半纤维素酶预处理杨木刨花制备纤维板工艺研究

论文总字数：12319字

摘 要

纤维板的生产过程中，由于大量化学胶黏剂的使用，引起了严重的资源浪费、环境污染等问题，因此绿色环保的无胶纤维板成为当前的研究热点。本论文主要研究半纤维素酶对杨木刨花预处理的工艺，从而为生态友好型的无化学胶粘剂添加生物纤维板的研发提供依据。首先研究得到半纤维素酶预处理工艺的单因子优化条件：温度50℃，酶量1000U/g，时间3h、料液比1:7；再通过SAS正交试验得出最佳条件：温度55℃，酶量1000U/g，时间2h。在该条件下，压制的纤维板弯曲强度为19.66MPa，是没有经过半纤维素酶处理的纤维板的1.38倍。

关键词：纤维板，半纤维素酶，杨木刨花，预处理，弯曲强度

Abstract: In the process of fiberboard production, the use of a large number of chemical adhesives leads to serious waste of resources, environmental pollution and other problems. This paper mainly studies the pretreatment process of poplar wood shavings with hemicellulase, so as to provide a basis for the research and development of fiberboard without chemical adhesives. The optimum pretreatment parameters by the mono-factor are defined as follows: pretreatment temperature 50℃ , hemicellulase dosage 1000U/g, length of time 3 h, the ratio of solid to liquid 1:7. the material liquid is 1:7. The best conditions optimized by the orthogonal test design are as follows: pretreatment temperature 55℃ , hemicellulase dosage 1000U/g, length of time 2 h, the ratio of solid to liquid 1:7. Under this condition, the bending strength of fiberboard is 19.66 MPa, which is 1.38 times of that without pretreatment by hemicellulase.

Keywords: Fiberboard, hemicellulase, Poplar wood shavings, Pretreatment, Bending strength

目录

1．前言 1

1.1纤维板 1

1.1.1应用与发展 1

1.1.2纤维板的制作 1

1.2半纤维素酶 2

1.2.1结构和性能 2

1.2.2对原材料的预处理 2

1.2.3应用与发展 3

1.3研究思路 3

2．材料与方法 4

2.1材料与仪器 4

2.1.1刨花 4

2.1.2试剂 4

2.1.3溶液 4

2.2实验方案 5

2.2.1半纤维素酶预处理杨木刨花的单因素条件研究 5

2.2.2纤维板响应面优化 7

2.2.3纤维板热压方法 8

2.2.4力学强度测定 9

3．结果与分析 10

3.1不同酶量对纤维板强度的影响 10

3.2不同时间对纤维板强度的影响 10

3.3不同固液比对纤维板强度的影响 11

3.4不同温度对纤维板强度的影响 12

3.5响应面优化 12

4．总结与展望 17

4.1总结 17

4.2展望 17

参考文献 18

致谢 20

1．前言

1.1纤维板

1.1.1发展现况

我国的人造纤维板生产总量以及出口数量均处于世界领先地位，随着社会经济迅猛发展和人口的大量增多，对密度板的需求也越来越大^[1-2]。然而，木料资源的持续减少，加上不可再生石油的稀缺，造成生产密度板所需的原料成本不断增加，很大程度上限制了人造纤维板产业的发展。另外，含有甲醛基的胶黏剂，如酚醛树脂、脲醛树脂等，在传统的人造纤维板在生产过程中是必不可少的，这就必然会有大量甲醛释放，最终危害人们的身体健康^[3]。而不含甲醛的胶黏剂品种短缺，费用较高，不可能投入到大规模的工厂生产中。因此研发生态有好的无胶纤维板是极有必要的。

作为农业大国，我国农业剩余物资源十分丰富，然而这些资源大部分都没有得到有效的利用，废弃的农业剩余物既引起环境污染，又造成资源浪费^[4]，所以我们可采用农业剩余物好秸秆、刨花和木屑来代替纤维板制作过程中的木材原料。

同时，面对纤维板产业带来的资源短缺以及环境污染等严峻的社会问题，全球的科技研发工作者不断改良创新以开发环保的无污染胶粘剂，同时开始研发绿色环保无额外化学胶黏剂添加的纤维板的制作方法，即只通过自身组分经热处理产生游离糖类、糖类聚合物等分解物实现胶黏^[2]。近几年，这种无额外化学胶黏剂添加的生态友好型纤维板已经成为人造纤维板产业的研究热点。

1.1.2纤维板的制备

传统的纤维板制备方法主要有三种，分别为湿法、干法和半干法。世界上的第一个纤维板制厂出现于30年代，纤维板的湿法制备是从造纸产业演变而来，直到现在湿法制备还是传统纤维板生产的的主流。50年代时，干法制备出现在美国，并于60年代在世界其他各国获得进一步的发展。干法制备出现的同时，半干法制备也在美国得到兴起，随后，在欧洲其他国家也纷纷发展起来。

在纤维板制备的过程中，热压是一道举足轻重的工序。热压时的温度在纤维板坯热量的传导过程中有着非常重要的影响。在传统纤维板制备过程中，常用的脲醛胶热压温度在160-180℃之间，所需温度主要取决于木料种类、加热方式、板坯厚度以及加热时间等多个因素。板坯在热压过程中，不同试验组的原材料的称量存在着一定的偏差，但总体来说与预设密度差别不大，受热压温度和时间的影响基本可忽略^[5]。

1.2半纤维素酶

1.2.1成分和来源

半纤维素酶(Hemicellulase)是一类能使半纤维素(植物细胞壁的主要组分，包括各种聚戊糖与聚己糖)水解的复合酶系，主要含有木聚糖酶、甘露聚糖、β-葡聚糖酶、半乳聚糖酶和酶等。半纤维素酶的产生主要是经过各种细菌以及霉菌经过发酵而获得^[6-9]。

1.2.2对原材料的预处理

在目前纤维板工厂的生产过程中，为了保证纤维板产品的力学强度以及其在后期使用过程中的大小稳定性，一般都会使用由化学合成的树脂胶粘剂来对原料进行胶黏，而这些化学胶粘剂会产生对人们身体健康有危害的物质^[10]。为了保护人类的健康和环境，人们开始探索天然无污染的生物酶胶合体系，通过酶对木料进行预处理，在不添加胶黏剂的情况下，使木料之间产生较好的胶合性能^[11]。

木料的主要成分纤维素、半纤维素及木质素等组分含有大量的活性基团，经外界的物理或化学作用，这些活性基团容易发生氧化、水解、硝化、缩聚、脱水等反应，从而活化制造单元表面，可以在木料表面形成新的结合位点，从而使木料具有自粘性^[12-13]。半纤维素酶可以使LCC复合体得到高效的降解，并进一步使木聚糖得到水解^[14]，还能降低木料制造单元表面的亲水基团，从而使木料变色基团因高温而产生的情况得到有效的减少^[15]。半纤维素酶处理后制作的无胶纤维板，由于没有使用化学粘合剂，不会产生对人体产生有害的物质，同时强度也不会降低，因此应加大其在无胶纤维板中的研制。

1.2.3应用与发展

半纤维素酶在废弃物转化方面发挥重要作用，可以利用半纤维素酶将废弃的木料变为单细胞蛋白、乙醇或其他有用物质^[16]。通过半纤维素的水解，还能获得到多种低聚糖，这在特殊功效食品的研发方面有重要作用^[17]。在食品和饲料产业，半纤维素酶也有着非常重要的应用^[18-19]，将其与果胶酶和纤维素酶一起作用，可以使果蔬得到浸软，从而利于果蔬汁的提取，还能使其得到澄清；同时还能提高面包的品质；将半纤维素酶应用于植物油或咖啡的提取过程中，可以提高浸出率等^{[6, 20- 21]}。纸浆业是目前半纤维素酶应用最多且成果最显著的行业，半纤维素酶可以用在牛皮纸浆预漂白以及获得高纯度的纤维素浆^{[22- 23]}。

1.3研究思路

本次实验用半纤维素酶对原料杨木刨花进行预处理，主要从四个酶的影响因素进行研究，分别是酶量、时间、固液比和温度，通过在各个因素的不同条件下预处理杨木刨花，再通过热压机将经过预处理的杨木刨花压板成型，用仪器测其弯曲强度，进行对比从而得到合适的预处理条件，进一步通过SAS优化，得到预处理的最佳条件，并验证。技术路线见图1-1。

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