多级乙醇法提取加拿大一枝黄花纤维工艺的研究*

李丽珍，章华婷，陈 欢，付永前

（台州学院 生命科学学院，浙江 台州 318000）

多级乙醇法提取加拿大一枝黄花纤维工艺的研究*

李丽珍，章华婷，陈 欢，付永前＊

（台州学院 生命科学学院，浙江 台州 318000）

以台州加拿大一枝黄花为研究对象，对不同浓度、不同温度，不同时间下，乙醇处理加拿大一枝黄花各组分的变化进行了考察，提出了多级乙醇提取加拿大一枝黄花纤维的新工艺。在此工艺下，选择温度在160℃，第一阶段用100%乙醇先行处理1h，后选择60%乙醇处理1h为最佳，木质素去除率达到了66.3%。该工艺为木质纤维素的循环再利用提供了借鉴和理论基础。

加拿大一枝黄花；纤维；木质素；乙醇；多级

1 引言

加拿大一枝黄花（Solidago canadensis）原产于北美洲，属双子叶多年生草本植物，1935年作为观赏植物引入中国，由于该植物在中国缺少天敌，导致疯狂生长，到目前为止，已导致30多种乡土植物物种消亡，造成经济损失高达上百亿元［1］，对我国的社会经济和生态环境构成了巨大威胁。因此，对加拿大一枝黄花的防控也逐渐成为我国生态保护领域的研究重点，目前国内治理加拿大一枝黄花主要运用农业防治、物理防治和化学防治的方法，内容涉及药用价值、造纸、饲料生产、栽培基质等方面［2］。但这些研究仍停留在理论和试验阶段，实际过程得不到大规模的推广和应用，因此，加拿大一枝黄花的防控以及资源化开发利用的研究还有停留在初始阶段。

加拿大一枝黄花本身具有较为丰富的纤维资源，据文献报道，加拿大一枝黄花纤维素含量达到了42.63%，总纤维含量达到了81.86%［1］，已有人尝试研究加拿大一枝黄花纤维资源的利用，如：李松华等研究表明，加拿大一枝黄花是一种较好的制浆造纸原料［3］。但该类研究并没有逃脱传统的纤维提取工艺，对环境污染较大，很难实现工业化生产。文献报道，有机溶剂在高温条件下，木质素去除率能达到90%以上，同时，有机溶剂如乙醇等，可实现回收利用。近年来，溶剂法制浆得到了广泛重视，目前已有很多人在这方面进行了深入的研究，如钱学仁等研究了木材的近临界高压乙醇—水体系萃取木质素［4］，张利等研究了丙酸对作物秸秆的降解的最佳工艺条件［5］。在已研究的几种溶剂制浆法中，自催化乙醇法具有明显的优势。如张美云等研究了龙须草自催化乙醇制浆的最佳工艺条件和反应历程［6］。改进纤维提取工艺，已成为造纸、板材等领域迫在眉睫的问题。本实验在结合前人工作的基础上，创新性的提出了多级乙醇法来提取加拿大一枝黄花纤维，回收木质素，在操作过程中，具有环保无污染，乙醇回收再利用等优点，具有潜在的工业化应用潜力。

2 材料与方法

2.1 原料

实验用加拿大一枝黄花，于成熟季10月份采摘自台州学院椒江校区湖边附近，新鲜一枝黄花去除根后放入干燥箱，于60℃烘至恒重，后拿出，裁剪成30-40mm的叶片后进行研磨，用20目的筛子筛除砂尘和粉末后，置于密闭容器中平衡水分,备用。

2.2 仪器

GY恒温水（油）浴锅，北京科伟永兴仪器有限公司。为适应自催化乙醇法提取纤维温度较高、压力较高的实验要求，将水浴改成油浴加热。所用油为导热油，最高工作温度可达300℃。

2.3 实验方法

2.3.1 乙醇浓度对加拿大一枝黄花组分的影响

取原料4.0g，浓度分别为（40%，60%，80%，100%）乙醇对其进行蒸煮处理，乙醇添加量200mL，处理时间2.0h，温度160℃，反应完后对其进行抽滤，材料置入干燥箱中，60℃烘干，取一定量样品，测定其粗纤维、半纤维素以及木质素的变化；

2.3.2 处理温度对加拿大一枝黄花组分的影响

取原料4.0g，用体积分数为60%的乙醇对其进行蒸煮处理，乙醇添加量200mL，处理时间2.0h，蒸煮温度分别为（100℃，130℃，160℃，180℃），反应完后对其进行抽滤，材料置入干燥箱中，60℃烘干，取一定量样品，测定其粗纤维、半纤维素以及木质素的变化；

2.3.3 处理时间对加拿大一枝黄花组分的影响

取原料4.0g，用体积分数为60%的乙醇对其进行蒸煮处理，乙醇添加量200mL，蒸煮处理时间分别为（0.5h，1.0h，1.5h，2.0h，3.0h），温度160℃，反应完后对其进行抽滤，材料置入干燥箱中，60℃烘干，取一定量样品，测定其粗纤维、半纤维素以及木质素的变化；

2.3.4 多级乙醇蒸煮工艺对加拿大一枝黄花组分的影响

采用多级乙醇蒸煮方式对加拿大一枝黄花进行处理，其过程如表1所示。乙醇添加量200mL，温度160℃，在第一阶段处理完后，抽滤得到固体材料，再加入不同浓度的乙醇进行第二阶段处理，反应完后对其进行抽滤，材料置入干燥箱中，60℃烘干，取一定量样品，测定其粗纤维、半纤维素以及木质素的变化；

表1 多级乙醇蒸煮工艺Table.1 Multistage ethanol pulping process

2.4 成分测定 粗纤维、纤维素、木质素等成分的测定，可参考文献［7］。

3 结果与讨论

3.1 原料分析

加拿大一枝黄花的主要化学组成见表2所示。由表2可以看出，加拿大一枝黄花的1%NaOH抽出物含量较高，因而比较容易成浆。此外，此原料的戊聚糖的含量居中，禾本科植物的半纤维素中的高聚糖主要是木聚糖，大多数是以阿拉伯糖基-4-0-甲基-葡萄糖醛酸基-木聚糖的形式存在，戊聚糖在高温的乙醇水溶液中水解，可为体系提供酸度，使自催化制浆反应得以进行［8］。此外，加拿大一枝黄花最大的特点是木质素含量低，远低于木材、麦草、芦苇等。根据加拿大一枝黄花化学组成上的特点，可以推测，它对自催化乙醇法制浆会有良好的适应性。

表2 台州加拿大一枝黄花的化学组成（mg/100mg加拿大一枝黄花）［3］Table.2 Chemical composition of Taizhou of Canada goldenrod（mg/100mg canadensis）

3.2 乙醇浓度对加拿大一枝黄花组分的影响

考察了不同浓度乙醇对加拿大一枝黄花各组分的影响，其结果如表3所示。表3表明，随着乙醇浓度的升高，加拿大一枝黄花中的木质素含量逐渐降低，木质素脱除的更彻底。当浓度达到60%时，此时的木质素含量还剩10.5%，木质素去除率达到了45.6%，当乙醇浓度继续增加时，其粗纤维含量开始降低，木质素含量开始增加，其原因可能是木素在乙醇水溶液中的溶解性随乙醇浓度的增加而增强，当浓度为47.5%时，这种增加的趋势变缓，当浓度为70%时达到最大。

同时我们从蒸煮颜色可以看出（见图1），当乙醇浓度过高时，蒸煮液偏绿色，乙醇浓度太低时，变成浅褐色，从中我们发现，当乙醇浓度太高或者太低时，效果都不如乙醇浓度在60%的效果好，因此，在这里选择60%乙醇浓度作为处理加拿大一枝黄花的浓度。

表3 乙醇浓度对加拿大一枝黄花组分的影响Table.3 Effects of ethanol concentration on Solidago canadensis components

图1 不同乙醇浓度处理下蒸煮液颜色变化Fig.1 Liquid color change cooking different ethanol concentration

3.3 处理温度对加拿大一枝黄花组分的影响

考察了不同处理温度对加拿大一枝黄花各组分的影响，其结果如表4所示。

表4 处理温度对加拿大一枝黄花组分的影响Table.4 Effect of temperature on Solidago canadensis components

从表4可以看出，随着温度的升高，加拿大一枝黄花中的木质素含量逐渐降低，粗纤维和纤维素的含量逐渐升高。分析认为木质素在乙醇溶液中的溶解度对温度的变化非常敏感，温度越低,乙醇木质素的溶解度越小，并且在较高温下，乙醇木素变为黑色黏状物，不利于分离回收［10］。当温度达到160°C时，此时的木质素含量还剩10.5%，粗纤维为85.5%，半纤维素为43.2%。虽然，随着浓度的进一步升高，纤维素以及木质素都有变化，但是，从能耗上看，选160°C处理加拿大一枝黄花较好。

3.4 处理时间对加拿大一枝黄花组分的影响

不同处理时间对加拿大一枝黄花各组分的影响，如表5所示。从表5可以看出，随着处理时间的不断增加，加拿大一枝黄花中的木质素含量逐渐降低，粗纤维和半纤维素的含量逐渐升高。当处理时间到达1.5h时，此时的木质素含量还剩10.5%，粗纤维为85.5%，纤维素为43.2%。虽然，随着处理时间的进一步增加，纤维素以及木质素都有变化，但是，从能耗上看，选1.5h处理加拿大一枝黄花较好。

表5 乙醇处理时间对加拿大一枝黄花组分的影响Table.5 Effect of ethanol treatment time points of Solidago canadensis group

3.5 多级乙醇蒸煮工艺对加拿大一枝黄花组分的影响

多级乙醇蒸煮工艺对加拿大一枝黄花组分的影响如表6所示。乙醇处理分为两个阶段，第一阶段用100%乙醇进行处理不同时间，第二阶段分别选用80%、60%以及40%乙醇处理不同时间。

表6 多级乙醇蒸煮工艺对加拿大一枝黄花组分的影响Table.6 Effect of multistage ethanol cooking process of Solidago canadensis components

从表6中可以看出，当第一阶段处理0.5h，后进入第二阶段进行处理，木质素去除率变化不大，其原因可能是，100%乙醇前期处理材料中色素等其他成分，同时能对木质纤维素初始的晶体结构起到一定作用，如果前期时间不够，作用效果不明显；而第一阶段处理时间为1h，第二阶段为1h时，处理效果较为明显，尤其是第二阶段在60%浓度下，木质素去除率达到了66%；而第一阶段时间为1.5h，第二阶段为0.5h，木质素去除率反而下降，可能是真正起到处理效果的时间不够导致。因此，在这里选择最佳的处理方式，160℃下，第一阶段选择100%乙醇处理1h，后选择60%乙醇处理1h为最佳，木质素脱除率达到了66.3%。

4 结论

本实验考察了不同浓度、不同温度，不同时间下，乙醇处理加拿大一枝黄花各组分的变化，从实验中可以发现，蒸汽处理对纤维素提高、木质素降低都具有效果，当乙醇浓度为60%、处理温度在160°C左右，处理时间为1.5h时，与其他条件相比，考虑到能耗以及处理程度等条件下，本文创新性的提出了多级乙醇提取加拿大一枝黄花纤维的工艺。综上所述，加拿大一枝黄花对多级乙醇法制浆表现出良好的适应性，在此工艺下，最佳蒸煮条件为：选择温度在160℃，第一阶段用100%乙醇先行处理1h，后选择60%乙醇处理1h为最佳，木质素去除率达到了66.3%。在此条件下细浆得率可达33.7%，卡伯值39.8，残余木质素5.38%。

［1］张利萍，高慧，方小东，张亚伟.加拿大一枝黄花制浆性能的初步研究［J］.经济林研究，2006，24（4）：34-37.

［2］王贵春，侯应霞，吴山.外来入侵植物加拿大一枝黄花的利用研究进展［J］.安徽农业科学，2011，39（36）：22378-22379. ［3］李松华，薛国新，陈集双等.加拿大一枝黄花制浆研究生物特性与化学组成［J］.中华纸业，2006，27（10）：88-91.

［4］钱学仁，李坚.木材高压萃取木质素的热机械分析［J］.林产化学与工业，2002，22（4）：15-18.

［5］张利，张清东，刘世贵 等.利用丙酸降解小麦秸秆的研究［J］.四川大学学报，2001，38（3）：430-433.

［6］张美云，平清伟.荻自催化乙醇法制浆工艺参数的优化研究［J］.广东造纸，1998,4：9-14.

［7］范鹏程，田静，黄静美等.花生壳中纤维素和木质素含量的测定方法［J］.重庆科技学院学报（自然科学版）,2008,10（5）：65-71.

［8］张美云，谭国民.龙须草自催化乙醇法制浆工艺及反应历程的研究［J］.中国造纸学报,2001,16：18-23.

［9］Kyosti.V.Sarkanen.Chemistry of Solvent Pulping.Tappi Journal.1990,73（10）：215-222

［10］曹建武，张美云，李金宝.麦草乙醇法分解液中木素的分离和结构表征［J］.造纸科学与技术，2010，29（6）：127-132.

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

LI Li-zhen，ZHANG Hua-ting，CHEN Huan，FU 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

浙江省新世纪高等教育教学改革项目（ZC2010084）；浙江省台州市教育规划课题（GG13019）。

简介：付永前（1980- ），男，新疆克拉玛依人，副教授，博士，主要研究方向：可再生资源利用。

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.