玉米秸稈中半纖維素的堿法提取

肖 本 勝， 劉 冉， 李 海 明

(大連工業(yè)大學(xué) 遼寧省生物質(zhì)化學(xué)與材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 遼寧 大連 116034)

0 引 言

我國(guó)每年的玉米秸稈產(chǎn)量在2.5億t左右，占農(nóng)作物秸稈總量的40%[1]。利用儲(chǔ)量大的玉米秸稈原料，優(yōu)化半纖維素提取工藝，可為實(shí)現(xiàn)半纖維素工業(yè)化生產(chǎn)提供理論依據(jù)。半纖維素是親水性大分子糖類物質(zhì)，易溶于水和堿液，可作為高附加值衍生產(chǎn)品的原料[2]。農(nóng)業(yè)秸稈直接提取一般采用水熱法和堿液熱溶法。水熱法簡(jiǎn)單經(jīng)濟(jì)，但是提取率偏低，且水解后的產(chǎn)物多為單糖；而堿液可以斷裂纖維素與半纖維素間的氫鍵，破壞半纖維素與木素間的酯鍵，可在不過(guò)度破壞半纖維素完整鏈形的前提下達(dá)到溶解半纖維素的目的[3-4]。堿法預(yù)處理方法在半纖維素的制備領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，通常用的堿性溶液有氫氧化鉀、氫氧化鈉、氫氧化鈣、氫氧化鋇、液氨等，綜合比較，氫氧化鉀、氫氧化鈉是最理想的堿性溶液[5]。堿法提取玉米秸稈中半纖維素的研究大多是采用氫氧化鈉堿液[6]。De Matto等[7]采用20～180 g/L氫氧化鈉在室溫下提取玉米纖維5 h，阿拉伯木聚糖提取率為4.0%～23.9%。劉長(zhǎng)水[8]運(yùn)用氫氧化鈉堿液在75 ℃、堿質(zhì)量濃度100 g/L、液比1∶20、反應(yīng)時(shí)間3 h的提取條件下，提取半纖維素的質(zhì)均相對(duì)分子質(zhì)量與數(shù)均相對(duì)分子質(zhì)量比為1.22，所得半纖維素的分子質(zhì)量分布范圍很窄，產(chǎn)物較均勻。氫氧化鉀和氫氧化鈉相比，在質(zhì)量分?jǐn)?shù)相同的條件下，氫氧化鈉提取率偏高一些，而氫氧化鉀提取得到的半纖維素純度更高[9-10]。氫氧化鉀堿液提取玉米秸稈中的半纖維素值得深入研究。本實(shí)驗(yàn)優(yōu)化了氫氧化鉀堿液提取玉米秸稈中半纖維素的工藝，以期為玉米秸稈的綜合利用提供依據(jù)和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 材料和儀器

1.1.1 材 料

玉米秸稈，取自大連郊區(qū)農(nóng)村田地，鍘成2～3 cm小段。秸稈經(jīng)自然風(fēng)干，沿秸稈縱向剖切為5 mm 厚的薄片以備半纖維素提取使用。將一部分原料進(jìn)行髓、皮分離，并分別用微型植物粉碎機(jī)粉碎，取40～60目的秸皮粉末50 g左右封于一自封袋，用以原料分析。取過(guò)40目的秸髓粉末50 g左右封于一自封袋，用以原料分析。

1.1.2 儀 器

實(shí)驗(yàn)所需主要儀器設(shè)備：R502B型旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀，SCIENTZ-10N型冷凍干燥機(jī)，MB25型快速水分測(cè)定儀，Cary300型紫外分光光度計(jì)，F(xiàn)rontier FT-IR紅外光譜儀，ZKYY-5L型智能油浴加熱器，ICS-5000型離子色譜儀，DZF-6050型真空干燥箱，H1850型高速離心機(jī)。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 原料分析

對(duì)玉米秸稈的髓、皮分別進(jìn)行原料分析，按照GB/T 2677.2—1993測(cè)定水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)，按照GB/T 742—2008測(cè)定灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)，按照GB/T 2677.7—1981測(cè)定苯醇抽出物質(zhì)量分?jǐn)?shù)，按照GB/T 2677.10—1995測(cè)定綜纖維素質(zhì)量分?jǐn)?shù)，按照GB/T 10337—2008測(cè)定酸溶木素質(zhì)量分?jǐn)?shù)，按照GB/T 2677.8—1994測(cè)定Klason木素質(zhì)量分?jǐn)?shù)。原料分析時(shí)備料按照GB/T 2677.1—1993操作。

原料依次經(jīng)過(guò)濃硫酸和稀硫酸酸解一定時(shí)間后，利用離子ICS-5000色譜儀進(jìn)行6種單糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)分析。取0.100 0 g絕干量的原料于一具塞錐形瓶中，用移液管準(zhǔn)確量取1.5 mL 72%H2SO4加入錐形瓶中，輕輕搖晃使原料與硫酸溶液接觸均勻，將錐形瓶置于恒溫水浴鍋中，溫度18 ℃，時(shí)間2 h。期間經(jīng)常搖晃瓶體使固液相接觸均勻。2 h后將原料和所有酸液轉(zhuǎn)入具有聚四氟乙烯內(nèi)膽的高溫反應(yīng)釜中，加入42 mL去離子水，使水解液中的硫酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%，置于121 ℃高壓滅菌鍋中保溫1 h。1 h后取出、冷卻、過(guò)濾，保留濾液，取一部分濾液稀釋至一定倍數(shù)，再將稀釋后酸解液經(jīng)過(guò)0.45 μm濾膜(水系)過(guò)濾后裝入石英檢測(cè)瓶?jī)?nèi)，以備糖分分析使用。

離子色譜分析條件：分析柱為CarboPacTMP20，150 mm×3 mm；保護(hù)柱為CarboPacTMP20，30 mm×3 mm；柱溫30 ℃；ED5000電化學(xué)檢測(cè)器：Au工作電極，Ag對(duì)電極，Ag/AgCl參比電極，糖標(biāo)準(zhǔn)四電位波形，淋洗液為NaOH與CH3COONa混合液，體積流量0.5 mL/min[11-13]。單糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)按照式(1)計(jì)算。

w=[Vρns/(s0m×1 000)]×100%

(1)

式中：w為單糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；V為水解液的體積，mL；ρ為標(biāo)糖質(zhì)量濃度，為0.01 g/L；n為稀釋倍數(shù)；s為色譜儀檢測(cè)樣品得到的峰面積，nC·min；s0為色譜儀檢測(cè)標(biāo)糖樣品得到的峰面積，nC·min；m為絕干原料質(zhì)量，g。

1.2.2 半纖維素提取工藝優(yōu)化

玉米秸稈全桿提取，原料按“1.1.1”方法準(zhǔn)備料片。優(yōu)化實(shí)驗(yàn)按照液比(1∶6、1∶8、1∶10、1∶12、1∶14、1∶16、1∶18、1∶20)，堿液質(zhì)量濃度(50、60、70、80、90 g/L)，保溫溫度(60、70、80、90、100 ℃)和保溫時(shí)間(80、100、120、140、160 min)依次設(shè)置變量，進(jìn)行單因素控制變量法實(shí)驗(yàn)。料片平衡水分24 h后測(cè)定水分；按照測(cè)定水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)結(jié)果稱取20 g絕干量的原料裝入反應(yīng)釜中；按照一定的液比(氫氧化鉀溶液體積對(duì)絕干原料)準(zhǔn)確量取一定質(zhì)量濃度的新配KOH溶液倒入反應(yīng)釜；將密封好的反應(yīng)釜裝入旋轉(zhuǎn)蒸煮鍋內(nèi)，裝鍋完畢后開始加熱，到預(yù)設(shè)溫度后開始計(jì)時(shí)，在該溫度下保溫一定時(shí)間后開鍋冷卻，用濾紙加濾布過(guò)濾，保留濾液。比較不同條件下所得半纖維素的得率確定最佳提取工藝。

1.2.3 半纖維素的分離提純

將所得半纖維素提取液在室溫下滴加適量冰乙酸，調(diào)節(jié)提取液pH至5.5[11]，離心分離，收集液相，將液相于旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器上濃縮至小于40 mL。蒸發(fā)條件為35 ℃水浴，真空度0.08 MPa。迅速將濃縮液全部轉(zhuǎn)移至大燒杯中，用少量去離子水潤(rùn)洗蒸發(fā)瓶，將洗滌液也轉(zhuǎn)移到大燒杯中，補(bǔ)水使溶液總體積為50 mL。分3次加入無(wú)水乙醇，第1次加50 mL，第2次加150 mL，第3次加250 mL，靜置24 h后使用0.2 μm的有機(jī)系濾膜過(guò)濾，濾膜和固相轉(zhuǎn)移至稱量瓶，用保鮮膜封蓋并扎些小孔，置于冰箱冷凍6 h后轉(zhuǎn)移至冷凍干燥機(jī)干燥24 h，所得粉末即為半纖維素。

1.2.4 玉米秸稈半纖維素的表征

在最佳工藝條件下所得半纖維素的樣品壓片，KBr對(duì)樣品的質(zhì)量比為50∶1，通過(guò)傅立葉紅外光譜儀檢測(cè)分析。

1.2.5 半纖維素得率的計(jì)算

半纖維素得率按式(2)計(jì)算。

Y=m1/m×100%

(2)

式中：Y為半纖維素得率，%；m1為干燥后半纖維素的質(zhì)量，g；m為絕干原料質(zhì)量，g。

2 結(jié)果與討論

2.1 玉米秸稈原料分析

由表1可看出玉米秸皮與玉米秸髓中苯醇抽出物質(zhì)量分?jǐn)?shù)基本相當(dāng)。無(wú)論是玉米秸皮還是玉米秸髓，其主要糖分均是葡聚糖和木聚糖。其中，葡萄糖主要來(lái)自纖維素降解，木糖、阿拉伯糖、半乳糖、甘露糖和果糖僅來(lái)自半纖維組分的降解，而木糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)又遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于除葡萄糖以外的糖分質(zhì)量分?jǐn)?shù)。通常以秸皮中木糖和葡萄糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)用來(lái)分別代表秸皮中半纖維素和纖維素質(zhì)量分?jǐn)?shù)，分別為22.16%、36.94%。秸髓中半纖維素和纖維素質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為17.39%、31.96%。因此可認(rèn)為秸皮中半纖維素質(zhì)量分?jǐn)?shù)和纖維素質(zhì)量分?jǐn)?shù)均高于秸髓。

表1 玉米秸皮、秸髓組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)及糖分質(zhì)量分?jǐn)?shù)

2.2 玉米秸稈半纖維素的提取

2.2.1 液比對(duì)半纖維素得率的影響

對(duì)于全桿提取實(shí)驗(yàn)，由于秸皮和秸髓的密度相差較大，蒸煮時(shí)固相與液相的接觸情況存在差別，所以液比因素對(duì)結(jié)果影響很大。液比對(duì)半纖維素得率的影響如圖1所示。其他實(shí)驗(yàn)條件：保溫溫度80 ℃，堿液質(zhì)量濃度60 g/L，保溫時(shí)間120 min。由圖1可見，當(dāng)液比為1∶6時(shí)，由于液比過(guò)小，體系中的原料不能充分吸水潤(rùn)脹，聚糖分子不能與堿液充分接觸并溶出，半纖維素得率最低，僅為11.69%。液比增大，原料中纖維細(xì)胞腔經(jīng)潤(rùn)脹逐漸擴(kuò)大，提取堿液開始接觸到更多的聚糖分子，當(dāng)液比提升到1∶12時(shí)，半纖維素得率達(dá)到最高，為21.52%。繼續(xù)增大液比，提取堿液中OH-數(shù)量增加更多，此時(shí)降解為單糖的半纖維素量多于半纖維素的溶出量，得率開始下降，不利于生產(chǎn)半纖維素。另外，液比過(guò)大會(huì)直接致使生產(chǎn)時(shí)反應(yīng)器體積過(guò)大，于生產(chǎn)不利。因此，最佳液比條件確定為1∶12。

圖1 液比對(duì)半纖維素得率的影響

2.2.2 堿液質(zhì)量濃度對(duì)半纖維素得率的影響

堿液質(zhì)量濃度對(duì)半纖維素得率的影響主要表現(xiàn)在提取液OH-質(zhì)量濃度對(duì)半纖維素與半纖維素、木質(zhì)素間連接鍵的破壞影響。堿液質(zhì)量濃度對(duì)半纖維素得率的影響如圖2所示。其他實(shí)驗(yàn)條件：液比1∶12、保溫溫度80 ℃、保溫時(shí)間120 min。由圖2可見，堿液質(zhì)量濃度為60 g/L時(shí)，堿量充足，半纖維素得率最高，達(dá)21.52%；但當(dāng)堿液質(zhì)量濃度增大至70 g/L時(shí)，半纖維素在堿性溶液中堿性剝皮反應(yīng)加劇，半纖維素的降解量大于半纖維素的溶出量，導(dǎo)致得率降低；繼續(xù)增大堿液質(zhì)量濃度，半纖維素的降解量與半纖維素的溶出量趨于平衡。堿液質(zhì)量濃度過(guò)高，對(duì)設(shè)備不利，且增加提取成本，所以最佳堿液質(zhì)量濃度條件應(yīng)選擇60 g/L。

圖2 堿液質(zhì)量濃度對(duì)半纖維素得率的影響

2.2.3 保溫溫度對(duì)半纖維素得率的影響

半纖維素在較低溫度下提取，可降低工業(yè)化生產(chǎn)成本。保溫溫度對(duì)半纖維素得率的影響如圖3所示。其他實(shí)驗(yàn)條件：液比1∶12、堿液質(zhì)量濃度60 g/L、保溫時(shí)間120 min。如圖3所示，保溫溫度對(duì)半纖維素的結(jié)構(gòu)影響很大。當(dāng)保溫溫度超過(guò)80 ℃時(shí)，半纖維素網(wǎng)狀高分子結(jié)構(gòu)受到進(jìn)一步破壞，剝皮反應(yīng)加劇，半纖維素降解速率變快，雖然投入更多的能耗，造成更多的設(shè)備損耗，其得率卻逐漸降低，不利于生產(chǎn)半纖維素。因此，最佳保溫溫度選用80 ℃。

圖3 保溫溫度對(duì)半纖維素得率的影響

2.2.4 保溫時(shí)間對(duì)半纖維素得率的影響

保溫時(shí)間的長(zhǎng)短決定堿液與物料中半纖維素的接觸程度。保溫時(shí)間對(duì)半纖維素得率的影響如圖4所示。其他實(shí)驗(yàn)條件：溫度80 ℃、堿液質(zhì)量濃度60 g/L、液比1∶12。在相同的保溫溫度下，反應(yīng)釜內(nèi)部幾乎不存在壓力差別，所以保溫時(shí)間的改變也就形成了不同時(shí)長(zhǎng)的擴(kuò)散浸透作用[14]。由圖4可知，適當(dāng)延長(zhǎng)保溫時(shí)間，為半纖維素更多溶出提供機(jī)會(huì)，得率可顯著提升；過(guò)度延長(zhǎng)保溫時(shí)間，由于半纖維素降解量多于其溶出量，半纖維素得率下降。因此，確定最佳保溫時(shí)間為120 min。

圖4 保溫時(shí)間對(duì)半纖維素得率的影響

2.3 玉米秸稈半纖維素的表征

紅外光譜分析是研究有機(jī)物分子結(jié)構(gòu)和官能團(tuán)的重要輔助手段。分離純化得到的半纖維素粉末經(jīng)傅立葉紅外光譜儀分析，結(jié)果如圖5和表2所示。

表2 半纖維素產(chǎn)品紅外光譜譜圖分析

圖5 半纖維素FT-IR譜圖

由表2中的所屬官能團(tuán)判斷，分離純化所得半纖維素產(chǎn)品比較符合Fisher等[17]提出的木聚糖模型，木聚糖側(cè)鏈沒有乙酰基團(tuán)，含有部分阿拉伯糖基以及糖醛酸基團(tuán)，主要以木糖基為主。

3 結(jié) 論

玉米秸皮、秸髓中均含有豐富的半纖維素，其聚木糖半纖維素質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為22.16%和17.39%，宜采用玉米秸稈全桿提取半纖維素。

利用KOH成功提取了玉米秸稈半纖維素，經(jīng)單因素實(shí)驗(yàn)優(yōu)化得到提取玉米秸全稈半纖維素的最佳工藝為液比1∶12、KOH 60 g/L、保溫溫度80 ℃、保溫時(shí)間120 min。在最佳工藝條件下半纖維素的得率達(dá)到21.52%。

分離純化所得半纖維素產(chǎn)品的紅外光譜與Travis Fisher等提出的聚木糖模型結(jié)構(gòu)接近。該堿法工藝得到的木聚糖純度高，為下游生產(chǎn)功能性低聚糖提供了原料來(lái)源。