一种毛竹中木质素含量的检测系统及方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及木质素含量检测技术领域，具体涉及一种毛竹中木质素含量的检测系 统及方法。
【背景技术】
[0002] 木质素是由聚合的芳香醇构成的一类物质，存在于木质组织中，其主要作用是通 过形成交织的网状结构来硬化细胞壁。木质素主要位于纤维素纤维之间，起抗压作用，增加 木质组织的机械强度和抵抗微生物腐蚀的能力，使植物直立挺拔和不易腐朽。在自然界中， 木质素的储量仅次于纤维素，利用木质素制造可降解、可再生的聚合物。毛竹作为竹子中最 主要的品种，是重要的生物质资源，具有资源丰富、分布广、生长快、用途多、生态和经济价 值高等特点。毛竹中的木质素含量的高低无论在生物质新能源利用还是在合成高值化材料 的角度，都有十分重大的影响，因此快速准确的测出毛竹中木质素含量具有实际意义。
[0003]目前毛竹中木质素含量的测量方法主要有：
[0004] 1、使木质素本身溶解，或使其变成木质素的衍生物而溶解，再沉淀精制的方法 (可溶性木质素）。具体有：①球磨得到磨木木质素；②使用有机溶剂在酸性条件下溶出； ③使用无机试剂分离。
[0005] 2、使植物中木质素以外的成分溶解，木质素作为残渣而分离的方法（不溶木质 素）。典型方法为范氏（Van Soest)检测法，具体原理：粉末状待测样本经中性洗涤剂煮沸 处理，不溶解的残渣为中性洗涤纤维，主要为细胞壁成分，其中包括木质素、纤维素、木质素 和硅酸盐。再经酸性洗涤剂处理，剩余的残渣为酸性洗涤纤维，其中包括纤维素、木质素和 硅酸盐。酸性洗涤纤维经72%硫酸处理后的残渣为木质素和硅酸盐，最后经由500°C灰化， 剩余残渣灰分即为无机硅酸盐。最后两个步骤残渣相减即为待测样本中木质素的量。
[0006] 以上方法都是通过分离木质素物质或者溶解木质素及其衍生物，进而推断出含 量，但是在处理过程中，无法排除测量过程中造成的损失。并且用以上传统的湿化学方法检 测时需要用到大量的试剂进行前处理，非常耗时且需要大量劳力，过程繁琐，无法做到快速 实时的检测。
【发明内容】
[0007] 针对现有技术的不足，本发明提供了一种的毛竹中竹木质素含量的检测系统集方 法，实现确定毛竹中木质素含量的快速、无损、低成本检测。
[0008] -种毛竹中木质素含量的检测系统，包括：
[0009] 透明样品槽，其侧壁外周沿周向均匀设有20个透过波长不同的滤光片，
[0010] 可旋转工作台，用于承载所述透明样品槽；
[0011] 光源，用于照射预设检测点；
[0012] 检测器，用于检测在光源照射下预设检测点处的漫反射率；
[0013] 控制单元，用于控制可旋转工作台转动使透明样品槽侧壁外周的滤光片转动至预 设检测点处，并获取检测器检测到的漫反射率以计算毛竹中木质素含量。
[0014] 本发明中光源为线光源，发出的光线为平行光束，沿水平方向照射透明样品槽的 侧壁。进一步优选，所述光源为近红外光源。控制单元多通过计算机实现。
[0015] 本发明中检测器可采用常见的光电探测器，获取从预设检测点射出的光线的强 度，该光线实际上为置于透明样品槽中的样品对光源的漫反射光线，根据光源的强度，即可 得到漫反射率。
[0016] 由于一个滤光片对应一个透过波长，因此，相应的滤光片移动至预设检测点时检 测器检测到的漫反射率实际上为样品在该滤光片对应的透过波长处的漫反射率。
[0017] 能够实现毛竹中木质素含量的自动检测，提高了检测效率，且通过计算机控制，提 高了检测精度。
[0018] 20 个滤光片的透过波长分别为 1100nm、1158nm、1198nm、1242nm、1370nm、1404nm、 1646nm、1672nm、1702nm、1728nm、1898nm、1930nm、1998nm、2052nm、2112nm、2262nm、2300nm、 2356nm、2382nm 和 2498nm。
[0019] 其中，1380nm附近波长对应C-H伸缩以及-CH3变型，1404nm与O-H伸缩基频有 关，1646nm, 1672nm和1702nm三个特征波长则与C - H振动有关，1725nm附近与-012的C-H 伸缩振动基频有关，1898nm以及大约1927nm左右的特征波长分别与-CO2H中C = 0伸缩 振动基频的二级倍频特征吸收谱带以及O-H键的伸缩变型有关，1996nm特征波长与0 - H及 C = 0的伸缩振动基频的二级倍频特征吸收谱带相关，2100nm附近信号与纤维素的0 - H及 C-H伸缩有关，2280nm和2322nm处信号与C-H伸缩有关。
[0020] 所述控制单元根据如下公式计算得到待测毛竹中的木质素含量：
[0021] Υ*μ* = 〇· 076+11. 237Α!-40. 543Α2+56. 087Α3-32. 414Α4+20. 948Α5-
[0022] 21. 312Α6+12. 642Α7+22. 512Α8-9. 892Α9-23. 891Α10+5. 254Αη+
[0023] ，
[0024] 6· 611Α12-13· 065Α13+16· 663Α14-15· 903Α15-8· 993Α16+13· 145Α17-
[0025] 2· 700Α18+6· 880Α19-3· 438Α20
[0026] 其中，A1、A2、A3、A4、A5、A 6、A7、A8、A9、A10、A 11、A12、A13、A14、A15、A 16、A17、A18、A19和 A 2。 分别为待测毛竹在20个透过波长处的吸光度，且波长依次增大（即从A 2。对应的透过 波长依次增大），所述吸光度根据相应透过波长处的漫反射率计算得到。
[0027] 吸光度可以通过吸收率、透过光率计算得到。本发明中考虑到毛竹本身性质，利用 漫反射率计算。针对任意一个透过波长，待测毛竹在该透过波长处的吸光度A利用公式：
[0028] A = log(l/R)
[0029] 计算得到，其中，R为待测毛竹在该透过波长处漫反射率，根据待测毛竹的漫反射 光谱得到。
[0030] 为便于实现，所有滤光片的形状相同，展开时均为矩形。为避免测试时需要的粉末 过多，本发明中滤光片的一端与透明样品槽的底部相齐平，且沿周向相邻的两个滤光片之 间无缝隙。
[0031] 进一步，为提高检测精度，各个滤光片贴覆在的其侧壁外周上，且沿透明样品槽高 度方向的长度为3~5cm。预设检测点的高度为滤光片沿透明样品槽高度方向的长度的一 半。本发明中预设检测点的高度以样品槽底部为基准线。
[0032] 基于上述检测系统，本发明还提供了一种毛竹中木质素含量的检测方法，包括如 下步骤：
[0033] (1)待测毛竹风干磨粉以得到待测毛竹粉末；
[0034] (2)将待测毛竹粉末放入透明样品槽中，通过控制单元控制可旋转工作台转动，得 到20个滤光片在预设检测点处的漫反射率并计算得到毛竹中木质素含量。
[0035] 本发明方法仅采用20个透过波长处的吸光度即可完成检测，易于实现，且不需要 化学试剂，环保。
[0036] 作为优选，待测毛竹粉末的粒径为250 μ m至380 μ m。
[0037] 为保证检测精度，所述步骤（2)中将待测毛竹粉末放入透明样品槽中使待测毛竹 粉末的高度为3~5cm。
[0038] 本发明毛竹在20个透过波长处的吸光度作为自变量，以毛竹中木质素含量作为 因变量，根据毛竹中木质素含量与毛竹在20个透过波长处的吸光度的关系，实现毛竹中木 质素含量的无损、快速检测。
[0039] 与现有技术相比，本发明具有如下优点：
[0040] 快速，基于20个特定波长处的吸光度来实现的，所以相对于全波长光谱测量法检 测时间更短；
[0041] 检测步骤少、操作简单，避免了传统木质素含量测量的提取、析出等繁琐、耗时的 样品制备过程；
[0042] 检测系统结构简单，易于实现，成本低，仅采用20个透过波长实现检测，所以基于 本发明方法的仪器结构和原理比较简单，体积较小，故对应的仪器价格相对便宜，维护的成 本也低，且检测精度高；
[0043] 具有良好的经济效益，由于毛竹中木质素含量与竹材造纸以及生物质新能源的开 发利用都密切相关，传统的测量手段在提取、消解等方面需要耗费大量的试剂与人力，本发 明方法可以快速、准确的检测毛竹中木质素含量，可以为工业加工提供有用信息；
[0044] 环保，不会像传统检测那样消耗大量化学试剂，因此不会对环境造成不利影响。
【附图说明】
[0045] 图1为本实施例的检测系统的结构示意图；
[0046] 图2为20个滤光片的透过波长在竹粉近红外光谱中的分布情况；
[0047] 图3为本实施例中建模集与预测集样本的木质素含量的预测值与实际值的散点 分布图。
【具体实施方式】
[0048] 下面将结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。
[0049] 如图1所示，本实施例的毛竹中木质素含量的检测系统，包括：
[0050] 透明样品槽1(本实施例中为透明石英材质），其侧壁外周的底部均匀设有20个透 过波长不同的滤光片2 ;可旋转工作台3,用于承载透明样品槽1 ;光源4,用于照射预设检 测点；检测器5,用于检测在光源照射下预设检测点处的漫反射率；控制单元6,用