不同预处理后麦草的组分变化及溶解性能

摘要：研究采用乙二胺、氢氧化钠和硫酸等对麦草进行预处理，分析预处理后麦草的组分变化，并通过X射线衍射对麦草秸秆纤维结晶度的变化进行表征。结果表明，先碱后酸预处理后麦草秸秆纤维的结晶度上升最大。麦草经过预处理后可以溶解在氢氧化钠/硫脲/尿素/水的溶液中，通过对比几种预处理麦草的溶解性能，表明经过先碱后酸预处理后的麦草在氢氧化钠/硫脲/尿素/水的溶液中溶解性能最好。

关键词：麦草；预处理；组分；溶解性能

中图分类号：X712 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2014）01-0033-05

Changes of Components and Dissolution Performance of Wheat Straw after Pretreated with Different Methods

YU Ji，YE Ju-di，LI Xiao-bao，ZHAI Shu-jin，SU Meng，YAN Wei，HONG Jian-guo

（School of Chemical Engineering， Nanjing Forestry University，Nanjing 210037， China）

Abstract： Wheat straw was pretreated in solution of sodium hydroxide， sulphuric acid and 1，2-ethylenediamine. The changes of components and structure of different solution were investigated. The change of crystallinity was characterized by X-ray diffraction. Results showed that wheat straw pretreated in solution of sodium hydroxide-sulphuric acid had the most decrease of crystallinity. Pretreated wheat straw can dissolve in NaOH/urea/thiourea aqueous solution. The dissolving property of wheat straw pretreated was compared. Results showed that wheat straw pretreated in solution of sodium hydroxide-sulphuric acid had the best ability of dissolution.

Key words： wheat straw； pretreatment； components； dissolution performance

收稿日期：2013-05-10

基金项目：国家公益性行业（林业）科研专项（201204803）；江苏高校优势学科建设工程资助项目

作者简介：虞 霁（1987-），男，江苏丹阳人，在读硕士研究生，研究方向为废弃物处理与资源化利用，（电话）15380924672（电子信箱）

；通讯作者，洪建国，男，教授，博士生导师，主要从事废弃物资源化利用研究，（电子信箱）.cn。

作为自然界中含量丰富的可再生资源，木质纤维的研究和应用长期以来受到研究者广泛的关注。木质纤维主要由纤维素、半纤维素和木质素三部分组成。然而，由于分子间与分子内氢键的大量存在，并且具有晶区和非晶区共存的复杂结构，木质纤维很难溶于水和普通的有机溶剂，这大大限制了木质纤维的工业应用[1]。氢氧化钠/硫脲/尿素/水溶液体系被认为是纤维素的良好溶剂，具有溶解性能稳定和溶剂易回收的优点，因此，可以将氢氧化钠/硫脲/尿素/水溶液体系应用于木质纤维的溶解上[2，3]。但是，由于木质纤维的复杂结构，使得纤维素、半纤维素、木质素之间的连接很难被打破，不易被溶剂所触及，因此，需要在溶解之前进行一定的预处理。木质纤维的预处理方法主要有物理法、化学法和生物法。物理法主要是机械粉碎，可通过切、碾、磨等工艺使生物质原料的粒度变小，增加和试剂接触的表面积，除此之外，还包括高能电子辐射处理、微波和超声波处理、蒸汽爆破技术等[4]。化学法主要包括氢氧化钠溶液润胀、稀酸预处理、液氨预处理等[5]。生物法是利用分解木质素的微生物除去木质素以解除其对纤维素的包裹作用，能耗低，操作简单，不污染环境，但其处理周期长，效率不高[6]。因此，采用乙二胺、氢氧化钠和硫酸等对麦草进行预处理，研究了预处理后麦草组分和结构变化及预处理对麦草在氢氧化钠/硫脲/尿素/水溶液体系中溶解性能的影响，以期提高麦草的处理效率。

1 材料与方法

1.1 材料

麦草（来自安徽泗县，粉碎后过100目筛，在105 ℃鼓风干燥箱中烘干后备用。麦草的总纤维素含量58.57%，木质素含量30.98%，灰分含量10.45%）；氢氧化钠、无水乙二胺、硫酸、硫脲、尿素等均为分析纯。

D/max 2500型X射线衍射仪（采用CuKα射线，Ni滤波，λ=1.540 56×10-10m，扫描范围2θ=6.0°～40.0°）。

1.2 方法

1.2.1 麦草的预处理

1）氢氧化钠处理法。20 g麦草在200 g质量分数为5%的氢氧化钠溶液中室温搅拌24 h后，用大量去离子水洗涤至中性，在105 ℃鼓风干燥箱中烘干，计算损失率，备用。

损失率=

■×100%

2）乙二胺处理法。20 g麦草在200 g质量分数为75%的乙二胺中室温搅拌4 h，用大量去离子水洗涤至中性，在105 ℃鼓风干燥箱中烘干，计算损失率，备用。

3）硫酸处理法。20 g麦草加入到100 g一定质量分数的硫酸溶液中，煮至沸腾后一定时间，然后用大量去离子水洗涤至中性，在105 ℃鼓风干燥箱中烘干，计算损失率，备用。

4）氢氧化钠-硫酸处理法。20 g麦草在200 g质量分数为5%的氢氧化钠溶液中室温搅拌24 h后，用大量去离子水洗涤至中性，在105 ℃鼓风干燥箱中烘干，加入到100 g质量分数为1%的硫酸溶液中煮至沸腾后一定时间，用大量去离子水洗涤至中性，在105 ℃鼓风干燥箱中烘干，计算损失率，备用。

5）微波处理法。20 g麦草加入到装有155 g水的烧杯中，进行微波处理一定时间后，加入氢氧化钠、尿素、硫脲进行溶解。

6）超声波处理法。20 g麦草加入到装有155 g水的烧杯中，将烧杯放入超声仪中处理一定时间后，加入氢氧化钠、尿素、硫脲进行溶解。

1.2.2 麦草的溶解 将2 g处理后的麦草和200 g氢氧化钠/尿素/硫脲/水（质量比为8.0∶6.5∶8.0∶77.5）的溶液置于冰箱中预冷冻15 min，加入锥形瓶中混合均匀，置于-6 ℃恒温循环器中搅拌3 h后离心分离，上清液用大量去离子水将纤维素析出，残渣部分用大量去离子水洗涤至中性，在105 ℃鼓风干燥箱中烘干并称重，得到残渣质量。计算残渣的质量占未处理前麦草质量的比例并分析[7]。

残渣的剩余率=■×100%

1.2.3 分析方法 总纤维素采用GB/T 2677.10-1995中的方法测定，木质素采用GB/T 2677.8-1994中的方法测定，灰分采用GB/T 2677.3-1993中的方法测定，X射线衍射：D/max 2500型X射线衍射仪（采用CuKα射线，Ni滤波，λ=1.540 56×10-10m，扫描范围2θ=6.0°～40.0°）。

2 结果与分析

2.1 不同预处理方法对麦草组分的影响

2.1.1 碱处理对麦草组分的影响 麦草中总纤维素、木质素以及灰分的质量分数的变化可以反映出其组分的变化。采用5%NaOH和75%乙二胺作为碱处理剂，考察氢氧化钠与乙二胺对麦草组分的影响。碱处理前后麦草各组分的质量分数见表1。由表1可知，通过对未预处理的麦草与碱处理后麦草中总纤维素、木质素以及灰分质量分数的比较发现，碱处理后的麦草总纤维素的质量分数大大提高，而木质素与灰分的质量分数则下降。这是因为碱处理可以有效地去除秸秆外层的果胶、蜡质等物质，而且木质素溶于碱，使得木质素的质量分数降低，同时碱处理可以去除一部分灰分，所以总纤维素的质量分数明显增加。

2.1.2 酸处理对麦草组分的影响 采用硫酸处理麦草，考察了酸处理对麦草各组分的影响。硫酸处理前后麦草各组分的质量分数见表2。由表2可知，通过对未预处理的麦草与酸处理后麦草中总纤维素、木质素以及灰分质量分数的比较发现，酸处理后的麦草总纤维素的质量分数有所升高，而木质素的质量分数略有提高，灰分的质量分数则相对下降；相同硫酸浓度条件下，总纤维素的质量分数随着煮沸时间的增加保持不变或略有降低，而木质素与灰分的质量分数保持不变或略有提高。由此可知，硫酸处理可以提高麦草总纤维素和木质素的质量分数，但是质量分数的增幅均很小。这是因为纤维素被木质素和半纤维素包裹起来形成致密结构，且外层还有果胶、蜡质等物质，硫酸虽然去除了一小部分的半纤维素和木质素，但因为去除的量较少，造成的影响并不明显；同时，硫酸与麦草中一些小分子物质反应，将这些包裹在的小分子物质去除，使得总纤维素和木质素的质量分数有所增加。

2.1.3 先碱后酸处理对麦草组分的影响 先采用5%氢氧化钠室温搅拌处理24 h后再用1%硫酸煮沸麦草，考察了先碱后酸处理对麦草各组分的影响。处理前后麦草各组分的质量分数见表3。由表3可知，通过对未预处理的麦草、5%氢氧化钠室温搅拌24 h后的麦草和先碱后酸处理的麦草中总纤维素、木质素以及灰分质量分数的比较发现，相对于未处理的麦草而言，先碱后酸处理的麦草，总纤维素的质量分数有所升高但幅度不大，木质素的质量分数升高，灰分的质量分数降低；相对于5%氢氧化钠室温搅拌24 h后的麦草而言，总纤维素的质量分数下降幅度较大，木质素的质量分数大幅度升高，灰分的质量分数略有升高；随着1%硫酸煮沸时间的增加，先碱后酸处理后的麦草的总纤维素、木质素、灰分质量分数变化不大。这是因为先碱后酸处理可以将部分纤维素、半纤维素降解，使得总纤维素的含量相对于碱处理下降，并且先碱后酸处理可以使被降解的木质素缩聚重新生成木质素，因此木质素的质量分数相对于碱处理反而大幅度增加[8]。

2.2 预处理后麦草在氢氧化钠/尿素/硫脲/水的溶液体系中的溶解性能

由于不同预处理方式对麦草组分及结构的影响，会导致麦草中总纤维素、木质素以及灰分的质量分数不同，从而影响了预处理后麦草在氢氧化钠/硫脲/尿素/水的溶液体系中的溶解性能。图1是各种预处理麦草的损失率及其在氢氧化钠/硫脲/尿素/水的溶液体系中溶解后残渣的剩余率。

溶解性能可用溶解率表示，溶解率一般是以溶解后减少的质量来计算的，严格来讲应该是总损失率，未经处理原料中的小分子物质等均计入在内。处理过的原料中的小分子物质已基本去除，特别是碱预处理的原料，因为碱能溶解木质素，碱预处理时麦草中木质素有较多量溶解至碱液中，再用氢氧化钠/硫脲/尿素/水的溶液溶解时溶解率就不如未处理原料。因此，以残渣剩余率来考察各种预处理对麦草在氢氧化钠/硫脲/尿素/水的溶液中的溶解效果，即残渣剩余率越大，溶解效果越差。

由图1可知，各种预处理麦草在氢氧化钠/硫脲/尿素/水的溶液体系中溶解后残渣的剩余率均有差异。原料、微波以及超声波处理的麦草在氢氧化钠/硫脲/尿素/水的溶液体系中溶解后残渣的剩余情况基本相同，先碱后酸处理麦草溶解后的残渣量最少，总损失率为74.00%，减去预处理时损失率56.05%，在氢氧化钠/硫脲/尿素/水的溶液体系中溶解率为原料的17.95%，而碱处理和酸处理后溶解的溶解率分别为17.28%和42.81%。仅从溶解率来看，用酸预处理后的麦草在氢氧化钠/硫脲/尿素/水的溶液体系中的溶解率更高。但从溶解后滤液析出情况来看，原料、碱处理、酸处理、微波以及超声波处理的麦草溶解后滤液均无析出物。文献报道氢氧化钠/硫脲/尿素/水的溶液体系主要用来快速溶解纤维素，溶解后滤液加大量水后可以析出纤维素[9]。试验中滤液无析出物的原因可能有：第一，麦草在氢氧化钠/硫脲/尿素/水的溶液体系中的溶解以小分子和木质素为主，纤维素未溶解；第二，体系中溶解了纤维素，但溶解的纤维素发生了降解。对预处理前后麦草及溶解后残渣组分进行测定，分析溶解前后各组分的变化，可以帮助分析其真正的原因。由分析可知，有大部分木质素以及近50%的总纤维素溶解在体系中，但滤液无析出物。这是因为总纤维素中包含了纤维素和半纤维素，溶解的应以半纤维素居多，纤维素溶解较少，且溶解的纤维素可能降解为低分子物质而无法析出。同样计算分析可知，未处理、碱处理、酸处理、微波及超声波处理麦草中均是溶解了小分子物质、木质素、半纤维素和少量的纤维素，但纤维素以降解为主。超声波和微波预处理虽然对溶解体系的残渣剩余率影响不大，但从残渣组分看，跟未处理原料相比，促进了木质素在体系中的溶解。碱处理麦草在预处理过程中去除了大部分的木质素，因此在复合溶剂中木质素的溶解相对较少。

各预处理麦草溶解后残渣中各组分的质量分数见表4。由表4可知，对于先碱后酸处理，1 g麦草经处理后得到0.439 5 g麦草，溶解前麦草中总纤维素、木质素、灰分的含量分别为0.264 1、0.158 0、0.017 7 g；溶解后麦草残渣中总纤维素、木质素、灰分的含量分别为0.105 6、0.146 0、0.008 3 g。所以，先碱后酸处理后的麦草样品中大部分总纤维素可以溶解在氢氧化钠/硫脲/尿素/水的溶液体系中，而溶解的木质素量很少。在预处理过程中，半纤维素已基本溶解在5% NaOH中，剩下的总纤维素以纤维素为主，所以溶解后减少的总纤维素主要就是纤维素。离心后滤液加入大量水后有较多白色析出物这一现象也证明了这一点。这可能是因为碱处理后打开了木质素与纤维素之间的链接，溶解了大量的半纤维素木质素、小分子物质，使纤维素能溶于复合溶剂体系中。

因此，通过比较几种预处理麦草在氢氧化钠/硫脲/尿素/水的溶液体系中的溶解性能，可以发现先碱后酸处理的麦草再在该体系中溶解总的效果最好，物理预处理麦草在该体系中的溶解效果不明显。

2.3 预处理前后麦草、溶解后残渣和析出物的结构变化

麦草经过预处理后，其化学组分发生了很大的变化，预处理后麦草的X射线衍射图谱也发生了改变。未经处理和预处理后的麦草秸秆纤维素的X射线衍射图谱如图2所示。由图2可知，所有样品的XRD图谱均显示出结晶区纤维素的结晶衍射峰，在2θ=34.8°处的衍射峰都较弱。经化学处理后，2θ=16.5°和2θ=22.5°处的结晶衍射峰得到显著加强。而且，与未经处理的麦草相比，峰形变得更尖。结果表明，麦草经化学处理后能降低其他无定型物质的含量。这意味着经化学处理后得到了纯度更高的麦草纤维素[10]。

由溶解后残渣的XRD谱图可知，经溶解后，2θ=16.5°处的结晶衍射峰基本消失，2θ=22.5°处的结晶衍射峰显著加强，这表明麦草经过溶解后的残渣，其麦草纤维素的结晶度下降，形态正由纤维素Ⅰ向纤维素Ⅱ转化。由析出物的XRD谱图可知，滤液经加水析出所得的纤维素2θ=16.5°和2θ=34.8°处的衍射峰都基本消失，2θ=22.5°处的结晶衍射峰明显减弱，这意味着，经水析出的纤维素结晶度下降，纤维素形态由纤维素Ⅰ转化为纤维素Ⅱ，由平行链转化为反平行链堆砌结构，微晶取向基本保持不变，结晶度降低[11]。

3 结论

1）对麦草采用碱、酸、先碱后酸预处理，对处理前后的麦草秸秆组分进行了分析。结果表明，酸、碱化学处理方法能有效去除麦草秸秆纤维中的半纤维素、木质素和小分子物质，处理后的麦草秸秆总纤维素的含量得到提高。

2）不同的预处理方法会使麦草秸秆纤维结构发生不同变化，对其在氢氧化钠/硫脲/尿素/水的溶液体系中的溶解性能也会产生不同的影响。未处理、碱处理、酸处理、微波及超声波处理麦草在氢氧化钠/硫脲/尿素/水的溶液体系中均以半纤维素、木质素和小分子物质溶解为主，纤维素的溶解以降解为主；先碱后酸处理的麦草再在该体系中溶解总的效果最好；物理预处理麦草在该体系中的溶解效果不明显。

3）由X射线衍射图谱可知，麦草纤维经化学处理后能降低其他无定型物质的含量。溶解后残渣的纤维素晶型在发生转变，滤液经水析出的纤维素结晶度很小，纤维素形态由纤维素Ⅰ转化为纤维素Ⅱ。

参考文献：

[1] 杨淑惠.植物资源化学[M].第三版.北京：中国轻工业出版社，2001.

[2] TURBAK A F， HAMMER R B， PORTONY N A，et al. A critical review of cellulose solvent systems[A]. TURBAK A F. Solvent Spun Rayon， Modified Cellulose Fibers and Derivatives[C].Whippany， NJ： Eastern Research Div，ITT Rayonier，Inc，1977. 12-24.

[3] 王海云，朱永年，储富祥，等. 溶解纤维素的溶剂体系研究进展[J].生物质化学工程，2006，40（3）：54-58.

[4] 朱跃钊，卢定强，万红贵，等.木质纤维素预处理技术研究进展[J].生物加工过程，2004，2（4）：11-16.

[5] 鲁 杰，石淑兰，邢效功，等. NaOH预处理对植物纤维素酶解特性的影响[J].纤维素科学与技术，2004，12（1）：1-6.

[6] HACKING A J. Electron treatment of cellulose for viscose fiber[J].Chemical Fiber International，1995，45（6）：454-459.

[7] 查纯喜，金华进，顾利霞. 纤维素在氢氧化钠/硫脲/尿素/水溶液中的溶解和溶液特性[J]. 东华大学学报（自然科学版），2008，34（1）：20-23.

[8] MOSIER N，WYMAN C，DALE B，et al. Features of promising technologies for pretreatment of lignocellulosic biomass[J]. Bioresource Technology，2005，96（6）：673-686.

[9] ZHOU Q，ZHANG L N，LI M，et al. Homogeneous hydroxyethylation of cellulose in NaOH/urea aqueous solution[J]. Polymer Bulletin， 2005，53：243-248.

[10] COLOM X，CARRILLO F. Crystallinity changes in lyocell and viscose-type fiber by caustic treatment[J]. European Polymer Journal，2002，38：2225-2230.

[11] SEGAL L，CREELY J J，JR MATTIN A E，et al. An empirical method for estimating the degree of crystallinity of native cellulose using the X-ray diffractometer[J]. Textile Research Journal，1959，29：786-794.