碱性 H2O2法分离常春油麻藤半纤维素级分的结构特性

谢 涛

湖南工程学院化学化工系,湘潭 411104

我国是一个农业大国,每年都产生大量可再生的生物质资源。半纤维素是构成植物细胞壁的三大组分(纤维素、半纤维素和木质素)之一,在植物资源中的含量仅次于纤维素。半纤维素作为一种新型工业原料,开始应用于医药卫生、食品、造纸、涂料、化工、化妆品、饲料、洗涤剂和肥皂等许多工业领域中。目前,国内外有关植物纤维原料中半纤维素分离与应用的研究报道也越来越多[1-3]。开展此类研究对于发展未来国民经济之急需,实现工农业可持续发展具有积极的现实意义。

常春油麻藤 (M ucuna sem pervirensMemsl),别名牛马藤、大血藤和棉麻藤,常绿木质藤本,资源丰富,主产福建、云南、浙江和湖南等南方地区,是一种优良的边坡绿化观赏植物和药用植物[4,5]。经本课题组测定,干燥脱脂的常春油麻藤中含纤维素43.8%、半纤维素 27.7%(以绝干物质计)。而今,正处在我国可再生资源产业化开发利用的战略关键期,将纤维类资源转化为能源、材料和化工原料的研究方兴未艾[6-8]。因此,本文对常春油麻藤纤维原料经三组分分级分离所得半纤维素的结构特性进行初步研究,为进一步探讨常春油麻藤半纤维素级分的功能特性提供一定经验。

1 材料与方法

1.1 原料

采 3年期野生常春油麻藤干燥、粉碎并脱脂,按GB/T2677.10-81、GB/T2677.9-94和 GB/T2677.8-81分别测得干燥至恒重的脱脂常春油麻藤中含纤维素 43.8%、半纤维素 27.7%、木质素 5.4%和灰分 4.9%(以绝干物质计)。

1.2 半纤维素的分级分离

本研究着眼于常春油麻藤纤维组分的全生物量利用,采用碱性过氧化物法[9]辅以超声波处理,分级分离出半纤维素、木质素和纤维素。第一级分离:在脱脂原料中按 1∶20的固液比加入含 2.5%H2O2(体积分数)和 2.0%NaOH(质量分数)的碱性双氧水溶液,超声波处理一定时间后,于恒温磁力搅拌器上 70℃浸提 3 h。然后抽滤,部分沉淀再按单组分分离纯化方法制备一级纤维素(剩余沉淀用作下一级分离原料),滤液浓缩。将浓缩液先调至 pH 5.5,发现有大量沉淀析出,离心,沉淀冷冻干燥即为一级半纤维素。清液经浓缩后调至 pH<3,沉淀过滤干燥即得一级木质素。第二、三和四级分离:除分别利用上一级用于分离纯化纤维素后的剩余沉淀作原料外,其余操作及条件均同第一级分离。

本研究以分离得到的半纤维素级分为研究对象,将它们于 80℃烘干至恒重,从一级到四级半纤维素,测得半纤维素含量 (即纯度)分别为 96.5%、97.3%、98.4%和 98.6%,以原料中半纤维素含量为基准的半纤维素得率分别为 29.8%、21.7%、18.6%和 13.9%,灰分含量分别为 3.2%、2.2%、0.8%和 1.0%。

1.3 检测方法

单糖组成分析:取半纤维素 10 mg,在 120℃下于 7 mL 2.0 mol/L三氟乙酸溶液中水解 2 h得制备物,通过 GC或 GC-MS分析糖醇乙酸酯以确定水解糖的含量[10],采用 Blumenkrantz等提出的比色法测定总糖醛酸的含量[11]。

FT-I R分析:将样品于 45℃下烘 24 h,干燥至恒重并粉碎,取少量样品与溴化钾晶体混合均匀压片。用AVATAR 370红外吸收光谱仪(美国 Thermo Nicolet)记录红外吸收光谱图。

XRD分析:采用粉末法。X-射线衍射仪 (美国, TTRAX3型)分析条件:特征射线 CuKa,石墨单色器,管压 40 kV,电流 25 mA,测量角度 2θ=10～80°,步长 0.02°/步,扫描速度 2°/min。

SEM分析:将干燥样品充分混合随机取样,再将样品粒子均匀撒在贴有双面胶的样品台上,用离子溅射仪喷金固定 8 min,在日立 S-570型扫描电子显微镜观察摄像。

GPC分析:采用 1100 SER IES凝胶渗透色谱仪(美国产)按 Fang等[12]所提方法测定。

2 结果与讨论

2.1 半纤维素的单糖组成

碱性过氧化物法分级分离所得常春油麻藤半纤维素级分的单糖组成如表 1所示。由表 1可看出,一级、二级、三级和四级半纤维素中的主要成分是木糖,含量达到 50%左右,其次是阿拉伯糖和葡萄糖,这表明来源于常春油麻藤的半纤维素主要由木聚糖和阿拉伯糖、葡萄糖组成。已有研究[1,13]报道,半纤维素组成中阿拉伯糖与木糖的质量比是衡量其水溶性的指标之一,这个比值大于 0.4表示溶解于水,而小于 0.2则表示不溶于水;也就是说,半纤维素中阿拉伯糖支链化程度越高其水溶性也越高。表 1中一级、二级、三级和四级半纤维素中阿拉伯糖与木糖的质量比分别是 0.42、0.34、0.30和 0.37,说明一级半纤维素是水溶性的,其余三种半纤维素则大部分溶解于水,这与它们的溶解性试验是一致的。

表 1 提取到的四种半纤维素中单糖的组成及含量Table 1 Monosaccharide content of the first,second,third and fourth fractional hemicellulose fromM ucuna sem pervirens

2.2 半纤维素的红外光谱特征

图 1为四种半纤维素的红外光谱图,表 2是图1中四种半纤维素的红外光谱官能团分析。从图 1和表 2可看出,常春油麻藤半纤维素经四级分离后,从一级到四级半纤维素均具有典型的半纤维素特征吸收峰,但没有发现半乳糖残基的吸收峰,这可能是因其含量极低且被隐藏在半纤维素的链结构之中。因此,四种半纤维素的结构中至少含有阿拉伯糖、糖醛酸、半乳糖和木糖等四种结构单元。考虑到四种半纤维素的红外光谱特征,且其组成中木糖占所有单糖含量的一半左右,它们可能是含阿拉伯糖残基和糖醛酸残基侧链的木聚糖型半纤维素。另外,在四种半纤维素的 FT-IR图谱上未见有与纤维素和木质素相关的典型特征吸收谱带出现。考虑到碱性双氧水法分级分离得到的各级纤维素的含量分别高达95.6%、97.4%和 98.3%,再加上灰分量,因此可以确定一级、二级和三级纤维素中半纤维素与木质素的含量极少甚或不含。

2.3 半纤维素的结晶特性

各级半纤维素的广角 X射线衍射曲线见图 2。从图 2可看出,一级、二级、三级和四级半纤维素的X-射线衍射图基线缓平,衍射峰尖锐,这是典型的晶态试样衍射,因此它们都是结晶度很高(大于 97%)的晶体。然而,这种现象与天然半纤维素是一种多支链的聚合物不能有效形成结晶结构相矛盾,其原因有待进一步探讨。

图 1 常春油麻藤半纤维素级分的红外光谱图Fig.1 FT-I R spectra of the first(A),second(B),third (C)and fourth(D)fractional hemicellulose from M ucuna sem pervirens

表 2 四级半纤维素的红外光谱官能团分析Table 2 Functional group analysis of the first,second,third and fourth fractional hemicellulose by FT-IR

图 2 各级半纤维素的 X射线衍射图Fig.2 XRD patterns of the first(A),second(B),third(C) and fourth(D)fractional hemicellulose fromM ucuna sempervirens

2.4 半纤维素的外观结构

图 3为各级半纤维素的扫描电镜图。由图 3看出,常春油麻藤半纤维素经多级分离后,各级半纤维素的物理结构和组成发生了很大的变化。一级半纤维素的单晶体是大小不一但形状比较规则的扁平类椭圆体薄片 (图 3A),由单晶体再聚集成形状不规则的簇状体(图 3B)。二级半纤维素由两种晶体组成(图 3C),一种是大小均一的梭状 (或双三角锥状)晶体(图 3D),另一种是大小比较均匀、但形状差异很大的单晶体薄片(图 E),它们密布在梭状晶体表面,而且表面覆盖单晶片的梭状晶体往往聚集成堆(图 3C、D)。三级半纤维素也由两种晶体组成(图 F),一种仍是大小比较均一的梭状晶体,但比一级半纤维素中的梭状晶体大 5倍以上,且一般单独存在,不再堆积在一起(图 3G);另一种是大小形状比较均匀的扁平条状单晶体,它们同样覆盖在梭状晶体的表面(图 3H)。四级半纤维素的单晶体薄片大小比较一致,但形状差异较大,有近圆形的,有近三角形的,还有近椭圆形的 (图 3I);单晶体也堆积成簇状圆球体(图 3J)。

图 3 各级半纤维素的扫描电镜图Fig.3 SEM images of the first(A,B),second(C,D and E),third(F,G and H)and fourth(I,J)fractional hemicellulose

2.5 半纤维素的分子量

为了判断分离级数对半纤维素的影响,采用GPC测定了各级半纤维素的相对分子量 (见表 3)。由表 3可知,随着分离级数增加,半纤维素分子链受提取剂的反复多次作用发生断裂的程度加剧,重均分子量MW值逐渐减小,因而MW/Mn逐渐变小,分子量分布区间变窄,分子大小越来越均匀。

表 3 各级半纤维素的相对分子量Table 3 Relative molecular mass of the first,second,third and fourth fractional hemicellulose

3 结论

碱性过氧化氢法分级分离常春油麻藤半纤维素效果显著。常春油麻藤半纤维素经多级分离后,从一级到四级半纤维素的纯度都很高,其组成中以木糖含量最高(50%左右)且含有阿拉伯糖残基、糖醛酸残基和半乳糖残基等三种结构单元,它们可能属于木聚糖型半纤维素。碱性过氧化氢法分级级得到的四级常春油麻藤半纤维素,其 X-衍射图谱均反映出它们是结晶度很高的晶体,但其易于结晶的原因尚需进一步探讨。各级半纤维素的物理结构和组成存在很大的差别,其中一级和四级半纤维素是由一种单晶体形成的多晶体,而二级和三级半纤维则是由二种单晶体组成的多晶体。随着分离级数增加,半纤维素分子链受提取剂的多次反复作用发生断裂的程度加剧,重均分子量MW值逐渐减小,分子大小越来越均匀。

1 Oraphin C,Pawdee M,Krisda S.Structural elucidation of hemicelluloses from Vetiver grass.Carbohydrate Polymers, 2004,59:191-196.

2 Sun RC,Lawther JM,BanksWB.Isolation and characterization of hemicellulose B and cellulose from pressure refined wheat straw.Industrial Crops and Products,1998,46:121-128.

3 Sun JX,Sun XF,Sun RC,et al.Fractional extraction and structural characterization of sugarcane bagasse hemicelluloses.Carbohydrate Polym ers,2003,56:145-149.

4 Lu XQ(芦夕芹),Peng ZJ(彭志金).Development and utilization ofM ucuria sempcrvircnsHemsl.Forest By-product and Speciality in China(中国林副特产),2007,21(2):14-16.

5 Zhang L(张凌),Liu YL(刘亚丽).Orthogonal design on extraction technology of total flavonoids inM ucuna sem pervirensHemsl..National M edicine of Shi Zhen(时珍国医国药),2008,25:796-798.

6 Sun XF,Sun RC,Sun JX.Oleoylation of sugarcane bagasse hemicelluloses usingN-bromosuccinimide as a catalyst.J Sci Food Agric,2004,84:800-810.

7 SchlesingerR,Götzinger G,Sixta H,et al.Evaluation of alkali resistant nanofiltration membranes for the separation of hemicellulose from concentrated alkaline process liquors.Desalination,2006,192:303-314.

8 Yang HP,Yan R,Chen HP,et al.Characteristics of hemicellulose,cellulose and lignin pyrolysis.Fuel,2007,86:1781-1788.

9 Sun RC,Sun XF.Fractcional and structural characterization of hemicellulose isolated by alkali and alkaline peroxide from barley straw.Carbohydrate Polym ers,2002,49:415-423.

10 BlakeneyAB,Harris PJ,Henry RJ,et al.A simple and rapid preparation of alditol acetates for mono-saccharide analysis. Carbohyd.Res,1983,113:291-299.

11 BlumenkrantzN,Asboe-Hansen G.New method for quantitative deterimination of uronic acids.Analytical B iochem istry, 1973,54:484-489.

12 Fang JM,Sun RC,Tomkinson J,et al.Acetylation of wheat straw hemicelluloseB in a new non-aqueous s welling system. Carbohydrate Polym ers,2000,41:379-387.

13 Ebringerova A,Heinze T.Xylan and xylan derivatives-biopolymerswith valuable properties,I.Naturally occurring xylan structures,isolation procedures and properties.M acromolecular Rapid Communications,2000,21:542-556.