NaHCO3-蒸汽爆破法预处理一次性筷子的研究

庄岩 ，赵利兵1，王子灏2，马靖琳3，王永刚1，冷非凡1，薛鸿燕1

（1兰州理工大学生命科学与工程学院，兰州 730050；2西北民族大学经济学院，兰州 730030；3兰州大学第二医院骨科研究所，兰州 730030）

NaHCO3-蒸汽爆破法预处理一次性筷子的研究

庄岩 ，赵利兵1，王子灏2，马靖琳3，王永刚1，冷非凡1，薛鸿燕1

（1兰州理工大学生命科学与工程学院，兰州 730050；2西北民族大学经济学院，兰州 730030；3兰州大学第二医院骨科研究所，兰州 730030）

目的：以一次性筷子为预处理对象，研究NaHCO3-蒸汽爆破法预处理一次性筷子的效果。方法：测定一次性筷子中各组分的含量；用常规蒸汽爆破法和NaHCO3-蒸汽爆破法分别预处理一次性筷子，预处理时间为10min、20min、30min、40min、50min，以未处理样品为空白对照。结果表明：一次性筷子内纤维素含量高达40.26%（含水），非常适合作为生产燃料乙醇的潜在原料；NaHCO3浸泡过夜和水浸泡过夜，其SO2脱除率分别为100%、50%；NaHCO3-蒸汽爆破法预处理后，纤维素回收率和木质素脱除率均高于常规蒸汽爆破法，并且纤维素结晶度低于常规蒸汽爆破法。

NaHCO3-蒸汽爆破法；一次性筷子；纤维素回收率；木质素脱除率；结晶度

1、前言

目前，我国使用一次性筷子数量巨大，造成了木材的大量浪费，若利用一次性筷子生产燃料乙醇，可以实现森林资源的合理再利用。因为木材所特有的木质纤维素结构，使一次性筷子不能被直接当做发酵底物，必须先经过预处理后才能制备成糖液，用于乙醇发酵［1-4］。针对如何高效的预处理木质纤维素，已经成为全世界研究的热点。

本次研究通过加入NaHCO3对蒸汽爆破预处理技术进行改进，其原理是：第一，用稀NaHCO3溶液浸泡过夜，使纤维素软化、膨胀，有利于加大水蒸汽的渗入程度及水合作用；第二，NaHCO3在加热后生成CO2和H2O，所以蒸汽爆破相当于CO2和水蒸汽同时爆破。

2、试剂材料及仪器

2.1材料与试剂

原料：学生食堂用过的一次性筷子，粉碎过30目筛待用。

试剂：浓盐酸、硝酸、浓硫酸、硫代硫酸钠、可溶性淀粉、氢氧化钠、酒石酸钾钠、重铬酸钾、氯化钡、冰乙酸、碳酸氢钠、3，5-二硝基水杨酸、碘等皆为分析纯。

2.2仪器

烘箱、紫外分光光度计、粉碎机、分析天平、离心机、马弗炉、灭菌锅等。

3、实验方法

3.1一次性筷子中各组分含量的测定

测定一次性筷子中纤维素、半纤维素、木质素、水分及灰分含量。根据国家标准测定一次性筷子中的水分及灰分［5-6］。采用72%浓硫酸水解法测定纤维素含量；采用2mol/L盐酸水解法测定半纤维素含量，并结合DNS法测定还原糖含量，制备葡萄糖标准曲线（见图1）；浓硫酸法测定木质素含量［7］。

图1　葡萄糖标准曲线

3.2浸泡后硫含量的测定

将适量筷子粉末分别浸泡在1%的NaHCO3溶液与蒸馏水中，过夜，然后采用微量间接碘量法测定这两种样品中的硫含量［8］。

3.3蒸汽爆破法预处理一次性筷子

将适量的筷子粉末分别用1%的NaHCO3溶液和蒸馏水浸泡过夜。通过测定浸泡过的两类样品的水分含量约为55%，蒸汽爆破要求干基含水分在85%左右，经计算：NaHCO3-蒸汽爆破法，样品与NaHCO3比例为1∶2.8混合；常规蒸汽爆破法，应加样品质量的30%蒸馏水。然后把两种样品放入高压灭菌锅内，分别在121℃下处理10min、20min、30min、40min、50min后快速泄压。取出各类预处理好的样品，分别测定其纤维素含量、木质素含量、结晶度。

3.4结晶度测定

参照文献9，10 测定预处理后样品的碘吸附值，计算纤维素的结晶度［9-10］。

3.5数据分析

每组实验重复三次，并计算其标准差。对NaHCO3-蒸汽爆破法和常规蒸汽爆破法预处理后纤维素含量、木质素含量、碘吸附值之间的数据进行F检验，若方差齐性，采用t检验，若方差不齐，采用t’检验。

4、结果与讨论

4.1一次性筷子中各组分的含量

表1　一次性筷子的成分及其含量

由表1表明，一次性筷子的纤维素含量高达40.26%，非常适合作为生产燃料乙醇的潜在原料；然而，一次性筷子中木质素含量略偏高为26.32%，需要采用一种有效的预处理方法将其脱除。

4.2浸泡后二氧化硫含量的变化

表2　一次性筷子中二氧化硫的含量

注：ND（not detected）表示未检测出二氧化硫。

一次性筷子在加工过程中常用硫磺熏蒸及亚硫酸盐溶液浸渍，本次实验检测出筷子中二氧化硫含量为115.21mg/kg，若不除去残留硫，将会影响后续酶解和发酵工序。用水浸泡过夜后大约除去50%的二氧化硫含量，用NaHCO3浸泡过夜后几乎没有检验出二氧化硫，除硫效果将近达到100%。

4.3预处理后纤维素含量的变化

图2　纤维素含量的变化

由图2表明，随着预处理时间的延长，纤维素回收率逐渐降低，这是因为爆破预处理使纤维素的结构破坏而发生了降解；与常规蒸汽爆破法相比，NaHCO3-蒸汽爆破法的纤维素回收率较高，证明后者对纤维素的降解程度较小。

4.4预处理后木质素含量的变化

图3　木质素含量的变化

由图3表明，随着预处理时间的延长，木质素的脱除率逐渐增加，两种预处理方法都能够有效脱除木质素，但是NaHCO3-蒸汽爆破法比常规蒸汽爆破法脱除率高。

4.5预处理后结晶度的变化

图4　碘吸附值和结晶度的变化

由图4表明，随着预处理时间延长，纤维素对碘的吸附值逐渐增加、结晶度逐渐降低，两种预处理方法都能够有效降低纤维素的结晶度，但是NaHCO3-蒸汽爆破法比常规蒸汽爆破法效果好。因为预处理的样品经过烘干后，会造成已经成孔的孔道坍塌，降低纤维素对碘的吸附值，所以，本次实验用绝干样品测定的碘吸附值要比实际预处理后样品的碘吸附值要低。

5、结论

本次研究证明，一次性筷子中纤维素含量为40.26%，非常适合作为生产燃料乙醇的潜在原料，但是木质素含量略偏高为26.32%，需要采用有效的预处理方法脱除木质素；NaHCO3-蒸汽爆破法预处理后，除硫效率、纤维素回收率及木质素脱除率均高于常规蒸汽爆破法，并且纤维素结晶度低于常规蒸汽爆破法；所以NaHCO3-蒸汽爆破法预处理一次性筷子要比常规蒸汽爆破法更好。”CFI

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［5］GB 5009.3-2010.食品中水分的测定［S］.

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O633.13

A

0438-1157（2015）00-0000-00

甘肃省青年科技基金计划（NO.1310RJYA022），国家自然科学基金项目（NO.31460032）。