酸预处理麦秸秆工艺研究

任剑峰 刘斌 倪想想

（1. 安徽长之源环境工程有限公司，安徽合肥 230000；2. 合肥学院，安徽合肥 230000）

1 引言

我国是农业大国，也是秸秆资源最为丰富的国家之一，2015 年全国主要农作物秸秆理论资源量为10.4 亿t，秸秆种类以小麦、水稻、玉米为主［1］。随着农业与经济社会的发展，农作物秸秆作为世界上数量最多的一种农业副产品，也是一项重要的生物资源，秸秆资源化利用的前景十分广阔［2］。每年的秸秆禁烧耗费了基层大量的人力物力，而且，农民偷偷焚烧秸秆也造成了一定的环境污染，甚至成为诱发交通事故、影响航运的重要因素。因此，秸秆资源化利用技术得到了相当重视［3］，在我国主要有秸秆还田技术、秸秆饲料利用技术、秸秆能源技术［4-5］以及秸秆的工业应用［6］等。本文主要研究麦秸秆的预处理技术，以期有效地开发利用农作物副产品等生物质资源，将其变废为宝。

2 材料与方法

2.1 实验材料

小麦秸秆采集于安徽省合肥市肥东县。

2.2 实验方法

2.2.1 总糖和还原糖测定

采用DNS 法［7］。

2.2.2 麦秸秆的预处理

称取一定质量干燥的麦秸秆，将其剪成3～5 cm的短穗状。将剪短后的麦秸秆放入粉碎机中进行粉碎，由于麦秸秆具有特殊的结构和韧性，粉碎应重复3 次，使得粉碎的麦秸秆达到实验要求的颗粒度。粉碎麦秸秆旨在细化麦秸秆，使其以粉末状参与反应，以此提高反应效率。

粉碎后小麦秸秆的颗粒度包括以下3 种不同范围：大于180 目、100～180 目、24～100 目。此外，还留有部分未筛分麦秸秆粉末，以备实验使用。

2.2.3 酸解麦秸秆分别研究颗粒度、酸浓度、温度和高温高压对酸解麦秸秆的还原糖释放量及得率的影响。

3 结果与分析

3.1 颗粒度对酸解中还原糖释放量的影响［8］

将3 g 不同颗粒度的麦秸秆，分别溶胀于浓度为3%的100 mL 的酸（硫酸、盐酸、硝酸、磷酸）中，在50 ℃下进行振荡，反应24 h，结果如图1。

图1 不同酸溶液酸解不同颗粒度麦秸秆

从图1 可知，4 种酸液中，盐酸溶液酸解效果最佳，酸解后释放的还原糖量最多，通过180 目筛子的麦秸秆酸解效果最佳。盐酸酸解中，其还原糖得率达到0.063 g/g 干麦秸秆。通过100 目筛子的麦秸秆酸解效果次之。未筛分麦秸秆效果最差，是4 种颗粒度中还原糖释放量最少的。通过24 目筛子的麦秸秆酸解效果与未筛分相差不大，均略大于未筛分麦秸秆还原糖释放量。

通过180 目筛子的麦秸秆，在不同酸液中的还原糖得率见表1。

表1 3%的酸液酸解通过180 目筛麦秸秆还原糖得率

由图1 和表1 可以得知，不管使用何种酸溶液进行酸解，4 种不同颗粒度的麦秸秆溶胀于酸液中，在一定条件下反应一段时间，还原糖释放量均随着粉碎度的增大而增加，通过180 目筛子的麦秸秆，其还原糖释放量最大。

3.2 酸溶液浓度对酸解中还原糖释放量的影响

酸解实验中，酸液及其浓度的选择十分重要。将3 g 180 目颗粒度的麦秸秆，分别溶胀于浓度为1%～4%的100 mL 的不同酸（硫酸、盐酸、硝酸、磷酸）中，在50 ℃下进行振荡，反应24 h，考察不同酸不同浓度对于还原糖释放量的影响，结果见图2。

图2 不同浓度酸溶液的酸解

由图2 可知，盐酸酸解效果是4 种酸液中效果相对最佳的。在实际生产过程中，酸液的浓度一般较低，高浓度的酸液容易腐蚀设备、污染环境，并且成本相对较高。虽然4%酸浓度酸解的还原糖释放量较高，但是综合考虑以上因素，最终选择3%的盐酸为最佳酸解溶液。

3.3 温度对酸解中还原糖释放量的影响

在不同的温度梯度下，将3 g 通过180 目筛子的麦秸秆分别溶胀于体积为100 mL 的3%的磷酸、硫酸、硝酸和盐酸中，在振荡条件下进行反应，时间为24 h，结果见图3。

图3 温度对酸解的影响

由图3 可知，随着温度的升高，4 种酸液还原糖释放量均随之增加。可能高温引起半纤维素降解，增加了纤维素水解的可能性，因而还原糖释放量随温度升高而增加。其中，磷酸酸解效果最差，30～40 ℃范围内，还原糖释放量无明显变化，60～90 ℃时释放的还原糖含量增加较为明显。盐酸酸解效果相对最佳，40 ℃时，还原糖释放量开始有较为明显的增加，并且在80～90 ℃区间内，增量最为显著。硫酸与硝酸的酸解趋势较为相似，并且在低温下其还原糖释放量相差不大，但是整体上看，硝酸的酸解效果好于硫酸。

从整体上看，4 种酸液在40 ℃以下时，其还原糖释放量均没有明显的增加，70 ℃后，还原糖释放量的增量都十分明显，以盐酸溶液酸解的还原糖释放量的增量最为显著。但在实际生产中，高温下进行酸解成本相对较高，而且对设备的损耗相对较大，因而一般将生产温度控制在50～60 ℃。如果进行大规模的生产，从成本效益和产量两方面综合考量，80～90 ℃下进行酸解也是可取的，因为该温度下的酸解效果相较于低温条件下的酸解效果提高了3 倍以上。

3.4 高温高压对酸解中还原糖释放量的影响

将3 g 通过180 目筛子的麦秸秆，溶胀于100 mL浓度为3%的磷酸、硫酸、硝酸和盐酸中，于高压蒸汽灭菌锅内，在121 ℃，0.1 MPa 条件下反应30 min，然后测定还原糖释放量，结果见表2。

表2 高温高压对还原糖得率的影响

由表2 可知，在高温高压下进行的短时间反应，同样可以达到其在长时间高温常压下酸解的效果，使得还原糖可以较为彻底地释放，甚至效果更好。与之前实验所得结果一致，盐酸的酸解效果最佳，还原糖得率达到了0.417 g/g 干麦秸秆。硝酸与硫酸的还原糖释放量相差不大，磷酸是4 种酸液中酸解效果最差的。

4 结论

本文通过酸解反应对麦秸秆水解预处理工艺进行研究，所得结论如下：

（1）通过单因素实验得知，酸解预处理实验受颗粒度、温度以及不同酸液及其浓度等因素影响，其中温度是影响还原糖释放量的关键性因素。酸解相对较佳的反应条件为：实验材料选择通过180 目筛子的麦秸秆，酸解的酸液选取浓度为3%的盐酸溶液，温度控制在50～70 ℃，若为大规模生产，温度可为80～90 ℃，反应时间为10 h 左右，不宜超过24 h。此条件下，麦秸秆的还原糖释放量达到最大值，还原糖得率最高，并且在短时间的高温高压条件下同样可以达到长时间高温常压下酸解的效果，甚至效果更好。

（2）麦秸秆是工农业生产中的重要原料和资源，酸解预处理使得麦秸秆中的还原糖含量充分释放出来，有助于改善动物饲料的口感。秸秆饲料的开发，不仅有助于食草型、节粮型畜牧业的发展，而且可形成良好的农业循环，具有广泛的应用和发展前景。