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        NaHCO3-蒸汽爆破法預(yù)處理一次性筷子的研究

        2015-10-26 09:11:18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
        中國食品工業(yè) 2015年12期
        關(guān)鍵詞:結(jié)晶度法測定木質(zhì)素

        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

        [1]崔美,黃仁亮,蘇榮欣等.木質(zhì)纖維素新型預(yù)處理與頑抗特性[J].化工學報,2012,63(3):677-687.

        [2]亢能,劉忠,惠嵐峰.木質(zhì)纖維原料生產(chǎn)燃料乙醇的蒸汽爆破預(yù)處理技術(shù)[J].釀酒科技,2011,(209):17-20.

        [3]Li, A., Antizar-Ladislao, B., et al. Bioconversion of municipal solid waste to glucose for bio-ethanol production [J]. 2007, 30(3): 189-196.

        [4]祝其麗,何明雄,譚芙蓉等.木質(zhì)纖維素生物質(zhì)預(yù)處理研究現(xiàn)狀[J].生物技術(shù)進展,2015,5(6):414-419.

        [5]GB 5009.3-2010.食品中水分的測定[S].

        [6]GB 5009.4-2010.食品中灰分的測定[S].

        [7]熊素敏,左秀鳳,朱永義.稻殼中纖維素、半纖維素和木質(zhì)素的測定[J].糧食與飼料工業(yè),2005,(8):40-41.

        [8]顧立公.微量間接碘量法測定一次性筷子中的二氧化硫[J].中國衛(wèi)生檢驗雜志,2010,20(11):3034-3035.

        [9]吳晶晶,李小保,葉菊娣等.堿預(yù)處理對大麻稈漿纖維素性質(zhì)的影響[J].南京林業(yè)大學學報(自然科學版),2010,34(5):96-100.

        [10]吳錦遠.碘吸收法測定纖維素纖維結(jié)晶度和測序分布中的某些問題[J].化學通訊,1980,(2):67-79.

        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)。

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