摘要：苦荞是一种兼具药食作用的经济作物，其籽粒可直接食用，具有重要的保健功能。苦荞秸秆含有丰富的纤维素和木质素等有益成分，可通过水、稀酸和乙二醇（EG）处理实现组分的环保化分离。

关键词：苦荞；环保化组分分离；可循环EG-水混合溶剂；纤维素；木质素

1.前言

苦荞是我国独有的古老作物，生长在高寒山区，有苦荞、甜荞和金荞之分。其中，四川省凉山州是全国最大的荞麦种植和研究基地，年产量已达1４万吨，占全国的一半以上，而且还有很大的提升潜力，是我国苦荞麦分布最集中，种植面积最大的地区[1]，是凉上高寒山区彝族人民的主要粮食作物，也是他们最主要的经济作物之一。苦荞的亩产量要比甜荞和金荞略高，并且苦荞作为食物时比甜荞易消化，同时苦荞食物还有降血压、血脂和血糖的保健功效，所以目前凉山州的苦荞产量比甜荞和金荞更高。苦荞的嫩叶或嫩尖中含有丰富的芦丁，是彝族人民喜欢的菜肴，现在已经作为保健食材，供应给火锅店等，且苦荞麦的芦丁含量是甜荞麦的10倍[2]。

收割苦荞时，将成熟的苦荞麦收割，并散堆在地上，待稍微风干后移至晒场，进行脱粒作业，得到苦荞籽粒、苦荞麦麸和苦荞秸秆三种产品。苦荞的籽粒主要作为食物使用，同时也用苦荞子粒开发出了苦荞茶、荞麦酒等农副产品。苦荞麦麸的主要用途还是将其作为最简单和最原始的猪饲料。

据分析，苦荞秸秆象稻草、小麦和玉米等其他的作物秸秆一样，含有丰富的纤维素、半纤维素和木质素，所以可以进行环保化开发和利用。初步研究结果表明，苦荞秸秆中综纤维素的含量达到60%以上。而纤维素是一种具有高附加值的天然高分子材料，在纺织、生物能源、精细化工以及高性能结构材料等领域具有广阔的应用前景[3]。目前，植物粗纤维素的市场价格是6～7千元/吨，而粗纤维素经过适当加工可以大幅度提高其附加值和使用性能。进入20世纪90年代以后，受环保和健康意识、崇尚自然等因素的影响，人们对绿色环保的纤维素再生纤维有了新的认识，再生纤维素纤维的应用重新出现了迅猛增长。随着矿物和石化资源日趋紧张，人们已经将更多的研究精力投入到了生物质材料的合理利用上，并已经形成了研究热潮。其中，利用天然植物材料（尤其是废弃植物材料）制备环保化新材料和生物能源是该领域的重点学术方向。而天然植物材料中纤维素的分离提取，或者纤维素与木质素的环保化分离是关键和核心技术[4]。天然状态下的秸秆由纤维素、半纤维素、木质素及部分蛋白质、氨基酸、单宁等组成，随生长地带不同，其组分与含量亦有所不同[5]。由于秸秆中有机质纤维素易于结晶和形成原纤结构，加上与半纤维素，木质素的缠绕及粘结作用，使得纤维素对试剂的可及度低、溶解困难、反应性能及化学反应的均一性差，因此要想充分利用秸秆，必须首先对其进行预处理，将纤维素和木质素等成分分开[6]。

本文的主要工作，进行了苦荞秸秆的纤维素和木质素等组分的环保化分离研究；测试并分析了苦荞秸秆中纤维素、半纤维素、木质素和多戊糖等各组分的含量。首先，采用水煮预处理法，对苦荞秸秆样品进行预处理，分离出水溶的组分，得到水煮渣；其次，将水煮渣进行稀酸处理，分离出半纤维素，得到酸煮渣；然后将酸煮渣，用含有少量硫酸催化剂的乙二醇（EG）和水的混合溶剂进行微沸处理，使得秸秆中的纤维素和木质素分离。同时，在其它条件不变的情况下，探索性的研究了EG和水混合溶剂的环保化循环利用工艺。

2实验

2.1原材料与试剂

苦荞秸秆样品取材于四川省西昌市安哈镇苦荞研究基地，将自然风干的秸秆切割为2 cm左右长，用电热鼓风干燥箱（100±5℃）干燥15 h，经粉碎后过40目筛，得到苦荞秸秆的实验样品。实验中所用的化学药品均为分析纯级，直接使用。

2.2苦荞秸秆的化学成分分析结果

按照GB/2677.10-1995方法测定出苦荞秸秆中综纤维素的含量为68.81%；按照GB/T 2677.6-93的方法测定出苦荞秸秆中苯醇抽提物含量为2.32%；按照GB/T 2677.8-93的方法测定出苦荞秸秆中木质素含量为18.24%；按照GB/T 2677.9-93的容量法测定出苦荞秸秆中聚戊糖含量为11.77%；按照用2% HCl水解，水解液用费林试剂滴定的方法测定出半纤维素含量为15.92%。

2.3实验方法

实验中最关键的一环是采用EG和水的混合溶剂对苦荞秸秆的酸煮渣进行处理，以实现秸秆酸煮渣中纤维素和木质素的分离。EG是一种高沸点醇，沸点是197.5℃，1941年将其应用于有机溶剂的制浆，广泛被用于苜蓿、藤条、棉花茎干、棕榈空果串和水稻秸秆等植物的制浆溶剂体系，过去的研究揭示了硫酸铝或氯化铝作为催化剂对制浆效率的提高十分有益[7]。然而EG体系的工作条件通常需要在高温（170-190℃）与高压（1.5-2.0MPa）条件下进行，这对于工艺的控制和实验装置的组建，以及实验的进行带来了极大的难度[8]。如前文中提及，本文所实施的实验是在微沸条件下进行，实验条件相对较柔和，有利于工艺的应用推广。苦荞秸秆中各组分的环保化分离实验过程如下：

（1）将苦荞秸秆切短烘干并粉碎后，过40目筛，得到实验样品；

（2）将样品进行两次水煮，经过滤得到滤液和水煮渣，滤液中分离戊糖等；

（3）将水煮渣用1%H2SO4进行酸煮，抽滤得到含糖的滤液和酸煮渣；

（4）将酸煮渣，在适量硫酸作为催化剂的条件下，使用EG和水的混合溶剂进行处理，经过滤得到的滤渣就是所需的纤维素产品，滤液加水沉淀并抽滤收集得到木质素产品；

（5）在真空度为0.01 MPa和50℃的条件下，将滤液中的水经减压蒸馏法分离并提纯，所得EG和水的混合液，添加适量EG可配制实验所需浓度的混合溶剂，使得溶剂能够重复利用。

2.3.1样品的水煮实验

将50 g水分含量为9.48%的苦荞秸秆样品置于3000 mL烧杯中，加入2000ml水，煮沸60min，用80目的分样筛过滤，（用普通过滤、抽滤都很慢，用80目分样筛过滤的速度则较快）；将滤渣放回3000ml烧杯中，再加入2000ml水，再煮沸60min，抽滤（比较快），将滤渣放在100±5℃烘箱中烘干后得38.00g，此滤渣称为水煮渣，渣率为83.96%。水煮渣中综纤维素含量为79.65%，半纤维素含量为16.80%，木质素含量为21.10%。

2.3.2水煮渣酸煮和半纤维素的分离

称取5 g水煮渣，置于1000mL烧杯中，加入200mL1%H2SO4，用1000W电炉加热，保持微沸15min，抽滤，洗涤，将滤渣于100±5℃下烘干得到4.36g渣，此渣称为酸煮渣。酸煮渣中综纤维素含量为71.70%，木质素含量为24.20%。滤液经中和后可以回收糖。

2.3.3纤维素和木素的分离

将5g酸煮渣，置于250mL三口烧瓶中，加入90mL乙二醇和10mL含10mmolH2SO4的蒸馏水，在130℃的条件下搅拌回流60min，冷却到40℃左右后用布氏漏斗抽滤，抽滤很慢，用乙二醇洗涤至近无色，用近沸的蒸馏水洗涤3次，用蒸馏水洗涤时抽滤较快。滤渣在105℃下烘干10小时，得到3.82克纤维素产品；产品中综纤维素含量达到93.65%，木质素含量为7.10%。。

向滤液中补加蒸馏水，使总体积为300 mL，静置20小时，使木素充分沉淀。将上层清液倾出后，剩余液体中再补加蒸馏水，使总体积为300 mL，再静置20小时，使木素充分沉淀，再将上层清液倾出后，用布氏漏斗抽滤。接下来将滤渣于100±5℃干燥10小时，得到0.88 g木素产品。

3结果与讨论

3.1水煮和酸煮对苦荞秸秆组分的影响

通过实验发现，苦荞秸秆经过水煮后，清水性的组分被分离到水溶液当中。经过水煮的苦荞秸秆中综纤维素的含量是79.65%，半纤维素含量是16.80%，木质素的含量是21.10%。水煮渣酸煮后，综纤维素的含量是71.70%，木质素的含量是24.20%。说明在水煮过成中半纤维素基本没有溶解；在酸煮过程中，半纤维素溶解。

3.2纤维素和木素的分离

酸煮渣再经过EG-水溶剂体系处理后，渣中综纤维素的含量提高到93.65%，木素的含量是7.10%。组分分析表明，苦荞秸秆的组分含量分别是：聚戊糖11.77%，综纤维素68.81%，木质素的含量为18.24%，半纤维素素含量为15.92%。苦荞秸秆经过水煮预处理后的水煮滤渣，其主要成分为综纤维素、半纤维素和木质素。再用1%H2SO4处理后得到的酸煮渣，主要成分就为纤维素和木质素了。在硫酸的催化条件下，用EG和水的混合溶剂处理后，实现了粗纤维素和木素的分离。经组分分析，纤维素产品中综纤维素含量为93.65%，而木素含量显著降低为7.10%。

苦荞秸秆纤维素环保化分离的重要一环就是溶剂的回收和循环利用，这有利于实验或者是生产成本的降低，同时减少对环境的影响。因此，我们对溶剂的回收利用工艺进行了探索性的研究。在真空度为0.005 MPa，温度为35℃条件下，去除部分水；真空度为0.005 MPa，温度为60～70℃条件下，大量馏分为EG和水的混合物溶物。实验结果表明，溶剂总的回收率高于95%，其损失部分主要是在分离纤维素和木素的过程中被纤维素吸收。

4结论

苦荞秸秆先通过水煮处理再经过稀酸处理后，使得水溶部分和半纤维素都被去除得到酸煮渣，酸煮渣的主要组分是纤维素和木质素。在硫酸作为催化剂的条件下，EG和水组成的混合溶剂体系将酸煮渣中的纤维素和木质量素环保化分离，得到较高纯度的纤维素。EG和水组成的混合溶剂可通过减压蒸馏回收EG，从而实现环保化的循环利用。苦荞秸秆纤维素的环保化分离具有现实的意义，有利于广大农民收入的增加和生活水平的提高。

参考文献：

[1]肖诗明凉山州苦荞麦产业的形成， 现状与发展．西昌学院学报： 自然科学版．2006，20（001）：14-18

[2]薛秀珍，苦荞麦化学成分测定. 山西医科大学学报 （J Shanxi Med Univ）1999， 30（增刊）

[3]殷福珊挑战纤维素的利用．日用化学品科学．2009，32（1）：24-26

[4]Gao Zhiyong （高志勇）， Guo Qingling （郭秦岭）， Sun Qiang （孙强）. Study situation for eupatorium adenophorum （紫茎泽兰研究概况）[J]. Journal of Shaanxi Normal University（Natural Science Edition） （陕西师范大学学报（自然科学版））， 2005， 33： 94-97.

[5]蒙杰，王敦球沼气发酵微生物菌群的研究进展．第二届全国农业环境科学学术研讨会，中国云南昆明，2007：837-838-839-840

[6]齐刚白腐菌降解秸秆木素及饲料化研究 [D]．天津： 天津科技大学，： 44．2004

[7]朱世步，姜曼，王伟水/有机溶剂混合体系去除秸秆木素的研究．材料导报．2010，24（018）：50-53

[8]王伟，姜曼，朱世步可循环混合溶剂分离水稻秸秆纤维素．材料科学与工程学报．2011，29（1）：74-79

作者简介：

蒋中国（1964.10-），男，彝族，四川越西人，1981年毕业于华中师范学院化学系，理学院化学副教授，主要研究方向为天然有机物分离技术。

耿浩（1991.09-），男，汉，四川越西人，博士，副教授，主要研究方向为药用植物活性成分研究。

本文系西昌学院 2013 年的自立项目“苦荞秸秆环保化利用技术研究（编号：13SQZ05）。