汽爆预处理对水稻秸秆纤维结构的影响

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汽爆预处理对水稻秸秆纤维结构的影响

作者：王玉 周俊 雍晓雨 陈怡露 刘晓风 郑涛 来源：《江苏农业科学》2014年第11期

摘要：利用新型蒸汽爆破技术对水稻秸秆进行预处理，并对预处理后的秸秆进行结构成分测定及表征，以期通过改变秸秆结构成分提高其利用率。结构成分测定及傅里叶变换红外光谱结果表明，汽爆预处理前后秸秆纤维素含量变化不大，半纤维素含量变化大于木质素含量变化；在2.5MPa、4min爆破条件下，秸秆半纤维素含量降到最低，脱除率达到67.89%；在2.5MPa、2min爆破条件下，秸秆还原糖含量最高，达4.55%，为对照的5.62倍。扫描电镜与X-射线衍射分析结果表明，汽爆预处理后秸秆表面形态变化较大，结晶度随着压力与维压时间增加而增加。蒸汽爆破可快速、简便、高效地将水稻秸秆等生物质原料进行预处理，为实现其高效再利用创造条件。

关键词：生物能源；蒸汽爆破；扫描电镜；X-射线衍射分析；傅里叶变换红外光谱 中图分类号：TQ353.1+4文献标志码：A文章编号：1002-1302（2014）11-0319-05 水稻秸秆主要是由纤维素、半纤维素、木质素等大分子物质组成。由于纤维素分子中的羟基易和分子内或相邻分子上的含氧基团形成氢键[1]，使纤维素分子之间易形成结晶结构，进而组成复杂的微纤维、结晶区、无定形区等纤维素聚合物[2]。此外，木质素与半纤维素以共价键形式结合将纤维素分子包裹，形成一种天然屏障，木质素的非水溶性、苯丙烷结构单体组成的复杂三维网状结构也导致了秸秆的难降解性[3]，影响木质纤维素的资源化利用。因此，对生物质原料进行预处理，将纤维素、半纤维素、木质素分离，打破纤维素的结晶结构可实现其高效利用[4-5]。

蒸汽爆破（简称汽爆）预处理是将生物质原料在高温高压下维持一定时间后，通过瞬间释压过程实现类酸性水解、热降解、类机械断裂、氢键破坏、结构重排的综合作用[6]，使原料组分分离和结构变化。此外，蒸汽爆破破坏木质素对纤维素、半纤维素的空间位阻作用，处理后的物料质地蓬松，底物的可及性和接触面积大大增加，为天然纤维素中有效成分的利用创造了有利条件[7]。相对传统的热喷放等预处理方法，该方法具有能耗低、处理时间短、无污染、酶解效率高、应用范围广等优点，因此被称为最有效的预处理方法之一[8]。

目前，蒸汽爆破预处理秸秆的研究已有较多报道，多数集中在玉米秸秆蒸汽爆破预处理方面，而对水稻秸秆蒸汽爆破预处理的研究较少，尤其是在预处理参数优化方面。Li等通过不同蒸汽爆破预处理，对不同原料的碱性可抽提木质素的分离效率、木质素的结构和产物进行分析，结果表明，在蒸汽爆破过程中引入二氧化硫可提高木质素分离效率[9]。Han等对小麦秸秆在不同蒸汽温度和保留时间下的形态、酸度、湿度、灰分、硅含量等物理化学性质进行研究，提出蒸汽爆破有助于秸秆黏结性能的提高[10]。任天宝等在Box-Behnken试验的基础上，利用SAS统计分析软件对玉米秸秆蒸汽爆破预处理的工艺条件进行响应面分析，建立蒸汽爆破预处