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玉米秸秆木素的化学结构及热解特性＊王少 玉米秸秆木素的化学结构及热解特性＊ 王少光 武书彬 郭秀强 郭伊丽 （华南理工大学 制浆造纸工程国家重点实验室，广东 广州 510640） 摘 要：采用木聚糖酶处理与缓和酸水解相结合的分离方法从玉米秸秆皮质部和玉米全秆 中分离出木素，所得木素称为 EAL 木素. 用定量核磁共振磷谱（31 P-NMR）分析了 EAL 木素 的化学结构，并用热重分析法初步评价了分离木素的热解特性. 结果表明：玉米全秆 EAL 木 素主要由愈疮木基单元（G-lnit）和对羟苯基单元（H-lnit）两种结构单元组成；玉米秸秆皮质 部 EAL 木素主要由对羟苯基单元组成；皮质部 EAL 木素和全秆 EAL 木素的失重曲线基本 相同；在 800. 00 C 时，全秆木素未被分解的部分占 12. 38% ，而皮质部的占 21. 06% . 关键词：玉米秸秆；木素；化学结构；核磁共振磷谱；热解特性 中图分类号：0 621. 2；X 793 文献标识码：A 随着石油、煤炭等不可再生资源的逐渐减少，从 农业秸秆等可再生资源转化获得新材料、高热值能 源和化工原料等已成为一种重要的发展新趋势；将 秸秆等生物质转化为清洁燃料或化工原料，发展秸 秆化工技术是 21 世纪的重要研究课题. 木素结构的研究已有多年的历史. 研究木素化 学结构特性的首要问题是如何从纤维原料中获得具 有代表性的原本木素. 早期的木素分离技术是使用 强无机酸，这类分离方法虽可得到大量木素，但在强 酸 性 条 件 下，木 素 化 学 结 构 会 发 生 显 著 变 化. Bjirkman［1］在 20 世纪 70 年代提出的分离磨木木素 （MWL）方法有很大优点，但存在被分离出来的木素 能否代表纤维中的原本木素等疑问［2］. 在改进木素分离方法方面，许多学者做了大量 的工作，例如，Pew 和 Weyna［3］用商业纤维素酶处 理球磨后的木粉，以便有选择性地降解聚糖. Chang 等人［4］发展了纤维素酶降解木素（ CEL）的方法，这 种方法分离得到的木素结构特性与磨木木素相比， 没有明显的差异，而产量显著提高. CEL 方法的缺点 是需要较高的纤维素酶用量（ 可造成木素氮元素含 量的显著增加）、使用大量的溶剂、分离时间长、工 作量大，对草类纤维木素的产量没有显著的提高. 1956 年 Bjirkman［5］第一次提出木素 - 碳水复 合体（LCCS）的存在. 后来的研究结果表明，部分木 素和碳水化合物间由共价键连接在一起［6］. 部分 LCCS 能溶解于酸性水介质或二氧六环与水的混合 物中［7-8］，使从纤维原料中分离得到高纯度、高得率 的木素受到一定的局限. 有关秸秆热解的研究结果表明［9-10］，木素的热 解特性最复杂，其化学结构对热解产物影响也最大. 本研究应用已成功分离木材纤维木素［11］的 EAL 法 分离玉米秸秆皮质部木素和玉米全秆木素，并应用 定量核磁共振磷谱（31 P-NMR ）分析其化学结构特 性；同时采用热重分析等手段进一步探讨玉米秸秆 皮质部木素和玉米全秆木素的热裂解特性. 收稿日期：2005- 07- 01 ＊基 金 项 目：国 家 自 然 科 学 基 金 资 助 项 目（；中科院广州化学所纤维素化学重点实验室访 问学者基金资助项目（创-109） 作者简介：王少光（1977-），男，博士生，主要从事二次纤 试验方法 试验用玉米秸秆取自河北赵县地区. 化学分析 原料及所分离木素的化学成分分析按照参考文 1 1. 1 维资源高效清洁利用方面的研究 ： 华 南 理 工 大 学 学 报（自 然 科 学 版）第 34 卷40木素的分离玉米秸秆皮质部和玉米全秆在实验室 华 南 理 工 大 学 学 报（自 然 科 学 版） 第 34 卷 40 木素的分离 玉米秸秆皮质部和玉米全秆在实验室用 Wiiiey 粉碎机粉碎、筛分，取通过 60 目、截留在 40 目上的 组分，用丙酮抽提48 1，风干后，在室温下用真空烘 干箱干燥. 储存于干燥器中，供分离酶处理与缓和酸 水解木素（简称 EAL 木素）使用. 1. 2 结果与讨论 玉米秸秆的化学成分 表 1 给出了玉米全秆和玉米秸秆皮质部的化学 2 2. 1 成分. 从表 1 中可以看出，两者在化学成分上有很大 的差异. 玉米全秆的灰分、1% 氢氧化钠抽出物、苯醇 抽出物和聚戊糖含量都高于玉米秸秆皮质部的相应 含量，Kaison 木素含量也有相同的规律. 而玉米秸秆 皮质部的硝酸乙醇纤维素、综纤维素则要高于相应 玉米全秆的相应含量. 这是因为玉米全秆比玉米秸 秆皮质部含有更多的玉米穰和叶片，这是造成玉米 全秆中灰分、抽出物、聚戊糖和木素含量较高的原 因. 而玉米秸秆皮质