多級乙醇法提取加拿大一枝黃花纖維工藝的研究*

李麗珍，章華婷，陳 歡，付永前

（臺州學(xué)院 生命科學(xué)學(xué)院，浙江 臺州 318000）

多級乙醇法提取加拿大一枝黃花纖維工藝的研究*

李麗珍，章華婷，陳 歡，付永前＊

（臺州學(xué)院 生命科學(xué)學(xué)院，浙江 臺州 318000）

以臺州加拿大一枝黃花為研究對象，對不同濃度、不同溫度，不同時間下，乙醇處理加拿大一枝黃花各組分的變化進(jìn)行了考察，提出了多級乙醇提取加拿大一枝黃花纖維的新工藝。在此工藝下，選擇溫度在160℃，第一階段用100%乙醇先行處理1h，后選擇60%乙醇處理1h為最佳，木質(zhì)素去除率達(dá)到了66.3%。該工藝為木質(zhì)纖維素的循環(huán)再利用提供了借鑒和理論基礎(chǔ)。

加拿大一枝黃花；纖維；木質(zhì)素；乙醇；多級

1 引言

加拿大一枝黃花（Solidago canadensis）原產(chǎn)于北美洲，屬雙子葉多年生草本植物，1935年作為觀賞植物引入中國，由于該植物在中國缺少天敵，導(dǎo)致瘋狂生長，到目前為止，已導(dǎo)致30多種鄉(xiāng)土植物物種消亡，造成經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)上百億元［1］，對我國的社會經(jīng)濟(jì)和生態(tài)環(huán)境構(gòu)成了巨大威脅。因此，對加拿大一枝黃花的防控也逐漸成為我國生態(tài)保護(hù)領(lǐng)域的研究重點(diǎn)，目前國內(nèi)治理加拿大一枝黃花主要運(yùn)用農(nóng)業(yè)防治、物理防治和化學(xué)防治的方法，內(nèi)容涉及藥用價值、造紙、飼料生產(chǎn)、栽培基質(zhì)等方面［2］。但這些研究仍停留在理論和試驗階段，實(shí)際過程得不到大規(guī)模的推廣和應(yīng)用，因此，加拿大一枝黃花的防控以及資源化開發(fā)利用的研究還有停留在初始階段。

加拿大一枝黃花本身具有較為豐富的纖維資源，據(jù)文獻(xiàn)報道，加拿大一枝黃花纖維素含量達(dá)到了42.63%，總纖維含量達(dá)到了81.86%［1］，已有人嘗試研究加拿大一枝黃花纖維資源的利用，如：李松華等研究表明，加拿大一枝黃花是一種較好的制漿造紙原料［3］。但該類研究并沒有逃脫傳統(tǒng)的纖維提取工藝，對環(huán)境污染較大，很難實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。文獻(xiàn)報道，有機(jī)溶劑在高溫條件下，木質(zhì)素去除率能達(dá)到90%以上，同時，有機(jī)溶劑如乙醇等，可實(shí)現(xiàn)回收利用。近年來，溶劑法制漿得到了廣泛重視，目前已有很多人在這方面進(jìn)行了深入的研究，如錢學(xué)仁等研究了木材的近臨界高壓乙醇—水體系萃取木質(zhì)素［4］，張利等研究了丙酸對作物秸稈的降解的最佳工藝條件［5］。在已研究的幾種溶劑制漿法中，自催化乙醇法具有明顯的優(yōu)勢。如張美云等研究了龍須草自催化乙醇制漿的最佳工藝條件和反應(yīng)歷程［6］。改進(jìn)纖維提取工藝，已成為造紙、板材等領(lǐng)域迫在眉睫的問題。本實(shí)驗在結(jié)合前人工作的基礎(chǔ)上，創(chuàng)新性的提出了多級乙醇法來提取加拿大一枝黃花纖維，回收木質(zhì)素，在操作過程中，具有環(huán)保無污染，乙醇回收再利用等優(yōu)點(diǎn)，具有潛在的工業(yè)化應(yīng)用潛力。

2 材料與方法

2.1 原料

實(shí)驗用加拿大一枝黃花，于成熟季10月份采摘自臺州學(xué)院椒江校區(qū)湖邊附近，新鮮一枝黃花去除根后放入干燥箱，于60℃烘至恒重，后拿出，裁剪成30-40mm的葉片后進(jìn)行研磨，用20目的篩子篩除砂塵和粉末后，置于密閉容器中平衡水分,備用。

2.2 儀器

GY恒溫水（油）浴鍋，北京科偉永興儀器有限公司。為適應(yīng)自催化乙醇法提取纖維溫度較高、壓力較高的實(shí)驗要求，將水浴改成油浴加熱。所用油為導(dǎo)熱油，最高工作溫度可達(dá)300℃。

2.3 實(shí)驗方法

2.3.1 乙醇濃度對加拿大一枝黃花組分的影響

取原料4.0g，濃度分別為（40%，60%，80%，100%）乙醇對其進(jìn)行蒸煮處理，乙醇添加量200mL，處理時間2.0h，溫度160℃，反應(yīng)完后對其進(jìn)行抽濾，材料置入干燥箱中，60℃烘干，取一定量樣品，測定其粗纖維、半纖維素以及木質(zhì)素的變化；

2.3.2 處理溫度對加拿大一枝黃花組分的影響

取原料4.0g，用體積分?jǐn)?shù)為60%的乙醇對其進(jìn)行蒸煮處理，乙醇添加量200mL，處理時間2.0h，蒸煮溫度分別為（100℃，130℃，160℃，180℃），反應(yīng)完后對其進(jìn)行抽濾，材料置入干燥箱中，60℃烘干，取一定量樣品，測定其粗纖維、半纖維素以及木質(zhì)素的變化；

2.3.3 處理時間對加拿大一枝黃花組分的影響

取原料4.0g，用體積分?jǐn)?shù)為60%的乙醇對其進(jìn)行蒸煮處理，乙醇添加量200mL，蒸煮處理時間分別為（0.5h，1.0h，1.5h，2.0h，3.0h），溫度160℃，反應(yīng)完后對其進(jìn)行抽濾，材料置入干燥箱中，60℃烘干，取一定量樣品，測定其粗纖維、半纖維素以及木質(zhì)素的變化；

2.3.4 多級乙醇蒸煮工藝對加拿大一枝黃花組分的影響

采用多級乙醇蒸煮方式對加拿大一枝黃花進(jìn)行處理，其過程如表1所示。乙醇添加量200mL，溫度160℃，在第一階段處理完后，抽濾得到固體材料，再加入不同濃度的乙醇進(jìn)行第二階段處理，反應(yīng)完后對其進(jìn)行抽濾，材料置入干燥箱中，60℃烘干，取一定量樣品，測定其粗纖維、半纖維素以及木質(zhì)素的變化；

表1 多級乙醇蒸煮工藝Table.1 Multistage ethanol pulping process

2.4 成分測定 粗纖維、纖維素、木質(zhì)素等成分的測定，可參考文獻(xiàn)［7］。

3 結(jié)果與討論

3.1 原料分析

加拿大一枝黃花的主要化學(xué)組成見表2所示。由表2可以看出，加拿大一枝黃花的1%NaOH抽出物含量較高，因而比較容易成漿。此外，此原料的戊聚糖的含量居中，禾本科植物的半纖維素中的高聚糖主要是木聚糖，大多數(shù)是以阿拉伯糖基-4-0-甲基-葡萄糖醛酸基-木聚糖的形式存在，戊聚糖在高溫的乙醇水溶液中水解，可為體系提供酸度，使自催化制漿反應(yīng)得以進(jìn)行［8］。此外，加拿大一枝黃花最大的特點(diǎn)是木質(zhì)素含量低，遠(yuǎn)低于木材、麥草、蘆葦?shù)?。根?jù)加拿大一枝黃花化學(xué)組成上的特點(diǎn)，可以推測，它對自催化乙醇法制漿會有良好的適應(yīng)性。

表2 臺州加拿大一枝黃花的化學(xué)組成（mg/100mg加拿大一枝黃花）［3］Table.2 Chemical composition of Taizhou of Canada goldenrod（mg/100mg canadensis）

3.2 乙醇濃度對加拿大一枝黃花組分的影響

考察了不同濃度乙醇對加拿大一枝黃花各組分的影響，其結(jié)果如表3所示。表3表明，隨著乙醇濃度的升高，加拿大一枝黃花中的木質(zhì)素含量逐漸降低，木質(zhì)素脫除的更徹底。當(dāng)濃度達(dá)到60%時，此時的木質(zhì)素含量還剩10.5%，木質(zhì)素去除率達(dá)到了45.6%，當(dāng)乙醇濃度繼續(xù)增加時，其粗纖維含量開始降低，木質(zhì)素含量開始增加，其原因可能是木素在乙醇水溶液中的溶解性隨乙醇濃度的增加而增強(qiáng)，當(dāng)濃度為47.5%時，這種增加的趨勢變緩，當(dāng)濃度為70%時達(dá)到最大。

同時我們從蒸煮顏色可以看出（見圖1），當(dāng)乙醇濃度過高時，蒸煮液偏綠色，乙醇濃度太低時，變成淺褐色，從中我們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)乙醇濃度太高或者太低時，效果都不如乙醇濃度在60%的效果好，因此，在這里選擇60%乙醇濃度作為處理加拿大一枝黃花的濃度。

表3 乙醇濃度對加拿大一枝黃花組分的影響Table.3 Effects of ethanol concentration on Solidago canadensis components

圖1 不同乙醇濃度處理下蒸煮液顏色變化Fig.1 Liquid color change cooking different ethanol concentration

3.3 處理溫度對加拿大一枝黃花組分的影響

考察了不同處理溫度對加拿大一枝黃花各組分的影響，其結(jié)果如表4所示。

表4 處理溫度對加拿大一枝黃花組分的影響Table.4 Effect of temperature on Solidago canadensis components

從表4可以看出，隨著溫度的升高，加拿大一枝黃花中的木質(zhì)素含量逐漸降低，粗纖維和纖維素的含量逐漸升高。分析認(rèn)為木質(zhì)素在乙醇溶液中的溶解度對溫度的變化非常敏感，溫度越低,乙醇木質(zhì)素的溶解度越小，并且在較高溫下，乙醇木素變?yōu)楹谏钗?，不利于分離回收［10］。當(dāng)溫度達(dá)到160°C時，此時的木質(zhì)素含量還剩10.5%，粗纖維為85.5%，半纖維素為43.2%。雖然，隨著濃度的進(jìn)一步升高，纖維素以及木質(zhì)素都有變化，但是，從能耗上看，選160°C處理加拿大一枝黃花較好。

3.4 處理時間對加拿大一枝黃花組分的影響

不同處理時間對加拿大一枝黃花各組分的影響，如表5所示。從表5可以看出，隨著處理時間的不斷增加，加拿大一枝黃花中的木質(zhì)素含量逐漸降低，粗纖維和半纖維素的含量逐漸升高。當(dāng)處理時間到達(dá)1.5h時，此時的木質(zhì)素含量還剩10.5%，粗纖維為85.5%，纖維素為43.2%。雖然，隨著處理時間的進(jìn)一步增加，纖維素以及木質(zhì)素都有變化，但是，從能耗上看，選1.5h處理加拿大一枝黃花較好。

表5 乙醇處理時間對加拿大一枝黃花組分的影響Table.5 Effect of ethanol treatment time points of Solidago canadensis group

3.5 多級乙醇蒸煮工藝對加拿大一枝黃花組分的影響

多級乙醇蒸煮工藝對加拿大一枝黃花組分的影響如表6所示。乙醇處理分為兩個階段，第一階段用100%乙醇進(jìn)行處理不同時間，第二階段分別選用80%、60%以及40%乙醇處理不同時間。

表6 多級乙醇蒸煮工藝對加拿大一枝黃花組分的影響Table.6 Effect of multistage ethanol cooking process of Solidago canadensis components

從表6中可以看出，當(dāng)?shù)谝浑A段處理0.5h，后進(jìn)入第二階段進(jìn)行處理，木質(zhì)素去除率變化不大，其原因可能是，100%乙醇前期處理材料中色素等其他成分，同時能對木質(zhì)纖維素初始的晶體結(jié)構(gòu)起到一定作用，如果前期時間不夠，作用效果不明顯；而第一階段處理時間為1h，第二階段為1h時，處理效果較為明顯，尤其是第二階段在60%濃度下，木質(zhì)素去除率達(dá)到了66%；而第一階段時間為1.5h，第二階段為0.5h，木質(zhì)素去除率反而下降，可能是真正起到處理效果的時間不夠?qū)е隆Ｒ虼?，在這里選擇最佳的處理方式，160℃下，第一階段選擇100%乙醇處理1h，后選擇60%乙醇處理1h為最佳，木質(zhì)素脫除率達(dá)到了66.3%。

4 結(jié)論

本實(shí)驗考察了不同濃度、不同溫度，不同時間下，乙醇處理加拿大一枝黃花各組分的變化，從實(shí)驗中可以發(fā)現(xiàn)，蒸汽處理對纖維素提高、木質(zhì)素降低都具有效果，當(dāng)乙醇濃度為60%、處理溫度在160°C左右，處理時間為1.5h時，與其他條件相比，考慮到能耗以及處理程度等條件下，本文創(chuàng)新性的提出了多級乙醇提取加拿大一枝黃花纖維的工藝。綜上所述，加拿大一枝黃花對多級乙醇法制漿表現(xiàn)出良好的適應(yīng)性，在此工藝下，最佳蒸煮條件為：選擇溫度在160℃，第一階段用100%乙醇先行處理1h，后選擇60%乙醇處理1h為最佳，木質(zhì)素去除率達(dá)到了66.3%。在此條件下細(xì)漿得率可達(dá)33.7%，卡伯值39.8，殘余木質(zhì)素5.38%。

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［2］王貴春，侯應(yīng)霞，吳山.外來入侵植物加拿大一枝黃花的利用研究進(jìn)展［J］.安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2011，39（36）：22378-22379. ［3］李松華，薛國新，陳集雙等.加拿大一枝黃花制漿研究生物特性與化學(xué)組成［J］.中華紙業(yè)，2006，27（10）：88-91.

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Study on Solidago Canadensis Fiber Extraction by the Multi-stage Ethanol Technology

LI Li-zhen，ZHANG Hua-ting，CHEN Huan，F(xiàn)U Yong-qian*

（School of Life Sciences,Taizhou University,Taizhou 318000,China）

This study takes Taizhou Solidago Canadensis as the research object to study the changes of each component of the Solidago Canadensis under the effects of different ethanol concentration, temperature during each given period.Solidago canadensis fiber extraction by the multi-stage ethanol technology was established at inter－

Solidago canadensis;fiber;lignin;ethanol;multi-stage

10.13853/j.cnki.issn.1672-3708.2014.03.006

2014-03-27；

2014-04-23

浙江省新世紀(jì)高等教育教學(xué)改革項目（ZC2010084）；浙江省臺州市教育規(guī)劃課題（GG13019）。

簡介：付永前（1980- ），男，新疆克拉瑪依人，副教授，博士，主要研究方向：可再生資源利用。

vals.By the technique,it was most efficient that the first stage began with a treatment by ethanol prior of 100% concentration for 1h and then 60%for another 1h when the temperature was 160℃, after which the lignin removal rate reached 66.3%.Results showed that this technology could provide the theoretical foundation and direction for the lignocellulose recycling.