半纤维素分离纯化研究进展

林 妲 彭 红 余紫苹 阮榕生 胡峥嵘王 娜 刘玉环 张锦胜

(南昌大学生物质转化教育部工程技术研究中心,江西南昌,330047)

半纤维素分离纯化研究进展

林 妲 彭 红 余紫苹 阮榕生 胡峥嵘王 娜 刘玉环 张锦胜

(南昌大学生物质转化教育部工程技术研究中心,江西南昌,330047)

就近二十年来国内外在半纤维素分离纯化领域取得的成果进行了综述,介绍了半纤维素分离纯化的最新方法,包括碱提取法、有机溶剂法、柱层析法和膜分离法等,并比较了不同方法的优缺点。

半纤维素;分离;纯化

半纤维素是指由不同糖基组成的非纤维素类杂多糖,不同类型植物中的半纤维素结构和含量有明显差异。总的来说,构成半纤维素的糖类主要有木糖、葡萄糖、半乳糖、甘露糖、阿拉伯糖、鼠李糖等。半纤维素以其来源广、成本低、生物活性和化学活性良好等特点,在造纸、制药、食品包装、保健食品开发利用以及生物质能转化方面显示出巨大的应用潜力[1-2]。在植物细胞壁中半纤维素与木素以化学键相连,与纤维素以非化学键紧密结合,因此,将其从植物细胞壁中完整地分离出来存在很大困难。本文综述了近二十年来从植物原料中分离纯化半纤维素的方法。

1 半纤维素的分离提取

1.1 碱液分离提取法

提取半纤维素的主要障碍来自于木素的存在,传统碱提取方法主要运用化学方法脱除木素,应用最广的是碱液分级分离半纤维素[3]。碱液具有溶胀纤维素、断裂纤维素与半纤维素间氢键和破坏半纤维素与木素间酯键的作用,可在不降低半纤维素相对分子质量的前提下使半纤维素溶解[4-5]。

常用的碱提取试剂有 NaOH和 KOH。通过对比NaOH和 KOH提取半纤维素的能力,证明 NaOH分离提取半纤维素的效果比较好[3,6]。质量分数 10%的 NaOH提取半纤维素的得率为 22.6%,相同质量分数 KOH的提取得率为 21.9%,但是 KOH提取得到的半纤维素纯度比较高[3,6]。Ca(OH)2和Ba(OH)2也可用于提取半纤维素,但实验结果证实使用Ca(OH)2和 Ba(OH)2时半纤维素得率低,而且提取后无法将不溶物分离出来,相比较而言,使用NaOH提取植物半纤维素不仅最终得率高而且易于操作[7]。

碱浓度的选择是碱提取过程中的另一个重要环节。Persson等[4]证明阿拉伯木聚糖的提取效率与pH值密切相关。酸性条件下,阿拉伯木聚糖分子中的β-糖苷键容易断裂,最终导致多糖分子降解;若在 pH值高于 9的条件下进行蒸汽预处理并利用碱提取则可得到高分子质量的产物,得率在 30%～40%左右。理论上,延长反应时间会提高半纤维素得率,但是热水处理后高碱浓、短时间 (碱液质量分数为 18%,处理时间为 2 h)提取比低碱浓、长时间 (碱液质量分数为 10%,处理时间为 16 h)提取得到的半纤维素保留的分枝更多,分子结构也比较完整[6]。

传统碱提取过程中应用亚氯酸盐脱木素,极易造成环境污染。过氧化氢代替亚氯酸盐脱木素,不仅经济、环保,而且可有效去除木素并兼有漂白和提高半纤维素溶解度等作用,因而逐渐受到重视[8]。Brienzo等[9]发现蔗渣在 20℃、质量分数为 6%H2O2存在的条件下处理 4 h,可有效提取出半纤维素,得率为 86%,木素含量为 5.9%。同时发现,得率与H2O2用量成正比,与反应时间成反比,而温度对得率的影响不大。Sun等[8]提出反应体系中过氧化物用量超过 3% (质量分数)之后,分子质量会随过氧化物用量的增加而降低。这说明当反应体系中过氧化物的质量分数超过 3%后,半纤维素发生降解。Naran等[10]证实亚氯酸钠不会引起木聚糖乙酰基团的丢失,而 QPD脱木素技术 (Q：螯合剂处理;P：过氧化物处理;D：亚铝酸盐处理)往往在碱性过氧化物处理中一步脱除掉木聚糖的乙酰基。乙酰基可影响半纤维素的溶解性,保留较多乙酰基的半纤维素难溶于水[11]。

1.2 有机溶剂分离提取法

目前,应用于半纤维素提取的有机溶剂主要有二甲基亚砜 (DMSO)和二氧六环。在提取过程中一般不以单纯的有机溶剂形式进行提取,而是将有机溶剂与水、碱甚至酸混合作为提取试剂。以 DMSO为例,由于含水的 DMSO比不含水的 DMSO传质阻力大,因此含水的DMSO能够分离出结构完整的半纤维素,并且得率较高。通过 GPC检测得知,DMSO与水的混合液提取得到的半纤维素在 150℃下分子结构也不会发生显著的改变,只发生轻微的氧化[12]。DMSO与酸性二氧六环联用也可从麦草秸秆中分级提取出高得率、高纯度的半纤维素[13]。Jin等[14]分别使用 4种溶剂连续分级提取大麦和玉蜀黍中的半纤维素,这 4种溶剂分别是质量分数 90%的中性二氧六环、质量分数 80%的酸性二氧六环 (即含有 0.05 mol/L HCl)、质量分数 80%的 DMSO和质量分数为 8%的KOH。通过研究发现酸性二氧六环可断裂一定数量的糖苷键,半纤维素发生明显的降解;而质量分数90%的中性二氧六环分离出的半纤维素结构比较完整,主要由带有分枝的阿拉伯木聚糖组成,并含有葡萄糖残基;同时,这种分级分离方法的另一优势在于无需脱木素即可直接分离得到半纤维素,弥补了用高浓度碱液提取半纤维素的缺陷。1.3 蒸汽预处理分离提取法

蒸汽预处理是利用水蒸气在高温高压条件下可渗透进入细胞壁内部的特性,使之在进入细胞壁时冷凝成为液态,然后突然释放压力造成细胞壁内的冷凝液体突然蒸发形成巨大的剪切力,从而破坏细胞壁结构,水解半纤维素和木素之间的化学键,使半纤维素溶于水[2]。这种预处理方法需在高温条件下进行,优点是不添加任何化学试剂、无环境污染,缺点是半纤维素极易降解而溶于水中,最终导致溶液酸度增加,从而进一步引起半纤维素降解[15]。但是,通过机械手段可以改善这一状况。Makishi ma等[16]使用管状反应器利用流动热水系统提取玉米芯中的半纤维素,得到的半纤维素聚合度在 20以上,得率超过 82%。另外,这一反应系统与其他蒸汽预处理装置的不同在于,反应后生成的糠醛不超过产物总质量的 2%,有效地改善了蒸汽预处理的不足。

1.4 微波辅助分离提取法

微波辅助提取是利用微波辐射对分子运动产生的影响,促进分子间的摩擦,导致细胞破裂,从而分离提取出细胞壁中的半纤维素成分。这种新型预处理方法已被证明是耗时最短的半纤维素提取方法,提取时间在几分钟到十几分钟之间,而传统碱提取往往需要几小时[17]。微波辅助提取的另一个优点是提取过程中乙酰基的损失不大,提取物分子质量与碱提取得到的半纤维素分子质量相似[17-20]。Jacobs等[17]应用微波辅助法从亚麻中提取出 O-乙酰基-4-O-甲基葡糖醛酸木聚糖,聚合度达到 28,乙酰基取代度达到 0.7,与 Hazendonk[18]利用DMSO提取得到的半纤维素乙酰基取代度接近,后者仅为 0.5。Sun等[8]在碱性条件下提取蔗渣半纤维素得到相对分子质量为 45370的半纤维素组分。而 Roos等[19]则只应用微波和蒸汽处理在不添加任何化学提取剂条件下得到相对分子质量为 40000的半纤维素成分,同时证明增强微波强度系数可提高得率,但相对分子质量随之下降。另外,Lundqvist等[20]应用微波处理从云杉木片中提取半纤维素,结果证明只有少量乙酰基损失,相对分子质量峰值为 8000～80000。微波辅助提取半纤维素的得率比较低,仅为 19%～40%[21]。

1.5 超声辅助分离提取法

超声辅助是通过超声波产生的高频率震动使溶质和溶液之间产生声波空化作用,引发溶液内产生微小气泡并突然破裂产生一定压力,最终导致溶质增溶。在碱液提取半纤维素前期利用超声辅助提取的优势明显：①可有效地破坏细胞壁结构和简化分离步骤;②不影响半纤维素的活性功能;③可有效缩短反应时间、提高产物得率[22]。Sun等[23]对比了经超声辅助抽提和传统提取方法得到的半纤维素,发现产物在组成和分子结构上无异,延长超声处理时间,得率提高了 6.3%。Hromádková等[24]也得到相似的结论,并指出经过超声处理后提取时间大大缩短,同时碱用量也大大降低,如果可以合理地控制超声辅助的条件,还可以得到具有不同阿拉伯糖与木糖比的半纤维素组分。Ebringerová等[25]发现超声过程若在稀碱溶液中进行,最终总糖得率更高。1.6 机械辅助分离提取法

改善机械手段也可使半纤维素的提取效果产生明显的变化。N'Diaye等于 1996年提出螺旋反应器适用于半纤维素提取,同时指出,与传统方法相比,应用螺旋反应器提取半纤维素反应时间短、固液比低,最大的优点是提取过程和固液分离过程可以同时进行[26]。2000年,N'Diaye等又检测了应用螺旋反应器提取白杨半纤维素的主要影响因素,得出了碱浓度是反应液黏稠度的主要影响因素,而温度则是影响得率的主要因素的结论[27]。

2 半纤维素的纯化

半纤维素种类繁多,提取方法各异,根据具体需要分离得到的半纤维素还需经过进一步纯化。纯化的方法也有很多,随着技术的进步,由最初的简单沉淀分离发展到层析分离,近来又出现了以纳滤膜和超滤膜为代表的膜分离技术。

2.1 脱色和除蛋白

目前,植物多糖除蛋白和脱色工艺已得到深入研究和广泛应用。由于用于提取半纤维素的原料一般是植物的根、茎、叶或压榨后的渣滓,蛋白含量很低,因而纯化过程中一般不考虑脱蛋白,除非原料中蛋白含量特别高,可考虑根据得率或者纯度要求选用不同的除蛋白方法[28]。相比较而言,脱除色素更重要。提取半纤维素前,原料需经过苯-醇抽提[10,31],这一过程可脱除大部分醇溶性物质,其中就包括一部分脂溶性色素;另外,EDAE-离子交换柱纯化过程也有分离色素的作用[29,43],其特有的离子分离特性还可以达到进一步纯化的效果;此外,还有活性炭脱色法和 H2O2脱色法[30],后者由于对分离木素的良好作用已应用于分离过程[8-10],前者则未见报道。

2.2 乙醇沉淀法

乙醇沉淀法是最简单、常用的半纤维素纯化方法。在传统的碱提取过程中往往利用乙醇将已溶解于碱液中的半纤维素沉淀下来。Bian等[31]应用不同浓度乙醇沉淀经碱液提取后的锦鸡儿属植物柠条茎杆中的半纤维素,结果表明乙醇浓度对半纤维素分子质量和分子结构影响很大,高浓度乙醇沉降得到的半纤维素分枝多但分子质量小,低浓度乙醇沉降得到的半纤维素分枝少但分子质量大。Xu等[6]采用乙醇沉淀水溶性和碱溶性黑麦草叶中的半纤维素,再经过滤及质量分数 70%酸化乙醇清洗最后风干得到半纤维素样品,该样品可用于结构分析。

2.3 超临界二氧化碳沉淀法

超临界二氧化碳是指在一定的温度和压力下处于临界状态,既保持了气体的高渗透和低黏度特性,又拥有液体良好溶解能力的二氧化碳,正因其具有这种特殊的性能,所以超临界二氧化碳已在物质合成和萃取领域得到深入的研究和应用[32]。近年来,已有关于利用超临界二氧化碳技术将 DMSO提取出来的半纤维素组分从提取液中沉淀出来的报道[19]。已溶解半纤维素沉降的原理是,在溶液体系中,大量的超临界二氧化碳分子可以包裹住溶剂分子,从而降低了溶剂分子与溶质分子的结合程度,最终导致溶质析出。由于沉淀过程并不改变溶质分子的结构,因而可在不破坏半纤维素生物结构的前提下,将半纤维素从含有木素的组分中分离出来[33]。另外,经过超临界二氧化碳处理过的样品明显比处理前的样品颜色白,这也可以归因于处理后的样品的木素含量减少而导致的颜色变浅。

2.4 柱层析法

DEAE离子交换柱层析根据分子所带电荷的不同进行分离,由于该柱种类繁多,半纤维素纯化过程中应根据分子中酸性基团的数量选择合适的离子交换柱。严浪、钟俊桢和 Peng等[34-37]分别采用 EDAE Sepharose Fast Flow离子交换柱和 DEAE-纤维素-52离子交换柱纯化从菠萝皮、大豆和蔗渣中提取得到的半纤维素成分,经检测知这 3种半纤维素均是以木聚糖为主链,阿拉伯糖、葡萄糖、半乳糖为取代基的杂多糖。另外,纯化过程中洗脱剂的种类和浓度也会影响半纤维素纯化效果。Peng等[37]证实利用 DEAE-纤维素-52离子交换柱纯化蔗渣中的半纤维素成分时,去离子水、0.1 mol/L NaCl和 0.3 mol/L NaCl分别洗脱出 39.6%、15.9%和 9.4%的水溶性半纤维素及47.5%、15.9%和 3.2%的碱溶性半纤维素,共占蔗渣中半纤维素组分的 68.1%,另有微量吸附于柱上的半纤维素可用 0.5 mol/L NaCl洗脱下来。

凝胶柱层析根据分子质量大小的不同进行分离。Wang等[38]用 Q-阴离子凝胶色谱柱和凝胶 CL-6B色谱柱处理米糠提取物,从多种多糖成分中纯化精制出一种与半纤维素结构类似的新型杂多糖 RBPS2a,经气相色谱证实这种杂多糖由阿拉伯糖、木糖、葡萄糖和半乳糖组成,同时测得 4种单糖摩尔比为 4∶2∶1∶4。Palm等[39]使用 Superdex 30 PG凝胶柱纯化云杉半纤维素,同时证实凝胶色谱柱具有去除大部分残留木素的作用。分子排阻色谱是凝胶色谱柱中比较特殊的一员,其特有的分子筛功能使其能够在纯化进行的同时确定半纤维素的分子质量[40]。

2.5 膜纯化法

膜分离技术操作简便、分离效果显著,超滤膜和纳滤膜作为膜分离技术中重要的一部分已成功应用于污水处理、食品分离和制药工业[41-42]。近年来,膜分离技术还被应用到半纤维素纯化过程中。Zeitoun等[41]证实相对分子质量截留量为 30000的超滤膜可代替乙醇沉淀进行半纤维素纯化,有效地降低了生产成本,若将超滤技术与离子交换柱技术结合,不仅能够纯化半纤维素,更可有效脱除植物色素。有研究[11,43]分别应用 3000NWMCO超滤膜和10000 NWMCO含氟超滤膜成功过滤纯化阿拉伯木聚糖。

纳滤膜纯化技术主要用于分离低分子质量化合物和多价无机盐,将该技术应用于半纤维素纯化取得了理想效果。Vegas等[44]应用纳滤膜纯化技术得到了纯度高于 91%的木聚糖类物质。Schlesinger等[45]则成功验证两种耐碱性的纳滤膜 NTR-7470和MPF-34的相对分子质量截留量是膜技术研究中最低的,在 380～1090之间,同时半纤维素的保留率在 90%以上。

3 结 语

扩大半纤维素利用领域的前提就是将其有效地从植物细胞壁中分离纯化出来。从已有资料可知,碱液提取、乙醇沉淀纯化半纤维素法是目前应用最广泛的分离纯化方法,但这种方法成本高并且极易造成环境污染,提取得到的半纤维素无论是纯度还是分子完整性都得不到很好的保障。有机溶剂分离法虽然不会对分子结构造成严重破坏,但加大了纯化难度。蒸汽预处理、微波辅助、超声辅助、机械分离提取法都在不同程度上改善了碱液提取的不足之处。在纯化方面,膜分离技术比繁复的层析柱纯化技术和高成本的超临界二氧化碳纯化技术更具有应用潜力。但是,半纤维素种类繁多,各种分离纯化方法是否会对不同种类的半纤维素造成不良影响还有待于进一步的研究。

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(责任编辑：郭彩云)

Research Progress in Separation and Purification of Hem icellulose

L IN Da PENG Hong＊YU Zi-ping RUAN Rong-sheng HU Zheng-rong WANGNa LIU Yu-huan ZHANG Jin-sheng
(The Engineering Research Center for Biom ass Conversion,MOE,Nanchang,Jiangxi Province,330047)
( ＊ E-mail：penghong@ncu.edu.cn)

The achievements obtained in the field of hemicellulose separation and purification in the last twenty years are reviewed.The new separation and purification methods are summarized,including the alkali extraction,the organic solvent extraction,the column chromatography and the membrane separation,etc.Further more,the advantages and disadvantages of these methods are compared.

hemicelluloses;separation;purification

TS71

A

0254-508X(2011)01-0060-05

林 妲女士,在读硕士研究生;主要研究方向：生物质能源。

2010-10-05(修改稿)

本课题得到国家自然科学基金项目 (30960304)的资助。