韓瀟，霍丹,2,*，谷丞，孫悅凱，司傳領(lǐng)，裴繼誠，劉瑩

(1. 天津科技大學(xué)天津市制漿造紙重點(diǎn)實驗室，天津 300457；2. 廣西清潔化制漿造紙與污染控制重點(diǎn)實驗室，廣西大學(xué)輕工與食品工程學(xué)院，南寧 530004；3. 天津市尖峰天然產(chǎn)物研究開發(fā)有限公司，天津 300457)

生物質(zhì)原料作為來源豐富的可再生碳資源，其各組分的高效分離和高值利用受到越來越多的重視與關(guān)注[1-2]。其中半纖維素是由不同糖基組成的多糖類聚合物，是生物質(zhì)原料中的重要部分[3]，主要集中在植物細(xì)胞壁的初生壁和次生壁中。近年來，半纖維素木聚糖在制藥、食品、能源、化工和生物等工業(yè)中被廣泛應(yīng)用[4-5]。

預(yù)處理是生物質(zhì)組分高效分離的重要步驟[6]。半纖維素主要存在于預(yù)處理液中，除半纖維素外，預(yù)處理液中還含有木質(zhì)素及多種降解產(chǎn)物等大量復(fù)雜有機(jī)物，這無疑增加了半纖維素基多糖高值化轉(zhuǎn)化的難度。由此可見，半纖維素糖利用前的提取純化尤為關(guān)鍵，現(xiàn)已成為熱點(diǎn)研究。EmimAc是一種選擇性分離化學(xué)紙漿中半纖維素的溶劑，將氫氧化鈉水溶液(NaOH-a)加入EmimAc溶液中形成EmimAc/NaOH-a體系，能夠提高半纖維素的分離效果[7]。You等[8]利用芳香族選擇性吸附樹脂從甘蔗渣堿性提取半纖維素中去除木質(zhì)素，木質(zhì)素去除率可達(dá)到89.2%。Hliavitskaya等[9]提出了一種新型的聚醚砜膜改性方法，可以提高膜的分離性能，在熱機(jī)械制漿工藝水的分離、半纖維素的濃縮和提純等方面有很好的分離效果。

目前，對預(yù)處理液的純化主要集中在對大分子木質(zhì)素的去除上。純化方法有化學(xué)法加入高分子混凝劑[10]、物理法進(jìn)行離子交換樹脂吸附[11]或者冷凍處理[12]、生物法加入漆酶處理[13]等，也有利用多種處理方法相結(jié)合的方式去除預(yù)水解液中的木質(zhì)素[14]。其中離子交換樹脂吸附法作用效果快、應(yīng)用范圍較廣、適當(dāng)條件下有一定純化效果，但選擇性差且成本過高；冷凍處理與生物酶法操作步驟簡單，但對木質(zhì)素去除率較低，達(dá)不到去除木質(zhì)素的效果；多種方法結(jié)合雖然可以有效規(guī)避單一方法的不足，但是技術(shù)復(fù)雜并且會加大目標(biāo)產(chǎn)物的損耗，選擇性較差。高分子絮凝劑種類繁多，來源豐富，聚合氯化鋁(PAC)是其中一種無機(jī)高分子混凝劑[15]，其價格便宜且操作簡單，沉降效果明顯，適用pH范圍廣。在 pH 8.9時，采用80 mg/L 的PAC處理楊木預(yù)水解液，在去除25%木質(zhì)素的同時可保持低聚糖的含量基本不變[16]，可見PAC絮凝沉降法是一種非常有發(fā)展?jié)摿Φ募兓椒ā?/p>

前期研究表明，MgCl2對木質(zhì)纖維素中的半纖維素具有選擇性降解的作用，90%以上的半纖維素因降解而溶于預(yù)水解液中。然而，在半纖維素降解脫除的同時，會伴有部分木質(zhì)素以及糖降解產(chǎn)物的產(chǎn)生。因此獲得高純度的半纖維素多糖必須將預(yù)水解液中的這些雜質(zhì)去除。為了有效提取預(yù)處理液中的半纖維素，促進(jìn)其高值轉(zhuǎn)化利用，本研究擬通過聚合氯化鋁絮凝的方法去除木質(zhì)素，探討PAC對MgCl2預(yù)處理液膠體穩(wěn)定性的影響及其去除木質(zhì)素的特性。在較低pH(10左右)下，PAC可與液體中的鎂離子形成新的鎂鋁復(fù)合沉淀物，這種沉淀物比表面積大，帶正電，有很好的水質(zhì)凈化能力。因此，預(yù)水解液中鎂離子的存在，一方面會促進(jìn)PAC中Al(III)的電離，另一方面形成的復(fù)合沉淀物進(jìn)一步促進(jìn)預(yù)水解液的純化，這為預(yù)處理液的純化分離及其中各組分的后續(xù)高值化利用提供新的思路。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

桉木木片，購自廣西金桂紙業(yè)集團(tuán)有限公司，粉碎、篩分后經(jīng)過苯-乙醇抽提風(fēng)干后得到40～60目(孔徑0.381～0.253 mm)粉末；其他試劑均為國產(chǎn)分析純。

1.2 預(yù)水解液的制備

預(yù)處理在高溫高壓反應(yīng)釜(美國Parr)中進(jìn)行。將質(zhì)量恒定的桉木粉和0.2 mol/L MgCl2溶液以固液比1∶15(g∶mL)的比例加入反應(yīng)器中，并在170 ℃下保溫20 min，經(jīng)真空泵抽濾，進(jìn)行固液分離并回收。

1.3 聚合氯化鋁絮凝

在離心管中分別加入2 mL預(yù)水解液，依次加入一定質(zhì)量的PAC絮凝劑，離心后，分別對各上清液中的粒徑、Zeta電位、固含量、低聚糖含量和木質(zhì)素含量及其分子量分布情況進(jìn)行檢測分析。

1.4 預(yù)水解液中組分的測定

預(yù)水解液中溶解的單糖、半纖維素低聚糖及其多種降解產(chǎn)物利用高效液相色譜法(HPLC)進(jìn)行定量分析(各物質(zhì)含量根據(jù)各標(biāo)準(zhǔn)曲線計算，標(biāo)準(zhǔn)曲線圖見OSID附圖1)。低聚糖的測定：量取20 mL預(yù)處理液至 25 mL試管中，再向試管中加入 0.7 mL 72%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))H2SO4，在 121 ℃的高壓滅菌鍋中進(jìn)行預(yù)處理液再水解，保溫1 h后取出水解液，冷卻至室溫，用高效液相色譜測其單糖含量。將水解液中的單糖含量與預(yù)處理液中的單糖含量之差作為相應(yīng)預(yù)處理液中低聚糖的含量。液相色譜條件為：色譜柱Bio-Rad Aminex HPX-87H(長×直徑=300 mm×7.8 mm，美國Bio-Rad)，柱溫55 ℃，流動相為0.005 mol/L的稀硫酸，流速為0.6 mL/min，進(jìn)樣量為10 μL，采用示差折光檢測器(RID)和紫外檢測器(VWD)。

預(yù)水解液中木質(zhì)素的含量(B，g/L)測定使用紫外分光光度計檢測，檢測波長為205 nm。具體計算公式如下：

(1)

式中：A為紫外分光光度計檢測吸收值；D為樣品稀釋倍數(shù)；110為吸光系數(shù)。

1.5 Zeta 電位和粒徑的檢測

Zeta電位和粒徑用電位儀(FPA，德國AFG)在25 ℃下測量，將樣品用滴管在樣品池一側(cè)緩慢加入充滿U型管。測量粒徑時，使用儀器配置的比色皿，加入1/3左右稀釋一定倍數(shù)的樣品進(jìn)行測量。Zeta電位絕對值代表其穩(wěn)定性大小，正負(fù)代表粒子帶何種電荷。

2 結(jié)果與分析

2.1 預(yù)水解液的Zeta電位和粒徑

2.1.1 PAC用量對預(yù)水解液Zeta電位及粒徑的影響

Zeta電位與溶液的膠體穩(wěn)定性有直接的關(guān)系[17]。當(dāng)Zeta電位的絕對值<10時，溶液的膠體穩(wěn)定性極差，會快速凝結(jié)或凝聚。因此，改變預(yù)水解液的Zeta電位可改善其膠體穩(wěn)定性，從而可將極不穩(wěn)定的大分子木質(zhì)素沉淀去除。不同PAC用量水解液的Zeta電位變化見圖1。預(yù)水解原液的Zeta電位為-22.75 mV，是比較穩(wěn)定的。隨著PAC用量的增加，預(yù)水解液的正電荷逐漸增加[18]。當(dāng)PAC用量為4.00%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時，Zeta電位為0，膠體穩(wěn)定性最差。以等電點(diǎn)為分界點(diǎn)，Zeta電位的變化均與PAC用量呈正相關(guān)。當(dāng)PAC用量在2.23%～16.75%時，Zeta電位絕對值在10 mV以內(nèi)，體系是極不穩(wěn)定的，即此時可獲得較大沉淀量。

圖1 不同PAC用量水解液的Zeta電位變化Fig. 1 Zeta potential change of hydrolysate with different PAC dosage

2.1.2 pH對預(yù)處理體系Zeta電位及粒徑的影響

圖2 不同pH下水解液Zeta電位和粒徑的變化Fig. 2 Changes of Zeta potential and particle size of hydrolysate at different pH values

pH與膠體物質(zhì)的電離程度有很大關(guān)系[19]，pH的變化可以影響PAC的電離平衡；因此，在不同的pH下測定預(yù)水解體系的Zeta電位和粒徑變化，結(jié)果如圖2所示。在保證單一變量的條件下，隨著pH的增加，Zeta電位不斷降低。當(dāng) pH小于2.35時，預(yù)水解液的Zeta 電位大于10 mV，體系的穩(wěn)定性較好。pH為3.00～9.05時，Zeta電位絕對值均小于10，體系極不穩(wěn)定，這是因為在高pH下體系電離強(qiáng)度會增加而電離出更多的陰離子。隨著Zeta電位的變化，粒徑也相應(yīng)發(fā)生變化。當(dāng)預(yù)處理液的pH接近3.00時，粒徑突然增大至4 337.4 nm，此時剛好達(dá)到等電點(diǎn)。體系中正負(fù)電荷中和不穩(wěn)定，膠體顆粒粒徑最大，出現(xiàn)明顯的絮凝沉淀，說明PAC沉淀體系發(fā)生的電中和作用使水解液中產(chǎn)生絮聚沉淀。

預(yù)水解液Zeta電位的改變對其中木質(zhì)素去除的影響見圖3。由圖3可見，當(dāng)在等電點(diǎn)即Zeta電位為0時，木質(zhì)素去除率最高，可達(dá)53.50%。當(dāng)Zeta電位大于20 mV后，木質(zhì)素去除率基本保持穩(wěn)定。說明預(yù)水解液中木質(zhì)素的去除與其Zeta電位的改變有很大的關(guān)系。與前述關(guān)于Zeta電位的變化與預(yù)水解液中粒徑的變化的結(jié)果相吻合。

圖3 預(yù)水解液的Zeta電位與其木質(zhì)素去除的關(guān)系Fig. 3 Relationship between Zeta potential and lignin removal rate from the hydrolysate

2.1.3 沉淀時間對預(yù)水解液Zeta電位和粒徑的影響

不同PAC用量下形成穩(wěn)定沉淀所需的時間不同。實驗在預(yù)水解液pH 2.92，即接近于等電點(diǎn)時進(jìn)行，比較分析了PAC的用量分別為4.00%質(zhì)量分?jǐn)?shù)和60.00% 質(zhì)量分?jǐn)?shù)時Zeta電位和粒徑與靜置時間的關(guān)系，結(jié)果如圖4所示。當(dāng)PAC用量為4.00% 質(zhì)量分?jǐn)?shù)時，溶液中的Zeta電位為0。隨著靜置時間的增加，體系中的Zeta電位基本不變，但粒徑逐漸增大。在1 100 min時，粒徑為12 403.9 nm。PAC絮凝用量為60.00%質(zhì)量分?jǐn)?shù)時，在0～200 min內(nèi)，隨著靜置時間的不斷增加，溶液的Zeta電位不斷下降，200 min時體系中Zeta電位為15.7 mV，而粒徑的大小在緩慢平穩(wěn)地增加，最后趨于穩(wěn)定，由607.6 nm增加至810.1 nm，穩(wěn)定時間縮短至 45 min，粒徑幾乎沒有變化。原因是加入了過多的PAC，體系中存在橋聯(lián)作用，加速了沉淀的產(chǎn)生[20]。

圖4 不同PAC用量不同靜置時間對Zeta電位和粒徑的影響Fig. 4 The effect of different standing times on Zeta potential and particle size at different dosages of PAC

此外，圖4中發(fā)現(xiàn)體系穩(wěn)定后，當(dāng)PAC用量為60.00%質(zhì)量分?jǐn)?shù)時，靜置形成的沉淀物粒徑遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于4.00%PAC用量時靜置形成的沉淀物粒徑。這是由于在60.00%PAC時穩(wěn)定溶液中的Zeta電位為15.7 mV，系統(tǒng)中存在靜電排斥并且難以形成大量沉淀。可見，PAC沉淀系統(tǒng)包含靜電中和作用的結(jié)果。

2.2 PAC用量對木質(zhì)素去除效率的影響

不同pH下PAC用量對木質(zhì)素去除效率的影響見圖5。由圖5可見，木質(zhì)素去除率隨著PAC用量的增加而明顯降低。相同用量下，隨著pH增加，木質(zhì)素去除率有明顯提高，而且與PAC用量相比，pH的變化對木質(zhì)素去除率的影響更為顯著，可能是因為氫氧根離子增多促進(jìn)了PAC的電離，加速了橋聯(lián)作用的產(chǎn)生。在pH為5.00時添加100.00%PAC對木質(zhì)素去除率的影響與在pH為10.00時添加300%PAC的效果相同。當(dāng)添加4.00%PAC，pH為10.00時，木質(zhì)素去除率最高為53.35%。

圖5 不同pH下PAC用量與木質(zhì)素去除率的關(guān)系Fig. 5 Relationship between PAC dosage and lignin removal rate at different pH values

然而，在去除木質(zhì)素的同時，也損失了一部分的低聚糖，導(dǎo)致木質(zhì)素選擇性沉淀和木質(zhì)素去除率降低(圖6)。這是因為低聚糖在一定量的 PAC 中會與木質(zhì)素一起沉淀。結(jié)果表明，當(dāng)pH為10.00，PAC用量為2.00%質(zhì)量分?jǐn)?shù)時，PAC對木質(zhì)素去除率為49.06%對木質(zhì)素的選擇性去除率最好，達(dá)到86.05%。

圖6 不同PAC用量下木質(zhì)素與低聚糖去除率及木質(zhì)素選擇性的變化(pH 10.00)Fig. 6 Changes of lignin removal rate, oligosaccharide removal rate and lignin selectivity with different PAC dosages at pH 10.00

總之，PAC在絮凝沉降過程中起到了靜電中和與橋聯(lián)的作用，由于木質(zhì)素比低聚糖具有更多的負(fù)電荷和更大的分子量(木質(zhì)素的Zeta電位為-59.97 mV，相對分子質(zhì)量為8 300左右；低聚糖的Zeta電位為-14.30 mV，相對分子質(zhì)量為200～2 000)，靜電中和橋聯(lián)作用會使PAC優(yōu)先處理預(yù)水解液中的木質(zhì)素大分子并使其沉淀[21]，因而對木質(zhì)素的去除起到較好的選擇性。

2.3 PAC絮凝處理對預(yù)水解液組分分布的影響

PAC絮凝前后預(yù)水解液中各組分分布見表1。隨著PAC用量的增加，預(yù)水解液中單糖和低聚糖的含量均明顯下降，說明絮凝劑在沉淀木質(zhì)素的同時也會連帶將預(yù)水解液中的糖一起絮凝沉淀。而隨著PAC用量的增加，預(yù)水解液中木質(zhì)素的含量非但未降低反而有所提高。這與絮凝劑用量改變預(yù)水解液的Zeta電位有一定關(guān)系。當(dāng)PAC用量為4.00%質(zhì)量分?jǐn)?shù)時，木質(zhì)素去除率最高，與前文中所述此時體系的Zeta電位趨近于等電點(diǎn)，木質(zhì)素大分子的穩(wěn)定性最差而被大量絮凝出的現(xiàn)象一致。

表1 PAC絮凝純化對預(yù)水解液中糖的影響Table 1 Effect of PAC flocculation purification on sugar in pre-hydrolyzed solution

3 結(jié) 論

本研究采用聚合氯化鋁(PAC)絮凝的方法對MgCl2預(yù)處理中的預(yù)水解物進(jìn)行純化。主要結(jié)論如下：

1)PAC的加入會改變預(yù)水解液的Zeta電位，從而改變其膠體穩(wěn)定性。PAC處理具有靜電中和與橋聯(lián)的雙重作用，由于木質(zhì)素大分子比低聚糖具有更多的負(fù)電荷和更大的分子量，木質(zhì)素大分子在PAC處理過程中會優(yōu)先沉淀。

2)當(dāng)pH為10.00、PAC用量為2.00%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時，木質(zhì)素去除率為49.06%，選擇性去除率為86.05%，具有較好的選擇性去除效果。因此，可選擇多段短時PAC絮凝處理去除預(yù)水解液中的木質(zhì)素。

綜上所述，可以認(rèn)為PAC絮凝處理是一種選擇性去除大分子木質(zhì)素的有效方法，值得進(jìn)一步探究和優(yōu)化。