秸秆是纤维组分含量很高的农作物残留物,主要包括玉米、水稻、麦、棉花、马铃薯等的秸秆。
我国各类农作物秸秆资源十分丰富,年产量达7亿t左右,其中稻草为2.3亿t,玉米秆为2.2亿t,豆类和秋杂粮作物秸秆为1.0亿t,花生和薯类藤蔓、甜菜叶等为1.0亿t。其中稻草秆和玉米秆占总产量的64%,植物秸秆的主要组成成分是植物纤维素。
植物纤维素主要有木质素、纤维素和半纤维素组成,玉米秸秆中三者所占比例分别达到22%、34%和37.5。
纤维素
纤维素(cellulose):是由β-D-吡喃葡萄糖基彼此以(1-4)-β-苷键连接而成的线性高分子化学结构为:(C6H10O5)n、天然纤维素聚合度(DP)大约在3500左右,其基本组成单元为纤维二糖。
纤维素中β-1,4-糖苷键在适当的氢离子浓度、温度和时间作用下,糖苷键断裂,聚合度下降,这类反应称为纤维素的酸性水解。纤维素完全水解时则生成低聚糖和葡萄糖。在一般情况下,纤维素的配糖键对碱是比较稳定的。随着蒸煮温度的升高和木质素的脱除,纤维素会发生碱性降解。纤维素葡萄糖基环的C2、C3、C6位的游离羟基以及C1位的还原性末端基易被空气、氧气、漂白剂等氧化剂所氧化,在分子链上引入醛基、酮基或羧基,使功能基改变。氧化剂与纤维素作用的产物称为氧化纤维素(oxycellulose)。纤维素酶可将纤维素水解成葡萄糖。
半纤维素
半纤维素(hemicellulose):指在植物细胞壁中与纤维素共生、可溶于碱溶液,遇酸后远较纤维素易于水解的那部分植物多糖。一种植物往往含有几种由两或三种糖基构成的半纤维素,其化学结构各不相同。树茎、树枝、树根和树皮的半纤维素含量和组成也不同。因此,半纤维素是一类物质的名称。
构成半纤维素的糖基主要有D-木糖、D-甘露糖、D-葡萄糖、D-半乳糖、L-阿拉伯糖、4-氧甲基-D-葡萄糖醛酸及少量L-鼠李糖、L-岩藻糖等。半纤维素主要分为三类,即聚木糖类、聚葡萄甘露糖类和聚半乳糖葡萄甘露糖类。
木质素
木质素(lignin)是构成植物细胞壁的成分之一,具有使细胞相连的作用。木质素是一种含许多负电集团的多环高分子有机物,对土壤中的高价金属离子有较强的亲和力。
因单体不同,可将木质素分为3种类型:S-木质素(syringyl lignin),G-木质素(guaiacyllignin)和H-木质素(hydroxy-phenyllignin)。裸子植物主要为愈创木基木质素(G),双子叶植物主要含愈创木基-紫丁香基木质素(G-S),单子叶植物则为愈创木基-紫丁香基-对-羟基苯基木质素(G-S-H)。
木质素就是包围于管胞、导管及木纤维等纤维束细胞及厚壁细胞外的物质,并使这些细胞具有特定显色反应(加间苯三酚溶液一滴,待片刻,再加盐酸一滴,即显红色)的物质;从化学观点来看,木质素是由高度取代的苯基丙烷单元随机聚合而成的高分子,它与纤维素、半纤维素一起,形成植物骨架的主要成分,在数量上仅次于纤维素。