侯　芳

典型农业生物质化学特性的比较与分析

侯芳

（济源职业技术学院河南济源459000）

对农业生物质化学特征进行比较分析，有利于帮助推断农业生物质的能源利用途径，提升对农业生物质的利用效率。文章选择秸秆这一具有代表性的典型农业生物质进行比较，分析不同地区的水稻秸秆、玉米秸秆、油菜秸秆和棉花秸秆在化学性质上的差异，从而为相关地区农村生物质能源利用的改善提供理论借鉴。

农业生物质；化学特性；比较；分析

生物质在人类能源体系中占据着重要的位置，相关资料显示生物质能源是仅次于石油、煤、天然气的第四大能源类型。生物质能源为人类的发展提供了将近10 %的能源，对于发展中国家来说，生物质是比较理想的能源类型。这主要是因为生物质能源在农村地区获取极为便利，而且生物质燃料形成和燃烧全过程基本实现气体排放平衡。此外，生物质能源在燃烧速度方面也不逊色于煤，所以生物质燃料作为能源拥有可再生、友好等特点。因此，针对典型农业生物质化学特性的比较和分析是现实意义强烈的研究活动，可以对社会经济发展和生活环境改善发挥切实有效的作用。

1 农业生物质分析

我国分布有广泛的生物质原料资源，其中大部分来源于农林产业。农业生产废弃物是最常见的农业生物质能源类型，其中最主要的部分就是农作物秸秆，这种农业生产的废弃物多用于取暖燃料和炊事燃料当中。不过结合秸秆能源开发有关的调查报告可以认识到，我国农村对秸秆的利用效率并不理想。多数农村习惯用传统的方式将秸秆放在柴灶上燃烧，而这种燃烧方式仅能让能源转化率达到20 %左右。另外，除了部分农村能够将秸秆加工成饲料和工业原料外，还有很多村庄将秸秆遗弃在田间地头，或者是直接就地焚烧。这样做一方面会对生物能源的使用造成浪费，另一方面还会对环境造成污染。在这种资源利用环境下，系统识别和量化生物质化学组成就显得尤为重要，无论是秸秆原料热解还是发酵，都需要建立在充分把握化学性质的基础上，否则就会因为开发方式无序而导致效率低下。

2 材料制备与方法选择

2.1 实验材料采集

为了保证农业生物质化学性质研究的科学性，拟采用多种作物秸秆为材料样品。具体采样方式为在不同区域采集特定品种的农业生物质，即在农作物成熟以后再对各种秸秆进行采集，否则就会导致研究对象和应用生物质差异的状况产生。样品的采集数量要以研究内容为转移，一般3~5 kg即可满足需要。完成前期采集工作后，需按照要求对已标记的样品进行捆扎，然后再完善采集信息，如种植方式、收获季节和采集时间等，以免采集过程中出现的问题对样本代表性产生消极影响。

2.2 实验材料制备

比较和分析农村生物质要采用统一的标准和合理的方式，而非用传统农村的利用方式分析其化学性质。在完成实验材料采集的一系列工作以后，就要对实验材料进行加工制备。首先，实验人员要把秸秆分类风干，然后再用枝桠粉碎机进行粗加工，然后再把秸秆粗粉放入烘干机中处理。秸秆粗粉烘干后尚不能达到理想使用状态，还需要通过中药粉碎机打出细粉，再经过40目筛分。样品制备后不能受潮，所以要放在干燥器中保存，这样才能为实验测试提供符合要求的样品。

2.3 实验方法

实际上，通过比较和分析农村生物质提高生物质燃料的利用率就是确定秸秆中的纤维素、木质素、中性洗涤纤维、酸性洗涤纤维及粗蛋白的含量，然后再针对性地选择利用方案。各项化学测试项目如下所示。

2.3.1 纤维素、半纤维素

从组成上来看，纤维素和半纤维素存在一定差异，即纤维素是葡萄糖组成的大分子多糖，半纤维素则是由多种单糖构成的异质多聚体。为了正确测量出纤维素和半纤维素的含量，在实验中需要采用液相色谱法测试糖含量。

2.3.2 木质素

木质素含量的测试需要考虑酸性可溶性木质素和不可溶性木质素的性质差异。所以在测量中常用的方法便是分别采用紫外光分光光度法和灼烧法，用灼烧法测量不可溶木质素的温度一般为575 ℃。

2.3.3 中性洗涤纤维、酸性洗涤纤维

虽然这两种纤维在性质方面各不相同，但是现为测定仪可以对二者的含量进行准确测定。

2.3.4 粗蛋白

粗蛋白的测定用的是凯氏定氮仪。

2.4 实验仪器

试验中用到的仪器可以分为2种类型，（1）样品制备时用到的枝桠粉碎机、中药粉碎机、重量测量仪器和烘箱等；（2）测定化学性质时涌动用到的纤维测定仪和凯氏定氮仪。在合理应用实验仪器的情况下，农业生物质的化学性质可以得到良好的反映。

3 结果与分析

3.1 纤维类物质含量变化

从上文中的材料检测部分中可以总结出，秸秆中主要有3种纤维类物质，分别是纤维素、半纤维素和木质素。结合实验的主要研究对象水稻秸秆、玉米秸秆、油菜秸秆和棉花秸秆的纤维素物质含量分布可知。水稻秸秆的纤维素含量在4种秸秆中含量最高，将近可以达到40 %，这与水稻秸秆的纤维素含量23 %~53 %基本吻合；水稻的半纤维素和木质素也符合10 %~26 %、14 %~33 %的要求范围。由此可见，按照标准制备方法得出的样本纤维物质含量与相关文献的记录范围基本一致。纤维物质含量图如图1所示。

图1 纤维物质含量图

在获得各类秸秆纤维类物质含量的同时，还需要了解的便是不同纤维类型在利用中的作用和注意点。例如，秸秆中木质纤维含量十分可观，但是这种纤维物质的含量会影响秸秆的降解速度，即厌氧菌对高木质纤维素含量的作物降解效率较低，所以应用在沼气等生物质能源开发上并不贴合；反之，若是农作物废弃物中的木质纤维素比较低，而且容易被消化，那么应用在制取沼气中的效果就比较理想。当然，在政府政策和技术的双重支持下，秸秆难以制取沼气的问题也在一定程度上得到缓解，这也使得我国农村海量的秸秆资源能够应用到沼气池建设当中。根据秸秆资源应用沼气池的实例经验可以总结出，想要提高秸秆的可生物消化性，就要在使用前做好预处理工作。当然，沼气只是以秸秆为代表的生物质资源的一种利用方式，除了这种方式以外，还可以利用热裂解液化生产生物油。不过生物油不适合用木质素含量高的秸秆为材料。

木质纤维素是秸秆生产乙醇的主要部分，在木质纤维素转化为乙醇的过程中，纤维素和半纤维素会在水解的作用下成为可发酵性糖，然后在发酵的作用下转化为醇。水解过程可以通过添加酸或酶来加快水解过程。不过需要关注到的一点是，木质素属于比较难消化的农作物废弃物，而这也说明其在化学性质方面不活泼，如果只是采用普通的方式制取乙醇，那么效率就会显得异常低下。为此，在制备乙醇前要把木质素去除，尽可能发挥纤维素和半纤维素在乙醇制备中的作用。结合4种类型秸秆的纤维素、半纤维素含量可以知道，水稻秸秆是这几种秸秆中最适合用来制取乙醇的品种。

3.2 化学分析

利用秸秆生产饲料也是当前生物质原料开发的常见手段，而且经过长时间的锤炼后，相关技术已经呈现出比较成熟的状态。不过需要注意的是，以往的饲料制备都只是一股脑地将秸秆倾入其中，完全不会对秸秆充作饲料的关键部分进行剔选。实际上，秸秆中的营养物质来源无粗蛋白和两种洗涤纤维。在文章谈及的4种秸秆当中，油菜杆的粗蛋白含量会相对高一些，在排除不同地区生长环境的影响下，可以界定油菜杆用来做饲料是比较合理的选择。当然，想要提高秸秆中的粗蛋白含量，提高高粗纤维的降解率，可以适当利用酵母菌和其他微生物对秸秆发酵，这样就能提高禽畜饲料的营养水平。

综上所述，文章对水稻秸秆、棉花秸秆、玉米秸秆、油菜秸秆4种农作物秸秆展开了重点分析，从文中的论述中可以总结出。水稻的纤维素和半纤维素含量略高于其他3种作物秸秆，用来制取乙醇具有优越性；将秸秆用于沼气生产时，玉米秸秆容易在热化学条件下生成CO，棉花秸秆则容易生成甲烷气体；利用热裂解液化生产生物油时，应当用木质素含量低的秸秆类型，棉花秸秆这种木质素含量高的秸秆不适合该利用方式；直接燃烧秸秆的话，热值最高的应当是棉花秸秆，其次为玉米、水稻、油菜。其中最不适合的便是油菜秸秆，因为油菜秸秆中的钙元素含量较多，很容易导致锅炉起渣。

4 小结

农作物生物质的利用与其化学性质有直接关系，在该方面进行深化研究，有利于帮助生物质资源的开发提供理论指导，从而帮助人们选择更具有针对性的开发方法。在农业生物质整体开发状况改善的情况下，我国的能源环境和环境建设工作也会受到积极影响，从而推动我国农村乃至整个社会的持续健康发展。因此，相关部门及科研单位要强化在这方面的研究，对典型农业生物质的化学性质进行深入研究，给农业生物质的利用提供更多可能性。

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S216.2

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2095-1205(2020)04-27-02

10.3969/j.issn.2095-1205.2020.04.14