速生杨半纤维素碱法提取工艺的优化和表征

陈清清，江华*，张洋，葛建红

(1．南京林业大学化学工程学院，江苏 南京 210037;2．南京林业大学木材工业学院，江苏 南京 210037)

近年来，随着不可再生的化石资源的日益减少，可再生资源的开发和利用也日益被重视。半纤维素是植物纤维原料中的一类碳水化合物，它是地球上最丰富、最廉价的可再生资源之一，仅次于纤维素。半纤维素的开发和利用越来越引起人们的兴趣。人们已经发现半纤维素或改性半纤维素在食品、材料、医药、能源、化工产品等领域具有广阔的应用前景［1－2］。目前，主要的研究集中于多步提取过程对半纤维素的组成、结构、理化性质的影响，这些提取过程对研究半纤维素的化学结构有一定的研究价值，但是难以实现工业化应用。另外，外加场(超声波、微波等)强化半纤维素的提取也是目前的研究热点，然而，外加场通常会降低提取得到的半纤维素的分子量［3］。本研究中，首先将外加场(超声波)用于原料的乙醇－碱脱木质素过程，然后采用传统的碱法提取半纤维素，以便获得高聚合度的半纤维素组分，半纤维素提取得率最大化。

杨树生长周期短，是优良的人工速生用材林树种，我国林业科技人员对杨树生长以及利用的研究由来已久，并取得很大的成绩，因地制宜大面积种植杨树，不仅能发挥森林生态效应，而且作为一种产业在经济方面产生效益。江苏地区，杨树的栽种面积达30 400 hm2。其中成熟林的面积达1 200 hm2。杨树速生丰产林轮伐期确定为8～10年。黄河中下游及长江中下游地区可供420．8万m3木材。作为一种富含木糖基的速生材树种，杨木及其加工剩余物已成为半纤维素提取的潜在原料［4］。本文作者采用正交试验设计方法，以速生杨加工剩余物为原料，优化了半纤维素的碱法提取工艺并初步研究了半纤维素的结构。

1 实验

1．1 原料

苏北木材加工厂杂交速生杨(5年生)加工剩余物(边材、刨花、锯末)，经风干、粉碎、筛选出0．2～0．8 mm木粉贮存备用。杨木的主要化学组成如下:纤维素37．83%;半纤维素19．87%;Klason木质素23．58%;酸溶木质素 3．16%;苯－醇抽出物 4．5%;灰分 0．48%;水分 9．50%。

1．2 原料预处理及半纤维素的提取

1．2．1 原料预处理 在50℃ 下，用甲苯与乙醇体积比2∶1混合液抽提杨木粉原料6 h，固液比1∶10，以便去除原料中酯类物质，之后，固相于45℃ 干燥16 h，得脱脂杨木粉，备用。

在75℃下，用含1%NaOH的70%乙醇溶液在超声波条件下部分脱除脱脂杨木粉中的木质素，固液比1∶20，超声波功率400 W，时间3 h(超声波处理4 s，停止2 s)，然后过滤去除液相，用蒸馏水洗涤固相至中性，于45℃ 干燥16 h，得碱脱木质素杨木粉。

1．2．2 半纤维素的提取 在固液比为1∶20条件下，用不同质量分数的NaOH溶液抽提碱脱木质素杨木粉。抽提完毕，过滤，并用6 mol/L的HCl溶液调节滤液的pH值至5．5，然后加入3倍于滤液体积的95% 乙醇溶液，室温下静置16 h。在21 000 r/min下离心，用70% 乙醇溶液洗涤沉淀。用去离子水洗涤过滤所得固体至中性，冷冻干燥所得固体即为所提取的半纤维素组分。

1．3 正交试验设计

采用正交试验设计表L16(45)用于优化1．2．2节碱抽提半纤维素的工艺，每个条件做2组平行实验，取平均值。

1．4 分析方法

1．4．1 化学组成分析［5－7］两步水解法水解杨木粉原料、4% 的稀硫酸水解提取所得半纤维素组分，然后用HPLC测定相应的糖组分:1)称取(300．0±10．0)mg杨木粉原料置于干燥皿中，加入(3．00±0.01)mL 72% 硫酸，充分润湿混匀。2)将干燥皿置于(30±3)℃水浴中振荡反应(60±5)min，振荡须保证所有固体颗粒浸润于硫酸溶液中，完全水解。3)水解完成后，从水浴槽中取出干燥皿。加入(84±0．04)g纯水，将硫酸稀释至4%。4)将样品置于高压灭菌器中，温度设置为121℃，时间60 min。反应结束后，冷却至室温。5)用已准备好的磨成粉状脱水Ba(OH)2，中和样品pH至5～6。离心后，取上清液作HPLC分析用，计算出原料中葡聚糖，木聚糖含量。以葡聚糖和木聚糖含量分别表示固体原料中纤维素和半纤维素含量。6)蒸馏水洗涤残渣，后将残渣在105℃ 下干燥至质量恒定并称质量，将其作为酸不溶木质素;取一定量的水解上清液用分光光度法在205 nm处测定其吸光度AOD，然后按下式计算相应的酸溶木质素。

1．4．2 半纤维素提取率的计算 半纤维素的质量为高效液相色谱测出的木糖、甘露糖、阿拉伯糖等半纤维素糖组分以及比色法测出的糖醛酸的质量之和;半纤维素提取率率定义为提取所得纤维素组分中半纤维素质量与原料中半纤维素质量之比。

1．4．3 红外光谱、核磁共振表征 参照文献［8］进行。

2 结果与讨论

2．1 正交试验结果分析

在1．2．2节实验方法的条件下，进行正交试验。提取温度、提取时间、NaOH溶液质量分数3个因素的4个水平对半纤维素提取得率的影响如表1所示。从试验1～16的结果直观分析看出，半纤维素提取率最高为81．92%。极差R值越大说明此因素对半纤维素提取率的影响越大，NaOH质量分数的极差最大，达到21．97。这表明，在NaOH溶液抽提半纤维素的过程中，NaOH质量分数对半纤维素提取率的影响最为显著;抽提时间的影响最小，极差仅为6．99;而抽提温度的影响介于它们之间。当NaOH质量分数较低时，木聚糖在溶液中无法完全溶解，从而导致提取得率降低;当NaOH质量分数过高时，木聚糖可能发生降解反应，从而导致提取得率降低［9］。表1的结果表明:碱法抽提速生杨木粉时半纤维素提取率的最佳工艺条件是A4B4C3，即:提取温度90℃，提取时间12 h，NaOH质量分数8%。在该最佳条件下的重复试验，半纤维素提取率为87．20%。

表1 正交试验设计和结果分析Table 1 Orthogonal experiments design and result analysis

2．2 半纤维素组成

在最佳提取条件(A4B4C3)下得到的半纤维素组成为:葡萄糖0．83%，木糖81．16%，半乳糖0．55%，阿拉伯糖0．27%，甘露糖 2．87%，葡萄糖醛酸 4．60%，酸溶木质素 3．49%，酸不溶木质素0．99%。结果表明，提取所得到的半纤维素组分中，木糖含量最高，达到81．16%，与参考文献［10］报道基本一致。其次是葡萄糖醛酸为4．60%，木糖和葡萄糖醛酸基物质的量之比约为22．83∶1，该比例类似于桦木半纤维素的糖基比［11］。

根据样品的红外图谱(见图1)可知，样品中含有一定量的甲基。因此，该半纤维素组分可能为4－O－甲基葡萄糖醛酸基－木聚糖以及少量的L－阿拉伯糖基－(4－O－甲基－D－葡萄糖醛酸基)－D－木聚糖。另外，抽提所得半纤维素中含有少量甘露糖、葡萄糖和半乳糖，它们的含量分别为2．87%、0．83% 和0．55%，对应的糖基比为3．46∶1∶0．66，其结构可能是葡萄糖基甘露聚糖以及少量的半乳糖基葡萄糖基甘露聚糖，糖基比与文献［12］报道基本一致。这些结果说明，速生杨中提取得到的半纤维素主要包括两类半纤维素组分:4－O－甲基葡萄糖醛酸基－木聚糖为主要的半纤维素组分，占半纤维素的86%，而葡萄糖基甘露聚糖仅含4%。β－D－吡喃木聚糖为阔叶木主要半纤维素组分;而葡萄糖基甘露聚糖一般含量较低，占3%～5%［12］。因此，速生杨半纤维素的组成特点基本与一般阔叶木半纤维素的组成相一致。

2．3 红外光谱分析

采用傅里叶红外光谱进一步验证半纤维素的结构。图1为最佳条件下得到的半纤维素的红外图谱。半纤维素的主要特征官能团是糖苷键。3420 cm－1处较强的吸收峰代表O—H的伸缩振动［9］。2922 cm－1处的吸收峰代表了甲基或亚甲基中C—H的伸缩振动［13］，根据样品的性质，可认为该半纤维素存在甲基。在1506 cm－1处的吸收峰是由于样品中含有少量的木质素，由于半纤维素与纤维素以及木质素之间的连接非常复杂，目前还没有一种方法能将半纤维素完全分离得到不含其他杂质的半纤维素。据文献报导，1318 cm－1处的吸收峰则是紫丁香基C—O 伸缩振动引起的［14］。1044 cm－1处的吸收峰是C—O、C—C的伸缩振动或是C—OH的弯曲振动引起的［15］。896 cm－1处的小尖峰是糖单元之间的β－糖苷键的吸收峰，—CH2的弯曲振动在1465、1419 cm－1出现吸收峰［13］。1387、1248 cm－1处分别是 O—H 和 C—C 的伸缩振动。在987 cm－1处的低强度吸收峰主要是木糖残基C－3上的阿拉伯糖取代基，阿拉伯木聚糖的特征取代基。1627 cm－1处的信号峰主要是由于吸收了水分引起的，木聚糖有很强的吸水性。1732 cm－1处的尖峰，归属于乙酰基中＝CO振动吸收峰，尽管阔叶木中半纤维素通常都是乙酰化的，但是由NaOH溶液作用，大部分乙酰基已经被去除。所以，该峰表明该半纤维素样品中含微量的乙酰基。

图1 半纤维素的红外光谱图Fig．1 The FT-IR spectra of hemicellulose

2．4 核磁共振光谱

为进一步研究半纤维素糖苷键的结构，对其进行了13C NMR核磁共振分析，结果如图2所示。根据文献［16－19］报道。δ值为104．455、78．207、77．000、75．437 及 65．557 处的5 个强信号峰归属于(1，4)－β－D－吡喃木糖单元上的 C－1、C－4、C－3、C－2和 C－5，δ值为84．767、77．718 及74．466 处的3个信号峰归属于连接着β－D－木糖的α－L－呋喃阿拉伯糖残基上的C－4、C－2和C－3，δ值为99．743及84．767处的2个信号峰归因于4－O－甲基葡萄糖醛酸残基上的 C－1和 C－4，δ值为102．846、73．997及61．788处的3个信号峰分别是D－吡喃甘露糖单元上的C－1、C－3和C－5，D－葡萄糖单元的C－6位重叠在δ值为61．788处的信号峰上。这些结果进一步证实了提取得到的半纤维素主要结构为4－O－甲基－D－葡萄糖醛酸基－D－木聚糖、葡萄糖基－吡喃甘露聚糖，同时还含有少量的L－阿拉伯糖基－(4－O－甲基－D－葡萄糖醛酸基)－D－木聚糖和少量的半乳糖基葡萄糖基－吡喃甘露聚糖。另外，图2表明，吡喃木糖单元上的碳所对应的信号强度明显高于吡喃甘露糖单元上的碳所对应的信号。这表明，木聚糖含量明显高于甘露聚糖。上述结果表明:杂交速生杨木半纤维素主要具有一般阔叶木半纤维素的特点，同时还有少量的针叶材半纤维素的结构。

图2 半纤维素13C NMR谱图Fig．2 13C NMR spectra of hemicellulose

3 结论

3．1 在50℃ 下，用甲苯与乙醇体积比2∶1混合液抽提杨木粉原料，得脱脂杨木粉。在75℃ 下，用含1%NaOH的70%乙醇溶液在超声波条件下部分脱除脱脂杨木粉中的木质素，得碱脱木质素杨木粉。

3．2 NaOH溶液能有效地抽提速生杨中的半纤维素，通过正交试验设计，得到最佳提取条件为:反应温度90℃、抽提时间12 h，NaOH溶液质量分数8%。此条件下的半纤维素的提取率为87．20%。

3．3 通过对提取所得半纤维素组成的分析，以及傅立叶红外光图谱、13C NMR图谱分析，可知，碱抽提所得速生杨半纤维素主要包括两个组分，4－O－甲基葡萄糖醛酸基－木聚糖为主要的半纤维素组分，约占半纤维素的86%，葡萄基甘露聚糖仅含4%，其他半纤维素组分含量很低;木糖与葡萄糖醛酸基物质的量之比为22．83∶1。含有少量甘露糖、葡萄糖和半乳糖，它们的含量分别为2．87%、0．83% 和0．55%，对应的糖基比为3．46∶1∶0．66，具有典型的阔叶木半纤维素特点。

［1］MIKKONEN K S，HEIKKILA M I，HELEN H，et al．Spruce galactoglucomannan films show promising barrier properties［J］．Carbohydrate Polymers，2010，79(4):1107－1112．

［2］MIKKONEN K S，TENKANEN M，COOKE P，et al．Mannans as stabilizers of oil-in-water beverage emulsions［J］．LWT-Food Science Technology，2009，42(4):849－855．

［3］张忠涛．我国的杨树资源与开发利用［J］．林业建设，2001(5):21－24．

［4］许凤，钟新春，孙润仓，等．秸秆中半纤维素的结构及分离新方法综述［J］．林产化学与工业，2005，25(增刊):179－182．

［5］XU J，THOMSEN M H，THOMSEN A B．Ethanol production from hydrothermal pretreated corn stover with a loop reactor［J］．Biomass and Bioenergy，2010，34(3):334－339．

［6］XU J，THOMSEN M H，THOMSEN A B．Feasibility of hydrothermal pretreatment on maize silage for bioethanol production［J］．Appl Biochem Biotechnol，2010，162:33－42．

［7］XU J，THOMSEN M H，THOMSEN A B．Investigation of acetic acid catalyzed hydrothermal pretreatment on corn stover［J］．Appl Microbiol Biotechnol，2010，86:509－516．

［8］SUN R C，FANG J M，TOMKINSON J，et al．Fractional isolation，physico-chemical characterization and homogeneous esterification of hemicelluloses from fast-growing poplar wood［J］．Carbohydrate Polymers，2001，44(1):29－39．

［9］YUAN T Q，XU F，HE J，et al．Structural and physico-chemical characterization of hemicelluloses from ultrasound-assisted extractions of partially delignified fast-growing poplar wood through organic solvent and alkaline solutions［J］．Biotechnology Advances，2010，28:583－593．

［10］WHISTLER R L，BEMILLER J N．Alkaline degradation of polysaccharides［J］．Advances in carbohydrate chemistry，1958，13:289－329．

［11］EBRINGEROVA A．Xylan，xylan derivatives［J］．Macromolecular Rapid Communications，2000，21:542－556．

［12］EBRINGEROVA A．Structural diversity and application potential of hemicelluloses［J］．Macromol Symp，2006，232:1－12．

［13］MARCHESSAULT R H，LIANG C Y．The infrared spectra of crystalline polysaccharides(VIII)xylan［J］．Journal of Polymer Science，1962，59:357．

［14］SUN R C，FANG J M，ROWLANDS P．Physicochemical and thermal characterization of wheat straw hemicelluloses and cellulose［J］．Journal of Agriculture Food Chemistry，1998，46:2804．

［15］CHAIKUMPOLLERT O，METHACANON P，SUCHIVA K．Structural elucidation of hemicelluloses from Vetiver grass［J］．Carbohydrate Polymers，2004，57(2):191－196．

［16］EBRINGEROVA A，HROMADKOVA Z，ALFOLDI J，et al．Structural and solution properties of corn cob heteroxylans［J］．Carbohydrate Polymers，1992，19(2):99－105．

［17］IMAMURA T，WATANABE T，KUWAHARA M，et al．Ester linkages between lignin and glucuronic acid in lignin-carbohydrate complexes from Faguscrenata［J］．Phytochemistry，1994，37(4):1165－1173．

［18］KATO A，AZUMA J，KOSHIJIMA T．Isolation and identification of a new feruloylated tetrasaccharide from bagasse lignin-carbohydrate complex containing phenolic acid［J］．Agricultural and Biological Chemistry，1987，51(6):1691－1693．

［19］SUN R C，LAWTHER J M，BANKS W B．Fractional and structural characterization of wheat straw hemicelluloses［J］．Carbohydrate Polymers，1996，29(4):325－331．