1、造纸科学与技术2008年第27卷第6期 秸秆原料EMAL木素的分离及其特性研究水 武书彬 娄 瑞 赵增立 (1华南理工大学制浆造纸工程国家重点实验室，广东广州510640； 2中国科学院广州能源研究所，广东广州510640) 摘要：论文介绍了从几种农作物秸秆生物质中高效分离木素的新方法一酶解温和酸解法(EnzymaticMild ac idolysis)，用此方法分离得到的木素简称为EMAL(Enzymatic Mild Acidolysis Lignin)。借助FTIR、GPC和定量 P NMR对分离的EMAL进行物理化学特性研究，研究结果表明，EMAL在分离过程中化学结构没有明显的缩合与
2、解聚，分子量比常规的磨木木素(MWL)高，且纯度也高。在分离过程中分离程序简化，溶剂使用量大大减少，得到 的木素有较好的代表性，适合较大量的木索分离。 关键词：秸秆原料；EMAL；木素；化学结构特性；”PNMR 中图分类号：0658；TS721 文献标识码：A 文章编号：16714571(2008)06-0087-06 从农业秸秆等可再生资源转化获得新材料、高 热值能源和化工原料等已成为一种重要的发展趋 势，将秸秆等生物质转化为清洁燃料或化工原料，培 育、发展秸秆化工技术是二十一世纪的重要研究课 题。 虽然对木素结构的研究已有150多年的历史， 但对秸秆纤维木素大分子详细化学结构的认识仍停 留
3、在一个有限的水平。Bjtrkman在20世纪70年代 提出的分离磨木木素的方法有很大优点，但仍然 存在被分离出来的木素是否能够代表纤维中的原本 木素等疑问。磨木木素分离技术用于非木材纤维的 分离，得率仅8左右，既便是现在改进的方法，得 率也超不过15。另外，由于充分的机械研磨作用 会导致一些解聚反应发生，从而使木素的原本结构 发生一定程度的变化 。在改进木素分离方法方 面，许多学者做了大量的工作，例如，Chang等人 发展了纤维素酶降解木素(CEL)的方法。这种CEL 方法分离得到的木素结构特性与磨木木素相比，没 有明显的差异，而产量得以显著提高。CEL方法的 缺点是需要较高的纤维素酶用量(造
4、成木素氮元素 含量的显著增加)、使用大量的溶剂、分离时间长、 工作量大、对草类纤维木素的产量没有显著的提高。 1957年Bjfirkman第一次提出木素一碳水复合体 (LCCs)的存在 。后来的研究结果表明，部分木素 和碳水化合物问由共价键连接在一起 。部分 LCCs能溶解于酸性水介质或二氧六环与水的混合 物中【 ，使得从纤维原料中分离得到高纯度、高得 率木素受到一定的局限。如何有选择性地切断木素 一碳水化合物间的联接，有助于分离获得高纯度、高 得率的木素。 最近，我们提出了一种新颖的有效分离木素的 新方法 。该分离方法以酶处理结合温和酸水解， 使木素一碳水化合物间的化学联接能在温和的化学 条
5、件下，选择性地有效打开，为木素的高效分离提供 了保证，这种方法称之为EMAL法。本论文将这种 已成功使用于木材纤维木素分离研究的新方法，应 用于秸秆生物质纤维原料木素的分离。有关秸秆热 化学裂解特性的研究结果表明 ，秸秆纤维三大 组分中，木素的热裂解特性最复杂，木素的化学结构 与特性对秸秆热化学裂解产物的影响也最大。因 此，本论文采用FTIR、GPC、定量”PNMR等研 究手段，开展了秸秆类生物质中木素的物理化学特 性的初步研究。 1 实验部分 11 原料 作者简介：武书彬，男，教授，主要从事纤维回用新技术新理论、生物质转化与利用、造纸工业水污染控制与治理等方面研究。 基金项目：国家高技术研究
6、发展计划(2007AA05Z456)项目，国家重点基础研究发展计划项目(2007CB210201)，国家自然科 学基金项目(20576043)。 87 Paper Science&Technology 2008 Vo127 No。6 四种秸秆生物质原料：麦草、稻草、蔗渣和玉米 杆均取自湖南。粉碎后，筛分，取通过60目，截留在 40目上的组分，用丙酮抽提48h，在室温下用真空烘 干箱干燥。然后，装入陶瓷球磨罐中研磨，在36r min的转速下研磨240h。研磨得到的草粉供分离酶 解温和酸解木素(EMAL)使用。 111 酶解温和酸解木素(EMAL)的分离 纤维素酶处理：磨后的草粉用高活性的液体纤
7、维素酶处理，酶活为每毫升8000个羧甲基纤维素酶 活单位。该酶也含有一定量的半纤维素酶活。酶水 解在40oC，pH值为45，浓度为5的条件下摇床 培养48h 。酶水解处理后，用离心分离收集得到 的含少量碳水化合物的粗木素，再用去离子水配制 的酸性为pH=2的水溶液冲洗，然后冷冻干燥。 温和酸解和EMAL的提取：取5g酶解粗木素分 散在lOOmL酸性二氧六环一水混合液中(85：15， vv，HC1酸浓001molL)。混合液在氮气保护下 回流、抽提2h(沸点86)。反应后将滤液过滤，残 渣用新鲜的二氧六环一水混合液中(85：15，vv) 洗涤至滤液澄清。滤液用碳酸氢钠中和后，在30 下旋转蒸发浓
8、缩至数毫升，将浓缩液滴加至大量的 酸性去离子水中(pH=20)。沉淀出来的木素经离 心分离、洗涤后冷冻干燥，分离的酶解温和酸解木 素用色谱级正己烷洗涤，去除其他残留的抽出物，然 后在室温下真空干燥，供后续研究使用。 112 EMAL木素的乙酰化 准确称取300mg分离得到的草类EMAL木素 于锥形瓶中，打开氮气瓶减压阀，控制氮气流速以保 证能较快赶走锥形瓶中空气而不吹起木素粉即可。 然后在氮气保护下加入16mL吡啶和8mL乙酸酐， 室温避光放置72h。放置期间，要经常摇动，以利于 反应均匀。量取200mL乙醚放入烧杯中，在磁力搅 拌下把锥形瓶中的溶液逐滴加入烧杯中，静置沉淀。 分离沉淀物，然后
9、用乙醚洗涤，直至无吡啶气味为 止。最后把得到的木素样品冷冻干燥即得到乙酰化 的木素，供凝胶渗透色谱分析(GPC)使用。通过乙 酰化处理，可以封闭木素中的活泼羟基，从而避免了 木素分子间的缔合作用。 12分析方法 121化学成分分析 原料及所分离木素的化学成分分析按照参考文 献13进行。 122定量”PNMR谱 实验在Varian300 MHz核磁共振仪上进行，用 氘代吡啶CDC13(161，vv)做溶剂，甾醇做内 标，乙酰丙酮化铬做松弛剂，2一氯一4，4，5，5一四甲 基一1，3，2一二氧磷烷做磷化试剂 引。 123木素GPC分析 用美国Waters公司515型凝胶渗透色谱分析系 统4测定乙酰
10、化木素的分子量和分子量分布。GPC 分析在40C，Waters 410折射指数检测器上进行，测 定浓度为1mgmL，用四氢呋喃作为溶剂，溶剂流速为 lmLmin。所用色谱柱为Waters HR 5E和HR 1连 接而成。标准聚苯乙烯用来校准凝胶柱。用Milleni am 32 GPC软件(Waters)对数据进行处理。 2结果与讨论 21 化学成分分析 将几种秸秆类生物质原料的化学成分分析结果 列于表1。 从表1看出，稻草的灰分含量最高，麦草灰分含 量次之，而玉米秆由于皮质部较多灰分含量最低，蔗 渣的灰分含量居中。麦草和蔗渣的综纤维素含量相 近，较高于稻草和玉米秆的综纤维素含量，但半纤维 素含
11、量除稻草较低以外，其他三者相近。木素含量 为酸溶木素和Kalsson木素的加和，玉米秆的木素含 量明显低于麦草、稻草和蔗渣。 表1 几种生物质原料的化学成分分析结果(，干基) 88 造纸科学与技术2008年第27卷第6期 22 EMAL的得率对比 表2 四种秸秆EMAL的得率和纯度对比 从表2可以发现，酶解温和酸解分离得到的几 种草类纤维原料EMAL的得率有稍微的差距，但草 类EMAL的得率一般都是在60左右。玉米杆中 木素含量最低，但其EMAL的得率却最高。实验以 麦草为代表，对EMAL与MWL进行分析，EMAL的 纯度和得率都高于磨木木素，麦草磨木木素的得率 仅为81，而麦草EMAL的得率
12、达到583，碳水 化合物含量明显低于磨木木素。这说明酶解温和 酸解两段法可以高得率、高纯度的分离秸秆原料中 的木素。 23 EMAL的元素分析 利用元素分析仪测定了木素大分子中c、H、0 和N等元素组成。分离提纯的EMAL元素分析结 果见表3。从表3中可以看出，c、H和O元素含量 在几种EMAL中差别不大，但麦草和稻草EMAL中 N的含量居中，分别为041和035；蔗渣原料 EMAL木素中的氮含量相对较高，为087，玉米秆 EMAL中N含量最低，仅为026。但几种EMAL 中氮元素总含量均在1以下，不会影响到其化学 结构的分析 。 表3 EMAL的元素分析(。干基) 24 EMAL分子量的测定
13、 GPC是一种木素分子量快速测定的简单可靠 的方法。表中为数均分子量，为峰位分子量，为重均 分子量，PD(Polydispersity)为多分散性(MwMn)。 分子量是聚合物试样最为基础的指标之一，可以通 过数均或重均分子量来了解平均分子量的大小和变 化。但是，木素是不均一的高聚物，分析其不均一性， 即多分散性对了解整个木素分子量的变化有重要的 意义。 表4 几种草类原料EMAL木素的分子量 从表4中的数据可以看出，蔗渣EMAL的重均 分子量和数均分子量值都最大，分别为24531和 6094，但是产物流出的保留时间相应也是最长，其多 分散性PD也最大，四者中稻草EMAL的多分散性 最小，其重
14、均分子量和数均分子量值分别为8295和 4732，玉米秆EMAL的数均分子量与麦草数均分子 量相近。几种草类纤维原料的数均分子量差别不是 非常显著，但其重均分子量差别较为明显，这一点充 分说明了不同非木材纤维原料的木素大分子之间存 在着较大的差异，体现了非木材纤维原料木素大分 子构成的复杂性。 25 EMAL的红外光谱分析 利用红外吸收光谱可以确定木素中存在的各种 功能基及各种化学键 ，例如羰基、羟基、甲氧基、C H键和C=C键等。根据木素的化学结构，可以 知道木素的羰基主要存在于结构单元的侧链上，其 中一部分为醛基，大多数位于结构单元的 一碳原 子上；另一部分为酮基，多位于侧链的B一碳原子
15、上。采用溴化钾压片法测得麦草EMAL、稻草 EMAL、蔗渣EMAL和玉米杆EMAL的红外光谱图， 分别见图1一图4。 蔷 蚓 35【x】 3000 25o0 2000 l500 l000 波数em 图1麦草EMAL木素红外光谱 89 舳；。 如 Paper Science&Technology 2008 Vo127 No6 静 蛔 4000 3500 3000 2500 2000 1500 】000 5o0 波数cm_1 图2麦草EMAL木素红外光谱 3500 3000 2500 2000 1500 1000 5oo 波数-m 35o0 3000 25oo 2(10cI l5【x】 1000
16、50o 波数cm 图4玉米秆皮质部EMAL木素红外光谱图 根据参考文献15，对吸收峰归属的划分结果 见表5。可知表征苯环骨架伸缩振动的1600cm 和 1510cm 吸收峰均显示出较强的吸收，这是木素苯 环骨架的最特征吸收峰，说明苯环骨架结构没有被 破坏，得到了很好的保护；同时，与愈创木基和紫丁 香基有关的吸收峰均显示出较强的吸收(序号11、 l3、15)，表明几种原料的EMAL木素中均含有一定 量的愈创木基单元、对羟苯基单元和紫丁香基单元； 分离得到的EMAL中，稻草木素结构的缩合和变形 图3蔗渣EMAL木素grl“光谱图 最少。 表5 EMAL的红外光谱图解析 舳 蚰 黔舳 加 ；。 ：3
17、 醑捌嘲 造纸科学与技术2008年第27卷第6期 26 EMAL的 PNMR分析 对几种草类原料的EMAL进行了核磁共振 PNMR分析，谱图见图5一图8，麦草、稻草、蔗渣和玉米杆 的EMAL功能基含量的分析结果见表6。 表6 定量”PNMR测定的几种EMAL木素功能基含量(mmog) 从表6可以直观地看出，麦草、稻草、蔗渣和玉 米秆纤维原料EMAL中愈创木基单元上酚型羟基、 P一羟苯基单元上酚型羟基、紫丁香基单元上酚型羟 基的含量。由此可知，几种草类秸秆中，玉米秆 EMAL的紫丁香基、愈创木基和对羟苯基的含量最 低，分别仅为002mmolg、016mmo|g和028 mmolg。蔗渣EMAL的
18、紫丁香基含量在几种木素 中最高，为080mmolg。麦草EMAL中P一羟苯基 和紫丁香基的含量接近，分别为029molg和022 mol，g，但愈疮木基含量远高于这两项，达到059 mmolg。几种EMAL的羧基含量都相对较低，含量 都在022mmolg以下。蔗渣EMAL的未知结构类 型的上酚型羟基含量达到了146mmolg，远高于稻 草、麦草和玉米秆EMAL的相应含量021mmolg、 017mmolg和003mmolg。脂肪族羟基含量的含 量比较高，其中麦草的EMAL中脂肪族羟基含量达 到了506mmolg，而稻草、蔗渣和玉米杆EMAL相 应含量接近，分别为115mmolg、164mmol
19、g和1 31mmog，四种秸秆中分离得到EMAL分子结构 中，总缩合酚羟基的量相对较小，说明木素在分离过 程中发生的缩合度较低。 图5麦草EMAL木素定量 PNMR谱图 A 、 一 图6稻草EMAL木素定量 PNMR谱图 图7蔗渣EMAL木素定量”PNMR谱图 l5O 148 146 】44 l42 l40 l38 l36 134 图8玉米秆EMAL木素定量 PNMR谱图 3 结论 31 实验采用丙酮抽提、酶处理、酸水解的方法得 91 Paper Science&Technology 2008 Vo127 No6 到了草类生物质EMAL木素。与传统的方法相比， EMAL的得率和纯度都较高。FT
20、IR和GPC分析结 果表明，所采用的新方法对木素大分子结构有较好 的保护作用，同时对碳水化合物有很好的降解作用， 说明分离过程比较成功。且几种EMAL中均反映 了分离得到的木素单元中含有愈创木基、紫丁香基 和对羟苯基的共同特征。 32从分子量的分布来看，麦草、稻草、蔗渣和玉米 秆几种原料的EMAL数均分子量和重均分子量都 较高，说明分离过程中木素降解较少。 33 EMAL的定量31PNMR谱图分析显示，在没 有考虑形成BO一4键的三种结构含量的情况下， 麦草EMAL中含有较多量的愈疮木基单元；稻草 EMAL中则含有较多量的对苯羟基单元；而蔗渣 EMAL中对羟苯基单元、愈疮木基单元和紫丁香基 单
21、元的含量都较高；玉米秆EMAL中紫丁香基单元 的含量最少，此EMAL主要由愈疮木基和P一羟苯 基两种结构单元组成。 参考文献 Brownell HHIsolation of Milled Wood Lignin and Lignin Car- bohydrate ComplexJTappi，1965，48：513518 Brunow，G，Lundquist，K，Gellerstedt，GAnalytical Meth- ods in Wood ChemistryJPulping and Papermaking，1998，4 Chang H，M，Cowling EB，Aldler，E，Mikso
22、he，GCom- parative Studies on Cellulolytic Enzyme Lignin and Milled Wood Lignin of Sweetgum and SpruceJHolzforschung，1975，29 (5)：153160 Bjrkman AStudies on Finely Divided WoodVThe Effect of MillingJSvensk Papperstidning，1956，60：243251 5Yaku F，TanakaR，Koshijima TLignin Carbohydrate Complex Part4Lignin
23、 as SideChain of the Carbohydrate in Bjrkman LCCJHolzforsehung，1981。35(4)：177181 6 Iversen T，Westermark U，Samuelsson BSome Comments on the Isolation of Galactose Containing Lignin Carbohydrate Comple xe$JHolzforschung，1987，41(2)：119121 7Shubin Wu，DSArgyropoulosAn improved method for isola ring ligni
24、n in high yield and purityJJournal of Pulp and Paper Science，2003，29(7)：235240 8 武书彬，李梦实麦草酶解一温和酸解木质素的化学结构特性 研究J林产化学与工业，2006，26(1)：104108 9Demirbas AMechanisms of liquefaction and pyrolysis reactions of bi omassJEnergy Conversionmanagement，20OO，41：633646 10Tohmura S，Argyropoulos，DSDetermination of Ar
25、ylglycerol 13-aryl Ethers and Other Linkages in Lignins Using DFRC31P NMRJAgrlcFood Chem，2001，49(2)：536542 1 1】 Jakab E，Fair 0，Till FThermal decomposition of milled wood lignins studied by thermogravimetrymas spectrometryJJournal of Analytical and Applied Pyrolysis，1997，4041：171186 12 王少光，武书彬，郭伊丽，等E
26、MAL的分离及其特性J华 南理工大学学报(自然科学版)，2006，34(12)：101104 13 石淑兰，何福望制浆造纸分析与检测M北京：中国轻 工业出版社，2003 14 RunCang Sun，JTomkinsonCharacterization of Hemieelluloses Obtained by Classical and Ultrasonically Assisted Extractions from Wheat StrawJ1CarbohydrPolym，2002，50：263271 15 Argyropoulos DS，Bolker HI，Heitner C，et a1”
27、P NMR Spectroscopy in Wood ChemistryPart VQualitative A nalysis of Lignin Functional GroupsJJournal of Wood Chem istry and Technology，1993，13(2)：187212 Study on the Characteristics of Crop Stalks EMAL Isolated Wu ShubinLou RuiZhao Zengli (1State Key Lab of Pulp and Paper Engineering，South China Univ
28、ersity of Technology，Guangzhou 5 10640，Guangdong，China； 2Guangzhou Institute of Energy Conversion，Chinese Academy of Sciences，Guangzhou 510640，Guangdong，China) Abstract：A new methodenzymaticm订d acidolysis method was used to isolate lignin in crop stalks，and the sepa- rated enzymaticmild acidolysis l
29、ignin was named EMALChemical characteristics of stalks EMAL were studied with the methods of FTIR，GPC and quantitative”PNMRThe results showed thatthe chemical structure of EMAL had no obvious condensation and distortion in the process of separation；and the EMAL molecular weight were higher than conv
30、entional MWL，also in purityThe procedures to isolate EMAL were simplified，which re duces the dosage of solventEnzymatic mild acidolysis lignin has such a good representative，SO this method can be used to isolate a large amount of lignin Key words：biomass；lignin；chemical structure characteristics；”PNMR 92 1j 1J 心
