深度共熔溶劑分離提取玉米芯纖維素

劉洪杰，邢山川，張思思，陸文超，劉少杰

(河北科技大學化學與制藥工程學院，河北石家莊 050018)

深度共熔溶劑分離提取玉米芯纖維素

劉洪杰，邢山川，張思思，陸文超，劉少杰

(河北科技大學化學與制藥工程學院，河北石家莊 050018)

為探索纖維素分離提取的新方法，采用以1,4丁二醇(BDO)和氯化膽堿(ChCl)為氫鍵供受體的深度共熔溶劑(DES),分離提取廢棄生物質玉米芯中的纖維素。通過實驗考察了常壓下ChCl與BDO物質的量比、溫度、時間、液固比對纖維物質得率和纖維素含量的影響,通過紅外光譜(FT-IR)、熱重分析(TG/DTG)、X射線衍射(XRD)、掃描電鏡(SEM)等對原料和產品進行了表征分析。結果表明：當ChCl-BDO物質的量比為1∶3、溫度為180 ℃、時間為4 h、液固比為20∶1時，纖維物質的得率為44.6%，纖維素含量為77.8%，木質素的脫除率達到95%，半纖維素的脫除率為75%，纖維素基本不損失。FT-IR，TG/DTG，XRD，SEM分析表明，玉米芯經DES處理后，木質素、半纖維素被大量脫除，得到的纖維物質內部較松散，纖維素的結構基本未被破壞。DES在纖維素分離提取領域有著良好的應用前景。

生物質；玉米芯；深度共熔溶劑；纖維素；分離

纖維素是地球上最古老、最豐富的天然高分子，是由D-吡喃式葡萄糖基以β-1,4糖苷鍵鏈接而成的線性大分子多糖，其分子鏈主要由結晶區和無定形區2部分構成[1]。由于纖維素具有無毒無害、可生物降解、價格低廉且可再生等優點，因而被廣泛應用于食品、醫藥、建筑、造紙等各個行業。近年來，隨著化石資源儲量的不斷減少和人們對環境污染問題的日益關注，纖維素這種可持續發展的可再生資源的應用愈來愈受到重視[2]。在天然纖維素原料中，纖維素往往是與半纖維素、木質素交聯在一起的，如何有效地將纖維素與半纖維素、木質素分離是實現纖維素高附加值利用的基礎[3-4]。目前纖維素提取方法主要可分為物理法、化學法和生物法，其中物理法對半纖維素、木質素分離不徹底；生物法所需周期較長，降解效率較低，阻礙了其在工業上的應用；化學法如常見的酸/堿處理法，存在污染嚴重、纖維素損失量大的問題[5]。因此，有關纖維素分離提取的新方法一直以來都是人們研究的熱點領域。

2004年，ABBOTT等[6]首次以天然可再生物質合成制備出了深度共熔溶劑(DES)，它主要是由季銨鹽和氫鍵供體所組成的低溫共熔混合物，熔點顯著低于各個組分純物質的熔點。這類DES除了具備傳統離子液體揮發性低、溶解性好、穩定性高的優良特性外，還具有低毒、可生物降解、價格低廉、易于制備等特點[7-8]。2012年，FRANCISCO等[9]首先報道了用DES處理小麥秸稈，發現某些DES對木質素具有較好的溶解性，對纖維素幾乎不溶解，因此可根據溶解性能的不同實現對纖維素和木質素的選擇性分離。GUNNY等[10]用DES處理稻殼，相較于采用稀堿溶液處理，可獲得更高的葡萄糖得率和更低的能量消耗。目前，國內外學者先后報道了采用不同DES對水稻秸稈[11]、木材[12]、玉米秸稈[13]等進行預處理研究。研究結果表明，DES在植物生物質預處理領域顯現出良好的應用前景，但報道中用于處理的DES多是以酸作為氫鍵供體，而以多元醇作為氫鍵供體的DES較少見于報道。

1,4-丁二醇作為一種良好的氫鍵供體，對木質素有著較好的溶解性。本研究首次用以1，4-丁二醇(BDO)和氯化膽堿(ChCl)作為氫鍵供受體的(ChCl-BDO)DES，分離提取玉米芯中的纖維素，考察ChCl與BDO物質的量比、溫度、時間、液固比等因素對分離提取效果的影響，并對原料和產品進行分析表征。處理后的DES經收集，可通過加入乙醇-水溶液，待析出溶解的物質后，對其進行再生處理。

1 原料與實驗方法

1.1 主要原料與儀器

玉米芯，取自河北省石家莊市某郊區；氯化膽堿、1,4-丁二醇，上海麥克林生化科技有限公司提供；無水乙醇、氫氧化鈉，天津市永大化學試劑有限公司提供；硝酸、鹽酸等，所用試劑均為分析純。

電子分析天平(CP214)，上海奧豪斯儀器有限公司提供；集熱式恒溫加熱磁力攪拌器(DF-101S)，河南省予華儀器有限公司提供；高速萬能粉碎機(FW-100)，天津市泰斯特儀器有限公司提供；箱式電阻爐(SX2-4-10)，龍口市電爐制造廠提供；紫外可見光分光度計(UV-1901)，上海佑科儀器儀表有限公司提供。

1.2 實驗方法

1.2.1 原料預處理

將玉米芯經洗滌、除雜、自然風干后，切成4～5 cm小段，用粉碎機粉碎后過0.147 mm(100目)篩，將試樣于干燥環境中保存備用。

1.2.2 ChCl-BDO溶劑的合成

將不同物質的量比的ChCl-BDO換算成相對應的質量比后，按質量比準確稱量一定質量的二組分，加入到錐形瓶中混合，于50 ℃下磁力攪拌直至兩者形成均勻透明的溶液，冷卻后置于干燥器中保存備用。

1.2.3 玉米芯纖維素的分離提取

取適量玉米芯粉末及ChCl-BDO溶劑，加入到反應容器中，在一定溫度下反應一定時間。反應結束后，將物料過濾分離，所得剩余固體用無水乙醇多次洗滌，于105 ℃下干燥后稱重，分析計算纖維物質得率及其中纖維素的含量。通過單因素實驗，分別考察不同溫度、時間、物質的量比、液固比對纖維物質得率及纖維素含量的影響。

1.2.4 原料和產品的組分測定和分析計算

纖維素含量的測定采用“硝酸-乙醇”法[14]，半纖維素含量的測定采用國標GB/T 745—2003，木質素測定采用國標GB/T 10337—2008(酸不溶木素)及GB/T 747—2003(酸溶木素)。

纖維物質得率=M2/M1×100%。式中：M1為處理前絕干玉米芯質量，g；M2為處理后絕干固體質量，g。

纖維素損失率=[(C1-C2)/C1]×100%。式中：C1為處理前絕干玉米芯中纖維素質量，g；C2為處理后絕干固體中纖維素質量，g。

半纖維素脫除率=[(H1-H2)/H1]×100%。式中：H1為處理前絕干玉米芯中半纖維素質量，g；H2為處理后絕干固體中半纖維素質量，g。

木質素脫除率=[(L1-L2)/L1]×100%。式中：L1為處理前絕干玉米芯中木質素質量，g；L2為處理后絕干固體中木質素的含量。

1.2.5 表征分析

對原料玉米芯和產品(DES處理后得到的固體)分別進行紅外光譜分析(FT-IR)，采用美國PE公司的Frontier型紅外光譜儀，用KBr壓片，掃描范圍為4 00～4 000 cm-1，掃描次數32次，分辨率為4 cm-1；熱重分析(TG/DTG)，采用美國TA公司Q600型同步熱分析儀，條件為N2保護，氣體流量為20 mL/min，升溫范圍為25～700 ℃，升溫速率為10 ℃/min；X射線衍射分析(XRD)，采用日本Rigaku公司的D/MAX-2500型X射線衍射儀，特征射線為CuKα，Ni片濾波，電壓30 kV，電流15 mA，掃描范圍為5°～60°，掃描速率為0.02°/s；掃描電鏡分析(SEM)，采用荷蘭Phenom公司的PhenomProx型電鏡能譜一體臺式掃描電子顯微鏡，對樣品的微觀形貌進行觀察。

2 結果與討論

2.1 溫度對纖維物質得率及纖維素含量的影響

在時間為12 h，ChCl與BDO物質的量比為1∶9，液固比為30∶1的條件下，考察溫度分別為90，120，150，180 ℃時對纖維物質得率及纖維素含量的影響，結果如圖1所示。

由圖1可以看出，隨著溫度的增加，纖維物質得率逐漸降低而其中纖維素的含量逐漸增加，當溫度從90 ℃升高到150 ℃時，纖維物質得率由91.75%降低至77.83%，固體中纖維素的含量由38.14%升高為45.82%。當溫度從150 ℃升高到180 ℃時，纖維素含量、纖維物質得率均有一個較大變化，分別由45.82%提高到76.6%，由77.83%降低至45.23%。這主要是因為隨著溫度的升高，玉米芯中的半纖維素、木質素等組分脫除率增加，造成纖維物質得率下降，同時纖維物質中纖維素的含量相對增加，而溫度高有利于反應試劑對半纖維素、木質素的溶解脫除。實驗結果表明，在180 ℃時半纖維素、木質素的脫除率分別為77.8%和86.8%，但溫度從90 ℃升高到180 ℃時，纖維素的損失量也由不發生損失到損失1.45%，繼續升高溫度可能會對纖維素造成更大的損失，因此溫度選擇為180 ℃。

2.2 時間對纖維物質得率及纖維素含量的影響

在溫度為180 ℃，ChCl與BDO物質的量比為1∶9，液固比為30∶1的條件下，考察時間分別為1，4，8，12 h時對纖維物質得率及纖維素含量的影響，結果如圖2所示。

由圖2可以看出，當時間從1 h增加到4 h時，纖維物質得率由69.77%降低至49.32%，纖維素含量由50.16%增加到70.3%；而時間超過4 h后，纖維物質得率和纖維素含量的變化趨勢明顯減小；當時間增加到12 h時，纖維物質得率和纖維素含量僅分別變化了4.32%和6.30%。這是因為時間過短時，溶劑與固體的接觸時間短，反應不充分，大量的半纖維素、木質素還沒有來得及脫除，因此纖維物質得率較高，纖維素含量較低。而時間過長時，溶劑對半纖維素、木質素的脫除能力接近最大值，因此纖維物質得率和纖維素含量變化趨勢減緩。當時間從4 h增加到12 h后，也會對纖維素造成1.45%的損失，說明隨著時間的延長，對纖維素的破壞也越嚴重。因此，為了避免對纖維素造成破壞以及降低能量消耗，綜合考慮后將最佳時間定為4 h。

2.3 物質的量比對纖維物質得率及纖維素含量的影響

在溫度為180 ℃、時間為4 h、液固比為30∶1的條件下，考察ChCl與BDO物質的量比(1∶3，1∶5，1∶7，1∶9，1∶11)對纖維物質得率及纖維素含量的影響，結果如圖3所示。

由圖3可以看出，在ChCl-BDO溶劑中，隨著BDO相對含量的增加，纖維物質得率逐漸升高，纖維素含量逐漸降低。研究表明，ChCl具有相催化轉移作用[15]，在ChCl-BDO溶劑中，提高ChCl的量，可以提高ChCl-BDO溶劑對半纖維素、木質素的脫除能力。但研究發現，當ChCl與BDO物質的量比為1∶1和1∶2時，溶劑在室溫下有結晶現象，不能形成均勻透明的溶液。綜合考慮后將ChCl與BDO物質的量比定為1∶3。

2.4 液固比對纖維物質得率及纖維素含量的影響

在溫度為180 ℃、時間為4 h及ChCl與BDO物質的量比為1∶9的條件下，考察液固比(5∶1，10∶1，20∶1，30∶1)對纖維物質得率及纖維素含量的影響，結果如圖4所示。

由圖4可以看出，隨著液固比的增加，纖維物質得率先下降后趨于平穩，纖維素含量先升高后趨于平穩。當液固比為5∶1時，主要是因為液固比太小，溶劑不能有效浸漬固體，也無法對體系進行攪拌，最終溶劑對固體中的半纖維素、木質素脫除很少，造成纖維物質得率較高，纖維素含量較低。當液固比為20∶1后，再增加液固比，纖維物質得率和纖維素含量基本不再發生變化。這說明在不改變其他反應條件下，僅增加溶劑量，并不能增加對固體其他組分的溶解量。因此綜合考慮后，將液固比定為20∶1。

2.5 原料和產品的表征分析

2.5.1 紅外光譜(FT-IR)分析

圖5是原料玉米芯和產品DES處理后固體的紅外光譜圖。對比兩者的紅外光譜圖可以發現，相較于原料玉米芯的紅外譜圖，經DES處理后固體的紅外譜圖明顯有一些峰消失或強度減弱。圖5中3 429 cm-1處為—OH伸縮振動峰；2 914和1 370 cm-1處為甲基、亞甲基、次甲基中C—H伸縮、彎曲振動吸收峰；1 455，1 335， 1 430和1 319 cm-1分別為—OH彎曲吸收峰和CH2彎曲、搖擺吸收峰；1 165，1 112和1 034 cm-1為纖維素分子鏈中C—O—C結構產生的伸縮振動峰[16]；895 cm-1為纖維素分子中β-糖苷鍵鏈接的特征吸收峰[17]，1 730 cm-1為半纖維素和木質素分子結構中—C=O伸縮振動吸收峰；1 640 cm-1處為固體中所含水分子H—O—H彎曲振動吸收峰；1 605和1 515 cm-1為木質素的芳環特征吸收峰；1 250 cm-1附近吸收峰為醚鍵C—O伸展振動吸收峰[18-19]。觀察原料和產品的紅外譜圖，發現經DES處理后產品中1 605 cm-1和1 515cm-1兩處峰消失，1 730 cm-1和1 250 cm-1兩處吸收峰強度明顯減弱。這說明經DES處理后，原料中大部分木質素和半纖維素被脫除，而1 112，1 058和1 034 cm-1等處的纖維素特征峰的變化，表明處理后產品中大部分為纖維素。

2.5.2 熱重(TG，DTG)分析

圖6是原料玉米芯和產品DES處理后固體的TG和DTG圖。從圖6可以看出，兩者在25～100 ℃均有一個小的失重峰，這主要是由于水分的蒸發所造成的。從TG圖中可以看出原料的主要失重溫度范圍為250～350 ℃。從DTG中可以看到，在該溫度范圍內出現的2個失重峰，對應的溫度分別為295 ℃和329 ℃，產品的主要失重溫度范圍為300～370 ℃。從DTG圖中可以看到有大小2個失重峰，主要峰對應的溫度為356 ℃，主峰左側的小峰對應的溫度為290 ℃。由于半纖維素主要為松散的無定形結構，因此熱穩定性較差，熱分解溫度為 190～350 ℃[20]。纖維素作為由葡萄糖單元連接而成的線性高分子聚合物，易于在分子鏈內形成結晶區，因此纖維素熱穩定性較好，熱分解溫度為275～350 ℃[21]。木質素是由3種苯基丙烷結構單元連接而成的具有三維空間的高分子聚合物，由于組成及結構的復雜性，使得木質素的熱分解溫度范圍較寬，為130～500 ℃[22]。由于玉米芯中木質素含量不高，且半纖維素與木質素之間存在化學鍵的連接，半纖維素熱分解的同時也會促進木質素的熱分解，因此在原料DTG圖中左側的失重峰應該為半纖維素、木質素的熱分解峰[23]。對比原料和產品的TG和DTG可以發現，產品的熱穩定性高于原料，且產品的最終殘余質量要低于原料。這主要是由于經ChCl-BDO溶劑處理后，原料中大部分木質素、半纖維素等被脫除，產品中熱穩定性較高的纖維素含量相對增加，木質素等易在高溫下產生結焦物質的雜質組分含量減少，因此處理后產品的熱穩定性高于原料，最終殘余質量比原料的少。但從產品的DTG圖可以看出，在纖維素失重峰的左側依然有小失重峰，這說明處理后固體中還含有少量半纖維素和木質素。

2.5.3 X衍射(XRD)分析

2.5.4 掃描電鏡(SEM)分析

圖8是原料玉米芯和產品DES處理后固體的掃描電鏡圖，對比兩圖可以發現原料玉米芯經DES處理后形貌發生了顯著變化。從圖8 a)可以看出，原料玉米芯呈無規則碎片狀固體，圖中長條狀物質可能為采樣或表征分析過程中引入的其他雜質成分；從圖8 b)可以看出，原料經DES處理后，固體呈纖維狀，尺寸有所減小，且表面變得粗糙，并出現了一些褶皺和小孔，這可能是由于DES處理過程中將包裹纖維素的半纖維素、木質素等組分脫除，使得纖維素內部暴露出來，但由于處理后固體還含有一些非纖維組分，因而得到的固體并不是表面光滑的纖維狀固體。原料經DES處理后，由于半纖維素、木質素的脫除以及固體中空隙的增加，均有利于反應試劑在纖維素內部的滲透，為后期纖維素的功能化改性奠定了良好基礎。

3 結 語

1)以玉米芯為原料，采用深度共熔溶劑體系對纖維素進行了分離提取，通過單因素實驗，找到了最佳工藝條件：溫度為180 ℃、時間為4 h、物質的量比為1∶3、液固比為20∶1。在該條件下，纖維物質得率為44.6%，纖維素含量為77.5%，顯示出深度共熔溶劑在纖維素分離提取領域有著良好的應用前景。

2)以BDO和ChCl作為氫鍵供受體的深度共熔溶劑處理玉米芯，在溫度較高時才能對半纖維素、木質素有一個良好的脫除效果，且在處理過程中基本不會對纖維素造成破壞。在最佳條件下，木質素的脫除率可達95%，半纖維素的脫除率為75%。

3)FT-IR和TG/DTG分析表明，經ChCl-BDO溶劑處理后固體中的纖維素含量較高；XRD分析表明經ChCl-BDO溶劑處理后，纖維素的晶型沒有發生改變；SEM分析表明，玉米芯經ChCl-BDO溶劑處理后，表面形貌發生了顯著變化，纖維內部空隙增加，有利于反應試劑的滲透。

后續工作將會對分離提取得到的纖維素進行功能化改性以及對DES的重復利用進行研究。

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[1] LI J B, QING D D, ZHANG M Y, et al. Joint action of ultrasonic and Fe3+to improveselectivity of acid hydrolysis for microcrystalline cellulose[J]. Carbohydrate Polymers, 2015,129: 44-49.

[2] 張智峰. 纖維素改性研究進展[J]. 化工進展, 2010, 29(8): 1493-1501.

ZHANG Zhifeng. Research progress in cellulose modification[J]. Chemical Industry and Engeering Progress, 2010, 29(8): 1493-1501.

[3] LU P, HSIEH Y L. Preparation and characterization of cellulose nanocrystals from rice straw[J]. Carbohydrate Polymers, 2012, 87(1): 564-573.

[4] MARYAM R, RABI B. Effect of cellulose characteristic and hydrolyze conditions on morphology and size of nanocrystal cellulose extracted from wheat straw [J]. International Journal of Polymeric Materials and Polymeric Biomaterials, 2011, 60(8): 529-541.

[5] 周談龍, 宗文明, 曹成茂, 等. 木質纖維素預處理工藝研究現狀及展望[J]. 安徽農業科學, 2014,42(18): 5920-5923.

ZHOU Tanlong, ZONG Wenming, CAO Chengmao, et al. Research status and prospect of lignocellulose pretreatment technology[J]. Journal of Anhui Agri Sci，2014, 42(18): 5920-5923.

[6] ABBOTT A P, BOOTHBY D, CAPPER G, et al. Deep eutectic solvents formed between choline chloride and carboxylic acids: Versatile alternatives to ionic liquids[J]. Am Chem Soc, 2004, 126:9142-9147.

[7] 劉靜, 趙地順, 劉冉, 等. 離子液體型表面活性劑[C12min]Br緩蝕性能研究[J]. 河北科技大學學報, 2016, 37(1): 70-75.

LIU Jing, ZHAO Dishun, LIU Ran, et al. Corrosion inhibition performance of a ionic liquid surfactant [C12min]Br[J]. Journal of Hebei University of Science and Technology, 2016, 37(1): 70-75.

[8] 常杰, 劉鈞, 郭姝君, 等. 新型深度共熔溶劑選擇性分離木質素的研究[J]. 華南理工大學學報(自然科學版), 2016, 44(6): 14-20.

CHANG Jie, LIU Jun, GUO Shujun, et al. Investigation into selective separation of lignin in novel deep eutectic solvent[J]. Journal of South China University of Technology (Natural Science Edition), 2016, 44(6): 14-20.

[9] FRANCISCO M, BRUINHORST A V D, KROOM M C. New natural renewable low transition temperature mixtures (LTTMs):Scree-ning as solvents for lignocellulosic biomass processing[J]. Green Chemistry, 2012,14(8):2153-2157.

[10] GUNNY A A N, ARBAIN D, NASHEF E M, et al. Applicability evaluation of deep eutectic solvents-cellulase system for lignocellulose hydrolysis[J]. Bioresource Technology, 2015, 181: 297-302.

[11] KUMAR A K, PARIKH B S, PRAVAKAR M. Natural deep eutectic solvent mediated pretreatment of rice straw: Bioanalytical characterization of lignin extract and enzymatic hydrolysis of pretreated biomass residue[J]. Environ Sci Pollut Res,2016,23(10):9265-9275.

[12] VASCO C A, MA R S, QUINTERO M, et al. Unique low-molecular-weight lignin with high purity extracted from wood by deep eutectic solvents(DES): A source of lignin for valorization[J]. Green Chemistry, 2016, 18: 5133-5141.

[13] XU G C, DING J C, HAN R Z, et al. Enhancing cellulose accessibility of corn stover by deep eutectic solvent pretreatment for butanol fermentation[J]. Bioresource Technology, 2016, 203: 364-369.

[14] 蔣建新. 生物質化學分析技術[M]. 北京: 化學工業出版社, 2013.

[15] 高鴻賓. 有機化學[M]. 北京: 高等教育出版社, 2005.

[16] JOHAR N, AHMAD I, DUFRESNE A. Extraction: Preparation and characterization of cellulose fibres and nanocrystals from rice husk[J]. Industrial Crops and Products, 2012, 37: 93-99.

[17] MA X J, YANG X F, LIN L, et al. Degradation and dissolution of hemicelluloses during bamboo hydrothermal pretreatment[J]. Bioresource Technology, 2014, 161: 215-220.

[18] ZHANG P, DONG S J, MA H H, et al. Fractionation of corn stover into cellulose: Hemicellulose and lignin using a series of ionic liquids[J]. Industrial Crops and Products, 2015, 76: 688-696.

[19] COLOM X, CARRILLO F, NOGUES F, et al. Structural analysis of photodegraded wood by means of FTIR spectroscopy[J]. Polym Degrad Stab,2003, 80: 543-549.

[20] 程合麗, 詹懷宇, 李兵云, 等. 玉米稈半纖維素的堿化提取與表征[J]. 中國造紙學報, 2011, 26(3): 26-29.

CHENG Heli, ZHAN Huaiyu, LI Bingyun, et al. Isolation and characterization of corn stover hemicellulose[J]. Transations of Chain Pulp and Paper, 2011, 26(3): 26-29.

[21] KIM U, EOM S H, WADA M. Thermal decomposition of native cellulose: Influence on crystalline size[J]. Polymer Degradation and Stability, 2010, 95 : 778-781.

[22] 張坤, 王高煊, 王曉俊, 等. 玉米秸稈木質素的提取工藝優化及表征[J]. 食品科學, 2015, 36(6): 58-62.

ZHANG Kun, WANG Gaoxuan, WANG Xiaojun, et al. Extraction and characterization of lignin from corn stover[J]. Food Science, 2015, 36(6): 58-62.

[23] POLETTO M, ZATTERA A J, FORTE M M C, et al. Thermal decomposition of wood: Influence of wood components and cellulose crystallite size[J]. Bioresource Technology, 2012, 109: 148-153.

[24] SILVéRIO H A, NETO W P F, DANTAS N O, et al. Extraction and characterization of cellulose nanocrystals from corncob for application as reinforcing agent in nanocomposites[J]. Industrial Corps and Products, 2013, 44: 427-436.

[25] DITZEL F I, PRESTES E, CARVALHO B M, et al. Nanocrystalline cellulose extracted from pine wood and corncob[J]. Carbohydrate Polymers, 2017, 157: 1577-1585.

[26] 曹延娟, 辛斌杰, 吳湘濟, 等. 生物質棉纖維再生纖維素膜的制備與性能分析[J]. 河北科技大學學報, 2015, 36(3): 269-278.

CAO Yanjuan, XIN Binjie, WU Xiangji, et al. Preparation and characterization of regenerated cellulose membaranes from natural cotton fiber[J]. Joural of Hebei University of Science and Technology, 2015, 36(3): 269-278.

[27] SEGAL L, CREELY J J, MARTLE A E, et al. An empirical method for estimating the degree of crystallinity of native cellulose using the X-ray diffractometer[J]. Textile Research Journal, 1959, 29(10): 786-794.

Study on extraction of cellulose from corn cobs by deep eutectic solvents

LIU Hongjie, XING Shanchuan, ZHANG Sisi, LU Wenchao, LIU Shaojie

(School of Chemical and Pharmaceutical Engineering, Hebei University of Science and Technology, Shijiazhuang, Hebei 050018, China)

In order to explore a new method for the separation and extraction of cellulose, cellulose is extracted from waste biomass corn cobs by deep eutectic solvent(DES), in which 1,4-butanediol (BDO) and choline chloride (ChCl) are used as the donor and the acceptor of hydrogen bonds, respectively. The influence of the molar ration of ChCl to BDO, the treatment temperature, the interaction time and liquid-solid ratio to fiber material yield and cellulose content under ordinary pressure is investigated through experiment. The structures of raw materials and the products are characterized by using infrared spectroscopy (FT-IR), thermogravimetric (TG/DTG), X-ray diffraction (XRD) and scanning electron microscopy (SEM). The result shows that the fiber material yield and cellulose content are 44.6% and 77.8%, respectively under the optimum conditions which are ChCl-BDO molar ration of 1∶3, treatment temperature of 180 ℃, reaction time of 4 h and liquid-solid ration of 20∶1(g∶g), and under the condition, the removal rate of lignin and hemicellulose are 95% and 75%, respectively, with only losing a little cellulose. The FT-IR, TG/DTG, XRD and SEM results show that the lignin and hemicellulose in the corn cobs are greatly removed after DES treatment. The fiber material internal is more loose and the structure of the cellulose is barely damaged. The result shows that DES has a good prospect in the field of cellulose separation and extraction.

biomass; corn cob; deep eutectic solvent; cellulose; separation

1008-1542(2017)06-0548-07

10.7535/hbkd.2017yx06007

TQ352.4

A

2017-09-06；

2017-10-16；責任編輯：張士瑩

國家自然科學基金(21304030)；河北省高等學校科學技術研究優秀青年基金(YQ2013001)

劉洪杰(1964—)，男，河北景縣人，高級工程師，主要從事化工工藝技術方面的研究。

劉少杰副教授。E-mail：sjliu16@163.com

劉洪杰，邢山川，張思思，等.深度共熔溶劑分離提取玉米芯纖維素[J].河北科技大學學報,2017,38(6):548-554.

LIU Hongjie，XING Shanchuan，ZHANG Sisi，et al.Study on extraction of cellulose from corn cobs by deep eutectic solvents[J].Journal of Hebei University of Science and Technology,2017,38(6):548-554.