玉米秆半纤维素的碱法提取与表征

程合丽 詹怀宇 李兵云 付时雨

（华南理工大学制浆造纸工程国家重点实验室，广东广州，510640）

半纤维素是木质纤维类生物质的主要组分之一，是由几种不同类型单糖（主要有木糖、阿拉伯糖、半乳糖、葡萄糖、甘露糖等）组成的一类多糖复合物的总称，目前在自然界中含量仅次于纤维素。半纤维素用途广泛，不仅可以作为食品添加剂、胶黏剂、增稠剂、乳化剂、胶凝剂、吸附剂等，在造纸过程中添加半纤维素还可以改善纸张的物理性能［1］。多项研究表明，半纤维素可以应用在生物医药领域。如此广阔的应用前景使半纤维素成为近年来研究的热点。对于我国这样一个资源相对匮乏的国家，将半纤维素高值化利用对保证可持续发展有着重大意义。

半纤维素主要从木质纤维类原料中分离得到，分离半纤维素的方法多种多样，如稀酸水解、酶解、蒸汽爆破、碱液提取、热水提取等。这些方法各有利弊，酶法水解具有高度的专一性、副产物少、在常温常压下进行、设备工艺简单，但由于酶制剂成本较高，限制了它的应用；而蒸汽爆破对木质纤维原料的结构破坏较大，不利于提取半纤维素之后原料的进一步利用；稀酸水解和热水提取成本低，而且对原料结构的破坏较少，因此成为近年来研究较多的提取方法，然而这两种方法所需反应温度较高，且水解产物主要是寡糖，不利于进一步改性为高附加值的产品，另外，水解过程中还会产生糠醛类对糖类的后续发酵产乙醇不利的物质。如何较多地获取糖分并抑制糠醛类物质的产生是至今仍未解决的问题。碱法提取所得糖类组分降解较少，聚合度相对较高，有利于对其进一步改性，而且碱法提取半纤维素成本不高，具备产业化的可能性。

玉米在我国种植面积很广，每年都会有大量的玉米秆作为农业副产物产生。目前，这些玉米秆大多不是直接被燃烧获取热能，就是被用作动物的饲料，没有得到充分利用。玉米秆中半纤维素含量丰富，如能将其中的半纤维素预先提取出来加以高值化利用，剩余原料用于制浆造纸或进一步水解获取其他化工产品，便可使木质纤维原料的三大组分都得到充分利用。对某种物质进行改性要以充分了解其结构和性质为前提，为此，本实验以玉米秆为原料，利用KOH溶液提取出其中的半纤维素，并对其结构进行了分析与表征。

1 实验

1.1 原料

除髓后的玉米秆取自山东，切成2cm×6cm，用清水冲洗2次以去除灰尘等杂质，风干后贮存于聚乙烯袋中备用。玉米秆的主要化学组成如下：聚葡萄糖50.7％，聚木糖18.1％，聚阿拉伯聚糖2.2％，Klason木素15.5％，酸溶木素1.4％，苯-醇抽出物7.4％，灰分3.8％。

1.2 实验方法

1.2.1 半纤维素的提取

在15LZQS1型电热回转蒸煮器中进行半纤维素的提取。提取条件如下：300g绝干原料，液比4∶1，提取液KOH的质量浓度为80g/L，提取时间2h，提取温度75℃。提取之后收集提取液，将提取液分成两部分，一部分贮存于4℃冰箱中，用于水解测定糖分，另一部分用4倍体积的乙醇-乙酸混合物（体积比9∶1）沉淀，再用乙醇水（体积比9∶1）混合物洗涤3次，离心沉淀，冷冻干燥得到灰白色粉末状半纤维素。

1.2.2 半纤维素提取液中糖分的检测

半纤维素提取液中的糖类组分及含量利用戴安离子色谱仪（CarboPACTM PA20阴离子交换柱，EC检测器）测定。取适量半纤维素提取液，将pH值调至中性，利用硫酸在121℃水解1h，保证水解液中的硫酸质量分数为4％［2］。冷却之后用去离子水稀释至一定浓度，用0.22μm微孔滤膜过滤后进自动进样系统。

1.2.3 半纤维素得率的计算

聚木糖和聚阿拉伯糖是玉米秆半纤维素的两种最主要成分，因此以原料中含有聚木糖和聚阿拉伯糖的质量总和作为原料中含有的半纤维素的质量，半纤维素提取液中各糖得率按下式计算（以木糖为例）：

式中，Y为木糖的得率；C为提取液中木糖的浓度；LSR为液固比，本次实验中LSR为4∶1；m为原料中聚木糖和聚阿拉伯糖的含量；132/150为木糖与聚木糖之间的化学计量数。

1.2.4 半纤维素的表征

（1）红外光谱

半纤维素红外光谱分析在德国Bruker公司产的Vector33红外光谱仪上利用KBr压片法进行表征。

（2）核磁共振

半纤维素的1H-NMR和13C-NMR在室温下利用Bruck-DRX 400 NMR进行分析。对于1H-NMR和13CNMR分别取5mg和120mg样品，溶于D2O和NaOD（1mL D2O加0.1mL NaOD）的混合溶液。

（3）凝胶渗透色谱

利用凝胶渗透色谱对半纤维素样品的分子质量进行测定。色谱仪及测定条件如下：Waters HPLC（Waters 717 plus自动进样器，Waters 2414示差折光（RI）检测器，Waters 1525 Binary HPLC Pump），采用TSK gel G-5000PWxl与TSK gel G-3000PWxl凝胶色谱柱串联，柱温35℃。

流动相是pH值6.0、浓度为0.02mol/L的KH2PO4缓冲溶液，流速0.6mL/min。测试前用流动相将样品配制成质量浓度为1.0～2.0g/L的溶液，并用0.45μm的滤膜过滤。

（4）热重分析

在美国Q500热重分析仪上进行半纤维素样品的热重分析，升温速率10℃/min，最高温度650℃。

2 结果与讨论

2.1 半纤维素的溶出率

表1列出了KOH溶液提取玉米秆半纤维素的得率。从表1可以看出，KOH溶液是提取玉米秆半纤维素的极好溶剂。利用80g/L KOH溶液在75℃下保温2h，总糖得率接近95％。聚木糖是提取液中的主要糖分，得率超过75％。实验条件下没有检测到甘露糖，说明玉米秆半纤维素中甘露糖含量甚微。

表1 碱法提取半纤维素得率 ％

图1 半纤维素红外光谱图

2.2 红外光谱分析

半纤维素的红外光谱如图1所示。3408cm-1处较强的吸收峰代表O—H的伸缩振动，由于半纤维素亲水性很强，尤其是在固态下，故此处的强峰是由于样品含水引起的［3］。2926cm-1处的吸收峰代表CH2的伸缩振动，而CO伸缩振动引起1604cm-1处的吸收峰表明了样品中糖醛酸的存在［4］。半纤维素与纤维素和木素之间连接复杂，目前还没有一种方法能将半纤维素完全分离而不含其他杂质，故在1510、1328和1215cm-1处的吸收峰是由于样品中含有少量的木素。孙润仓等认为，1510cm-1处的吸收峰是木素芳环振动引起的，而1328和1215cm-1处的吸收峰则分别是紫丁香基和愈创木基C—O伸缩振动引起的［5］。1170～1000cm-1之间的谱带是聚木糖的典型吸收带。1043cm-1处非常显著的吸收峰是半纤维素的特征吸收峰，是C—O、C—C的伸缩振动或是C—OH的弯曲振动［6］。897cm-1处是糖单元之间的β-糖苷键的吸收峰，—CH2的弯曲振动在1464cm-1出现吸收峰，而1421cm-1处的吸收峰则是羧酸盐的对称伸缩振动［4］。

2.3 核磁共振光谱

为进一步研究半纤维素的结构，对其进行了1H-NMR和13C-NMR核磁共振分析，结果如图2和图3所示。

图2是半纤维素1H-NMR谱图，化学位移δ在3.1～4.5之间的共振峰由半纤维素木糖单元上的质子所产生，乙酰基上的甲基质子在δ为1.8处产生较弱的信号峰。δ为5.1处的共振峰是由α-D-呋喃阿拉伯糖基的端基质子产生的，而δ为4.7处的强峰则是由溶剂产生的［7］。

图3是半纤维素的13C-NMR谱图。从图3可以看出，玉米秆半纤维素主要成分是聚阿拉伯糖木糖。如图3所示，在δ为102.6、76.1、75.2、73.6及63.5处的5个强的信号峰归因于（1→4）连接的β-D-吡喃木糖单元上的C1、C4、C3、C2、C5，δ为109.6、86.5、80.7、78.5和62.0处的信号峰则是α-L-呋喃阿拉伯糖残基上的C1、C4、C2、C3和C5所产生［7］。葡萄糖醛酸残基上的4-O-甲基基团在δ为59.5处产生1个信号峰，在δ为177.1处有1个较弱的信号峰，可能是由对香豆酸和酯的羰基共振所产生，但信号强度非常弱，说明半纤维素中酚酸的含量非常少。根据文献报道，取代的酚酸是通过羧基基团与α-L-呋喃阿拉伯糖残基上C5羟基连接［8-9］。

2.4 分子质量

分离方法不同，半纤维素的分子质量差别很大，另外，测定方法对测定结果也有影响。玉米秆半纤维素分子质量的测定结果如表2所示。由表2可知，在实验条件下得到的半纤维素（1#样品）的质均相对分子质量Mw可达53431，多分散系数（Mw/Mn）为1.07，说明所得半纤维素的分子质量分布范围很窄，纯化过程中一些小分子低聚糖被去除。

表2 半纤维素的Mw、Mn及多分散系数Mw/Mn

2#样品在提取半纤维素之前，用植物粉碎机进行了粉碎处理，取40～60目的原料脱木素之后再用KOH提取半纤维素，在此条件下得到的半纤维素的质均相对分子质量为24736，比1#样品低很多，而多分散系数达到2.02，说明磨粉及脱木素的过程对半纤维素聚合度影响很大，使其发生了降解。

2.5 热重分析

图4 半纤维素的TGA曲线

半纤维素的热重曲线（TG）及相对应的微分曲线（DTG）见图4。在40～650℃范围内研究了半纤维素的质量损失随温度变化的关系。如图4所示，初始阶段，半纤维素质量的减少主要是水分蒸发造成的。半纤维素的主要失重温度在190～350℃之间，是由于半纤维素大分子的脱羧、脱水及氧化分解造成的。半纤维素主要由各种糖分组成，如木糖、阿拉伯糖、半乳糖、葡萄糖等，分枝多，呈无定形结构，因此，其分解温度相比纤维素和木素要低得多。当温度达到650℃时，仍有20％的样品没有被分解。半纤维素结构复杂，目前没有一种方法能够得到完全不含杂质的样品。未分解的部分可能是由于样品中含有少量木素，也有可能是其中的盐类造成的。由DTG曲线看出，在267℃时失重速率最大，为0.89％/℃［10］。

3 结论

KOH溶液对提取玉米秆半纤维素非常有效，当溶液中KOH质量浓度为80g/L，在75℃保温2h，可以溶解出近95％的半纤维素，其中聚木糖占75.6％，所得半纤维素的质均相对分子质量为53431，多分散系数为1.07。

玉米秆半纤维素是由（1→4）-β-D吡喃木糖为主链的聚阿拉伯糖木糖，在主链的C2和C3位上分别连有α-L阿拉伯糖基和α-D葡萄糖醛酸基。半纤维素的热分解温度在190～350℃之间，267℃时达到最大失重速率，为0.89％/℃。

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