杜仲籽殼過氧化氫預處理對杜仲橡膠提取率的影響

許振川，方慶紅，*，楊 鳳，，康海瀾，，劉桂萍

（1.沈陽化工大學 材料科學與工程學院，遼寧 沈陽 110142；2.遼寧省橡膠彈性體重點實驗室，遼寧 沈陽 110142）

杜仲樹是我國特有的單種屬植物，屬國家二類珍稀保護植物。杜仲樹在我國種植面積占世界種植面積的99%以上，其適應性強，耐嚴寒、耐高溫，對土壤要求不高，全國范圍均可種植[1]。杜仲橡膠（EUG）是產自杜仲樹的一種天然高分子材料，與天然橡膠（NR）互為同分異構體，化學組成為反式-1，4-聚異戊二烯。由于其對稱、有序的鏈結構，EUG易結晶，常溫下無彈性，是一種塑性材料，具有橡塑二重性[2]，可用于阻尼材料、醫(yī)療器械、體育用品等領域[3]，應用前景廣闊。

EUG主要分布在杜仲樹的根、莖、葉、皮、果實中，而杜仲籽殼中含膠量最為豐富[4-5]。盧敏等[6]研究了杜仲含膠細胞超微結構，發(fā)現杜仲含膠細胞是一種細長、兩端膨大、細胞腔內貯滿橡膠顆粒的絲狀單細胞，不能像NR那樣通過割膠收集而需要通過多步提取工藝獲取。存在于杜仲細胞壁中的木質素、半纖維素、纖維素及細胞間的果膠質等成分，在EUG提取時不易溶解，對EUG的浸出有阻礙作用，降低了EUG膠絲的溶出。因此破壞杜仲細胞壁，使膠絲從細胞中溶出是提取EUG的關鍵。

植物纖維素和木質素可以在堿的催化下快速水解[7]，堿溶液可用于纖維素、木質素以及分子間酯鍵的脫酯化[8]。歐陽輝等[9]將不同質量分數的氫氧化鈉（NaOH）溶液在不同溫度下對杜仲籽殼粉末進行預處理（浸泡）得到粗提物，然后將粗提物在索氏提取器中加入石油醚進行回流提取，從而得出EUG提取率最大的預處理條件，即在90 ℃和質量分數為0.1的NaOH溶液中將杜仲籽殼浸泡3 h，其纖維素和木質素等非膠組分物質的分解效果最好。游東宏等[10]在歐陽輝等研究的基礎上，將石油醚回流提取的提取液在0 ℃下冷凍1 h以析出EUG，杜仲籽殼中EUG的提取率為19.9%。上述堿浸法膠絲流失多，成本高，產率低，且NaOH溶液使用過多，污染環(huán)境。

硫酸、硝酸、鹽酸、磷酸、乙酸等預處理也可破壞杜仲細胞壁，使纖維素和木質素有效分離[11]，從而使膠絲暴露。周鵬等[12]借鑒有機溶劑制漿法，以乙酸（體積分數為0.8）作溶劑，在料液比[杜仲物質質量（g）與溶劑體積（mL）比]為1：13.5以及鹽酸（體積分數為0.003 5）催化下，于100 ℃預處理杜仲籽殼3 h，EUG提取率為15.2%。該預處理方法提取率較低且廢液難處理。

微生物發(fā)酵法是利用纖維素酶或分解菌去除杜仲細胞壁中的纖維素，劉貴華等[5]得出酶解最佳條件為：溫度 50 ℃，pH值 3.8，纖維素酶 0.3 g，料液比 1：15（其中原料杜仲樹葉為10 g），酶解兩次，每次酶解時間均為3 h。與非酶解EUG相比，酶解EUG提取率提高了1.3倍。張學俊等[13]發(fā)現，在溫度為50 ℃和pH值為4的條件下，加入纖維素酶可以充分水解杜仲細胞壁中的纖維素，提高EUG溶出的通透性，使EUG提取率提高0.5，且獲得的長絲EUG強度高、韌性好。杜仲物質的微生物發(fā)酵法避免了酸堿溶液的使用，具有明顯的環(huán)保優(yōu)勢；但受微生物自身活性的影響，其限制因素較多[14]，提取時間相對較長。

在工業(yè)造紙中過氧化氫（H2O2）廣泛用于脫除木質素和纖維素[15]，黃小雷等[16]以H2O2為氧化劑氧化纖維素，探討了pH值、氧化反應時間和H2O2質量分數對纖維素氧化程度和降解程度的影響。賴玉榮等[17]發(fā)現，H2O2可以與木質素發(fā)生反應而使其側鏈碎解。宋建新等[18]研究表明，氧脫木質素過程中加入一定量H2O2可以提高脫除木質素的效率。本工作借鑒H2O2在制漿造紙中應用，采用H2O2對杜仲籽殼進行預處理，以探索一種高效、快速提取EUG的方法，希望為促進EUG的產業(yè)化進程提供理論基礎。

1 實驗

1.1 主要原料和試劑

原料：粉碎的杜仲籽殼，湘西老爹生物有限公司產品。

試劑：H2O2、乙醇、石油醚（沸程為60～90℃）、NaOH溶液、四氫呋喃、鹽酸，分析純，天津市大茂化學試劑廠產品。

1.2 EUG提取及H2O2預處理試驗設計

1.2.1 EUG提取

準確稱取5 g杜仲籽殼或經H2O2預處理的杜仲籽殼放入圓底燒瓶中，再加入溶劑石油醚（料液比為1：50），85 ℃回流提取2 h，用紗網趁熱過濾，收集提取液并放入冰箱中冷凍2 h，待EUG以沉淀形式析出時進行離心，上清液用于對料渣進行二次回流提取，條件與第1次相同。最后將離心所得EUG進行干燥至恒質量，密封保存。根據公式（1）計算提取率。

式中：A為EUG提取率，%；M1為提取EUG質量，g；M0為所用杜仲籽殼質量，g。

1.2.2 單因子試驗

以H2O2質量分數、pH值、浸泡溫度、浸泡時間和料液比（溶劑為乙醇）作為影響因子，以EUG提取率為考察指標，設置不同的梯度進行單因子試驗，從而確定正交試驗各因子取值范圍。

1.2.3 正交試驗

在單因子試驗的基礎上進一步研究每個因子的交互影響。將H2O2質量分數、pH值、浸泡溫度、浸泡時間和料液比作為影響因子，以EUG提取率為考察指標，設計5因子4水平L16（45）進行正交試驗。

1.3 測試分析

1.3.1 紅外光譜分析

將EUG用氯仿溶解，并將溶液均勻涂抹在溴化鉀片上，在室溫下使用美國Thermo Fisher公司生產的Nicoletis 10型紅外光譜分析儀測試EUG紅外光譜。

1.3.2 核磁共振氫譜（1H-NMR）分析

將EUG用氘代氯仿溶解，四甲基硅烷為內標，在室溫和頻率為500 MHz下使用美國Varian公司生產的UNITY 300型核磁共振儀測試EUG1H-NMR譜。

1.3.3 相對分子質量

將EUG用四氫呋喃溶解，在室溫下使用美國普立泰科有限公司生產的PL-GPC 50型高效液相色譜儀測試EUG相對分子質量。

2 結果與討論

2.1 單因子試驗

H2O2質量分數對EUG提取率的影響如圖1所示（pH值為7，浸泡溫度為80 ℃，浸泡時間為2 h，料液比為1：10）。

圖1 H2O2質量分數對EUG提取率的影響Fig.1 Influence of H2O2 mass fractions on extraction rates of EUG

從圖1可以看出：隨著H2O2質量分數的增大，EUG提取率先增大后減?。辉贖2O2質量分數為0.06時，EUG提取率高達24.6%，而繼續(xù)增大H2O2質量分數后EUG提取率減小，這可能是因為H2O2質量分數過大造成EUG環(huán)氧化，導致EUG分子鏈結構遭到破壞。因此，正交試驗中H2O2質量分數的設計水平取0.02，0.04，0.06和0.08。

pH值對EUG提取率的影響如圖2所示（浸泡溫度為80 ℃，浸泡時間為2 h，料液比為1：10，H2O2質量分數為0.06）。

從圖2可以看出：隨著pH值的增大，EUG提取率先增大后減小；在pH值為7時，即體系為中性時EUG提取率最大，為25.35%。酸性條件或堿性條件下均會使EUG提取率減小。因此，正交試驗中pH值設計水平取5，6，7和8。

圖2 pH值對EUG提取率的影響Fig.2 Influence of pH values on extraction rates of EUG

浸泡溫度對EUG提取率的影響如圖3所示（pH值為7，浸泡時間為2 h，料液比為1：10，H2O2質量分數為0.06）。

圖3 浸泡溫度對EUG提取率的影響Fig.3 Influence of soaking temperatures on extraction rates of EUG

從圖3可以看出：浸泡溫度在40～60 ℃范圍內，EUG提取率緩慢增大；浸泡溫度在60～80 ℃范圍內，EUG提取率迅速增大并達到峰值，提取率最大為25.83%；繼續(xù)升高溫度，EUG提取率緩慢減小。因此，正交試驗中浸泡溫度設計水平取50，60，70和80 ℃。

浸泡時間對EUG提取率的影響如圖4所示（pH值為7，浸泡溫度為80 ℃，料液比為1：10，H2O2質量分數為0.06）。

從圖4可以看出：隨著浸泡時間延長，EUG提取率先增大后減小；當浸泡時間為2 h時，EUG提取率達到最大，為24.9%，說明浸泡2 h時預處理已進行完全。因此，正交試驗中浸泡時間設計水平取0.5，1，1.5和2 h。

圖4 浸泡時間對EUG提取率的影響Fig.4 Influence of soaking time on extraction rates of EUG

料液比對EUG提取率的影響如圖5所示（pH值為7，浸泡溫度為80 ℃，浸泡時間為2 h，H2O2質量分數為0.06）。

圖5 料液比對EUG提取率的影響Fig.5 Influence of material-to-liquid ratios on extraction rates of EUG

從圖5可以看出：當料液比為1：14時，EUG提取率最大，為25.96%；當料液比在1：8～1：14之間時，EUG提取率逐漸增大；當料液比在1：14～1：18區(qū)間時，EUG提取率趨于平緩，說明預處理已進行完全。從節(jié)約原則考慮，正交試驗中料液比設計水平取1：8，1：10，1：12和1：14。

2.2 正交試驗

正交試驗因子與水平見表1。正交試驗結果見表2。

表1 正交試驗因子與水平Tab.1 Factors and levels of orthogonal test

從表2可以看出：5個試驗因子對EUG提取率影響由大到小的順序為pH值、料液比、浸泡溫度、H2O2質量分數和浸泡時間；最佳預處理條件為H2O2質量分數 0.02，pH值 7，浸泡溫度 80℃，浸泡時間 2 h，料液比 1：14。按照杜仲籽殼最佳H2O2預處理條件進行驗證性試驗，設置3組平行試驗，測得平均EUG提取率為29.79%，較杜仲籽殼未預處理時提高了17.43%。經H2O2預處理后EUG提取率增大，這是由于H2O2與杜仲細胞壁中木質素反應，使木質素快速水解，從而破壞細胞壁，有利于石油醚的進入以及EUG膠絲的溶出。H2O2與木質素側鏈上羰基和碳-碳雙鍵反應（分別見圖6和7），使其氧化，改變木質素結構或將側鏈碎解。圖8示出了H2O2與木質素結構單元苯環(huán)的反應。木質素結構單元苯環(huán)是無色的，但在蒸煮過程中形成各種醌式結構（有色結構）并生成有色氣體，而醌式結構發(fā)生反應后變成無色的其他結構，導致苯環(huán)氧化開裂，最后形成一系列二元羧酸和芳香酸[17]。

圖6 H2O2與木質素側鏈羰基的反應Fig.6 Reactions of H2O2 with side chain carbonyl group of lignin

圖7 H2O2與木質素側鏈碳-碳雙鍵的反應Fig.7 Reactions of H2O2 with side chain carbon-carbon double bond of lignin

圖8 H2O2與木質素結構單元苯環(huán)的反應Fig.8 Reactions of H2O2 with benzene ring of lignin structural unit

表2 正交試驗結果Tab.2 Orthogonal test results

2.3 H2O2預處理對EUG分子結構的影響

由正交試驗結果可知，EUG提取率受H2O2預處理pH值影響較大，因此本試驗研究H2O2預處理pH值對EUG分子結構的影響。不同pH值H2O2預處理和未預處理提取的EUG紅外光譜如圖9所示。

圖9中，在2 965和2 917 cm-1處為甲基的吸收峰，在2 849 cm-1處為亞甲基的吸收峰，在1 735 cm-1處為羰基的吸收峰，在1 662 cm-1處為碳-碳雙鍵的吸收峰，在1 000～1 500 cm-1的范圍內有碳氫鍵、碳-碳單鍵以及甲基和亞甲基的振動及振動耦合吸收峰[19]，在875，795和597 cm-1處的吸收峰與鏈段微觀規(guī)整有序性相關。本試驗提取的EUG紅外光譜與文獻[20]中的基本相同，為反式-1，4-聚異戊二烯。H2O2預處理提取的EUG紅外光譜中，在1 662 cm-1處的碳-碳雙鍵吸收峰強度未減弱，在875，795和597 cm-1處的吸收峰強度也未減弱，且無新吸收峰出現，上述結果說明杜仲籽殼經H2O2預處理后EUG未被環(huán)氧化，分子鏈的結構未改變。

圖9 不同pH值H2O2預處理和未預處理提取的EUG紅外光譜Fig.9 Infrared spectra of EUG with H2O2 pretreatment at different pH values and without pretreatment

不同pH值H2O2預處理和未預處理提取的EUG1H-NMR譜如圖10所示。

從圖10可以看出，在化學位移為1.60，1.97和2.06處為反式-1，4-結構上與雙鍵相鄰的甲基和亞甲基上的質子特征峰，在化學位移為5.11處為反式-1，4-結構雙鍵上的不飽和質子特征峰[21]。通過對比可知，H2O2預處理與未經預處理提取的EUG1H-NMR譜基本相同，且無新的吸收峰出現，這進一步說明杜仲籽殼經H2O2預處理對EUG分子鏈結構和化學組成無影響。

圖10 不同pH值H2O2預處理和未預處理提取的EUG1H-NMR譜Fig.10 1H-NMR spectra of EUG with H2O2 pretreatment at different pH values and without pretreatment

2.4 H2O2預處理對EUG相對分子質量的影響

圖11為不同pH值H2O2預處理和未預處理提取的EUG相對分子質量分布曲線。

從圖11可以看出，幾種EUG的相對分子質量呈單峰分布，說明所提取的EUG純凈、無其他大分子雜質。表3為不同pH值H2O2預處理和未預處理提取的EUG相對分子質量。

表3 不同pH值H2O2預處理和未預處理提取的EUG相對分子質量Tab.3 Relative molecular masses of EUG with H2O2 pretreatment at different pH values and without pretreatment

圖11 不同pH值H2O2預處理和未預處理提取的EUG相對分子質量分布曲線Fig.11 Relative molecular mass distribution curves of EUG with H2O2 pretreatment at different pH values and without pretreatment

從表3可以看出，未預處理提取的EUG數均相對分子質量為1.07×105，H2O2預處理提取的EUG數均相對分子質量為（0.54～0.86）×105，較未預處理提取的EUG有所減小，這可能是因為H2O2與EUG分子鏈上的碳-碳雙鍵或鄰亞甲基反應，使其氧化降解，進而使相對分子質量減小。與酸堿預處理相比，中性預處理提取的EUG數均相對分子質量和重均相對分子質量較大。

3 結論

（1）杜仲籽殼H2O2預處理可破除杜仲細胞壁，使EUG膠絲溶出。

（2）杜仲籽殼最佳H2O2預處理條件為：H2O2質量分數 0.02，pH值 7，浸泡溫度 80 ℃，浸泡時間 2 h，料液比 1：14。在此條件下EUG提取率為29.79%，比未預處理時提高17.43%。該預處理方法高效、簡便、快捷。

（3）杜仲籽殼H2O2預處理對EUG分子鏈結構和化學組成無影響。杜仲籽殼H2O2預處理得到的EUG純凈、無其他大分子雜質，且中性條件下的相對分子質量較大。