稻殼的綜合利用及研究進展

1、2010年第4期0引言稻(水稻(Oryza sativa L .屬禾本科(Gramineae ,糧食作物。其稈節(jié)明顯,節(jié)間常中空。 葉兩列互生,葉脈平行,具有葉鞘和葉舌,種子單子葉,具有大量粉質胚乳1。在稻谷生產(chǎn)中,除能獲取大米外,還有稻殼、米糠和稻草等再生資源。稻殼是稻谷脫殼后分離出來的谷殼,它由2片退化的葉子內穎(內稃和外穎(外稃組成,內外穎的兩緣相互鉤合包裹著糙米,構成完全封閉的谷殼。谷殼約占稻谷總質量的20%,它含有較多的纖維素(30%、木質素(20%、灰分(20%、戊聚糖(20%、蛋白質(3%,脂肪和維生素的含量很少,其灰分主要由SiO 2組成2-3。東南亞國家是世界稻谷的主要產(chǎn)區(qū),

2、而我國是世界上第一產(chǎn)稻大國,占世界稻谷總產(chǎn)量的1/3以上。若按我國年產(chǎn)2×108t 稻谷計,每年可生產(chǎn)大米1.4×108t ,谷殼4000×104t ,米糠2000×104t ,還有稻草2×108t 。這些資源如何合理利用,提高稻谷生產(chǎn)的附加產(chǎn)值,是今后需要考慮的問題2。本文綜述了國內外在稻殼開發(fā)與利用方面的研究,展望了稻殼綜合利用的前景。1稻殼在化學工業(yè)中的應用1.1制備SiO 2稻殼見圖1。吉林大學化學學院王子忱教授利用稻殼中富含Si 的特性,通過剔除無機物、纖維和雜質以及燃燒去掉碳成分等方式,從稻殼中提取出高純納米SiO 2,并獲得了國家

3、專利。整個過程中沒有廢料產(chǎn)生,所有成分均被充分利用,而且在除碳的過程中,通過一定的程序將碳保留下來,成為制作活性炭的原料。賈中兆4采用稻殼熱解法和反相微乳液法制備納米SiO 2,研究和比較了2種制備方法的工藝參數(shù)和試驗條件,通過表征試驗中所得的樣品,從中尋求出一種簡單有效的制備工藝,從而得到分散效果好、顆粒分布均勻的納米SiO 2顆粒。李浩洋等人5研究了以稻殼為原料,通過預處理、焙燒稻殼、提純、濾液中和、濃縮和結晶等過程提取收稿日期:2009-12-05作者簡介:蔡碧瓊(1977-,女,福建人,碩士,實驗師,研究方向:生物資源的開發(fā)和利用。稻殼的綜合利用及研究進展蔡碧瓊,陳新香,黃明,張福娣(

4、福建農(nóng)林大學生命科學學院,福建福州350002摘要:從4個方面綜述了稻殼的利用現(xiàn)狀,介紹了國內外開發(fā)稻殼的產(chǎn)品及其應用等問題,展示稻殼充分利用的廣闊前景。關鍵詞:稻殼;綜合利用;進展中圖分類號:TS210.9文獻標志碼:ACai Biqiong ,Chen Xinxiang ,Huang M ingjie ,Zhang Fudi(College of Life Science ,Fujian Agriculture and Forestry University ,Fuzhou ,Fujian 350002,China Abstract :Rice hull's current sit

5、uation was summarized from four fields.It's stated that rice hull's product and application was exploited at home and abroad.The vast range of prospects for making full uses of rice hull were introduced.Key words :rice hull ;generalized utilization ;advance第4期(總第205期農(nóng)產(chǎn)品加工·學刊No.42010年4月A

6、cademic Periodical of Farm Products ProcessingApr.文章編號:1671-9646(201004-0055-05農(nóng)產(chǎn)品加工·學刊2010年第4期SiO2和木糖,并對影響其性能的工藝條件進行了討論,得出最優(yōu)工藝條件和純度可達到98%以上,粒徑4060nm的SiO2。據(jù)了解,礦石加工出的SiO2多是微米SiO2,而稻殼加工出的則是納米SiO2,分子體積是微米SiO2的1%,因此,它的強度和透明度都較微米SiO2要強,成本也低很多。目前,這項技術正準備大規(guī)模應用于生產(chǎn)。稻殼經(jīng)細粉碎、酸處理、FeCl2·6H2O浸泡、過濾、干燥、高溫分

7、解與合成、HF溶液處理,即可得到純度為50%70%的合成SiC6。1.2制造高級陶瓷與再生容器只要在750下,就可把稻殼燒成白色的灰燼,灰燼中含SiO2達95%以上。用這種高純度的SiO2就可制造出高級陶瓷。稻殼制環(huán)保餐具于20世紀末起于中國的臺灣省, 20世紀90年代開始研制并有樣品問世。廣東汕頭高新區(qū)綠恒實業(yè)有限公司1997年建成了我國第一條生產(chǎn)線,規(guī)模較小,以中試生產(chǎn)為主,產(chǎn)品主要銷往中國香港和日本韓國等地。該系列產(chǎn)品的生產(chǎn)工藝及成套設備于1998年通過廣東省科技成果鑒定。1998年2001年連續(xù)4年被列入國家星火計劃重點項目7。日本塑料公司利用塑料成型技術,開發(fā)出以天然稻殼為原料的容器

8、。這種用稻殼制作的容器使用后不需要進行復雜的廢物處理,可以自然溶入土壤中。其加工方法基本與塑料成型法相同,而且加工成本低于塑料制品。日本已用稻殼試制出育苗箱、花盆等多種產(chǎn)品,加工方法是將磨成粉末的稻殼加熱到200再進行擠壓,并經(jīng)防裂處理。1.3制備多種化工原料將稻殼于密閉鐵容器內進行高溫干餾后加入質量分數(shù)8%的純堿,加同量水煮,再用冷水洗至中性,加熱烘干、除雜、粉碎、過篩(100目即制成高效澄清活性炭。以稻殼灰為原料,經(jīng)堿浸后得水玻璃,水玻璃與酸反應的沉淀物,經(jīng)過濾、水洗、干燥后得白炭黑。這2種產(chǎn)品均為大宗化工產(chǎn)品,市場需求很大2,8。郭玉鵬等人9以稻殼為原料,以KOH為活化劑制備了高比表面積

9、活性炭,其比表面積超過3000m2/g,且孔徑均一,孔分布較窄。王萬森等人10討論了以稻殼為原料,經(jīng)過炭化、微波活化、堿煮等制取活性碳的新工藝,所制得的活性碳達到LY216-79/783型的標準,新工藝制得的活性碳具有優(yōu)良的脫色力及吸附能力。稻殼經(jīng)過水解可以得到糠醛或木糠,進一步水解可制取酒精或乙酰丙酸,綜合利用還可以獲得醋酸鈉、硅酸鈉、活性炭和植物激素等?？啡┛梢陨a(chǎn)出漂亮耐穿的尼龍,也可以用來生產(chǎn)呋喃樹脂,加工成塑料;還能制成藥物,如呋喃西林等。醋酸、甲醇、丙酮都是化工生產(chǎn)中的重要原料。葉芳等人11采用稻殼灰與堿液反應制備硅酸鈉產(chǎn)品,并通過對該反應的常壓和加壓工藝條件進行探討,為稻殼灰與堿

10、液反應制備硅酸鈉的生產(chǎn)提供相關技術參數(shù)。1.4電池材料以稻殼為原料,已制成了迄今為止充電容量最高(1055mA·h/g的可逆鋰離子電池的碳陽極材料12。郝婕等人13研究了升溫速率、熱解溫度、堿濃度對稻殼制備鋰離子電池負極材料的結構和電化學性能的影響。利用差熱熱重(DTTGA分析、元素分析、X射線衍射(XRD等測試手段,對不同條件處理后的炭材料進行表征,通過電化學分析其充、放電性能。結果表明,該材料屬于無定形炭材料,首次充電容量為678.0mA·h/g,首次放電容量為239.0mA·h/g,10次循環(huán)以后容量基本穩(wěn)定,可逆容量保持在206.1mA·h/g左

11、右。稻殼經(jīng)酸洗或堿洗,除去金屬雜質,在惰性氣體的保護下,加熱至500900,可得到的黑色殘渣,即為含有一定Si的無定型炭材料。由于稻殼中大量Si原子的存在(14.8%16.2%,使得稻殼炭材料的層間距遠遠地超過理想石墨的層間距(0.3354nm。在500時,層間距達到0.37nm;在900時,層間距達0.41nm。隨著處理過程中NaOH濃度的提高,稻殼炭中Si含量明顯減小,層間距減小。以從稻殼中提煉的含硅炭材料作負極,金屬鋰作對正極, LiPF6作為電解液,測得電池的首次放電容量是2374mA·h/g,經(jīng)過5次循環(huán)后,可逆容量為1051mA·h/g14。1.5生產(chǎn)化妝品日本

12、企業(yè)使用稻殼制造出香波、香皂和化妝水等美容用品,受到女性消費者的歡迎。據(jù)讀賣新聞報道,日本發(fā)明了不少利用稻殼的方法:加鹽后,用于腌咸菜;燒成灰加水過濾后,用來洗滌物品;利用稻殼生產(chǎn)化妝品。稻殼化妝品具有明顯的保濕作用,可清除肌膚上的污垢,對皮膚的刺激小,還有抑制黑色素生成、減少皺紋和雀斑等功效。據(jù)研究,稻殼中含有各種維生素、酶及食物纖維,對促進皮膚的新陳代謝有一定效果。稻殼中的另一種有用成分肌醇可預防直腸癌及乳腺癌等,而稻殼中的谷維素對自律神經(jīng)失調癥和更年期障礙也有療效。稻殼中還有許多未知的成分,它在開發(fā)新商品方面還有很大潛力。1.6作為吸附劑利用稻殼的特性可制備吸附劑:利用稻殼本身的多孔結構

13、特性,再加以化學改性,以增強其吸附能·56·2010年第4期力;將稻殼燃燒成灰后,其顆粒結構為整齊排列的蜂窩狀,這種蜂窩狀結構的骨架主要由SiO2和少量鈉鹽、鉀鹽組成,在骨架中間的蜂窩內充填著無定型碳。該結構具有很強的吸附能力,其吸附效果比單一結構的硅酸鹽要強得多。Mostafa M R.15以稻殼為原料,ZnCl2為活化劑制得活性炭,再經(jīng)H2SO4溶液處理,制得具有較強吸附有害重金屬離子(如Hg2+,Pb2+,Cd2+能力的改性活性炭。Nakamura等人16提出了用堿液處理稻殼以除去木質素,再經(jīng)炭化的產(chǎn)品,可用來凈化水,特別是降低BOD,COD值和除去固體懸浮物的方法。

14、Tanin等人17研究了通過ZnCl2,H3PO4和CO2來活化或炭化稻殼,以制取活性炭來吸取亞甲基藍,他們發(fā)現(xiàn)用質量分數(shù)50%的ZnCl2溶液在750下,加熱1h來制取活性炭的吸附效果最好,且吸附過程符合Freundlich和BET等式。稻殼灰還可制備大豆油精煉中的脫色劑,最佳工藝條件為:堿液濃度為2mol/L,活化過程可選擇體積分數(shù)5%的酸,在溫度90下活化4h,然后在不大于200的條件下干燥,最終產(chǎn)品具有良好的脫色效果18。用稻殼灰制成的活性炭,可用于清除海上油污。1t稻殼可生產(chǎn)215.74kg活性炭,經(jīng)處理后脫油率達98.84%。用1t稻殼灰代替商品活性炭,可節(jié)約11400元。稻殼炭化

15、制成的海綿狀材料,具有極好的吸水性能,平均每1kg可以貯水6.8kg,比泥土的吸水量大1倍多。稻殼還具有良好的吸收光線和空氣的性能,非常符合植物根部吸收營養(yǎng)的要求。用這種材料配制成人工土種植黃瓜,其產(chǎn)量比一般栽培法增加1倍。錢俊青等人19利用稻殼良好的吸附特性制備成吸附劑,用于提高啤酒的穩(wěn)定性。稻殼粉碎后與稀硫酸混合,經(jīng)240密閉干餾,再以高溫灼燒活化,可得到對單寧有較強吸附能力的稻殼吸附劑,以此吸附劑去除啤酒中的部分單寧,能提高酒膠體的穩(wěn)定性。試驗表明,每100mL啤酒以0.4g吸附劑在15下攪拌吸附30min,可使酒中單寧量下降16.7%,從而減緩了引起啤酒渾濁的締合反應,使酒體穩(wěn)定性明顯

16、提高。該吸附劑與聚乙烯聚吡咯烷酮相比,具有吸附速度快,吸附單寧的能力更強及成本低廉的優(yōu)點。1.7作為清潔劑稻殼還可作航天機械輔助動力裝置的清潔劑組分,它含硅量高,可作為金屬表面脫脂去碳的研磨粉。1.8作為酶載體Tantrakulsiri20發(fā)現(xiàn)將稻殼灰在700馬弗爐中加熱2h,再用質量分數(shù)10%的硫酸濾去其中的金屬氧化物,得到酸化稻殼灰。該產(chǎn)品可用來固定假絲酵母圓筒狀脂肪酶,固定的脂肪酶活性殘留為30%,但其耐熱性大大增加,在50,60,70下的半數(shù)殘留時間分別為45,17,4min。1.9稻殼能源我國稻谷的年產(chǎn)量為1.75×108t,加工成大米后,能產(chǎn)生稻殼3500×10

17、4t。用這些稻殼燃燒發(fā)電,能產(chǎn)生270×108kW·h的電力,與用煤炭發(fā)電相比,可以少排放約600×104t的CO2。許多企業(yè)打起了用稻殼作燃料的節(jié)能牌,引進了12t/d稻殼的燃料加工項目,集中處理稻殼1300多t,用這些稻殼可以生產(chǎn)出稻殼棒1000t。據(jù)了解,1.5t稻殼棒燃燒產(chǎn)生的熱量相當于1t煤的燃燒熱量,稻殼棒又具有燃燒好、污染小等特點。黑龍江省同江市已經(jīng)有10多家中小企業(yè)安裝了稻殼綜合利用設施,僅此一項每年就可節(jié)約原煤2500多t。1.10制備乙醇國外相關研究表明,稻殼富含纖維素,經(jīng)硫酸高壓分解,加水酵母發(fā)酵即可制得乙醇。劉天霞等人21在試驗室內分離、篩

18、選、馴化培養(yǎng)出1株高效木糖酒精發(fā)酵菌株g-13,采用該菌株使稻殼粉水解液發(fā)酵,可以同時將水解液中的葡萄糖和木糖轉化為酒精,酒精轉化率為38%(酒精/消耗的糖,并對稻殼粉的水解條件進行了優(yōu)化探索。2稻殼在建筑行業(yè)中的應用2.1稻殼灰的利用美國普度大學的Jan Olek研究表明,在混凝土中摻入稻殼灰會使水泥變得更加堅固和更具抗腐蝕性。修筑摩天大樓、橋梁、近?；蛩辖ㄖr,如果能用稻殼灰替代20%的水泥,制成的混凝土,其優(yōu)勢就會大大體現(xiàn)出來。2.2絕熱耐火磚2稻殼內含有20%左右的優(yōu)良無定型硅石,是制磚的上等原料。日本將稻殼與水泥、樹脂混勻后,再經(jīng)快速模壓制成磚塊,具有防火及隔熱性能,密度小,不易破

19、碎。巴西一家公司根據(jù)稻殼熔點高、熱傳導率極低的特性,將其放入球磨機內研磨后,用耐火黏土、有機溶劑混合制造成耐火磚用于易燃易爆品倉庫很受歡迎。2.3稻殼水泥2稻殼煅燒成活性高的黑色炭粉后,與石灰反應便可生成黑色的稻殼灰水泥。這種新穎的水泥具有防潮,不結塊,使用時再配上防老化性能良好的罩光劑,能賦予建筑物柔和、典雅的光澤。2.4人造木材稻殼與樹脂混合可制成人造木材,它是由稻殼粉末和樹脂粉混合物制成的塑型產(chǎn)品,具有節(jié)約木材資蔡碧瓊,等:稻殼的綜合利用及研究進展·57·農(nóng)產(chǎn)品加工·學刊2010年第4期源,工藝簡單、成本低廉、終端產(chǎn)品性能穩(wěn)定無污染,自然木質感強,保溫性能好

20、,耐磨、耐水、阻燃、使用壽命長,機械強度高且易于加工,其物理及化學性能均優(yōu)于一般木材,具有巨大的經(jīng)濟效益和社會效益,廣泛應用于建筑、裝修、家具等領域,以代替木材使用。用稻殼為主要原料制成的新穎吊頂材料天花板,不僅價廉物美,而且具有防火、防蛀、防霉等優(yōu)點,適用于造船和建筑業(yè),以及潮濕多雨和白蟻多的地區(qū)。2.5稻殼涂料稻殼內含有約38%的干性纖維素。美國利用此特性將稻殼灰添加到涂料中,可使涂料常見的龜裂現(xiàn)象消失6,22。3稻殼在農(nóng)業(yè)中的應用3.1飼料22目前,國內外學者開始注重用物理或化學方法處理稻殼生產(chǎn)優(yōu)質飼料的研究,尤其是采用生物技術生產(chǎn)蛋白飼料更受重視。如用堿或氨處理,或改性、膨化處理的稻殼

21、是一種很好的飼料。該飼料與米糠和碎米科學配比喂牛效果很好;國外將稻殼發(fā)酵生產(chǎn)飼料,其蛋白質含量可達30%,相當于脫脂乳9。3.2種植業(yè)22(1用于抑制雜草。把稻殼直接鋪在土地表面,可防止雜草生長,保持土壤溫度,有利植物吸收養(yǎng)分,提高抗菌能力。(2用作肥料。將稻殼膨化,摻入1%的尿素和少量石灰水,在露天發(fā)酵到顏色變黑,用作肥料,具有良好的保水、保肥性,用于蔬菜種植,可提高產(chǎn)量1倍以上。(3用作食用菌培養(yǎng)料。稻殼膨化后用作食用菌培養(yǎng)基,能使營養(yǎng)充分被菌種吸收,縮短生產(chǎn)周期,可替代木屑栽培香菇。(4制作殺蟲劑。因稻殼灰分中含有大量SiO2對昆蟲胸部的蠟質表層具有腐蝕作用,將其制成殺蟲劑,可打亂昆蟲的

22、正常新陳代謝,導致其死亡。3.3生產(chǎn)生物制劑從稻殼中可以提取一些生物抑制劑,如木質素等。Eun Jong B證實了稻殼中木質素以及其硝基苯氧化單體的抗菌性23;Puzafi K C利用稻殼等物質為底物,大規(guī)模生產(chǎn)一種稻鐵甲蟲生物控制劑24。4稻殼在食品和醫(yī)藥中的應用4.1制食用糖將干凈稻殼碾細以后,加水煮、燜,加入含淀粉酶的固體曲或液體曲,攪拌糖化,液體加熱濃縮可制糖液。4.2用作壓榨和過濾助劑在美國將經(jīng)過加熱和清洗的稻殼大規(guī)模應用于非柑橘類水果(如蘋果、梅子、葡萄等的壓榨助劑,稻殼起疏松和助濾作用,可以提高果汁及干果漿的得率。4.3提取生物活性物質黃酮類化合物在植物界廣泛分布,存在于植物的葉

23、和果實中,大部分與糖合成苷類,以配基的形式存在,少部分以游離形式存在。該類化合物不僅對心血管、消化系統(tǒng)疾病有一定療效,而且具有抗炎、抗菌、抗病毒、解痙等作用25-27。筆者選用廉價的水稻殼作為提取黃酮類物質的原料,以乙醇為提取溶劑,通過單因素及正交試驗對水稻殼中所含總黃酮的提取工藝進行優(yōu)選,并利用現(xiàn)代分析手段對提取物進行分析和性質表征28。筆者還考察了5種大孔吸附樹脂對稻殼中總黃酮的分離純化性能,篩選出最佳的大孔吸附樹脂29。于加平等人30以體積分數(shù)70%的甲醇水溶液為提取劑,采用索氏提取法對稻殼中的綠原酸進行提取,高效液相色譜法對綠原酸進行檢測和含量的測定。低聚木糖也稱木寡糖,是一種重要的功

24、能性食品,它除了具有低熱、穩(wěn)定、安全、無毒等良好的理化特性外,還有促進腸道內有益菌的繁殖、抑制有害菌生長的獨特生理功能,現(xiàn)已引起廣泛關注,但是目前制備低聚木糖的資源相對較少。張春雨等人31以稻殼為原料,采用了首先制備綜纖維素,再堿提取木聚糖的方法。李麗坤等人32以稻殼為原材料,通過微生物降解,利用香菇菌來分解半纖維素,并著重從測定糖含量的方面進行判斷阿拉伯木聚糖的產(chǎn)生。馬軍強等人33研究了糠醛生產(chǎn)的新原料稻殼的硫酸水解試驗。利用蒸汽加熱在反應中分別對硫酸濃度、固液比、反應溫度、反應時間4因素對糠醛得率的影響進行了研究。經(jīng)過多批次試驗,得出生產(chǎn)糠醛的最佳水解工藝參數(shù):硫酸體積分數(shù)為10%,水解時

25、間為4h,溫度為170,固液比為16。糠醛得率達到理論量的62%,比玉米芯生產(chǎn)糠醛得率提高了12%。5結論水稻屬禾本科植物,是我國南方地區(qū)廣泛種植的主要糧食作物,我國的水稻產(chǎn)量居世界第一。稻殼作為稻米加工副產(chǎn)物,資源豐富,但目前利用程度很低,大部分作為廢物丟棄或作低級燃料。若能從廉價、易得的稻殼中生產(chǎn)超出其本身價值數(shù)倍的化工產(chǎn)品,尤其是尖端科學不可缺少的高科技產(chǎn)品,不僅能大大提高稻殼的利用率、降低污染、凈化環(huán)境,還能創(chuàng)造經(jīng)濟效益、節(jié)約資源、造福人類。稻殼應用最具前景的領域為生物質能源,不但可以緩解目前的能源·58·2010年第4期中國農(nóng)產(chǎn)品加工業(yè)主流媒體每月10日出版農(nóng)產(chǎn)品

26、加工R學刊郵發(fā)代號:22-121全年12期定價:96元郵發(fā)代號:22-19全年12期定價:96元農(nóng)產(chǎn)品加工R創(chuàng)新版郵發(fā)代號:22-150全年12期定價:96元R每月20日出版每月30日出版農(nóng)產(chǎn)品加工危機,而且污染少、產(chǎn)能高。因此,科學開發(fā)與綜合利用稻殼,是開辟新資源,保護環(huán)境,消除白色污染,促進生態(tài)平衡的途徑,也是促進發(fā)展農(nóng)業(yè)、建筑業(yè)和化學工業(yè)發(fā)展的重要項目。參考文獻:徐漢卿.植物學M.北京:中國農(nóng)業(yè)出版社,1996:314-318.李新華,董海洲.糧食加工學M.北京:中國農(nóng)業(yè)出版社,2002:9-35.劉曉軍.稻殼的開發(fā)利用J.糧食加工,2007(5:14-15.賈中兆.納米二氧化硅顆粒的制

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