杨木制备纤维化学成分分析范文

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《中南林业科技大学学报》2015年第二期

1材料与方法

1.1实验材料原料：均采自湖南常德汉寿县杨木速生基地，9年生的美洲黑杨Populusdeltoides，胸径11.2m以上。树高21m以上，2012年6月采样分析，2013年12月分析检测。蒸汽爆破预处理和菌处理后的杨木由中南林业科技大学生物乙醇研究中心提供。药品：氢氧化钠（分析纯AR），硝酸（AR），95%乙醇（AR），溴酸钾（AR），溴化钾（AR）为国药集团化学试剂有限公司；氯化钠（AR），苯（AR），硫酸（AR），氯化钡（CP），盐酸（AR）株洲市星空化玻有限责任公司；硫代硫酸钠（AR），碘化钾（AR），淀粉（AR），酚酞（AR），甲基橙（AR）天津大茂化学试剂厂。主要仪器：索氏抽提器，糠醛蒸馏装置、量筒、烧杯、抽滤瓶、碱式滴定管、砂芯漏斗、容量瓶、具塞锥形瓶（250/500/1000mL）、烘箱、干燥器，电炉，PB403-N电子天平，郑州长城科工贸有限公司；SHZ-D（III）循环水式真空泵，巩义市子华仪器有限责任公司，高温炉。

1.2实验方法实验各项目分析方法均采用木材化学成分分析国家标准进行[6]。其中纤维素采用硝酸乙醇法测定；半纤维素采用二溴化法测定；木质素采用Klason法测定[7]；氢氧化钠抽出物含量测定所用的NaOH浓度为0.998%；苯醇抽提物含量测定所用苯∶乙醇为2∶1；蛋白质测定方法采用凯氏定氮法测定。

2结果与分析

2.1抽提物木材中的抽出物主要为木材中少量的低分子成分，大部分储存于细胞间隙与细胞腔中，木材中所含抽提物的含量与种类因生长立地条件不同而有所差异。一般而言，冷水抽提物包含单宁、色素、生物碱(主要为它的盐类)，可溶性矿物成分及某些单糖；热水抽提物除含有上述成分外，还包含有淀粉和果胶质；1%NaOH抽提物除包含更多量的热水抽提物的各种成分外，还含有蛋白质、氨基酸、部分半纤维素、木质素的低聚物，以及少量油脂、蜡、树脂和香精油；苯、乙醇抽提物中，主要有树脂、蜡、脂肪、香精油、单宁、色素、部分碳水化合物和微量的木质素[7]。从表1可以看出原木试样的抽提物含量和一般阔叶木中所含结果没有多大区别。如表1所示，经过爆破处理后的试样抽出物含量均高于原木试样，这说明原木在高温和稀酸处理下组分发生了变化，特别是高分子化合物。如图1，从1%氢氧化钠抽提物的含量比原木提高了近20个百分点，热水抽提物是原木的一倍左右可以看出爆破预处理后半纤维素降解为一些小分子的有机物。而在菌处理的杨木中NaOH抽提物高达到59.7%，这说明细菌将木材中大分子有机物分解成低聚物，因此NaOH抽提物也可以作为判断木材是否腐朽的一个重要指标。从表1可以看出，对菌处理后的试样各抽出物含量均大于其他两项，这是因为菌处理使得大部分纤维素转化为乙醇和分解残留的小分子。菌处理后的木材的抽出物除原木中所含的少量成分外，有木材中的高分子降解后的低聚物，也有菌种在对木材作用后产生的代谢低分子产物以及部分培养菌种所必须的培养基溶液，使1%氢氧化钠抽提物的含量又提高了近20多个百分点。

2.2灰分灰分是树木生长不可缺少的营养成分，原木试样中的灰分为0.66%，属于阔叶材中灰分一般的树种，经爆破处理后，部分可溶性钾、钠盐灰分溶解在水中，剩下不溶的钙、镁盐类，所以这时的灰分有所降低。菌处理属于生物反应工程，灰分的存在对其会有一定的影响，控制一个适宜的环境对于反应过程至关重要。所以菌处理后的灰分又所增加，这是菌种在进行反应过程中产生了代谢产物以及加入了适宜菌种生存的培养基溶液造成的。

2.3半纤维素与纤维素木材细胞壁主要是由纤维素、半纤维素、木质素组成。纤维素和半纤维素是可供生物乙醇发酵的主要成分。蒸汽爆破预处理利用木材细胞壁组分在165℃会发生热解的原理，从而在高温高压酸性环境下加速这种热解反应，将部分纤维素和大部分半纤维素水解为五碳糖和六碳糖。如图2对比蒸汽爆破前后的半纤维素含量和热水抽提物含量，我们可以看出木材在酸性水蒸气的条件下，经过高温高压（3MPa、200ºC以上）处理使得原细胞壁被破坏，半纤维素基本被热水解，这就使得1%NaOH溶液和苯醇抽提物含量均比原木抽提物显著提高。蒸汽爆破将大量半纤维素水解为较小单元对后期菌处理有所贡献，在较大改变木材原结构的同时对纤维素的水解贡献大，适宜作为生物乙醇生产的预处理步骤。而经过菌处理后，木材的纤维素基本被酶水解，故抽提物含量也大大增加。纤维素的含量在经过蒸汽爆破处理后略有提高，这是由于蒸汽爆破将大部分半纤维水解并流失到溶液中，使得原料的质量减少而导致纤维素有所提高；而经菌处理后的试样纤维素含量显著降低而半纤维素基本没有减少，说明混合纤维素酶主要酶解的是纤维素。同时，由于随着纤维素酶解含量的降低使得基数变小，导致了酸不溶木素含量的增加。

2.4木素木质素是由苯丙烷单元通过醚键和碳碳键连接而成的聚酚类三维网状高分子芳香族化合物[9]，由于其结构复杂，分子大，很难进入到细胞内部供微生物吸收利用，因此木质素对生物乙醇的生产是没有贡献的。由图3数据可知，无论是蒸汽爆破预处理还是菌处理对木质素总量的影响都不大。而最后经过细菌处理的剩余产物中的主要成分为木质素，由此可知，如何高效合理的利用菌处理后的木质素是回收再利用生物乙醇发酵剩余产物的关键。

作者：闫兴伟崔琳张林王芳陈茜文单位：中南林业科技大学材料科学与工程学院