農林廢棄物高值化利用：提高納米纖維素纖絲化程度

造紙工業中，麥草用於製漿前須篩選除去麥草中的麥穗、根部及部分葉片等，這些不適合造紙的麥草部分形成麥草製漿廢棄物，統稱「麥糠」，約佔麥草原料量的20%左右。高值化利用這些纖維素廢棄物資源已成為麥草製漿工廠亟需解決的問題。其中，關鍵要素是除去麥糠中的大量灰分和破壞纖維素、半纖維素、木質素間的緻密結構。

近日，南京林業大學戴紅旗教授課題組設計了一種綠色環保且低成本的製備工藝將麥糠纖維素廢棄物轉化為納米纖維素纖絲（圖1）。相關內容發表在農業工程領域名刊《Bioresource Technology》上。文章題目為「Improving cellulosenano fibrillation of waste wheat straw using the combined methods of prewashing, p-toluenesulfonic acid hydrolysis, disk grinding, and endoglucanase post-treatment」，輕工與食品學院卞輝洋博士和本科生高瑩為文章並列第一作者。

圖1.農林廢棄物麥糠製備高附加值納米纖維素纖絲的實驗流程圖

通過簡單的水洗處理去除麥糠中大量遊離灰分，然後使用可回收的對甲基苯磺酸水解溶出大量木質素，接著超微粒粉碎機機械處理批量化製備纖維素納米纖絲，最後用纖維素內切酶後處理進一步提高納米纖絲化程度。整個製備過程無需添加任何催化劑，綠色環保，實現高灰分、高木素含量的農林廢棄物資源的高效利用。

圖2 水洗滌用量對麥糠灰分含量和酸水解物殘餘木質素的影響（左圖）；麥糠原料和水洗麥糠酸水解殘渣X-射線衍射圖（右圖）

化學組分分析和X射線衍射儀結果表明，麥糠經水洗和酸水解後，灰分和木素含量顯著下降，分別從35.3 %減少到9.62 %和從18.56 %減少到10.05 %。同時發現麥糠原料中的灰分大部分為二氧化硅（SiO2），還包括少量的鉀長石（KAlSi3O8）、石灰石（CaCO3）和鈣長石（CaAl2Si2O8），經過水洗和酸水解處理還殘餘少量的二氧化硅（圖2）。

圖3 麥糠原料實物圖、未水洗麥糠和水洗麥糠製備的納米纖維素原子力顯微鏡

未水洗預處理的麥糠酸水解後盤磨處理得到的LCNF相互纏繞在一起，形成濃密的網狀結構，部分纖維的長度仍在微米級，同時樣品中殘餘大量的木質素納米顆粒和灰分；增加洗滌處理的去離子水質量，在酸處理條件相同的情況下，所得的LCNF分散性變好，同時尺寸分布也更為均勻，表明水洗處理能促進酸水解麥糠殘渣的微纖絲化（圖3）。根據原子力顯微鏡圖軟體計算分析可以得到麥糠、50倍水洗麥糠和500倍水洗麥糠所得的LNCF纖絲尺寸分別約為160 nm、120 nm和60 nm。纖維素內切酶處理隨機切斷纖維素分子鏈上的糖苷鍵，使得納米纖維素尺寸進一步減少，從而獲得分散更好、尺寸分布更為均勻的LCNF（圖4）。

圖4 纖維素內切酶處理後得到的纖維素納米纖絲原子力顯微鏡圖和酶解前後納米纖維素的尺寸比較

當然，這種工藝除了製備麥糠納米纖維素外，還可以通過改變纖維素酶種類和處理條件將纖維素催化降解成單糖，繼而被不同微生物發酵成各種能源或化學品，實現農林廢棄物纖維素資源的多功能化利用。

文獻鏈接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0960852418302220

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