树脂吸附-超滤协同分离甘蔗渣碱法半纤维素

2021-05-15杜娟龚志强黄曹兴梁辰姚双全刘杨

化工学报 2021年4期

杜娟，龚志强，黄曹兴，梁辰，姚双全，刘杨

（1 广西大学轻工与食品工程学院，广西南宁530004； 2 广西清洁化制浆造纸与污染控制重点实验室，广西南宁530004；3南京林业大学林业资源高效加工利用协同创新中心，江苏南京210037）

引言

木质纤维原料，如木材、农业剩余物等[1]，具有可再生、可持续的“碳中性”资源[2]，通过“生物质精炼（biorefinery）”可生产生物质基材料、平台化学品、生物燃料等[3-4]。木质纤维原料主要由纤维素、半纤维素、木质素等成分组成，目前主要用于制浆造纸、生物质锅炉燃烧发电等，尤其是以甘蔗渣为代表的农业剩余物，其价值尚未得到充分利用[5]。国内外很多学者先后提出生物质精炼综合工厂(IFBR)，在植物原料制浆前预先将半纤维素提取出来，再经转化加工后生产平台化学品、燃料乙醇、生物质柴油、新型材料等一系列高附加值产品[6-8]，预提取后的原料不影响后续制浆造纸[7,9]。这种增加企业经济效益的模式，给我国制浆造纸工业带来新的发展机遇，我国造纸原料以非木材为主，而非木材原料中半纤维素含量较高，将半纤维素预先从原料中提取分离出来，能带来更大的增值效益[10-11]。

半纤维素是不同的糖单元组成的支链高聚物，在纤维细胞壁中的半纤维素与纤维素通过氢键和范德华力连接，而与木质素间则存在化学键连接[12]，形成木质素- 半纤维素复合体LCC（lignincarbohydrate complexes），限制了半纤维素的分离和提取[13]。半纤维素的提取方法主要有碱法提取、热水预抽提以及有机溶剂提取法等[14]，其中碱法提取能够破坏氢键、酯键等，用于木聚糖类半纤维素提取时的降解较少，可获得高分子量的半纤维素，但该方法获得的提取液中存在较多的木质素[15]。目前半纤维素的纯化方法主要是乙醇沉淀[16-17]，利用半纤维素和木质素的溶解度不同达到分离的目的，但是由于LCC 结构的存在，使得到的半纤维素中仍含有较多的木质素结构[18]。因此改进半纤维素的分离纯化方法显得十分重要。

膜分离技术，包括超滤、微滤及纳滤，近年来受到了广泛的关注，已被应用于污水、化工、医药及食品等领域。Egüés 等[19]将陶瓷超滤膜逐级超滤技术用于玉米废料的水解液，纯化和分离半纤维素，具有半纤维素含量更高、分散度低以及杂质含量更低等特点。Oriez 等[20]探讨了聚砜中空纤维超滤膜用于分离甘蔗渣碱提取物中的半纤维素、木质素、酚类单体及乙酸。Persson 等[21]研究了超滤法从制浆废液中分离聚半乳糖甘露糖类半纤维素的主要影响因素。但是上述研究也发现，生物质提取液或制浆废液中成分复杂，超滤膜容易受到木质素、多糖及其他杂质影响，引起膜通量下降。与其他类型的大孔树脂相比，疏水吸附树脂，如XAD 类，可以通过π-π 键和范德华力选择性吸附木质素[22]，具有选择性好、回收率高、效率高等优点[23]。Koivula 等[24]研究了疏水树脂从松树/桉树水解液吸附木质素的选择性。Narron 等[25]利用XAD-16N 树脂的选择性吸附作用，从甘蔗渣水解液中回收溶解的木质素，研究结果表明蔗渣水解液中可溶性木质素的回收率达到了90%。

本论文采用树脂吸附-超滤-乙醇沉淀以及超滤-乙醇沉淀协同分离纯化甘蔗渣弱碱抽出物，利用离子色谱（IC）、紫外分光光度计（UV）、凝胶渗透色谱（GPC）和热重量分析（TGA）对分离纯化半纤维素的化学组分、分子量、热稳定性等特性进行了分析，并利用核磁共振波谱（NMR）对半纤维素的结构进行分析，探讨不同半纤维素分离纯化方法的纯化效率。

1 实验材料和方法

1.1 实验材料

榨糖后的甘蔗渣取自广西某糖厂；XAD-16N型疏水树脂购买于Sigma 试剂公司；VF05P1 5×103超滤膜包购自赛多利斯公司；甘露糖（mannose）、葡萄糖（glucose）、半乳糖（galactose）、木糖（xylose）、阿拉伯糖（arabinose）标准品，色谱纯，购于Sigma 及Aladdin-阿拉丁试剂公司；NaOH、HCl、无水乙醇等均为市购分析纯。

1.2 甘蔗渣半纤维素的提取

蔗渣原料进行碱抽提（液比1∶8；绝干蔗渣：1 kg；NaOH: 8%；温度90℃；保温2 h），收集碱提取液，用6 mol/L 的盐酸调节提取液pH 为2、3、4、5、6，经离心机离心后收集上清液，即可得到半纤维素粗提取液。采用XAD-16N 型疏水树脂吸附半纤维素粗提取液，抽滤后得到半纤维素溶液。取XAD-16N树脂处理及未处理的提取液，用于后续的超滤分离纯化实验。

1.3 提取液的超滤分离纯化

将半纤维素粗提取液以及经过树脂吸附的半纤维素提取液进行超滤浓缩，在超滤浓缩液中加入无水乙醇（无水乙醇∶提取液=3∶1），搅拌混合均匀，静置12 h，取下层沉淀离心，然后采用75%的无水乙醇洗涤两次，得到半纤维素固体，冷冻干燥。将pH 为2、3、4、5、6 的提取液经膜超滤-乙醇沉淀得到的半纤维素固体命名为Hu2、Hu3、Hu4、Hu5、Hu6，将pH 为2、3、4、5、6 的提取液经树脂吸附-超滤-乙醇沉淀得到的半纤维素固体命名为Hau2、Hau3、Hau4、Hau5、Hau6。

1.4 木质素含量分析

采用紫外分光光度法检测残余木质素的含量[18]，使用紫外分光光度计（SPECORD 50，德国耶拿公司）于205 nm 检测样品的吸光度，计算木质素浓度，具体方法依据美国国家可再生能源实验室TP-510-42618。

1.5 组成分析

离子色谱仪（ICS-5000+SP，美国 Thermo scientific）进样量为25 μl，流动相为82%超纯水及18% 200 mmol/L NaOH 溶液，流动相流速为0.3 ml/min，采用梯度淋洗方式。不同条件的半纤维素样品按照NREL TP-510-42618 标准进行两步酸水解处理，经0.45 μm 水系滤膜过滤，然后放入进样瓶中待分析。

1.6 分子量分析

分子量测定方法根据文献[26]，使用凝胶渗透色谱仪（GPC）测定了各半纤维素组分的重均分子量（Mw）和数均分子量（Mn）分布。

1.7 热分析

热重量分析（TGA）用来分析半纤维素样品的热分解性。TGA 使用的仪器为热重分析仪（TGA STA 449F5仪器，德国）。称取约8 mg半纤维素样品进行热重实验，采用10℃/min 升温速率，温度范围在30～600℃之间，载气为氮气。

1.8 NMR

核磁测定方法参考文献[27]，精确称取固体半纤维素40 mg，溶解于0.7 ml DMSO-d 中，在核磁共振光谱仪（500 MHz，德国布鲁克）中测定样品的2D HSQC NMR谱图，NS=40。

2 实验结果与讨论

2.1 半纤维素中残余木质素含量

碱法提取半纤维素的过程，会伴随较多的木质素的溶出，这些木质素可以利用酸沉淀的方式去除大部分。图1 是将甘蔗渣碱提取液调节至不同pH沉淀出木质素，分离得到的半纤维素提取液，pH 越低提取液颜色越浅，然而由于木质素与半纤维素之间的连接LCC 结构的存在，木质素沉淀的同时也会造成部分的半纤维素损失。较高的pH 条件下，溶液中的木质素相对稳定[28]，不易产生沉淀。

图1 不同pH酸沉淀后的甘蔗渣提取液Fig.1 Bagasse extracts after acid precipitation with different pH

利用膜超滤对半纤维素提取液进行过滤，除去提取液中小分子物质，如部分的木质素、无机盐（NaCl等），可以获得纯度较高、分子量较大的半纤维素[29]。图2可以看出，经膜超滤后的半纤维素提取液颜色略微变浅但不明显，经过酸沉淀后，溶液中小分子的木质素已经很少，提取液的颜色主要来源于以LCC结构与半纤维素连接的木质素结构单元。

图2 超滤后甘蔗渣提取液Fig.2 Bagasse extracts after ultrafiltration

利用XAD-16N 树脂对木质素的选择性吸附作用，对提取液进行处理，然后再经过膜超滤，得到碱提取液的颜色更浅（图3），可以看出疏水树脂可有效分离出大部分的木质素，因此疏水树脂吸附协同超滤，可以实现不同结构的半纤维素的分离与纯化，具有更高的效率和选择性。

图3 吸附-超滤后提取液Fig.3 Extracts after adsorption-ultrafiltration

图4 不同提取液中残余木质素含量Fig.4 Residual lignin content in different extracts

经过吸附预处理和仅超滤处理的半纤维素中残余木质素如图4 所示，在Hu6和Hau6中的残余木质素含量最高，随着酸沉淀过程中pH 的降低，半纤维素中的残余木质素减少趋势在逐渐变得平缓，说明半纤维素在pH 较低时木质素残余较少，可能的原因是pH 对木质素的稳定性产生影响[28]，pH 较低的提取液经高速离心后，由于木质素的不稳定性导致其被更多地沉淀分离。经XAD-16N 树脂吸附后，半纤维素中残余木质素较未经树脂吸附预处理少，表明XAD-16N 树脂能够选择性吸附芳香族化合物，高效纯化半纤维素。木质素含量更高，疏水树脂去除木质素的效果更好，可能是因为少量未吸附的木质素与疏水树脂相互作用低，使得半纤维素中含较多残余木素时吸附效果更好[25]。同时，残余木质素的定量测定结果与上述提取液颜色变化相同，表明碱提取液中木质质素含量变化趋势可以大致根据其颜色推断，颜色越浅，木质素含量越低。

2.2 半纤维素中糖组分分析

处理后的甘蔗渣半纤维素的组分如表1 所示，主要由木糖、阿拉伯糖、半乳糖、葡萄糖和甘露糖五种糖组成，其中木糖为蔗渣半纤维素的主链，其次是阿拉伯糖，表明阿拉伯糖是甘蔗渣半纤维素样品的主要支链，甘蔗渣半纤维素主要是阿拉伯木聚糖。半纤维素组分中存在乙酸，可能的原因是半纤维素固体在两步酸水解的过程中，半纤维素的乙酰基断裂。同时酸解过程中，半纤维素经水解反应和脱水反应成为糠醛，糠醛进一步成为甲酸。经疏水树脂预处理后，半纤维素的各单糖含量均略有减少，其原因是XAD-16N 树脂在吸附去除提取液中残余木质素的同时也会有一定量的半纤维素损失。其中，木糖和阿拉伯糖的变化最为明显，可能的原因是木质素与木聚糖侧链上阿拉伯糖通过醚键直接连接，形成木质素-半纤维素复合体（LCC），难以分离。由于XAD-16N 树脂能够选择性吸附木质素和LCC 结构，但对半纤维素没有吸附性，所以被吸附的半纤维素应为LCC 结构中的半纤维素[25]。但是整体而言，树脂吸附和超滤技术结合处理得到半纤维素样品的木质素较低，表明结合多种方式能够有效纯化半纤维素。

表1 超滤后半纤维素组分Table 1 Hemicellulose components after ultrafiltration

表2 吸附-超滤的半纤维素组分Table 2 Hemicellulose components after adsorptionultrafiltration

图5 半纤维素总糖含量Fig.5 Total sugar content of hemicellulose

图5 可以看出，pH 越低的半纤维素含有的糖组分越多，木质素等杂质越少，半纤维素相对纯度越高。经树脂吸附-超滤后半纤维素中的总糖含量出现了下降，pH 越低（pH=2），吸附前后半纤维素总糖含量变化越明显，随着pH 升高，总糖含量下降的趋势减缓。根据表1 和表2 中数据可以看出，pH 为2时变化最为明显的是木糖，而pH 升高后变化较为明显的是阿拉伯糖。在酸沉淀木质素过程中，碳水化合物容易与木质素共沉淀[28]，将提取液的pH 调至2 时，已有较多的糖单元随着木质素流失，随后的疏水树脂吸附过程中带有少量木质素结构的半纤维素大分子被吸附，导致木糖单元出现明显的下降；而pH 较高时，各个糖组分保留较多，尤其是侧链较多的组分，在随后吸附过程中，更多带有侧链的半纤维素被吸附，尤其是阿拉伯糖单元较多的组分。

根据前人的研究，甘蔗渣中的半纤维素分子主链是由木聚糖组成，阿拉伯糖与木糖的比值（Ara/Xyl）反映了半纤维素分子链的分支化程度[30]。Ara/Xyl 比值如图6 所示，未经吸附预处理的Ara/Xyl 比值在0.27～0.34 之间，酸沉淀过程中pH 的变化对半纤维素分支度的影响不大，与10%的KOH溶液提取的半纤维素相比[31]，本研究采用稀NaOH 溶液提取的半纤维素Ara/Xyl比值高出两倍左右，这也表明提取过程碱用量对分支化程度影响更大。

经XAD-16N 树脂吸附处理后半纤维素Ara/Xyl比值为0.2～0.34，与处理前相比出现了下降（图6）。表明树脂吸附木质素结构时，更多的带有支链结构的半纤维素分子被吸附，使得处理后的半纤维素分子的分支度出现下降。同时根据木质素含量的分析结果（图4），随着酸沉淀pH 变化，Ara/Xyl 比值的变化较为明显，表明提取的半纤维素分子中木质素结构单元越多，越容易在XAD-16N 树脂处理过程中被吸附，而且其分支化程度出现了较为明显变化。Hu6中残留的木质素结构单元较多，导致树脂出现了吸附饱和，使得处理后半纤维素（Hau6）中含有较多的木质素，树脂吸附处理前后Ara/Xyl比值差别不大。

图6 半纤维素分支化程度Fig.6 Degree of branching of hemicellulose

2.3 半纤维素分子量分析

通过凝胶渗透色谱（GPC）检测超滤以及经树脂吸附预处理后超滤的半纤维素分子量如表3 所示，四种不同处理方式的半纤维素均具有较高的分子量。表3 可以看出经过较强的酸沉淀（pH=2）过程，有部分大分子量的半纤维素会随着木质素沉淀，使得Hu2中木质素含量较少但分子量偏小（Mw=4.57×104），而Hu6的分子量（6.78×104）则略大。经过XAD-16N树脂处理，带有支链木质素结构单元的半纤维素被吸附，使得后续超滤得到的半纤维素Hau2重均分子量（Mw）略有提高，达到8.54×104。由于Hu6中木质素含量较高，树脂吸附处理对半纤维素分子量的影响并不明显。

表3 半纤维素分子量Table 3 Molecular weight of hemicellulose

结合半纤维素的组分和分子量分析可以看出，首先对甘蔗渣碱提取液进行弱酸处理沉淀出大部分的木质素，有利于后续树脂吸附-膜超滤处理时对不同结构的半纤维素进行分级纯化。但是酸化程度过高（pH=2）会使得较多的半纤维素大分子随木质素沉淀，造成损失。

2.4 半纤维素热稳定性分析

图7 半纤维素的热重分析Fig.7 Thermogravimetric analysis of hemicellulose

吸附前后半纤维素的热重曲线如图7 所示，共分为三个阶段。第一阶段为0～150℃，该阶段的重量损失较为平缓，主要是水分蒸发阶段。第二阶段为200～300℃，该阶段主要是半纤维素的快速降解阶段，在这个阶段的半纤维素重量快速下降，甘蔗渣半纤维素主要是木糖、阿拉伯糖、葡萄糖、半乳糖和甘露糖，呈无定形结构以及含有较多侧链，侧链的C—C 键和C—O 键发生断裂，并降解为挥发物(CO、CO2和一些碳氢化合物)[32]，该阶段的失重率可达50%～60%。第三阶段为300～600℃，半纤维素的重量缓慢下降，600℃时存在残留物，这些残留物是部分半纤维素组分被气化为灰分以及半纤维素结构在惰性气体中形成的碳质残留物。

半纤维素的热稳定性和其分子量相关，半纤维素分子量越高，半纤维素热稳定性越好[1]，然而不同pH 半纤维素的最大失重温度变化较大，Hu2的热稳定性远低于Hu6。结合半纤维素的分子量（表3），不同pH 的半纤维素分子量差距不大，根据图4 和图5可知半纤维素样品中残余木质素的含量差别较大。与聚糖结构相比，木质素结构的热稳定性较好[32]，因此半纤维素结构中糖单元和木质素结构单元的含量影响到半纤维素的热稳定性。

吸附预处理前后半纤维素的热稳定性相差不大，最大失重温度的变化规律略微不同。除Hau6含有较多木质素结构外，经树脂吸附-超滤处理后的半纤维素中木质素含量已较少，Hau2、Hau3、Hau4、Hau5的木质素含量差别不大（图4），而分支度有明显差别（见图6），表明除了残余木质素含量的影响外，半纤维素的支链化程度对热稳定性也有影响，随分支度降低最大失重温度略微升高。但分支度影响要比木质素含量引起的变化要弱，Hau6的支链化程度最高，但含有较多木质素，最大失重温度比Hau2要高。

2.5 半纤维素核磁分析

图8 半纤维素的二维核磁谱图Fig.8 2D NMR spectrum of hemicellulose

在HSQC NMR 谱图中[33-35]，膜超滤以及树脂吸附-膜超滤得到的半纤维素样品(Hu2、Hau2、Hu6、Hau6)二维核磁谱图如图8 所示，蔗渣半纤维素的主要结构单元为D-木聚糖单元（X）、L-阿拉伯糖单元（Ara）以及与D-木聚糖单元相连的4-O-甲基-D-葡萄糖醛酸单元（U）。其中，木糖结构单元的化学位移分别为101.9/4.34(C1-H1)、73.1/3.03(C2-H2)、74.4/3.25(C3-H3)、75.9/3.50(C4-H4)、63.6/3.17 和3.87(C5-H5)；L-阿拉伯糖的化学位移分别为107.5/5.35(C1-H1)、80.7/3.81(C2-H2)、78.4/3.63(C3-H3)、86.6/4.01(C4-H4)、62.2/3.46(C5-H5)；4-O-甲基-D-葡萄糖醛酸的化学位移为97.9/5.08(C1-H1)、72.2/3.21(C2-H2)、72.9/3.49(C3-H3)、82.1/3.0(C4-H4)、70.3/4.48(C5-H5)。不同pH条件的半纤维素结构的单糖结构基本没有差异，说明pH 不会对半纤维素的结构造成影响。HSQC谱图表明半纤维素糖组分主要是木糖，其次是阿拉伯糖以及少量的葡萄糖，甘蔗渣半纤维素结构为L-阿拉伯糖-4-O-甲基-D-葡萄糖醛酸木聚糖。

木质素-半纤维素复合体(LCC 结构)的连接键主要是苄基醚键（BE）、苯基糖苷键（PhGlc）以及苯基酯键（Est）。在碱液条件下，苯基酯键（Est）容易断裂，因此二维谱图中未检测到苯基酯键。图8 可以看出，不同半纤维素样品均不含苄基醚键（BE），其原因可能是超滤对苄基醚键的分离纯化，导致其含量极少，较强的糖信号也影响了苄基醚键的信号，因此二维谱图没有苄基醚键的信号峰。吸附预处理的半纤维素样品没有检测到苯基糖苷键（PhGlc），说明疏水树脂对苯基糖苷键较为敏感，有效吸附以苯基糖苷键连接的LCC 结构，也表明了树脂的选择性吸附。