玉米秸稈木質素的提取工藝優化及表征

張 坤，王高煊，王曉俊，張莎莎 ，薛冬樺*

（長春工業大學化學與生命科學學院，吉林 長春 130012）

玉米秸稈木質素的提取工藝優化及表征

張 坤，王高煊，王曉俊，張莎莎 ，薛冬樺*

（長春工業大學化學與生命科學學院，吉林 長春 130012）

應用堿溶-醇沉-酸析方法提取玉米秸稈木質素，Box-Behnken試驗優化工藝條件為NaOH溶液濃度2.40 mol/L、反應時間3.10 h、提取溫度74 ℃，木質素的提取率達到69.71%。經熱重、傅里葉變換紅外光譜和紫外-可見吸收光譜結構分析表明，木質素在130～500 ℃內發生熱分解反應，部分官能團發生交聯后具有很高的熱穩定性，最大紫外吸收峰位于282 nm波長處，存在較多的化學活性基團。所得木質素因其化學活性高，可通過分子設計改性形成高分子材料，從而為玉米秸稈的資源化利用提供新途徑。

木質素；玉米秸稈；堿溶-醇沉-酸析；表征

木質素是天然多羥基芳香族化合物，是以苯丙烷為結構單元通過醚鍵-碳鍵彼此聯接成具有三維空間結構的高聚物，是化學化工生產中芳香族化合物原料的豐富資源[1]。木質素是以苯丙烷為單元，因基本結構單元不同，可分為3種類型：紫丁香基木質素（syringyl lignin，S-木質素）、愈瘡木基木質素（guaiacyl lignin，G-木質素）、對羥基苯基木質素（hydroxy-phenyl lignin，H-木質素）[2-3]。玉米秸稈的木質素主要由上述3 種結構單元構成[4]。

木質素的分子結構中存在芳香基、酚羥基、醇羥基、羰基、甲氧基、羧基、共軛雙鍵等活性基團，可以進行氧化、還原、水解、醇解、酸解、酰化、磺化、烷基化、鹵化、硝化、縮聚或接枝共聚等諸多反應[5-8]，因此木質素具有分散性、絮凝性、螯合性、緩釋性、黏合性、吸附性等理化特性，將應用在合成高效吸附劑、染料分散劑、混凝土減水劑、橡膠添加劑，農藥緩釋劑等化工領域[9-12]。

在提取木質素工藝中，不同方法及分離條件會導致木質素結構單元之間連接鍵型和功能基團的差異[13-16]，進而導致提取率的不同。例如，Henrikki等[17]采用堿水解和酶解分步提取玉米秸稈木質素，研究不同濃度NaOH溶液對木質素的結構差異影響，沒有優化提取條件。Zhu Jiying等[18]應用厭氧消化輔助提取經稀堿預處理后的玉米秸稈木質素，提取率為46.2%。如何獲得高活性木質素提取率是研究的關鍵。

本研究應用堿溶-醇沉-酸析法對玉米秸稈中木質素提取及表征進行研究，通過關鍵因素的堿溶作用，提高玉米秸稈中木質素總脫除率。探討NaOH溶液濃度、提取溫度、反應時間對玉米秸稈木質素提取率影響，通過Box-Behnken試驗設計優化木質素提取工藝參數。并采用熱重（thermogravimetric，TG）分析、傅里葉變換紅外光譜（Fourier translation infrared spectroscopy，FT-IR）以及紫外-可見吸收光譜對木質素進行結構表征和理化特性分析，為玉米秸稈木質素應用提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

玉米秸稈 長春大成實業集團有限公司；NaOH、濃硫酸、鹽酸、冰乙酸（均為分析純） 北京化工廠；無水乙醇、95%乙醇（分析純） 天津市光復科技發展有限公司；鄰苯二甲酸氫鉀、磷酸二氫鉀、磷酸氫二鈉（均為優級純） 北京北化精細化學品有限公司；乙二醇、乙醚（均為分析純） 天津市富宇精細化工有限公司；溴化鉀、二甲基亞砜（均為光譜純） 天津市光復精細化工公司。

1.2 儀器與設備

SHB-In循環水式多用真空泵 上海豫康科教儀器設備有限公司；HH-4數顯恒溫水浴鍋 金壇市江南儀器廠；RE-201D旋轉蒸發器 上海凌標儀器有限公司；DD5臺式高速離心機 湖南凱達科學儀器有限公司；LGJ-12型冷凍干燥機 北京松源華興科技發展有限公司；pHS-3C酸度校準儀 雷磁分析儀器廠；TA Instruments 2050 TGA熱失重分析儀 美國Pike公司；Perkin Elmer Spectrum One傅里葉變換紅外光譜儀 美國PE股份有限公司；Cary Series UV-Vis-NIR spectrophotometer紫外-可見光譜儀 美國Varian高科技公司。

1.3 方法

1.3.1 玉米秸稈原料木質素質量分數的測定

取0.5 g玉米秸稈原料，應用美國國家可再生能源實驗室方法[19]，測定玉米秸稈原料中木質素的質量分數。計算如式（1）所示。

式中：w為木質素的質量分數/%；m1為木質素質量/g；m2為玉米秸稈原料質量/g。

1.3.2 玉米秸稈中木質素的提取工藝

玉米秸稈原料水熱預處理脫除水溶性雜質，料液比1∶20（g/mL），加入一定量的NaOH固體，水浴加熱提取、過濾，濾液用乙酸調pH 5.5，減壓濃縮，95%乙醇處理并過濾，濾渣為半纖維素產品。濾液減壓蒸餾用6 mol/L HCl溶液調pH 1.5，離心分離，冷凍干燥，所得產品為玉米秸稈木質素。提取率計算如式（2）所示。

式中：Y為木質素提取率/%；M1為提取到的木質素質量/g；M2為原料所含木質素質量/g。

1.3.3 Box-Behnken試驗優化工藝條件

在單因素試驗的基礎上，根據Box-Behnken試驗原理[20]，以木質素提取率為指標，選取NaOH溶液濃度、反應時間和提取溫度三因素進行Box-Behnken優化試驗（統計分析軟件Design-Expert 8.0），試驗因素和水平見表1。

表1 Box-Behnken試驗因素與水平Table1 Factors and levels of Box-Behnken experiment design

1.3.4 玉米秸稈木質素表征分析

1.3.4.1 TG分析

采用熱失重分析儀在程序控制溫度條件下測試樣品的質量與溫度變化關系，研究樣品的熱穩定性和組分。樣品于N2環境下以10 ℃/min速率升溫，測試溫度范圍為50～650 ℃。

1.3.4.2 FT-IR測定

本實驗采用的紅外光譜儀分辨率為4 cm—1，掃描范圍為4 000～450 cm—1，掃描次數32 次，KBr壓片（木質素與KBr質量比1∶100），KBr做背景掃描。測試 前樣品在50 ℃條件下，干燥至質量恒定。

1.3.4.3 紫外-可見吸收光譜測定

將100 mg木質素溶解于100 mL二甲基亞砜中配制成樣品溶液，測定紫外-可見吸收光譜，掃描范圍200～800 nm，二甲基亞砜做背景掃描。

2 結果與分析

2.1 玉米秸稈原料木質素的質量分數

玉米秸稈原料中木質素的質量分數測定結果見表2，平均值為12.9 8%。

表2 玉米秸稈原料木質素的質量分數Table2 Lignin content in corn stovertover

2.2 木質素提取單因素試驗結果

2.2.1 NaOH溶液濃度對木質素提取率的影響

圖1 NaOH溶液濃度對木質素提取率的影響Fig.1 Effect of NaOH concentration on the yield of lignin

按NaOH溶液濃度分別為1.0～4.0 mol/L加入NaOH固體，提取溫度60 ℃、反應時間3 h，考察NaOH溶液濃度對玉米秸稈中木質素提取率的影響（圖1）。NaOH溶液濃度為2 mol/L時，木質素的提取率為68.28%。結果表明，適宜NaOH溶液濃度可斷裂木質素與糖聚物之間的酯鍵和醚鍵，由于木質素結構中含有較多的酚羥基，在堿性條件下是以可溶性酚鈉鹽的形式存在的，然后在酸性條件下變成不溶性游離酚析出，而NaOH溶液濃度較高的提取過程中，木質素可能發生氧化和自身縮合反應造成損失。

2.2.2 反應時間對木質素提取率的影響

圖2 反應時間對木質素提取率影響Fig.2 Effect of reaction time on the yield of lignin在NaOH

NaOH溶液濃度2 mol/L、提取溫度60 ℃時，研究不同反應時間對玉米秸稈木質素提取率的影響（圖2）。由結果可知，木質素的提取率隨著反應時間的延長而增加， 3 h時木質素提取率達到67.05%，趨于平緩，提示反應基本結束。

2.2.3 提取溫度對木質素提取率影響

溫度是控制化學反應速率和方向的重要因素，木質素與糖類復合結構的破壞必然受到提取溫度的影響，從而影響木質素的提取率。在NaOH溶液濃度2 mol/L、反應時間3 h條件下，考察不同提取溫度條件下玉米秸稈木質素提取率的變化（圖3）。當提取溫度為70 ℃時，木質素提取率為66.40%。

圖3 提取溫度對木質素提取率的影響Fig.3 Effect of extraction temperature on the yield of lignin

2.3 Box-Behnken試驗設計與結果

Box-Behnken試驗方案及響應值見表3，回歸方程的各項分析見表4。擬合方程：Y=70.32＋1.81A＋3.96B＋2.03C＋0.19AB—3.91AC—0.94BC—7.71A2—5.10B2—3.98C2。由方程可知，模型的顯著水平遠小于0.05，此回歸模型高度顯著。回歸方程方差分析結果表明，方程的失擬項較小，該方程對試驗結果擬合良好。一次項均顯著，交互項僅AC顯著，二次項顯著。表明對木質素提取率影響的大小順序依次為NaOH溶液濃度、提取溫度和反應時間，NaOH溶液濃度為關鍵因素。

表3 Box-Behnken設計方案及結果Table3 Design and results of Box-Behnken experiments

表4 回歸方程的方差分析Table4 Analysis of variance for the regression model

對多元回歸方程的響應面曲線圖（圖4）使用規范分析可知，回歸模型存在最大穩定點，即反應時間3.08 h、NaOH溶液濃度2.37 mol/L、提取溫度73.4 ℃，木質素提取率預測值為71.31%。

圖4 各因素交互作用對木質素提取率影響的響應面圖Fig.4 Response surface plolts for the effects of three factors on the yield of lignin

2.4 木質素提取驗證實驗

綜合考慮實際可操作性，優化工藝條件修整為NaOH溶液濃度2.40 mol/L、提取時間3.10 h、反應溫度74 ℃，在此條件下，取玉米秸稈原料進行4 次木質素提取驗證實驗，實驗結果見表5，木質素平均提取率為69.71%，驗證實驗結果與預測值很接近，說明回歸方程能夠比較真實地反映各因素對木質素提取率的影響。

表5 木質素提取驗證實驗Table5 Verification of optimal conditions for lignin extraction

2.5 玉米秸稈木質素表征分析

2.5.1 TG分析

圖5 玉米秸稈木質素的熱質量損失率及質量損失速率曲線Fig.5 TG and DTG curves of lignin extracted from corn stover

玉米秸稈木質素TG曲線（圖5）中，a和b分別代表木質素的TG曲線和木質素的TG一次微分后（derivative thermogravimetric analysis，DTG）曲線。結果表明，木質素的熱解是復雜過程。玉米秸稈木質素熱解范圍廣，經歷不同的質量損失階段。30～130 ℃的質量損失主要是吸附水分的蒸發。130～400 ℃為碳水化合物組分分解為揮發性氣體（CO、CO2、CH4等）。酚類物質、醇醛酸在400～500 ℃快速降解為氣態產物，在470 ℃左右木質素達到最大質量損失速率。溫度超過500 ℃，約有25%的固體殘留物，是由于木質素中的部分官能團形成了交聯結構，具有很高的熱穩定性，在650 ℃高溫條件下也不發生降解。

2.5.2 FT-IR分析

圖6 玉米秸稈木質素FT-IR圖T-IRFig.6 IR spectrum of lignin extracted from corn stov er

紅外光譜可反映分子內部原子間的相對振動和分子轉動等信息，推斷物質分子結構從而鑒定物質[14]。從玉米秸稈木質素紅外光譜（圖6）可以看出，3 434 cm—1處吸收峰很強，為O—H伸縮振動，說明O—H相對含量較高。2 936 cm—1和2 853 cm—1處 為亞甲基和甲基的C—H振動。1 637 cm—1處為共軛的羰基伸縮振動。1 463、1 423 cm—1處芳香族碳骨架振動。存在1 329 cm—1處紫丁香基的吸收帶和愈創木基在1 033 cm—1處的吸收帶。1 158 cm—1處的弱吸收帶可能是由于酯基（共軛的）的吸收，即可能有對羥基苯基結構。900 cm—1以下為芳香環取代基的振動情況。說明木質素上的苯環存在不同類型的取代。該紅外光譜體現了木質素分子所特有官能團的特征吸收。

2.5.3 紫外-可見吸收光譜分析

圖7 玉米秸稈木質素紫外-可見吸收光譜圖Fig.7 UV-Vis spectrum of lignin extracted from corn stover

木質素為芳香族化合物，對紫外光具有強烈的吸收[15]。從提取到的玉米秸稈木質素樣品的紫外-可見吸收光譜（圖7）可知，最大吸收峰位于282 nm波長處，同時在312 nm波長處出現一肩峰。282 nm波長處對應為共軛分子結構如芳香環中電子躍遷引起的吸收，在312 nm波長處的強吸收對應為對香豆酸和對阿魏酸的吸收。結合紅外光譜分析表明木質素中含有較多的化學活性基團，具有較好的化學活性。可通過分子設計對其改性，在化工領域有潛在應用價值。

3 結 論

依據木質素與多糖間的醚健、酯鍵易堿液破壞的機理，通過關鍵因素“堿溶”斷裂木質素與纖維素和半纖維素的緊密結合，木質素生成可溶性酚鈉鹽，經“醇沉”除去可溶性的雜質，再“酸析”使木質素生成不溶性游離酚析出，實現固液兩相可分離系統。此工藝過程關鍵為NaOH溶液濃度、反應時間和提取溫度協同作用，通過Box-Behnken試驗得到提取優化條件：NaOH溶液濃度2.40 mol/L、反應時間3.10 h、提取溫度74 ℃。在此優化工藝條件下木質素的提取率達到69.71%。此玉米秸稈提取工藝技術與高沸醇溶法提取相比減少其耗能[21]，微波輔助提取秸稈木質素難以規模化生產[22]，酶解提取木質素周期長且成本較高[17]，堿溶-醇沉-酸析工藝過程成本低、條件溫和、周期短，實現了高活性玉米秸稈木質素的高效提取。

玉米秸稈木質素的TG分析表明，大部分有機質在130～500 ℃階段發生熱解反應而發生較大程度的質量損失。130～400 ℃碳水化合物組分分解為揮發性氣體，酚類物質、醇醛酸在400～500 ℃快速降解為氣態產物。最終得到約25%的固體殘留物，表明木質素中的部分官能團形成了交聯結構，具有很高的熱穩定性，在650 ℃高溫條件下也不發生降解。

紅外光譜體現了木質素分子所特有官能團的特征吸收，包括紫丁香基和愈創木基吸收帶。玉米秸稈木質素的羥基含量較高，苯環上存在不同類型的取代。最大紫外吸收峰位于282 nm波長處，對香豆酸和對阿魏酸結構在312 nm波長處有強吸收。玉米秸稈木質素中含有較多的化學活性基團，為較好的平臺化合物，可通過分子設計及改性合成高分子材料，替代石油化工產品，具有重要應用價值。

[1] GHAFFAR S H FAN M Structural analysis for lignin characteristics in biomass straw[J]. Biomass and Bioenergy′2013′57: 264-279.

[2] BURANOV A U MAZZA G Lignin in straw of herbaceous crops[J]. Industrial Crops and Products′2008′28(3): 237-259.

[3] AHVAZI B WOJCIECHOWICZ O TON-THAT T M et al Preparation of lignopolyols from wheat straw soda lignin[J]. Agricultural and Food Chemistry′2011′59(19): 10505-10516.

[4] CATETO C A BARRIRO M F RODIGUES A E Monitoring of lignin-based polyurethane synthesis by FTIR-ATR[J]. Industrial Crop Products′2008′27(2): 168-174.

[5] 蔣挺大. 木質素[M]. 北京: 化學工業出版社′2001: 26.

[6] 羅學剛. 高純木質素提取與熱塑改性[M]. 北京: 化學工業出版社′2008: 4-7.

[7] 汪駿′金永燦. 木質素模型物羥甲基化反應的機理研究[J]. 纖維素科學與技術′2011′19(2): 1-9.

[8] 陶用珍′管映亭. 木質素的化學結構及其應用[J]. 纖維素科學與技術′2003′11(1): 42-55.

[9] LAURICHESSE S AV?ROUS L Chemical modification of lignins towards biobased polymers[J]. Progress in Polymer Science′2014′39(7): 1266-1290.

[10] SUN Shaolong WEN Jialong MA Mingguo et al Revealing the structural inhomogeneity of lignins from sweet sorghum stem by successive alkali extractions[J]. Agricultural and Food Chemistry′2013′61(18): 4226-4235.

[11] TOLEDANO A SERRANO L GARCIA A et al Comparative study of lignin fractionation by ultrafiltration and selective precipitation[J]. Chemical En gineering Journal′2010′157(1): 93-99.

[12] BAUER S SOREK H MITCHELL V D et al Characterization of miscanthus giganteus lignin isolated by ethanol organosolv process under reflux condition[J]. Agricultural and Food Chemistry′2012′60(33): 8203 -8212.

[13] KIM Y S KADLA J F Preparation of a thermoresponsive ligninbased biomaterial through atom transfer radical polymerization[J]. Biomacromolecules′2010′11(4): 981-988.

[14] SANJEEV P M CHANG H K Preparation of carbon fibers form a lignin copolymer with polyacrylonitrile[J]. Synthetic Metals′2012′162(5/6): 453-459.

[15] YU Youming FU Shenyuan Functionalized lignin by grafting phosphorus-nitrogen ipmroves the thermal stability and flame retardancy of polypropylene[J]. Polymer Degradation and Stability′2012′97(4): 541-546.

[16] LI Mingfei SUN Shaoni XU Feng Ultrasound-enhanced extraction of lignin from bamboo (Neosinocalamus affi nis): characterization of the ethanol-soluble fractions[J]. Ultrasonics Sonochemistry′2012′19(2): 243-249.

[17] HENRIKKI S M LAPIERRE C MECHIN V et al Isolation of structurally distinct lignin-carbohydrate fractions from maize stem by sequential alkaline extractions and endoglucanase treatment[J]. Bioresource Technology′2013′133: 522-528.

[18] ZHU Jiying WAN Caixia LI Yebo Enhanced solid-state anaerobic digestion of corn stover by alkaline pretreatment[J]. Bioresource Technology′2010′101(19): 7523-7528.

[19] SLUITER A HAMES B RUIZ R et al Determination of structural carbohydrates and lignin in biomass[R/OL]. Golden Colorado National Renewable Energy Laboratory′2008. [2014-08-20]. http:// www.nrel.gov/docs/gen/fy13/42618.pdf.

[20] 劉冬蓮. 響應面法優化花生殼中高沸醇木質素提取工藝研究[J]. 化學研究與應用′2011′23(11): 1566-1569.

[21] 黃麗君′葉菊娣′徐誠′等. 改進的高沸醇溶劑法分離稻草中木質素的研究[J]. 南京林業大學學報′2010′34(2): 104-106.

[22] 李賓. 微波促進麥草堿木素的液化降解研究[D]. 廣州: 華南理工大學′2013.

Extraction and Characterization of Lignin from Corn Stover

ZHANG Kun WANG Gaoxuan WANG Xiaojun ZHANG Shasha XUE Donghua*
(College of Chemical and Life Science Changchun University of Technology Changchun 130012′China)

Lignin is a natural phenolic polymer abundant in corn stover It plays an impor tant role in the synthesis of adsorbents dye dispersants concrete water-reducing agents and many others in the field of chemical industry In this work we developed a method to extract lignin from corn stover by means of alkaline solubilization alcohol precipitation and acid separation Box-Behnken design was applied to optimize the extraction process The highest lignin yield achieved was 69.71% under the condition of 2.40 mol/L NaOH at 74 ℃ for 3.10 hours The resulting lignin was analyzed by using thermogravimetry (TG)′Fourier transform infrared spectroscopy (FT-IR and ultraviolet-visible (UV-Vis spectroscopy This lignin was decomposed mainly between 130 and 500 ℃. Some of its functional groups formed a cross-linked complex with thermal stable structures The maximum UV absorption occurred at 282 nm This lignin is very reactive and suitable for polymer synthesis and modification Thus this study provides a new way of utilizing corn stover.

lignin corn stover alkaline solubilization-alcohol precipitation-acid separation characterization

O636.2

A

1002-6630（2015）06-0058-05

10.7506/spkx1002-6630-201506011

2014-08-20

吉林省科技發展計劃項目（20126035）；長春市科技支撐計劃項目（2012213）

張坤（1988—），男，碩士研究生，研究方向為生物有機化學。E-mail：55808 205@qq.com

*通信作者：薛冬樺（1956—），女，教授，博士，研究方向為生物有機化學。E-mail：xuedonghua@mail.ccut.edu.cn