玉米稈半纖維素的堿法提取與表征

程合麗 詹懷宇 李兵云 付時雨

（華南理工大學(xué)制漿造紙工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東廣州，510640）

半纖維素是木質(zhì)纖維類生物質(zhì)的主要組分之一，是由幾種不同類型單糖（主要有木糖、阿拉伯糖、半乳糖、葡萄糖、甘露糖等）組成的一類多糖復(fù)合物的總稱，目前在自然界中含量僅次于纖維素。半纖維素用途廣泛，不僅可以作為食品添加劑、膠黏劑、增稠劑、乳化劑、膠凝劑、吸附劑等，在造紙過程中添加半纖維素還可以改善紙張的物理性能［1］。多項(xiàng)研究表明，半纖維素可以應(yīng)用在生物醫(yī)藥領(lǐng)域。如此廣闊的應(yīng)用前景使半纖維素成為近年來研究的熱點(diǎn)。對于我國這樣一個資源相對匱乏的國家，將半纖維素高值化利用對保證可持續(xù)發(fā)展有著重大意義。

半纖維素主要從木質(zhì)纖維類原料中分離得到，分離半纖維素的方法多種多樣，如稀酸水解、酶解、蒸汽爆破、堿液提取、熱水提取等。這些方法各有利弊，酶法水解具有高度的專一性、副產(chǎn)物少、在常溫常壓下進(jìn)行、設(shè)備工藝簡單，但由于酶制劑成本較高，限制了它的應(yīng)用；而蒸汽爆破對木質(zhì)纖維原料的結(jié)構(gòu)破壞較大，不利于提取半纖維素之后原料的進(jìn)一步利用；稀酸水解和熱水提取成本低，而且對原料結(jié)構(gòu)的破壞較少，因此成為近年來研究較多的提取方法，然而這兩種方法所需反應(yīng)溫度較高，且水解產(chǎn)物主要是寡糖，不利于進(jìn)一步改性為高附加值的產(chǎn)品，另外，水解過程中還會產(chǎn)生糠醛類對糖類的后續(xù)發(fā)酵產(chǎn)乙醇不利的物質(zhì)。如何較多地獲取糖分并抑制糠醛類物質(zhì)的產(chǎn)生是至今仍未解決的問題。堿法提取所得糖類組分降解較少，聚合度相對較高，有利于對其進(jìn)一步改性，而且堿法提取半纖維素成本不高，具備產(chǎn)業(yè)化的可能性。

玉米在我國種植面積很廣，每年都會有大量的玉米稈作為農(nóng)業(yè)副產(chǎn)物產(chǎn)生。目前，這些玉米稈大多不是直接被燃燒獲取熱能，就是被用作動物的飼料，沒有得到充分利用。玉米稈中半纖維素含量豐富，如能將其中的半纖維素預(yù)先提取出來加以高值化利用，剩余原料用于制漿造紙或進(jìn)一步水解獲取其他化工產(chǎn)品，便可使木質(zhì)纖維原料的三大組分都得到充分利用。對某種物質(zhì)進(jìn)行改性要以充分了解其結(jié)構(gòu)和性質(zhì)為前提，為此，本實(shí)驗(yàn)以玉米稈為原料，利用KOH溶液提取出其中的半纖維素，并對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析與表征。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 原料

除髓后的玉米稈取自山東，切成2cm×6cm，用清水沖洗2次以去除灰塵等雜質(zhì)，風(fēng)干后貯存于聚乙烯袋中備用。玉米稈的主要化學(xué)組成如下：聚葡萄糖50.7％，聚木糖18.1％，聚阿拉伯聚糖2.2％，Klason木素15.5％，酸溶木素1.4％，苯-醇抽出物7.4％，灰分3.8％。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 半纖維素的提取

在15LZQS1型電熱回轉(zhuǎn)蒸煮器中進(jìn)行半纖維素的提取。提取條件如下：300g絕干原料，液比4∶1，提取液KOH的質(zhì)量濃度為80g/L，提取時間2h，提取溫度75℃。提取之后收集提取液，將提取液分成兩部分，一部分貯存于4℃冰箱中，用于水解測定糖分，另一部分用4倍體積的乙醇-乙酸混合物（體積比9∶1）沉淀，再用乙醇水（體積比9∶1）混合物洗滌3次，離心沉淀，冷凍干燥得到灰白色粉末狀半纖維素。

1.2.2 半纖維素提取液中糖分的檢測

半纖維素提取液中的糖類組分及含量利用戴安離子色譜儀（CarboPACTM PA20陰離子交換柱，EC檢測器）測定。取適量半纖維素提取液，將pH值調(diào)至中性，利用硫酸在121℃水解1h，保證水解液中的硫酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4％［2］。冷卻之后用去離子水稀釋至一定濃度，用0.22μm微孔濾膜過濾后進(jìn)自動進(jìn)樣系統(tǒng)。

1.2.3 半纖維素得率的計(jì)算

聚木糖和聚阿拉伯糖是玉米稈半纖維素的兩種最主要成分，因此以原料中含有聚木糖和聚阿拉伯糖的質(zhì)量總和作為原料中含有的半纖維素的質(zhì)量，半纖維素提取液中各糖得率按下式計(jì)算（以木糖為例）：

式中，Y為木糖的得率；C為提取液中木糖的濃度；LSR為液固比，本次實(shí)驗(yàn)中LSR為4∶1；m為原料中聚木糖和聚阿拉伯糖的含量；132/150為木糖與聚木糖之間的化學(xué)計(jì)量數(shù)。

1.2.4 半纖維素的表征

（1）紅外光譜

半纖維素紅外光譜分析在德國Bruker公司產(chǎn)的Vector33紅外光譜儀上利用KBr壓片法進(jìn)行表征。

（2）核磁共振

半纖維素的1H-NMR和13C-NMR在室溫下利用Bruck-DRX 400 NMR進(jìn)行分析。對于1H-NMR和13CNMR分別取5mg和120mg樣品，溶于D2O和NaOD（1mL D2O加0.1mL NaOD）的混合溶液。

（3）凝膠滲透色譜

利用凝膠滲透色譜對半纖維素樣品的分子質(zhì)量進(jìn)行測定。色譜儀及測定條件如下：Waters HPLC（Waters 717 plus自動進(jìn)樣器，Waters 2414示差折光（RI）檢測器，Waters 1525 Binary HPLC Pump），采用TSK gel G-5000PWxl與TSK gel G-3000PWxl凝膠色譜柱串聯(lián)，柱溫35℃。

流動相是pH值6.0、濃度為0.02mol/L的KH2PO4緩沖溶液，流速0.6mL/min。測試前用流動相將樣品配制成質(zhì)量濃度為1.0～2.0g/L的溶液，并用0.45μm的濾膜過濾。

（4）熱重分析

在美國Q500熱重分析儀上進(jìn)行半纖維素樣品的熱重分析，升溫速率10℃/min，最高溫度650℃。

2 結(jié)果與討論

2.1 半纖維素的溶出率

表1列出了KOH溶液提取玉米稈半纖維素的得率。從表1可以看出，KOH溶液是提取玉米稈半纖維素的極好溶劑。利用80g/L KOH溶液在75℃下保溫2h，總糖得率接近95％。聚木糖是提取液中的主要糖分，得率超過75％。實(shí)驗(yàn)條件下沒有檢測到甘露糖，說明玉米稈半纖維素中甘露糖含量甚微。

表1 堿法提取半纖維素得率 ％

圖1 半纖維素紅外光譜圖

2.2 紅外光譜分析

半纖維素的紅外光譜如圖1所示。3408cm-1處較強(qiáng)的吸收峰代表O—H的伸縮振動，由于半纖維素親水性很強(qiáng)，尤其是在固態(tài)下，故此處的強(qiáng)峰是由于樣品含水引起的［3］。2926cm-1處的吸收峰代表CH2的伸縮振動，而CO伸縮振動引起1604cm-1處的吸收峰表明了樣品中糖醛酸的存在［4］。半纖維素與纖維素和木素之間連接復(fù)雜，目前還沒有一種方法能將半纖維素完全分離而不含其他雜質(zhì)，故在1510、1328和1215cm-1處的吸收峰是由于樣品中含有少量的木素。孫潤倉等認(rèn)為，1510cm-1處的吸收峰是木素芳環(huán)振動引起的，而1328和1215cm-1處的吸收峰則分別是紫丁香基和愈創(chuàng)木基C—O伸縮振動引起的［5］。1170～1000cm-1之間的譜帶是聚木糖的典型吸收帶。1043cm-1處非常顯著的吸收峰是半纖維素的特征吸收峰，是C—O、C—C的伸縮振動或是C—OH的彎曲振動［6］。897cm-1處是糖單元之間的β-糖苷鍵的吸收峰，—CH2的彎曲振動在1464cm-1出現(xiàn)吸收峰，而1421cm-1處的吸收峰則是羧酸鹽的對稱伸縮振動［4］。

2.3 核磁共振光譜

為進(jìn)一步研究半纖維素的結(jié)構(gòu)，對其進(jìn)行了1H-NMR和13C-NMR核磁共振分析，結(jié)果如圖2和圖3所示。

圖2是半纖維素1H-NMR譜圖，化學(xué)位移δ在3.1～4.5之間的共振峰由半纖維素木糖單元上的質(zhì)子所產(chǎn)生，乙?；系募谆|(zhì)子在δ為1.8處產(chǎn)生較弱的信號峰。δ為5.1處的共振峰是由α-D-呋喃阿拉伯糖基的端基質(zhì)子產(chǎn)生的，而δ為4.7處的強(qiáng)峰則是由溶劑產(chǎn)生的［7］。

圖3是半纖維素的13C-NMR譜圖。從圖3可以看出，玉米稈半纖維素主要成分是聚阿拉伯糖木糖。如圖3所示，在δ為102.6、76.1、75.2、73.6及63.5處的5個強(qiáng)的信號峰歸因于（1→4）連接的β-D-吡喃木糖單元上的C1、C4、C3、C2、C5，δ為109.6、86.5、80.7、78.5和62.0處的信號峰則是α-L-呋喃阿拉伯糖殘基上的C1、C4、C2、C3和C5所產(chǎn)生［7］。葡萄糖醛酸殘基上的4-O-甲基基團(tuán)在δ為59.5處產(chǎn)生1個信號峰，在δ為177.1處有1個較弱的信號峰，可能是由對香豆酸和酯的羰基共振所產(chǎn)生，但信號強(qiáng)度非常弱，說明半纖維素中酚酸的含量非常少。根據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道，取代的酚酸是通過羧基基團(tuán)與α-L-呋喃阿拉伯糖殘基上C5羥基連接［8-9］。

2.4 分子質(zhì)量

分離方法不同，半纖維素的分子質(zhì)量差別很大，另外，測定方法對測定結(jié)果也有影響。玉米稈半纖維素分子質(zhì)量的測定結(jié)果如表2所示。由表2可知，在實(shí)驗(yàn)條件下得到的半纖維素（1#樣品）的質(zhì)均相對分子質(zhì)量Mw可達(dá)53431，多分散系數(shù)（Mw/Mn）為1.07，說明所得半纖維素的分子質(zhì)量分布范圍很窄，純化過程中一些小分子低聚糖被去除。

表2 半纖維素的Mw、Mn及多分散系數(shù)Mw/Mn

2#樣品在提取半纖維素之前，用植物粉碎機(jī)進(jìn)行了粉碎處理，取40～60目的原料脫木素之后再用KOH提取半纖維素，在此條件下得到的半纖維素的質(zhì)均相對分子質(zhì)量為24736，比1#樣品低很多，而多分散系數(shù)達(dá)到2.02，說明磨粉及脫木素的過程對半纖維素聚合度影響很大，使其發(fā)生了降解。

2.5 熱重分析

圖4 半纖維素的TGA曲線

半纖維素的熱重曲線（TG）及相對應(yīng)的微分曲線（DTG）見圖4。在40～650℃范圍內(nèi)研究了半纖維素的質(zhì)量損失隨溫度變化的關(guān)系。如圖4所示，初始階段，半纖維素質(zhì)量的減少主要是水分蒸發(fā)造成的。半纖維素的主要失重溫度在190～350℃之間，是由于半纖維素大分子的脫羧、脫水及氧化分解造成的。半纖維素主要由各種糖分組成，如木糖、阿拉伯糖、半乳糖、葡萄糖等，分枝多，呈無定形結(jié)構(gòu)，因此，其分解溫度相比纖維素和木素要低得多。當(dāng)溫度達(dá)到650℃時，仍有20％的樣品沒有被分解。半纖維素結(jié)構(gòu)復(fù)雜，目前沒有一種方法能夠得到完全不含雜質(zhì)的樣品。未分解的部分可能是由于樣品中含有少量木素，也有可能是其中的鹽類造成的。由DTG曲線看出，在267℃時失重速率最大，為0.89％/℃［10］。

3 結(jié)論

KOH溶液對提取玉米稈半纖維素非常有效，當(dāng)溶液中KOH質(zhì)量濃度為80g/L，在75℃保溫2h，可以溶解出近95％的半纖維素，其中聚木糖占75.6％，所得半纖維素的質(zhì)均相對分子質(zhì)量為53431，多分散系數(shù)為1.07。

玉米稈半纖維素是由（1→4）-β-D吡喃木糖為主鏈的聚阿拉伯糖木糖，在主鏈的C2和C3位上分別連有α-L阿拉伯糖基和α-D葡萄糖醛酸基。半纖維素的熱分解溫度在190～350℃之間，267℃時達(dá)到最大失重速率，為0.89％/℃。

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