纤维素水解精选(九篇)

第1篇：纤维素水解范文

关键词：木质纤维素水解液；抑制物；酿酒酵母

引言

我国每年产生数量庞大的固体废弃物，焚烧已成为最常见的固废处置方式，该方式不仅浪费资源，还严重影响空气质量。报道显示微生物可将生物质转化为液态、气态的燃料，具有能耗低、转化效率高和不产生二次污染等优点，因此，以生物质材料作为原材料开发新能源已受到世界范围的关注[1]。

农作物秸秆和木材废弃物在固体废弃物中占重要地位，其主要成分是木质纤维素。木质纤维素是一种典型的生物质，利用微生物代谢木质纤维素产生清洁能源已成为研究热点之一。目前，酿酒酵母产乙醇被广泛应用于木质纤维素的资源化处理工艺，其具有成本低、原料丰富等优点。在酿酒酵母利用木质纤维素发酵之前，需对木质纤维素进行预处理和糖化，此时木质纤维素中的纤维素与半纤维素等转化为可发酵糖，在纤维素与半纤维素等大分子物质的分解过程中，引入了一些小分子化合物，这些物质对发酵有抑制作用，统称为抑制物。

1 抑制物的种类及抑制作用

木质纤维素水解液中的抑制物大致分为三类：弱酸类、呋喃类和酚类化合物。弱酸类主要包括甲酸、乙酸和乙酰丙酸，弱酸会破坏细胞内外的渗透压平衡，并进入细胞内部，这部分弱酸在细胞内部进一步解离，使得细胞内环境酸化，影响细胞内部的酶促反应，最终抑制细胞的生长[2]。呋喃类抑制物主要是糠醛和HMF，这类物质对微生物中的乙醇脱氢酶、丙酮酸脱氢酶和醛脱氢酶产生抑制，减缓酿酒酵母的生长；醛类抑制物会产生细胞内活性氧，导致DNA分解，进而阻碍RNA和蛋白质的合成[3、4]。相对于其他类型抑制物，酚类抑制物的毒性更强，低浓度的酚类就可以抑制酿酒酵母的生长，研究表明，低分子量的酚类化合物对酿酒酵母生长具有更高的抑制作用[5]。

2 降低抑制物对酿酒酵母抑制作用的措施

2.1 木质纤维素水解液脱毒

发酵前对木质纤维素水解液进行脱毒是降低抑制物抑制作用的有效途径。脱毒方法主要分为物理法、化学法和生物法，物理方法包括真空干燥浓缩、蒸煮、活性炭吸附、离子交换吸附和溶剂萃取等，这些方法可将水解液中的有毒物质在不改变分子结构的前提下去除，不同处理方法的去除效率具有差异[6]。化学方法是利用各种碱性物质（如NH4OH、NaOH、Ca（OH）2等）及过量石灰法对水解液进行处理，通过化学反应改变水解液中的成分以降低抑制物毒性[7]。生物方法是利用特定酶或微生物脱毒，其中，漆酶是一种常用的脱毒酶，通过氧化聚合反应将毒性较高的小分子量酚类化合物转化为毒性较低的大分子量酚类化合物[8]。

2.2 提高酿酒酵母对抑制物的耐受性

除了减少木质纤维素水解液中的有毒物质，还可提高酿酒酵母对抑制物的耐受性，目前比较常用的方法是基因工程方法、诱变方法和驯化育种方法。基因工程方法是通过添加、敲除或高表达某一种或几种与抑制物代谢相关的基因以提高酿酒酵母对抑制物的耐受性的方法。改造基因可以直接、快速地使酿酒酵母表现出我们所期望的特性，但木质纤维素水解液中的抑制物种类繁多，基因工程方法难以使得酿酒酵母同时具有多种抑制物耐受性，且酿酒酵母的新陈代谢途径复杂，改造基因可能使得酿酒酵母失去原本的优良特性[9]。诱变方法以自然突变为依据，利用诱变剂加快酿酒酵母细胞基因突变的速度，在短时间内产生大量突型酿酒酵母，经过进一步的筛选，可获得具有抑制物耐受性的酿酒酵母，而诱变方法具有不确定性和诱变范围广等缺陷，因此需大量的诱变型细胞增加获得目标菌株的几率，且诱变剂可能损坏出发菌株原始基因，丢失优良特性。驯化育种是一种模拟自然选择的过程，根据生物和环境共同进化的规律，对微生物施与一定的选择压力，使得微生物在自然突变的基础上定向进化。驯化方法中存在的环境压力使得微生物突变具有明确方向，可在短时间内富集突变子，在长期的驯化过程中，菌株的优良性质可以在代际之间传递，增加了优良性质的稳定性[10]；驯化育种的不足之处在于菌株的突变机理尚未明确，难以通过其他手段获得该菌株。

3 结束语

木质纤维素水解液中的抑制物会影响酿酒酵母的发酵效率，降低代谢产物乙醇的浓度，因此需采取措施降低抑制物对酿酒酵母的抑制作用。将水解液脱毒与酿酒酵母改进进行对比，水解液的脱毒成本较高，不利于木质纤维素资源化利用的工业化发展，因此有必要提高酿酒酵母对抑制物的耐受性。木质纤维素水解液中抑制物的组分与原材料种类和预处理方式密切相关，不同改良酿酒酵母的方法各有其优缺点，在实际应用中可将多种方式有效结合，有利于获得具有较高耐受性的酿酒酵母。

参考文献

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第2篇：纤维素水解范文

关键词：纤维素；高吸水性纤维素；吸水机理；吸水性

高吸水材料是 60 年展起来的一类含强亲水基团的新型功能高分子材料[1]。由于具有优良的吸水和保水性能，在工业、农业、食品、建筑及日用化工等领域有着广泛的应用。

近几十年来，高吸水材料的需求量不断上升，各国都在大力开展这方面的研究工作。我国在80 年代初开始进行高吸水材料的研究[2]，且发展很快，主要是基于吸水树脂的合成和性质等方面做了大量的工作。

1 纤维素系高吸水性树脂的吸水机理

吸水方式可以分为物理吸附和化学吸附，物理吸附主要是毛细管的吸附原理，吸水能力不高，加热加压水会失去，化学吸附是通过化学健结合水分，这种吸附牢固，即使加热加压也不易失水。

高吸水性纤维素的制备

目前，工业上通用的制备纤维素海绵的方法有两种：一是纤维素与CS2反应转化为纤维素磺酸酯后，再使其水解而制备纤维素海绵的工艺，但是该方法在由纤维素制备纤维素磺酸酯，以及后续的纤维素海绵制品的生产过程中，由于会产生大量的SO2、H2S等有毒气体及含硫化合物，会严重污染大气及水源，目前正处于被淘汰的境地；另一种制备纤维素海绵的工艺是直接将纤维素溶解于一种合适的溶剂中，比如采用N-甲基氧化吗啉（NMMO）溶解纤维素，进而生产纤维素海绵的方法。该工艺过程简单、周期短，且所用溶剂NMMO的毒性也不是很大，但目前生产NMMO的造价较高，而NMMO的回收又比较困难，所以将该工艺产业化还需做大量的工作。

此外，武汉大学的张俐娜等用NaOH/尿素溶液，在低温的条件下，能迅速溶解纤维素，制得透明溶液，并且能保持较长一段时间的稳定溶液状态，是一种比较环保且低成本的溶解纤维素的方法。

通过对比上述三种工艺，决定采用NMMO为溶剂、或者利用NaOH/尿素溶液来溶解纤维素。

1.选择合适的成孔剂和发泡剂添加到纤维素溶液中，共混均匀。

发泡剂

无机盐，在水中有很高的溶解度，在85-90度时为固体，例如氯化钠和亚硫酸钠。

成孔剂

所选择的成孔剂在20-50度条件下可以被活化，如重碳酸钠，在凝固浴中加入10%的柠檬酸可以使其活化。

发泡成型选择合适的工艺条件使纤维素溶液中的发泡剂分解，并释放出气体，然后将发泡的溶液填充到一定模具中，并置于水浴中使纤维素沉淀并凝固成型。

吸水率：如果纤维素海绵的吸水率达不到样品的水平，还可以利用柠檬酸对纤维素海绵进行后处理。

持水性：海绵的持水可以通过partial etherification 纤维素来实现。一般，etherification通过carboxymethylation（羧甲基化）或carboxyethlation来实现。

目前，我们已经开始同步进行后处理工作的一些探索。用木浆板暂作原料，探索经过柠檬酸处理后木浆板的吸水性和持水性的变化，用此数据来支持后续纤维素海绵的后处理工作。

高吸水性纤维素吸水性测试

吸水率测试方法：取同样面积大小的三种样品（1）压缩纤维素海绵、（2）未压缩纤维素海绵、（3）木浆板，置于80℃的烘箱中，直到样品达到恒重为止。分别测量三种样品干燥后的重量，然后将三种样品分别浸入装满水的烧杯中，平衡10分钟后取出，分别称取吸水后样品的重量。样品的吸水率按照如下公式进行计算：吸水率=样品湿重-样品干重样品干重×100%

测试结果表1 各样品的吸水性能测试数据表

样品样品编号干燥后样品重量（g）吸水后样品重量（g）吸水率（%）吸水率平均值（%）

Compressed

10.02390.47331880.33

20.02420.4863 1909.50

30.02370.4762 1909.281899.71

Non compressed

10.02840.59531996.13

20.02710.5553 1949.08

30.02720.5585 1953.31 1966.17

Wood-pulp board

10.05810.3109435.11

20.05510.2925 430.85

30.07560.3989 427.65 431.20

目前，以及对样品进行了充分的分析与表征，了解了其结构其吸水性能，购买了木浆板、脱脂棉和相关化学试剂等原料。最初探索实验中，想利用最新的纤维素溶解技术（NaOH/尿素溶液低温溶解）来制备纤维素溶液，所制备样品如图7所示。但是，这种方法在纤维素溶解和后续的老化成形过程中都需要在0度以下进行，考虑到其后续的放大实验，认为这种方法还待考虑。实验正在逐步进行中。（作者单位：湖北武汉纺织大学）

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第3篇：纤维素水解范文

关键词：麦草;纤维素;NaOH/硫脲/尿素溶液;溶解;分离

中图分类号：TS743 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2014）23-5828-04

DOI：10.14088/ki.issn0439-8114.2014.23.052

木质纤维原料是潜在的生物质能源，有望替代不可再生的石油。作为木质纤维原料的麦草只有很少一部分被作为动物饲料或燃料使用，其他部分几乎都被作为农业垃圾处理掉了，不仅造成能源浪费，还造成环境污染。麦草是一种多组分的物料，主要由纤维素、半纤维素以及木质素组成，其含量分别为40%～50%、15%～25%和15%～30%[1]。它的组分分离是实现生物量全利用和微生物转化的必要环节。麦草中的纤维素是以β-1，4糖苷键组成的葡萄糖大分子，不溶于水及一般有机溶剂，是植物细胞壁的主要成分[2]。据报道NaOH/尿素/硫脲体系能在低温下迅速溶解纤维素[3，4]，本研究利用NaOH/硫脲/尿素溶液溶解麦草，从中分离出纤维素，并对溶解条件和溶解前后麦草组成与结构的变化运用红外光谱（FTIR）、X射线衍射（XRD）、扫描电镜（SEM）进行分析表征。

1 材料与方法

1.1 材料

麦草取自安徽农村，洗净晒干后粉碎，过60目筛，烘干。NaOH/硫脲/尿素溶液中NaOH、尿素、硫脲和水按一定质量配比。

1.2 方法

1.2.1 麦草溶解 将麦草浸入5% NaOH溶液中24 h后过滤，用水洗加酸中和后，放入1%的H2SO4中煮沸5 min后冷却过滤，用水洗至中性，烘干备用。

麦草溶解：将预先冷冻至-12 ℃的麦草放入 -12 ℃的NaOH/硫脲/尿素溶液中搅匀，在-10 ℃的低温恒温反应槽中溶解一定时间后取出过滤。将得到的滤渣再用NaOH/硫脲/尿素溶液溶解30 min后过滤，滤渣用大量水清洗至中性烘干，将两部分得到的滤液合并在大烧杯中，加入大量稀硫酸，静置过夜后有白色絮状沉淀出现，过滤出絮状沉淀，并用水洗至中性烘干得到麦草纤维素。溶解率和得率计算公式如下：

麦草溶解率：Rd=■×100% （1）

式中，Rd为预处理麦草样品在NaOH/硫脲/尿素体系中的溶解率（%）;M0为预处理后干燥麦草样品质量（g）;Mr为不溶残渣干燥质量（g）。

麦草纤维素得率：Rr=■×100% （2）

式中，Rr为麦草纤维素的得率（%）;Me为白色絮状物绝干质量（g）;M0为预处理后干燥麦草样品质量（g）。

1.2.2 正交试验 为确定溶解温度、溶解时间、溶剂配比[NaOH∶尿素∶硫脲（质量比，下同）]及溶剂用量等条件在溶解过程中的影响，设计了4因素3水平的正交试验。正交试验因素与水平见表1。

1.2.3 测试与表征

1）红外光谱分析。采用KBr压片法在红外光谱仪Nicolet 380 FTIR Spectrometer上测试。

2）扫描电镜分析。样品表面喷金后在扫描电子显微镜Quanta200上测试。

3）X射线衍射分析。在X射线衍射分析仪Hitachi S-340上测试，管电流为20 mA，管电压为35 KV，2θ偶合连续扫描，扫描角度范围为6 °～45 °，Cu 靶，X射线波长λ=1.54 ？，扫描速率为10 °/min，扫描步长为0.02 °。

4）热重（TG）分析。样品称重后在热重分析仪TGA-Q5000上以 20 ℃/min的升温速率从室温开始升温至700 ℃，氮气的流量为25 mL/min。

2 结果与分析

2.1 正交试验结果

从表2可以看出，在4个影响因素中，对麦草溶解率影响最大的是溶剂用量和溶剂配比，溶解温度影响最小。纤维素在NaOH/尿素/硫脲溶液中的溶解是放热反应[3] ，因此溶解反应选择在低温下进行。在所选的溶剂用量3个水平中，50 mL时溶解率最高，这是因为溶剂用量大，有利于麦草和溶剂充分接触，最大限度地发挥溶剂的作用。在溶解过程中，NaOH起主导作用。NaOH/尿素/硫脲溶液溶解纤维素的过程为NaOH在溶液中形成水合离子渗透到纤维素晶体链中，破坏纤维素分子内和分子间的氢键，尿素和硫脲与纤维素上的氢键结合阻止纤维素分子链重新结合，从而达到溶解的目的[3]。

根据正交试验结果得到溶解反应的优化条件为在-10 ℃条件下，溶剂配比为每100 g水中NaOH∶尿素∶硫脲为9∶7∶7，溶剂用量为50 mL/g麦草，溶解时间90 min。在此条件下预处理麦草的溶解率为53.19%，麦草纤维素得率为35.03%。得率小于溶解率，说明溶解部分不能完全析出，这可能是溶解在其中的木质素和半纤维素不能析出且有部分纤维素在溶解过程发生了降解，因此也不能完全析出。

2.2 溶解前后麦草成分的变化

对溶解前后麦草化学成分的变化进行分析，结果见表3。由表3可知，麦草经过预处理后半纤维素、木质素和灰分的含量均有所降低了，而纤维素的含量提高，有利于下一步纤维素的溶解析出。溶解残渣中纤维素和半纤维素含量较预处理后麦草原料分别降低了20.84和2.19个百分点，但木质素的量增加了22.72个百分点，说明纤维素和半纤维素能溶于NaOH/尿素/硫脲中，但木质素不溶于NaOH/尿素/硫脲中。溶解析出物中纤维素的含量高达90.28%，说明采用NaOH/尿素/硫脲溶剂溶解麦草提取纤维素是可行的。

2.3 扫描电镜分析

由图1可知，麦草原料经过机械粉碎，有明显的断裂、撕裂及起毛现象，且内部细胞结构明显暴露，表面的蜡质层在粉碎过程中被去除。经过酸碱处理后，断裂、撕裂现象更明显，纤维更加疏松，有利于试剂进入其内部。溶解后的残渣表面更疏松，纤维束更松散，表面有少量絮状物，说明溶解对其破坏严重，但还没完全破坏其纤维结构。分离得到的纤维素已不再具有麦草纤维的细胞结构，团聚微粒无序地堆积在一起，纤丝不规则，表面粗糙，且有空隙存在。可见，溶解后原纤维素的结构完全被破坏，表明麦草纤维素被NaOH/硫脲/尿素溶液所溶解。

2.4 红外光谱分析

由图2可知，4个样品的红外谱图相似，在3 429 cm-1和2 920 cm-1处有两个明显的特征峰，分别表示-OH的伸缩振动和C-H的伸缩振动。麦草原料和预处理麦草光谱在1 720 cm-1处有微弱的酯键峰，而溶解残渣与麦草纤维素没有，这表明NaOH/硫脲/尿素复合溶剂破坏了酯键[5]。在麦草原料和预处理麦草光谱中均能观察到，1 510 cm-1处有木质素苯环上H的振动峰。木质素芳香环上C=C伸缩振动峰有2个波数，分别在1 510 cm-1 和1 425 cm-1，这说明预处理没有完全去除木质素[6]。麦草纤维素光谱中没有木质素的振动峰，说明从NaOH/硫脲/尿素体系中分离出来的麦草纤维素中木质素含量很少[7]。在3 000～3 300 cm-1处溶解残渣与麦草纤维素光谱有一单峰，推测在NaOH/硫脲/尿素体系的作用下木质纤维的链发生了断裂，为纤维素从Ⅰ向Ⅱ的转变过程[8]。在895 cm-1 处，预处理麦草、溶解残渣、麦草纤维素光谱中有一较明显的峰，而麦草原料中较弱，那是纤维素无定形的特征峰[9]。

2.5 X射线衍射分析

由图3可知，a、b都符合纤维素Ⅰ的特征。在2θ=14.8 °、16.8 °、22.6 °处有对应（110）、（10）和（002）晶面的峰，在2θ=34.7°处有一微弱的对应于（004） 晶面的峰[10]。预处理后的麦草在2θ=22.6 °处的峰要强于原料麦草，这说明经过处理后结晶度提高。结晶度是由纤维素晶体引起的，预处理去除了部分木质素和半纤维素，使纤维素含量提高，从而提高了结晶度[6，11，12]。溶解残渣的X射线衍射图在2θ=22°处的峰强度介于麦草原料和预处理麦草之间，说明溶解后纤维素含量降低，也有可能是溶解过程破坏了纤维素的晶体结构，溶解残渣2θ=22 °处峰向21.5 °移动并变宽，在2θ=16 °处的峰几乎消失，但在2θ=12.5 °有一不明显的峰，说明其从纤维素Ⅰ向纤维素Ⅱ转变。此外，在麦草纤维素的X射线衍射图中，只能看到很小的峰，它有纤维素Ⅱ的特征峰，19.9 °处对应（110）晶面，21.7 °处对应（200）晶面[13]，还有一个很小的纤维素Ⅰ的峰（2θ=23.1 °），因此可以推测，麦草纤维素具有纤维素Ⅰ和纤维素Ⅱ的结构，但其结晶度很小，以无定形为主。

2.6 热稳定性分析

由图4可知，热失重主要分为3个阶段，第一阶段发生在50～120 ℃，是其中的水蒸发引起的;第二阶段发生在220～320 ℃，是由半纤维素和果胶等的热降解引起的;第三阶段发生在366 ℃，是纤维素的降解引起的[14]。预处理后麦草的分解温度从366 ℃升高到393 ℃，热稳定性增强。这说明木质素、半纤维素等无定型物质被去除的较多[15]。溶解后残渣和麦草纤维素的热降解温度分别在380 ℃和366 ℃，这可能是由其结构变化引起的[16]。

3 结论

麦草经过酸碱预处理后，用NaOH/硫脲/尿素溶液溶解，溶解率可达53.19%，在大量稀硫酸中析出白色絮状样麦草纤维素，得率为35.03%，絮状物中纤维素含量达90.28%。FTIR、SEM、XRD等分析表明，分离出来的麦草纤维素结构发生了很大的变化，麦草中纤维素是典型的纤维素Ⅰ，分离得到的麦草纤维素晶型由纤维素Ⅰ型向纤维素Ⅱ型转变，结晶度很小。用NaOH/硫脲/尿素溶液溶解麦草，目前只能分离出麦草中纤维素含量的一半，还有一半的纤维素由于其与木质素和半纤维素之间的复杂链接没有有效分离出来。

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第4篇：纤维素水解范文

关键词：玉米秸秆 酒精发酵 预处理 发酵

中图分类号：G718 文献标识码：C 文章编号：1672-1578（2016）11-0280-01

燃料酒精作为石油的替代能源，已经成为各国可再生能源开发利用的重要研究发展方向。目前，玉米等淀粉质原料生产燃料酒精技术已相当成熟，我国已经实现工业化生产，但随着陈化粮消耗殆尽，淀粉质原料存在“与民争粮，与粮争地”等问题，大量利用玉米生产燃料酒精受到严重限制[1]。利用玉米秸秆生产酒精，不仅可以缓解日益严重能源危机，环境污染，食物短缺等问题，也为人类社会的可持续发展提供了保证[2]。玉米秸秆经预处理及水解后，纤维素等分解成糖，经发酵蒸馏提取酒精，本文主要对这些工艺展开讨论。

1 原料预处理

玉米秸秆的结构较为复杂，纤维素、半纤维素被木质素包围，严重影响纤维素等的降解效率，水解之前应进行预处理。经预处理，纤维素和半纤维素及木质素分离开，聚合度较低，从而提高了玉米秸秆纤维素的水解糖化效率。目前普遍采用的预处理方法主要有物理法、化学法、物理化学法、生物法四种[3]。物理法主要采用机械粉碎、超声波处理和蒸汽爆破等物理方法，该方法预处理污染小，操作简单，但是能耗大，成本较高。化学法主要采用酸、碱或者有机溶剂等对玉米秸秆进行预处理，破坏纤维素与木质素之间的晶体结构，打破木质素对纤维素的包裹。该方法成本较低，但易产生化学污染。物理化学法是指在对玉米秸秆的预处理过程中同时采用物理和化学两种方法，二者相结合可提高玉米秸秆的预处理效率[4]。如通过汽爆方法和化学添加剂相结合，不仅可以加快预处理速度，也能尽量降低环境污染。生物法主要通过微生物作用于玉米秸秆，达到分离纤维素和木质素的目的，该种方法不仅效率高而且能在正常条件下进行，节约成本，是一种有潜力的预处理方法。

2 纤维素水解

玉米秸秆经预处理后，纤维素只有分解成糖可进行发酵成酒精，这个过程被称为纤维素的水解过程。目前玉米秸秆纤维素的水解工艺主要有酸法水解和酶法水解两种，水解后纤维素和半纤维素的氢键被破坏，分解成单糖供发酵过程。

2.1 酸法水解

酸法水解主要以硫酸作为催化剂对玉米秸秆中纤维素进行分解。包括稀酸水解和浓酸水解两种。稀酸水解通常采用0.2%-0.5%的稀硫酸水解纤维素，优点是反应条件温和，设备要求较低，但反应过程中产生大量副产物且产糖率低。浓酸水解的优点是产糖率较稀酸水解高且反应过程副产物少，但反应时间较长，腐蚀性强，不仅对反应设备要求较高，而且硫酸回收工艺复杂。

2.2 酶法水解

酶法水解利用纤维素复合酶分解玉米秸秆中的纤维素，纤维素酶包括葡聚糖酶和纤维二糖酶。水解过程中葡聚糖酶先将纤维素分解为纤维二糖，纤维二糖再在纤维二糖酶的作用下分解成葡萄糖供发酵过程使用。酶法水解相对酸法水解反应条件温和，催化效率高且能耗低，纤维素酶的专一性高，产物单一，副产物相对较少。但酶法水解中酶的固定化程度困难，反应过程中酶的消耗量较高，导致成本较高。

3 酒精发酵

酒精发酵的最终目的就是让水解中产生的葡萄糖通过发酵转化为酒精，发酵方法主要有以下几种：

3.1 直接发酵法

直接发酵法就是直接利用纤维分解细菌发酵纤维素生产酒精，此方法不需要经过酸法水解和酶法水解预处理过程。采用适合酒精发酵的生产菌株是直接发酵法的技术关键，但目前国际上还未找到一种既具备分解纤维素又能发酵成酒精的优良菌株，一般利用热纤梭菌和热硫化氢梭菌混合菌直接发酵，前者主要将纤维素分解成单糖但乙醇产率较低，后者主要将单糖转化为酒精但不能分解纤维素。

3.2 间接发酵法

间接发酵法将玉米秸秆的发酵过程分为两步，是目前研究最多的方法之一。第一步利用纤维素酶将玉米秸秆中的纤维素分解成为单糖，分解后的糖作为后续发酵所需的碳源；第二步再利用酒化酶将单糖发酵成酒精。间接发酵方法正处在研究阶段，但应用到生产中的突出问题是第一步产生的单糖随着浓度的增加会反过来抑制第一步反应的进行，而第二步随着酒精浓度的增加也会抑制菌株的发酵能力，给发酵过程带来巨大影响。

3.3 同步糖化发酵法

同步糖化发酵法主要是为了解决间接发酵法面临的反馈抑制问题，两者原理相同。该方法最早由Gauss等提出，糖化和发酵同时在一个反应器内连续进行，将纤维素水解和酒精发酵同步进行，水解产生的葡萄糖由于发酵浓度降低，消除了高浓度糖对纤维素酶的抑制作用。同步发酵法的优点是简化了生产设备，节约了生产时间，消除了抑制作用，降低了生产成本，但反应过程中面临的最突出问题如何实现纤维素发酵和酒精发酵的条件兼容。

4 酒精蒸馏

玉米秸秆发酵后的混合发酵液成分相当复杂，酒精浓度相对较低，必须将酒精从混合液中分离出来才可加以利用。酒精具有沸点低、易挥发等特性，因此酒精分离通常采用蒸馏的方法。酒精蒸馏过程中通过控制温度将酒精从混合溶液中挥发出来，经冷凝装置冷却后由气态变为液态，回收得到高纯度酒精，为了避免安全事故的发生，蒸馏过程中的温度控制成为关键。传统的玉米秸秆酒精蒸馏工艺为双塔式精馏，由于其能耗较高逐渐被三塔式精馏工艺取代。

5 结语

我国作为一个农业大国，玉米秸秆产量十分丰富，这些可利用的生物质资源如果通过堆积腐烂和焚烧的方式处理，不仅造成资源浪费而且会造成极大的环境污染。目前玉米秸秆生产酒精的工艺技术已逐步成熟，生产过程中所面临的一些问题还需进一步的研究和探索，随着技术的进一步发展和完善，利用玉米秸秆生产酒精将会在解决日益严重的能源问题上发挥巨大作用。

参考文献：

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[2] 黄宇彤，杜连祥，赵继湖.世界燃料酒精生产形势[J].酿酒，2001，（5）：24-26.

第5篇：纤维素水解范文

（黑龙江省明水县畜牧局 151700）

1 日粮纤维的种类?

日粮纤维是结构性多糖、非结构性多糖、木质素，以及一部分细胞壁镶嵌蛋白质和矿物质等组成的不均一混合物，是非淀粉多糖（NSP）和木质素的总和。NSP中的β?葡聚糖、阿拉伯木聚糖、果胶、甘露聚糖等以氢键松散地与纤维素、木质素及蛋白结合，溶于水，称水溶性非淀粉多糖或可溶性纤维，大多数NSP均为水溶性的淀粉多糖。以酯键、酚键、阿魏酸、钙离子桥等共价键或离子键牢固的和其他成分结合称为不溶性非淀粉多糖，主要为纤维素。碳水化合物中只有淀粉、二糖、戊糖和低聚糖可以被猪自身分泌的内源酶降解，NSP可以在猪的大肠被肠道微生物分解，而木质素在猪肠道内不可降解。抗性淀粉和可溶性纤维（SF）可以被猪肠道微生物迅速分解，而不溶性纤维（IF）分解较慢。?

2 猪利用日粮纤维的生理机制?

猪利用日粮纤维的生理基础是猪在长期生长发育进程中，为适应生存环境，形成了发达的大肠，尤其是结肠部分，并具有完整的微生物区系，包含所有的优势反刍纤维素分解菌。猪的胃、小肠与其他单胃动物相似，主要是具有消化和吸收功能，但猪的大肠发达，具有类似瘤胃发酵罐的功能，这是猪的消化道结构的特点，也是优点。?

猪大肠包含需氧微生物、厌氧微生物和兼氧微生物，其中专性厌氧微生物占优势。其微生物区系包括高活性的反刍纤维分解菌属和半纤维素分解菌属，其中包括琥珀酸生成纤维菌、白瘤胃球菌、生黄瘤胃球菌、丁酸弧菌属及反刍类菌体，其中琥珀酸生成纤维菌和生黄瘤胃球菌属，在生长猪的大肠内也占优势地位。猪的大肠内含有一种新型高活性的纤维分解菌属，即草食梭状芽胞杆菌，其降解细胞的能力相当或高于反刍纤维素分解菌。初生猪的盲肠和结肠并无微生物存在，但随着开始采食植物性饲料，逐渐建立起微生物区系。食糜在大肠内的停留时间比在小肠内的长，同时吸收大量水分，因此食糜进入大肠时，干物质比例增加。随着在大肠内停留的时间的延长，纤维细菌发酵越来越活跃，纤维通过大肠的速度比日粮非纤维成分慢，此为微生物发酵提供了良好的条件。纤维素和半纤维素经水解可产生挥发性脂肪酸与二氧化碳、甲烷。挥发性脂肪酸可为肠壁吸收，二氧化碳和甲烷等气体则排出体外。?

3 日粮纤维对猪消化吸收的影响?

日粮纤维在增强猪的体质及维持胃肠道的微生态平衡方面具有重要的作用，如为动物提供部分能量、填充消化道容积给动物饱感以及预防疾病等。日粮中添加适量的纤维类物质，对猪胃肠道及其他消化器官的正常发育和功能、维持正常的微生物区系具有重要的作用。由于粗纤维可以增加猪的饱腹感，同时降低猪的采食量，被人认为是一种抗营养因子。但是大量研究表明，粗纤维可以促进胃肠蠕动和食糜流动，加快病原菌的排出，同时由于采食量的降低而减少抗原物质的摄入。高纤维日粮会增加胃液、胆汁、胰液的分泌，胰蛋白酶和淀粉酶的活性降低，但胃液中胃蛋白酶的活性增加；同时日粮纤维对激素如胰岛素、胰高血糖素、抑胃多肽的分泌也有影响，间接调控消化液的分泌。?

由于日粮黏度增高，并使胆汁酸浓度下降，从而乳化脂肪的能力下降，导致脂肪的消化率降低。日粮纤维增加会降低脂肪的消化率，可能是由于内源脂肪的含量增加和微生物脂肪含量增高所致。日粮纤维水平增高同样也会引起内源脂肪的损失增加。?

4 日粮纤维对妊娠母猪的影响?

第6篇：纤维素水解范文

关键词：麦麸；复合酶；水解；淀粉；膳食纤维

中图分类号：TS210.9 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2015）15-3712-04

DOI：10.14088/ki.issn0439-8114.2015.15.034

Abstract： Wheat bran was selected as the raw material and the technology of enzymatic hydrolysis was studied by orthogonal test on the basis of single factor experiment. Results showed that the optimum conditions were enzyme ratio 2∶5， compound enzyme dosage 0.8%， hydrolysis pH 5.5， hydrolysis temperature 55 ℃ and hydrolysis time 90 min. Under these conditions， the starch residues was 0.57% and the purity of wheat bran dietary fiber reached 86.38%. The main factor that influenced starch residual rate most was the dosage of compound enzyme.

Key words： wheat bran； enzyme； hydrolysis； starch； dietary fiber

中国是小麦（Triticum aestivum L.）的生产大国，小麦作为人类主要粮食作物之一，年产量已超过1亿t[1-3]。麦麸是小麦面粉加工过程中的副产物，约占小麦子粒质量的20%～25%，麦麸主要由膳食纤维、蛋白质、淀粉等物质组成，其含量分别为40%～50%、10%～20%、15%～20%，除此之外，麦麸中还含有大量的脂肪、维生素、矿物质等营养成分[4，5]。由于麦麸来源广泛、麦麸中膳食纤维资源丰富，当前，麦麸膳食纤维的制备研究与应用也深受国内外学者重视[6]。

膳食纤维在保障人体健康方面扮演非常重要的角色。前人研究表明，很多疾病如便秘、肥胖、心血管系统疾病、结肠癌、糖尿病等与膳食纤维摄入量不足有很大关系[7]。提高饮食中膳食纤维含量可增加粪便量，缩短肠道排空时间，降低粪便硬度，防止便秘[8]。膳食纤维也可在结肠中发酵生成短链的脂肪酸，促进结肠细胞增殖与分化，抑制致癌物的产生，防止肿瘤形成[9]。此外，膳食纤维还能控制血糖释放，降低餐后血糖水平，有助于预防糖尿病及肥胖[10]。

酶法是制备麦麸膳食纤维中较为常用的方法[11，12]，酶解旨在去除麦麸中的蛋白质和淀粉，得到高纯度膳食纤维。在酶解淀粉的过程中，涉及到α-淀粉酶和糖化酶，由于这两种酶的酶解条件不同，通常情况下，先以α-淀粉酶酶解淀粉为低分子糖和糊精，再以此为底物，利用糖化酶进行进一步酶解，工序较为繁琐。前人对α-淀粉酶和糖化酶协同水解马铃薯、木薯和葛根淀粉的工艺进行了研究[13-15]。本研究摒弃了传统分步单酶去淀粉工艺，采用复合酶一步酶解去淀粉，对复合酶酶解工艺进行了探讨，以简化酶法制备麦麸膳食纤维工艺流程。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

麦麸由湖北省同光面粉有限公司提供；α-淀粉酶（3 000～5 000 U/g）、糖化酶（≥50 000 U/g）均购自北京双旋微生物培养基制品厂；Megazyme葡萄糖试剂盒购自北京博欧德生物技术有限公司，乙醇、二甲亚砜、盐酸等均为分析纯。

UV-280型紫外可见分光光度计（尤尼柯上海仪器有限公司）；TYSP-200型高速多功能粉碎机（浙江省永康市红太阳机电有限公司）；HJ-4A磁力搅拌器（江苏金坛市宏华仪器厂）；LXJ-IIB离心机（上海安亭科学仪器厂）；GZX-9240 MBE电热鼓风干燥箱（上海博讯实业有限公司医疗设备厂）；40目筛，浙江上虞市龙翔精密仪器厂；SHA-B恒温水浴锅（常州国华电器有限公司）。

1.2 方法

1.2.1 麦麸膳食纤维制备工艺流程 取一定量粉碎后过100目筛的麦麸，按料液比1∶12加水悬浊，调节至pH 9.0，加入0.5%碱性蛋白酶（酶与麦麸质量比），于55 ℃下水浴酶解90 min，100 ℃下灭酶活5 min，随后调节pH，按一定比例加入复合酶（淀粉酶和糖化酶），恒温水浴酶解，酶解完成后酶解液于100 ℃下水浴5 min灭酶活，4 500 r/min下离心30 min，收集沉淀干燥，即为麦麸膳食纤维。

1.2.2 麦麸基本成分分析 对麦麸以及预处理后麦麸中水分、蛋白质、脂肪、灰分、淀粉、膳食纤维等基本成分含量进行分析。

1.2.3 单因素试验 以复合酶酶解后麦麸膳食纤维中淀粉残留率为指标，采用单因素试验对麦麸膳食纤维制备工艺中复合酶比例（淀粉酶∶糖化酶为7∶0、1∶6、2∶5、3∶4、5∶2、4∶3、6∶1、0∶7）、复合酶添加量（酶与样品质量比为0.4%、0.5%、0.6%、0.7%、0.8%、0.9%、1.0%）、酶解pH（4.0、4.5、5.0、5.5、6.0、6.5、7.0）、酶解温度（40、50、60、70、80、90 ℃）、酶解时间（50、60、70、80、90、100、110 min）等因素进行探讨。在进行单因素试验过程中，探讨某一单因素时，其他各因素水平分别固定为复合酶比例5∶2、复合酶添加量0.7%、酶解pH 5.0、酶解温度60 ℃、酶解时间60 min。

1.2.4 正交试验 在单因素试验基础上，进行5因素4水平正交试验，进一步探讨复合酶酶解制备麦麸膳食纤维最优工艺。

1.2.5 分析测定方法 水分、蛋白质、脂肪、灰分、淀粉、膳食纤维的测定分别参照GB/T 5009.3-2010、GB/T 5009.5-2010、GB/T 14772-2008、GB/T 5009.9-2008、GB/T 5009.88-2008等方法进行。

2 结果与分析

2.1 麦麸基本成分分析

通过对麦麸基本成分进行分析，得出麦麸基本成分中膳食纤维、淀粉和蛋白质含量较高，分别为45.12%、17.92%、16.10%，水分、脂肪和灰分含量较低，分别为8.18%、4.49%、4.89%。其中淀粉和蛋白质含量高也是影响麦麸膳食纤维制备的主要因素，因此麦麸膳食纤维制备工艺即为麦麸中蛋白质和淀粉有效去除工艺。

2.2 复合酶制备麦麸膳食纤维单因素试验结果

2.2.1 不同复合酶比例下麦麸膳食纤维中淀粉残留率变化情况 复合酶的比例对麦麸膳食纤维中淀粉残留率的影响结果如图1所示。从图1可以看出，随着复合酶比例（淀粉酶∶糖化酶）中糖化酶所占比例的增加，麦麸膳食纤维中淀粉残留率呈先下降后上升的变化趋势，复合酶中淀粉酶与糖化酶比例为5∶2时，所得麦麸膳食纤维中淀粉残留率最低，仅为0.49%。糖化酶是以淀粉酶酶解产物为底物，合适的糖化酶比例有利于将淀粉酶酶解产物及时酶解转化成葡萄糖。

2.2.2 不同复合酶添加量下麦麸膳食纤维中淀粉残留率变化情况 复合酶添加量对麦麸膳食纤维中淀粉残留率的影响如图2所示。从图2可以看出，麦麸膳食纤维中淀粉残留率的变化明显分为3个阶段，复合酶添加量小于0.7%时，随着添加量增加，淀粉残留率呈下降趋势；复合酶添加量为0.7%～0.9%时，淀粉残留率趋于稳定；复合酶添加量大于0.9%时，淀粉残留率升高。从生产成本角度考虑，复合酶添加量以0.7%较为适宜。

2.2.3 不同酶解时间下麦麸膳食纤维中淀粉残留率变化情况 图3为酶解时间对麦麸膳食纤维中淀粉残留的影响，结果表明，酶解时间对麦麸膳食纤维中淀粉残留率有较大影响，随着酶解时间延长，所得麦麸膳食纤维中淀粉残留率呈先下降后趋于稳定的变化趋势，酶解时间小于90 min时，延长酶解时间，淀粉残留率明显下降，酶解时间超过90 min，淀粉残留率变化较小，从节约能耗角度考虑，酶解时间以90 min为宜，此时麦麸膳食纤维中淀粉残留率为0.45%。

2.2.4 不同pH下麦麸膳食纤维中淀粉残留率变化情况 pH对麦麸膳食纤维中淀粉残留率的影响如图4所示，结果表明，随着pH升高，麦麸膳食纤维中淀粉残留率呈现先下降后上升的变化趋势。本研究中所用α-淀粉酶作用最适酶解条件为pH 5.5～7.5，糖化酶作用最适条件为pH 5.0，而采用复合酶酶解，同时添加两种酶时，却在pH 6.0时淀粉酶残留率最低，仅为0.68%，可能是两种酶在pH 6.0时协同作用最强。

2.2.5 不同酶解温度下麦麸膳食纤维中淀粉残留率变化情况 本研究所选用的α-淀粉酶与糖化酶都是中温酶，其中α-淀粉酶与糖化酶酶解最适温度分别为50～75 ℃、55 ℃，酶解温度对麦麸膳食纤维中淀粉残留率的影响如图5所示，从图5可以看出，随着酶解温度增加，麦麸膳食纤维中淀粉残留率呈先下降后上升的变化趋势，酶解温度60 ℃时，麦麸膳食纤维中淀粉残留率最低为0.61%。温度对酶活性影响较大，而酶活与淀粉水解程度亦呈正相关。从图5也可以看出，温度低于50 ℃时，麦麸膳食纤维中淀粉残留率高于酶解温度在50 ℃以上时的淀粉残留率，说明较高温度下，复合酶仍保持较高活性。

2.3 正交试验

根据单因素试验结果，以麦麸膳食纤维中淀粉残留率为指标，对复合酶酶解去除淀粉工艺进行5因素4水平正交试验，各因素与水平如表1所示。

以麦麸膳食纤维中淀粉残留率为考核指标，复合酶去除麦麸中淀粉工艺正交试验优化结果如表2所示。从表2各因素极差R可以看出，正交试验所探讨的5个因素对麦麸膳食纤维中淀粉残留率的影响顺序由大到小依次为复合酶添加量、酶解温度、酶解pH、复合酶比例、酶解时间，各因素理论最优水平组合为A4B3C4D2E1，即复合酶比例为2∶5、复合酶添加量0.8%、酶解时间100 min、pH 5.5、酶解温度50 ℃。正交试验16个处理中，最优因素水平组合为A2B4C3D2E1，即复合酶比例为4∶3、复合酶添加量0.9%、酶解时间90 min、酶解pH 5.5、酶解温度50 ℃，此时所得麦麸膳食纤维中淀粉残留率仅为0.60%。随后以所得麦麸膳食纤维淀粉残留率和膳食纤维纯度为指标，对理论最优组合与实际最优组合进行了验证试验，结果如表3所示。

从表3可以看出，相比实际最优水平组合，在理论最优水平组合下，所得麦麸膳食纤维中淀粉残留率较低、而麦麸膳食纤维纯度较高，分别为0.57%和86.38%。

3 结论

麦麸膳食纤维经蛋白酶酶解去蛋白质后，先后采用单因素试验和正交试验对用复合酶去除麦麸中淀粉工艺进行了探讨，结果表明在复合酶比例2∶5、酶添加量0.8%、酶解时间90 min、酶解pH 5.5、酶解温度50 ℃时麦麸膳食纤维中淀粉残留率最低，仅为0.57%，膳食纤维纯度最高，达到了86.38%。正交试验充分考虑了各因素间交互作用，因此正交试验确定最优工艺下各因素水平与单因素试验各因素最优水平间存在一定差异，5个因素中，复合酶添加量对所得麦麸膳食纤维中淀粉残留率的影响最大。

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第7篇：纤维素水解范文

近年来，溶解浆的需求量急速增加，2010年世界溶解浆的需求量已达到450万t。溶解浆是一种精制化学浆，具有α-纤维素含量高、反应性能好、白度高、聚戊糖含量低、灰分低以及尘埃度低等特点，可以作为黏胶纤维、玻璃纸、醋酸纤维、肠溶性药片糖衣、香烟过滤嘴、羧甲基纤维素和硝化纤维等的原材料。纺织业和烟草制造业是溶解浆的主要应用领域，比例大致是：黏胶产品60%，香烟过滤嘴16%，纤维素醚11%，硝酸纤维5%，醋酸纤维7%，其他1%[1]。其中黏胶纤维也包括很多种，并且所需要的溶解浆具有不同的聚合度，如表1所示。

1溶解浆的研究现状

1.1原料

我国制备溶解浆的原料主要是棉短绒，棉短绒是棉籽经周淑芳，在读硕士研究生；主要从事造纸化学品与功能纸方面的研究工作。轧花厂加工，被剥去用于纺织的皮棉后，仍附在棉籽上的短毛。它是纤维素工业的主要原料，含有很高的α-纤维素，质量最好的溶解浆是由棉短绒生产的。邓传东等[2]发明了一种棉短绒氧解制备溶解浆的方法，该方法包括切断除杂高浓混合预处理、连续氧解除杂降聚，所得溶解浆α-纤维素含量≥97.5%，黏度14.0～14.5mPa.s，得率≥78.0%。由于近年来黏胶产量的增加，对原料的需求量增大，棉短绒已满足不了化纤工业对它的需求，现在我国也正在不断开发新的原料。目前，我国已进行了针叶木、阔叶木、竹子、蔗渣、麻类等原料制备溶解浆的研究，但是还存在一些不足。国外一般采用木材、蔗渣、大麻、亚麻和黄麻等为原料制备溶解浆。欧洲和北美等国家主要采用云杉、冷杉、山毛榉等，南非生产溶解浆的原料是桉树，南美和亚洲的一些国家主要采用桉树、热带硬木等作为生产溶解浆的主要原料[3]。

1.2制备方法

溶解浆和纸浆的主要生产过程大体相同，但由于用途不同，工艺流程的细节和工艺参数也有所差异。目前，国内外制备溶解浆主要有两种工艺方法：预水解硫酸盐法和亚硫酸盐法，其目标是为了获得高纯度纤维素浆料，而木素和半纤维素作为杂质被除去，一般来说，半纤维素含量低的原料可采用酸性亚硫酸盐法；若是树脂含量高的原料，则必须采用预水解硫酸盐法[4]。马尾松含树脂较多，一般采用硫酸盐法蒸煮。邹文中[5]以四川马尾松为原料，采用预水解硫酸盐法制取溶解浆，取得了成功。具体工艺为预水解液比1∶8，最高温度170℃且保温90min，总时间150min，终点pH3.7～4.0，得率89.62%。蒸煮用碱量30%（NaOH计），硫化度28%，液比1∶6，最高蒸煮温度170℃且保温150min，全程时间4h，制浆得率35.64%，α-纤维素含量达到了92.87%。制备竹子溶解浆的方法和制备木材溶解浆的方法相似，主要采用预水解硫酸盐法和预水解烧碱法。李雍[6]以四川慈竹为原料，分别利用预浸硫酸盐法和非预浸硫酸盐法制备溶解浆粕，发现预浸时间30min、蒸煮用碱量18%、硫化度20%为预浸硫酸盐法的最佳工艺条件。经漂白后，预浸KP浆粕α-纤维素含量能够达到95%以上。国外专利US5139617[7]中也介绍了用预水解-添加AQ中性亚硫酸盐法制备桦木溶解浆的工艺，预水解工艺为：助剂（硫酸、二氧化硫等）用量0.25%，液比1∶6，升温时间40min，最高温度155℃，保温时间170min，得率73.4%；蒸煮工艺为：亚硫酸钠用量22%（NaOH计），碳酸钠5%（NaOH计），AQ0.1%，液比1∶4.5，蒸煮pH为11.3，升温时间1min，蒸煮最高温度175℃，保温时间170min，煮后粗浆得率39.3%，浆渣0.1%，卡伯值17.2，O-D-E-D漂后浆得率为36.7%，黏度764ml/g，白度87.1%ISO，α-纤维素含量94.2%。

GabrieleSchild和ErbertSixta[8]研究发现AQ可以替代硫用于溶解浆的脱木素过程，而且不仅可以应用于预水解过程，还可以用于改善生产溶解浆的纸浆的冷碱抽提过程中。在溶解浆的制备过程中，和蒸煮一样，漂白也是其中的重要工序之一，漂白的作用主要是提高白度、调节聚合度和去除灰分。近年来，随着人们环保意识的增强，无元素氯（ECF）和全无氯（TCF）漂白技术越来越受到人们的重视，生物酶由于其高效性和环保性在溶解浆方面的使用也非常广泛。王义等[9]在制备竹溶解浆时采用氧碱漂白，取得了比较好的效果。陈彬等[10]发明了一种制备大麻秆溶解浆的方法，其中采用ECF漂白，采用H1EpH2A漂白，所得到的溶解浆白度78%ISO，α-纤维素含量88%；采用HA漂白，所得到的溶解浆白度74%ISO，α-纤维素含量90%。现在有些学者正致力于生物酶对溶解浆的处理，使溶解浆中半纤维素的含量降低，提高溶解浆的各项指标。GMGübitz等人[11]发现从米曲霉中得到的一种木聚糖酶和从细菌核中得到的一种甘露糖协同作用比单独使用一种酶溶出木聚糖和甘露糖的能力分别提高了50%和11%。

2现存的问题

2.1新原料有待开发

随着溶解浆需求量的急速增长，主要靠棉短绒来生产溶解浆已满足不了需求，特别是近年来种植棉花的耕地逐渐减少，开发新的原料势在必行。目前对采用新原料也有许多研究，例如，木材、竹子、蔗渣、麻类、麦草等。但是由于这其中有些原料存在自身的局限性，制备溶解浆比较困难，用于工业生产存在的问题也就更多。

2.2反应性能有待提高

现在人们对高质量溶解浆的需求日益增加，但是通过化学方法制得的浆粕中的α-纤维素含量不高，聚合度不均匀，反应性能较差，与生产黏胶纤维用浆粕的要求相差较大；用漂白木浆板制备溶解浆也面临浆粕反应性能差的问题，制备的溶解浆品质和档次低，很难满足高档产品生产对原料的要求。

2.3水解液难处理

目前制备溶解浆的方法主要有预水解硫酸盐法和亚硫酸盐法，由于亚硫酸盐法要求原料条件较严，主要用含树脂量较少的白松或部分阔叶材，其它材种很难适应此种制造方法的要求。预水解硫酸盐法对原料选择适应性则较广，而且使产品含树脂量低、可采用氧漂、二氧化氯漂等方法解决白度低的问题。因此，利用预水解硫酸盐法制备溶解浆成为发展趋势[12]。但是利用此种方法，在预水解过程中，无论采用水、蒸汽还是无机酸作为介质，水解液均呈酸性，难以处理。目前用水解液可以生产糠醛、木糖醇、饲料等，但是生产木糖醇或饲料必须先调节水解液的pH，目前水解液的除酸主要采用碳酸钙中和和离子交换两种方法，但都存在原材料消耗大、污染物排放多的弊端。再者，水解液中含有半纤维素转化的多糖、糠醛、有机酸、杂质等，有些杂质在生产中必须除去，这个过程也非常复杂。

3溶解浆的发展趋势

溶解浆的发展趋势很大程度上取决于溶解浆技术的发展和市场的需求。随着工业的发展和人们生活水平的提高，溶解浆的需求量会继续增加，尤其是对高质量溶解浆的需求，反应性能是溶解浆的重要性能参数，对化学试剂的可及度、反应程度、黏胶的过滤性能和产品强度及其它性能指标影响很大。因此，溶解浆的发展趋势主要是开发新原料应用于工业生产中和利用简单有效的方法获得高质量的溶解浆。

3.1开发新原料

国外制备溶解浆大都采用木材，而我国的森林资源匮乏，分布也非常不均，但我国有很多非木材资源，例如竹子、蔗渣、稻麦草、玉米秸秆、芦苇、麻类等。在我国南方，竹材资源丰富，并且竹材制溶解浆，α-纤维素含量可达94%以上，但反应性能较差，必须与桉木溶解浆混合使用，仅用于生产黏胶短纤维。玉米在我国作为一种主要的农作物，玉米秸秆资源在我国也是相当丰富的，而且其价格低廉，使用玉米秸秆作为原料不仅能解决制备溶解浆木材原料短缺的问题，又能降低成本。刘建华等[13]对玉米秸秆进行浸渍处理后，利用一次蒸煮、三次升温的碱法蒸煮方式制得了溶解浆，经漂白后，α-纤维素含量≥92.1%，黏度10.5±1mPa.s，白度≥81%ISO。造纸级浆板也可以用于制备溶解浆，冯涛等[14]利用本色未漂竹纸浆改性得到了溶解浆。该工艺碱液中加入了蒽醌及其衍生物，所得浆粕的α-纤维素含量85%～95%，黏度12～18mPa.s。

3.2改进溶解浆的反应性能

3.2.1化学方法

许多研究表明，化学处理对于降低半纤维素含量非常有效，而且加入一些化学药品可以保护纤维素，可以制备出高纤维素，低半纤维素和木素的较高性能的溶解浆。亚硫酸盐法溶解浆α-纤维素含量一般可达到90%～92%，预水解硫酸盐法溶解浆α-纤维素含量可达到95%～98%。马彩霞[15]研究了二甲基二环氧乙烷(DMD)预处理不同漂白工艺对马尾松浆粕性能的影响，通过测定浆料的聚合度、α-纤维素含量、白度确定出了最佳的DMD预处理工艺：丙酮∶过硫酸氢钾为6∶8、丙酮和过硫酸氢钾总量为14g／L、温度为60℃、时间为100min。对DMD预处理前后的浆料进行X射线衍射检测，结果发现：未处理前的纤维素结晶度为81.95％，处理后的纤维素结晶度为83.23％。MSarwarJahan[16]研究了预水解添加乙二胺的烧碱AQ法制备黄麻溶解浆，取得了很好的效果。

3.2.2生物方法

随着人们环保意识的增强，因为生物酶的高效性和环保性，近年来利用生物酶来提高溶解浆的反应性能的研究也有很多。吕卫军等[17]对毛竹预水解浆与非预水解浆的对比研究发现：预水解处理后浆料的灰分含量、铁离子含量高，锰酸钾值高，白度较低，不利于后续蒸煮和漂白。非预水解浆性能优于预水解浆，但聚戊糖含量偏高。他们在此前提下探索了非预水解浆生物处理降低聚戊糖的可行性及其浆料性质，结果发现：细菌性木聚糖酶和真菌性木聚糖酶能降低聚戊糖含量18.8%左右，二者差异不显著（P>0.05)。

3.2.3化学法与生物法混合

现在，有研究发现可以利用化学品与生物酶混合来制备溶解浆，并取得了不错的效果。张云等[18]采用木聚糖酶和NaOH协同处理，证明可以明显提高浆料中的α-纤维素含量，降低聚戊糖的含量。经过木聚糖酶和NaOH的协同处理，浆料能够满足大部分溶解浆的要求。另外，木聚糖酶和NaOH的协同处理可以很明显地除去浆料中的灰分，从而提高了溶解浆的洁净度。蒲俊文等[19]发明了一种运用化学和生物混合的方法制备竹材溶解浆的方法，具体方法是对漂白后的非预水解硫酸盐竹浆板进行细菌性木聚糖酶处理。其中使用细菌性木聚糖酶与Tween80共同作用于浆料，所得浆粕α-纤维素含量达到92.03%，聚戊糖含量为6.00%，聚合度为1367，白度88.4%ISO。本实验室[20]也采用生物酶和化学试剂发明了一种利用生物酶对溶解浆的纯化工艺，明显提高了α-纤维素的含量，具体工艺为将纸浆进行酸性水解处理，然后经过酶解处理。酸性水解的酸浓度为0.5%～1.0%，酶解处理中酶含量为0.1～0.8IU/g，半纤维素酶的含量为1～2IU/g。借助于酸性水解和酶解共同作用对半纤维素进行降解脱除，杨木溶解浆α-纤维素含量为97.0%，白度89.0%ISO；棉秆溶解浆α-纤维素含量为93.0%，白度68.0%ISO。

第8篇：纤维素水解范文

关键词：木质纤维素生物质；预处理；纤维素乙醇；酶法水解；发酵；纤维素；半纤维素；木质素

牛皮纸浆的糖化与同步糖化及发酵

吴卓晶

第9篇：纤维素水解范文

（浙江农林大学工程学院，浙江 临安311300）

摘要：以竹（Bambusa emeiensis）浆粕为原料，不同含水率的异丙醇和乙醇为反应介质，采用淤浆法制备羧甲基纤维素（CMC），并通过气相色谱法（GC）、傅里叶变换红外光谱法（FTIR）和X－射线衍射法（XRD）对原料和产物的结构和性能进行表征。结果表明，制备CMC的碱化和醚化条件及用量为竹浆粕5 g，30％的氢氧化钠17．5 mL，氯乙酸11．5 g，碱化温度25 ℃，醚化温度60 ℃，得到的最佳反应介质是含水率10％的乙醇。在此工艺条件下，CMC的增重率和黏度分别为30％和1 720 mPa·s。

关键词 ：竹（Bambusa emeiensis）浆粕；反应介质；含水率；羧甲基纤维素；增重率；黏度

中图分类号：Q81文献标识码：A文章编号：0439－8114（2015）03－0661-04

羧甲基纤维素（Carboxymethyl cellulose， CMC）是一种用途广，发展迅速的重要水溶性高分子纤维素醚，因具有优良的增稠、乳化、悬浮、分散、稳定、保水、膨化、赋形等功能，被广泛应用于食品、日化、医药、造纸、纺织、石油、建筑等领域，有着很好的应用前景，享有“工业味精”的美誉［1］。CMC是天然纤维素与氢氧化钠在溶剂中反应生成碱纤维素，再与氯乙酸反应生成CMC产品。CMC的重要指标有取代度和黏度。取代度是纤维素分子中葡萄糖基的羟基被羧甲基钠取代的数目，由于每个葡萄糖基上只有3个自由羟基可发生取代反应，所以其取代度最大是3［2］。CMC的黏度高低与原料的聚合度和α－纤维素含量有关，生产高黏度的CMC，就需要以高聚合度的精制棉［3，4］为原料加以制备，这是工业生产的普遍做法，具有一般代表性。本试验以竹（Bambusa emeiensis）浆粕为原料，采用淤浆法制备羧甲基纤维素，并且以黏度为主要评价指标，寻找合成高性能CMC的最优反应介质，以期为制备羧甲基纤维素提供参考。

1材料与方法

1．1材料与试剂

材料：粉碎过40目的四川永丰造纸厂慈竹（Bambusa emeiensis）硫酸盐浆粕（竹浆粕）。

试剂：无水乙醇、氢氧化钠、氯乙酸、乙酸，均为分析纯。

1．2仪器与设备

恒温水浴锅、恒速搅拌器、循环水式多用真空泵、微型植物粉碎机（FZ 102型）、送风定温干燥箱（WFO－710型）、分析天平（BS 224 S型）、旋转黏度计（HAAKE Viscotester 6 plus型）、气象色谱仪（GC－2010型）、傅里叶变换红外光谱仪（IR Prestige－21型）、X－射线衍射仪（XRD 6000型）。

1．3试验原理

纤维素与碱反应生成碱纤维素，简称碱化。碱化、醚化等主要反应

参考文献［5］。

1．4竹浆粕糖基组成及含量分析

糖基组成分析采用硫酸水解法，将高聚糖完全水解为中性糖和酸性糖，采用气相色谱法定量（Alditol－acetate procedure）［6］。在10 mL容积的玻璃试管中放入约20 mg材料，加入0．125 mL的72％硫酸，在室温下反应1 h后，加去离子水稀释成4％的硫酸，在121 ℃下水解60 min，冷却后加入内标肌醇充分混匀。用氨水将反应物pH调至中性，加入氢硼化钠还原反应液使其成为糖醇，用乙酸酐将糖醇乙酰化后，转入到2 mL小试管中，用高压氮气浓缩，按照以下条件进行气相色谱分析。分析柱用TC17毛细管柱 （25 m×0．25 mm，id），柱温210 ℃、恒温保持30 min，进样口温度和氢火焰检测器温度均为250 ℃。

1．5CMC的制备

量取不同含水率的异丙醇和乙醇溶液150 mL倒入250 mL三口圆底烧瓶中，然后再向三口圆底烧瓶滴加30％的NaOH 17．5 mL，并用玻璃棒搅拌均匀，最后加入5 g竹浆粕，在25 ℃下恒温搅拌60 min。碱化60 min后，向三口圆底烧瓶中加入11．5 g氯乙酸，并且在60 ℃下恒温搅拌120 min，得到CMC粗品。随后加入一定浓度的乙酸，在室温下中和至pH 7～8，然后用80％的乙醇洗涤2次，再用无水乙醇洗涤1次，每次200 mL，抽滤后在50 ℃下干燥至恒重，制得CMC成品。

1．6CMC增重率测定

竹浆粕质量为W0，CMC干燥至恒重测量其质量，记为W，则增重率公式为：

增重率＝（W－W0）／W0×100％

1．7CMC黏度的测定

采用黏度计（HAAKE Viscotester 6 plus型）测定2％ CMC水溶液的黏度：称取绝干的CMC 2 g，配成2％ CMC水溶液，通过搅拌使其全部溶解均匀，然后倒入小瓶内，选定合适的转子，于25 ℃下测定CMC的黏度。

2结果与分析

2．1竹浆粕糖基组成及含量分析

α－纤维素含量是表征浆粕质量最重要的指标，浆粕中α－纤维素含量高，有利于均匀地吸收碱液制得膨化均匀的碱纤维素，提高醚化反应的效率和反应均匀性，从而提高CMC产品的黏度和取代度［3］。α－纤维素是由β－D－吡喃型葡萄糖基以1，4苷键连接而成的线型高分子，其葡萄糖基的数量，即聚合度直接影响CMC水溶液黏度［7］。葡萄糖主要是α－纤维素的降解产物，得率为79．0％（为竹浆粕绝干重的百分比）。木糖得率为20．3％，是竹浆粕半纤维素的主要组分。阿拉伯糖得率为0．7％。半纤维素是具有支链、分子质量较纤维素低的非均一高聚糖，因此半纤维素的存在使α－纤维素含量减少，聚合度降低，但在工业生产中，为保证浆粕得率，尽量保留半纤维素。本研究采用半纤维素含量为20．3％的竹浆粕为原料，采用淤浆法制备CMC，研究不同反应介质及其含水率对CMC增重率和黏度的影响，确立最佳工艺条件。

2．2最优反应介质及其含水率的确定

为了取得高黏度CMC的最优反应介质及其含水率，分别选取常用的异丙醇和乙醇作为反应介质，然后设计不同含水率，分别是0、5％、10％、15％，共进行了8组试验，结果如图1和图2所示。由图1和图2可知，无论反应介质是异丙醇还是乙醇，均是在含水率10％时所制得的产物CMC的增重率和黏度最大。但是含水率10％的乙醇溶剂相对于含水率10％的异丙醇制得的CMC性能更优。说明该工艺制备CMC的最优反应介质是含水率10％的乙醇溶剂，所得到的CMC的增重率和黏度分别是30％和1 720 mPa·s。

2．3CMC的结构表征

如图3和图4所示，试验制得的羧甲基纤维素均在1 605 cm－1附近出现了强烈的吸收峰，这是羧甲基纤维素－CH2COONa基团中－C＝O的伸缩振动，从而证明了羧甲基化反应的完成［8］，进而说明了试验所得的产物均是羧甲基纤维素。3 441 cm－1附近的吸收峰表示羟基－OH的振动吸收峰，2 922 cm－1附近的吸收峰表示亚甲基－CH的伸缩振动，1 417 cm－1和1 325 cm－1附近的吸收峰分别代表－CH2和－OH的伸缩振动峰，1 065～1 160 cm－1是纤维素骨架－CH－O－CH2的振动区域［8，9］。

2．4原料与碱性纤维素的结晶性能

原料与碱性纤维素的XRD谱图如图5和图6所示。原料的X射线衍射峰的半圆锥角（2θ）出现在16．3　°、22．2　°、34．3　°，分别为天然纤维素101、101、002晶格面的衍射峰［10］，属于典型的纤维素Ⅰ型的特征峰。除了f和g在16．3　°有明显的衍射峰，其他的碱性纤维素在该处的衍射峰基本上消失了。f和g在22．0　°附近有较强的衍射峰，说明它们的纤维素Ⅰ型结构发生了较小的晶型变化。h和i的主要衍射峰出现在21．0　°左右，b、c、d和e的主要衍射峰均出现20．6 °左右，而22．2 °的衍射峰基本上消失了，这说明它们经过碱化后已经由纤维素Ⅰ型的结构变成了另外一种结构。由衍射峰的位置可以推断，这种结构为纤维素Ⅱ型［11］。结合表2中碱性纤维素结晶度的变化可知，天然纤维素的结晶已经被不同程度地破坏了。

由纯异丙醇为反应介质制备的碱性纤维素的结晶度较纯乙醇制备的碱性纤维素小［12］。这是因为在纯乙醇溶剂中，由于乙醇的极性大，NaOH在乙醇中的溶解度高，NaOH、水和乙醇几乎属于均相共存，当碱用量一定时，乙醇的存在使体系中的NaOH浓度明显降低；另外，由于Na＋外层同时吸附有乙醇和水分子，水化离子半径较大，不利于其向纤维原纤间渗透，过渡区氢键打开迟缓，更难进入结晶区。而NaOH在异丙醇中的溶解度较低，减小了水合离子的尺寸，易于渗进原纤之间，拉大原纤间距离，过渡区大分子间、分子内氢键被迅速破坏。相对于纯乙醇溶剂，Na＋在异丙醇体系中的浓度更高，并且其水合离子外层更多的是水分子，尺寸较小，易于渗透并被纤维素有效吸附，可有效拉大原纤间距离，加速过渡区乃至结晶区分子间、分子内氢键的破坏，所以其结晶度相对较小，碱化效果更好。

对于同一反应介质，随着含水率的增加，碱性纤维素的结晶度呈先减小后增大的趋势。这是因为溶剂中含水率的增加可能使部分贯穿于竹浆粕纤维素中的半纤维素分离出来，从而使得Na＋更易于渗透并被纤维素有效地吸附，加速了过渡区红外结晶区分子间、分子内氢键的破坏；但是随着含水率的继续增加，NaOH浓度明显降低，且Na＋的水合离子半径变大，不利于其向纤维原纤间渗透，以及对过渡区和结晶区氢键的破坏。所以，反应介质含水率的增加使得碱性纤维素的结晶度呈先减小后增大的趋势。

由于碱性纤维素结晶度的减小更有利于氯乙酸的充分反应，从而使制得的CMC的性能指标更优，这与本试验结果中CMC的增重率和黏度的变化相一致。

3结论

1）以半纤维素含量20．3％的竹浆粕为原料，可制得高增重率（30％）和高黏度（1 720 mPa·s）的羧甲基纤维素产品。

2）以竹浆粕为原料制备高性能羧甲基纤维素的最佳反应介质是含水率为10％的乙醇。

3）纯异丙醇相较于乙醇制备的碱性纤维素，前者的碱化效果更好。对于同一种介质，随着含水率的增加，碱性纤维素的结晶度呈先减小后增大的趋势。

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