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[博士论文] 盛占武
农产品加工及贮藏工程 华中农业大学 2018(学位年度)
摘要:香蕉茎秆纤维属天然纤维素纤维,具有一般麻类纤维的优点,可用作纺织和化工原料。然而,我国每年近千万吨香蕉茎秆直接废弃,不仅浪费了大量的植物资源,而且污染蕉园环境、滋生病虫害。究其原因,是传统的麻类纤维脱胶方式不适合香蕉茎秆纤维。因此,针对我国香蕉主栽品种(巴西蕉),建立茎秆纤维的清洁脱胶和高值化改性技术,对于香蕉茎秆资源的开发利用具有重要意义。本研究首先建立了我国香蕉主栽品种茎秆纤维的化学脱胶、生物脱胶和蒸汽爆破脱胶工艺,分析了脱胶过程中纤维组分的变化规律,表征了纤维结构和性能;在此基础上,对脱胶后的纤维进行了溶解和改性,制备出生物吸附剂和纤维素薄膜,探究了生物吸附剂对水体重金属离子和油污的吸附机理,评价了纤维素薄膜的生物降解性能和水果保鲜效果。主要研究结果如下:
  (1)预碱浸泡香蕉茎秆纤维的脱胶效果优于预酸、预水和预尿氧处理,NaOH浓度、煮炼时间、Na2SO3浓度和NasP3O10浓度是影响一煮的主要因素,优化后一煮工艺的最佳参数为:NaOH14g/L、煮炼150min、NasP3O103%和Na2SO32.75%,纤维残胶率和残余木质素分别为9.19%和7.87%;二煮工艺的最佳参数为:碱煮120min、NaOH14g/L和H2O28%,纤维残胶率和残余木质素最低,分别为8.85%和4.68%。化学脱胶后茎秆纤维中纤维素含量增加,半纤维素和木质素成分降低,纤维热稳定性、结晶度和细度增加,而纤维强力降低,说明化学脱胶过程中非纤维素成分的水解优先发生在无定形区域。
  (2)俐迪链霉菌在果胶和半纤维素筛选培养基中观察到明显的水解圈,具有水解果胶和半纤维素的能力;以残胶率和果胶酶活性为指标,筛选出产酶和脱胶的条件为:pH值5.0、NH4NO34g/L、麸皮10g、接种量9mL,在此条件下菌体产酶活力为75μg/(mL·min),香蕉纤维残胶率4.80%,纤维得率为59.48%;扫描电镜结果显示脱胶后纤维的直径和表面结构发生了改变;脱胶后纤维的强力从345.4cN降至273.4cN,纤维的细度由89.0增加至185.5dtex;纤维中的纤维素含量增加,半纤维素、木质素和果胶等非纤维素成分明显减少,致使脱胶后的纤维素热稳定性和结晶度都明显增加,这一结果与扫描电镜、X射线衍射和傅立叶红外光谱分析结果一致;表明该菌株在香蕉纤维脱胶方面具有一定的应用前景。
  (3)建立了由预碱浸泡、蒸汽爆破和漂白处理工序组成的香蕉纤维汽爆脱胶工艺。经12g/LNaOH溶液预浸48h后,在原料水分含量10%、汽爆压力1.75MPa、维压时间90s条件下处理,香蕉纤维残胶率和残木质素最低,分别为3.78±0.12%和5.47±0.22%。汽爆处理使半纤维素和木质素水解,纤维结晶度增加,纤维束得到解体和分离;脱胶前后纤维表面形态发生变化,热稳定性增加。与化学和生物脱胶相比,汽爆脱胶是一种高效清洁的脱胶方式。
  (4)以汽爆脱胶纤维为原料制备的黄原酸盐最佳重金属离子吸附条件为:30℃、pH值6、平衡吸附时间为60min、Pb2+和Cd2+溶液初始浓度为100mg/L时,纤维素黄原酸盐对Pb2+和Cd2+吸附量最高,分别为98.87mg/g和66.21mg/g。分别用20mL1mol/L的HCl溶液洗脱三次,pb2+和Cd2+的解析率分别达到92.21%和91.31%。汽爆处理纤维对浓度低于100mg/L的Pb2+溶液吸附能力较强,而改性纤维对高浓度Pb2+和Cd2+溶液都具有较强的吸附能力。改性纤维素对Pb2+和Cd2+吸附是由离子交换作用、表面螯合效应、物理吸附和化学吸附共同作用的结果,准二级动力学方程能较好地拟合吸附过程。纤维素黄原酸盐引入了-C=S和-O-CS-S-官能团,其热稳定性、结晶度、孔隙和表面积增加,是一种可用于吸附污水重金属的生物吸附剂。
  (5)在离子液体[Amim]Cl和碱水体系中制备了香蕉茎秆纤维素吸油生物吸附剂丁二酸酐纤维素酯。在[Amim]Cl中,丁二酸酐的改性最适条件为:摩尔比6∶1、90℃和90min,纤维素取代度达到0.37;碱水体系组成为:7%NaOH、7.5%硫脲、9%尿素,其适宜改性条件为:摩尔比为8∶1、60min和60℃。丁二酰化改性后的纤维素酯衍生物,纤维表面积增加、热稳定性和结晶度降低。IL-cellulose和AL-cellulose吸油与准二级动力学模型拟合,吸附速率由化学吸附控制,二者回用性能良好。
  (6)纤维素薄膜水蒸气透过率和气体透过率分别为1969.1±88.5g/(m2·24h)和4280.7±608.3s/(in2·100cc·1.22KPa),高于市售聚乙烯塑料薄膜。纤维素薄膜拉伸强度为32.8±7.2MPa,断裂伸长率为4.0±0.5%。纤维素薄膜热稳定性、结晶度较原纤维低,表面结构较为平滑。薄膜包装可降低香蕉和芒果的病情指数,增加商品果率,降低果皮转黄指数,延长贮运期。土埋4周后纤维素薄膜的质量残留率为7.0%,具有优良的生物降解性能。
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