玉米秸秆纤维素提取工艺优化

杨文玲 王妨茶

摘要[目的]优化提取玉米秸秆纤维素的最佳工艺条件。[方法]采用氢氧化钠-醋酸-亚氯酸钠法提取玉米秸秆纤维素，并用硝酸乙醇法测定纤维素含量。利用单因素试验探讨原料用量、提取时间以及提取温度等因素对产品纤维素含量的影响，并利用正交试验优化工艺条件。[结果]提取玉米秸秆纤维素的最佳工艺条件为：提取过程中，搅拌速度为500r/min;半纤维素脱除过程中，称取5g秸秆粉末，NaOH溶液质量分数为9%，提取温度T1为60℃，提取时间t1为120min，将产物洗涤烘干;木质素脱除过程中，取上述产物进行试验，亚氯酸钠用量为1.5g，醋酸用量为10mL，提取温度T2为70℃，提取时间t2为60min，将产物洗涤烘干得到纤维素。在此最优工艺条件下，产品纤维素纯度平均可达81.45%，最高可达82.29%，而且经红外分析可发现半纤维素和木质素已基本被去除。[结论]该工艺研究可为玉米秸秆纤维素的批量生产提供理论指导。

关键词玉米秸秆;纤维素;提取工艺;正交试验

中图分类号S131文献标识码A

文章编号0517-6611（2019）01-0198-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2019.01.058

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

纤维素属于可降解天然高分子化合物，广泛存在于植物秸秆中。目前，我国农作物秸秆产量约占全球总量的20%，但是综合利用率只有50%，大部分被就地还田或直接焚烧，造成严重的资源浪费[1]。秸秆中含有大量的纤维素，是一种丰富的生物质能源。因此，植物秸秆的开发利用具有重要意义。近年来，人们对秸秆纤维素的提取工艺进行了大量研究[2-6]。目前，秸秆纤维素提取通常采用高压蒸煮法[7]、氢氧化钠-醋酸-亚氯酸钠法[8]、过氧酸体系法[9]等。

在植物秸秆中，纤维素是秸秆中的支架，而半纤维素和木质素则是其中的填充物。秸秆主要由纤维素（36.5%～38.6%）、半纤维素（38.0%～38.8%）和木质素（12.3%～17.6%）3个部分组成[10]。虽然纤维素不溶于水，但是半纤维素具有亲水性，可溶于碱溶液，碱液可以切断半纤维素与纤维素之间的氢键连接[11];亚氯酸盐具有强氧化性，与木质素反应，增加了亲水性，木质素氯酸盐在酸性条件下产物进一步水解，木质素氯酸盐溶出，最终可将纤维素从秸秆中提取出来。因此，笔者以玉米秸秆粉末为原料，采用氢氧化钠-醋酸-亚氯酸钠法提取玉米秸秆中的纤维素，利用硝酸乙醇法测定纤维素的含量;通过单因素试验分析各个试验条件的影响，并利用正交试验优化提取玉米秸秆纤维素的最佳工艺条件。

1材料与方法

1.1材料

1.1.1研究对象。

玉米秸秆粉末，來自河北省石家庄市的秋天秸秆。

1.1.2主要试剂。

氢氧化钠，分析纯，天津市永大化学试剂有限公司;亚氯酸钠，分析纯，天津欧博凯化工有限公司;醋酸，分析纯，天津市富宇精细化工有限公司;无水乙醇，分析纯，天津市永大化学试剂有限公司;硝酸，分析纯，天津市凯通化学试剂有限公司。

1.1.3主要仪器。

恒温水浴锅，XMTD-7000型，北京市永光明医疗仪器有限公司;精密增力电动搅拌器，JJ-1100W型，江苏金坛宏华仪器厂;马弗炉，SX-2.5-10型，天津市泰斯特仪器有限公司;真空泵，SHB-Ⅲ型，郑州长城科工贸有限公司;鼓风干燥箱，101-1A型，天津市泰斯特仪器有限公司;傅里叶红外光谱仪，FTS-135型，美国BIO-RAD。

1.2方法

1.2.1秸秆纤维素的提取。

秸秆纤维素的提取分为两步进行。首先，称取5g左右玉米秸秆粉末，加入100mLNaOH水溶液中，水浴加热并搅拌，以去除玉米秸秆中的半纤维素，反应完成后抽滤并烘干;然后将上述产物加入亚氯酸钠与醋酸的100mL混合水溶液中，水浴加热并搅拌，以去除玉米秸秆中的木质素，反应完成后，过滤并烘干。

1.2.2纤维素含量测定。

试验中采用硝酸乙醇法测定纤维素的含量[12-13]。称取1g左右的产品（m0）放入干燥的锥形瓶中，加入25mL体积比为1∶4的硝酸乙醇混合液中，加热回流1h，冷却后用G4玻璃砂芯漏斗抽滤，并用混合液洗涤残渣，再用热水洗涤至不再呈酸性为止，最后用无水乙醇洗涤2次，烘干并称重（m1），然后500℃下焙烧2h并称重（m2）。纤维素含量C计算方法如下：

C=（m1-m2）/m0×100%

式中，C为纤维素含量（%）;m0为所取产品的质量（g）;m1为产品焙烧前的质量（g）;m2为产品焙烧后的质量（g）。

1.2.3单因素试验。

试验主要考察原料用量、提取温度以及提取时间等因素对产品纤维素含量的影响。

1.2.4正交试验。

在单因素试验的基础上，选取对试验结果影响较大的4个因素进行正交试验，每个因素选择3个水平，进行L9（34）正交试验，并对试验结果进行分析，优化提取玉米秸秆纤维素的最佳工艺条件;并在最佳工艺条件下进行3次验证试验。

2结果与分析

2.1单因素试验

2.1.1NaOH溶液质量分数对产品纤维素含量的影响。

从图1可看出，提高NaOH溶液的质量分数能增高产品的纤维素含量，但是由于半纤维素能够溶于碱液，随着NaOH溶液质量分数的增大，溶液中半纤维素含量的增加，溶液黏稠度变大，造成传质阻力变大，进而导致产品纤维素含量降低。因此，NaOH溶液质量分数选取7%为宜。

2.1.2提取温度T1对玉米秸秆纤维素含量的影响。

从图2可看出，在一定的温度范围内，提高提取温度能增加产品的纤维素含量，但是温度过高导致半纤维素的溶解度降低，产品半纤维含量增高，导致产品纤维素含量降低。因此，提取温度T1选取55℃为宜。

2.1.3提取时间t1对产品纤维素含量的影响。

从图3可看出，延长提取时间能增高纤维素含量，但是提取时间过长，产品纤维素含量反而有轻微下降。这是由于提取到一定时间，半纤维素已经基本溶出，提取时间过长对产品纤维的的含量无明显影响，延长时间还会增加能耗。因此，提取时间t1选取90min为宜。

2.1.4亚氯酸钠用量对产品纤维素含量的影响。

从图4可看出，增加亚氯酸钠用量能增高纤维素含量，但是亚氯酸钠用量过多可能使木质素与亚氯酸钠的反应逆向进行，导致产品纤维素含量降低。因此，亚氯酸钠用量选取1.0g为宜。

2.1.5醋酸用量对产品纤维素含量的影响。

从图5可看出，增加醋酸用量能增高纤维素含量，但是醋酸用量过多可能导致木质素氯酸盐的水解受到抑制，最终导致产品纤维素含量降低。因此，醋酸用量选取10mL为宜。

2.1.6提取温度T2对产品纤维素含量的影响。

从图6可看出，提高提取温度能增高产品的纤维素含量，但是温度过高导致木质素氯酸盐溶解度降低，同时木质素氯酸盐的水解也受到抑制，导致产品纤维素含量降低。因此，提取温度T2选取70℃为宜。

2.1.7提取时间t2对产品纤维素含量的影响。

从图7可看出，延长提取时间t2能增高纤维素含量，但是提取时间过长，产品纤维素含量反而下降。这可能是由于木质素氯酸盐已经基本溶出，搅拌时间过长导致纤维素结构遭到一定程度的破坏，进而使产品纤维素含量降低。因此，提取时间t2选取60min为宜。

2.1.8搅拌速度对产品纤维素含量的影响。

从图8可看出，提高搅拌速度能增加产品纤维素含量，但是搅拌速度过快，产品纤维素含量反而下降。这可能是由于搅拌速度过快导致反应不完全，进而使产品纤维素含量降低。因此，搅拌速度选取500r/min为宜。

2.2正交试验

为了确定玉米秸秆提取纤维素的最佳操作条件，根据单因素试验结果，选取对试验影响最大的4个因素进行正交试验。以NaOH溶液质量分数（A）、提取温度T1（B）、提取时间t1（C）、亚氯酸钠用量（D）为变量，不考虑因素间的交互作用，设计了4因素3水平的正交试验，因素水平选择见表1，正交试验结果见表2。

由表2可知，4个因素对产品的纤维素含量影响从大到小依次为B（提取温度T1）、D（亚氯酸钠用量）、C（提取时间t1）、A（NaOH溶液质量分数）;可确定最佳方案为A3B3C3D3。因此，正交试验优化得到的最佳工艺条件为：提取过程中，搅拌速度为500r/min;半纤维素脱除过程中，称取5g秸秆粉末，NaOH溶液质量分数为9%，提取温度T1为60℃，提取时间t1为120min，将产物洗涤烘干;木质素脱除过程中，取上述产物进行试验，亚氯酸钠用量为1.5g，醋酸用量为10mL，提取温度T2为70℃，提取时间t2为60min，将产物洗涤烘干得到纤维素。

2.3验证试验

根据以上正交试验确定的最佳工艺条件，进行3次重复试验。结果发现，提取的产品纤维素含量较高，平均可达81.45%，最高可达82.29%。

2.4红外分析

从原料与产品纤维素的红外光谱（图9）可看出，波数1731.78cm-1处的吸收峰表征与木质素、半纤维素有关的羰基伸缩振动;木质素的特征吸收峰为1515.81cm-1;经过处理后两峰都已消失[14-16]。原料中波数1162.83和1426.74cm-1以及產品中波数1162.48和1432.95cm-1都是纤维素的特征吸收峰，说明经过处理后纤维素的结构基本没有发生变化。因此，经过处理后，原料秸秆中木质素与半纤维素已经基本被去除，得到了纯度较高的纤维素。

3结论

该试验以单因素试验为基础，通过正交试验优化得到提

取玉米秸秆纤维素的最佳工艺条件如下：提取过程中，搅拌速度为500r/min;半纤维素脱除过程中，称取5g秸秆粉末，NaOH溶液质量分数为9%，提取温度T1为60℃，提取时间t1为120min，将产物洗涤烘干;木质素脱除过程中，取上述产物进行实验，亚氯酸钠用量为1.5g，醋酸用量为10mL，提取温度T2为70℃，提取时间t2为60min，将产物洗涤烘干得到纤维素。在此最优工艺条件下，提取的产品纤维素含量较高，平均可达81.45%，最高可达82.29%。而且经红外分析可发现半纤维素和木质素已基本被去除。该工艺研究可为玉米秸秆纤维素的批量生产提供理论指导。

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