半纖維素分離純化研究進展

林 妲 彭 紅 余紫蘋 阮榕生 胡崢嶸王 娜 劉玉環(huán) 張錦勝

(南昌大學生物質轉化教育部工程技術研究中心,江西南昌,330047)

半纖維素分離純化研究進展

林 妲 彭 紅 余紫蘋 阮榕生 胡崢嶸王 娜 劉玉環(huán) 張錦勝

(南昌大學生物質轉化教育部工程技術研究中心,江西南昌,330047)

就近二十年來國內外在半纖維素分離純化領域取得的成果進行了綜述,介紹了半纖維素分離純化的最新方法,包括堿提取法、有機溶劑法、柱層析法和膜分離法等,并比較了不同方法的優(yōu)缺點。

半纖維素;分離;純化

半纖維素是指由不同糖基組成的非纖維素類雜多糖,不同類型植物中的半纖維素結構和含量有明顯差異。總的來說,構成半纖維素的糖類主要有木糖、葡萄糖、半乳糖、甘露糖、阿拉伯糖、鼠李糖等。半纖維素以其來源廣、成本低、生物活性和化學活性良好等特點,在造紙、制藥、食品包裝、保健食品開發(fā)利用以及生物質能轉化方面顯示出巨大的應用潛力[1-2]。在植物細胞壁中半纖維素與木素以化學鍵相連,與纖維素以非化學鍵緊密結合,因此,將其從植物細胞壁中完整地分離出來存在很大困難。本文綜述了近二十年來從植物原料中分離純化半纖維素的方法。

1 半纖維素的分離提取

1.1 堿液分離提取法

提取半纖維素的主要障礙來自于木素的存在,傳統(tǒng)堿提取方法主要運用化學方法脫除木素,應用最廣的是堿液分級分離半纖維素[3]。堿液具有溶脹纖維素、斷裂纖維素與半纖維素間氫鍵和破壞半纖維素與木素間酯鍵的作用,可在不降低半纖維素相對分子質量的前提下使半纖維素溶解[4-5]。

常用的堿提取試劑有 NaOH和 KOH。通過對比NaOH和 KOH提取半纖維素的能力,證明 NaOH分離提取半纖維素的效果比較好[3,6]。質量分數 10%的 NaOH提取半纖維素的得率為 22.6%,相同質量分數 KOH的提取得率為 21.9%,但是 KOH提取得到的半纖維素純度比較高[3,6]。Ca(OH)2和Ba(OH)2也可用于提取半纖維素,但實驗結果證實使用Ca(OH)2和 Ba(OH)2時半纖維素得率低,而且提取后無法將不溶物分離出來,相比較而言,使用NaOH提取植物半纖維素不僅最終得率高而且易于操作[7]。

堿濃度的選擇是堿提取過程中的另一個重要環(huán)節(jié)。Persson等[4]證明阿拉伯木聚糖的提取效率與pH值密切相關。酸性條件下,阿拉伯木聚糖分子中的β-糖苷鍵容易斷裂,最終導致多糖分子降解;若在 pH值高于 9的條件下進行蒸汽預處理并利用堿提取則可得到高分子質量的產物,得率在 30%～40%左右。理論上,延長反應時間會提高半纖維素得率,但是熱水處理后高堿濃、短時間 (堿液質量分數為 18%,處理時間為 2 h)提取比低堿濃、長時間 (堿液質量分數為 10%,處理時間為 16 h)提取得到的半纖維素保留的分枝更多,分子結構也比較完整[6]。

傳統(tǒng)堿提取過程中應用亞氯酸鹽脫木素,極易造成環(huán)境污染。過氧化氫代替亞氯酸鹽脫木素,不僅經濟、環(huán)保,而且可有效去除木素并兼有漂白和提高半纖維素溶解度等作用,因而逐漸受到重視[8]。Brienzo等[9]發(fā)現(xiàn)蔗渣在 20℃、質量分數為 6%H2O2存在的條件下處理 4 h,可有效提取出半纖維素,得率為 86%,木素含量為 5.9%。同時發(fā)現(xiàn),得率與H2O2用量成正比,與反應時間成反比,而溫度對得率的影響不大。Sun等[8]提出反應體系中過氧化物用量超過 3% (質量分數)之后,分子質量會隨過氧化物用量的增加而降低。這說明當反應體系中過氧化物的質量分數超過 3%后,半纖維素發(fā)生降解。Naran等[10]證實亞氯酸鈉不會引起木聚糖乙?；鶊F的丟失,而 QPD脫木素技術 (Q：螯合劑處理;P：過氧化物處理;D：亞鋁酸鹽處理)往往在堿性過氧化物處理中一步脫除掉木聚糖的乙酰基。乙酰基可影響半纖維素的溶解性,保留較多乙?；陌肜w維素難溶于水[11]。

1.2 有機溶劑分離提取法

目前,應用于半纖維素提取的有機溶劑主要有二甲基亞砜 (DMSO)和二氧六環(huán)。在提取過程中一般不以單純的有機溶劑形式進行提取,而是將有機溶劑與水、堿甚至酸混合作為提取試劑。以 DMSO為例,由于含水的 DMSO比不含水的 DMSO傳質阻力大,因此含水的DMSO能夠分離出結構完整的半纖維素,并且得率較高。通過 GPC檢測得知,DMSO與水的混合液提取得到的半纖維素在 150℃下分子結構也不會發(fā)生顯著的改變,只發(fā)生輕微的氧化[12]。DMSO與酸性二氧六環(huán)聯(lián)用也可從麥草秸稈中分級提取出高得率、高純度的半纖維素[13]。Jin等[14]分別使用 4種溶劑連續(xù)分級提取大麥和玉蜀黍中的半纖維素,這 4種溶劑分別是質量分數 90%的中性二氧六環(huán)、質量分數 80%的酸性二氧六環(huán) (即含有 0.05 mol/L HCl)、質量分數 80%的 DMSO和質量分數為 8%的KOH。通過研究發(fā)現(xiàn)酸性二氧六環(huán)可斷裂一定數量的糖苷鍵,半纖維素發(fā)生明顯的降解;而質量分數90%的中性二氧六環(huán)分離出的半纖維素結構比較完整,主要由帶有分枝的阿拉伯木聚糖組成,并含有葡萄糖殘基;同時,這種分級分離方法的另一優(yōu)勢在于無需脫木素即可直接分離得到半纖維素,彌補了用高濃度堿液提取半纖維素的缺陷。1.3 蒸汽預處理分離提取法

蒸汽預處理是利用水蒸氣在高溫高壓條件下可滲透進入細胞壁內部的特性,使之在進入細胞壁時冷凝成為液態(tài),然后突然釋放壓力造成細胞壁內的冷凝液體突然蒸發(fā)形成巨大的剪切力,從而破壞細胞壁結構,水解半纖維素和木素之間的化學鍵,使半纖維素溶于水[2]。這種預處理方法需在高溫條件下進行,優(yōu)點是不添加任何化學試劑、無環(huán)境污染,缺點是半纖維素極易降解而溶于水中,最終導致溶液酸度增加,從而進一步引起半纖維素降解[15]。但是,通過機械手段可以改善這一狀況。Makishi ma等[16]使用管狀反應器利用流動熱水系統(tǒng)提取玉米芯中的半纖維素,得到的半纖維素聚合度在 20以上,得率超過 82%。另外,這一反應系統(tǒng)與其他蒸汽預處理裝置的不同在于,反應后生成的糠醛不超過產物總質量的 2%,有效地改善了蒸汽預處理的不足。

1.4 微波輔助分離提取法

微波輔助提取是利用微波輻射對分子運動產生的影響,促進分子間的摩擦,導致細胞破裂,從而分離提取出細胞壁中的半纖維素成分。這種新型預處理方法已被證明是耗時最短的半纖維素提取方法,提取時間在幾分鐘到十幾分鐘之間,而傳統(tǒng)堿提取往往需要幾小時[17]。微波輔助提取的另一個優(yōu)點是提取過程中乙酰基的損失不大,提取物分子質量與堿提取得到的半纖維素分子質量相似[17-20]。Jacobs等[17]應用微波輔助法從亞麻中提取出 O-乙?；?4-O-甲基葡糖醛酸木聚糖,聚合度達到 28,乙?；〈冗_到 0.7,與 Hazendonk[18]利用DMSO提取得到的半纖維素乙?；〈冉咏?后者僅為 0.5。Sun等[8]在堿性條件下提取蔗渣半纖維素得到相對分子質量為 45370的半纖維素組分。而 Roos等[19]則只應用微波和蒸汽處理在不添加任何化學提取劑條件下得到相對分子質量為 40000的半纖維素成分,同時證明增強微波強度系數可提高得率,但相對分子質量隨之下降。另外,Lundqvist等[20]應用微波處理從云杉木片中提取半纖維素,結果證明只有少量乙酰基損失,相對分子質量峰值為 8000～80000。微波輔助提取半纖維素的得率比較低,僅為 19%～40%[21]。

1.5 超聲輔助分離提取法

超聲輔助是通過超聲波產生的高頻率震動使溶質和溶液之間產生聲波空化作用,引發(fā)溶液內產生微小氣泡并突然破裂產生一定壓力,最終導致溶質增溶。在堿液提取半纖維素前期利用超聲輔助提取的優(yōu)勢明顯：①可有效地破壞細胞壁結構和簡化分離步驟;②不影響半纖維素的活性功能;③可有效縮短反應時間、提高產物得率[22]。Sun等[23]對比了經超聲輔助抽提和傳統(tǒng)提取方法得到的半纖維素,發(fā)現(xiàn)產物在組成和分子結構上無異,延長超聲處理時間,得率提高了 6.3%。Hromádková等[24]也得到相似的結論,并指出經過超聲處理后提取時間大大縮短,同時堿用量也大大降低,如果可以合理地控制超聲輔助的條件,還可以得到具有不同阿拉伯糖與木糖比的半纖維素組分。Ebringerová等[25]發(fā)現(xiàn)超聲過程若在稀堿溶液中進行,最終總糖得率更高。1.6 機械輔助分離提取法

改善機械手段也可使半纖維素的提取效果產生明顯的變化。N'Diaye等于 1996年提出螺旋反應器適用于半纖維素提取,同時指出,與傳統(tǒng)方法相比,應用螺旋反應器提取半纖維素反應時間短、固液比低,最大的優(yōu)點是提取過程和固液分離過程可以同時進行[26]。2000年,N'Diaye等又檢測了應用螺旋反應器提取白楊半纖維素的主要影響因素,得出了堿濃度是反應液黏稠度的主要影響因素,而溫度則是影響得率的主要因素的結論[27]。

2 半纖維素的純化

半纖維素種類繁多,提取方法各異,根據具體需要分離得到的半纖維素還需經過進一步純化。純化的方法也有很多,隨著技術的進步,由最初的簡單沉淀分離發(fā)展到層析分離,近來又出現(xiàn)了以納濾膜和超濾膜為代表的膜分離技術。

2.1 脫色和除蛋白

目前,植物多糖除蛋白和脫色工藝已得到深入研究和廣泛應用。由于用于提取半纖維素的原料一般是植物的根、莖、葉或壓榨后的渣滓,蛋白含量很低,因而純化過程中一般不考慮脫蛋白,除非原料中蛋白含量特別高,可考慮根據得率或者純度要求選用不同的除蛋白方法[28]。相比較而言,脫除色素更重要。提取半纖維素前,原料需經過苯-醇抽提[10,31],這一過程可脫除大部分醇溶性物質,其中就包括一部分脂溶性色素;另外,EDAE-離子交換柱純化過程也有分離色素的作用[29,43],其特有的離子分離特性還可以達到進一步純化的效果;此外,還有活性炭脫色法和 H2O2脫色法[30],后者由于對分離木素的良好作用已應用于分離過程[8-10],前者則未見報道。

2.2 乙醇沉淀法

乙醇沉淀法是最簡單、常用的半纖維素純化方法。在傳統(tǒng)的堿提取過程中往往利用乙醇將已溶解于堿液中的半纖維素沉淀下來。Bian等[31]應用不同濃度乙醇沉淀經堿液提取后的錦雞兒屬植物檸條莖桿中的半纖維素,結果表明乙醇濃度對半纖維素分子質量和分子結構影響很大,高濃度乙醇沉降得到的半纖維素分枝多但分子質量小,低濃度乙醇沉降得到的半纖維素分枝少但分子質量大。Xu等[6]采用乙醇沉淀水溶性和堿溶性黑麥草葉中的半纖維素,再經過濾及質量分數 70%酸化乙醇清洗最后風干得到半纖維素樣品,該樣品可用于結構分析。

2.3 超臨界二氧化碳沉淀法

超臨界二氧化碳是指在一定的溫度和壓力下處于臨界狀態(tài),既保持了氣體的高滲透和低黏度特性,又擁有液體良好溶解能力的二氧化碳,正因其具有這種特殊的性能,所以超臨界二氧化碳已在物質合成和萃取領域得到深入的研究和應用[32]。近年來,已有關于利用超臨界二氧化碳技術將 DMSO提取出來的半纖維素組分從提取液中沉淀出來的報道[19]。已溶解半纖維素沉降的原理是,在溶液體系中,大量的超臨界二氧化碳分子可以包裹住溶劑分子,從而降低了溶劑分子與溶質分子的結合程度,最終導致溶質析出。由于沉淀過程并不改變溶質分子的結構,因而可在不破壞半纖維素生物結構的前提下,將半纖維素從含有木素的組分中分離出來[33]。另外,經過超臨界二氧化碳處理過的樣品明顯比處理前的樣品顏色白,這也可以歸因于處理后的樣品的木素含量減少而導致的顏色變淺。

2.4 柱層析法

DEAE離子交換柱層析根據分子所帶電荷的不同進行分離,由于該柱種類繁多,半纖維素純化過程中應根據分子中酸性基團的數量選擇合適的離子交換柱。嚴浪、鐘俊楨和 Peng等[34-37]分別采用 EDAE Sepharose Fast Flow離子交換柱和 DEAE-纖維素-52離子交換柱純化從菠蘿皮、大豆和蔗渣中提取得到的半纖維素成分,經檢測知這 3種半纖維素均是以木聚糖為主鏈,阿拉伯糖、葡萄糖、半乳糖為取代基的雜多糖。另外,純化過程中洗脫劑的種類和濃度也會影響半纖維素純化效果。Peng等[37]證實利用 DEAE-纖維素-52離子交換柱純化蔗渣中的半纖維素成分時,去離子水、0.1 mol/L NaCl和 0.3 mol/L NaCl分別洗脫出 39.6%、15.9%和 9.4%的水溶性半纖維素及47.5%、15.9%和 3.2%的堿溶性半纖維素,共占蔗渣中半纖維素組分的 68.1%,另有微量吸附于柱上的半纖維素可用 0.5 mol/L NaCl洗脫下來。

凝膠柱層析根據分子質量大小的不同進行分離。Wang等[38]用 Q-陰離子凝膠色譜柱和凝膠 CL-6B色譜柱處理米糠提取物,從多種多糖成分中純化精制出一種與半纖維素結構類似的新型雜多糖 RBPS2a,經氣相色譜證實這種雜多糖由阿拉伯糖、木糖、葡萄糖和半乳糖組成,同時測得 4種單糖摩爾比為 4∶2∶1∶4。Palm等[39]使用 Superdex 30 PG凝膠柱純化云杉半纖維素,同時證實凝膠色譜柱具有去除大部分殘留木素的作用。分子排阻色譜是凝膠色譜柱中比較特殊的一員,其特有的分子篩功能使其能夠在純化進行的同時確定半纖維素的分子質量[40]。

2.5 膜純化法

膜分離技術操作簡便、分離效果顯著,超濾膜和納濾膜作為膜分離技術中重要的一部分已成功應用于污水處理、食品分離和制藥工業(yè)[41-42]。近年來,膜分離技術還被應用到半纖維素純化過程中。Zeitoun等[41]證實相對分子質量截留量為 30000的超濾膜可代替乙醇沉淀進行半纖維素純化,有效地降低了生產成本,若將超濾技術與離子交換柱技術結合,不僅能夠純化半纖維素,更可有效脫除植物色素。有研究[11,43]分別應用 3000NWMCO超濾膜和10000 NWMCO含氟超濾膜成功過濾純化阿拉伯木聚糖。

納濾膜純化技術主要用于分離低分子質量化合物和多價無機鹽,將該技術應用于半纖維素純化取得了理想效果。Vegas等[44]應用納濾膜純化技術得到了純度高于 91%的木聚糖類物質。Schlesinger等[45]則成功驗證兩種耐堿性的納濾膜 NTR-7470和MPF-34的相對分子質量截留量是膜技術研究中最低的,在 380～1090之間,同時半纖維素的保留率在 90%以上。

3 結 語

擴大半纖維素利用領域的前提就是將其有效地從植物細胞壁中分離純化出來。從已有資料可知,堿液提取、乙醇沉淀純化半纖維素法是目前應用最廣泛的分離純化方法,但這種方法成本高并且極易造成環(huán)境污染,提取得到的半纖維素無論是純度還是分子完整性都得不到很好的保障。有機溶劑分離法雖然不會對分子結構造成嚴重破壞,但加大了純化難度。蒸汽預處理、微波輔助、超聲輔助、機械分離提取法都在不同程度上改善了堿液提取的不足之處。在純化方面,膜分離技術比繁復的層析柱純化技術和高成本的超臨界二氧化碳純化技術更具有應用潛力。但是,半纖維素種類繁多,各種分離純化方法是否會對不同種類的半纖維素造成不良影響還有待于進一步的研究。

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(責任編輯：郭彩云)

Research Progress in Separation and Purification of Hem icellulose

L IN Da PENG Hong＊YU Zi-ping RUAN Rong-sheng HU Zheng-rong WANGNa LIU Yu-huan ZHANG Jin-sheng
(The Engineering Research Center for Biom ass Conversion,MOE,Nanchang,Jiangxi Province,330047)
( ＊ E-mail：penghong@ncu.edu.cn)

The achievements obtained in the field of hemicellulose separation and purification in the last twenty years are reviewed.The new separation and purification methods are summarized,including the alkali extraction,the organic solvent extraction,the column chromatography and the membrane separation,etc.Further more,the advantages and disadvantages of these methods are compared.

hemicelluloses;separation;purification

TS71

A

0254-508X(2011)01-0060-05

林 妲女士,在讀碩士研究生;主要研究方向：生物質能源。

2010-10-05(修改稿)

本課題得到國家自然科學基金項目 (30960304)的資助。