水熱-二元催化乙醇法分離麥草組分及結構解析

修慧娟 李靜宇 李金寶 馮 盼 黎金桂 趙 欣 謝竺航

（陜西科技大學輕工科學與工程學院，輕化工程國家級實驗教學示范中心，陜西省造紙技術及特種紙品開發重點實驗室，陜西西安，710021）

木質纖維素生物質是地球陸生生態系統中最普遍的低成本、可再生生物質原料，但其中89%木質纖維尚未被充分利用[1]，其主要技術瓶頸之一就是缺乏清潔、高效、低成本的組分分離技術。水熱法[2-4]和乙醇法[5-7]因其溶劑可回收利用而被廣泛關注，但這兩種分離方法都僅對單一組分半纖維素或木質素的分離效果較好；如果采用水熱-乙醇聯用的分離方法，在水熱處理段分離半纖維素，乙醇處理段分離木質素，有望實現半纖維素、木質素及纖維素的高效分離。

已有的研究表明，水熱-乙醇法對半纖維素的分離效果非常好，但是水熱處理段使木質素發生形態和結構上的變化，導致了乙醇處理過程中木質素的分離效果極差[8]。前期研究發現加入催化劑可以提高乙醇處理段對木質素的脫除效率[9]。因此，本課題采用水熱-二元催化乙醇法對麥草纖維素、木質素、半纖維素進行分級分離，主要研究了該工藝方法對這3種組分的分離效果，以及半纖維素和木質素分離物的化學結構。

1 實 驗

1.1 原料及藥品

麥草，水分10%，取自陜西某地，粉碎后篩取40～60 目組分備用[10-11]；質量分數95%乙醇、質量分數30%過氧化氫、氫氧化鈉均為分析純，購自天津市大茂化學試劑廠。麥草原料的組分含量按照國家標準進行檢測，結果如表1所示。

表1 麥草全組分含量 %

1.2 實驗儀器設備

PARR-5500 輕便型臺式反應釜，美國Parr 公司；W201 恒溫水浴鍋，上海申生科技有限公司；SHBIII 循環水式多用真空泵，鞏義市予華儀器有限責任公司；DHG-9030A 電熱鼓風干燥箱，上海一恒科學儀器有限公司；BS210S 分析天平，北京賽多利斯天平有限公司；DL-1 萬用電爐，北京中興偉業儀器有限公司；SX-4-10馬弗爐，天津泰斯特儀器有限公司；ICS 5000 高效陰離子色譜儀，德國Dionex 公司；VERTEX70 傅里葉變換紅外光譜儀，德國Bruker 公司；FD-1A-50 冷凍干燥機，北京博醫康實驗儀器有限公司；RE-52AA 旋轉蒸發儀，上海亞榮生化儀器廠；TG16-WS 臺式高速離心機，湖南湘儀實驗室儀器開發有限公司；AVIII 400 MHz 核磁共振波譜儀，德國Bruker公司。

1.3 水熱法提取半纖維素

稱取一定量麥草與水按總固液比為1∶24（g∶mL）均勻混合，置于高壓反應釜中，升溫速率為7℃∕min，升溫至180℃，保溫40 min。過濾分離，得到固相產物和水解液。用H2SO4調節水解液pH 值至2，離心分離上清液，再經旋轉蒸發儀蒸發濃縮至一定體積，加入乙醇溶劑沉淀[12]，過濾分離沉淀物，并冷凍干燥得到半纖維素分離物。

1.4 二元催化乙醇法提取木質素

將水熱固相產物與質量分數50%乙醇溶液混合，在質量分數3% H2O2和質量分數3% NaOH 二元催化下，按總固液比為1∶16（g∶mL），置于高壓反應釜中，升溫速率為7℃∕min，升溫至190℃，保溫90 min，過濾分離固相產物，并用55%乙醇溶液和去離子水洗滌，干燥得到粗纖維素；液相產物通過稀釋沉淀法[13]分離出木質素，過濾干燥后得到木質素分離物。水熱-乙醇法不添加催化劑，其余步驟與上述相同。

1.5 分析與表征

1.5.1 粗纖維素得率、木質素與半纖維素脫除率和提取率的計算

粗纖維素得率、木質素與半纖維素脫除率和提取率分別按式(1)～式(5)計算。

式中，m1為粗纖維素質量，g；m2為原料質量，g；m3為粗纖維素中木質素質量，g；m4為原料中的木質素質量，g；m5為木質素分離物質量，g；m6為粗纖維素中的半纖維素質量，g；m7為原料中的半纖維素質量，g；m8為半纖維素分離物質量，g。

1.5.2 水解液中半纖維素含量的測定

取1 mL 水解液稀釋適宜倍數，再經0.22 μm 針孔過濾器過濾后，采用高效陰離子色譜儀，以Dionex CarboPacTM PA200（3 mm × 250 mm）為分析柱，以CarboPacTM PA200（3 mm × 50 mm） 為保護柱，柱溫 30℃，取樣 25 μL，淋洗液分別為 100 mmol∕L NaOH、500 mmol∕L NaOAc溶液和蒸餾水，以0.3 mL∕min的流速梯度淋洗，測定水解液中低聚木糖（DP=2～6）及半纖維素單糖（如木糖、葡萄糖、阿拉伯糖、半乳糖、鼠李糖、巖藻糖）的含量[14]。

1.5.3 紅外光譜測試

將木質素分離物以及半纖維素分離物研成粉末，與KBr 壓片。由傅里葉變換紅外光譜儀（FT-IR）測量其紅外光譜[15]。測試參數為：掃描次數10 次、波數范圍500～4000 cm-1、分辨率0.5 cm-1。

1.5.4 核磁共振波譜測試

分別將50 mg 和100 mg 半纖維素分離物溶解在1 mL的D2O 中，采用核磁共振波譜儀（NMR） 對其進行1H NMR 和13C NMR 測定。測定的參數為：采樣時間1.36 s，馳豫時間1.89 s，分別掃描128和5000 次[16]。將60 mg木質素分離物溶解在0.5 mL 的DMSO-d6 中，采用核磁共振波譜儀對其進行1H NMR 測定[17]。測定的參數為：采樣時間2 s，弛豫時間3 s，掃描512次。

2 結果與討論

2.1 水熱法對半纖維素的分離效果

水熱處理對半纖維素的分離效果如圖1 所示。由圖1 可知，經水熱處理后，半纖維素的脫除率為81.8%，其中，醇沉法得到半纖維素聚糖為38.1%，水解液中未沉淀出來的低聚木糖以及單糖的含量為28.0%，各種低聚木糖以及單糖的含量如表2 所示，其中戊糖含量為 2.89 g∕L，高于己糖含量 0.96 g∕L；低聚木糖（包含木二糖、木三糖、木四糖、木五糖和木六糖）含量為1.78 g∕L；己糖主要是甘露糖，含量為0.66 g∕L；殘留在固相產物的半纖維素是18.2%，在水熱過程中轉化為其他組分損失的半纖維素占15.7%。

圖1 水熱法對半纖維素的分離效果

2.2 水熱-二元催化乙醇法對麥草組分的分離效果

水熱-二元催化乙醇法對麥草3 種主要組分分離效果如圖2所示。從圖2中可以看出，水熱-二元催化乙醇法對半纖維素的脫除率為91.5%，木質素的脫除率為85.6%，粗纖維素得率為40.7%。相比水熱處理，水熱處理后再經二元催化乙醇處理段，只有9.7個百分點的半纖維素進一步被脫除，因此可以得出，半纖維素主要在第一步水熱段中大量脫除。但是與水熱-乙醇法相比，水熱-二元催化乙醇法對木質素的脫除率有明顯的提高，脫除率從56.1%增加至85.6%，提高了52.6%，表明了二元催化乙醇段對木質素的脫除效果更好；其中稀釋沉淀法木質素提取率為55.5%。同時二元催化乙醇段對纖維素的降解也較少，粗纖維素得率僅從43.3%降低到40.7%，因此，水熱-二元催化乙醇法可以滿足水熱段分離半纖維素和二元催化乙醇段分離木質素，從而實現麥草3種主要組分的高效分離。

表2 水解液中半纖維素各組分含量和得率

圖2 水熱-二元催化乙醇法與水熱-乙醇法對麥草3種主要組分的分離效果

2.3 半纖維素分離物的FT-IR分析

半纖維素分離物的FT-IR 譜圖如圖3 所示，從圖3 可以看出，3303 cm-1處的吸收峰為羧基和羥基中的O—H 特征峰，2903 cm-1為C—H 的非對稱伸縮振動吸收峰，1734 cm-1處的吸收峰歸屬于半纖維素中的乙?；鵞18]，說明水熱法提取的半纖維素中依然還有部分沒有脫落的乙?；?；1596、1514、1426 cm-1處為糖醛酸的吸收峰。半纖維素的特征吸收峰主要集中在800～1400 cm-1范圍之內，1377 cm-1和 1251 cm-1處來源于半纖維素中—OH 和C—O 的彎曲振動，894 cm-1處的吸收峰表明糖單元之間的連接是β-糖苷鍵，1048 cm-1處吸收峰歸屬于1，4-β-聚木糖中的 C—O、C—C 伸縮振動和 C—OH 彎曲振動[19]。1163 cm-1和987 cm-1處的吸收峰代表了阿拉伯糖基的特征峰[20]。

圖3 半纖維素分離物的FT-IR譜圖

2.4 半纖維素分離物的NMR分析

2.4.11H NMR 分析

圖4 半纖維素分離物的1H NMR譜圖

采用NMR 進一步研究半纖維素分離物的結構，其1H NMR 譜圖如圖4所示。從圖4可知，δ為5.26和4.64處分別歸屬于α-L-呋喃式阿拉伯糖基和1，4-β-D-吡喃式木糖-2-O-(4-O-甲基-α-D-吡喃式葡萄糖醛酸基)，δ為 4.3～4.9 來源于β-異頭氫[21]，表明了木糖單元之間以β-糖苷鍵連接，與FT-IR 譜圖中894 cm-1處所代表的結構信息吻合。δ為4.32、3.96、3.66、3.49、3.35、3.17處的峰分別歸屬于1，4-β-D-吡喃式木糖結構單元上的H-1、H-5e、H-4、H-3、H-5a、H-2[22]，說明了半纖維素的主鏈為吡喃木糖，而側鏈為α-L-呋喃式阿拉伯糖基、4-O-甲基-α-D-吡喃式葡萄糖醛酸基和乙?；?。

2.4.213C NMR 分析

半纖維素分離物的13C NMR 譜圖如圖5 所示。從圖5 可知，δ為 101.6、76.3、73.4、72.1、62.8 處分別為1，4-β-D-吡喃式木糖結構單元上的C-1、C-4、C-3、C-2、C-5[23-24]。4-O-甲基-α-D-吡喃式葡萄糖醛酸基、α-L-呋喃式阿拉伯糖基和乙?；葌孺溁系腃信號比較弱，其原因可能是，在麥草半纖維素聚阿拉伯糖-4-O-甲基葡萄糖醛酸木糖中，每26 個D-木糖基分別含有1 個4-O-甲基葡萄糖醛酸基支鏈，2 個L-阿拉伯糖基支鏈，以及1 個木糖基支鏈[25]，說明水熱法提取半纖維素仍然可以保留其中的4-O-甲基葡萄糖醛酸和乙?；?，綜合FT-IR 和NMR 的結果可知，水熱法提取的麥草半纖維素分離物的結構主要為：D-吡喃式木糖以1，4-β-糖苷鍵連接形成主鏈，4-O-甲基-α-D-吡喃式葡萄糖醛酸基、阿拉伯糖基以及乙?；纬蓚孺?。

圖5 半纖維素分離物的13C NMR譜圖

2.5 木質素分離物的FT-IR分析

木質素分離物的FT-IR 譜圖如圖6 所示。從圖6可以看出，在3359 cm-1處有1 個寬的吸收峰頻帶為O—H 伸縮振動，2922 cm-1和2880 cm-1分別是甲基和亞甲基中C—H 鍵的對稱伸縮振動和不對稱伸縮振動，1596、1503 和1426 cm-1處的吸收峰歸屬于木質素的苯環，1325 cm-1處S 型木質素結構單元和縮合的G 型木質素結構單元、1262 cm-1處G 型木質素結構單元的C=O 伸縮振動和1215 cm-1處G 型木質素結構單元的C—C和C—O伸縮振動分別代表了不同類型木質素的結構單元，1124 cm-1處的峰代表了S 型木質素上C—H 鍵的變形振動，1032 cm-1處的峰代表了G 型木質素上C—H 鍵的變形振動，915 cm-1為G 型木質素芳香環的C—H 面外彎曲振動，839 cm-1處為S—H 型木質素芳香環的C—H面外彎曲振動[26-29]；1124 cm-1（S型木質素）處吸收峰的強度高于1032 cm-1（G 型木質素）處吸收峰，說明水熱-二元催化乙醇法提取的木質素中S型木質素含量多于G型木質素。

圖6 木質素分離物的FT-IR譜圖

2.6 木質素分離物的1H NMR 分析

木質素分離物的1H NMR譜圖如圖7 所示。從圖7可知，δ為 6.7、7.4 和 7.8 處分別為 S 型木素、G 型木素和H 型木素結構單元上的質子，同樣，代表S 型木質素的信號更強，與FT-IR 的分析結果吻合；另外，δ為5.4 處歸屬于β-5結構中的Hα，δ為4.9處歸屬于β-O-4 結構中的 Hα，δ為 4.1 處屬于β-O-4 結構中的Hγ，δ為 3.7處歸屬于甲氧基中的質子，δ為 2.5 和δ為2.7分別歸屬于β-5和β-β結構中的Hβ，δ為0.8和δ為1.2歸屬于高遮蔽效應的脂肪族質子[30]，表明水熱-二元催化乙醇法提取的木質素結構較為完整。

圖7 木質素分離物的1H NMR譜圖

3 結 論

本課題研究了水熱-二元催化乙醇法對麥草纖維素、半纖維素和木質素組分的分離效果，并對半纖維素分離物和木質素分離物的化學結構進行了表征。

3.1 水熱-二元催化乙醇法可以實現麥草組分的高效分離，對半纖維素的脫除率為91.5%，醇沉法半纖維素提取率為38.1%；稀釋沉淀法木質素提取率為55.5%，木質素的脫除率為85.6%，相比水熱-乙醇法，木質素脫除率提高了52.6%，粗纖維素的得率為40.7%；另外，半纖維素主要由第一步水熱法脫除，且水熱法處理后半纖維素的4種存在形式分別為：醇沉法得到半纖維素聚糖38.1%，水解液中未沉淀出來的低聚木糖以及單糖的含量28.0%，殘留在固相產物的半纖維素18.2%；轉化為其他組分損失的半纖維素15.7%。

3.2 采用水熱-二元催化乙醇法高效分離得到的半纖維素聚糖的主鏈由D-吡喃式木糖以（1，4）-β-糖苷鍵連接形成，支鏈為4-O-甲基-α-D-吡喃式葡萄糖醛酸基、α-L-呋喃式阿拉伯糖基和乙?；?。木質素分離物結構較完整，且木質素分離物中S 型木質素含量多于G 型木質素。