NaHCO3-蒸汽爆破法預(yù)處理一次性筷子的研究

莊巖 ，趙利兵1，王子灝2，馬靖琳3，王永剛1，冷非凡1，薛鴻燕1

（1蘭州理工大學生命科學與工程學院，蘭州 730050；2西北民族大學經(jīng)濟學院，蘭州 730030；3蘭州大學第二醫(yī)院骨科研究所，蘭州 730030）

NaHCO3-蒸汽爆破法預(yù)處理一次性筷子的研究

莊巖 ，趙利兵1，王子灝2，馬靖琳3，王永剛1，冷非凡1，薛鴻燕1

（1蘭州理工大學生命科學與工程學院，蘭州 730050；2西北民族大學經(jīng)濟學院，蘭州 730030；3蘭州大學第二醫(yī)院骨科研究所，蘭州 730030）

目的：以一次性筷子為預(yù)處理對象，研究NaHCO3-蒸汽爆破法預(yù)處理一次性筷子的效果。方法：測定一次性筷子中各組分的含量；用常規(guī)蒸汽爆破法和NaHCO3-蒸汽爆破法分別預(yù)處理一次性筷子，預(yù)處理時間為10min、20min、30min、40min、50min，以未處理樣品為空白對照。結(jié)果表明：一次性筷子內(nèi)纖維素含量高達40.26%（含水），非常適合作為生產(chǎn)燃料乙醇的潛在原料；NaHCO3浸泡過夜和水浸泡過夜，其SO2脫除率分別為100%、50%；NaHCO3-蒸汽爆破法預(yù)處理后，纖維素回收率和木質(zhì)素脫除率均高于常規(guī)蒸汽爆破法，并且纖維素結(jié)晶度低于常規(guī)蒸汽爆破法。

NaHCO3-蒸汽爆破法；一次性筷子；纖維素回收率；木質(zhì)素脫除率；結(jié)晶度

1、前言

目前，我國使用一次性筷子數(shù)量巨大，造成了木材的大量浪費，若利用一次性筷子生產(chǎn)燃料乙醇，可以實現(xiàn)森林資源的合理再利用。因為木材所特有的木質(zhì)纖維素結(jié)構(gòu)，使一次性筷子不能被直接當做發(fā)酵底物，必須先經(jīng)過預(yù)處理后才能制備成糖液，用于乙醇發(fā)酵［1-4］。針對如何高效的預(yù)處理木質(zhì)纖維素，已經(jīng)成為全世界研究的熱點。

本次研究通過加入NaHCO3對蒸汽爆破預(yù)處理技術(shù)進行改進，其原理是：第一，用稀NaHCO3溶液浸泡過夜，使纖維素軟化、膨脹，有利于加大水蒸汽的滲入程度及水合作用；第二，NaHCO3在加熱后生成CO2和H2O，所以蒸汽爆破相當于CO2和水蒸汽同時爆破。

2、試劑材料及儀器

2.1材料與試劑

原料：學生食堂用過的一次性筷子，粉碎過30目篩待用。

試劑：濃鹽酸、硝酸、濃硫酸、硫代硫酸鈉、可溶性淀粉、氫氧化鈉、酒石酸鉀鈉、重鉻酸鉀、氯化鋇、冰乙酸、碳酸氫鈉、3，5-二硝基水楊酸、碘等皆為分析純。

2.2儀器

烘箱、紫外分光光度計、粉碎機、分析天平、離心機、馬弗爐、滅菌鍋等。

3、實驗方法

3.1一次性筷子中各組分含量的測定

測定一次性筷子中纖維素、半纖維素、木質(zhì)素、水分及灰分含量。根據(jù)國家標準測定一次性筷子中的水分及灰分［5-6］。采用72%濃硫酸水解法測定纖維素含量；采用2mol/L鹽酸水解法測定半纖維素含量，并結(jié)合DNS法測定還原糖含量，制備葡萄糖標準曲線（見圖1）；濃硫酸法測定木質(zhì)素含量［7］。

圖1　葡萄糖標準曲線

3.2浸泡后硫含量的測定

將適量筷子粉末分別浸泡在1%的NaHCO3溶液與蒸餾水中，過夜，然后采用微量間接碘量法測定這兩種樣品中的硫含量［8］。

3.3蒸汽爆破法預(yù)處理一次性筷子

將適量的筷子粉末分別用1%的NaHCO3溶液和蒸餾水浸泡過夜。通過測定浸泡過的兩類樣品的水分含量約為55%，蒸汽爆破要求干基含水分在85%左右，經(jīng)計算：NaHCO3-蒸汽爆破法，樣品與NaHCO3比例為1∶2.8混合；常規(guī)蒸汽爆破法，應(yīng)加樣品質(zhì)量的30%蒸餾水。然后把兩種樣品放入高壓滅菌鍋內(nèi)，分別在121℃下處理10min、20min、30min、40min、50min后快速泄壓。取出各類預(yù)處理好的樣品，分別測定其纖維素含量、木質(zhì)素含量、結(jié)晶度。

3.4結(jié)晶度測定

參照文獻9，10 測定預(yù)處理后樣品的碘吸附值，計算纖維素的結(jié)晶度［9-10］。

3.5數(shù)據(jù)分析

每組實驗重復(fù)三次，并計算其標準差。對NaHCO3-蒸汽爆破法和常規(guī)蒸汽爆破法預(yù)處理后纖維素含量、木質(zhì)素含量、碘吸附值之間的數(shù)據(jù)進行F檢驗，若方差齊性，采用t檢驗，若方差不齊，采用t’檢驗。

4、結(jié)果與討論

4.1一次性筷子中各組分的含量

表1　一次性筷子的成分及其含量

由表1表明，一次性筷子的纖維素含量高達40.26%，非常適合作為生產(chǎn)燃料乙醇的潛在原料；然而，一次性筷子中木質(zhì)素含量略偏高為26.32%，需要采用一種有效的預(yù)處理方法將其脫除。

4.2浸泡后二氧化硫含量的變化

表2　一次性筷子中二氧化硫的含量

注：ND（not detected）表示未檢測出二氧化硫。

一次性筷子在加工過程中常用硫磺熏蒸及亞硫酸鹽溶液浸漬，本次實驗檢測出筷子中二氧化硫含量為115.21mg/kg，若不除去殘留硫，將會影響后續(xù)酶解和發(fā)酵工序。用水浸泡過夜后大約除去50%的二氧化硫含量，用NaHCO3浸泡過夜后幾乎沒有檢驗出二氧化硫，除硫效果將近達到100%。

4.3預(yù)處理后纖維素含量的變化

圖2　纖維素含量的變化

由圖2表明，隨著預(yù)處理時間的延長，纖維素回收率逐漸降低，這是因為爆破預(yù)處理使纖維素的結(jié)構(gòu)破壞而發(fā)生了降解；與常規(guī)蒸汽爆破法相比，NaHCO3-蒸汽爆破法的纖維素回收率較高，證明后者對纖維素的降解程度較小。

4.4預(yù)處理后木質(zhì)素含量的變化

圖3　木質(zhì)素含量的變化

由圖3表明，隨著預(yù)處理時間的延長，木質(zhì)素的脫除率逐漸增加，兩種預(yù)處理方法都能夠有效脫除木質(zhì)素，但是NaHCO3-蒸汽爆破法比常規(guī)蒸汽爆破法脫除率高。

4.5預(yù)處理后結(jié)晶度的變化

圖4　碘吸附值和結(jié)晶度的變化

由圖4表明，隨著預(yù)處理時間延長，纖維素對碘的吸附值逐漸增加、結(jié)晶度逐漸降低，兩種預(yù)處理方法都能夠有效降低纖維素的結(jié)晶度，但是NaHCO3-蒸汽爆破法比常規(guī)蒸汽爆破法效果好。因為預(yù)處理的樣品經(jīng)過烘干后，會造成已經(jīng)成孔的孔道坍塌，降低纖維素對碘的吸附值，所以，本次實驗用絕干樣品測定的碘吸附值要比實際預(yù)處理后樣品的碘吸附值要低。

5、結(jié)論

本次研究證明，一次性筷子中纖維素含量為40.26%，非常適合作為生產(chǎn)燃料乙醇的潛在原料，但是木質(zhì)素含量略偏高為26.32%，需要采用有效的預(yù)處理方法脫除木質(zhì)素；NaHCO3-蒸汽爆破法預(yù)處理后，除硫效率、纖維素回收率及木質(zhì)素脫除率均高于常規(guī)蒸汽爆破法，并且纖維素結(jié)晶度低于常規(guī)蒸汽爆破法；所以NaHCO3-蒸汽爆破法預(yù)處理一次性筷子要比常規(guī)蒸汽爆破法更好?！盋FI

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O633.13

A

0438-1157（2015）00-0000-00

甘肅省青年科技基金計劃（NO.1310RJYA022），國家自然科學基金項目（NO.31460032）。