速生楊半纖維素堿法提取工藝的優(yōu)化和表征

陳清清，江華*，張洋，葛建紅

(1．南京林業(yè)大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院，江蘇 南京 210037;2．南京林業(yè)大學(xué)木材工業(yè)學(xué)院，江蘇 南京 210037)

近年來(lái)，隨著不可再生的化石資源的日益減少，可再生資源的開(kāi)發(fā)和利用也日益被重視。半纖維素是植物纖維原料中的一類(lèi)碳水化合物，它是地球上最豐富、最廉價(jià)的可再生資源之一，僅次于纖維素。半纖維素的開(kāi)發(fā)和利用越來(lái)越引起人們的興趣。人們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)半纖維素或改性半纖維素在食品、材料、醫(yī)藥、能源、化工產(chǎn)品等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景［1－2］。目前，主要的研究集中于多步提取過(guò)程對(duì)半纖維素的組成、結(jié)構(gòu)、理化性質(zhì)的影響，這些提取過(guò)程對(duì)研究半纖維素的化學(xué)結(jié)構(gòu)有一定的研究?jī)r(jià)值，但是難以實(shí)現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用。另外，外加場(chǎng)(超聲波、微波等)強(qiáng)化半纖維素的提取也是目前的研究熱點(diǎn)，然而，外加場(chǎng)通常會(huì)降低提取得到的半纖維素的分子量［3］。本研究中，首先將外加場(chǎng)(超聲波)用于原料的乙醇－堿脫木質(zhì)素過(guò)程，然后采用傳統(tǒng)的堿法提取半纖維素，以便獲得高聚合度的半纖維素組分，半纖維素提取得率最大化。

楊樹(shù)生長(zhǎng)周期短，是優(yōu)良的人工速生用材林樹(shù)種，我國(guó)林業(yè)科技人員對(duì)楊樹(shù)生長(zhǎng)以及利用的研究由來(lái)已久，并取得很大的成績(jī)，因地制宜大面積種植楊樹(shù)，不僅能發(fā)揮森林生態(tài)效應(yīng)，而且作為一種產(chǎn)業(yè)在經(jīng)濟(jì)方面產(chǎn)生效益。江蘇地區(qū)，楊樹(shù)的栽種面積達(dá)30 400 hm2。其中成熟林的面積達(dá)1 200 hm2。楊樹(shù)速生豐產(chǎn)林輪伐期確定為8～10年。黃河中下游及長(zhǎng)江中下游地區(qū)可供420．8萬(wàn)m3木材。作為一種富含木糖基的速生材樹(shù)種，楊木及其加工剩余物已成為半纖維素提取的潛在原料［4］。本文作者采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，以速生楊加工剩余物為原料，優(yōu)化了半纖維素的堿法提取工藝并初步研究了半纖維素的結(jié)構(gòu)。

1 實(shí)驗(yàn)

1．1 原料

蘇北木材加工廠(chǎng)雜交速生楊(5年生)加工剩余物(邊材、刨花、鋸末)，經(jīng)風(fēng)干、粉碎、篩選出0．2～0．8 mm木粉貯存?zhèn)溆谩钅镜闹饕瘜W(xué)組成如下:纖維素37．83%;半纖維素19．87%;Klason木質(zhì)素23．58%;酸溶木質(zhì)素 3．16%;苯－醇抽出物 4．5%;灰分 0．48%;水分 9．50%。

1．2 原料預(yù)處理及半纖維素的提取

1．2．1 原料預(yù)處理 在50℃ 下，用甲苯與乙醇體積比2∶1混合液抽提楊木粉原料6 h，固液比1∶10，以便去除原料中酯類(lèi)物質(zhì)，之后，固相于45℃ 干燥16 h，得脫脂楊木粉，備用。

在75℃下，用含1%NaOH的70%乙醇溶液在超聲波條件下部分脫除脫脂楊木粉中的木質(zhì)素，固液比1∶20，超聲波功率400 W，時(shí)間3 h(超聲波處理4 s，停止2 s)，然后過(guò)濾去除液相，用蒸餾水洗滌固相至中性，于45℃ 干燥16 h，得堿脫木質(zhì)素楊木粉。

1．2．2 半纖維素的提取 在固液比為1∶20條件下，用不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的NaOH溶液抽提堿脫木質(zhì)素楊木粉。抽提完畢，過(guò)濾，并用6 mol/L的HCl溶液調(diào)節(jié)濾液的pH值至5．5，然后加入3倍于濾液體積的95% 乙醇溶液，室溫下靜置16 h。在21 000 r/min下離心，用70% 乙醇溶液洗滌沉淀。用去離子水洗滌過(guò)濾所得固體至中性，冷凍干燥所得固體即為所提取的半纖維素組分。

1．3 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)表L16(45)用于優(yōu)化1．2．2節(jié)堿抽提半纖維素的工藝，每個(gè)條件做2組平行實(shí)驗(yàn)，取平均值。

1．4 分析方法

1．4．1 化學(xué)組成分析［5－7］兩步水解法水解楊木粉原料、4% 的稀硫酸水解提取所得半纖維素組分，然后用HPLC測(cè)定相應(yīng)的糖組分:1)稱(chēng)取(300．0±10．0)mg楊木粉原料置于干燥皿中，加入(3．00±0.01)mL 72% 硫酸，充分潤(rùn)濕混勻。2)將干燥皿置于(30±3)℃水浴中振蕩反應(yīng)(60±5)min，振蕩須保證所有固體顆粒浸潤(rùn)于硫酸溶液中，完全水解。3)水解完成后，從水浴槽中取出干燥皿。加入(84±0．04)g純水，將硫酸稀釋至4%。4)將樣品置于高壓滅菌器中，溫度設(shè)置為121℃，時(shí)間60 min。反應(yīng)結(jié)束后，冷卻至室溫。5)用已準(zhǔn)備好的磨成粉狀脫水Ba(OH)2，中和樣品pH至5～6。離心后，取上清液作HPLC分析用，計(jì)算出原料中葡聚糖，木聚糖含量。以葡聚糖和木聚糖含量分別表示固體原料中纖維素和半纖維素含量。6)蒸餾水洗滌殘?jiān)?，后將殘?jiān)?05℃ 下干燥至質(zhì)量恒定并稱(chēng)質(zhì)量，將其作為酸不溶木質(zhì)素;取一定量的水解上清液用分光光度法在205 nm處測(cè)定其吸光度AOD，然后按下式計(jì)算相應(yīng)的酸溶木質(zhì)素。

1．4．2 半纖維素提取率的計(jì)算 半纖維素的質(zhì)量為高效液相色譜測(cè)出的木糖、甘露糖、阿拉伯糖等半纖維素糖組分以及比色法測(cè)出的糖醛酸的質(zhì)量之和;半纖維素提取率率定義為提取所得纖維素組分中半纖維素質(zhì)量與原料中半纖維素質(zhì)量之比。

1．4．3 紅外光譜、核磁共振表征 參照文獻(xiàn)［8］進(jìn)行。

2 結(jié)果與討論

2．1 正交試驗(yàn)結(jié)果分析

在1．2．2節(jié)實(shí)驗(yàn)方法的條件下，進(jìn)行正交試驗(yàn)。提取溫度、提取時(shí)間、NaOH溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)3個(gè)因素的4個(gè)水平對(duì)半纖維素提取得率的影響如表1所示。從試驗(yàn)1～16的結(jié)果直觀(guān)分析看出，半纖維素提取率最高為81．92%。極差R值越大說(shuō)明此因素對(duì)半纖維素提取率的影響越大，NaOH質(zhì)量分?jǐn)?shù)的極差最大，達(dá)到21．97。這表明，在NaOH溶液抽提半纖維素的過(guò)程中，NaOH質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)半纖維素提取率的影響最為顯著;抽提時(shí)間的影響最小，極差僅為6．99;而抽提溫度的影響介于它們之間。當(dāng)NaOH質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低時(shí)，木聚糖在溶液中無(wú)法完全溶解，從而導(dǎo)致提取得率降低;當(dāng)NaOH質(zhì)量分?jǐn)?shù)過(guò)高時(shí)，木聚糖可能發(fā)生降解反應(yīng)，從而導(dǎo)致提取得率降低［9］。表1的結(jié)果表明:堿法抽提速生楊木粉時(shí)半纖維素提取率的最佳工藝條件是A4B4C3，即:提取溫度90℃，提取時(shí)間12 h，NaOH質(zhì)量分?jǐn)?shù)8%。在該最佳條件下的重復(fù)試驗(yàn)，半纖維素提取率為87．20%。

表1 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)和結(jié)果分析Table 1 Orthogonal experiments design and result analysis

2．2 半纖維素組成

在最佳提取條件(A4B4C3)下得到的半纖維素組成為:葡萄糖0．83%，木糖81．16%，半乳糖0．55%，阿拉伯糖0．27%，甘露糖 2．87%，葡萄糖醛酸 4．60%，酸溶木質(zhì)素 3．49%，酸不溶木質(zhì)素0．99%。結(jié)果表明，提取所得到的半纖維素組分中，木糖含量最高，達(dá)到81．16%，與參考文獻(xiàn)［10］報(bào)道基本一致。其次是葡萄糖醛酸為4．60%，木糖和葡萄糖醛酸基物質(zhì)的量之比約為22．83∶1，該比例類(lèi)似于樺木半纖維素的糖基比［11］。

根據(jù)樣品的紅外圖譜(見(jiàn)圖1)可知，樣品中含有一定量的甲基。因此，該半纖維素組分可能為4－O－甲基葡萄糖醛酸基－木聚糖以及少量的L－阿拉伯糖基－(4－O－甲基－D－葡萄糖醛酸基)－D－木聚糖。另外，抽提所得半纖維素中含有少量甘露糖、葡萄糖和半乳糖，它們的含量分別為2．87%、0．83% 和0．55%，對(duì)應(yīng)的糖基比為3．46∶1∶0．66，其結(jié)構(gòu)可能是葡萄糖基甘露聚糖以及少量的半乳糖基葡萄糖基甘露聚糖，糖基比與文獻(xiàn)［12］報(bào)道基本一致。這些結(jié)果說(shuō)明，速生楊中提取得到的半纖維素主要包括兩類(lèi)半纖維素組分:4－O－甲基葡萄糖醛酸基－木聚糖為主要的半纖維素組分，占半纖維素的86%，而葡萄糖基甘露聚糖僅含4%。β－D－吡喃木聚糖為闊葉木主要半纖維素組分;而葡萄糖基甘露聚糖一般含量較低，占3%～5%［12］。因此，速生楊半纖維素的組成特點(diǎn)基本與一般闊葉木半纖維素的組成相一致。

2．3 紅外光譜分析

采用傅里葉紅外光譜進(jìn)一步驗(yàn)證半纖維素的結(jié)構(gòu)。圖1為最佳條件下得到的半纖維素的紅外圖譜。半纖維素的主要特征官能團(tuán)是糖苷鍵。3420 cm－1處較強(qiáng)的吸收峰代表O—H的伸縮振動(dòng)［9］。2922 cm－1處的吸收峰代表了甲基或亞甲基中C—H的伸縮振動(dòng)［13］，根據(jù)樣品的性質(zhì)，可認(rèn)為該半纖維素存在甲基。在1506 cm－1處的吸收峰是由于樣品中含有少量的木質(zhì)素，由于半纖維素與纖維素以及木質(zhì)素之間的連接非常復(fù)雜，目前還沒(méi)有一種方法能將半纖維素完全分離得到不含其他雜質(zhì)的半纖維素。據(jù)文獻(xiàn)報(bào)導(dǎo)，1318 cm－1處的吸收峰則是紫丁香基C—O 伸縮振動(dòng)引起的［14］。1044 cm－1處的吸收峰是C—O、C—C的伸縮振動(dòng)或是C—OH的彎曲振動(dòng)引起的［15］。896 cm－1處的小尖峰是糖單元之間的β－糖苷鍵的吸收峰，—CH2的彎曲振動(dòng)在1465、1419 cm－1出現(xiàn)吸收峰［13］。1387、1248 cm－1處分別是 O—H 和 C—C 的伸縮振動(dòng)。在987 cm－1處的低強(qiáng)度吸收峰主要是木糖殘基C－3上的阿拉伯糖取代基，阿拉伯木聚糖的特征取代基。1627 cm－1處的信號(hào)峰主要是由于吸收了水分引起的，木聚糖有很強(qiáng)的吸水性。1732 cm－1處的尖峰，歸屬于乙?；校紺O振動(dòng)吸收峰，盡管闊葉木中半纖維素通常都是乙?；?，但是由NaOH溶液作用，大部分乙?；呀?jīng)被去除。所以，該峰表明該半纖維素樣品中含微量的乙?；?。

圖1 半纖維素的紅外光譜圖Fig．1 The FT-IR spectra of hemicellulose

2．4 核磁共振光譜

為進(jìn)一步研究半纖維素糖苷鍵的結(jié)構(gòu)，對(duì)其進(jìn)行了13C NMR核磁共振分析，結(jié)果如圖2所示。根據(jù)文獻(xiàn)［16－19］報(bào)道。δ值為104．455、78．207、77．000、75．437 及 65．557 處的5 個(gè)強(qiáng)信號(hào)峰歸屬于(1，4)－β－D－吡喃木糖單元上的 C－1、C－4、C－3、C－2和 C－5，δ值為84．767、77．718 及74．466 處的3個(gè)信號(hào)峰歸屬于連接著β－D－木糖的α－L－呋喃阿拉伯糖殘基上的C－4、C－2和C－3，δ值為99．743及84．767處的2個(gè)信號(hào)峰歸因于4－O－甲基葡萄糖醛酸殘基上的 C－1和 C－4，δ值為102．846、73．997及61．788處的3個(gè)信號(hào)峰分別是D－吡喃甘露糖單元上的C－1、C－3和C－5，D－葡萄糖單元的C－6位重疊在δ值為61．788處的信號(hào)峰上。這些結(jié)果進(jìn)一步證實(shí)了提取得到的半纖維素主要結(jié)構(gòu)為4－O－甲基－D－葡萄糖醛酸基－D－木聚糖、葡萄糖基－吡喃甘露聚糖，同時(shí)還含有少量的L－阿拉伯糖基－(4－O－甲基－D－葡萄糖醛酸基)－D－木聚糖和少量的半乳糖基葡萄糖基－吡喃甘露聚糖。另外，圖2表明，吡喃木糖單元上的碳所對(duì)應(yīng)的信號(hào)強(qiáng)度明顯高于吡喃甘露糖單元上的碳所對(duì)應(yīng)的信號(hào)。這表明，木聚糖含量明顯高于甘露聚糖。上述結(jié)果表明:雜交速生楊木半纖維素主要具有一般闊葉木半纖維素的特點(diǎn)，同時(shí)還有少量的針葉材半纖維素的結(jié)構(gòu)。

圖2 半纖維素13C NMR譜圖Fig．2 13C NMR spectra of hemicellulose

3 結(jié)論

3．1 在50℃ 下，用甲苯與乙醇體積比2∶1混合液抽提楊木粉原料，得脫脂楊木粉。在75℃ 下，用含1%NaOH的70%乙醇溶液在超聲波條件下部分脫除脫脂楊木粉中的木質(zhì)素，得堿脫木質(zhì)素楊木粉。

3．2 NaOH溶液能有效地抽提速生楊中的半纖維素，通過(guò)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，得到最佳提取條件為:反應(yīng)溫度90℃、抽提時(shí)間12 h，NaOH溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)8%。此條件下的半纖維素的提取率為87．20%。

3．3 通過(guò)對(duì)提取所得半纖維素組成的分析，以及傅立葉紅外光圖譜、13C NMR圖譜分析，可知，堿抽提所得速生楊半纖維素主要包括兩個(gè)組分，4－O－甲基葡萄糖醛酸基－木聚糖為主要的半纖維素組分，約占半纖維素的86%，葡萄基甘露聚糖僅含4%，其他半纖維素組分含量很低;木糖與葡萄糖醛酸基物質(zhì)的量之比為22．83∶1。含有少量甘露糖、葡萄糖和半乳糖，它們的含量分別為2．87%、0．83% 和0．55%，對(duì)應(yīng)的糖基比為3．46∶1∶0．66，具有典型的闊葉木半纖維素特點(diǎn)。

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