玉米秸秆中半纤维素的碱法提取

肖 本 胜， 刘 冉， 李 海 明

(大连工业大学 辽宁省生物质化学与材料重点实验室, 辽宁 大连 116034)

0 引 言

我国每年的玉米秸秆产量在2.5亿t左右，占农作物秸秆总量的40%[1]。利用储量大的玉米秸秆原料，优化半纤维素提取工艺，可为实现半纤维素工业化生产提供理论依据。半纤维素是亲水性大分子糖类物质，易溶于水和碱液，可作为高附加值衍生产品的原料[2]。农业秸秆直接提取一般采用水热法和碱液热溶法。水热法简单经济，但是提取率偏低，且水解后的产物多为单糖；而碱液可以断裂纤维素与半纤维素间的氢键，破坏半纤维素与木素间的酯键，可在不过度破坏半纤维素完整链形的前提下达到溶解半纤维素的目的[3-4]。碱法预处理方法在半纤维素的制备领域应用广泛，通常用的碱性溶液有氢氧化钾、氢氧化钠、氢氧化钙、氢氧化钡、液氨等，综合比较，氢氧化钾、氢氧化钠是最理想的碱性溶液[5]。碱法提取玉米秸秆中半纤维素的研究大多是采用氢氧化钠碱液[6]。De Matto等[7]采用20～180 g/L氢氧化钠在室温下提取玉米纤维5 h，阿拉伯木聚糖提取率为4.0%～23.9%。刘长水[8]运用氢氧化钠碱液在75 ℃、碱质量浓度100 g/L、液比1∶20、反应时间3 h的提取条件下，提取半纤维素的质均相对分子质量与数均相对分子质量比为1.22，所得半纤维素的分子质量分布范围很窄，产物较均匀。氢氧化钾和氢氧化钠相比，在质量分数相同的条件下，氢氧化钠提取率偏高一些，而氢氧化钾提取得到的半纤维素纯度更高[9-10]。氢氧化钾碱液提取玉米秸秆中的半纤维素值得深入研究。本实验优化了氢氧化钾碱液提取玉米秸秆中半纤维素的工艺，以期为玉米秸秆的综合利用提供依据和实验基础。

1 实 验

1.1 材料和仪器

1.1.1 材 料

玉米秸秆，取自大连郊区农村田地，铡成2～3 cm小段。秸秆经自然风干，沿秸秆纵向剖切为5 mm 厚的薄片以备半纤维素提取使用。将一部分原料进行髓、皮分离，并分别用微型植物粉碎机粉碎，取40～60目的秸皮粉末50 g左右封于一自封袋，用以原料分析。取过40目的秸髓粉末50 g左右封于一自封袋，用以原料分析。

1.1.2 仪 器

实验所需主要仪器设备：R502B型旋转蒸发仪，SCIENTZ-10N型冷冻干燥机，MB25型快速水分测定仪，Cary300型紫外分光光度计，Frontier FT-IR红外光谱仪，ZKYY-5L型智能油浴加热器，ICS-5000型离子色谱仪，DZF-6050型真空干燥箱，H1850型高速离心机。

1.2 实验方法

1.2.1 原料分析

对玉米秸秆的髓、皮分别进行原料分析，按照GB/T 2677.2—1993测定水分质量分数，按照GB/T 742—2008测定灰分质量分数，按照GB/T 2677.7—1981测定苯醇抽出物质量分数，按照GB/T 2677.10—1995测定综纤维素质量分数，按照GB/T 10337—2008测定酸溶木素质量分数，按照GB/T 2677.8—1994测定Klason木素质量分数。原料分析时备料按照GB/T 2677.1—1993操作。

原料依次经过浓硫酸和稀硫酸酸解一定时间后，利用离子ICS-5000色谱仪进行6种单糖质量分数分析。取0.100 0 g绝干量的原料于一具塞锥形瓶中，用移液管准确量取1.5 mL 72%H2SO4加入锥形瓶中，轻轻摇晃使原料与硫酸溶液接触均匀，将锥形瓶置于恒温水浴锅中，温度18 ℃，时间2 h。期间经常摇晃瓶体使固液相接触均匀。2 h后将原料和所有酸液转入具有聚四氟乙烯内胆的高温反应釜中，加入42 mL去离子水，使水解液中的硫酸质量分数为4%，置于121 ℃高压灭菌锅中保温1 h。1 h后取出、冷却、过滤，保留滤液，取一部分滤液稀释至一定倍数，再将稀释后酸解液经过0.45 μm滤膜(水系)过滤后装入石英检测瓶内，以备糖分分析使用。

离子色谱分析条件：分析柱为CarboPacTMP20，150 mm×3 mm；保护柱为CarboPacTMP20，30 mm×3 mm；柱温30 ℃；ED5000电化学检测器：Au工作电极，Ag对电极，Ag/AgCl参比电极，糖标准四电位波形，淋洗液为NaOH与CH3COONa混合液，体积流量0.5 mL/min[11-13]。单糖质量分数按照式(1)计算。

w=[Vρns/(s0m×1 000)]×100%

(1)

式中：w为单糖质量分数，%；V为水解液的体积，mL；ρ为标糖质量浓度，为0.01 g/L；n为稀释倍数；s为色谱仪检测样品得到的峰面积，nC·min；s0为色谱仪检测标糖样品得到的峰面积，nC·min；m为绝干原料质量，g。

1.2.2 半纤维素提取工艺优化

玉米秸秆全杆提取，原料按“1.1.1”方法准备料片。优化实验按照液比(1∶6、1∶8、1∶10、1∶12、1∶14、1∶16、1∶18、1∶20)，碱液质量浓度(50、60、70、80、90 g/L)，保温温度(60、70、80、90、100 ℃)和保温时间(80、100、120、140、160 min)依次设置变量，进行单因素控制变量法实验。料片平衡水分24 h后测定水分；按照测定水分质量分数结果称取20 g绝干量的原料装入反应釜中；按照一定的液比(氢氧化钾溶液体积对绝干原料)准确量取一定质量浓度的新配KOH溶液倒入反应釜；将密封好的反应釜装入旋转蒸煮锅内，装锅完毕后开始加热，到预设温度后开始计时，在该温度下保温一定时间后开锅冷却，用滤纸加滤布过滤，保留滤液。比较不同条件下所得半纤维素的得率确定最佳提取工艺。

1.2.3 半纤维素的分离提纯

将所得半纤维素提取液在室温下滴加适量冰乙酸，调节提取液pH至5.5[11]，离心分离，收集液相，将液相于旋转蒸发器上浓缩至小于40 mL。蒸发条件为35 ℃水浴，真空度0.08 MPa。迅速将浓缩液全部转移至大烧杯中，用少量去离子水润洗蒸发瓶，将洗涤液也转移到大烧杯中，补水使溶液总体积为50 mL。分3次加入无水乙醇，第1次加50 mL，第2次加150 mL，第3次加250 mL，静置24 h后使用0.2 μm的有机系滤膜过滤，滤膜和固相转移至称量瓶，用保鲜膜封盖并扎些小孔，置于冰箱冷冻6 h后转移至冷冻干燥机干燥24 h，所得粉末即为半纤维素。

1.2.4 玉米秸秆半纤维素的表征

在最佳工艺条件下所得半纤维素的样品压片，KBr对样品的质量比为50∶1，通过傅立叶红外光谱仪检测分析。

1.2.5 半纤维素得率的计算

半纤维素得率按式(2)计算。

Y=m1/m×100%

(2)

式中：Y为半纤维素得率，%；m1为干燥后半纤维素的质量，g；m为绝干原料质量，g。

2 结果与讨论

2.1 玉米秸秆原料分析

由表1可看出玉米秸皮与玉米秸髓中苯醇抽出物质量分数基本相当。无论是玉米秸皮还是玉米秸髓，其主要糖分均是葡聚糖和木聚糖。其中，葡萄糖主要来自纤维素降解，木糖、阿拉伯糖、半乳糖、甘露糖和果糖仅来自半纤维组分的降解，而木糖质量分数又远远高于除葡萄糖以外的糖分质量分数。通常以秸皮中木糖和葡萄糖质量分数用来分别代表秸皮中半纤维素和纤维素质量分数，分别为22.16%、36.94%。秸髓中半纤维素和纤维素质量分数分别为17.39%、31.96%。因此可认为秸皮中半纤维素质量分数和纤维素质量分数均高于秸髓。

表1 玉米秸皮、秸髓组分质量分数及糖分质量分数

2.2 玉米秸秆半纤维素的提取

2.2.1 液比对半纤维素得率的影响

对于全杆提取实验，由于秸皮和秸髓的密度相差较大，蒸煮时固相与液相的接触情况存在差别，所以液比因素对结果影响很大。液比对半纤维素得率的影响如图1所示。其他实验条件：保温温度80 ℃，碱液质量浓度60 g/L，保温时间120 min。由图1可见，当液比为1∶6时，由于液比过小，体系中的原料不能充分吸水润胀，聚糖分子不能与碱液充分接触并溶出，半纤维素得率最低，仅为11.69%。液比增大，原料中纤维细胞腔经润胀逐渐扩大，提取碱液开始接触到更多的聚糖分子，当液比提升到1∶12时，半纤维素得率达到最高，为21.52%。继续增大液比，提取碱液中OH-数量增加更多，此时降解为单糖的半纤维素量多于半纤维素的溶出量，得率开始下降，不利于生产半纤维素。另外，液比过大会直接致使生产时反应器体积过大，于生产不利。因此，最佳液比条件确定为1∶12。

图1 液比对半纤维素得率的影响

2.2.2 碱液质量浓度对半纤维素得率的影响

碱液质量浓度对半纤维素得率的影响主要表现在提取液OH-质量浓度对半纤维素与半纤维素、木质素间连接键的破坏影响。碱液质量浓度对半纤维素得率的影响如图2所示。其他实验条件：液比1∶12、保温温度80 ℃、保温时间120 min。由图2可见，碱液质量浓度为60 g/L时，碱量充足，半纤维素得率最高，达21.52%；但当碱液质量浓度增大至70 g/L时，半纤维素在碱性溶液中碱性剥皮反应加剧，半纤维素的降解量大于半纤维素的溶出量，导致得率降低；继续增大碱液质量浓度，半纤维素的降解量与半纤维素的溶出量趋于平衡。碱液质量浓度过高，对设备不利，且增加提取成本，所以最佳碱液质量浓度条件应选择60 g/L。

图2 碱液质量浓度对半纤维素得率的影响

2.2.3 保温温度对半纤维素得率的影响

半纤维素在较低温度下提取，可降低工业化生产成本。保温温度对半纤维素得率的影响如图3所示。其他实验条件：液比1∶12、碱液质量浓度60 g/L、保温时间120 min。如图3所示，保温温度对半纤维素的结构影响很大。当保温温度超过80 ℃时，半纤维素网状高分子结构受到进一步破坏，剥皮反应加剧，半纤维素降解速率变快，虽然投入更多的能耗，造成更多的设备损耗，其得率却逐渐降低，不利于生产半纤维素。因此，最佳保温温度选用80 ℃。

图3 保温温度对半纤维素得率的影响

2.2.4 保温时间对半纤维素得率的影响

保温时间的长短决定碱液与物料中半纤维素的接触程度。保温时间对半纤维素得率的影响如图4所示。其他实验条件：温度80 ℃、碱液质量浓度60 g/L、液比1∶12。在相同的保温温度下，反应釜内部几乎不存在压力差别，所以保温时间的改变也就形成了不同时长的扩散浸透作用[14]。由图4可知，适当延长保温时间，为半纤维素更多溶出提供机会，得率可显著提升；过度延长保温时间，由于半纤维素降解量多于其溶出量，半纤维素得率下降。因此，确定最佳保温时间为120 min。

图4 保温时间对半纤维素得率的影响

2.3 玉米秸秆半纤维素的表征

红外光谱分析是研究有机物分子结构和官能团的重要辅助手段。分离纯化得到的半纤维素粉末经傅立叶红外光谱仪分析，结果如图5和表2所示。

表2 半纤维素产品红外光谱谱图分析

图5 半纤维素FT-IR谱图

由表2中的所属官能团判断，分离纯化所得半纤维素产品比较符合Fisher等[17]提出的木聚糖模型，木聚糖侧链没有乙酰基团，含有部分阿拉伯糖基以及糖醛酸基团，主要以木糖基为主。

3 结 论

玉米秸皮、秸髓中均含有丰富的半纤维素，其聚木糖半纤维素质量分数分别为22.16%和17.39%，宜采用玉米秸秆全杆提取半纤维素。

利用KOH成功提取了玉米秸秆半纤维素，经单因素实验优化得到提取玉米秸全秆半纤维素的最佳工艺为液比1∶12、KOH 60 g/L、保温温度80 ℃、保温时间120 min。在最佳工艺条件下半纤维素的得率达到21.52%。

分离纯化所得半纤维素产品的红外光谱与Travis Fisher等提出的聚木糖模型结构接近。该碱法工艺得到的木聚糖纯度高，为下游生产功能性低聚糖提供了原料来源。