-16]。原料中波數(shù)1162.83和1426.74cm-1以及產(chǎn)品中波數(shù)1162.48和1432.95cm-1都是纖維素的特征吸收峰，說明經(jīng)過處理后纖維素的結(jié)構基本沒有發(fā)生變化。因此，經(jīng)過處理后，原料秸稈中木質(zhì)素與半纖維素已經(jīng)基本被去除，得到了純度較高的纖維素。

3結(jié)論

該試驗以單因素試驗為基礎，通過正交試驗優(yōu)化得到提

取玉米秸稈纖維素的最佳工藝條件如下：提取過程中，攪拌速度為500r/min;半纖維素脫除過程中，稱取5g秸稈粉末，NaOH溶液質(zhì)量分數(shù)為9%，提取溫度T1為60℃，提取時間t1為120min，將產(chǎn)物洗滌烘干;木質(zhì)素脫除過程中，取上述產(chǎn)物進行實驗，亞氯酸鈉用量為1.5g，醋酸用量為10mL，提取溫度T2為70℃，提取時間t2為60min，將產(chǎn)物洗滌烘干得到纖維素。在此最優(yōu)工藝條件下，提取的產(chǎn)品纖維素含量較高，平均可達81.45%，最高可達82.29%。而且經(jīng)紅外分析可發(fā)現(xiàn)半纖維素和木質(zhì)素已基本被去除。該工藝研究可為玉米秸稈纖維素的批量生產(chǎn)提供理論指導。

參考文獻

[1]周良.對國內(nèi)秸稈利用現(xiàn)狀的思考[J].安徽農(nóng)業(yè)科學，2012，40（32）：15853-15855.

[2]來水利，國雅娜，肖雨晨，等.小麥秸稈中纖維素提取工藝的研究[J].紙和造紙，2016，35（2）：11-14.

[3]董春燕，朱美靜，張鵬飛，等.棉秸稈提取纖維素纖維的預處理工藝及結(jié)構研究[J].上海紡織科技，2017，45（8）：37-40.

[4]黃思維.玉米稈納米纖維素的提取、表征及應用[D].南京：南京林業(yè)大學，2017.

[5]劉長水.玉米秸稈中半纖維素的提取[D].濟南：齊魯工業(yè)大學，2016.

[6]SUNJX，SUNXF，ZHAOH，etal.Isolationandcharacterizationofcellulosefromsugarcanebagasse[J].Polymerdegradation&stability，2004，84（2）：331-339.

[7]毛微曦，趙曉勝，王立華，等.高壓蒸煮法提取玉米秸稈纖維素的工藝研究[J].安徽農(nóng)業(yè)科學，2013，41（34）：13387-13389.

[8]李春光，董令葉，吉洋洋，等.花生殼纖維素提取及半纖維素與木質(zhì)素脫除工藝探討[J].中國農(nóng)學通報，2010，26（22）：350-354.

[9]王立華，王永利，趙曉勝，等.秸稈纖維素提取方法比較研究[J].中國農(nóng)學通報，2013，29（20）：130-134.

[10]李丹丹，周杰，劉文紅.響應面優(yōu)化玉米秸稈纖維素提取工藝[J].安徽農(nóng)業(yè)科學，2011，39（30）：18781-18783，18820.

[11]周燦燦，宋曉明，陳夫山.廢棄物秸稈纖維提取研究進展[J].天津造紙，2016，38（4）：34-37.

[12]許穎，韓洪玲，王金鳳.二種測定纖維素含量方法的比較與分析[J].黑龍江糧食，2002（3）：41，46.

[13]王林風，程遠超.硝酸乙醇法測定纖維素含量[J].化學研究，2011，22（4）：52-55，71.

[14]鄭明霞，李來慶，鄭明月，等.堿處理對玉米秸稈纖維素結(jié)構的影響[J].環(huán)境科學與技術，2012，35（6）：27-31.

[15]GASTALDIG，CAPRETTIG，F(xiàn)OCHERB，etal.CharacterizationandproprietiesofcelluloseisolatedfromtheCrambeabyssinicahull[J].Industrialcrops&products，1998，8（3）：205-218.

[16]孫曉鋒，王海洪，胡永紅.秸稈纖維素的一步快速提取和水解[J].高等學?；瘜W學報，2010，31（9）：1901-1904.