在石油等化石資源逐漸減少，我們面臨用不用糧食、飼料來轉(zhuǎn)化生物質(zhì)能源的兩難選擇時(shí)，研究人員將目光投向農(nóng)林廢棄物清潔、高效轉(zhuǎn)化利用。在國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目的支持下，華南理工大學(xué)教授孫潤倉課題組的“農(nóng)作物秸稈及木材廢料在工業(yè)上新利用研究”、“小麥秸稈細(xì)胞壁中羥基肉桂酸化合物分離和結(jié)構(gòu)鑒定”、“農(nóng)林廢棄物清潔、高效轉(zhuǎn)化利用中的關(guān)鍵基礎(chǔ)問題研究”等幾個(gè)課題已在這一領(lǐng)域取得了重要進(jìn)展。
尚未被充分認(rèn)識(shí)的資源
生物質(zhì)是自然界中豐富且可再生利用的資源，全球每年可產(chǎn)生135億噸生物質(zhì)。其中相當(dāng)部分是以棉料、廢紙、麥草、木屑形式存在的纖維素，這些往往被以有機(jī)肥料或垃圾的方式處理掉。
“現(xiàn)在對(duì)農(nóng)林廢棄物清潔、高效轉(zhuǎn)化利用方面還有很多問題要解決。如果人類掌握了相關(guān)的技術(shù)，就相當(dāng)于打開一扇通向資源寶庫的大門。”孫潤倉對(duì)《科學(xué)時(shí)報(bào)》記者說。
由農(nóng)林可再生性植物資源轉(zhuǎn)化獲得新材料、高熱值能源、化工原料及藥物正成為一種重要的發(fā)展趨勢(shì)，很多國家特別是發(fā)達(dá)國家已將此列為經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的重大戰(zhàn)略。我國也將從可再生資源中開發(fā)新能源和替代石油生產(chǎn)各種新材料列入國家重點(diǎn)科技攻關(guān)計(jì)劃。
“我們的研究思路很明確，就是從農(nóng)林廢棄物的主要組分——木質(zhì)素、纖維素和半纖維素——入手，通過化學(xué)轉(zhuǎn)化或生物轉(zhuǎn)化的辦法，將這些物質(zhì)轉(zhuǎn)化為新材料、化工原料、能源和功能食品及藥物。”孫潤倉說：“比如，可用做燃料的CO、CnHm、H2，可用做化工原料的塑料、乙醇等，可用做藥物的低聚糖和一些貯能、發(fā)光的功能材料。”
基礎(chǔ)研究讓廢棄物利用成為可能
20世紀(jì)80年代，孫潤倉就開始了秸稈及木材細(xì)胞壁中化學(xué)成分的分離和結(jié)構(gòu)鑒定及過氧化氫制漿機(jī)理方面的研究。在國家自然科學(xué)基金杰出青年基金和另外兩個(gè)基金項(xiàng)目的資助下，他和合作伙伴首次系統(tǒng)地提出了一整套秸稈中化學(xué)成分的分離、提純和鑒定方法，該方法已作為標(biāo)準(zhǔn)方法被載入英國《分離科學(xué)百科全書》(Encyclopaedia of Separation Science)。
此后，孫潤倉、劉傳富等人以我國主要的9種農(nóng)林廢棄物（蔗渣、稻草、小麥秸稈、玉米秸稈、梭梭、沙棗、胡楊、檉柳、沙拐棗）為原料，系統(tǒng)地進(jìn)行了親油性抽出物、木質(zhì)素、半纖維素和纖維素的清潔高效分離和結(jié)構(gòu)鑒定方面的基礎(chǔ)研究。
課題組的研究對(duì)象都是些作物稈、頸、根、渣等，這些基本只能作為飼料或堆肥使用的原料。通過農(nóng)林廢棄物清潔、高效轉(zhuǎn)化利用中的關(guān)鍵基礎(chǔ)問題研究項(xiàng)目，研究人員首次提出了農(nóng)林廢棄物中親油性抽出物一步氣相色譜分離和鑒定新方法，并鑒定出了類脂物中60多種化合物的組成及結(jié)構(gòu)。
在該項(xiàng)目研究中，課題組還系統(tǒng)闡明了9種農(nóng)林廢棄物中木質(zhì)素的化學(xué)結(jié)構(gòu)，揭示了化學(xué)結(jié)構(gòu)的非均一性；找到了一種農(nóng)林廢棄物細(xì)胞壁全組分的一步清潔高效分離新方法，能夠經(jīng)濟(jì)、高效、清潔地將三大組分以較完整分子結(jié)構(gòu)形式分離出來。他們采用超聲波處理與化學(xué)分離相結(jié)合的方法，設(shè)計(jì)出一種新型無污染的高純度纖維素分離方法，可得到純度大于96%的纖維素。
此外，孫潤倉課題組還在國際上首次提出了兩步中度堿水解和兩步酸水解測定秸稈細(xì)胞壁中酯化或醚化阿魏酸和香豆酸的新方法。與傳統(tǒng)一步堿水解方法相比，分離出的以酯鍵相連的對(duì)香豆酸和阿魏酸的含量分別提高了44%～48%和18%～33%。同樣，與傳統(tǒng)的一步酸水解方法相比，分離出的以醚鍵相連的對(duì)香豆酸和阿魏酸的含量分別提高了55%～72%和38%～54%。
前景可觀的轉(zhuǎn)化研究
“農(nóng)林廢棄物中含有多種可利用物質(zhì)，其中纖維素和半纖維素是重要的兩種。”課題組成員之一、華南理工大學(xué)資源科學(xué)與造紙工程學(xué)院博士劉傳富說：“纖維素是木質(zhì)生物質(zhì)的重要組成部分，是地球上含量最豐富的可再生資源。纖維素可轉(zhuǎn)化為清潔燃料和化學(xué)品乙醇，其轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵是尋找有效途徑，將纖維素水解為葡萄糖等可溶性發(fā)酵糖。”
通過適當(dāng)?shù)乃膺^程，纖維素還可轉(zhuǎn)化為一系列纖維低聚糖。纖維低聚糖是由2至9個(gè)葡萄糖單元組成的線性低聚體，屬于難消化、低甜度多糖，是一種安全、無毒和高效的雙歧因子，具有獨(dú)特的功能特性，對(duì)人體健康有利。如果每天食用幾克低聚糖，可降低膽固醇，防止肥胖癥和糖尿病的發(fā)生。
纖維低聚糖的分離提純是纖維素酸水解綜合利用中很重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。雖然纖維低聚糖的轉(zhuǎn)化率只有8.3%，但其經(jīng)濟(jì)價(jià)值高，從國外公司購買聚合度為3～5的纖維低聚糖，每克需8000～1.5萬美元。
劉傳富說：“如果掌握了分離提純技術(shù)，在利用水解液中葡萄糖的同時(shí)，可分離提純出不同類型的纖維低聚糖，如纖維二糖、三糖、四糖、五糖等。這些都是可制造藥品或營養(yǎng)品的原料，可產(chǎn)生很好的經(jīng)濟(jì)效益。同時(shí)，這也能有效利用天然再生資源，減少環(huán)境污染，為工業(yè)化利用農(nóng)林廢棄物等植物資源開創(chuàng)一條新路。”
半纖維素是植物纖維原料的主要化學(xué)組分之一，是一種除去果膠物質(zhì)后的堿性可溶解的物質(zhì)。半纖維素在植物資源中含量約占1/4到1/3，在不同的植物種類中半纖維素的含量也會(huì)有所不同，如玉米莖中半纖維素含量占28.0%，大麥草中占34.9%，麥草中占38.8%，稻草中占35.8%，黑麥草中占36.9%。
在半纖維素方面的研究，更重要的是改性的或衍生的聚合物為進(jìn)一步開發(fā)利用半纖維素的各種性質(zhì)提供了新的機(jī)會(huì)。通過半纖維素羥基的醚化改性來提高半纖維素的水溶性、陽電性、疏水性、表面活性等特性，在制藥、污水處理、造紙助劑、熱塑性材料、食品添加劑等方面具有很大的應(yīng)用潛力。
“不過，這方面目前還處在基礎(chǔ)理論研究階段，因?yàn)檫€有很多問題尚待解決，同時(shí)我們也沒有進(jìn)行技術(shù)或產(chǎn)業(yè)方面的工作，所以現(xiàn)在還難以預(yù)測什么時(shí)候人們才會(huì)真正從農(nóng)林廢棄物的轉(zhuǎn)化利用中獲益。”孫潤倉說。
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