本發明涉及生物技術領域，特別涉及一種利用棉花秸稈制備果膠、半纖維素、化機漿和木塑復合材料的方法。

背景技術：

棉花秸稈是一種資源豐富的秸稈，尤其在我國華北地區及新疆種植面積大，每年可收獲棉花秸稈約4000萬噸。

棉花秸稈為半木質化的原料。其纖維參數與速生楊很相近，而優于胡楊。棉花秸稈常用于制繩、織麻袋、造紙以及制造人造板等。

棉花秸稈中含有一定量的果膠，主要分布在韌皮部及形成層中。在普通制漿工藝中，果膠常常附著于纖維素漿表面，不利于打漿、抄紙，因而限制了棉花秸稈在造紙領域的應用。

木塑復合材料這種新興的環保材料產品在世界范圍得到越來越多的關注和認可，其生產量和使用量都在逐年快速增加。

現有技術對棉花秸稈的綜合利用還遠遠不夠，尚未發現采用棉花秸稈同時獲得果膠、半纖維素、化機漿以及木塑復合材料的方法。

技術實現要素：

為了彌補現有技術的不足，本發明提供了一種利用棉花秸稈制備果膠、半纖維素、化機漿和木塑復合材料的方法。

本發明的技術方案為：

一種利用棉花秸稈制備果膠、半纖維素、化機漿和木塑復合材料的方法，包括步驟：

A果膠的制備

A1）棉花秸稈預處理后粉碎，粉碎的棉花秸稈在質量分數為1%-10%的堿液中預浸20-120分鐘，隨后用研磨磨磨漿；

A2）將步驟1）所得研磨漿狀物置于軟化倉內，加入雙氧水至雙氧水的質量分數為0.5%-5%；通入水蒸汽，溫度升至60-100℃后停止通水蒸汽；通入惰性氣體，將軟化倉內空氣排凈后封口；然后間歇性向軟化倉中通入蒸汽以及惰性氣體，以維持軟化倉內溫度為60-100℃，并保持原料均勻分布在軟化倉內，保溫30-180分鐘；

A3）保溫完畢后固液分離，得濾渣一和濾液一；

A4）將濾渣一置于提取罐，加入濾渣一20-40倍質量的水，攪勻后加入稀酸，調節pH為1-5；向提取罐中通入水蒸汽，升溫至30-100℃時停止，通入惰性氣體，排凈罐內空氣后封口；然后間歇性向提取罐中通入水蒸汽以及惰性氣體，以維持罐內溫度為50-100℃，并保持原料均勻分布在提取罐內，保溫抽提30-300分鐘；保溫抽提完畢后，趁熱過濾，得濾渣二和濾液二；

A5）將濾液二置于酶解罐中，降至常溫時，加入常溫型α-淀粉酶，酶解10-80分鐘；然后通入水蒸汽升溫至60-70℃，保溫2-20分鐘滅活酶的活性；所述常溫型α-淀粉酶由微波誘導所得變異地衣芽孢桿菌分泌所得α-淀粉酶，所述常溫型α-淀粉酶的適宜溫度為22-35℃；

A6）滅酶后，脫色過濾，得濾液三；

A7）向濾液三中加入1-20倍濾液三質量的含鹽酸的乙醇水溶液至乙醇的質量分數為30%-80%，攪拌均勻后靜置至沉淀析出完全，固液分離，得濾渣三；

A8）采用稀酸溶解濾渣三，濾渣三的酸溶液重復步驟A5）、A6）、A7），最后所得沉淀析出物即為純化的果膠；

A9）純化的果膠經干燥、粉碎得果膠成品。

B半纖維素的制備

B1）向濾液一中加入1-10倍濾液一體積的乙醇，攪拌均勻后，靜置至沉淀析出完全；

B2）分離沉淀與上清得濾渣四和濾液四；

B3）濾渣四采用稀堿液溶解，濾渣四的堿溶液重復步驟B1）、B2），得濾渣五和濾液五；

B4）濾渣五經干燥、粉碎得半纖維素成品。

C化機漿、木塑復合材料的制備

C1）將濾渣二轉移至研磨磨磨漿，然后移入漂白罐，加入濾渣二1-10倍質量的水，然后加入雙氧水至雙氧水的質量分數為1%-5%，于50-80℃下保溫10-120分鐘，進行漂白處理；

C2）移入洗漿機水洗，過濾得濾渣六和濾液六，濾渣六即為棉稈化機漿，采用棉稈化機漿制備木塑復合材料。

作為優選方案，步驟C2）中，采用棉稈化機漿制備木塑復合材料的具體步驟為：以廢舊的聚乙烯、聚丙烯或聚氯乙烯中的一種或多種為A組分，以步驟C2）所得棉稈化機漿為B組分，所述A組分與B組分按照2-7：3-8的質量比混合并粉碎，經擠壓、模壓、注塑成型得到木塑復合材料。

作為優選方案，步驟A1）、B3）中所述堿為氫氧化鉀、氫氧化鈉、氨水或氫氧化鈣中的一種或多種。

作為優選方案，步驟A4）、A8）中，所述酸為硫酸、硝酸、鹽酸、亞硫酸、乙酸中的一種或多種。

作為優選方案，步驟A7）中，含鹽酸的乙醇水溶液中，乙醇的體積分數為95%，鹽酸的濃度為0.5mol/L。

作為優選方案，步驟A5）中，所述微波誘導所得變異地衣芽孢桿菌的獲取步驟具體為：將地衣芽孢桿菌的培養液置于微波發生器，設置微波功率為850-950W，脈沖頻率為2300MHz，微波處理20s，冷卻20s，依此往復25-35次；將微波處理后的培養液涂布在固體培養基上，30℃條件下培養1-2天，由存活下來的菌落中篩選四株常溫下α-淀粉酶活性高的地衣芽孢桿菌的變異菌株；選出常溫下α-淀粉酶活性最高的地衣芽孢桿菌的變異菌株擴大培養，從而獲得所述常溫型α-淀粉酶。采用該方法獲得的常溫型α-淀粉酶，在常溫下即可高效酶解淀粉，既降低了能耗，又避免了副反應的發生。

作為優選方案，所述常溫型α-淀粉酶的加入量滿足300-700U/Kg濾液二。

作為優選方案，步驟A9）、B4）中所述干燥為噴霧干燥、熱風干燥、流化床干燥或冷凍干燥；干燥溫度小于120℃。

作為優選方案，所述惰性氣體為氮氣、氦氣或氬氣。優選為氮氣，氮氣成本低。

另外，合并某些濾液和廢水，調整pH以及營養成分，可制備植物生長需要的液態肥，充分利用濾液和廢水，減少排放。

本發明的有益效果為：

本發明秉承“多層級分離、多層次利用”的生物質綜合利用的宗旨，將棉花秸稈中的果膠、半纖維素和化機漿成功分離并精煉提純，且果膠、半纖維素和化機漿的提取率高、完整性好、質量高；并采用化機漿制備木塑復合材料，為棉花秸稈的高附加值利用奠定了基礎。

雖然本發明也利用了現有技術中的汽爆分離技術，但是本發明工藝中采用了低溫、高壓（惰性氣體提供）條件，并應用了特殊的生物酶，保證了本發明對棉花秸稈利用的高效率、高質量、高收益。

具體實施方式

實施例1

一種利用棉花秸稈制備果膠、半纖維素、化機漿和木塑復合材料的方法，包括步驟：

A果膠的制備

A1）無霉變的棉花秸稈經去雜、除塵、揉絲、切段、清洗、烘干并粉碎，粉碎的棉花秸稈在質量分數為2.5%的氫氧化鉀溶液中預浸60分鐘，隨后用盤磨磨漿30分鐘。

A2）將步驟1）所得研磨漿狀物置于軟化倉內，加入雙氧水至雙氧水的質量分數為3%；通入水蒸汽，溫度升至90℃后停止通水蒸汽；通入氮氣，將軟化倉內空氣排凈后封口；然后間歇性向軟化倉中通入蒸汽以及氮氣，以維持軟化倉內溫度為92℃，并保持原料均勻分布在軟化倉內，保溫60分鐘。

步驟A2）用稀堿提取半纖維素并抽提出灰分中的大部分硅質等無機鹽；采用較低溫度（92℃）以及惰性氣體環境，可以有效避免半纖維素分子的分解、氧化、酯化等反應，對保證分子基團的完整性以及產品質量作用明顯。

A3）保溫完畢后固液分離，得濾渣一和濾液一。

A4）將濾渣一置于提取罐，加入濾渣一30倍質量的水，攪勻后加入稀亞硫酸，調節pH為1.5；向提取罐中通入水蒸汽，升溫至60℃時停止，通入氮氣，排凈罐內空氣后封口；然后間歇性向提取罐中通入水蒸汽以及氮氣，以維持罐內溫度為70℃，并保持原料均勻分布在提取罐內，保溫抽提130分鐘；保溫抽提完畢后，趁熱過濾，得濾渣二和濾液二。其中濾液二即為果膠提取液。

步驟A4）中的惰性氣體環境，可以有效避免果膠分子的分解、氧化、酯化等反應，對保證分子基團的完整性以及產品質量作用明顯。

A5）將濾液二置于酶解罐中，降至常溫（25-35℃）時，加入常溫型α-淀粉酶（400U/Kg濾液二），酶解30分鐘；然后通入水蒸汽升溫至65℃，保溫12分鐘滅活酶的活性；所述常溫型α-淀粉酶由微波誘導所得變異地衣芽孢桿菌分泌所得α-淀粉酶，所述常溫型α-淀粉酶的適宜溫度為22-35℃。

微波誘導所得變異地衣芽孢桿菌的獲取步驟具體為：將地衣芽孢桿菌的培養液置于微波發生器，設置微波功率為850-950W，脈沖頻率為2300MHz，微波處理20s，冷卻20s，依此往復25-35次；將微波處理后的培養液涂布在固體培養基上，30℃條件下培養1-2天，由存活下來的菌落中篩選四株常溫下α-淀粉酶活性高的地衣芽孢桿菌的變異菌株；選出常溫下α-淀粉酶活性最高的地衣芽孢桿菌的變異菌株擴大培養，從而獲得所述常溫型α-淀粉酶。采用該方法獲得的常溫型α-淀粉酶，在常溫下即可高效酶解淀粉，既降低了能耗，又避免了副反應的發生。

A6）滅酶后，脫色過濾，得濾液三。

A7）向濾液三中加入10倍濾液三質量的含鹽酸的乙醇水溶液（乙醇的體積分數為95%，鹽酸的濃度為0.5mol/L）至乙醇的質量分數為60%，攪拌均勻后靜置至沉淀析出完全，臥螺離心分離，得濾渣三。濾渣三即為果膠粗品。

A8）采用稀亞硫酸溶解濾渣三，濾渣三的酸溶液重復步驟A5）、A6）、A7），最后所得沉淀析出物即為純化的果膠；該步驟洗出醇溶性雜質以純化果膠。

A9）純化的果膠經噴霧干燥（出口溫度115℃）、粉碎得果膠成品。經檢測，本實施例中棉桿所得果膠的質量為干基棉桿質量的2.84%，純度為96.4%。

B半纖維素的制備

B1）向濾液一中加入4倍濾液一體積的95%的乙醇，攪拌均勻后，靜置至沉淀析出完全。

B2）分離沉淀與上清得濾渣四和濾液四。濾渣四主要為半纖維素粗品，濾液四主要為乙醇和濾液一中的水，濾液四中的乙醇全部回收再利用。

B3）濾渣四采用稀氫氧化鉀液溶解，濾渣四的堿溶液重復步驟B1）、B2），得濾渣五和濾液五。

B4）濾渣五經噴霧干燥（出口溫度115℃）、粉碎得半纖維素成品。經檢測，本實施例中棉桿所得半纖維素的質量為干基棉桿質量的21.7%，純度為97.1%。

C化機漿、木塑復合材料的制備

C1）將濾渣二轉移至膠體磨磨漿20分鐘，然后移入漂白罐，加入濾渣二3倍質量的水，然后加入雙氧水至雙氧水的質量分數為3%，于60℃下保溫50分鐘，進行漂白處理。

C2）移入洗漿機水洗，過濾得濾渣六和濾液六，濾渣六即為棉稈化機漿。

采用棉稈化機漿制備木塑復合材料的具體步驟為：以廢舊的聚乙烯為A組分，以步驟C2）所得棉稈化機漿為B組分， A組分與B組分按照4：6的質量比混合并粉碎，經擠壓、模壓、注塑成型得到木塑復合材料。

上述工藝中用到了氫氧化鉀、亞硫酸，因此工藝中剩余濾液、廢水可以制備液態肥。

合并制備工藝中的濾液六以及半纖維素制備過程中乙醇回收后剩余液體和果膠制備過程中乙醇回收后剩余液體，調整pH為6.5，即可作為植物營養用葉面肥或沖施肥。

上述液態肥中含有一定量的N、P、K、礦物質以及小分子有機物質等植物生長所需要的營養素。

實施例2

一種利用棉花秸稈制備果膠、半纖維素、化機漿和木塑復合材料的方法，包括步驟：

A果膠的制備

A1）無霉變的棉花秸稈經去雜、除塵、揉絲、切段、清洗、烘干并粉碎，粉碎的棉花秸稈在質量分數為5%的氨水溶液中預浸60分鐘，隨后用中濃磨磨漿15分鐘。

A2）將步驟1）所得研磨漿狀物置于軟化倉內，加入雙氧水至雙氧水的質量分數為1.5%；通入水蒸汽，溫度升至85℃后停止通水蒸汽；通入氮氣，將軟化倉內空氣排凈后封口；然后間歇性向軟化倉中通入蒸汽以及氮氣，以維持軟化倉內溫度為90℃，并保持原料均勻分布在軟化倉內，保溫80分鐘。

步驟A2）用稀堿提取半纖維素并抽提出灰分中的大部分硅質等無機鹽；采用較低溫度（90℃）以及惰性氣體環境，可以有效避免半纖維素分子的分解、氧化、酯化等反應，對保證分子基團的完整性以及產品質量作用明顯。

A3）保溫完畢后固液分離，得濾渣一和濾液一。

A4）將濾渣一置于提取罐，加入濾渣一25倍質量的水，攪勻后加入稀亞硫酸，調節pH為2.3；向提取罐中通入水蒸汽，升溫至70℃時停止，通入氮氣，排凈罐內空氣后封口；然后間歇性向提取罐中通入水蒸汽以及氮氣，以維持罐內溫度為85℃，并保持原料均勻分布在提取罐內，保溫抽提80分鐘；保溫抽提完畢后，趁熱過濾，得濾渣二和濾液二。其中濾液二即為果膠提取液。

步驟A4）中的惰性氣體環境，可以有效避免果膠分子的分解、氧化、酯化等反應，對保證分子基團的完整性以及產品質量作用明顯。

A5）將濾液二置于酶解罐中，降至常溫時，加入常溫型α-淀粉酶（600U/Kg濾液二），酶解20分鐘；然后通入水蒸汽升溫至68℃，保溫8分鐘滅活酶的活性；所述常溫型α-淀粉酶由微波誘導所得變異地衣芽孢桿菌分泌所得α-淀粉酶，所述常溫型α-淀粉酶的適宜溫度為22-35℃。

所述微波誘導所得變異地衣芽孢桿菌的獲取步驟具體為：將地衣芽孢桿菌的培養液置于微波發生器，設置微波功率為850-950W，脈沖頻率為2300MHz，微波處理20s，冷卻20s，依此往復25-35次；將微波處理后的培養液涂布在固體培養基上，30℃條件下培養1-2天，由存活下來的菌落中篩選四株常溫下α-淀粉酶活性高的地衣芽孢桿菌的變異菌株；選出常溫下α-淀粉酶活性最高的地衣芽孢桿菌的變異菌株擴大培養，從而獲得所述常溫型α-淀粉酶。采用該方法獲得的常溫型α-淀粉酶，在常溫下即可高效酶解淀粉，既降低了能耗，又避免了副反應的發生。

A6）滅酶后，脫色過濾，得濾液三。

A7）向濾液三中加入6倍濾液三質量的含鹽酸的乙醇水溶液（乙醇的體積分數為95%，鹽酸的濃度為0.5mol/L）至乙醇的質量分數為60%，攪拌均勻后靜置至沉淀析出完全，固液分離，得濾渣三。濾渣三即為果膠粗品。

A8）采用亞稀硫酸溶解濾渣三，濾渣三的酸溶液重復步驟A5）、A6）、A7），最后所得沉淀析出物即為純化的果膠；該步驟洗出醇溶性雜質以純化果膠。

A9）純化的果膠經流化床干燥（溫度105℃）、粉碎得果膠成品。經檢測，本實施例中棉桿所得果膠的質量為干基棉桿質量的2.7%，純度為96.8%。

B半纖維素的制備

B1）向濾液一中加入8倍濾液一體積的95%的乙醇，攪拌均勻后，靜置至沉淀析出完全。

B2）分離沉淀與上清得濾渣四和濾液四。濾渣四主要為半纖維素粗品，濾液四主要為乙醇和濾液一中的水，濾液四中的乙醇全部回收再利用。

B3）濾渣四采用稀氨水液溶解，濾渣四的堿溶液重復步驟B1）、B2），得濾渣五和濾液五。

B4）濾渣五經干燥、粉碎得半纖維素成品。經檢測，本實施例中棉桿所得半纖維素的質量為干基棉桿質量的21.2%，純度為96.7%。

C化機漿、木塑復合材料的制備

C1）將濾渣二轉移至中濃磨磨漿20分鐘，然后移入漂白罐，加入濾渣二6倍質量的水，然后加入雙氧水至雙氧水的質量分數為4%，于65℃下保溫20分鐘，進行漂白處理。

C2）移入洗漿機水洗，過濾得濾渣六和濾液六，濾渣六即為棉稈化機漿。

采用棉稈化機漿制備木塑復合材料的具體步驟為：以廢舊的聚乙烯和聚丙烯為A組分，以步驟C2）所得棉稈化機漿為B組分，所述A組分與B組分按照5：5的質量比混合并粉碎，經擠壓、模壓、注塑成型得到木塑復合材料。

上述工藝中用到了氨水、亞硫酸，因此工藝中剩余濾液、廢水可以制備液態肥。

合并制備工藝中的濾液六以及半纖維素制備過程中乙醇回收后剩余液體和果膠制備過程中乙醇回收后剩余液體，調整pH為6.5，即可作為植物營養用葉面肥或沖施肥。

上述液態肥中含有一定量的N、P、K、礦物質以及小分子有機物質等植物生長所需要的營養素。