速生楊半纖維素堿法提取工藝的優化和表征

陳清清，江華*，張洋，葛建紅

(1．南京林業大學化學工程學院，江蘇 南京 210037;2．南京林業大學木材工業學院，江蘇 南京 210037)

近年來，隨著不可再生的化石資源的日益減少，可再生資源的開發和利用也日益被重視。半纖維素是植物纖維原料中的一類碳水化合物，它是地球上最豐富、最廉價的可再生資源之一，僅次于纖維素。半纖維素的開發和利用越來越引起人們的興趣。人們已經發現半纖維素或改性半纖維素在食品、材料、醫藥、能源、化工產品等領域具有廣闊的應用前景［1－2］。目前，主要的研究集中于多步提取過程對半纖維素的組成、結構、理化性質的影響，這些提取過程對研究半纖維素的化學結構有一定的研究價值，但是難以實現工業化應用。另外，外加場(超聲波、微波等)強化半纖維素的提取也是目前的研究熱點，然而，外加場通常會降低提取得到的半纖維素的分子量［3］。本研究中，首先將外加場(超聲波)用于原料的乙醇－堿脫木質素過程，然后采用傳統的堿法提取半纖維素，以便獲得高聚合度的半纖維素組分，半纖維素提取得率最大化。

楊樹生長周期短，是優良的人工速生用材林樹種，我國林業科技人員對楊樹生長以及利用的研究由來已久，并取得很大的成績，因地制宜大面積種植楊樹，不僅能發揮森林生態效應，而且作為一種產業在經濟方面產生效益。江蘇地區，楊樹的栽種面積達30 400 hm2。其中成熟林的面積達1 200 hm2。楊樹速生豐產林輪伐期確定為8～10年。黃河中下游及長江中下游地區可供420．8萬m3木材。作為一種富含木糖基的速生材樹種，楊木及其加工剩余物已成為半纖維素提取的潛在原料［4］。本文作者采用正交試驗設計方法，以速生楊加工剩余物為原料，優化了半纖維素的堿法提取工藝并初步研究了半纖維素的結構。

1 實驗

1．1 原料

蘇北木材加工廠雜交速生楊(5年生)加工剩余物(邊材、刨花、鋸末)，經風干、粉碎、篩選出0．2～0．8 mm木粉貯存備用。楊木的主要化學組成如下:纖維素37．83%;半纖維素19．87%;Klason木質素23．58%;酸溶木質素 3．16%;苯－醇抽出物 4．5%;灰分 0．48%;水分 9．50%。

1．2 原料預處理及半纖維素的提取

1．2．1 原料預處理 在50℃ 下，用甲苯與乙醇體積比2∶1混合液抽提楊木粉原料6 h，固液比1∶10，以便去除原料中酯類物質，之后，固相于45℃ 干燥16 h，得脫脂楊木粉，備用。

在75℃下，用含1%NaOH的70%乙醇溶液在超聲波條件下部分脫除脫脂楊木粉中的木質素，固液比1∶20，超聲波功率400 W，時間3 h(超聲波處理4 s，停止2 s)，然后過濾去除液相，用蒸餾水洗滌固相至中性，于45℃ 干燥16 h，得堿脫木質素楊木粉。

1．2．2 半纖維素的提取 在固液比為1∶20條件下，用不同質量分數的NaOH溶液抽提堿脫木質素楊木粉。抽提完畢，過濾，并用6 mol/L的HCl溶液調節濾液的pH值至5．5，然后加入3倍于濾液體積的95% 乙醇溶液，室溫下靜置16 h。在21 000 r/min下離心，用70% 乙醇溶液洗滌沉淀。用去離子水洗滌過濾所得固體至中性，冷凍干燥所得固體即為所提取的半纖維素組分。

1．3 正交試驗設計

采用正交試驗設計表L16(45)用于優化1．2．2節堿抽提半纖維素的工藝，每個條件做2組平行實驗，取平均值。

1．4 分析方法

1．4．1 化學組成分析［5－7］兩步水解法水解楊木粉原料、4% 的稀硫酸水解提取所得半纖維素組分，然后用HPLC測定相應的糖組分:1)稱取(300．0±10．0)mg楊木粉原料置于干燥皿中，加入(3．00±0.01)mL 72% 硫酸，充分潤濕混勻。2)將干燥皿置于(30±3)℃水浴中振蕩反應(60±5)min，振蕩須保證所有固體顆粒浸潤于硫酸溶液中，完全水解。3)水解完成后，從水浴槽中取出干燥皿。加入(84±0．04)g純水，將硫酸稀釋至4%。4)將樣品置于高壓滅菌器中，溫度設置為121℃，時間60 min。反應結束后，冷卻至室溫。5)用已準備好的磨成粉狀脫水Ba(OH)2，中和樣品pH至5～6。離心后，取上清液作HPLC分析用，計算出原料中葡聚糖，木聚糖含量。以葡聚糖和木聚糖含量分別表示固體原料中纖維素和半纖維素含量。6)蒸餾水洗滌殘渣，后將殘渣在105℃ 下干燥至質量恒定并稱質量，將其作為酸不溶木質素;取一定量的水解上清液用分光光度法在205 nm處測定其吸光度AOD，然后按下式計算相應的酸溶木質素。

1．4．2 半纖維素提取率的計算 半纖維素的質量為高效液相色譜測出的木糖、甘露糖、阿拉伯糖等半纖維素糖組分以及比色法測出的糖醛酸的質量之和;半纖維素提取率率定義為提取所得纖維素組分中半纖維素質量與原料中半纖維素質量之比。

1．4．3 紅外光譜、核磁共振表征 參照文獻［8］進行。

2 結果與討論

2．1 正交試驗結果分析

在1．2．2節實驗方法的條件下，進行正交試驗。提取溫度、提取時間、NaOH溶液質量分數3個因素的4個水平對半纖維素提取得率的影響如表1所示。從試驗1～16的結果直觀分析看出，半纖維素提取率最高為81．92%。極差R值越大說明此因素對半纖維素提取率的影響越大，NaOH質量分數的極差最大，達到21．97。這表明，在NaOH溶液抽提半纖維素的過程中，NaOH質量分數對半纖維素提取率的影響最為顯著;抽提時間的影響最小，極差僅為6．99;而抽提溫度的影響介于它們之間。當NaOH質量分數較低時，木聚糖在溶液中無法完全溶解，從而導致提取得率降低;當NaOH質量分數過高時，木聚糖可能發生降解反應，從而導致提取得率降低［9］。表1的結果表明:堿法抽提速生楊木粉時半纖維素提取率的最佳工藝條件是A4B4C3，即:提取溫度90℃，提取時間12 h，NaOH質量分數8%。在該最佳條件下的重復試驗，半纖維素提取率為87．20%。

表1 正交試驗設計和結果分析Table 1 Orthogonal experiments design and result analysis

2．2 半纖維素組成

在最佳提取條件(A4B4C3)下得到的半纖維素組成為:葡萄糖0．83%，木糖81．16%，半乳糖0．55%，阿拉伯糖0．27%，甘露糖 2．87%，葡萄糖醛酸 4．60%，酸溶木質素 3．49%，酸不溶木質素0．99%。結果表明，提取所得到的半纖維素組分中，木糖含量最高，達到81．16%，與參考文獻［10］報道基本一致。其次是葡萄糖醛酸為4．60%，木糖和葡萄糖醛酸基物質的量之比約為22．83∶1，該比例類似于樺木半纖維素的糖基比［11］。

根據樣品的紅外圖譜(見圖1)可知，樣品中含有一定量的甲基。因此，該半纖維素組分可能為4－O－甲基葡萄糖醛酸基－木聚糖以及少量的L－阿拉伯糖基－(4－O－甲基－D－葡萄糖醛酸基)－D－木聚糖。另外，抽提所得半纖維素中含有少量甘露糖、葡萄糖和半乳糖，它們的含量分別為2．87%、0．83% 和0．55%，對應的糖基比為3．46∶1∶0．66，其結構可能是葡萄糖基甘露聚糖以及少量的半乳糖基葡萄糖基甘露聚糖，糖基比與文獻［12］報道基本一致。這些結果說明，速生楊中提取得到的半纖維素主要包括兩類半纖維素組分:4－O－甲基葡萄糖醛酸基－木聚糖為主要的半纖維素組分，占半纖維素的86%，而葡萄糖基甘露聚糖僅含4%。β－D－吡喃木聚糖為闊葉木主要半纖維素組分;而葡萄糖基甘露聚糖一般含量較低，占3%～5%［12］。因此，速生楊半纖維素的組成特點基本與一般闊葉木半纖維素的組成相一致。

2．3 紅外光譜分析

采用傅里葉紅外光譜進一步驗證半纖維素的結構。圖1為最佳條件下得到的半纖維素的紅外圖譜。半纖維素的主要特征官能團是糖苷鍵。3420 cm－1處較強的吸收峰代表O—H的伸縮振動［9］。2922 cm－1處的吸收峰代表了甲基或亞甲基中C—H的伸縮振動［13］，根據樣品的性質，可認為該半纖維素存在甲基。在1506 cm－1處的吸收峰是由于樣品中含有少量的木質素，由于半纖維素與纖維素以及木質素之間的連接非常復雜，目前還沒有一種方法能將半纖維素完全分離得到不含其他雜質的半纖維素。據文獻報導，1318 cm－1處的吸收峰則是紫丁香基C—O 伸縮振動引起的［14］。1044 cm－1處的吸收峰是C—O、C—C的伸縮振動或是C—OH的彎曲振動引起的［15］。896 cm－1處的小尖峰是糖單元之間的β－糖苷鍵的吸收峰，—CH2的彎曲振動在1465、1419 cm－1出現吸收峰［13］。1387、1248 cm－1處分別是 O—H 和 C—C 的伸縮振動。在987 cm－1處的低強度吸收峰主要是木糖殘基C－3上的阿拉伯糖取代基，阿拉伯木聚糖的特征取代基。1627 cm－1處的信號峰主要是由于吸收了水分引起的，木聚糖有很強的吸水性。1732 cm－1處的尖峰，歸屬于乙酰基中＝CO振動吸收峰，盡管闊葉木中半纖維素通常都是乙?；?，但是由NaOH溶液作用，大部分乙?；呀洷蝗コ?。所以，該峰表明該半纖維素樣品中含微量的乙酰基。

圖1 半纖維素的紅外光譜圖Fig．1 The FT-IR spectra of hemicellulose

2．4 核磁共振光譜

為進一步研究半纖維素糖苷鍵的結構，對其進行了13C NMR核磁共振分析，結果如圖2所示。根據文獻［16－19］報道。δ值為104．455、78．207、77．000、75．437 及 65．557 處的5 個強信號峰歸屬于(1，4)－β－D－吡喃木糖單元上的 C－1、C－4、C－3、C－2和 C－5，δ值為84．767、77．718 及74．466 處的3個信號峰歸屬于連接著β－D－木糖的α－L－呋喃阿拉伯糖殘基上的C－4、C－2和C－3，δ值為99．743及84．767處的2個信號峰歸因于4－O－甲基葡萄糖醛酸殘基上的 C－1和 C－4，δ值為102．846、73．997及61．788處的3個信號峰分別是D－吡喃甘露糖單元上的C－1、C－3和C－5，D－葡萄糖單元的C－6位重疊在δ值為61．788處的信號峰上。這些結果進一步證實了提取得到的半纖維素主要結構為4－O－甲基－D－葡萄糖醛酸基－D－木聚糖、葡萄糖基－吡喃甘露聚糖，同時還含有少量的L－阿拉伯糖基－(4－O－甲基－D－葡萄糖醛酸基)－D－木聚糖和少量的半乳糖基葡萄糖基－吡喃甘露聚糖。另外，圖2表明，吡喃木糖單元上的碳所對應的信號強度明顯高于吡喃甘露糖單元上的碳所對應的信號。這表明，木聚糖含量明顯高于甘露聚糖。上述結果表明:雜交速生楊木半纖維素主要具有一般闊葉木半纖維素的特點，同時還有少量的針葉材半纖維素的結構。

圖2 半纖維素13C NMR譜圖Fig．2 13C NMR spectra of hemicellulose

3 結論

3．1 在50℃ 下，用甲苯與乙醇體積比2∶1混合液抽提楊木粉原料，得脫脂楊木粉。在75℃ 下，用含1%NaOH的70%乙醇溶液在超聲波條件下部分脫除脫脂楊木粉中的木質素，得堿脫木質素楊木粉。

3．2 NaOH溶液能有效地抽提速生楊中的半纖維素，通過正交試驗設計，得到最佳提取條件為:反應溫度90℃、抽提時間12 h，NaOH溶液質量分數8%。此條件下的半纖維素的提取率為87．20%。

3．3 通過對提取所得半纖維素組成的分析，以及傅立葉紅外光圖譜、13C NMR圖譜分析，可知，堿抽提所得速生楊半纖維素主要包括兩個組分，4－O－甲基葡萄糖醛酸基－木聚糖為主要的半纖維素組分，約占半纖維素的86%，葡萄基甘露聚糖僅含4%，其他半纖維素組分含量很低;木糖與葡萄糖醛酸基物質的量之比為22．83∶1。含有少量甘露糖、葡萄糖和半乳糖，它們的含量分別為2．87%、0．83% 和0．55%，對應的糖基比為3．46∶1∶0．66，具有典型的闊葉木半纖維素特點。

［1］MIKKONEN K S，HEIKKILA M I，HELEN H，et al．Spruce galactoglucomannan films show promising barrier properties［J］．Carbohydrate Polymers，2010，79(4):1107－1112．

［2］MIKKONEN K S，TENKANEN M，COOKE P，et al．Mannans as stabilizers of oil-in-water beverage emulsions［J］．LWT-Food Science Technology，2009，42(4):849－855．

［3］張忠濤．我國的楊樹資源與開發利用［J］．林業建設，2001(5):21－24．

［4］許鳳，鐘新春，孫潤倉，等．秸稈中半纖維素的結構及分離新方法綜述［J］．林產化學與工業，2005，25(增刊):179－182．

［5］XU J，THOMSEN M H，THOMSEN A B．Ethanol production from hydrothermal pretreated corn stover with a loop reactor［J］．Biomass and Bioenergy，2010，34(3):334－339．

［6］XU J，THOMSEN M H，THOMSEN A B．Feasibility of hydrothermal pretreatment on maize silage for bioethanol production［J］．Appl Biochem Biotechnol，2010，162:33－42．

［7］XU J，THOMSEN M H，THOMSEN A B．Investigation of acetic acid catalyzed hydrothermal pretreatment on corn stover［J］．Appl Microbiol Biotechnol，2010，86:509－516．

［8］SUN R C，FANG J M，TOMKINSON J，et al．Fractional isolation，physico-chemical characterization and homogeneous esterification of hemicelluloses from fast-growing poplar wood［J］．Carbohydrate Polymers，2001，44(1):29－39．

［9］YUAN T Q，XU F，HE J，et al．Structural and physico-chemical characterization of hemicelluloses from ultrasound-assisted extractions of partially delignified fast-growing poplar wood through organic solvent and alkaline solutions［J］．Biotechnology Advances，2010，28:583－593．

［10］WHISTLER R L，BEMILLER J N．Alkaline degradation of polysaccharides［J］．Advances in carbohydrate chemistry，1958，13:289－329．

［11］EBRINGEROVA A．Xylan，xylan derivatives［J］．Macromolecular Rapid Communications，2000，21:542－556．

［12］EBRINGEROVA A．Structural diversity and application potential of hemicelluloses［J］．Macromol Symp，2006，232:1－12．

［13］MARCHESSAULT R H，LIANG C Y．The infrared spectra of crystalline polysaccharides(VIII)xylan［J］．Journal of Polymer Science，1962，59:357．

［14］SUN R C，FANG J M，ROWLANDS P．Physicochemical and thermal characterization of wheat straw hemicelluloses and cellulose［J］．Journal of Agriculture Food Chemistry，1998，46:2804．

［15］CHAIKUMPOLLERT O，METHACANON P，SUCHIVA K．Structural elucidation of hemicelluloses from Vetiver grass［J］．Carbohydrate Polymers，2004，57(2):191－196．

［16］EBRINGEROVA A，HROMADKOVA Z，ALFOLDI J，et al．Structural and solution properties of corn cob heteroxylans［J］．Carbohydrate Polymers，1992，19(2):99－105．

［17］IMAMURA T，WATANABE T，KUWAHARA M，et al．Ester linkages between lignin and glucuronic acid in lignin-carbohydrate complexes from Faguscrenata［J］．Phytochemistry，1994，37(4):1165－1173．

［18］KATO A，AZUMA J，KOSHIJIMA T．Isolation and identification of a new feruloylated tetrasaccharide from bagasse lignin-carbohydrate complex containing phenolic acid［J］．Agricultural and Biological Chemistry，1987，51(6):1691－1693．

［19］SUN R C，LAWTHER J M，BANKS W B．Fractional and structural characterization of wheat straw hemicelluloses［J］．Carbohydrate Polymers，1996，29(4):325－331．