农林废弃物 尚待开发的资源宝库
在石油等化石资源逐渐减少，我们面临用不用粮食、饲料来转化生物质能源的两难选择时，研究人员将目光投向农林废弃物清洁、高效转化利用。在国家自然科学基金项目的支持下，华南理工大学教授孙润仓课题组的“农作物秸秆及木材废料在工业上新利用研究”、“小麦秸秆细胞壁中羟基肉桂酸化合物分离和结构鉴定”、“农林废弃物清洁、高效转化利用中的关键基础问题研究”等几个课题已在这一领域取得了重要进展。
 农林废弃物转化产物已开始进入现代工业和社会生活。 |
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木质素在沙柳纤维细胞壁的分布，右为不同壁层木素化程度比较（沙柳横切面的CLSM图像）。
尚未被充分认识的资源
生物质是自然界中丰富且可再生利用的资源，全球每年可产生135亿吨生物质。其中相当部分是以棉料、废纸、麦草、木屑形式存在的纤维素，这些往往被以有机肥料或垃圾的方式处理掉。
“现在对农林废弃物清洁、高效转化利用方面还有很多问题要解决。如果人类掌握了相关的技术，就相当于打开一扇通向资源宝库的大门。”孙润仓对《科学时报》记者说。
由农林可再生性植物资源转化获得新材料、高热值能源、化工原料及药物正成为一种重要的发展趋势，很多国家特别是发达国家已将此列为经济和社会发展的重大战略。我国也将从可再生资源中开发新能源和替代石油生产各种新材料列入国家重点科技攻关计划。
“我们的研究思路很明确，就是从农林废弃物的主要组分——木质素、纤维素和半纤维素——入手，通过化学转化或生物转化的办法，将这些物质转化为新材料、化工原料、能源和功能食品及药物。”孙润仓说：“比如，可用做燃料的CO、CnHm、H2，可用做化工原料的塑料、乙醇等，可用做药物的低聚糖和一些贮能、发光的功能材料。”
基础研究让废弃物利用成为可能
20世纪80年代，孙润仓就开始了秸秆及木材细胞壁中化学成分的分离和结构鉴定及过氧化氢制浆机理方面的研究。在国家自然科学基金杰出青年基金和另外两个基金项目的资助下，他和合作伙伴首次系统地提出了一整套秸秆中化学成分的分离、提纯和鉴定方法，该方法已作为标准方法被载入英国《分离科学百科全书》（EncyclopaediaofSeparationScience）。
此后，孙润仓、刘传富等人以我国主要的9种农林废弃物（蔗渣、稻草、小麦秸秆、玉米秸秆、梭梭、沙枣、胡杨、柽柳、沙拐枣）为原料，系统地进行了亲油性抽出物、木质素、半纤维素和纤维素的清洁高效分离和结构鉴定方面的基础研究。
课题组的研究对象都是些作物秆、颈、根、渣等，这些基本只能作为饲料或堆肥使用的原料。通过农林废弃物清洁、高效转化利用中的关键基础问题研究项目，研究人员首次提出了农林废弃物中亲油性抽出物一步气相色谱分离和鉴定新方法，并鉴定出了类脂物中60多种化合物的组成及结构。
在该项目研究中，课题组还系统阐明了9种农林废弃物中木质素的化学结构，揭示了化学结构的非均一性；找到了一种农林废弃物细胞壁全组分的一步清洁高效分离新方法，能够经济、高效、清洁地将三大组分以较完整分子结构形式分离出来。他们采用超声波处理与化学分离相结合的方法，设计出一种新型无污染的高纯度纤维素分离方法，可得到纯度大于96％的纤维素。
此外，孙润仓课题组还在国际上首次提出了两步中度碱水解和两步酸水解测定秸秆细胞壁中酯化或醚化阿魏酸和香豆酸的新方法。与传统一步碱水解方法相比，分离出的以酯键相连的对香豆酸和阿魏酸的含量分别提高了44%～48%和18%～33%。同样，与传统的一步酸水解方法相比，分离出的以醚键相连的对香豆酸和阿魏酸的含量分别提高了55%～72%和38%～54%。
前景可观的转化研究
“农林废弃物中含有多种可利用物质，其中纤维素和半纤维素是重要的两种。”课题组成员之一、华南理工大学资源科学与造纸工程学院博士刘传富说：“纤维素是木质生物质的重要组成部分，是地球上含量最丰富的可再生资源。纤维素可转化为清洁燃料和化学品乙醇，其转化的关键是寻找有效途径，将纤维素水解为葡萄糖等可溶性发酵糖。”
通过适当的水解过程，纤维素还可转化为一系列纤维低聚糖。纤维低聚糖是由2至9个葡萄糖单元组成的线性低聚体，属于难消化、低甜度多糖，是一种安全、无毒和高效的双歧因子，具有独特的功能特性，对人体健康有利。如果每天食用几克低聚糖，可降低胆固醇，防止肥胖症和糖尿病的发生。
纤维低聚糖的分离提纯是纤维素酸水解综合利用中很重要的一个环节。虽然纤维低聚糖的转化率只有8.3％，但其经济价值高，从国外公司购买聚合度为3～5的纤维低聚糖，每克需8000～1.5万美元。
刘传富说：“如果掌握了分离提纯技术，在利用水解液中葡萄糖的同时，可分离提纯出不同类型的纤维低聚糖，如纤维二糖、三糖、四糖、五糖等。这些都是可制造药品或营养品的原料，可产生很好的经济效益。同时，这也能有效利用天然再生资源，减少环境污染，为工业化利用农林废弃物等植物资源开创一条新路。”
半纤维素是植物纤维原料的主要化学组分之一，是一种除去果胶物质后的碱性可溶解的物质。半纤维素在植物资源中含量约占1/4到1/3，在不同的植物种类中半纤维素的含量也会有所不同，如玉米茎中半纤维素含量占28.0％，大麦草中占34.9％，麦草中占38.8％，稻草中占35.8％，黑麦草中占36.9％。
在半纤维素方面的研究，更重要的是改性的或衍生的聚合物为进一步开发利用半纤维素的各种性质提供了新的机会。通过半纤维素羟基的醚化改性来提高半纤维素的水溶性、阳电性、疏水性、表面活性等特性，在制药、污水处理、造纸助剂、热塑性材料、食品添加剂等方面具有很大的应用潜力。
“不过，这方面目前还处在基础理论研究阶段，因为还有很多问题尚待解决，同时我们也没有进行技术或产业方面的工作，所以现在还难以预测什么时候人们才会真正从农林废弃物的转化利用中获益。”孙润仓说。
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