杜仲籽壳过氧化氢预处理对杜仲橡胶提取率的影响

2021-07-21许振川方庆红康海澜刘桂萍

橡胶工业 2021年7期

许振川，方庆红，*，杨凤，，康海澜，，刘桂萍

（1.沈阳化工大学材料科学与工程学院，辽宁沈阳 110142；2.辽宁省橡胶弹性体重点实验室，辽宁沈阳 110142）

杜仲树是我国特有的单种属植物，属国家二类珍稀保护植物。杜仲树在我国种植面积占世界种植面积的99%以上，其适应性强，耐严寒、耐高温，对土壤要求不高，全国范围均可种植[1]。杜仲橡胶（EUG）是产自杜仲树的一种天然高分子材料，与天然橡胶（NR）互为同分异构体，化学组成为反式-1，4-聚异戊二烯。由于其对称、有序的链结构，EUG易结晶，常温下无弹性，是一种塑性材料，具有橡塑二重性[2]，可用于阻尼材料、医疗器械、体育用品等领域[3]，应用前景广阔。

EUG主要分布在杜仲树的根、茎、叶、皮、果实中，而杜仲籽壳中含胶量最为丰富[4-5]。卢敏等[6]研究了杜仲含胶细胞超微结构，发现杜仲含胶细胞是一种细长、两端膨大、细胞腔内贮满橡胶颗粒的丝状单细胞，不能像NR那样通过割胶收集而需要通过多步提取工艺获取。存在于杜仲细胞壁中的木质素、半纤维素、纤维素及细胞间的果胶质等成分，在EUG提取时不易溶解，对EUG的浸出有阻碍作用，降低了EUG胶丝的溶出。因此破坏杜仲细胞壁，使胶丝从细胞中溶出是提取EUG的关键。

植物纤维素和木质素可以在碱的催化下快速水解[7]，碱溶液可用于纤维素、木质素以及分子间酯键的脱酯化[8]。欧阳辉等[9]将不同质量分数的氢氧化钠（NaOH）溶液在不同温度下对杜仲籽壳粉末进行预处理（浸泡）得到粗提物，然后将粗提物在索氏提取器中加入石油醚进行回流提取，从而得出EUG提取率最大的预处理条件，即在90 ℃和质量分数为0.1的NaOH溶液中将杜仲籽壳浸泡3 h，其纤维素和木质素等非胶组分物质的分解效果最好。游东宏等[10]在欧阳辉等研究的基础上，将石油醚回流提取的提取液在0 ℃下冷冻1 h以析出EUG，杜仲籽壳中EUG的提取率为19.9%。上述碱浸法胶丝流失多，成本高，产率低，且NaOH溶液使用过多，污染环境。

硫酸、硝酸、盐酸、磷酸、乙酸等预处理也可破坏杜仲细胞壁，使纤维素和木质素有效分离[11]，从而使胶丝暴露。周鹏等[12]借鉴有机溶剂制浆法，以乙酸（体积分数为0.8）作溶剂，在料液比[杜仲物质质量（g）与溶剂体积（mL）比]为1：13.5以及盐酸（体积分数为0.003 5）催化下，于100 ℃预处理杜仲籽壳3 h，EUG提取率为15.2%。该预处理方法提取率较低且废液难处理。

微生物发酵法是利用纤维素酶或分解菌去除杜仲细胞壁中的纤维素，刘贵华等[5]得出酶解最佳条件为：温度 50 ℃，pH值 3.8，纤维素酶 0.3 g，料液比 1：15（其中原料杜仲树叶为10 g），酶解两次，每次酶解时间均为3 h。与非酶解EUG相比，酶解EUG提取率提高了1.3倍。张学俊等[13]发现，在温度为50 ℃和pH值为4的条件下，加入纤维素酶可以充分水解杜仲细胞壁中的纤维素，提高EUG溶出的通透性，使EUG提取率提高0.5，且获得的长丝EUG强度高、韧性好。杜仲物质的微生物发酵法避免了酸碱溶液的使用，具有明显的环保优势；但受微生物自身活性的影响，其限制因素较多[14]，提取时间相对较长。

在工业造纸中过氧化氢（H2O2）广泛用于脱除木质素和纤维素[15]，黄小雷等[16]以H2O2为氧化剂氧化纤维素，探讨了pH值、氧化反应时间和H2O2质量分数对纤维素氧化程度和降解程度的影响。赖玉荣等[17]发现，H2O2可以与木质素发生反应而使其侧链碎解。宋建新等[18]研究表明，氧脱木质素过程中加入一定量H2O2可以提高脱除木质素的效率。本工作借鉴H2O2在制浆造纸中应用，采用H2O2对杜仲籽壳进行预处理，以探索一种高效、快速提取EUG的方法，希望为促进EUG的产业化进程提供理论基础。

1 实验

1.1 主要原料和试剂

原料：粉碎的杜仲籽壳，湘西老爹生物有限公司产品。

试剂：H2O2、乙醇、石油醚（沸程为60～90℃）、NaOH溶液、四氢呋喃、盐酸，分析纯，天津市大茂化学试剂厂产品。

1.2 EUG提取及H2O2预处理试验设计

1.2.1 EUG提取

准确称取5 g杜仲籽壳或经H2O2预处理的杜仲籽壳放入圆底烧瓶中，再加入溶剂石油醚（料液比为1：50），85 ℃回流提取2 h，用纱网趁热过滤，收集提取液并放入冰箱中冷冻2 h，待EUG以沉淀形式析出时进行离心，上清液用于对料渣进行二次回流提取，条件与第1次相同。最后将离心所得EUG进行干燥至恒质量，密封保存。根据公式（1）计算提取率。

式中：A为EUG提取率，%；M1为提取EUG质量，g；M0为所用杜仲籽壳质量，g。

1.2.2 单因子试验

以H2O2质量分数、pH值、浸泡温度、浸泡时间和料液比（溶剂为乙醇）作为影响因子，以EUG提取率为考察指标，设置不同的梯度进行单因子试验，从而确定正交试验各因子取值范围。

1.2.3 正交试验

在单因子试验的基础上进一步研究每个因子的交互影响。将H2O2质量分数、pH值、浸泡温度、浸泡时间和料液比作为影响因子，以EUG提取率为考察指标，设计5因子4水平L16（45）进行正交试验。

1.3 测试分析

1.3.1 红外光谱分析

将EUG用氯仿溶解，并将溶液均匀涂抹在溴化钾片上，在室温下使用美国Thermo Fisher公司生产的Nicoletis 10型红外光谱分析仪测试EUG红外光谱。

1.3.2 核磁共振氢谱（1H-NMR）分析

将EUG用氘代氯仿溶解，四甲基硅烷为内标，在室温和频率为500 MHz下使用美国Varian公司生产的UNITY 300型核磁共振仪测试EUG1H-NMR谱。

1.3.3 相对分子质量

将EUG用四氢呋喃溶解，在室温下使用美国普立泰科有限公司生产的PL-GPC 50型高效液相色谱仪测试EUG相对分子质量。

2 结果与讨论

2.1 单因子试验

H2O2质量分数对EUG提取率的影响如图1所示（pH值为7，浸泡温度为80 ℃，浸泡时间为2 h，料液比为1：10）。

图1 H2O2质量分数对EUG提取率的影响Fig.1 Influence of H2O2 mass fractions on extraction rates of EUG

从图1可以看出：随着H2O2质量分数的增大，EUG提取率先增大后减小；在H2O2质量分数为0.06时，EUG提取率高达24.6%，而继续增大H2O2质量分数后EUG提取率减小，这可能是因为H2O2质量分数过大造成EUG环氧化，导致EUG分子链结构遭到破坏。因此，正交试验中H2O2质量分数的设计水平取0.02，0.04，0.06和0.08。

pH值对EUG提取率的影响如图2所示（浸泡温度为80 ℃，浸泡时间为2 h，料液比为1：10，H2O2质量分数为0.06）。

从图2可以看出：随着pH值的增大，EUG提取率先增大后减小；在pH值为7时，即体系为中性时EUG提取率最大，为25.35%。酸性条件或碱性条件下均会使EUG提取率减小。因此，正交试验中pH值设计水平取5，6，7和8。

图2 pH值对EUG提取率的影响Fig.2 Influence of pH values on extraction rates of EUG

浸泡温度对EUG提取率的影响如图3所示（pH值为7，浸泡时间为2 h，料液比为1：10，H2O2质量分数为0.06）。

图3 浸泡温度对EUG提取率的影响Fig.3 Influence of soaking temperatures on extraction rates of EUG

从图3可以看出：浸泡温度在40～60 ℃范围内，EUG提取率缓慢增大；浸泡温度在60～80 ℃范围内，EUG提取率迅速增大并达到峰值，提取率最大为25.83%；继续升高温度，EUG提取率缓慢减小。因此，正交试验中浸泡温度设计水平取50，60，70和80 ℃。

浸泡时间对EUG提取率的影响如图4所示（pH值为7，浸泡温度为80 ℃，料液比为1：10，H2O2质量分数为0.06）。

从图4可以看出：随着浸泡时间延长，EUG提取率先增大后减小；当浸泡时间为2 h时，EUG提取率达到最大，为24.9%，说明浸泡2 h时预处理已进行完全。因此，正交试验中浸泡时间设计水平取0.5，1，1.5和2 h。

图4 浸泡时间对EUG提取率的影响Fig.4 Influence of soaking time on extraction rates of EUG

料液比对EUG提取率的影响如图5所示（pH值为7，浸泡温度为80 ℃，浸泡时间为2 h，H2O2质量分数为0.06）。

图5 料液比对EUG提取率的影响Fig.5 Influence of material-to-liquid ratios on extraction rates of EUG

从图5可以看出：当料液比为1：14时，EUG提取率最大，为25.96%；当料液比在1：8～1：14之间时，EUG提取率逐渐增大；当料液比在1：14～1：18区间时，EUG提取率趋于平缓，说明预处理已进行完全。从节约原则考虑，正交试验中料液比设计水平取1：8，1：10，1：12和1：14。

2.2 正交试验

正交试验因子与水平见表1。正交试验结果见表2。

表1 正交试验因子与水平Tab.1 Factors and levels of orthogonal test

从表2可以看出：5个试验因子对EUG提取率影响由大到小的顺序为pH值、料液比、浸泡温度、H2O2质量分数和浸泡时间；最佳预处理条件为H2O2质量分数 0.02，pH值 7，浸泡温度 80℃，浸泡时间 2 h，料液比 1：14。按照杜仲籽壳最佳H2O2预处理条件进行验证性试验，设置3组平行试验，测得平均EUG提取率为29.79%，较杜仲籽壳未预处理时提高了17.43%。经H2O2预处理后EUG提取率增大，这是由于H2O2与杜仲细胞壁中木质素反应，使木质素快速水解，从而破坏细胞壁，有利于石油醚的进入以及EUG胶丝的溶出。H2O2与木质素侧链上羰基和碳-碳双键反应（分别见图6和7），使其氧化，改变木质素结构或将侧链碎解。图8示出了H2O2与木质素结构单元苯环的反应。木质素结构单元苯环是无色的，但在蒸煮过程中形成各种醌式结构（有色结构）并生成有色气体，而醌式结构发生反应后变成无色的其他结构，导致苯环氧化开裂，最后形成一系列二元羧酸和芳香酸[17]。

图6 H2O2与木质素侧链羰基的反应Fig.6 Reactions of H2O2 with side chain carbonyl group of lignin

图7 H2O2与木质素侧链碳-碳双键的反应Fig.7 Reactions of H2O2 with side chain carbon-carbon double bond of lignin

图8 H2O2与木质素结构单元苯环的反应Fig.8 Reactions of H2O2 with benzene ring of lignin structural unit

表2 正交试验结果Tab.2 Orthogonal test results

2.3 H2O2预处理对EUG分子结构的影响

由正交试验结果可知，EUG提取率受H2O2预处理pH值影响较大，因此本试验研究H2O2预处理pH值对EUG分子结构的影响。不同pH值H2O2预处理和未预处理提取的EUG红外光谱如图9所示。

图9中，在2 965和2 917 cm-1处为甲基的吸收峰，在2 849 cm-1处为亚甲基的吸收峰，在1 735 cm-1处为羰基的吸收峰，在1 662 cm-1处为碳-碳双键的吸收峰，在1 000～1 500 cm-1的范围内有碳氢键、碳-碳单键以及甲基和亚甲基的振动及振动耦合吸收峰[19]，在875，795和597 cm-1处的吸收峰与链段微观规整有序性相关。本试验提取的EUG红外光谱与文献[20]中的基本相同，为反式-1，4-聚异戊二烯。H2O2预处理提取的EUG红外光谱中，在1 662 cm-1处的碳-碳双键吸收峰强度未减弱，在875，795和597 cm-1处的吸收峰强度也未减弱，且无新吸收峰出现，上述结果说明杜仲籽壳经H2O2预处理后EUG未被环氧化，分子链的结构未改变。

图9 不同pH值H2O2预处理和未预处理提取的EUG红外光谱Fig.9 Infrared spectra of EUG with H2O2 pretreatment at different pH values and without pretreatment

不同pH值H2O2预处理和未预处理提取的EUG1H-NMR谱如图10所示。

从图10可以看出，在化学位移为1.60，1.97和2.06处为反式-1，4-结构上与双键相邻的甲基和亚甲基上的质子特征峰，在化学位移为5.11处为反式-1，4-结构双键上的不饱和质子特征峰[21]。通过对比可知，H2O2预处理与未经预处理提取的EUG1H-NMR谱基本相同，且无新的吸收峰出现，这进一步说明杜仲籽壳经H2O2预处理对EUG分子链结构和化学组成无影响。

图10 不同pH值H2O2预处理和未预处理提取的EUG1H-NMR谱Fig.10 1H-NMR spectra of EUG with H2O2 pretreatment at different pH values and without pretreatment

2.4 H2O2预处理对EUG相对分子质量的影响

图11为不同pH值H2O2预处理和未预处理提取的EUG相对分子质量分布曲线。

从图11可以看出，几种EUG的相对分子质量呈单峰分布，说明所提取的EUG纯净、无其他大分子杂质。表3为不同pH值H2O2预处理和未预处理提取的EUG相对分子质量。

表3 不同pH值H2O2预处理和未预处理提取的EUG相对分子质量Tab.3 Relative molecular masses of EUG with H2O2 pretreatment at different pH values and without pretreatment

图11 不同pH值H2O2预处理和未预处理提取的EUG相对分子质量分布曲线Fig.11 Relative molecular mass distribution curves of EUG with H2O2 pretreatment at different pH values and without pretreatment

从表3可以看出，未预处理提取的EUG数均相对分子质量为1.07×105，H2O2预处理提取的EUG数均相对分子质量为（0.54～0.86）×105，较未预处理提取的EUG有所减小，这可能是因为H2O2与EUG分子链上的碳-碳双键或邻亚甲基反应，使其氧化降解，进而使相对分子质量减小。与酸碱预处理相比，中性预处理提取的EUG数均相对分子质量和重均相对分子质量较大。