基于生物质物料特性的汽爆过程解析

　　认知生物质物料复杂特性及其与汽爆过程的关系，提出适用于不同生物质物料的汽爆过程理论依据，是实现汽爆作为通用炼制技术的关键。文章从生物质物料特性出发解析汽爆过程，探讨了木质纤维素类生物质化学组成、物理结构、水分状态、颗粒尺寸以及非木质纤维素类物料特性与汽爆过程的关系;以降低汽爆能耗和提高汽爆效果为目的，归纳了不同物料特性下汽爆工艺和参数的选择依据，为不同生物质物料汽爆工艺和操作条件的开发选择和优化提供理论指导;在此基础上，发明了基于物料特性的多种新型汽爆工艺，使汽爆应用领域得到极大拓宽，以期建立以生物质为通用原料的新型工业技术体系和研究平台。以木质纤维素类生物质可再生资源为主要原料的生物炼制，需要进行预处理破坏生物质致密复杂的结构屏障，实现选择性组分结构拆分，进而促进生物质高效高值转化。其中，汽爆技术是生物质炼制过程的关键预处理手段，近年来受到广泛关注其主要是利用高温高压水蒸气处理纤维原料，在物理化学作用下，半纤维素部分水解，木质素软化变得易降解，从而使纤维横向联结强度下降，细胞孔隙中充满高压气体，变得柔软可塑。当骤然减压时，孔隙中的气体急剧膨胀，产生闪爆，将物料放裂成细小的纤维束状，从而实现原料的组分分离和结构变化。经过几十年的研宄，汽爆技术已经发展到不同国家用于不同原料的处理上，并在众多领域如食品工业、制药行业、生物质能和环境保护等均有广泛应用。中国科学院过程工程研究所陈洪章研宄员建立了以汽爆及其组分分离技术为核心的生物质炼制技术平台，在此基础上，开发了一系列经济高效的生物质原料炼制工艺，并得到生物基能源、材料和化学品等众多产品，旨在实现生物质资源的经济效益最大化。

　　生物质汽爆过程的影响因素主要分为以下四类：物料参数、操作参数、设备参数和产品参数。其中，物料参数主要包括生物质物料种类化学组成、物理结构、水分状态和颗粒尺寸(与装料系数相关)，其决定了所选择的汽爆工艺和操作条件，并且与汽爆过程能耗和汽爆效果及后续产品性能密切相关。近年来，关于生物质物料特性对汽爆效果的影响己有若干报道-，但始终缺乏从生物质物料特性与汽爆过程关系方面的深入解析，难以形成具体理论依据而指导不同生物质物料的汽爆工艺，强化汽爆处理效果。

　　1木质纤维素类物料特性与汽爆过程的关系

　　1.1木质纤维素类物料化学组分与汽爆过程的关系

　　木质纤维素物料主要包括针叶木、阔叶木和草本类植物。其主要化学成分包括纤维素、半纤维素和木质素，在一般植物纤维原料中，这三种成分的质量占原料总质量的80%〜95%,构成植物体的支撑骨架。纤维素组成微细纤维，构成纤维细胞壁的网状骨架，而半纤维素和木质素则是填充在纤维之间和微细纤维之间的黏合剂和填充剂。此外，还含有其他少量成分，如树脂、脂肪、蜡、果胶、淀粉、蛋白质、无机物、单宁、色素等。这三类木质纤维素物料在化学组成上的差异使其在汽爆作用机制和工艺等方面有明显差别。

　　以无抽提物的绝干木材为基准，针叶木平均含43%纤维素、28%半纤维素和29%木质素，阔叶木约含45%纤维素、34%半纤维素和21%木质素。两者纤维素含量相近，除杨木外，不论是阔叶木还是针叶木，聚葡萄糖的相对量变动极少。阔叶木半纤维素含量高于针叶木，在半纤维素中，阔叶木含有大量的聚4-0-甲基葡萄糖醛酸木糖(20%〜25%),聚葡萄糖甘露糖则较少(1%〜3%);而针叶木聚半乳葡萄糖甘露糖醋酸酯的含量则很高(15%〜20%)，聚4-0-甲基葡萄糖醛酸阿拉伯木糖含量约为10%,聚阿拉伯糖、半乳糖含量均较少，1%〜3%_。因此，阔叶木比针叶木含更多的聚木糖，而针叶木则含有更多的聚甘露糖、较多的聚半乳糖与聚阿拉伯糖。针叶木木质素含量高于阔叶木，针叶木木质素主要含有愈创木基丙焼及少量的对轻苯基丙烷，阔叶木木质素主要含有愈创木棊丙烷和紫丁香基丙焼及少量的对轻苯基丙烧。草本类植物与阔叶木组成相近，其大多数品种的纤维素含量都接近木材的水平，但稻草、玉米秸秆、高粱杆等偏低;聚戊糖含量比针叶木高得多，相当于阔叶木的高值;木质素含量除竹子与针叶木接近外，大多数比较低，接近阔叶木的低值，其中稻秆木质素含量最低，但草叶、草节、草穗木质素含量却很高;热水抽出物及l%NaOH抽出物含量比木材高，以稻草、麦草、玉米秸秆为最高;灰分均髙于木材，以稻草最为突出，而且灰分中主要化学组成为Si02。因此，草本类植物具有以下特征：半纤维素含量较高、木质素含量较低，由于在汽爆过程中主要发生半纤维素链上的乙酰基团水解，产生的乙酸含量高，催化半纤维素的糖苷键和木质素上JS-酯键的水解，因此，在一定范围内半纤维素含量高的原料产生的酸催化作用强，在汽爆过程中更容易降解。草本类植物相对于木本植物木质素分子量较低且木质素中酚羟基含量高，因此具有较高的亲液性而易在热酸性环境下降解溶出。相对于草本类植物，针叶木在化学组成上则表现出较强的预处理抗性：针叶木中半纤维素含量相对较低，可利用乙酰基含量低，酸性环境下聚葡萄糖-甘露糖相较于聚木糖难以被降解，影响汽爆效果;纤维细胞高度木质化，含有较多的木质素且木质素分子量高，难以在汽爆过程中溶出，同时木质素中含有较多的难以被酸脱除的愈创木基，因此在汽爆过程中木质素变化相对较小，木质素-碳水化合物(LCC)难以产生化学反应而降解，不利于汽爆;针叶木中树脂道内较多填充物的存在可能阻碍汽爆过程中热质传递，也会影响汽爆效果。

　　基于秸秆与木材在化学组成上的差异，中国科学院过程工程研究所陈洪章研究员对传统汽爆工艺进行改进，发明了对秸秆不加任何化学品的低压汽爆技术(3.0MPa降到1.5MPa以下)，揭示了秸秆自体水解作用机理。该技术在汽爆过程中不需要添加任何化学药品，只需控制秸秆的含水量，将原料与蒸汽混合并维持一段时间，半纤维素被释放出来的乙酸等弱酸水解而发生降解，其中乙酸是由原料中的乙酰基水解而产生的。汽爆过程中水在高温下也同样起到了酸催化剂的作用。最终可以分离出80%以上的半纤维素，并且使纤维素酶解率达到90%以上。目前，该汽爆设备己成功放大到50m3工业规模。基于对过程集成和耦合作用机制的认识，将碱性双氧水、超微粉碎、机械梳分等方法应用于汽爆工艺中，建立了以汽爆为核心的组合预处理新方法，实现了秸秆化学组分、细胞类型和组织层面的分级分离_,为实现秸秆组分高效清洁利用奠定了基础。以此建成了秸杆多级联产瓦楞原纸、生态板等多联产园区，并将汽爆炼制平台推广应用于烟草加工、中草药提取、麻纤维清洁脱胶等行业领域。

　　1.2木质纤维素类物料组成结构与汽爆过程的关系

　　针叶木、阔叶木与草本类植物的

　　组成结构有明显的差异。针叶木组成细胞种类较少，一般来说，有树脂道、无导管，主要组成结构管胞，既有输导功能又有机械支持机能，管胞占木材容积90%以上，典型的细胞长3〜5mm、宽0.03〜0.05mm。两个相邻的细胞相隔由5层组成，其中两层是纤维性质，紧接着是两层木栓化层，中间是一层木质层，每立方厘米有5000万个以上的细胞。阔叶木组成细胞种类比较多且进化程度高，阔叶木没有树脂道，但具有导管，导管起输导水分作用，木纤维起机械支持功能。阔叶木中含有韧性木纤维、纤维管胞和管胞3种纤维细胞，统称为木纤维。木纤维是构成阔叶材的重要解剖分子之一，平均长度为1mm,宽度一般小于20um,占木材容积的60%〜80%,其中以初性木纤维最多。草本类植物组成细胞种类比较多，包括纤维细胞、导管、薄壁细胞、表皮细胞、筛管和伴胞等，导管细胞含量较多，其直径比纤维细胞大得多。以茎为例，其共同的特点是维管束散生分布于大量基本组织中，没有皮层和中柱的界限。纤维细胞分布于外表皮层下和维管束，纤维平均长度为1.0〜1.5mm,平均宽度为10〜20um，含量一般占容积的40%〜70%。基本组织在茎中占较大比例，由薄壁细胞构成。草本类植物中禾本科茎杆中心的基本薄壁组织在发育过程中往往发生破裂，形成中空的髓腔。

　　由上述分析发现，植物生物质本身具有多孔性，各个细胞有由细胞腔和细胞壁组成的不同形状和大小的孔腔，不同细胞之间通过纹孔相连，而在细胞壁层面，不同的组分之间、微纤丝中都存在不同尺度的孔隙。而生物质物料汽爆过程，归根到底是一个形成孔和破坏孔的过程，涉及生物质多孔结构内的热质传递和反应过程。为深入解析植物生物质孔隙结构与汽爆过程的关系，提出生物质多孔介质的概念：一种以细胞壁和胞间物质为固体骨架形成不同孔径孔隙，供流体存在或传递的多孔介质。细胞壁大分子孔隙、纹孔、胞间连丝、角隅、细胞腔孔隙相互连通，可与气相、液相或汽液两相流体共存或流体在其中传递。生物质多孔介质主要性能是多孔结构及其内部流体的传递行为。由于针叶木中细胞组成种类相对较少，纤维排列紧密规则，被称为“无孔材”。纤维较长且含量高，是植物原料的支持组织，纤维细胞由于高度木质化一般具有发达的次生壁(厚度较大)，结构致密，水蒸气难以渗入物料孔隙内，导致汽爆过程中热质传递阻力大，难以形成充满高压水蒸气的孔隙作用位点，不易被撕裂。阔叶木中存在导管组织输送水分，导管腔孔大且长，受其影响纤维排列规则性不如针叶木，被称为“有孔材”。其所含薄壁细胞含量多为针叶材的2倍，薄壁细胞腔大、壁薄、长度短，在植物生长中起着储存营养的作用，既利于热质传递，又利于水蒸气闪蒸对其物理撕裂。草本类植物中，次生木质部包埋于大量的基本组织即薄壁细胞中，孔隙率较高，利于水蒸气夹带热量的传递，汽爆效果较木本类植物强。

　　由于纤维细胞和薄壁细胞是木质纤维素生物质原料中最主要、最基本的细胞，不同原料中，这两类细胞的含量、结构各不相同，这就从本质上决定了所需处理条件的差异。由此可见，相同的预处理强度对这两类细胞的作用效果不一致，若以纤维细胞降解为目的，那么薄壁细胞势必过度降解，造成抑制物的产生和过量，不利于后续转化过程。笔者以此为依据，建立了二段汽爆分梳工艺。采用较温和的汽爆条件进行第一段汽爆，通过气流分级装置将第一段物料分级，得到薄壁组织和纤维组织，再将纤维组织在合适的条件下进行第二段汽爆。研宄表明，二段汽爆分梳工艺有效地针对各组织的结构特征选择性地进行预处理，既能保证纤维组织达到较好的预处理效果，又能避免薄壁细胞的过度降解，从而提高纤维原料酶解率的同时，又能有效控制抑制物的产生，降低其含量，省去了脱毒单元操作的引入。此外，该方法中，纤维组织和薄壁组织的分离和选择性预处理，为木质纤维素原料的分层多级转化提供了新途径。

　　1.3木质纤维素类物料水分状态与汽爆过程的关系

　　由于汽爆处理对象一般为含水率矣15%的生物质干物料，在汽爆前通常需要对物料进行复水处理以调节其水分状态，提高汽爆效果和均一性。水分作为参与汽爆过程的唯一作用介质，在汽爆过程中发挥着重要作用。①反应介质，汽爆高温蒸煮过程中热酸性环境主要来自于水分p&v值随温度增加而降低所表现出的酸性水和生物质水解而释放的乙酸等有机酸，这种高温酸性环境导致一系列类酸性水解反应的发生，半纤维素被水解为寡糖、单糖和糠醛，糖和木质素之间连接的乙酰基被破坏释放乙酸进一步降低体系酸值，同时木质素发生部分溶解、降解和再聚合。②传递介质，水分一方面作为酸性物质和水解中间产物等的传递介质，一方面以蒸汽形式夹带热量用于加热物料，作为传热介质决定了热量传递的方式和效率。当物料中含水率足够低且毛细管孔未被液态水完全填充而形成连续的气体通道时，蒸汽能够快速渗入物料中，通过冷凝的方式释放蒸发潜热以快速加热物料;在汽爆维压温度到达前，当物料内部己积聚充满冷凝的液态水时，后续传热将通过较慢速的热传导方式进行，降低了传热速率，缩短了物料有效反应时间，造成实际汽爆强度的降低和处理效果的不均一性。此外，水分含量过多还将消耗更多的蒸汽加热物料内水分，不仅对汽爆效果没有贡献，反而增加能耗。爆破介质，在泄压瞬间，物料孔隙内液态水发生闪蒸而高压蒸汽体积急剧膨胀，对外做功，对物料起到物理撕裂作用，破坏物料结构。增塑剂，对于纤维物料，水分影响植物细胞形态和力学性能，如木材干燥过程中的干缩湿胀现象和黏弹性的改变，适当的复水处理能够疏松软化纤维性物料，利于汽爆泄压时的物理撕裂作用。

　　基于水分含量在反应器内液态水和高压蒸汽两相间的变化规律，笔者将汽爆过程重新划分为气相驱替阶段(复水)、气相渗透阶段(升压)、气相蒸煮阶段(维压)和气相爆破阶段(泄压)。在气相驱替阶段，随物料内复入水分含量的增加，物料孔隙内空气被驱替出来，且起到适当软化物料的作用;在气相渗透阶段，蒸汽迅速渗入物料孔隙结构中加热物料，消耗大量蒸汽，同时产生大量冷凝水;在气相蒸煮阶段，体系温度和压力不再变化，蒸汽冷凝和液态水蒸发基本维持平衡;在气相爆破阶段，物料中部分液态水发生闪蒸，压缩蒸汽体积急剧膨胀，从而破坏物料物理结构。笔者建立了汽爆过程多阶段水分传递模型，定量分析汽爆过程中水分含量的变化规律，获得冷凝水和闪蒸水的关系以及汽爆后物料含水率表达式。其中，冷凝水量能够反映汽爆过程的蒸汽消耗，继而提出了单位质量干基耗气量以评价汽爆能耗;闪蒸水的定量计算有利于汽爆后气体余热的回收利用;对汽爆后物料含水率进行准确预测以期指导后续干燥、酶解、提取等工艺条件选取。为进一步从水分的不同状态入手深入解析了水分在汽爆过程中的作用并获得最佳水分状态。采用低场核磁技术分析玉米秸秆在不同含水率复水过程中的水分分布和迁移规律，研宄发现玉米秸秆内有两种水分存在。一是在细胞腔的中空部分，以液体形式存在的自由水;一是在细胞壁中，与构成细胞壁的纤维素以化学结合形式存在的水分，为结合水。随复水时间和复水量的增加，结合水含量增加至绝对含水率30%后不再变化，流动性基本不变;自由水绝对含水率30%出现，含量和流动性随含水率增加而持续增加。因此，绝对含水率30%被认为是玉米秸秆的纤维饱和点，且复水6〜10h后秸秆内水分状态基本不再变化，认为达到复水平衡。由木材与水分关系的相关研宄可知自由水与植物类物料的反应性有关，而束缚水与物料力学性能有关，两者将分别影响汽爆高温蒸煮过程的热化学反应和爆破过程的物理撕裂作用，继而考察了不同水分状态对物料力学特性和汽爆过程的影响。研宄表明，束缚水含量的增加降低了物料断裂性和硬度，起到塑化剂作用而软化物料，有利于增强爆破效果;自由水含量的增加对物料力学强度无影响，由于其相对于束缚水变化范围大，造成过多的蒸汽用于加热自由水，增加汽爆能耗的同时阻碍热量的传递，从而对汽爆过程中发生的一系列反应产生缓冲效应，影响汽爆强度。对于汽爆料酶解效果评价表明，总糖得率在纤维饱和点时达到最大值且对应汽爆能耗较低。因此，通过上述研究阐明了不同水分状态在汽爆过程中的作用，并确定汽爆前最佳复水策略为复水至物料纤维饱和点，复水时间6〜10h。

　　1.4木质纤维素类物料颗粒尺寸与汽爆过程的关系

　　对生物质物料进行粉碎处理以降低粒径是汽爆预处理前的一个必要步骤，但也是一个高耗能过程。生物质物料颗粒尺寸对汽爆过程的影响体现在以下几个方面：与汽爆设备装料系数密切相关，决定设备利用率并涉及整条生产线的处理能力'影响汽爆热质传递过程，继而影响汽爆效果及其均一性_。汽爆的最佳作用位点在细胞内，力求每个细胞都是一个汽爆罐的最佳理想状态。颗粒尺寸过大，促进了堆积颗粒间传热，但不利于颗粒内蒸汽的有效渗入，一方面容易造成颗粒外过度受热降解产生抑制物而颗粒内部温度较低，另一方面导致闪蒸作用削弱、撕裂阻力增强，不利于爆破作用。颗粒尺寸过小，如低于细胞尺寸，物料由于密实的堆积导致颗粒间传热困难，但伴随着颗粒间蒸汽的缓慢渗入，颗粒内传热迅速达到平衡，蒸汽难以在物料细胞内维持，失去了物理撕裂效果。物料颗粒尺寸对传热的影响与汽爆过程能量利用效率密切相关，而物料粉碎本身也是一个高能耗的处理过程，被认为占整个生物质转化过程总能耗的三分之一。因此，选择适当的生物质物料颗粒尺寸对提高汽爆效果和过程得率、降低过程能耗具有重要作用。

　　笔者在对汽爆装料系数的研宄中考察了不同范围粒径对玉米秸秆汽爆效果和能耗的影响。获得不同粒径下玉米秸秆堆积密度与装料系数的关系0=/t/(1+tv)(0是装料系数，kg/m3;女是装载物料的密实程度;p/是干物料堆积密度，kg/m3;w是物料干基含水率)。汽爆过程能耗分析表明，随粒径增加，装料系数降低，汽爆总能耗降低，但能量利用效率(以单位质量干基物料耗气量计)也降低，这是单位质量干基物料所分担的设备加热能耗的增加所致。物料颗粒尺寸对汽爆效果的影响为，当粒径由20目增加至0.5〜0.8cm再增加至5〜8cm时，糖回收率呈现先增加再降低的趋势，而酶解率变化趋势与之相反，总糖得率在粒径5〜8cm达到最大值。因此，综合考虑生物质物料颗粒尺寸对汽爆效果和能耗的影响，适当的物料粉碎可以提高汽爆效果，但并非传统认为粒径越小越好。以玉米秸转化糖得率为优化目标，普通秸秆粉碎机粉碎后5〜8cm即为最优颗粒尺寸，对应粉碎和汽爆能耗低。

　　2非木质纤维素类物料特性与汽爆过程的关系

　　2.1麻类纤维原料与汽爆过程的关系

　　传统汽爆操作中，物料在经过一段时间的高温蒸煮后，在泄压过程中由于介质压力的推动被输送到指定接收器，汽爆过程中产生的热化学作用和物理撕裂作用共同作用于物料使其物化性能改变，因此属于非原位汽爆。然而对于一些原料的汽爆处理，希望以化学作用为主，尽量减小物理撕裂对原料的破坏作用。如麻类脱胶，在突然泄压时，麻类物料由管道排出过程中，由于受到管道内壁和物料内部彼此间的摩擦撕裂作用，麻纤维容易断裂;同时，在管道中麻纤维随气流翻滚前进，易缠绕、打结，给后续的分离和梳理带来很大的困扰。除此之外，非原位汽爆工艺还存在喷放式出口导致原料的回收困难和损失、高温气体直接排向大气而热量难以充分回收利用等问题。

　　针对上述问题，笔者提出了全新的原位汽爆工艺，即泄压过程中蒸汽分离出来，而物料停留在汽爆罐内，相对停留在原来位置。具体操作如下：将物料装在特制的料车内，料车有箱式料车和笼式料车两种，箱式料车壁是网状结构，蒸汽直接通过网孔进入箱内物料，笼式料车壁也是网状结构，壁顶部设有挂钩，挂钩可以挂长条物料，在蒸汽出口的阀门处设置钢网板;突然泄压瞬间，蒸汽从料车的网孔穿出，再通过钢网板孔逸出，而物料仍保留在罐体中的料车内，再从卸料口取出料车即可得到汽爆后的物料，逸出的气体进入气体回收系统，便于能量的二次利用。经原位汽爆0.7MPa、4min处理后的大麻纤维表面变得洁净，大麻纤维得到有效的开纤分裂，纤维明显变细，且测得半纤维素和木质素的含量分别下降了80%和85%,纤维素含量达到88%。该工艺的优势在于：应用于麻纤维处理时，降低了对原料纤维结构的破坏，解决了原料的缠绕和打结问题，便于后续分离和梳理工艺;原料回收简单，回收率可达1〇〇%，气体得到回收，不造成环境污染也使资源得到充分利用;可应用于食品或中药等安全卫生系数高的原料，拓宽了汽爆的应用领域。

　　2.2食用原料与汽爆过程的关系

　　粮食、果蔬等一些吸湿性强的非纤维成分为主的生物质物料，在较低的汽爆条件下即可实现对物料的蒸煮、膨化和微料化作用，利于新型物料产品的加工。但这些吸湿性强的物料在汽爆过程中由于蒸汽的冷凝复入大量水分，其内部含有的束缚水和细小毛细管内的自由水含量高又难以脱除，不利于汽爆后物料的干燥、加工、储存和运输。干燥是一种高能耗的通用操作过程，全球10%〜25%的能源用于工业化的热力千燥，同时，干燥行业又普遍热效率低，通常在30%〜60%。传统的干燥设备效率低、能耗高、成本费用大、时间长，因此，为克服一些吸湿性强的粮食类和果蔬类物料汽爆后干燥困难的问题，笔者将汽爆与蒸汽千燥和真空干燥相结合，发明了新型的干法汽爆工艺和配套设备。

　　该工艺以水蒸气爆破闪蒸和真空加热可脱除物料内水分为原理，实现对原料预处理与干燥的双重功能。将物料置于卧式汽爆罐中，罐体一侧设置物料进出口，另一侧设置出气口与缓冲罐相连，出气口阀门前安装钢网板，可使气体通过而物料拦截于汽爆罐内。物料在汽爆前将缓冲罐抽真空至真空度达到0.05〜0.08MPa,以增大汽爆压差，增强汽爆效果。果蔬类原料通过汽爆罐内置加热系统间接加热使其内部水分蒸发至一定压力，淀粉类粮食原料则需通入一定量饱和蒸汽或过热蒸汽至一定压力，维压一段时间后，迅速打开出气口泄压闪蒸，物料中的水被加热汽化，导致物料不断干燥失水，尤其在泄压瞬间，物料中的水因闪蒸而得到干燥。闪蒸过程反复进行，物料原位处于汽爆罐中持续干燥。为进一步提高干燥效果，对汽爆罐和缓冲罐再次抽真空至真空度达到0.05~0.08MPa,同时通过汽爆罐中加热系统对爆破后冷却的物料持续间歇加热，由于物料内水分的沸点随着真空度的降低而降低，同时物料受热温度增加，从而使物料内水分蒸发而达到真空千燥的目的。因此，通过千法汽爆对物料进行预处理微料化的同时又可以有效降低其含水率，适用于粮食、果蔬等多种原料的处理，且干燥效率高、能耗小、费用低。

　　2.3药用植物原料与汽爆过程的关系

　　汽爆技术是破坏物料结构，解除有效成分提取屏障的有效处理手段。在对汽爆强化天然产物提取的研宄中，笔者发现传统汽爆方式以水蒸气为单一气相介质，在常用压力条件下温度较高，易造成热敏性成分的降解损失。热敏性成分在天然产物中种类众多，包括生物碱、有机酸、树脂、色素、多元酚、苷类、鞣质、蛋白质和多糖等，而常规汽爆方式不适合对这类热敏性成分的提取，限制了其在天然产物提取、加工方面的应用。如茶叶渣在常规汽爆(1.5MPa、5min)后茶多酚含量不降反增，虾壳脱钙后汽爆时虾青素遇高温分解造成汽爆提取后含量不增反降，麻黄草在较高汽爆条件处理后所得麻黄碱含量降低。虽然降低维压温度可以避免热敏性成分的降解，但由于饱和水蒸气温度和压力是一一对应的，随之而来爆破压力的降低不利于汽爆对物料组成结构的有效破坏，从而对成分提取的促进效果不明显。

　　因此，笔者跳出传统热化学作用的束缚，提出“低温气相爆破”，其不仅仅是通过调节含水率、维压时间、温度(压力)等传统意义上的操作，而是一种新的操作方式，即以水蒸气和同等压力下温度低于水蒸气的气体混合作为气相介质，通过温度较低气体的填充有效降低汽爆温度同时保证了汽爆压力，并通过对两相介质温度和压力关系的推导，实现了梯度温度气相爆破。原义涛等@开展了空气与水蒸气混合介质汽爆预处理麻黄草提取麻黄碱的研宄。麻黄草汽爆条件为：通空气至压力为〇.8MPa,然后迅速通蒸汽至1.5MPa,维压3min后泄压爆破。该条件下麻黄碱的提取率达到0.345%,比未处理组提高了243%。通过电镜观察发现，未汽爆麻黄草表面的孔小且稀，而汽爆后麻黄草表面的孔大且密，表面纤维和纤维束明显卷曲折叠，有些还断裂，说明汽爆增加了物料的多孔性，促进活性成分的提取。付小果等@采用空气与水蒸气混合介质汽爆预处理杜仲叶提取绿原酸。汽爆条件为：通空气至压力为0.4MPa,然后通蒸汽至压力0.8MPa,维压2min。汽爆后绿原酸得率和提取速率分别提高62%和423%，绿原酸提取物的抗氧化性提髙，其中羟基自由基清除率提高了94.6%。因此，低温气相爆破在保证汽爆对物料结构的破坏作用同时，避免成分分解，从而强化热敏性成分提取，将在天然产物提取、加工以及粮食、食品和药品加工领域发挥更大优势。

　　3结语

　　基于生物质物料特性解析汽爆过程，提出适用于不同生物质原料的汽爆过程理论依据，是实现汽爆作为通用炼制技术的关键。笔者基于多年对生物质物料特性的认知和汽爆预处理的研宄，分析并归纳了包括化学组成、物理结构、水分状态、颗粒尺寸和特殊生物质物料要求在内的生物质物料特性与汽爆过程的关系，有望对生物质汽爆炼制过程从机理层面、技术层面和产业化层面提出科学指导。为适用于更广泛生物质资源、满足其加工需要，汽爆技术在不断发展和进步。基于生物质物料特性，笔者在低压无污染汽爆的基础上，将爆破介质由传统的水蒸气拓宽到混合气相介质，开发了惰性介质和混合介质气相爆破，将汽爆技术深化完善到梯度温度气相爆破工艺和中草药等低温气相爆破工艺;为克服麻类等纤维物料汽爆缠绕打结问题，在目前非原位爆破工艺的基础上又开发了原位汽爆工艺，以满足食品、麻类等特殊物料的预处理;为克服粮食、果蔬等物料汽爆后干燥困难等问题，将汽爆与闪蒸干燥、真空干燥结合，开发了干法汽爆工艺，同时实现对食用原料汽爆和干燥的目的。依据纤维组织和薄壁组织等对预处理条件的选择差异性，开发了二段汽爆工艺，同时实现提高酶解效果和降低发酵抑制物的目的。汽爆技术己不再局限于单一的水蒸气爆破，爆破介质己提升到依据物料特性要求的多种气体排列组合的气相介质，传统的汽爆已不能完全覆盖其内涵，笔者首次提出了气相爆破的概念，旨在丰富和提升传统水蒸气汽爆技术，同时极大拓宽其应用领域。在此基础上，发明了以气相爆破技术为核心的一系列清洁高效经济的组合预处理体系，推动了以气相爆破技术为核心的生物质炼制体系的发展，有助于发展生物质资源成为新一代大规模通用工业原料。