玉米芯半纖維素提取、乙酰化改性及結構表征

彭 俏，趙四九，范國枝，程群鵬，宋光森

（武漢輕工大學化學與環境工程學院，湖北武漢 430023）

木質纖維素是地球上含量最豐富的生物質資源，主要由纖維素、半纖維素和木質素組成，其中，半纖維素是僅次于纖維素的天然碳水化合物[1?2]。由于具有來源豐富、可再生、可生物降解和綠色環保等優點，半纖維素已逐漸顯示出重要的應用前景。

酸堿法、蒸汽爆破、水熱萃取、溶劑萃取、超聲以及微波輔助等方法都已被用于半纖維素的提取[3?4]，其中，堿抽提法是提取半纖維素的常用方法。Lopez等[5]采用氫氧化鈉（NaOH）溶液處理大麥秸稈，半纖維素提取率達到56%。Peng 等[6]采用NaOH 溶液逐步提取竹子半纖維素，分離得到7 種半纖維素組分，總提取率達到80.1%。玉米芯是一種來源廣泛的農作物秸稈，半纖維素含量較高，通常為35wt%~40wt%，堿法提取玉米芯半纖維素也得到了廣泛研究。羅蘭萍等[7]采用NaOH 溶液提取玉米芯半纖維素，得率為28.2%。盡管堿法提取半纖維素已經取得了較好的結果，提取率、純度和聚合度均較高，且半纖維素的結構能夠得到較好地保留，但提取條件較為苛刻，腐蝕性較強。

超聲波輔助法具有高效、低能耗、環境友好及分離條件溫和等優點。與傳統提取方法相比，采用超聲輔助可以提高半纖維素的提取率且提取條件相對溫和。超聲波輔助堿法已被用于半纖維素的提取，Sun 等[8]研究了超聲波輔助堿法提取小麥秸稈半纖維素，與傳統堿法提取相比，半纖維素產率提高了1.8%，所得半纖維素具有更高的純度及熱穩定性。Xie 等[9]采用超聲波輔助堿法提取甘蔗渣半纖維素，在超聲處理28 min，KOH 濃度為3.7%，半纖維素產率為23.1%，與未采用超聲輔助的提取過程相比，半纖維素產率提高了3.24%。

由于半纖維素富含羥基，因而具有極強的親水性，力學性能較差，在一定程度上限制了其應用。利用半纖維素分子鏈上的羥基與酸酐和酰氯等發生酰化反應可以改善半纖維素的性質并拓展其用途，N,N-二甲基甲酰胺（DMF）/氯化鋰（LiCl）是半纖維素乙酰化的常見反應體系。Sun 等[10]以4-二甲胺基吡啶為催化劑，在DMF/LiCl 體系中研究了天然半纖維素與乙酸酐反應，制備了取代度（Degree of substitution，DS）介于0.74~1.49 的半纖維素乙酸酯。Xu等[11]以N-溴代丁二酰亞胺為催化劑，采用微波法研究了麥稈半纖維素與酰氯反應，產物DS 值為1.34。在上述乙酰化反應中，半纖維素沒有發生明顯降解，產物的熱穩定性得以提高，有利于拓展半纖維素的應用范圍，但反應體系復雜，產物產率不高。

以玉米芯為原料，采用超聲輔助堿法提取玉米芯半纖維素，并進一步對所提取的玉米芯半纖維素進行乙酰化改性及結構表征。以半纖維素（85wt%木聚糖）為模型化合物優化改性條件，構建半纖維素乙酰化的高效催化體系。在此基礎上研究玉米芯半纖維素的乙酰化性能，探索分離提取玉米芯半纖維素及其改性的高效途徑，為進一步利用半纖維素制備可降解包裝材料提供基礎。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

半纖維素（85wt%木聚糖）、單質碘（I2） 阿拉丁生化科技股份有限公司；玉米芯 取自武漢周邊農村；去離子水 自制；甲苯、無水乙醇、濃硫酸（H2SO4，98wt%）、亞氯酸鈉（NaClO2）、氫氧化鈉（NaOH）、乙酸和乙酸酐等 均為分析純，國藥集團化學試劑有限公司。

SE750 高速粉碎機 永康市圣象電器有限公司；賽默飛is50 紅外光譜儀 美國Bruker 公司；Perkin Elmer 熱分析儀 美國Perkin Elmer 公司；Bruck-DRX 400 核磁共振儀 美國Varian 公司；LGJ-10C冷凍干燥機 四環福瑞科儀科技發展有限公司、XO-5200DTS 超聲波清洗器 南京先歐儀器制造有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 玉米芯半纖維素的提取 參照文獻[12]對玉米芯進行脫雜處理，得到脫雜玉米芯，按照表1 的實驗條件提取玉米芯半纖維素。將2 g 脫雜玉米芯和40 mL 0.7wt% NaClO2溶液（固液比為1:20，g/mL）300 W 超聲，加入裝有回流冷凝管和滴液漏斗的250 mL 燒瓶中，用0.3 mL 乙酸調節pH 至4.0。將燒瓶置于80 ℃水浴中，攪拌反應，然后滴加40 mL 0.7wt% NaClO2溶液，并用乙酸調節至pH 為4.0，繼續攪拌反應。反應完成后，冷卻至室溫，5000 r/min離心10 min，棄去上層清液，用蒸餾水洗滌沉淀至中性，冷凍干燥10 h，即得綜纖維素。將所得到的綜纖維素加入到6wt% NaOH 的溶液（固液比為1:25，g/mL）中，300 W 超聲，60 ℃攪拌反應，冷卻至室溫，抽濾，用乙酸調節濾液至pH為5.5，然后加入3 倍體積的無水乙醇，靜置30 min，有沉淀析出，離心，回收固體，用50 mL 70wt%乙醇洗滌2 次，冷凍干燥10 h，即得玉米芯半纖維素。參照文獻測定纖維素含量[13]、半纖維素含量[13?14]、木質素含量[15]和灰分含量[14]。

表1 玉米芯半纖維素的提取條件Table 1 Conditions of extracting hemicelluloses from corncob

1.2.2 半纖維素的乙酰化改性

1.2.2.1 半纖維素的乙酰化改性反應 向100 mL 燒瓶中加入1 g 半纖維素和2.5 mL 乙酸，60 ℃加熱5 min。將混合物迅速冷卻至25 ℃，相繼加入10 mL乙酸酐和催化劑，加熱至60 ℃，繼續攪拌反應6 h，反應完成后，冷卻至室溫。向反應混合物中加入2.5 mL 飽和亞硫酸鈉溶液，攪拌至反應液由黑色變成無色為止。加入150 mL 95%乙醇，5000 r/min 離心10 min，收集沉淀物，用95%乙醇洗滌，冷凍干燥10 h，即得乙酰化半纖維素，參照文獻[16]測定其DS 值。

1.2.2.2 半纖維素乙酰化改性的單因素實驗 以乙酰化半纖維素的產率和DS 值為指標進行單因素實驗。單催化體系中單獨采用H2SO4或I2作催化劑，考察H2SO4或I2用量對半纖維素乙酰化改性的影響。半纖維素與乙酸酐的配比為1:10（g/mL），反應溫度為60 ℃，反應時間為6 h，采用H2SO4作催化劑時，用量分別為80、90、100、110、120 μL；采用I2作催化劑時，用量分別為0.025、0.050、0.075、0.090、0.100 g。共催化體系中同時加入H2SO4和I2作催化劑，考察I2的用量對半纖維素乙酰化改性的影響。H2SO4用量為100 μL，半纖維素與乙酸酐的配比為1:10（g/mL），反應溫度為60 ℃，反應時間為6 h，I2的用量分別為0.025、0.030、0.040、0.050、0.060、0.075、0.100 g。

1.2.3 得率、提取率及產率計算

1.2.3.1 玉米芯半纖維素得率的計算 玉米芯半纖維素的得率按照式（1）進行計算：

式中：m1：提取的玉米芯半纖維素量，g；m0：脫雜玉米芯的加入量，g。

1.2.3.2 玉米芯半纖維素提取率的計算 玉米芯半纖維素的提取率按照式（2）進行計算：

1.2.3.3 乙酰化半纖維素產率的計算 乙酰化半纖維素的產率按照式（3）進行計算：

式中：m：半纖維素加入量，g；m2：乙酰化半纖維素的實際生成量，g；132：半纖維素結構單元的分子量，g/mol；216：乙酰化半纖維素結構單元的分子量，g/mol。

1.3 產物表征

1.3.1 玉米芯及其衍生物的紅外光譜（Infrared spectroscopy，IR）表征 IR 表征在Thermo Fisher is50型紅外光譜儀上進行，采用KBr 壓片，掃描范圍為4000~400 cm?1。

1.3.2 玉米芯半纖維素及其改性產物的熱重分析（Thermogravimetric analysis，TGA） TGA 在Perkin熱重分析儀上進行，將被測樣品于105 ℃干燥2 h，以空白氧化鋁坩堝為參比，氮氣為保護氣體，升溫速率為10 ℃/min，從室溫加熱到700 ℃。

1.3.3 玉米芯半纖維素及其改性產物的核磁共振（Nuclear magnetic resonance， NMR）表征1H NMR和13C NMR 表征在Bruck-DRX 400 NMR 核磁共振波譜儀上進行，取50 mg 被測樣品溶于1 mL D2O 中，在25 ℃的條件下，采用400 和100 MHz 分別測定1H NMR 和13C NMR。

1.4 數據處理

以上實驗均重復三次，取平均值，經Office Excel 2010 軟件進行整理，采用SPSS 22.0 進行顯著性分析（P>0.05 表示影響不顯著，P＜0.05 表示影響顯著）、Origin 8.0 軟件作圖。

2 結果與分析

2.1 玉米芯的組成

測定了玉米芯以及脫雜玉米芯的組成，結果如圖1 所示。圖1 表明，玉米芯中的半纖維素含量較高，與纖維素含量相近，分別為33.0wt%和33.2wt%，經過抽提后，半纖維素、纖維素、木質素和灰分等組分的含量均略有增加，這是由于在抽提過程中脫除了可溶性雜質[17]，其中，半纖維素含量由33.0wt%升高至35.5wt%。

圖1 玉米芯的組成Fig.1 The composition of corncob

2.2 超聲輔助提取半纖維素

首先研究了兩步堿法提取玉米芯半纖維素，結果如表2 所示。采用0.7wt% NaClO2溶液和6wt%NaOH 溶液依次對玉米芯進行處理，玉米芯半纖維素得率和半纖維素含量（純度）分別為29.8%和81.7wt%。與脫雜玉米芯相比，玉米芯半纖維素的組成發生了明顯變化，纖維素、木質素和灰分含量較低，分別為5.6wt%、4.2wt%和2.3wt%，而半纖維素的含量達到81.7wt%。將第二步反應時間由2 h 延長至4 h，玉米芯半纖維素得率和半纖維素含量均略有升高，分別增加至31.7%和85.4wt%。此后，繼續延長反應時間，半纖維素的得率及組成基本保持不變。

在兩步堿法的基礎上采用超聲輔助提取玉米芯半纖維素，考察了超聲輔助對半纖維素得率、提取率及組成的影響。首先保持第二步堿處理的時間4 h不變，在第一步堿處理前超聲0.5 h。表2 的結果表明，與未超聲相比，在第一步堿處理時間為1 h 時，玉米芯半纖維素得率和含量基本保持不變，而當提取條件與未超聲相同時，半纖維素得率反而有所降低，由31.7%下降至30.5%，表明較長的提取時間可能促進了半纖維素的水解。表2 的結果還表明，在第二步堿處理前超聲處理0.5 h，將第二步堿處理時間由4 h縮短至2 h，玉米芯半纖維素的得率反而升高，由31.7%增加至33.2%。當在兩步堿處理前均進行超聲處理時，第一步和第二步堿處理時間分別為1 h和2 h 時，玉米芯半纖維素的得率和含量分別為33.7%和85.3wt%，半纖維素提取率達到81.0%。與未采用超聲相比，得率和提取率增加，而提取時間明顯縮短。這些結果表明，采用超聲輔助處理可以有效縮短堿處理時間。

表2 超聲輔助堿法提取玉米芯半纖維素Table 2 Extraction of hemicelluloses from corncob by ultrasonic-assisted alkaline method

2.3 半纖維素的改性

2.3.1 半纖維素的單催化體系 H2SO4是半纖維素乙酰化的常見催化劑，因此，首先考察了H2SO4用量對半纖維素模型化合物木聚糖的乙酰化過程的影響，結果如圖2 所示。圖2a 結果表明，H2SO4用量對產率的影響較為明顯，隨著H2SO4用量的增加，乙酰化產物的產率和DS 值均呈現先增加后降低的趨勢，并在H2SO4用量為100 μL 時達到最大。此后，繼續增大H2SO4用量，產率和DS 值開始逐漸降低。由圖2a可以看出，H2SO4不能有效催化半纖維素的乙酰化，產物產率和DS 值均較低，分別在40.3%~65.7%和0.32~0.57 的范圍內小幅變化。

I2也被用作乙酰化反應的催化劑[18]，圖2b 的結果表明，當采用I2單獨作催化劑時，乙酰化半纖維素模型化合物木聚糖的DS 值極低，均在0.05 左右，不存在明顯差異。此外，乙酰化產物的產率也較低，在I2用量為0.05 g 時，產物產率相對較大，但也僅為16.9%。改變I2的用量，DS 值幾乎沒有變化。圖2結果表明，無論是采用H2SO4還是I2單獨作催化劑，兩者均不能有效催化半纖維素的乙酰化改性。

2.3.2 半纖維素的共催化體系 進一步研究了H2SO4和I2共催化半纖維素模型化合物木聚糖的乙酰化，結果如圖3 所示。當H2SO4用量為100 μL 時，乙酰化半纖維素的產率和DS 值隨著I2用量的增加而升高，并在I2用量為0.05 g 時達到最大，產物產率和DS 值分別為85.7%和1.33，較H2SO4和I2單獨作催化劑時均有大幅提高，表明H2SO4和I2間存在協同催化作用。此后，繼續增加I2用量，產物產率和DS 值反而降低，當I2用量增加至0.10 g 時，產率和DS 值已分別降至75.0%和0.6，這可能是由于過量的催化劑引起乙酰化產物發生降解所致[19]。

圖3 H2SO4和I2共催化半纖維素乙酰化Fig.3 H2SO4and I2co-catalyzed the acetylation of hemicellulose

2.3.3 驗證試驗 在半纖維素（85wt%木聚糖）模型化合物乙酰化改性基礎上，進一步采用H2SO4和I2共催化超聲輔助堿法提取的玉米芯半纖維素的乙酰化改性，在兩者用量分別為100 μL 和0.05 g 時，乙酰化產物的產率和DS 值分別為84.6%和1.27，與半纖維素模型化合物的85.7%和1.33 十分接近，表明超聲輔助堿法所提取的玉米芯半纖維素也具有良好的乙酰化性能，進一步證實超聲輔助堿法是提取半纖維素的有效方法，也為玉米芯半纖維素的進一步高值化利用提供了基礎。

2.4 產物表征

2.4.1 玉米芯及其衍生物的IR 表征 玉米芯及其衍生物的IR 譜圖如圖4 所示。在脫雜玉米芯的IR 譜圖（曲線a）中，3430 和2920 cm?1處的吸收峰分別是由分子內-OH 的伸縮振動和C-H 鍵的不對稱伸縮振動引起的；1734 和1045 cm?1處的吸收峰歸屬于半纖維素的典型特征吸收峰，對應于木聚糖脂族C=O和 吡 喃 糖 環C-O-C 的 伸 縮 振 動[20]；1510 cm?1處的吸收峰歸屬于木質素中的芳族C-C 伸縮振動[21]，1160 cm?1處的吸收峰是由纖維素的C-O-C 伸縮振動引起的[22]。在綜纖維素的IR 譜圖（曲線b）中，1510 cm?1處的吸收峰幾乎完全消失，表明所提取的綜纖維素幾乎不含木質素，與木質素實現了有效分離。在玉米芯半纖維素的IR 譜圖（曲線c）中，半纖維素在1045 cm?1處的特征吸收峰強度明顯增加，但并未觀察到1734 cm?1處的特征峰，這是由于采用強堿溶液對綜纖維素進行處理時，半纖維素的乙酰基會發生脫落，導致了該特征峰的消失[23?24]。此外，1510 和1160 cm?1處分別歸屬于木質素和纖維素的特征吸收峰幾乎完全消失，表明所提取的半纖維素純度較高，幾乎不含木質素和纖維素。與玉米芯半纖維素相比，在玉米芯半纖維素乙酰化產物的IR 譜圖（曲線d）中，3430 cm?1附近的-OH 伸縮振動明顯減弱，表明部分-OH 參與了反應；此外還觀察到了對應于酯鍵的特征吸收峰，在1751 cm?1處出現了C=O 的伸縮振動峰，而1383 和1247 cm?1處分別歸屬于C-C 和C-O 的特征吸收峰也增強，這些結果均證實了玉米芯半纖維素乙酰化反應的發生[25]。

圖4 脫雜玉米芯（a），綜纖維素（b），玉米芯半纖維素（c）和乙酰化半纖維素（d）的IR 譜圖Fig.4 The IR spectra of treated corncob （a）, holocellulose （b）,corncob hemicellulose （c） and acetylated hemicellulose （d）

2.4.2 玉米芯半纖維素及改性產物的TG 分析 對玉米芯半纖維素及其改性產物進行了TG 分析，TG 和熱導（DTG）曲線分別如圖5 所示。由圖5a 可以看出，玉米芯半纖維素的失重大致分為三個階段：在180 ℃之前，只有少量的失重，失重率為8.9%，在此過程中主要是失去物理吸附水及低沸點雜質[25]；樣品的主要失重范圍在180~600 ℃之間，這是由于半纖維素糖單元斷裂分解成小分子氣體及大分子可冷凝揮發組分所引起的[26]；在600 ℃以后只有少量失重，可能是由于深度熱裂解所致，剩余少量的殘留物可能為灰分等無機雜質[24]。乙酰化玉米芯半纖維素的主要失重范圍在200~700 ℃之間，失重率約為40%。當溫度超過700 ℃時，仍有約40%的殘留量，這可能是由于樣品中剩余部分逐步形成石墨結構，同時可能還含有一部分無機雜質[26]。

圖5 玉米芯半纖維素和乙酰化半纖維素的TG 曲線（a）和DTG 曲線（b）Fig.5 TG （a） and DTG （b） curves of corncob hemicellulose and acetylated hemicellulose

由圖5b 可知，玉米芯半纖維素的DTG 曲線中出現兩個明顯的降解峰，分別對應水分和半纖維素分解所產生的易揮發組分的析出，降解溫度分別為57 和300 ℃，最大熱解失重速率發生在300 ℃。乙酰化玉米芯半纖維素的DTG 曲線中也出現了對應于水分和乙酰化玉米芯半纖維素分解所產生的易揮發組分的析出，降解溫度分別為98 和320 ℃。與玉米芯半纖維素相比，乙酰化玉米芯半纖維素的分解溫度升高，表明改性產物的熱穩定性增加[27]。

2.4.3 玉米芯半纖維素及改性產物的NMR 表征玉米芯半纖維素及其改性產物的1H NMR 如圖6 所示。在圖6a 中，3.20~5.30 ppm 是L-呋喃阿拉伯糖、D-吡喃木糖以及4-O-甲基-α-D-葡萄糖醛酸的質子信號峰。5.30 ppm 處是連接在木糖C-3 位上的阿拉伯糖的質子（H-1）信號峰[28]。4.38、3.84、3.82、3.46 和3.10 ppm 處分別對應于木糖單元中H-1、H-5、H-4、H-3 及H-2 位的信號峰。3.65、3.54、3.29 和3.19 ppm處分別對應于4-O-甲基-α-D-葡萄糖醛酸中H-3、H-2、-OCH3中的H 和H-4 的信號峰，其中3.54 ppm處信號峰表明4-O-甲基-α-D-葡萄糖醛酸連接在木糖C-2 位置[28]。5.16 ppm 處的共振峰是由α-D-呋喃阿拉伯糖基的端基質子產生的，表明木糖骨架的C-2 和C-3 位置發生了側鏈取代[29]。1.82 ppm 處可能是半纖維素中甲基和亞甲基的質子信號峰，4.70 ppm 處的強峰則可能是由殘留溶劑D2O 產生的[30]。由圖6b 可知，在改性半纖維素的1H NMR 譜圖中，除了半纖維素的特征信號峰外，在2.00 ppm 處還出現了歸屬于乙酰基的質子信號峰[19]，結合圖4的IR 結果可知，半纖維素的乙酰基在堿處理過程發生脫落，表明該乙酰基來自乙酰化反應。

圖6 玉米芯半纖維素（a）和乙酰化半纖維素（b）的1H NMR 譜圖Fig.6 1H NMR spectra of corncob hemicellulose （a） and acetylated hemicellulose （b）

玉米芯半纖維素及其改性產物的13C NMR 如圖7 所示。在101.62、76.29、73.61、72.66 和62.90 ppm處的信號峰分別對應于β-D-吡喃木糖的C-1、C-4、C-3、C-2 和C-5 的信號峰。其中，101.62 ppm 處的信號峰表明木糖單元以β-糖苷鍵連接形成半纖維素的主鏈。105.51、84.5、82.9、80.57 和61.26 ppm 處的信號峰分別對應于L-呋喃阿拉伯糖C-1、C-4、C-3、C-2 和C-5 位。此外，在59.29 ppm 處為-OCH3的C 信號峰，來自于4-O-甲基-葡萄糖醛酸[31]。在圖7a中，未觀察到20.0 ppm 附近乙酰基的信號峰，表明在堿法提取半纖維素的過程中乙酰基發生了脫落，與IR 和1H NMR 的結果一致。而由圖7b 可以看出，在20.9 和171.9 ppm 處分別出現了乙酰基的甲基C及羰基C 的峰信號[26]，表明玉米芯半纖維素發生了乙酰化反應。IR 和NMR 的結果表明，堿法提取的玉米芯半纖維素是以β-D-吡喃木糖形成的木聚糖為主鏈，在木糖基的C-3 位上連有L-呋喃阿拉伯糖基和C-2 位上連接著4-O-甲基-葡萄糖醛酸的多聚糖。

圖7 玉米芯半纖維素（a）和乙酰化半纖維素（b）的13C NMR 譜圖Fig.7 13C NMR spectra of corncob hemicellulose （a） and acetylated hemicellulose （b）

3 結論

采用超聲輔助堿法是提取玉米芯半纖維素的有效途徑，與未采用超聲相比，堿處理時間縮短，玉米芯半纖維素的得率和純度均明顯升高，分別由29.8%升至33.7%和81.7wt%升至85.3wt%，半纖維素提取率達到81.0%。構建了半纖維素乙酰化的高效共催化體系，在H2SO4和I2共催化作用下，玉米芯半纖維素具有良好的乙酰化性能，乙酰化產物的產率和DS 值分別為84.6%和1.27，較單獨采用H2SO4或I2作催化明顯增加。IR、TGA 和NMR 的結果表明，酯化改性成功地將乙酰基引入到了玉米芯半纖維素分子中，并且乙酰化半纖維素的熱穩定性增加，為拓展半纖維素的用途提供了基礎。