修慧娟 李靜宇 李金寶 馮 盼 黎金桂 趙 欣 謝竺航

（陜西科技大學(xué)輕工科學(xué)與工程學(xué)院，輕化工程國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，陜西省造紙技術(shù)及特種紙品開發(fā)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西西安，710021）

木質(zhì)纖維素生物質(zhì)是地球陸生生態(tài)系統(tǒng)中最普遍的低成本、可再生生物質(zhì)原料，但其中89%木質(zhì)纖維尚未被充分利用[1]，其主要技術(shù)瓶頸之一就是缺乏清潔、高效、低成本的組分分離技術(shù)。水熱法[2-4]和乙醇法[5-7]因其溶劑可回收利用而被廣泛關(guān)注，但這兩種分離方法都僅對(duì)單一組分半纖維素或木質(zhì)素的分離效果較好；如果采用水熱-乙醇聯(lián)用的分離方法，在水熱處理段分離半纖維素，乙醇處理段分離木質(zhì)素，有望實(shí)現(xiàn)半纖維素、木質(zhì)素及纖維素的高效分離。

已有的研究表明，水熱-乙醇法對(duì)半纖維素的分離效果非常好，但是水熱處理段使木質(zhì)素發(fā)生形態(tài)和結(jié)構(gòu)上的變化，導(dǎo)致了乙醇處理過(guò)程中木質(zhì)素的分離效果極差[8]。前期研究發(fā)現(xiàn)加入催化劑可以提高乙醇處理段對(duì)木質(zhì)素的脫除效率[9]。因此，本課題采用水熱-二元催化乙醇法對(duì)麥草纖維素、木質(zhì)素、半纖維素進(jìn)行分級(jí)分離，主要研究了該工藝方法對(duì)這3種組分的分離效果，以及半纖維素和木質(zhì)素分離物的化學(xué)結(jié)構(gòu)。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 原料及藥品

麥草，水分10%，取自陜西某地，粉碎后篩取40～60 目組分備用[10-11]；質(zhì)量分?jǐn)?shù)95%乙醇、質(zhì)量分?jǐn)?shù)30%過(guò)氧化氫、氫氧化鈉均為分析純，購(gòu)自天津市大茂化學(xué)試劑廠。麥草原料的組分含量按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果如表1所示。

表1 麥草全組分含量 %

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備

PARR-5500 輕便型臺(tái)式反應(yīng)釜，美國(guó)Parr 公司；W201 恒溫水浴鍋，上海申生科技有限公司；SHBIII 循環(huán)水式多用真空泵，鞏義市予華儀器有限責(zé)任公司；DHG-9030A 電熱鼓風(fēng)干燥箱，上海一恒科學(xué)儀器有限公司；BS210S 分析天平，北京賽多利斯天平有限公司；DL-1 萬(wàn)用電爐，北京中興偉業(yè)儀器有限公司；SX-4-10馬弗爐，天津泰斯特儀器有限公司；ICS 5000 高效陰離子色譜儀，德國(guó)Dionex 公司；VERTEX70 傅里葉變換紅外光譜儀，德國(guó)Bruker 公司；FD-1A-50 冷凍干燥機(jī)，北京博醫(yī)康實(shí)驗(yàn)儀器有限公司；RE-52AA 旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀，上海亞榮生化儀器廠；TG16-WS 臺(tái)式高速離心機(jī)，湖南湘儀實(shí)驗(yàn)室儀器開發(fā)有限公司；AVIII 400 MHz 核磁共振波譜儀，德國(guó)Bruker公司。

1.3 水熱法提取半纖維素

稱取一定量麥草與水按總固液比為1∶24（g∶mL）均勻混合，置于高壓反應(yīng)釜中，升溫速率為7℃∕min，升溫至180℃，保溫40 min。過(guò)濾分離，得到固相產(chǎn)物和水解液。用H2SO4調(diào)節(jié)水解液pH 值至2，離心分離上清液，再經(jīng)旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀蒸發(fā)濃縮至一定體積，加入乙醇溶劑沉淀[12]，過(guò)濾分離沉淀物，并冷凍干燥得到半纖維素分離物。

1.4 二元催化乙醇法提取木質(zhì)素

將水熱固相產(chǎn)物與質(zhì)量分?jǐn)?shù)50%乙醇溶液混合，在質(zhì)量分?jǐn)?shù)3% H2O2和質(zhì)量分?jǐn)?shù)3% NaOH 二元催化下，按總固液比為1∶16（g∶mL），置于高壓反應(yīng)釜中，升溫速率為7℃∕min，升溫至190℃，保溫90 min，過(guò)濾分離固相產(chǎn)物，并用55%乙醇溶液和去離子水洗滌，干燥得到粗纖維素；液相產(chǎn)物通過(guò)稀釋沉淀法[13]分離出木質(zhì)素，過(guò)濾干燥后得到木質(zhì)素分離物。水熱-乙醇法不添加催化劑，其余步驟與上述相同。

1.5 分析與表征

1.5.1 粗纖維素得率、木質(zhì)素與半纖維素脫除率和提取率的計(jì)算

粗纖維素得率、木質(zhì)素與半纖維素脫除率和提取率分別按式(1)～式(5)計(jì)算。

式中，m1為粗纖維素質(zhì)量，g；m2為原料質(zhì)量，g；m3為粗纖維素中木質(zhì)素質(zhì)量，g；m4為原料中的木質(zhì)素質(zhì)量，g；m5為木質(zhì)素分離物質(zhì)量，g；m6為粗纖維素中的半纖維素質(zhì)量，g；m7為原料中的半纖維素質(zhì)量，g；m8為半纖維素分離物質(zhì)量，g。

1.5.2 水解液中半纖維素含量的測(cè)定

取1 mL 水解液稀釋適宜倍數(shù)，再經(jīng)0.22 μm 針孔過(guò)濾器過(guò)濾后，采用高效陰離子色譜儀，以Dionex CarboPacTM PA200（3 mm × 250 mm）為分析柱，以CarboPacTM PA200（3 mm × 50 mm） 為保護(hù)柱，柱溫 30℃，取樣 25 μL，淋洗液分別為 100 mmol∕L NaOH、500 mmol∕L NaOAc溶液和蒸餾水，以0.3 mL∕min的流速梯度淋洗，測(cè)定水解液中低聚木糖（DP=2～6）及半纖維素單糖（如木糖、葡萄糖、阿拉伯糖、半乳糖、鼠李糖、巖藻糖）的含量[14]。

1.5.3 紅外光譜測(cè)試

將木質(zhì)素分離物以及半纖維素分離物研成粉末，與KBr 壓片。由傅里葉變換紅外光譜儀（FT-IR）測(cè)量其紅外光譜[15]。測(cè)試參數(shù)為：掃描次數(shù)10 次、波數(shù)范圍500～4000 cm-1、分辨率0.5 cm-1。

1.5.4 核磁共振波譜測(cè)試

分別將50 mg 和100 mg 半纖維素分離物溶解在1 mL的D2O 中，采用核磁共振波譜儀（NMR） 對(duì)其進(jìn)行1H NMR 和13C NMR 測(cè)定。測(cè)定的參數(shù)為：采樣時(shí)間1.36 s，馳豫時(shí)間1.89 s，分別掃描128和5000 次[16]。將60 mg木質(zhì)素分離物溶解在0.5 mL 的DMSO-d6 中，采用核磁共振波譜儀對(duì)其進(jìn)行1H NMR 測(cè)定[17]。測(cè)定的參數(shù)為：采樣時(shí)間2 s，弛豫時(shí)間3 s，掃描512次。

2 結(jié)果與討論

2.1 水熱法對(duì)半纖維素的分離效果

水熱處理對(duì)半纖維素的分離效果如圖1 所示。由圖1 可知，經(jīng)水熱處理后，半纖維素的脫除率為81.8%，其中，醇沉法得到半纖維素聚糖為38.1%，水解液中未沉淀出來(lái)的低聚木糖以及單糖的含量為28.0%，各種低聚木糖以及單糖的含量如表2 所示，其中戊糖含量為 2.89 g∕L，高于己糖含量 0.96 g∕L；低聚木糖（包含木二糖、木三糖、木四糖、木五糖和木六糖）含量為1.78 g∕L；己糖主要是甘露糖，含量為0.66 g∕L；殘留在固相產(chǎn)物的半纖維素是18.2%，在水熱過(guò)程中轉(zhuǎn)化為其他組分損失的半纖維素占15.7%。

圖1 水熱法對(duì)半纖維素的分離效果

2.2 水熱-二元催化乙醇法對(duì)麥草組分的分離效果

水熱-二元催化乙醇法對(duì)麥草3 種主要組分分離效果如圖2所示。從圖2中可以看出，水熱-二元催化乙醇法對(duì)半纖維素的脫除率為91.5%，木質(zhì)素的脫除率為85.6%，粗纖維素得率為40.7%。相比水熱處理，水熱處理后再經(jīng)二元催化乙醇處理段，只有9.7個(gè)百分點(diǎn)的半纖維素進(jìn)一步被脫除，因此可以得出，半纖維素主要在第一步水熱段中大量脫除。但是與水熱-乙醇法相比，水熱-二元催化乙醇法對(duì)木質(zhì)素的脫除率有明顯的提高，脫除率從56.1%增加至85.6%，提高了52.6%，表明了二元催化乙醇段對(duì)木質(zhì)素的脫除效果更好；其中稀釋沉淀法木質(zhì)素提取率為55.5%。同時(shí)二元催化乙醇段對(duì)纖維素的降解也較少，粗纖維素得率僅從43.3%降低到40.7%，因此，水熱-二元催化乙醇法可以滿足水熱段分離半纖維素和二元催化乙醇段分離木質(zhì)素，從而實(shí)現(xiàn)麥草3種主要組分的高效分離。

表2 水解液中半纖維素各組分含量和得率

圖2 水熱-二元催化乙醇法與水熱-乙醇法對(duì)麥草3種主要組分的分離效果

2.3 半纖維素分離物的FT-IR分析

半纖維素分離物的FT-IR 譜圖如圖3 所示，從圖3 可以看出，3303 cm-1處的吸收峰為羧基和羥基中的O—H 特征峰，2903 cm-1為C—H 的非對(duì)稱伸縮振動(dòng)吸收峰，1734 cm-1處的吸收峰歸屬于半纖維素中的乙?；鵞18]，說(shuō)明水熱法提取的半纖維素中依然還有部分沒(méi)有脫落的乙?；?；1596、1514、1426 cm-1處為糖醛酸的吸收峰。半纖維素的特征吸收峰主要集中在800～1400 cm-1范圍之內(nèi)，1377 cm-1和 1251 cm-1處來(lái)源于半纖維素中—OH 和C—O 的彎曲振動(dòng)，894 cm-1處的吸收峰表明糖單元之間的連接是β-糖苷鍵，1048 cm-1處吸收峰歸屬于1，4-β-聚木糖中的 C—O、C—C 伸縮振動(dòng)和 C—OH 彎曲振動(dòng)[19]。1163 cm-1和987 cm-1處的吸收峰代表了阿拉伯糖基的特征峰[20]。

圖3 半纖維素分離物的FT-IR譜圖

2.4 半纖維素分離物的NMR分析

2.4.11H NMR 分析

圖4 半纖維素分離物的1H NMR譜圖

采用NMR 進(jìn)一步研究半纖維素分離物的結(jié)構(gòu)，其1H NMR 譜圖如圖4所示。從圖4可知，δ為5.26和4.64處分別歸屬于α-L-呋喃式阿拉伯糖基和1，4-β-D-吡喃式木糖-2-O-(4-O-甲基-α-D-吡喃式葡萄糖醛酸基)，δ為 4.3～4.9 來(lái)源于β-異頭氫[21]，表明了木糖單元之間以β-糖苷鍵連接，與FT-IR 譜圖中894 cm-1處所代表的結(jié)構(gòu)信息吻合。δ為4.32、3.96、3.66、3.49、3.35、3.17處的峰分別歸屬于1，4-β-D-吡喃式木糖結(jié)構(gòu)單元上的H-1、H-5e、H-4、H-3、H-5a、H-2[22]，說(shuō)明了半纖維素的主鏈為吡喃木糖，而側(cè)鏈為α-L-呋喃式阿拉伯糖基、4-O-甲基-α-D-吡喃式葡萄糖醛酸基和乙?；?。

2.4.213C NMR 分析

半纖維素分離物的13C NMR 譜圖如圖5 所示。從圖5 可知，δ為 101.6、76.3、73.4、72.1、62.8 處分別為1，4-β-D-吡喃式木糖結(jié)構(gòu)單元上的C-1、C-4、C-3、C-2、C-5[23-24]。4-O-甲基-α-D-吡喃式葡萄糖醛酸基、α-L-呋喃式阿拉伯糖基和乙?；葌?cè)鏈基上的C信號(hào)比較弱，其原因可能是，在麥草半纖維素聚阿拉伯糖-4-O-甲基葡萄糖醛酸木糖中，每26 個(gè)D-木糖基分別含有1 個(gè)4-O-甲基葡萄糖醛酸基支鏈，2 個(gè)L-阿拉伯糖基支鏈，以及1 個(gè)木糖基支鏈[25]，說(shuō)明水熱法提取半纖維素仍然可以保留其中的4-O-甲基葡萄糖醛酸和乙?；?，綜合FT-IR 和NMR 的結(jié)果可知，水熱法提取的麥草半纖維素分離物的結(jié)構(gòu)主要為：D-吡喃式木糖以1，4-β-糖苷鍵連接形成主鏈，4-O-甲基-α-D-吡喃式葡萄糖醛酸基、阿拉伯糖基以及乙?；纬蓚?cè)鏈。

圖5 半纖維素分離物的13C NMR譜圖

2.5 木質(zhì)素分離物的FT-IR分析

木質(zhì)素分離物的FT-IR 譜圖如圖6 所示。從圖6可以看出，在3359 cm-1處有1 個(gè)寬的吸收峰頻帶為O—H 伸縮振動(dòng)，2922 cm-1和2880 cm-1分別是甲基和亞甲基中C—H 鍵的對(duì)稱伸縮振動(dòng)和不對(duì)稱伸縮振動(dòng)，1596、1503 和1426 cm-1處的吸收峰歸屬于木質(zhì)素的苯環(huán)，1325 cm-1處S 型木質(zhì)素結(jié)構(gòu)單元和縮合的G 型木質(zhì)素結(jié)構(gòu)單元、1262 cm-1處G 型木質(zhì)素結(jié)構(gòu)單元的C=O 伸縮振動(dòng)和1215 cm-1處G 型木質(zhì)素結(jié)構(gòu)單元的C—C和C—O伸縮振動(dòng)分別代表了不同類型木質(zhì)素的結(jié)構(gòu)單元，1124 cm-1處的峰代表了S 型木質(zhì)素上C—H 鍵的變形振動(dòng)，1032 cm-1處的峰代表了G 型木質(zhì)素上C—H 鍵的變形振動(dòng)，915 cm-1為G 型木質(zhì)素芳香環(huán)的C—H 面外彎曲振動(dòng)，839 cm-1處為S—H 型木質(zhì)素芳香環(huán)的C—H面外彎曲振動(dòng)[26-29]；1124 cm-1（S型木質(zhì)素）處吸收峰的強(qiáng)度高于1032 cm-1（G 型木質(zhì)素）處吸收峰，說(shuō)明水熱-二元催化乙醇法提取的木質(zhì)素中S型木質(zhì)素含量多于G型木質(zhì)素。

圖6 木質(zhì)素分離物的FT-IR譜圖

2.6 木質(zhì)素分離物的1H NMR 分析

木質(zhì)素分離物的1H NMR譜圖如圖7 所示。從圖7可知，δ為 6.7、7.4 和 7.8 處分別為 S 型木素、G 型木素和H 型木素結(jié)構(gòu)單元上的質(zhì)子，同樣，代表S 型木質(zhì)素的信號(hào)更強(qiáng)，與FT-IR 的分析結(jié)果吻合；另外，δ為5.4 處歸屬于β-5結(jié)構(gòu)中的Hα，δ為4.9處歸屬于β-O-4 結(jié)構(gòu)中的 Hα，δ為 4.1 處屬于β-O-4 結(jié)構(gòu)中的Hγ，δ為 3.7處歸屬于甲氧基中的質(zhì)子，δ為 2.5 和δ為2.7分別歸屬于β-5和β-β結(jié)構(gòu)中的Hβ，δ為0.8和δ為1.2歸屬于高遮蔽效應(yīng)的脂肪族質(zhì)子[30]，表明水熱-二元催化乙醇法提取的木質(zhì)素結(jié)構(gòu)較為完整。

圖7 木質(zhì)素分離物的1H NMR譜圖

3 結(jié) 論

本課題研究了水熱-二元催化乙醇法對(duì)麥草纖維素、半纖維素和木質(zhì)素組分的分離效果，并對(duì)半纖維素分離物和木質(zhì)素分離物的化學(xué)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了表征。

3.1 水熱-二元催化乙醇法可以實(shí)現(xiàn)麥草組分的高效分離，對(duì)半纖維素的脫除率為91.5%，醇沉法半纖維素提取率為38.1%；稀釋沉淀法木質(zhì)素提取率為55.5%，木質(zhì)素的脫除率為85.6%，相比水熱-乙醇法，木質(zhì)素脫除率提高了52.6%，粗纖維素的得率為40.7%；另外，半纖維素主要由第一步水熱法脫除，且水熱法處理后半纖維素的4種存在形式分別為：醇沉法得到半纖維素聚糖38.1%，水解液中未沉淀出來(lái)的低聚木糖以及單糖的含量28.0%，殘留在固相產(chǎn)物的半纖維素18.2%；轉(zhuǎn)化為其他組分損失的半纖維素15.7%。

3.2 采用水熱-二元催化乙醇法高效分離得到的半纖維素聚糖的主鏈由D-吡喃式木糖以（1，4）-β-糖苷鍵連接形成，支鏈為4-O-甲基-α-D-吡喃式葡萄糖醛酸基、α-L-呋喃式阿拉伯糖基和乙?；?。木質(zhì)素分離物結(jié)構(gòu)較完整，且木質(zhì)素分離物中S 型木質(zhì)素含量多于G 型木質(zhì)素。