玉米秸稈半纖維素的提取工藝研究

李 萌，張 丹

（赤峰學院 化學化工學院，內蒙古 赤峰 024000）

隨著我國農業的不斷進步，農作物秸稈總產量也在逐年增長[1].然而，其中只有一小部分農作物秸稈用于還田，一部分農作物秸稈用作飼料，其余絕大部分都被直接燃燒，只有極少數的應用在工業上[2].在內蒙古自治區，玉米是主要農作物之一，每年都會生產大量的玉米秸稈，玉米秸稈的利用率也是比較低的.隨著環境污染的日益加重，煤、石油、天然氣等不可再生能源的迅速減少，傳統的石油基材料已不能滿足人們對資源和能源方面的需求[3].因此，迫切需要發展地球上分布最廣、蘊藏量最豐富的可再生資源.近年來，人們對半纖維素的研究和應用逐漸得到重視[4].半纖維素是可再生生物高分子聚合物，是各種農林生物質資源中廣泛存在的一種[5]，半纖維素是由多種單糖組成的異質多聚體，主要包括木糖、甘露糖和半乳糖[6].纖維素、木質素和半纖維素為玉米秸稈的主要組成部分，其中半纖維素的含量大約占30%[5]，李春光等人認為，如果能從玉米秸稈中提取出性質優良的半纖維素和纖維素，并將其應用于工業生產中，這不僅極大地提高了玉米秸稈的附用價值，而且還減少了玉米秸稈燃燒帶來的環境污染問題，同時緩解了日益嚴重的能源危機[7].目前，對玉米秸稈的綜合應用已經有了大批的研究與報道[8-11]，也有人對半纖維素的提取做了大量的前期探索工作[12-15].本實驗以玉米秸稈為原料，苯和無水乙醇的混合溶液為提取液進行脫脂，再用NaOH溶液進行堿處理，最終得到半纖維素，并通過單因素實驗探索半纖維素的最佳提取條件.

1 實驗材料與方法

1.1 實驗材料與試劑

玉米秸稈來自內蒙古通遼市開魯縣保安農場.

氫氧化鈉（天津市恒星化學試劑制造有限公司）、無水乙醇（天津市恒星化學試劑制造有限公司）、冰乙酸（遼寧泉瑞試劑有限公司）、苯（遼寧泉瑞試劑有限公司）等試劑均為分析純.

1.2 實驗儀器

SHD-(Ⅲ)循環水式真空泵（河南省予華儀器有限公司）、國家標準檢驗篩（成都啟航儀器有限公司）、TP-214型電子分析天平（上海精密科學儀器有限公司）、DHG-9123A型電熱恒溫鼓風干燥箱（上海景宏實驗設備有限公司）、DG120C型半斤裝中藥材粉碎機（浙江省瑞安市春海藥材器械廠）、HJ-3型恒溫磁力攪拌器（常州國華電器有限公司）、800離心機（常州國華電器有限公司）、PHS-2F型pH計（上海儀電科學儀器股份有限公司）、ZC-5型秸稈切碎機（曲阜億陽利豐農業科技有限公司）

1.3 實驗方法

1.3.1 除雜

將玉米秸稈用清水浸泡2小時，并沖洗幾遍，除去塵土等雜質，然后干燥，備用.

1.3.2 粉碎

將玉米秸稈用秸稈切碎機進行粗加工，得到玉米秸稈碎渣，再用半斤裝中藥材粉碎機進行粉碎，得到玉米秸稈粉末，過80目篩，得到粉末狀的玉米秸稈，用密封袋裝好，在干燥陰涼處儲存，備用.

1.3.3 脫脂

將濾紙制得濾袋，稱取適量的玉米秸稈裝入其中，將濾袋放入索氏提取器中，濾袋高度低于虹吸管口約10-15mm，量取一定體積的苯和無水乙醇的混合溶液（苯/無水乙醇=2:1，v/v），固液比為1：10（g/mL），在 90℃下進行提取，控制回流速度為4～5次/h,從提取液從冷凝管下口滴落開始計時，每個試樣提取6小時.提取結束后取出試樣，在通風櫥內風干，干燥后的玉米秸稈用密封袋裝好，備用.

1.3.4 堿處理

準確稱取2.00g脫脂后的玉米秸稈，按一定的固液比加入一定濃度的NaOH溶液，用恒溫磁力攪拌器在一定溫度下加熱攪拌，對堿處理之后的溶液進行抽濾，用蒸餾水反復洗滌，直至濾液的pH值顯中性.濾液用50%的冰乙酸調節pH值至5.00～5.50，用保鮮膜將燒杯口密封，靜置5～6小時后有絮狀沉淀產生，離心，所得沉淀在105℃下干燥12h，然后稱量質量，半纖維素A.

將離心后的上清液倒入燒杯中，再加入2倍體積的無水乙醇，然后用保鮮膜將燒杯密封，靜置沉淀4小時，最后用長頸漏斗過濾，所得沉淀直接放入烘箱中，在105℃下干燥12h，然后稱量質量，即得半纖維素B.

半纖維素的質量為半纖維素A與半纖維素B的質量之和.按如下公式計算半纖維素的提取率.

W為半纖維素的提取率（%），m為半纖維素的質量（g），M為玉米秸稈的質量（g）.

1.3.5 單因素實驗

1.3.5.1 固液比對半纖維素提取率的影響

分別稱取2g（精確到0.001g）的玉米秸稈置于100mL 的三口燒瓶中，按固液比 1：10、1：15、1：20、1：25、1：30，分別加入質量分數為 6%（m/v）的NaOH溶液，在80℃下用恒溫磁力攪拌器加熱并攪拌2h，再用離心機離心得到半纖維素，重復實驗3次.

1.3.5.2 NaOH溶液濃度對半纖維素提取率的影響

分別稱取2g（精確到0.001g）的玉米秸稈置于100mL的三口燒瓶中，按固液比1：15，分別加入一定質量分數（1%、2%、4%、6%、8%，m/v）的 NaOH溶液，在80℃下用恒溫磁力攪拌器加熱并攪拌2h，再用離心機離心得到半纖維素，重復實驗3次.

1.3.5.3 攪拌時間對半纖維素提取率的影響

分別稱取2g（精確到0.001g）的玉米秸稈置于100mL的三口燒瓶中，按固液比1：15加入30mL質量分數為6%（m/v）的NaOH溶液，在80℃下用恒溫磁力攪拌器加熱回流，加熱時間分別1h、1.5h、2h、2.5h、3h，離心得到半纖維素，重復實驗3次.

1.2.5.4 溫度對半纖維素提取率的影響

分別稱取2g（精確到0.001g）的玉米秸稈置于100ml的三口燒瓶中，按固液比1：15加入30mL質量分數為6%（m/v）的NaOH溶液，分別在50℃、60℃、70℃、80℃、和90℃下用恒溫磁力攪拌器攪拌2h，離心得到半纖維素，重復實驗3次.

2 實驗結果與分析

2.1 固液比對半纖維素提取率的影響

圖1 固液比對半纖維素提取率的影響

由圖1可知，固液比對玉米秸稈中半纖維素的提取有顯著的影響.半纖維素提取率隨著固液比的減小呈現先升高后降低的趨勢.固液比為1:10時，半纖維素的提取率最低，值為30.2%；固液比為1：25時，半纖維素的提取率最高，達到了37.9%.這是因為氫氧化鈉溶液越多，能夠溶解越多的半纖維素，但當氫氧化鈉溶液超過一定量時，也會破壞半纖維的結構，從而使半纖維素的提取率下降.固液比為1:15時，纖維素的提取率為36.4%，僅比固液比為1:25的提取率下降1.5%.綜合能量經濟因素，確定提取半纖維素的最佳固液比為1:15.

2.2 NaOH溶液濃度對半纖維素提取率的影響

圖2 NaOH溶液濃度對玉米秸稈半纖維素提取率的影響

由圖2可知，當固液比為1:15、提取時間為2h、提取溫度為80℃時，NaOH溶液濃度對玉米秸稈半纖維素提取率有顯著影響.隨著NaOH濃度的增加半纖維素提取率也顯著增加，當NaOH溶液濃度從1%增加到6%時，半纖維素提取率由20.1%增加到36.7%.當NaOH溶液濃度超過6%時，半纖維素的提取率逐漸趨向平緩.這表明，NaOH濃度越大，玉米秸稈中半纖維素溶出得越徹底.因此，確定NaOH溶液的最佳濃度為6%.

2.3 反應時間對半纖維素提取率的影響

圖3 提取時間對纖維素提取率的影響

提取時間對半纖維素提取率的影響如圖3所示.由圖3可知，隨著反應時間的增加，玉米秸稈中半纖維素的提取率呈現先上升后降低的趨勢.當提取時間為2h時，半纖維素提取率達到最大，提取率為36%.當提取時間為2.5h時，半纖維素提取率反而有所降低.這主要是因為反應時間過短，NaOH溶液對半纖維素的接觸不夠充分，反應不完全，導致半纖維素的提取率不高，但是隨著反應時間的延長，得到的半纖維素被進一步水解，從而導致半纖維素提取率的下降[16].因此，綜合考慮，確定半纖維素提取的最佳時長為2h.

2.4 溫度對半纖維素提取率的影響

圖4 提取溫度對半纖維素提取率的影響

提取溫度對半纖維素提取率的影響如圖4所示. 當提取溫度分別為 50℃、60℃、70℃、80℃和90℃時，半纖維素的提取率分別為27%、32%、34.2%、36.5%和34%.從圖4可以看出，隨著反應溫度的升高，半纖維素提取率也逐漸增加，當反應溫度為80℃時，半纖維素提取率最高，達到了36.5%.當反應溫度為90℃時，半纖維素提取率下降了2.5%，這是由于反應溫度過高，一部分半纖維素結構被破壞，導致提取率下降.因此，玉米秸稈半纖維素的最佳提取溫度為80℃.

3 小結

本實驗以玉米秸稈為原料，利用堿法提取半纖維素，通過單因素實驗來探究最佳堿處理條件，同時考慮能源與經濟因素，得到玉米秸稈半纖維素的最佳提取條件為：玉米秸稈與NaOH溶液的固液比為1：15，NaOH溶液濃度為6%，反應時間為2h，反應溫度為80℃.