李 蕊 杨桂花 吕高金 陈嘉川 张 磊

(齐鲁工业大学制浆造纸科学与技术教育部/山东省重点实验室，山东济南，250353)

研究论文

玉米秸秆半纤维素的逐级分离及其结构表征

李 蕊 杨桂花*吕高金 陈嘉川 张 磊

(齐鲁工业大学制浆造纸科学与技术教育部/山东省重点实验室，山东济南，250353)

将玉米秸秆进行苯-醇抽提和亚氯酸钠脱木素处理制取综纤维素，利用不同溶剂体系抽提综纤维素分离出不同特性的半纤维素，并对其化学结构进行表征。结果表明，经过二甲基亚砜、二氧六环-三乙胺、饱和Ba(OH)2、1 mol/L KOH、1 mol/L NaOH和3 mol/L KOH连续抽提，得到的乙醇沉淀半纤维素分别为玉米秸秆半纤维素总量的5.8%、0.3%、24.4%、38.6%、7.1%和12.2%。高效阴离子交换色谱(HPAEC)、傅里叶红外光谱(FT-IR)和核磁共振光谱(NMR)分析表明，二甲基亚砜和二氧六环-三乙胺提取所得半纤维素分枝度较高，无机碱体系抽提所得半纤维素分枝度较低；二甲基亚砜抽提所得半纤维素是以L-阿拉伯糖基和4-O-甲基-葡萄糖醛酸基为侧链的含有乙酰基的聚木糖半纤维素。热重分析(TGA)表明，无机碱抽提所得半纤维素的热稳定性高于有机溶剂抽提所得半纤维素。

玉米秸秆；半纤维素；分离；结构表征

随着不可再生资源和能源消耗的日益增大，对可再生资源的开发与利用已越来越受到人们的关注[1]。我国由于木材资源匮乏，开发利用非木材纤维原料更具有现实意义[2-4]。其中，玉米秸秆是一种可再生、价格低廉、用途广泛的农作物残余物，分布在我国大部分区域，具有巨大的开发潜力和应用前景[1,5]。

目前，许多研究都是基于玉米秸秆的产品应用上，例如以玉米秸秆为原料制备生物炭吸附剂，研究生物炭对水中苯胺的吸附性能[3]，而对于玉米秸秆中的半纤维素一直没有得到深入的研究[1]。半纤维素与木素、纤维素和蛋白质之间存在化学键或其他紧密结合方式，从而使半纤维素的分离更加复杂困难。另外，在植物纤维原料中还含有盐类、萜烯类、脂肪、蜡、色素、多酚类等物质，因此，在分离半纤维素之前需要把这些杂质去除[4]。碱溶液中的OH-能够使纤维素润胀，破坏半纤维素与纤维素之间的氢键连接，从而有利于半纤维素的溶出。

本实验以玉米秸秆为原料，经过苯-醇抽提、亚氯酸钠脱木素制得综纤维素，分别用二甲基亚砜、二氧六环-三乙胺、饱和Ba(OH)2、1 mol/L KOH、1 mol/L NaOH、3 mol/L KOH等溶液连续处理，再经过乙醇沉淀后制得6种玉米秸秆半纤维素，并采用高效阴离子交换色谱(HPAEC)、傅里叶红外光谱(FT-IR)、核磁共振光谱(1H-NMR、13C-NMR)和热重分析(TGA)分别对其糖类组分和含量、化学结构、热稳定性进行分析检测，并优化出玉米秸秆半纤维素的分离提取方式，研究结果可对半纤维素的结构解译及其后续定向高值转化利用提供一定的理论指导。

1 实 验

1.1实验原料

玉米秸秆取自山东济南，晒干后切成1～3 cm小段，用植物微型粉碎机粉碎，筛选，选取40～60目秸秆粉作为原料。风干后的秸秆粉用苯-乙醇(体积比2∶1)在索氏抽提器中抽提6 h，然后在60℃烘箱中干燥16 h后备用。玉米秸秆的化学组成为：纤维素39.1%、半纤维素29.5%、木质素18.9%、灰分6.9%和抽出物3.4%。

无水乙醇、乙酸、二甲基亚砜、二氧六环、三乙胺、HCl、H2SO4、Ba(OH)2、NaOH、KOH均为化学纯。L-阿拉伯糖、D-葡萄糖、D-木糖、D-半乳糖、D-甘露糖、L-鼠李糖、D-葡萄糖醛酸及D-半乳糖醛酸购自Sigma公司。

1.2玉米秸秆半纤维素在不同溶剂体系下的分离

根据文献中提取柠条锦鸡儿半纤维素的方法[6]，采用图1所示方案进行半纤维素分离。经抽提后的原料在酸性条件下(用乙酸调节pH值3.8～4.0)用亚氯酸钠于75℃水浴中加热1 h，加热过程中保持旋转摇动，加热至1 h后补加亚氯酸钠和冰醋酸，继续在75℃水浴中加热1 h，如此重复3次以脱除木质素，然后冷却过滤，残渣用超纯水充分冲洗后再用75%乙醇冲洗，然后在60℃烘箱中干燥16 h得到综纤维素。

所得综纤维素用二甲基亚砜在固液比1∶25(g/mL)和 80℃下抽提5 h，冷却并过滤，所得滤液减压浓缩至约50 mL，缓慢加入3倍体积的95%乙醇溶液沉淀，经过离心分离、冷冻干燥得到半纤维素H1。过滤所得残渣用二氧六环-三乙胺混合液(体积比9∶1)在固液比1∶25(g/mL)和80℃下抽提5 h，冷却过滤并减压浓缩，缓慢加入3倍体积的95%乙醇溶液沉淀，沉淀物经冷冻干燥得到半纤维素H2。残渣依次用饱和Ba(OH)2、1 mol/L KOH、1 mol/L NaOH和3 mol/L KOH在50℃下连续提取5 h,每次抽提结束后冷却并过滤，得到的滤液用乙酸调节pH值至5.5～6.0，减压浓缩至约50 mL，缓慢加入3倍体积95%乙醇沉淀，离心分离、冷冻干燥后得到半纤维素，分别标记为H3、H4、H5和H6。

图1 玉米秸秆半纤维素分离流程

1.3结构表征

1.3.1糖分析

称取5 mg制备的半纤维素样品于15 mL压力容器中，加入125 μL的 72% H2SO4和 1.375 L超纯水，将此压力容器置于105℃下反应2.5 h，反应结束后，酸解液用孔径为0.22 μL的水系滤膜过滤，滤液稀释500倍后采用高效阴离子交换色谱仪(HPAEC，Thermo Fisher，ICS-5000，美国)测定酸解液中的单糖和糖醛酸。该检测系统配备有脉冲安倍检测器、CarboPacTMPA-20分析柱(4×250 mm，Dionex)及其保护柱(3×30 mm)和AS-DV自动进样器。流动相先以10 mmol/L NaOH等浓度洗脱22 min，随后用200 mmol/L NaOH和300 mmol/L NaAc 梯度洗脱5 min，中性糖和糖醛酸被分离出来；随后用200 mmol/L NaOH等浓度冲洗色谱柱15 min，最后用10 mmol/L NaOH平衡色谱柱10 min，柱温保持30℃，流速为0.4 mL/min。

1.3.2红外光谱(FT-IR)

红外光谱采用傅里叶红外光谱仪(Shimadzu，日本)进行测定。半纤维素样品与干燥的KBr粉末充分研磨混合，压片后进行检测。扫描范围500～4000 cm-1。

1.3.31H和13C核磁共振(1H-NMR，13C-NMR)

用核磁共振仪(AVANCE II 400)测定半纤维素的核磁共振谱图。称取20 mg半纤维素样品溶解于1 mL D2O中测定半纤维素的氢谱(1H-NMR)；称取80 mg半纤维素样品溶解于1 mL D2O中测定半纤维素的碳谱(13C-NMR)。

1.3.4热重分析(TGA)

半纤维素的热稳定性采用热重分析仪(TGA Q50，美国)进行测定。将10 mg半纤维素样品放入样品盘中以10℃/min升温速率从室温上升到500℃，加热过程保持在氮气氛围下，流速为30 mL/min。

2 结果与讨论

2.1不同溶剂体系下分离半纤维素

碱液抽提半纤维素，半纤维素中部分乙酰化聚糖会发生脱乙酰基反应，为避免碱对乙酰基的破坏，首先采用有机溶剂二甲基亚砜对脱脂和脱木质素原料进行抽提，研究结果如表1所示。表1中数据显示，二甲基亚砜所抽提出的半纤维素仅为原料的1.7%，占原料中半纤维素总量的5.8%，这说明有机溶剂二甲基亚砜只能抽提出少量的半纤维素。随后用二氧六环-三乙胺复合体系对原料进行进一步抽提，此复合体系抽提出0.1%的半纤维素，占原料中半纤维素总量的0.3%。与二甲基亚砜抽提的半纤维素得率相比，二氧六环-三乙胺体系抽提的半纤维素得率较低，主要原因是三乙胺是强度较大的有机碱，在抽提过程中使半纤维素发生降解，从而导致半纤维素得率较低。在用无机碱溶液Ba(OH)2、KOH和NaOH对原料进行连续抽提时，使用1 mol/L KOH进行抽提得到了11.4%的半纤维素，占原料中半纤维素总量的38.6%。其次是用饱和Ba(OH)2进行抽提得到7.2%的半纤维素，占原料中半纤维素总量的24.4%。以1 mol/L NaOH和3 mol/L KOH进行抽提时分别得到了2.1%和3.6%的半纤维素，分别占原料中半纤维素总量的7.1%和12.2%。由此可知，当使用1 mol/L KOH抽提时，半纤维素得率最高，其原因是OH-能够促使纤维素分子发生润胀，破坏了半纤维素和纤维素微细纤维之间的氢键，使半纤维素较易溶出[7]。然而当使用1 mol/L NaOH和3 mol/L KOH进行抽提时半纤维素得率较低，原因可能是大部分的半纤维素已经被连续抽提出来，导致这两个过程只抽提出很少的半纤维素。综上所述，使用不同溶剂体系可有效分离玉米秸秆中的半纤维素，可抽提出26.1%的半纤维素，占原料中半纤维素总量的88.5%。

表1 不同溶剂抽提所得玉米秸秆半纤维素的得率

2.2半纤维素糖组分的离子色谱分析

半纤维素是由D-木糖基、D-甘露糖基、D-葡萄糖基、D-半乳糖基、L-阿拉伯糖基、D-半乳糖醛酸基、D-葡萄糖醛酸基等组成的复合聚糖。为进一步分析所抽提得到的各种半纤维素中的单糖和糖醛酸含量，采用离子色谱分析测定半纤维素中的糖基组成，研究结果见表2。由表2可知，玉米秸秆半纤维素中木糖含量最高，其次为阿拉伯糖、葡萄糖等，这说明聚木糖是玉米秸秆半纤维素的主链，其他单糖和糖醛酸作为侧链连接在木糖基主链上。此外，二甲基亚砜和二氧六环-三乙胺处理分离出的半纤维素样品H1和H2中木糖含量相对较低，分别为75.0%和76.4%，阿拉伯糖含量分别为12.7%和12.1%，而4种碱溶半纤维素样品H3、H4、H5和H6中木糖含量相对较高，分别为80.6%、90.2%、87.7%和88.4%，阿拉伯糖含量比H1和H2低，分别为10.9%、1.7%、4.4%和4.2%，导致这种含量差异性的原因是无机碱溶液能够破坏木糖基主链上的支链糖基，致使溶出的半纤维素中木糖基相对于其他糖基含量较高。半纤维素样品H1和H2中阿拉伯糖含量高则说明二甲基亚砜和二氧六环-三乙胺抽提出的半纤维素更好地保留了支链糖基，含有较多的支链结构。

表2 玉米秸秆半纤维素中单糖和糖醛酸的含量

2.3半纤维素化学结构的红外光谱分析

图2 半纤维素样品H1、H2、H3、H4、H5和H6的FT-IR谱图

表3 玉米秸秆半纤维素FT-IR谱图解析

2.4半纤维素化学结构的核磁共振分析

1H-NMR和13C-NMR是研究半纤维素结构的有效方法，参考相关文献对图谱进行解析[11-12]。图3和图4为有机溶剂二甲基亚砜抽提所得半纤维素样品的1H-NMR和13C-NMR谱图。根据相关文献对其信号峰进行分析[1，13]。图3中δ为3.2～4.4处是β-D-吡喃木糖的特征信号峰，β-异头氢出现在δ为4.3处，这说明木糖单元之间的连接是β连接；而δ为4.34、3.99、3.66、3.32、3.26和3.15处分别是木糖单元中H-1、H-5e、H-4、H-3、H-5a以及H-2位的信号峰。另外出现在δ为2.0的信号峰说明二甲基亚砜抽提所得半纤维素含有乙酰基，δ为1.9信号峰可能源自半纤维素中甲基和亚甲基的氢原子。δ为2.6和4.68处较强的信号峰分别来自于残余二甲基亚砜和氘代水。

图3 玉米秸秆半纤维素样品H1的1H-NMR谱图

半纤维素样品H1的13C-NMR谱图如图4所示。结合文献对其化学位移进行分析，δ为101.3、76.0、73.3、72.3和62.6处较强的信号峰分别是β-D-吡喃木糖的C-1、C-4、C-3、C-2和C-5位。δ为101.3处的信号峰表明木糖单元以β糖苷键连接形成了半纤维素的主链。L-阿拉伯糖的信号峰在谱图中也有呈现，δ为105、84.3、82.9、80.4和61.0处分别是L-阿拉伯糖C-1、C-4、C-3、C-2和C-5位。另外δ为59.6处的信号峰为—OCH3，来自4-O-甲基-葡萄糖醛酸。δ为20.0处是乙酰基的信号峰。由以上对半纤维素样品H1核磁共振谱图分析可知，H1是以L-阿拉伯糖基和4-O-甲基-葡萄糖醛酸基为侧链的含有乙酰基的聚木糖半纤维素。

图4 玉米秸秆半纤维素样品H1的13C-NMR谱图

2.5半纤维素热稳定性分析

采用热重分析方法研究所抽提得到的半纤维素样品的热稳定性。图5为二甲基亚砜和1 mol/L KOH抽提的半纤维素样品H1和H4的TG-DTG曲线图。由图5可知，不同溶剂抽提出的半纤维素的热稳定性有所差异。半纤维素的质量损失可分为三个阶段：第一阶段为0～100℃，这个阶段主要是半纤维素中水分受热蒸发的过程，导致了半纤维素质量的损失；第二阶段为100～400℃，此时半纤维素样品的质量剧烈下降，半纤维素样品H1质量损失达到60%，而H4质量损失为30%，半纤维素H1和H4降解的初始温度分别为200℃和240℃，这说明半纤维素H4的热稳定性高于H1，这个阶段半纤维素质量变化的原因是半纤维素主链发生断裂，侧链发生碎片化反应；第三阶段为400～600℃，这一阶段中半纤维素H4相较于H1有个较大的质量损失峰，半纤维素H4的质量急剧下降，而半纤维素H1的质量仍缓慢下降，导致半纤维素质量下降的原因可能是半纤维素中有机物的氧化[14]；当温度达到600℃时，半纤维素H4仍有约55%未降解的残渣存在，这说明H4具有较高热稳定性。图6、图7、图8和图9分别为二氧六环-三乙胺、饱和Ba(OH)2、1 mol/L NaOH和3 mol/L KOH抽提半纤维素热重谱图，在第一阶段0～100℃，这几种半纤维素质量都有所下降，半纤维素中水分受热蒸发导致了半纤维素质量的损失；第二阶段100～400℃，4种半纤维素的初始降解温度都在200℃左右；在第三阶段400～600℃，半纤维素的质量仍在下降；在600℃时，H2、H3、H5、H6分别有30%、25%、70%、50%未降解的残渣存在。综合分析，无机碱抽提的半纤维素比有机溶剂抽提的半纤维素热稳定性高。

图5 半纤维素样品H1和H4的热重谱图

图6 二氧六环-三乙胺抽提半纤维素热重谱图

图7 饱和Ba(OH)2抽提半纤维素热重谱图

图8 1 mol/L NaOH抽提半纤维素热重谱图

图9 3 mol/L KOH抽提半纤维素热重谱图

3 结 论

3.1使用不同有机溶剂和不同浓度的碱溶液抽提或逐级处理可有效分离玉米秸秆中的半纤维素，但分离效果不同。二甲基亚砜、二氧六环-三乙胺复合体系、饱和Ba(OH)2、1 mol/L KOH、1 mol/L NaOH和3 mol/L KOH可分别提取出占玉米秸秆中半纤维素总量5.8%、0.3%、24.4%、38.6%、7.1%和12.2%的半纤维素。

3.2高效阴离子交换色谱(HPAEC)、傅里叶红外光谱(FT-IR)和核磁共振光谱(1H-NMR和13C-NMR)分析表明二甲基亚砜和二氧六环-三乙胺复合体系提取所得半纤维素富含支链，无机碱体系抽提所得半纤维素分枝度较低，二甲基亚砜抽提所得半纤维素是以L-阿拉伯糖基和4-O-甲基-葡萄糖醛酸基为侧链且含有乙酰基的聚木糖半纤维素。

3.3热重分析(TGA)结果显示不同溶剂抽提出的半纤维素热稳定性有所差异，无机碱抽提所得半纤维素的热稳定性高于有机溶剂抽提所得半纤维素。

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Abstract：Holocellulose obtained by dewaxing and delignification of corn stalks were sequentially extracted and fractionated with different solvent systems to separate hemicelluloses.The chemical structures of the separated hemicelluloses were characterized.The results showed that the obtained hemicelluloses yields were 5.8%,0.3%,24.4%,38.6%,7.1% and 12.2% of total hemicellulose in corn stalk,respectively,after extracting sequentially by dimethyl sulfoxide,dioxane-triethylamine,saturated barium hydroxide,1 mol/L KOH,1 mol/L NaOH,and 3 mol/L KOH.The analysis of HPAEC,FT-IR,1H-NMR and13C-NMR indicated that the branching degree of hemicelluloses extracted by dimethyl sulfoxide and dioxane-triethylamine was high,while that of hemicelluloses extracted by inorganic alkali system was lower.The backbone chain of the hemicelluloses extracted by dimethyl sulfoxide wasβ-D-xylose with acetyl group,and the branched chains wereL-Arabia sugar and 4-O-methyl glucose uronic acid.TGA analysis showed that the thermal stabilities of the hemicelluloses extracted by inorganic alkali were better than that of the hemicelluloses extracted by organic solvent.

Keywords：corn stalk; hemicellulose; separation; structural characterization

(责任编辑：吴博士)

SeparationandCharacterizationofHemicellulosesofCornStalks

LI Rui YANG Gui-hua*LYU Gao-jin CHEN Jia-chuan ZHANG Lei

(KeyLabofPulp&PaperScienceandTechnologyofEducationMinistryofChina/ShandongProvince,QiluUniversityofTechnology,Ji′nan,ShandongProvince,250353)(*E-mail:ygh@qlu.edu.cn)

TQ351；TS71+1

A

1000-6842(2017)03-0001-06

2016-08-30

国家自然科学基金(31370580,31470602,31670595)；山东省重大科技专项(2014ZZCX09101);泰山学者工程专项经费。

李 蕊，女，1992年生；在读硕士研究生；研究方向：制浆造纸与生物质精炼绿色化学技术。

*通信联系人：杨桂花，E-mail：ygh2626@126.com。