農林廢棄物轉化產物已開始進入現代工業和社會生活。木質素在沙柳纖維細胞壁的分布，右為不同壁層木素化程度比較（沙柳橫切面的CLSM圖像）在石油等化石資源逐漸減少，我們面臨用不用糧食、飼料來轉化生物質能源的兩難選擇時，研究人員將目光投向農林廢棄物清潔、高效轉化利用。在國家自然科學基金項目的支持下，華南理工大學教授孫潤倉課題組的“農作物秸稈及木材廢料在工業上新利用研究”、“小麥秸稈細胞壁中羥基肉桂酸化合物分離和結構鑒定”、“農林廢棄物清潔、高效轉化利用中的關鍵基礎問題研究”等幾個課題已在這一領域取得了重要進展。
尚未被充分認識的資源
生物質是自然界中豐富且可再生利用的資源，全球每年可產生135億噸生物質。其中相當部分是以棉料、廢紙、麥草、木屑形式存在的纖維素，這些往往被以有機肥料或垃圾的方式處理掉。
“現在對農林廢棄物清潔、高效轉化利用方面還有很多問題要解決。如果人類掌握了相關的技術，就相當于打開一扇通向資源寶庫的大門。”孫潤倉對《科學時報》記者說。
由農林可再生性植物資源轉化獲得新材料、高熱值能源、化工原料及藥物正成為一種重要的發展趨勢，很多國家特別是發達國家已將此列為經濟和社會發展的重大戰略。我國也將從可再生資源中開發新能源和替代石油生產各種新材料列入國家重點科技攻關計劃。
“我們的研究思路很明確，就是從農林廢棄物的主要組分——木質素、纖維素和半纖維素—— 入手，通過化學轉化或生物轉化的辦法，將這些物質轉化為新材料、化工原料、能源和功能食品及藥物。”孫潤倉說：“比如，可用做燃料的CO、CnHm、 H2，可用做化工原料的塑料、乙醇等，可用做藥物的低聚糖和一些貯能、發光的功能材料。”
基礎研究讓廢棄物利用成為可能
20世紀80年代，孫潤倉就開始了秸稈及木材細胞壁中化學成分的分離和結構鑒定及過氧化氫制漿機理方面的研究。在國家自然科學基金杰出青年基金和另外兩個基金項目的資助下，他和合作伙伴首次系統地提出了一整套秸稈中化學成分的分離、提純和鑒定方法，該方法已作為標準方法被載入英國《分離科學百科全書》（Encyclopaedia of Separation Science）。
此后，孫潤倉、劉傳富等人以我國主要的9種農林廢棄物（蔗渣、稻草、小麥秸稈、玉米秸稈、梭梭、沙棗、胡楊、檉柳、沙拐棗）為原料，系統地進行了親油性抽出物、木質素、半纖維素和纖維素的清潔高效分離和結構鑒定方面的基礎研究。
課題組的研究對象都是些作物稈、頸、根、渣等，這些基本只能作為飼料或堆肥使用的原料。通過農林廢棄物清潔、高效轉化利用中的關鍵基礎問題研究項目，研究人員首次提出了農林廢棄物中親油性抽出物一步氣相色譜分離和鑒定新方法，并鑒定出了類脂物中60多種化合物的組成及結構。
在該項目研究中，課題組還系統闡明了9種農林廢棄物中木質素的化學結構，揭示了化學結構的非均一性；找到了一種農林廢棄物細胞壁全組分的一步清潔高效分離新方法，能夠經濟、高效、清潔地將三大組分以較完整分子結構形式分離出來。他們采用超聲波處理與化學分離相結合的方法，設計出一種新型無污染的高純度纖維素分離方法，可得到純度大于96％的纖維素。
此外，孫潤倉課題組還在國際上首次提出了兩步中度堿水解和兩步酸水解測定秸稈細胞壁中酯化或醚化阿魏酸和香豆酸的新方法。與傳統一步堿水解方法相比，分離出的以酯鍵相連的對香豆酸和阿魏酸的含量分別提高了44%～48%和18%～33%。同樣，與傳統的一步酸水解方法相比，分離出的以醚鍵相連的對香豆酸和阿魏酸的含量分別提高了55%～72%和38%～54%。
前景可觀的轉化研究
“農林廢棄物中含有多種可利用物質，其中纖維素和半纖維素是重要的兩種。”課題組成員之一、華南理工大學資源科學與造紙工程學院博士劉傳富說：“纖維素是木質生物質的重要組成部分，是地球上含量最豐富的可再生資源。纖維素可轉化為清潔燃料和化學品乙醇，其轉化的關鍵是尋找有效途徑，將纖維素水解為葡萄糖等可溶性發酵糖。”
通過適當的水解過程，纖維素還可轉化為一系列纖維低聚糖。纖維低聚糖是由2至9個葡萄糖單元組成的線性低聚體，屬于難消化、低甜度多糖，是一種安全、無毒和高效的雙歧因子，具有獨特的功能特性，對人體健康有利。如果每天食用幾克低聚糖，可降低膽固醇，防止肥胖癥和糖尿病的發生。
纖維低聚糖的分離提純是纖維素酸水解綜合利用中很重要的一個環節。雖然纖維低聚糖的轉化率只有8.3％，但其經濟價值高，從國外公司購買聚合度為3～5的纖維低聚糖，每克需8000～1.5萬美元。
劉傳富說：“如果掌握了分離提純技術，在利用水解液中葡萄糖的同時，可分離提純出不同類型的纖維低聚糖，如纖維二糖、三糖、四糖、五糖等。這些都是可制造藥品或營養品的原料，可產生很好的經濟效益。同時，這也能有效利用天然再生資源，減少環境污染，為工業化利用農林廢棄物等植物資源開創一條新路。”
半纖維素是植物纖維原料的主要化學組分之一，是一種除去果膠物質后的堿性可溶解的物質。半纖維素在植物資源中含量約占1/4到1/3，在不同的植物種類中半纖維素的含量也會有所不同，如玉米莖中半纖維素含量占28.0％，大麥草中占 34.9％，麥草中占38.8％，稻草中占35.8％，黑麥草中占36.9％。
在半纖維素方面的研究，更重要的是改性的或衍生的聚合物為進一步開發利用半纖維素的各種性質提供了新的機會。通過半纖維素羥基的醚化改性來提高半纖維素的水溶性、陽電性、疏水性、表面活性等特性，在制藥、污水處理、造紙助劑、熱塑性材料、食品添加劑等方面具有很大的應用潛力。
“不過，這方面目前還處在基礎理論研究階段，因為還有很多問題尚待解決，同時我們也沒有進行技術或產業方面的工作，所以現在還難以預測什么時候人們才會真正從農林廢棄物的轉化利用中獲益。”孫潤倉說。
