李 萌，張 丹

（赤峰學(xué)院 化學(xué)化工學(xué)院，內(nèi)蒙古 赤峰 024000）

隨著我國農(nóng)業(yè)的不斷進(jìn)步，農(nóng)作物秸稈總產(chǎn)量也在逐年增長[1].然而，其中只有一小部分農(nóng)作物秸稈用于還田，一部分農(nóng)作物秸稈用作飼料，其余絕大部分都被直接燃燒，只有極少數(shù)的應(yīng)用在工業(yè)上[2].在內(nèi)蒙古自治區(qū)，玉米是主要農(nóng)作物之一，每年都會生產(chǎn)大量的玉米秸稈，玉米秸稈的利用率也是比較低的.隨著環(huán)境污染的日益加重，煤、石油、天然氣等不可再生能源的迅速減少，傳統(tǒng)的石油基材料已不能滿足人們對資源和能源方面的需求[3].因此，迫切需要發(fā)展地球上分布最廣、蘊(yùn)藏量最豐富的可再生資源.近年來，人們對半纖維素的研究和應(yīng)用逐漸得到重視[4].半纖維素是可再生生物高分子聚合物，是各種農(nóng)林生物質(zhì)資源中廣泛存在的一種[5]，半纖維素是由多種單糖組成的異質(zhì)多聚體，主要包括木糖、甘露糖和半乳糖[6].纖維素、木質(zhì)素和半纖維素為玉米秸稈的主要組成部分，其中半纖維素的含量大約占30%[5]，李春光等人認(rèn)為，如果能從玉米秸稈中提取出性質(zhì)優(yōu)良的半纖維素和纖維素，并將其應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中，這不僅極大地提高了玉米秸稈的附用價(jià)值，而且還減少了玉米秸稈燃燒帶來的環(huán)境污染問題，同時(shí)緩解了日益嚴(yán)重的能源危機(jī)[7].目前，對玉米秸稈的綜合應(yīng)用已經(jīng)有了大批的研究與報(bào)道[8-11]，也有人對半纖維素的提取做了大量的前期探索工作[12-15].本實(shí)驗(yàn)以玉米秸稈為原料，苯和無水乙醇的混合溶液為提取液進(jìn)行脫脂，再用NaOH溶液進(jìn)行堿處理，最終得到半纖維素，并通過單因素實(shí)驗(yàn)探索半纖維素的最佳提取條件.

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料與試劑

玉米秸稈來自內(nèi)蒙古通遼市開魯縣保安農(nóng)場.

氫氧化鈉（天津市恒星化學(xué)試劑制造有限公司）、無水乙醇（天津市恒星化學(xué)試劑制造有限公司）、冰乙酸（遼寧泉瑞試劑有限公司）、苯（遼寧泉瑞試劑有限公司）等試劑均為分析純.

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器

SHD-(Ⅲ)循環(huán)水式真空泵（河南省予華儀器有限公司）、國家標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)篩（成都啟航儀器有限公司）、TP-214型電子分析天平（上海精密科學(xué)儀器有限公司）、DHG-9123A型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱（上海景宏實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司）、DG120C型半斤裝中藥材粉碎機(jī)（浙江省瑞安市春海藥材器械廠）、HJ-3型恒溫磁力攪拌器（常州國華電器有限公司）、800離心機(jī)（常州國華電器有限公司）、PHS-2F型pH計(jì)（上海儀電科學(xué)儀器股份有限公司）、ZC-5型秸稈切碎機(jī)（曲阜億陽利豐農(nóng)業(yè)科技有限公司）

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 除雜

將玉米秸稈用清水浸泡2小時(shí)，并沖洗幾遍，除去塵土等雜質(zhì)，然后干燥，備用.

1.3.2 粉碎

將玉米秸稈用秸稈切碎機(jī)進(jìn)行粗加工，得到玉米秸稈碎渣，再用半斤裝中藥材粉碎機(jī)進(jìn)行粉碎，得到玉米秸稈粉末，過80目篩，得到粉末狀的玉米秸稈，用密封袋裝好，在干燥陰涼處儲存，備用.

1.3.3 脫脂

將濾紙制得濾袋，稱取適量的玉米秸稈裝入其中，將濾袋放入索氏提取器中，濾袋高度低于虹吸管口約10-15mm，量取一定體積的苯和無水乙醇的混合溶液（苯/無水乙醇=2:1，v/v），固液比為1：10（g/mL），在 90℃下進(jìn)行提取，控制回流速度為4～5次/h,從提取液從冷凝管下口滴落開始計(jì)時(shí)，每個(gè)試樣提取6小時(shí).提取結(jié)束后取出試樣，在通風(fēng)櫥內(nèi)風(fēng)干，干燥后的玉米秸稈用密封袋裝好，備用.

1.3.4 堿處理

準(zhǔn)確稱取2.00g脫脂后的玉米秸稈，按一定的固液比加入一定濃度的NaOH溶液，用恒溫磁力攪拌器在一定溫度下加熱攪拌，對堿處理之后的溶液進(jìn)行抽濾，用蒸餾水反復(fù)洗滌，直至濾液的pH值顯中性.濾液用50%的冰乙酸調(diào)節(jié)pH值至5.00～5.50，用保鮮膜將燒杯口密封，靜置5～6小時(shí)后有絮狀沉淀產(chǎn)生，離心，所得沉淀在105℃下干燥12h，然后稱量質(zhì)量，半纖維素A.

將離心后的上清液倒入燒杯中，再加入2倍體積的無水乙醇，然后用保鮮膜將燒杯密封，靜置沉淀4小時(shí)，最后用長頸漏斗過濾，所得沉淀直接放入烘箱中，在105℃下干燥12h，然后稱量質(zhì)量，即得半纖維素B.

半纖維素的質(zhì)量為半纖維素A與半纖維素B的質(zhì)量之和.按如下公式計(jì)算半纖維素的提取率.

W為半纖維素的提取率（%），m為半纖維素的質(zhì)量（g），M為玉米秸稈的質(zhì)量（g）.

1.3.5 單因素實(shí)驗(yàn)

1.3.5.1 固液比對半纖維素提取率的影響

分別稱取2g（精確到0.001g）的玉米秸稈置于100mL 的三口燒瓶中，按固液比 1：10、1：15、1：20、1：25、1：30，分別加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 6%（m/v）的NaOH溶液，在80℃下用恒溫磁力攪拌器加熱并攪拌2h，再用離心機(jī)離心得到半纖維素，重復(fù)實(shí)驗(yàn)3次.

1.3.5.2 NaOH溶液濃度對半纖維素提取率的影響

分別稱取2g（精確到0.001g）的玉米秸稈置于100mL的三口燒瓶中，按固液比1：15，分別加入一定質(zhì)量分?jǐn)?shù)（1%、2%、4%、6%、8%，m/v）的 NaOH溶液，在80℃下用恒溫磁力攪拌器加熱并攪拌2h，再用離心機(jī)離心得到半纖維素，重復(fù)實(shí)驗(yàn)3次.

1.3.5.3 攪拌時(shí)間對半纖維素提取率的影響

分別稱取2g（精確到0.001g）的玉米秸稈置于100mL的三口燒瓶中，按固液比1：15加入30mL質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%（m/v）的NaOH溶液，在80℃下用恒溫磁力攪拌器加熱回流，加熱時(shí)間分別1h、1.5h、2h、2.5h、3h，離心得到半纖維素，重復(fù)實(shí)驗(yàn)3次.

1.2.5.4 溫度對半纖維素提取率的影響

分別稱取2g（精確到0.001g）的玉米秸稈置于100ml的三口燒瓶中，按固液比1：15加入30mL質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%（m/v）的NaOH溶液，分別在50℃、60℃、70℃、80℃、和90℃下用恒溫磁力攪拌器攪拌2h，離心得到半纖維素，重復(fù)實(shí)驗(yàn)3次.

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 固液比對半纖維素提取率的影響

圖1 固液比對半纖維素提取率的影響

由圖1可知，固液比對玉米秸稈中半纖維素的提取有顯著的影響.半纖維素提取率隨著固液比的減小呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢.固液比為1:10時(shí)，半纖維素的提取率最低，值為30.2%；固液比為1：25時(shí)，半纖維素的提取率最高，達(dá)到了37.9%.這是因?yàn)闅溲趸c溶液越多，能夠溶解越多的半纖維素，但當(dāng)氫氧化鈉溶液超過一定量時(shí)，也會破壞半纖維的結(jié)構(gòu)，從而使半纖維素的提取率下降.固液比為1:15時(shí)，纖維素的提取率為36.4%，僅比固液比為1:25的提取率下降1.5%.綜合能量經(jīng)濟(jì)因素，確定提取半纖維素的最佳固液比為1:15.

2.2 NaOH溶液濃度對半纖維素提取率的影響

圖2 NaOH溶液濃度對玉米秸稈半纖維素提取率的影響

由圖2可知，當(dāng)固液比為1:15、提取時(shí)間為2h、提取溫度為80℃時(shí)，NaOH溶液濃度對玉米秸稈半纖維素提取率有顯著影響.隨著NaOH濃度的增加半纖維素提取率也顯著增加，當(dāng)NaOH溶液濃度從1%增加到6%時(shí)，半纖維素提取率由20.1%增加到36.7%.當(dāng)NaOH溶液濃度超過6%時(shí)，半纖維素的提取率逐漸趨向平緩.這表明，NaOH濃度越大，玉米秸稈中半纖維素溶出得越徹底.因此，確定NaOH溶液的最佳濃度為6%.

2.3 反應(yīng)時(shí)間對半纖維素提取率的影響

圖3 提取時(shí)間對纖維素提取率的影響

提取時(shí)間對半纖維素提取率的影響如圖3所示.由圖3可知，隨著反應(yīng)時(shí)間的增加，玉米秸稈中半纖維素的提取率呈現(xiàn)先上升后降低的趨勢.當(dāng)提取時(shí)間為2h時(shí)，半纖維素提取率達(dá)到最大，提取率為36%.當(dāng)提取時(shí)間為2.5h時(shí)，半纖維素提取率反而有所降低.這主要是因?yàn)榉磻?yīng)時(shí)間過短，NaOH溶液對半纖維素的接觸不夠充分，反應(yīng)不完全，導(dǎo)致半纖維素的提取率不高，但是隨著反應(yīng)時(shí)間的延長，得到的半纖維素被進(jìn)一步水解，從而導(dǎo)致半纖維素提取率的下降[16].因此，綜合考慮，確定半纖維素提取的最佳時(shí)長為2h.

2.4 溫度對半纖維素提取率的影響

圖4 提取溫度對半纖維素提取率的影響

提取溫度對半纖維素提取率的影響如圖4所示. 當(dāng)提取溫度分別為 50℃、60℃、70℃、80℃和90℃時(shí)，半纖維素的提取率分別為27%、32%、34.2%、36.5%和34%.從圖4可以看出，隨著反應(yīng)溫度的升高，半纖維素提取率也逐漸增加，當(dāng)反應(yīng)溫度為80℃時(shí)，半纖維素提取率最高，達(dá)到了36.5%.當(dāng)反應(yīng)溫度為90℃時(shí)，半纖維素提取率下降了2.5%，這是由于反應(yīng)溫度過高，一部分半纖維素結(jié)構(gòu)被破壞，導(dǎo)致提取率下降.因此，玉米秸稈半纖維素的最佳提取溫度為80℃.

3 小結(jié)

本實(shí)驗(yàn)以玉米秸稈為原料，利用堿法提取半纖維素，通過單因素實(shí)驗(yàn)來探究最佳堿處理?xiàng)l件，同時(shí)考慮能源與經(jīng)濟(jì)因素，得到玉米秸稈半纖維素的最佳提取條件為：玉米秸稈與NaOH溶液的固液比為1：15，NaOH溶液濃度為6%，反應(yīng)時(shí)間為2h，反應(yīng)溫度為80℃.