摘要
本研究以玉米秸秆皮、髓、叶、鞘部位为研究对象,通过多种手段对玉米秸秆不同部位的化学组分及纤维形态进行分析研究。研究结果表明,玉米秸秆全秆纤维束含量为51.19%,杂细胞含量高。其中,玉米秸秆皮中纤维束含量最多,占全秆纤维束的47.96%,α-纤维素含量为36.99%;叶和鞘纤维束含量占比分别为22.33%、23.65%;髓纤维束含量最少,为6.06%;秸秆皮纤维数均长度为1.17 mm,长宽比最大,为80.41,髓部纤维最短,对全秆纤维贡献率最低。
随着国民经济的快速发展,人们物质文化水平逐渐提高,“限塑令”推动物流包装等行业的发展,带动了我国造纸行业的快速发展,纸和纸板消耗量不断攀升。由于我国木材纤维资源匮乏,“禁废令”发布后二次纤维资源紧缺,造成我国造纸业面临纤维原料供应短缺的挑
我国农作物秸秆产量大,年产量达9.84亿t,其中玉米秸秆产生量占比最高,达41.92
针对玉米秸秆结构的特殊性,本课题研究玉米秸秆纤维皮、髓、叶、鞘4个部位的纤维含量、化学组分、纤维形态,探究玉米秸秆原料的特性,为玉米秸秆在制浆造纸行业的高效利用提供一定的理论基础。
玉米秸秆取自黑龙江省肇东市,全秆备料,切成约20~40 cm小段,根据宏观形态划分为4个部位:皮、髓、叶、鞘。分别将4部位粉碎,取40~60目的粉末供化学组分分析使用,选取不同部位中成熟度好且具有代表性的样品,切成4 cm小段供纤维结构观察使用。
实验主要药品和仪器设备见
名称 | 规格型号 | 生产厂家 |
---|---|---|
NaOH | 分析纯 | 天津市天大化学试剂厂 |
H2SO4 | 分析纯 | 北京化工厂 |
苯 | 分析纯 | 莱阳市双双化工有限公司 |
95%乙醇 | 分析纯 | 莱阳市双双化工有限公司 |
盐酸 | 分析纯 | 天津市天大化学试剂厂 |
亚氯酸钠 | 分析纯 | 天津市天大化学试剂厂 |
冰乙酸 | 分析纯 | 天津市天大化学试剂厂 |
30%过氧化氢 | 分析纯 | 天津市天大化学试剂厂 |
电热恒温水浴锅 | DK-98-1型 | 天津市泰新仪器有限公司 |
电子调温电热套 | 98-I-B | 天津市泰斯特仪器有限公司 |
循环水式多用真空泵 | SHB-B88 | 郑州长城科工贸有限公司 |
植物粉碎机 | JFSD-100 | 上海嘉定粮油仪器有限公司 |
分析天平 | BAA2245-CW | 赛多利斯有限公司 |
电热鼓风干燥箱 | GZX-9146MBE | 博讯医疗生物仪器有限公司 |
扫描电子显微镜 | QUANTA200 | FEI仪器有限公司 |
纤维仪 | XWY-VII | 北京伦华科技有限公司 |
光学显微镜 | ECLIPSE Ci-L | 尼康(上海)仪器有限公司 |
目前植物纤维原料杂细胞含量测定方法主要为面积法和质量法。但由于玉米秸秆组织结构复杂,采用面积法和质量法测定实验量较大且精度较难保证,因此本课题尝试采用一种相对稳定的方法来测定玉米秸秆杂细胞含量和不同部位纤维分布情况。通过生物形态学观察可以判断,玉米秸秆中的纤维集中在纤维组织带和维管组织中,因此本研究用纤维组织和维管束的含量表示纤维含量。具体分离方法如下。
采用中点四分法取样,选出一定具有代表性的植株,对单株不同部位按质量比例进行分类取样。在取样有代表性的背景下将质量浓度为8%的玉米秸秆在水力碎浆机中(1500 r/min)疏解1 min。水力冲击作用使得细胞壁厚存在差异的纤维细胞和薄壁细胞分离,再通过筛分分离出纤维物质,本研究中将通过此方法分离出的不同部位纤维物质称为纤维束。具体流程参照本课题组湿法除髓方法进
本研究对玉米秸秆不同部位的灰分、1% NaOH抽出物、苯-醇抽出物、酸不溶木质素、酸溶木质素、综纤维素、多戊糖、α-纤维素、水抽出物等组分含量进行分析。测定标准见
分析指标 | 标准 |
---|---|
灰分 | GB/T 742—2008 |
1% NaOH抽出物 | GB/T 2677.5—1993 |
α-纤维素 | GB/T 744—2004 |
苯-醇抽出物 | GB/T 10741—2008 |
酸不溶木质素 | GB/T 747—2003 |
酸溶木质素 | GB/T 10337—2008 |
综纤维素 | GB/T 2677.10—1995 |
多戊糖 | GB/T 2677.9—1994 |
水抽出物 | GB/T 2677.4—1993 |
为观察玉米秸秆不同部位纤维形态的差异,本研究采用以下方法进行分析:将玉米秸秆不同部位切成火柴棍大小,取2 g样品置于沸水中煮3 h直至秸秆沉底,在65 ℃下用冰醋酸和30%过氧化氢的混合液(100 mL,体积比1∶1)处理试样5 h直至试样分离成单根纤维,洗净纤维,转移至纤维解离器中解离备用。
测定纤维长度和宽度:用吸管吸取约1 mL的纤维悬浮液,均匀地分散至载玻片上,将载玻片干燥后滴2~3滴番红染色剂,盖上盖玻片吸干多余水分备
在测定玉米秸秆全秆纤维长度时,为确保取样的代表性,按照不同部位的质量比对各部位分别取样后再进行测定。
不同部位纤维对全秆纤维贡献率由
(1) |
式中,x表示不同部位纤维数均长度;k表示不同部位纤维束占总纤维束比例。
玉米秸秆与其他禾草类原料相比,杂细胞含量较大,且各个部位纤维含量差异较大,皮、髓、叶、鞘4个部位纤维束含量测定结果见
秸秆部位 | 占全秆比例 | 纤维束含量 | 纤维束占全秆比例 | 纤维束占全秆纤维束比例 |
---|---|---|---|---|
皮 | 37.28 | 90.00 | 24.55 | 47.96 |
髓 | 15.94 | 28.33 | 3.10 | 6.06 |
叶 | 27.27 | 38.07 | 11.43 | 22.33 |
鞘 | 19.51 | 62.08 | 12.11 | 23.65 |
合计 | 100.00 | — | 51.19 | 100.00 |
注 比例均为质量比。
值得注意的是,玉米秸秆的叶和鞘中含有一定量的纤维束,分别占全秆纤维束的22.33%和23.65%。由此说明传统的干法备料所采用的风旋手段会致使纤维原料中一定量的叶损失。因此本课题组提出了湿法除髓方法,采用水力冲击的方式去除髓细胞,以最大程度地保留玉米秸秆纤维。
不同部位的玉米秸秆纤维含量有差异,发挥的功能也不同,因此不同部位化学组分差异也较大。玉米秸秆皮、髓、叶、鞘4部位的化学组分见
秸秆部位 | 灰分 | 冷水抽出物 | 热水抽出物 | 1% NaOH抽出物 | 苯-醇抽出物 | 综纤维素 | 木质素 | 多戊糖 | α-纤维素 |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
皮 | 4.14 | 15.65 | 16.10 | 49.13 | 6.58 | 65.78 | 17.45 | 12.71 | 36.99 |
髓 | 5.68 | 19.65 | 19.69 | 53.74 | 10.13 | 63.67 | 12.25 | 16.88 | 32.82 |
叶 | 7.80 | 10.30 | 11.52 | 53.22 | 3.49 | 69.80 | 17.09 | 13.36 | 34.51 |
鞘 | 6.11 | 7.50 | 9.59 | 49.56 | 3.28 | 64.91 | 17.34 | 13.82 | 36.36 |
玉米秸秆不同部位不仅外形上有差异,各部位的细胞形态也有很大的差异,不同部位的细胞形态如

图1 玉米秸秆不同部位纤维形态
Fig. 1 Cell morphology of different parts of corn stalk
为观察玉米秸秆的微观形貌,选取4个部位中外观形态差异最大的皮和髓横截面进行SEM观察,结果如

图2 玉米秸秆皮、髓横切面SEM图
Fig. 2 SEM images of bark and pith corn stalk (cross-section)
纸张的性能在很大程度上与纤维的形态密切相关,一般情况下,在一定范围内,细而长的纤维能提高纸张的抗张强度、耐破度和耐折
玉米秸秆不同部位不仅在纤维束含量上有区别,纤维的长度和宽度也存在差别,不同部位纤维数均长度和宽度测量结果如

图3 玉米秸秆不同部位纤维长度、 宽度
Fig. 3 Fiber length and width in different parts of corn stalk
注 质量比为不同部位纤维束占总纤维束比例。
除纤维长度外,纤维原料长度分布的均一性同样会对其制浆成纸特性产生较大影

图4 玉米秸秆不同部位纤维长度的频率分布图
Fig. 4 Frequency distribution of fiber length in different parts of corn stalk
因此,在制浆时,若以纤维利用为主,备料时应着力保留玉米秸秆皮,通过水力冲击作用去除杂细胞,舍弃对纤维总量贡献占比弱且杂细胞含量多的部位(叶和髓),以便最大程度规避杂细胞对纤维利用的干扰,保证纤维分布的均一性。
本课题研究了玉米秸秆叶、皮、髓、鞘不同部位的化学组分及纤维形态,结论如下。
3.1 玉米秸秆纤维束含量较少,不同部位纤维束含量存在差异,其中47.96%的纤维束分布在皮中,叶和鞘中纤维束含量相近,分别占全秆纤维束的22.33%和23.65%。
3.2 玉米秸秆皮中α-纤维素和木质素含量最高,多戊糖和灰分含量最低;髓部α-纤维素含量最低,抽出物含量较高;叶中灰分含量最高。
3.3 玉米秸秆皮纤维数均长度、长宽比最大且对全秆纤维贡献率最高,髓纤维数均长度、长宽比最小,但对全秆纤维贡献率最低。玉米秸秆皮和叶的纤维长度频率分布基本呈正态分布;髓部的细小纤维含量最多,约90%的纤维数均长度都分布在1.0 mm以下。
参 考 文 献
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