利用碱法和有机溶剂法提取甘草渣木质素

赵俭波+陈新萍

摘要：以甘草渣为原料，采用碱法和有机溶剂法2种方法，用氢氧化钠、氨水、丙酮、乙二醇4种溶剂提取木质素，这4种溶剂的提取率分别为：17.25%、5.75%、11.54%、12.60%。测定了木质素FT-IR光谱图。采用乙酰化法和差示光度法测定了总羟基和酚羟基含量。结果表明：有机溶剂法提取的木质素活性基团含量更高。采用凝胶渗透色谱（GPC）测定了用氢氧化钠和丙酮提取的木质素分子量及分子量分布，分析显示：用丙酮提取的木质素分子量更小、分布更窄。

关键词：甘草渣；木质素；碱法；有机溶剂法

中图分类号： TQ028.9；R284.2文献标志码： A文章编号：1002-1302（2014）02-0223-03

收稿日期：2013-06-24

基金项目：塔里木大学校长基金硕士项目（编号：TDZKSS1002）。

作者简介：赵俭波（1982—），男，重庆人，硕士，讲师，研究方向为农业废弃物的回收利用。E-mail：lain_1982@163.com。木质素又称木素（lignin），是植物体次生代谢过程中合成的一种天然有机高分子物质，在自然界中的含量仅次于纤维素[1]（1-2）。木质素结构中存在多种官能团，如甲氧基（—OCH3）、羟基（—OH）、羰基（—CO）等，它们在木质素中的含量除了与木质素的种类有关外，还与木质素的提取方法有关。木质素结构中的羟基主要有2种类型：一种是存在于木质素结构单元苯环上的酚羟基；另一种是木质素结构单元侧链上的脂肪族醇羟基；这些羟基既可以以游离的羟基存在，又可以与其他烷基或芳基连接成醚。正是由于多种官能团的存在，因此木质素能发生多种化学反应，目前国内外已经开发的木质素产品达千余种，主要有合成树脂、胶黏剂、土壤改良剂、农药缓释剂、橡胶补强剂、染料分散剂、水泥减水剂、自由基清除剂等[2-3]，因此木质素在化学化工生产中具有重要的应用价值。

甘草（Glycyrrhiza Linn.）属于豆科甘草属灌木状多年生草本植物，是重要的中草药，享有“中草药之王”的美誉。甘草广泛分布于40°N左右的干旱、半干旱区域，在我国集中分布于三北地区（东北、华北和西北），以新疆、甘肃、宁夏和内蒙古为中心产区[4]。目前对甘草的研究较多集中在药理方面，如提取甘草酸、甘草次酸等的研究或者关于甘草的药理活性机制等方面的研究[5-6]。

甘草渣是用甘草提取甘草酸或甘草浸膏后的剩余物，目前，甘草渣主要用作生物有机肥、饲料添加剂或者用来提取甘草黄酮[7]。如果能够利用甘草渣来提取木质素并加以开发利用，特别是用来替代石油化工产品以制备新材料，对于提高甘草渣的附加值有重大意义。本研究选用甘草渣作为原料，采用碱法和有机溶剂法，以氢氧化钠、氨水、丙酮和乙二醇为溶剂从甘草渣中提取木质素，进一步测定木质素官能团的含量、分子量及分子量分布。

1材料与方法

1.1仪器与试剂

HLC-8320GPC凝胶渗透色谱仪；Cary 100紫外-可见分光光度计；FTIR-8400S傅里叶变换红外光谱仪；电子天平；W2-180SP 旋转蒸发仪；数显鼓风干燥箱；精密酸度计。

72%硫酸、盐酸、氢氧化钠、氨水均为化学纯，其余试剂均为分析纯；甘草渣由新农甘草有限责任公司提供。

1.2试验方法

1.2.1原料的预处理将甘草渣晾干、除杂、洗净后于60 ℃烘箱中干燥6 h，粉碎、过40目筛后将干燥的甘草渣在索氏提取器中用体积比2 ∶1的甲苯-乙醇溶液进行抽提，抽提时间为6～8 h，将剩余物在40 ℃烘干即得本试验所需的脱脂脱蜡样品，备用。

1.2.2甘草渣中木质素总含量的测定用Klason法[1]（98-99）测定甘草渣中的木质素含量。准确称取0.5 g脱脂脱蜡样品并移入100 mL烧杯中，再加入8 mL 72%硫酸，充分搅拌后在18～20 ℃下放置4 h，移入500 mL的圆底烧瓶中，用280 mL蒸馏水将洗涤烧杯后的溶液移入烧瓶中；安上回流冷凝管加热煮沸4 h，生成的不溶性残渣用已恒重的玻璃漏斗抽滤，再用热水洗涤几次，在105 ℃下干燥至恒重并称量；平行测定3次，平均值即为克拉森木质素的含量。

根据国标GB/T 2677.3—1993《造纸原料灰分的测定》测定甘草渣中的灰分含量。先准确称取0.5 g脱脂脱蜡的样品于干燥恒重的坩埚中，再于600 ℃箱式电阻炉中灰化直至恒重，平行测定3次，平均值即为灰分的百分含量，按下式计算样品中的木质素总含量：

木质素总含量（%）=克拉森木质素的含量-样品总灰分含量。

1.2.3一般的碱法提取工艺[8]称取5.000 0 g脱脂脱蜡的样品，在烧瓶中加入一定量的碱性水溶液，于60 ℃水浴加热提取2.5 h；过滤后用6 mol/L乙酸将滤液的pH值调至3，减压浓缩后将浓缩液倒入烧杯中，加入3倍体积的95%乙醇处理，静置，待沉淀完全后过滤；将滤液浓缩除去乙醇后，用 6 mol/L 的HCl将pH值调至1.5，静置，待沉淀完全后过滤，所得滤渣用pH值为2.0的HCl溶液洗涤，自然干燥后称重，所得产品即为甘草渣木质素。

1.2.4有机溶剂法提取工艺

1.2.4.1丙酮法[9]称取5.000 g脱脂脱蜡的样品移入圆底烧瓶中，依次加入8 mL 2%稀硫酸、50 mL 60%丙酮溶液，200 ℃冷凝回流2 h后蒸馏、回收溶剂，用温水洗涤样品后离心分离；重复3次，自然干燥并称重，所得产品即为甘草渣木质素。

1.2.4.2乙二醇法[10]称取5.000 0 g脱脂脱蜡的样品放入圆底烧瓶内，加入150 mL乙二醇蒸煮3 h后降温到100 ℃，过滤反应后的混合物，用温水洗涤3次，将洗涤液与滤液合并，在室温下加入3倍体积的水搅拌15 min，此时大量的乙二醇木质素析出；静置过夜，离心分离，滤饼用温水洗涤后自然干燥，称重，所得产品即为甘草渣木质素。减压蒸馏滤液回收溶剂。

1.3官能团含量的测定

碱法提取的木质素的总羟基含量采用电位滴定法测定；酚羟基含量采用差示光度法测定；醇羟基由总羟基与酚羟基之差间接测定[11]；甲氧基通过碘甲烷生成反应的容量分析法测定。

1.4FT-IR测定

红外光谱测定采用FTIR-8400S傅里叶红外光谱仪、KBr压片法。

1.5分子质量的测定

采用日本东曹株式会社HLC-8320GPC凝胶渗透色谱仪进行测定，2根色谱柱TSK-gel super HM-H串联（6.0 mm×150 mm），流动相THF，流速0.6 mL/min，温度 40 ℃，进样量10 μL，标准样品为聚苯乙烯，检测器为示差折光检测器。

2结果与讨论

2.1不同溶剂的提取率

测定得甘草渣木质素的总含量约为19.15%。提取率的计算公式为：

2.2不同溶剂提取木质素官能团的含量

通过电位滴定法、差示光度法及甲氧基测定仪测定出的甘草渣木质素官能团含量见表2。

2.3FI-IR分析

对4种不同溶剂提取的甘草渣木质素进行红外光谱测定，其FT-IR光谱图见图1。4种溶剂提取的甘草渣木质素的红外光谱都较为相似，其主要特征吸收峰有：3 400 cm-1左右为—OH伸缩振动吸收峰，峰面比较宽大；2 930 cm-1左右是甲基、亚甲基和次甲基中C—H 的伸缩振动峰；1 665 cm-1左右是共轭羰基CCO的振动峰；1 600 cm-1、1 508 cm-1左右是芳香环骨架振动峰；1 446 cm-1左右是甲基和亚甲基的 C—H弯曲振动峰；1 411 cm-1左右是酚羟基的伸缩振动峰；1 325 cm-1 左右为紫丁香核吸收带；1 220 cm-1左右是与紫丁香核有关的芳香核C—O 振动峰；1 020 cm-1左右是醚键的弯曲振动峰。该图谱与木质素的标准图谱[12]比较吻合。

2.4GPC分析

NaOH和丙酮提取的甘草渣木质素的GPC谱图见图2，用NaOH提取的木质素可直接溶于四氢呋喃中，用丙酮提取的木质素的溶解性稍差。由图2可以看出：NaOH提取的木质素分子量分布较宽。由表3可见：NaOH提取的木质素Mn、Mw、Mz均比丙酮提取的木质素Mn、Mw、Mz大得多，分散性也较大，但较碱提取的木质素分子量小[11]。

3结论

采用碱法、有机溶剂法2种分离方法，以氢氧化钠、氨水、

参考文献：

[1]蒋挺大. 木质素[M]. 北京：化学工业出版社，2008：1-2，98-99.

[2]Stewart D. Lignin as a base material for materials applications：Chemistry，application and economics[J]. Industrial Crops and Products，2008，27（2）：202-207.

[3]Bossuyt H，Six J，Hendrix P F. Interactive effects of functionally different earthworm species on aggregation and incorporation and decomposition of newly added residue carbon[J]. Geoderma，2006，130（1/2）：14-25.

[4]刘娅，韩新年，陈 玲.新疆甘草的开发利用[J]. 食品研究与开发，2012，33（1）：209-212.

[5]Eng A T W，Heng M Y，Ong E S. Evaluation of surfactant assisted pressurized liquid extraction for the determination of glycyrrhizin and ephedrine in medicinal plants[J]. Analytica Chimica Acta，2007，583（2）：289-295.

[6]Abe M，Akbar F，Hasebe A，et al. Glycyrrhizin enhances interleukin-10 production by liver dendritic cells in mice with hepatitis[J]. Journal of Gastroenterology，2003，38（10）：962-967.

[7]张志东，王玮，楚敏，等. 复合酶法提取甘草渣中黄酮类物质的研究[J]. 新疆农业科学，2008，45（4）：729-732.

[8]赵俭波，陈新萍，姜建辉. 甘草渣中碱木质素的提取工艺研究[J]. 塔里木大学学报，2011，23（3）：42-45.

[9]杨益琴，李忠正. 有机溶剂法纯化稻草碱木质素的研究[J]. 林产化学与工业，2000，20（4）：40-44.

[10]Cheng X S，Chen W J，Chen Y P，et al. A new method for making cellulose and lignin by using high boiling solvents[J]. Chemical Research in Chinese Universities，18（3）：175-176.

[11]叶结旺，方桂珍，金春德. Pd/C催化微波法合成氢化碱木质素[J]. 北京林业大学学报，2010，32（2）：171-176.

[12]Boeriu C G，Bravo D，Gosselink R J A，et al. Characterisation of structure-dependent functional properties of lignin with infrared spectroscopy[J]. Industrial Crops and Products，2004，20（2）：205-218.

1.3官能团含量的测定

碱法提取的木质素的总羟基含量采用电位滴定法测定；酚羟基含量采用差示光度法测定；醇羟基由总羟基与酚羟基之差间接测定[11]；甲氧基通过碘甲烷生成反应的容量分析法测定。

1.4FT-IR测定

红外光谱测定采用FTIR-8400S傅里叶红外光谱仪、KBr压片法。

1.5分子质量的测定

采用日本东曹株式会社HLC-8320GPC凝胶渗透色谱仪进行测定，2根色谱柱TSK-gel super HM-H串联（6.0 mm×150 mm），流动相THF，流速0.6 mL/min，温度 40 ℃，进样量10 μL，标准样品为聚苯乙烯，检测器为示差折光检测器。

2结果与讨论

2.1不同溶剂的提取率

测定得甘草渣木质素的总含量约为19.15%。提取率的计算公式为：

2.2不同溶剂提取木质素官能团的含量

通过电位滴定法、差示光度法及甲氧基测定仪测定出的甘草渣木质素官能团含量见表2。

2.3FI-IR分析

对4种不同溶剂提取的甘草渣木质素进行红外光谱测定，其FT-IR光谱图见图1。4种溶剂提取的甘草渣木质素的红外光谱都较为相似，其主要特征吸收峰有：3 400 cm-1左右为—OH伸缩振动吸收峰，峰面比较宽大；2 930 cm-1左右是甲基、亚甲基和次甲基中C—H 的伸缩振动峰；1 665 cm-1左右是共轭羰基CCO的振动峰；1 600 cm-1、1 508 cm-1左右是芳香环骨架振动峰；1 446 cm-1左右是甲基和亚甲基的 C—H弯曲振动峰；1 411 cm-1左右是酚羟基的伸缩振动峰；1 325 cm-1 左右为紫丁香核吸收带；1 220 cm-1左右是与紫丁香核有关的芳香核C—O 振动峰；1 020 cm-1左右是醚键的弯曲振动峰。该图谱与木质素的标准图谱[12]比较吻合。

2.4GPC分析

NaOH和丙酮提取的甘草渣木质素的GPC谱图见图2，用NaOH提取的木质素可直接溶于四氢呋喃中，用丙酮提取的木质素的溶解性稍差。由图2可以看出：NaOH提取的木质素分子量分布较宽。由表3可见：NaOH提取的木质素Mn、Mw、Mz均比丙酮提取的木质素Mn、Mw、Mz大得多，分散性也较大，但较碱提取的木质素分子量小[11]。

3结论

采用碱法、有机溶剂法2种分离方法，以氢氧化钠、氨水、

参考文献：

[1]蒋挺大. 木质素[M]. 北京：化学工业出版社，2008：1-2，98-99.

[2]Stewart D. Lignin as a base material for materials applications：Chemistry，application and economics[J]. Industrial Crops and Products，2008，27（2）：202-207.

[3]Bossuyt H，Six J，Hendrix P F. Interactive effects of functionally different earthworm species on aggregation and incorporation and decomposition of newly added residue carbon[J]. Geoderma，2006，130（1/2）：14-25.

[4]刘娅，韩新年，陈 玲.新疆甘草的开发利用[J]. 食品研究与开发，2012，33（1）：209-212.

[5]Eng A T W，Heng M Y，Ong E S. Evaluation of surfactant assisted pressurized liquid extraction for the determination of glycyrrhizin and ephedrine in medicinal plants[J]. Analytica Chimica Acta，2007，583（2）：289-295.

[6]Abe M，Akbar F，Hasebe A，et al. Glycyrrhizin enhances interleukin-10 production by liver dendritic cells in mice with hepatitis[J]. Journal of Gastroenterology，2003，38（10）：962-967.

[7]张志东，王玮，楚敏，等. 复合酶法提取甘草渣中黄酮类物质的研究[J]. 新疆农业科学，2008，45（4）：729-732.

[8]赵俭波，陈新萍，姜建辉. 甘草渣中碱木质素的提取工艺研究[J]. 塔里木大学学报，2011，23（3）：42-45.

[9]杨益琴，李忠正. 有机溶剂法纯化稻草碱木质素的研究[J]. 林产化学与工业，2000，20（4）：40-44.

[10]Cheng X S，Chen W J，Chen Y P，et al. A new method for making cellulose and lignin by using high boiling solvents[J]. Chemical Research in Chinese Universities，18（3）：175-176.

[11]叶结旺，方桂珍，金春德. Pd/C催化微波法合成氢化碱木质素[J]. 北京林业大学学报，2010，32（2）：171-176.

[12]Boeriu C G，Bravo D，Gosselink R J A，et al. Characterisation of structure-dependent functional properties of lignin with infrared spectroscopy[J]. Industrial Crops and Products，2004，20（2）：205-218.

1.3官能团含量的测定

碱法提取的木质素的总羟基含量采用电位滴定法测定；酚羟基含量采用差示光度法测定；醇羟基由总羟基与酚羟基之差间接测定[11]；甲氧基通过碘甲烷生成反应的容量分析法测定。

1.4FT-IR测定

红外光谱测定采用FTIR-8400S傅里叶红外光谱仪、KBr压片法。

1.5分子质量的测定

采用日本东曹株式会社HLC-8320GPC凝胶渗透色谱仪进行测定，2根色谱柱TSK-gel super HM-H串联（6.0 mm×150 mm），流动相THF，流速0.6 mL/min，温度 40 ℃，进样量10 μL，标准样品为聚苯乙烯，检测器为示差折光检测器。

2结果与讨论

2.1不同溶剂的提取率

测定得甘草渣木质素的总含量约为19.15%。提取率的计算公式为：

2.2不同溶剂提取木质素官能团的含量

通过电位滴定法、差示光度法及甲氧基测定仪测定出的甘草渣木质素官能团含量见表2。

2.3FI-IR分析

对4种不同溶剂提取的甘草渣木质素进行红外光谱测定，其FT-IR光谱图见图1。4种溶剂提取的甘草渣木质素的红外光谱都较为相似，其主要特征吸收峰有：3 400 cm-1左右为—OH伸缩振动吸收峰，峰面比较宽大；2 930 cm-1左右是甲基、亚甲基和次甲基中C—H 的伸缩振动峰；1 665 cm-1左右是共轭羰基CCO的振动峰；1 600 cm-1、1 508 cm-1左右是芳香环骨架振动峰；1 446 cm-1左右是甲基和亚甲基的 C—H弯曲振动峰；1 411 cm-1左右是酚羟基的伸缩振动峰；1 325 cm-1 左右为紫丁香核吸收带；1 220 cm-1左右是与紫丁香核有关的芳香核C—O 振动峰；1 020 cm-1左右是醚键的弯曲振动峰。该图谱与木质素的标准图谱[12]比较吻合。

2.4GPC分析

NaOH和丙酮提取的甘草渣木质素的GPC谱图见图2，用NaOH提取的木质素可直接溶于四氢呋喃中，用丙酮提取的木质素的溶解性稍差。由图2可以看出：NaOH提取的木质素分子量分布较宽。由表3可见：NaOH提取的木质素Mn、Mw、Mz均比丙酮提取的木质素Mn、Mw、Mz大得多，分散性也较大，但较碱提取的木质素分子量小[11]。

3结论

采用碱法、有机溶剂法2种分离方法，以氢氧化钠、氨水、

参考文献：

[1]蒋挺大. 木质素[M]. 北京：化学工业出版社，2008：1-2，98-99.

[2]Stewart D. Lignin as a base material for materials applications：Chemistry，application and economics[J]. Industrial Crops and Products，2008，27（2）：202-207.

[3]Bossuyt H，Six J，Hendrix P F. Interactive effects of functionally different earthworm species on aggregation and incorporation and decomposition of newly added residue carbon[J]. Geoderma，2006，130（1/2）：14-25.

[4]刘娅，韩新年，陈 玲.新疆甘草的开发利用[J]. 食品研究与开发，2012，33（1）：209-212.

[5]Eng A T W，Heng M Y，Ong E S. Evaluation of surfactant assisted pressurized liquid extraction for the determination of glycyrrhizin and ephedrine in medicinal plants[J]. Analytica Chimica Acta，2007，583（2）：289-295.

[6]Abe M，Akbar F，Hasebe A，et al. Glycyrrhizin enhances interleukin-10 production by liver dendritic cells in mice with hepatitis[J]. Journal of Gastroenterology，2003，38（10）：962-967.

[7]张志东，王玮，楚敏，等. 复合酶法提取甘草渣中黄酮类物质的研究[J]. 新疆农业科学，2008，45（4）：729-732.

[8]赵俭波，陈新萍，姜建辉. 甘草渣中碱木质素的提取工艺研究[J]. 塔里木大学学报，2011，23（3）：42-45.

[9]杨益琴，李忠正. 有机溶剂法纯化稻草碱木质素的研究[J]. 林产化学与工业，2000，20（4）：40-44.

[10]Cheng X S，Chen W J，Chen Y P，et al. A new method for making cellulose and lignin by using high boiling solvents[J]. Chemical Research in Chinese Universities，18（3）：175-176.

[11]叶结旺，方桂珍，金春德. Pd/C催化微波法合成氢化碱木质素[J]. 北京林业大学学报，2010，32（2）：171-176.

[12]Boeriu C G，Bravo D，Gosselink R J A，et al. Characterisation of structure-dependent functional properties of lignin with infrared spectroscopy[J]. Industrial Crops and Products，2004，20（2）：205-218.