酸預處理麥秸稈工藝研究

任劍峰 劉斌 倪想想

（1. 安徽長之源環境工程有限公司，安徽合肥 230000；2. 合肥學院，安徽合肥 230000）

1 引言

我國是農業大國，也是秸稈資源最為豐富的國家之一，2015 年全國主要農作物秸稈理論資源量為10.4 億t，秸稈種類以小麥、水稻、玉米為主［1］。隨著農業與經濟社會的發展，農作物秸稈作為世界上數量最多的一種農業副產品，也是一項重要的生物資源，秸稈資源化利用的前景十分廣闊［2］。每年的秸稈禁燒耗費了基層大量的人力物力，而且，農民偷偷焚燒秸稈也造成了一定的環境污染，甚至成為誘發交通事故、影響航運的重要因素。因此，秸稈資源化利用技術得到了相當重視［3］，在我國主要有秸稈還田技術、秸稈飼料利用技術、秸稈能源技術［4-5］以及秸稈的工業應用［6］等。本文主要研究麥秸稈的預處理技術，以期有效地開發利用農作物副產品等生物質資源，將其變廢為寶。

2 材料與方法

2.1 實驗材料

小麥秸稈采集于安徽省合肥市肥東縣。

2.2 實驗方法

2.2.1 總糖和還原糖測定

采用DNS 法［7］。

2.2.2 麥秸稈的預處理

稱取一定質量干燥的麥秸稈，將其剪成3～5 cm的短穗狀。將剪短后的麥秸稈放入粉碎機中進行粉碎，由于麥秸稈具有特殊的結構和韌性，粉碎應重復3 次，使得粉碎的麥秸稈達到實驗要求的顆粒度。粉碎麥秸稈旨在細化麥秸稈，使其以粉末狀參與反應，以此提高反應效率。

粉碎后小麥秸稈的顆粒度包括以下3 種不同范圍：大于180 目、100～180 目、24～100 目。此外，還留有部分未篩分麥秸稈粉末，以備實驗使用。

2.2.3 酸解麥秸稈分別研究顆粒度、酸濃度、溫度和高溫高壓對酸解麥秸稈的還原糖釋放量及得率的影響。

3 結果與分析

3.1 顆粒度對酸解中還原糖釋放量的影響［8］

將3 g 不同顆粒度的麥秸稈，分別溶脹于濃度為3%的100 mL 的酸（硫酸、鹽酸、硝酸、磷酸）中，在50 ℃下進行振蕩，反應24 h，結果如圖1。

圖1 不同酸溶液酸解不同顆粒度麥秸稈

從圖1 可知，4 種酸液中，鹽酸溶液酸解效果最佳，酸解后釋放的還原糖量最多，通過180 目篩子的麥秸稈酸解效果最佳。鹽酸酸解中，其還原糖得率達到0.063 g/g 干麥秸稈。通過100 目篩子的麥秸稈酸解效果次之。未篩分麥秸稈效果最差，是4 種顆粒度中還原糖釋放量最少的。通過24 目篩子的麥秸稈酸解效果與未篩分相差不大，均略大于未篩分麥秸稈還原糖釋放量。

通過180 目篩子的麥秸稈，在不同酸液中的還原糖得率見表1。

表1 3%的酸液酸解通過180 目篩麥秸稈還原糖得率

由圖1 和表1 可以得知，不管使用何種酸溶液進行酸解，4 種不同顆粒度的麥秸稈溶脹于酸液中，在一定條件下反應一段時間，還原糖釋放量均隨著粉碎度的增大而增加，通過180 目篩子的麥秸稈，其還原糖釋放量最大。

3.2 酸溶液濃度對酸解中還原糖釋放量的影響

酸解實驗中，酸液及其濃度的選擇十分重要。將3 g 180 目顆粒度的麥秸稈，分別溶脹于濃度為1%～4%的100 mL 的不同酸（硫酸、鹽酸、硝酸、磷酸）中，在50 ℃下進行振蕩，反應24 h，考察不同酸不同濃度對于還原糖釋放量的影響，結果見圖2。

圖2 不同濃度酸溶液的酸解

由圖2 可知，鹽酸酸解效果是4 種酸液中效果相對最佳的。在實際生產過程中，酸液的濃度一般較低，高濃度的酸液容易腐蝕設備、污染環境，并且成本相對較高。雖然4%酸濃度酸解的還原糖釋放量較高，但是綜合考慮以上因素，最終選擇3%的鹽酸為最佳酸解溶液。

3.3 溫度對酸解中還原糖釋放量的影響

在不同的溫度梯度下，將3 g 通過180 目篩子的麥秸稈分別溶脹于體積為100 mL 的3%的磷酸、硫酸、硝酸和鹽酸中，在振蕩條件下進行反應，時間為24 h，結果見圖3。

圖3 溫度對酸解的影響

由圖3 可知，隨著溫度的升高，4 種酸液還原糖釋放量均隨之增加。可能高溫引起半纖維素降解，增加了纖維素水解的可能性，因而還原糖釋放量隨溫度升高而增加。其中，磷酸酸解效果最差，30～40 ℃范圍內，還原糖釋放量無明顯變化，60～90 ℃時釋放的還原糖含量增加較為明顯。鹽酸酸解效果相對最佳，40 ℃時，還原糖釋放量開始有較為明顯的增加，并且在80～90 ℃區間內，增量最為顯著。硫酸與硝酸的酸解趨勢較為相似，并且在低溫下其還原糖釋放量相差不大，但是整體上看，硝酸的酸解效果好于硫酸。

從整體上看，4 種酸液在40 ℃以下時，其還原糖釋放量均沒有明顯的增加，70 ℃后，還原糖釋放量的增量都十分明顯，以鹽酸溶液酸解的還原糖釋放量的增量最為顯著。但在實際生產中，高溫下進行酸解成本相對較高，而且對設備的損耗相對較大，因而一般將生產溫度控制在50～60 ℃。如果進行大規模的生產，從成本效益和產量兩方面綜合考量，80～90 ℃下進行酸解也是可取的，因為該溫度下的酸解效果相較于低溫條件下的酸解效果提高了3 倍以上。

3.4 高溫高壓對酸解中還原糖釋放量的影響

將3 g 通過180 目篩子的麥秸稈，溶脹于100 mL濃度為3%的磷酸、硫酸、硝酸和鹽酸中，于高壓蒸汽滅菌鍋內，在121 ℃，0.1 MPa 條件下反應30 min，然后測定還原糖釋放量，結果見表2。

表2 高溫高壓對還原糖得率的影響

由表2 可知，在高溫高壓下進行的短時間反應，同樣可以達到其在長時間高溫常壓下酸解的效果，使得還原糖可以較為徹底地釋放，甚至效果更好。與之前實驗所得結果一致，鹽酸的酸解效果最佳，還原糖得率達到了0.417 g/g 干麥秸稈。硝酸與硫酸的還原糖釋放量相差不大，磷酸是4 種酸液中酸解效果最差的。

4 結論

本文通過酸解反應對麥秸稈水解預處理工藝進行研究，所得結論如下：

（1）通過單因素實驗得知，酸解預處理實驗受顆粒度、溫度以及不同酸液及其濃度等因素影響，其中溫度是影響還原糖釋放量的關鍵性因素。酸解相對較佳的反應條件為：實驗材料選擇通過180 目篩子的麥秸稈，酸解的酸液選取濃度為3%的鹽酸溶液，溫度控制在50～70 ℃，若為大規模生產，溫度可為80～90 ℃，反應時間為10 h 左右，不宜超過24 h。此條件下，麥秸稈的還原糖釋放量達到最大值，還原糖得率最高，并且在短時間的高溫高壓條件下同樣可以達到長時間高溫常壓下酸解的效果，甚至效果更好。

（2）麥秸稈是工農業生產中的重要原料和資源，酸解預處理使得麥秸稈中的還原糖含量充分釋放出來，有助于改善動物飼料的口感。秸稈飼料的開發，不僅有助于食草型、節糧型畜牧業的發展，而且可形成良好的農業循環，具有廣泛的應用和發展前景。