全 文 ：大气中温室气体排放的持续增加和世界石油供
应的短缺，使得寻求可替代化石燃料的资源变得越
来越紧迫。使用生物质燃料能够有效减少大气中二
氧化碳的净排放量，因此，越来越多的研究集中在
森林生物质精炼的综合利用。在这一前提下，除了
生产浆料，浆厂会在制浆之前将预水解过程中溶出
的半纤维素（低聚物和单糖）制备成新的生物质材
料和生物质燃料，这样不仅可以增加收益，而且能
够减少温室气体的排放。理想的生物质精炼的综合
利用过程并不会改变制浆得率，唯一有可能改变的
是木质纤维原料中的化学组分，有些化学组分被用
来生产具有更高经济效益的产品。
孟加拉是一个森林资源贫乏的国家，因此寻找
可替代的纤维原料显得尤为重要。目前已对玉米
秆、甜根子草以及甘蔗渣等农业废弃物作纤维原料
进行了大量研究。早在1960年，就有用甘蔗渣生产
溶解浆和a -纤维素含量高的浆料的报道。但是，甘
蔗渣中髓的存在使浆料的性质很难达到预期的效
果。甘蔗渣中33%～35%（质量分数，下同）都是
髓，而玉米秆和甜根子草中髓含量大约分别为21%
和25%。Kulkarni等人研究了制浆过程中髓对制浆
和黑液性质的影响。在传统湿/干法除髓过程中，
Effect of Pre-hydrolysis on the Soda-anthraquinone Pulping of
Corn Stalks and Saccharum Spontaneum (Kash)
崔　立（Cui Li）编译
摘　要：玉米秆和甜根子草都是农业废弃物。这两种原料中髓的存在（占原料总量的
20%～35%）使得蒸煮后的浆料很难达到满意的效果。若想得到较高质量的浆料，就需要
在蒸煮前将髓去除。在对玉米秆和甜根子草烧碱-蒽醌法制浆前进行预水解，主要是去除
原料中的髓和半纤维素，并以此来生产燃料和化学品。在150℃条件下预水解反应1 h，每
吨玉米秆/甜根子草能够溶出50～60 kg糖、28～34 kg木素以及8～22 kg乙酸。与未预水解
的原料相比，预水解的原料制浆后细小纤维含量较少，浆料滤水性能提高，撕裂指数较
高，但抗张指数较低。为降低化学品用量，需对预水解条件进行优化。采用D0EPD1漂白之
后，预水解原料后制得的浆料的得率、强度性能及漂白性能均与未预水解原料制得的浆料
相近。
预水解对玉米秆和甜根子草
　　　烧碱-蒽醌法制浆的影响
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纤维受到了严重破坏，而机械法除髓对环境的影响
较大。在传统除髓过程中，锤击对纤维有较大的损
伤，部分纤维会随髓的脱除而流失。
为了获得质量更好的纸浆，有效去除玉米秆和
甜根子草中的髓一直是研究的热点。前期研究发
现，对甘蔗渣进行预抽提能够有效去除髓，同时，
还能提高预抽提液中的糖含量。玉米秆和甜根子草
的髓中含有大量半纤维素，这些被脱除的半纤维素
可以用来生产更高附加值的产品。
对髓含量较高的原料在制浆前进行碱或酸的预
抽提，能够降低原料中的髓含量和提高抽提液中
的糖含量。半纤维素能够直接以聚合物的形式被
用来生产新型工业产品，如生物高聚物、水凝胶
以及具有热塑性的聚木糖衍生物；如果半纤维素
被水解，这些糖类物质还能够被发酵为燃料，如
乙醇。预抽提不仅可以去除原料中的髓，还能回
收半纤维素。
本研究首先采用热水预水解的方式去除玉米秆
和甜根子草中的髓，并对半纤维素进行回收；随
后，对预水解的玉米秆和甜根子草进行烧碱-蒽醌法
蒸煮，并评价了浆料的质量和漂白性能。
1　实　验
1.1　原料
将收集好的玉米秆和甜根子草切成长度为2～3
cm的草段，置于阴凉处平衡原料水分。测定水分
之后，将100 g（以绝干计）原料装入塑料袋中备
用。
1.2　化学成分分析
原料中的髓和化学组分按照TAPPI标准方法测
定，抽出物：T204 om88，水溶性：T207 cm99，
Klason木素：T211 om83。 利用NaClO2溶液制备综
纤维素。用乙酸-乙酸钠缓冲液将溶液的pH值调至
4，用17.5%的NaOH处理综纤维素以测定a -纤维素
含量（T203 om93）。
1.3　预水解
使用电加热的油浴锅进行预水解实验，该油
浴锅有 4个小罐，每个小罐的容积为 1 . 5 L，
转速1 r/min。热水预水解在150℃下处理1 h，液比
1∶6，达到最高温度所需时间为50 min。预水解实
验结束后，用冷水冷却小罐，收集罐中的液体备
用。
1.4　木素含量的测定
预水解液中的可溶性木素可以用紫外分光光度
计在波长205 nm或280 nm下测定。在波长为280 nm
下，糠醛和羟甲基糠醛的吸收系数为木素的10倍以
上，这会对木素的吸收峰产生强烈影响；在波长为
205 nm下，糠醛和羟甲基糠醛的吸收系数很小，因
此，在该波长下测定木素含量。
1.5　乙酸含量的测定
用无水硫酸钠对预水解液中的乙酸进行脱水。
利用气相色谱法（GC）测定乙酸含量（进样量为1
mL），纯冰乙酸用作参考标准。所用气相色谱仪为
日本岛津公司生产，型号为14B，搭载Class GC-10
（version-20）系统。采用FID（氢火焰离子化检测
器），FAMEWAX毛细柱（长15 m，内膜镀层0.25
mm）。进样测试之前，将柱温升至180℃，并保
持2 h。检测气相条件为：柱温180℃，进样口温度
240℃，检测器温度250℃。
1.6　固含量的测定
将预水解液置于105℃条件下干燥至质量恒定
后测定固含量。
1.7　制浆实验
使用烧碱-蒽醌法对预水解和未预水解的玉米
秆和甜根子草进行制浆实验。活性碱用量分别为绝
干原料或预水解后原料的14%、16%和18%，其他
条件分别为：蒽醌用量0.1%（对绝干原料），液比
1∶6，蒸煮最高温度150℃，蒸煮时间60 min。
1.8　浆料性能检测
使用PFI对预水解和未预水解的玉米秆浆和甜
根子草浆在不同转数下进行打浆，然后使用快速
Kothen抄片器抄造定量为60 g/m2的纸张，并按照
TAPPI标准分别测定其抗张强度（T494 om—96）、
耐破度（T403 om—97）和撕裂度（T414 om—
98）。
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2　结果与讨论
2.1　预水解
林产品企业可以在生产纸浆的同时通过生产生
物质燃料和相关化学品来增加收益，因此在制浆之
前，需要将原料中的半纤维素提取出来，以便用于
生产生物质材料、燃料以及乙酸等产品。对玉米秆
和甜根子草在150℃条件下进行1 h的热水预水解，
预水解可以使玉米秆和甜根子草分别浸出12.2%和
11.9%（以绝干计）的生物质组分。
乙酸是半纤维素抽提过程中生成的一种重要的
副产品。在玉米秆和甜根子草的抽提过程中，分别
得到了2.26%和0.84%的乙酸（以绝干计）。热水抽
提的机理是由于部分O-乙酰基和糖醛酸发生断裂，
从而形成乙酸和其他有机酸。乙酸的生成使得半纤
维素的水解速率得到提高。乙酸基团来自于半纤维
素的水解，当水解液的pH值较低时，乙酸基团会形
成乙酸；当预水解液的H因子增大时，乙酸浓度也
会逐渐升高。
玉米秆和甜根子草预水解液中的木素含量分
别为2.8%和3.4%（见表1），占预水解液固含量的
25.7%和30.4%。木素降解后形成的酚类物质对随后
的发酵过程有抑制作用，因此，应当在发酵之前将
这类物质去除。木素是生产高附加值聚合物的原材
料，这不仅可以提高生产商的经济效益，而且为木
素的利用找到了一条有效途径。
　　　　　　表1　预水解液的化学组成　　　　　　　%
原料 得率
预水解液
固含量 木素 乙酸
玉米秆 87.8 10.9 2.8 2.26
甜根子草 88.1 11.2 3.4 0.84
两种原料预水解液的固含量都在10%以上。预
水解后所得生物质残留物与预水解液的固含量之和
接近99%，1%的质量损失是由于原料在水解过程
中降解成了一些未知产物。这一结果与前期的研究
结果及其他研究者的研究结果一致。在固相残留物
中，除木素和乙酸外，还有一部分半纤维素。对纸
浆而言，没有必要完全去除浆料中的半纤维素，因
为半纤维素在纸张成形中起着重要作用，有利于纤
维之间的连接。在本实验中，预水解的目的是为了
去除原料中的髓，及改善含髓非木材原料的制浆性
能。
2.2　制浆实验
使用烧碱-蒽醌法对预水解与未预水解（作为
参比样）的原料进行制浆实验，结果如表2所示。
与未预水解的原料相比，预水解后玉米秆和甜根子
草有更好的脱木素效果。当用碱量为16%时，预水
解后的玉米秆浆和甜根子草浆的卡伯值比未预水解
的分别降低了2.7和2.1。Jahan等人的研究也发现，
对甘蔗渣进行热水预水解后，脱木素程度可得到改
善。Yoon等人对火炬松的研究发现，预抽提的原
料的脱木素程度比未预抽提原料的脱木素程度高
40%～60%。从图1可以看到，预水解的玉米秆和甜
根子草的未漂浆得率比未预水解的低；当卡伯值为
20时，玉米秆浆和甜根子草浆的得率分别降低了3.0
和4.5个百分点。在甘蔗渣预水解制浆实验中也有相
似的变化趋势。Yoon等人得出，对火炬松进行热水
预水解后，纸浆得率降低了3～6个百分点。
浆料打浆度对生产过程而言是一个重要的参
数。玉米秆预水解后和未预水解的成浆打浆度分别
为23～24°SR和31～34°SR（用Schopper-Riegler打浆
表2　预水解对玉米秆和甜根子草烧碱-蒽醌法蒸煮的影响
用碱量
/%
纸浆得率
/%
卡伯值
打浆度
/°SR
玉米秆
未预水解
14 58.6 27.4 31
16 54.9 24.8 34
18 51.8 21.0 32
预水解
14 50.8 27.0 24
16 49.7 22.1 24
18 48.1 19.8 23
甜根子草
未预水解
14 59.3 25.7 16
16 58.4 20.8 16
18 56.0 19.0 17
预水解
14 55.8 22.7 14
16 52.5 18.7 13
18 48.9 18.3 14
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度计）；而甜根子草预水解后和未预水解的成浆打
浆度分别为16～17°SR和13～14°SR。浆料打浆度
的降低有利于提高洗浆效率。未预水解的浆料存在
较多的细小纤维，致使比表面积增加，浆料滤水性
能变差。从图2可知， 与预水解的浆料相比，未预
水解的浆料存在较多的非纤维髓细胞。这表明，对
原料进行预水解能够有效溶解原料中的髓，并在预
水解液中产生糖。
2.3　成纸性能
为了评价成纸性能，对预水解后的玉米秆浆和
甜根子草浆分别在不同转数下进行了PFI打浆（见
图3）。如图3所示，与未预水解的浆料相比，预水
解浆料的打浆度有一定程度的下降，这是由于在预
水解过程中损失了部分细小纤维（见图2）。从图
4和图5可知，当打浆度较低时，预水解浆料的抗
张指数和耐破指数均低于未预水解的浆料；当打
浆度为40°SR时，预水解浆料的抗张指数和耐破指
数与未预水解浆料的差不多；当打浆度再升高后，
预水解浆料与未预水解浆料的抗张指数和耐破指数
的区别变得较为明显，这可能是因为预水解导致原
料中的半纤维素被脱除。由于半纤维素被脱除，浆
料中纤维素所占比例增加。许多研究都已证明，半
纤维素对纸张强度性能有重要影响。Molin等人发
现，当浆料中的纤维素与半纤维素
比例较高时，纸张的抗张挺度和
抗张指数较低。Sch nberg等人发
现，当聚木糖吸附到纤维上，纸张
抗张指数有所提高。有关吸附在纤
维上的聚木糖的作用还有待进一
步研究，聚木糖的化学吸附对提
高Scott结合力有显著作用。在浆
料中加入1%（质量分数）的半纤
维素，纸张强度性能可提高30%左
右。Al-Dajani等人研究发现，在杨
木制浆前进行碱预水解，可使成
纸抗张指数降低10%左右。Yoon等
人还发现，预水解对硫酸盐火炬松
浆的抗张强度有不利影响。与未预
水解浆料相比，预水解浆料的撕裂
指数有所提高，这说明预水解未
使纤维素降解。预水解浆料较高
15
45
50
55
60
17 19 21 23 25 27 29
卡伯值
玉米秆
甜根子草
甜根子草-预水解
玉米秆-预水解
图1 预水解对玉米秆和甜根子草脱木素的影响
甜根子草 甜根子草-预水解
玉米秆 玉米秆-预水解
图2 预水解对玉米秆浆和甜根子草浆细小纤维的影响
图3 预水解对玉米秆和甜根子草未漂浆打浆度的影响
20
40
60
80
0 500 1000 2000 30001500 2500 3500
PFI打浆/转
打
浆
度
/°
SR
玉米秆
甜根子草
甜根子草-预水解
玉米秆-预水解
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的撕裂指数也可通过细小纤维含量较低加以解释。
图6和图7显示，在打浆初始阶段，撕裂指数呈上升
趋势，而随打浆度的逐渐升高，撕裂指数出现了下
降趋势，但是抗张指数却一直呈上升趋势（见图
7）。这是由于在打浆初始阶段，纤维细胞壁的破
坏非常有利于纤维之间的结合，但是，打浆强度过
于剧烈会使纤维被切断，纤维变短，进而撕裂指数
下降。
2.4　漂白实验
预水解脱除半纤维素有可能会改变浆料的漂白
性能。因此，对预水解
与未预水解的浆料进行
了ECF漂白（D0EPD1）实
验，以此来评价它们的漂
白性能。用相同的漂白试
剂对浆料进行漂白，所
得浆料的白度几乎一致
（84%～85%，见表3）。
这说明预水解对浆料的漂
白性能没有影响。
为了评价漂白浆的成
纸性能，对漂后浆料用
PFI进行打浆，打浆转数
为2000转，然后抄造纸
张。预水解浆料的打浆度
比未水解浆料的打浆度低
3°SR，这是因为预水解浆
料中半纤维素含量较少。
漂白之后，与未预水解浆
料相比，玉米秆预水解浆料的抗张指数和耐破指数
几乎无变化，而甜根子草预水解浆料的这两个强度
指标却有所降低；但玉米秆和甜根子草的预水解浆
料的撕裂指数都有所提高。
3　结　论
在蒸煮制浆之前对玉米秆和甜根子草原料进行
预水解，能够降低细小纤维含量，最主要的是，能
够去除原料中的髓，并提高水解液中的糖、木素和
乙酸含量。预水解能够有效改善玉米秆和甜根子草
烧碱-蒽醌法蒸煮的脱木素效果。与未预水解原料制
得的浆料相比，预水解原料后制得的浆料的抗张指
数和耐破指数较低，但是撕裂指数较高。预水解对
浆料漂白性能的影响不明显，且预水解原料后制得
的浆料和未预水解原料制得的浆料的强度性能差距
不大。因此，这种除髓技术能够用于生物质精炼的
生产过程中。
（责任编辑：关　颖）
表3　预水解对浆料漂白性能的影响
玉米秆 甜根子草
未预
水解
预水解
未预
水解
预水解
打浆度/°SR 60 57 49 46
抗张指数/N m g-1 56.0 55.9 45.3 35.4
撕裂指数/mN m2 g-1 7.6 8.0 8.3 11.6
耐破指数/kPa m2 g-1 4.7 4.5 4.2 3.5
白度/% 85.4 85.5 84.4 84.8
　注　PFI打浆转数为2000转。
打浆度/°SR
玉米秆
甜根子草
甜根子草-预水解
玉米秆-预水解
玉米秆
甜根子草
甜根子草-预水解
玉米秆-预水解
玉米秆 甜根子草
甜根子草-预水解玉米秆-预水解
玉米秆 甜根子草
甜根子草-预水解玉米秆-预水解
0
20
40
60
80
20 40 60 80
打浆度/°SR
0
7
5
9
11
13
20 40 60 80 20
5
7
9
11
13
30 40 50 60 70 80
打浆度/°SR
0
5.5
4.5
3.5
2.5
20 40 60 80
撕
裂
指
数
/m
N
m
2
g-
1
撕
裂
指
数
/m
N
m
2
g-
1
耐
破
指
数
/k
Pa
m
2
g-
1
抗
张
指
数
/N
m
g
-1
图7 预水解玉米秆浆和甜根子草浆
抗张指数与撕裂指数的关系图
图6 预水解对玉米秆浆和甜根子
草浆撕裂指数的影响
图5 预水解对玉米秆浆和甜根子
草浆耐破指数的影响
图4 预水解对玉米秆浆和甜根子
草浆抗张指数的影响
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