CN102926255A

CN102926255A - 木质纤维素处理方法

Info

Publication number: CN102926255A
Application number: CN2012103977777A
Authority: CN
Inventors: 孟玲燕; 康素敏; 吴苗; 逄锦慧; 张学铭; 孙润仓
Original assignee: Beijing Forestry University
Current assignee: Beijing Forestry University
Priority date: 2012-10-18
Filing date: 2012-10-18
Publication date: 2013-02-13

Abstract

本发明公开了一种木质纤维素处理方法，包括如下步骤：a.将球磨木粉加入到二甲基亚砜中，同时加入氯化锂，然后，在室温状态下搅拌直至球磨木粉完全溶解；b.将步骤a所得溶液倒入乙醇中沉淀出碳水化合物，然后过滤得碳水化合物；c.过滤得到的碳水化合物采用二甲基亚砜抽提，除去半纤维素，最终得到的沉淀用蒸馏水洗涤后，冷冻干燥，即为纤维素组分。本发明方法可有效提高木质纤维素转化为单糖的转化率。

Description

木质纤维素处理方法

技术领域

本发明涉及木质纤维素处理技术领域，具体地说是一种木质纤维素处理方法。

背景技术

纤维素是由基本单元β-D-吡喃式葡萄糖酐经1→4-β-D糖苷键连接而成的大分子，分为结晶区和非结晶区，是地球上含量最丰富的生物聚合物。纤维素可水解成为低分子量的单糖，再经发酵可转化为燃料生物乙醇。然而，由于纤维素大分子之间及分子内存在着大量氢键，由此交织而成的网状结构阻碍了酶水解的进行。而纤维素的水解率主要取决于纤维素的结晶度，聚合度，含水量，可及表面积和木素含量。

木质生物质原料即木质纤维素，其主要成分为纤维素（35%～50%）、半纤维素（20%～40%）和木质素（15%～25%）。在木质纤维素原料中，这三种主要成分构成植物体的支持骨架，其中纤维素组成微细纤维，构成纤维细胞壁的网状骨架，而半纤维素和木质素则以共价键相连填充在纤维和微细纤维之间，形成一种类似钢筋水泥交错的“混凝土结构”。为了提高木质生物质原料转化为单糖的转化率，经常对木质纤维素进行预处理。很多预处理方法包括机械预处理，化学预处理，以及化学-机械联合预处理方法已经被广泛研究。这些方法的核心目标在于去除细胞壁中部分木质素和半纤维素，改变纤维素的结构，从而增加其对酶的可及表面积。但现有的处理方法的效果均不理想，单糖的转化率提高不多。

有鉴于此，本发明人依靠多年的工作经验和丰富在专业知识积极加以研究和创新，最终研发出一种木质纤维素处理方法，解决了现有技术中存在的问题。

发明内容

为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种木质纤维素处理方法，该方法可大大提高木质纤维素转化为单糖的转化率。

为了解决上述技术问题，本发明采用了如下技术方案：

木质纤维素处理方法，包括如下步骤：

a.将球磨木粉加入到二甲基亚砜（DMSO）中，同时加入氯化锂，然后，在室温状态下搅拌直至球磨木粉完全溶解；

b.将步骤a所得溶液倒入乙醇中沉淀出碳水化合物，然后过滤得碳水化合物；

c.过滤得到的碳水化合物采用二甲基亚砜抽提，除去半纤维素，最终得到的沉淀用蒸馏水洗涤后，冷冻干燥，即为纤维素组分。

进一步，所述球磨木粉与二甲基亚砜的质量比为1:5-10。

进一步，所述氯化锂与球磨木粉的质量比为3～8：10。

进一步，步骤b中用95%的乙醇进行沉淀。

进一步，步骤c中碳水化合物采用二甲基亚砜在60-100℃下连续抽提三次。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

在本发明中，基于DMSO/LiCl全溶体系的处理手段，通过部分脱木素及后续的逐级分离天然半纤维素的方法，最终获得富含纤维素的组分。纤维素的结构变化及其水解为葡萄糖的转化率通过傅里叶变换红外光谱（FT-IR），X-射线衍射法及固态交叉极化魔角旋转核磁共振谱（CP-MAS NMR）进行测定。同时进行了纤维素组分的酶水解研究。证明本发明可大大提高木质纤维素转化为单糖的转化率。

附图说明

图1为本发明实施例所得样品的红外光谱图；

图2为脱蜡木粉、球磨木粉和实施例6所得样品的X-射线衍射图；

图3为脱蜡木粉、球磨木粉和实施例1所得样品固体核磁CP/MAS¹³C NMR光谱图；

图4为对球磨木粉及本发明的实施例2、5所得的样品进行酶水解的转化率曲线图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细描述，但不作为对本发明的限定。

本发明实施例及实验中所采用的木质纤维素的原料为杨木。所用的试剂均为市场购买的试剂纯或分析纯。

实施例1：

木质纤维素处理方法，包括如下步骤：将3g球磨木粉加入到20mL二甲基亚砜（DMSO）中，同时加入0.9g氯化锂，然后，在室温状态下搅拌直至球磨木粉完全溶解；将上步所得溶液倒入95％的乙醇中沉淀出碳水化合物，然后采用过滤得碳水化合物；过滤得到的碳水化合物采用30mL二甲基亚砜在80℃下连续抽提三次，除去半纤维素，最终得到的沉淀用蒸馏水洗涤后，冷冻干燥，即为纤维素组分。

实施例2：

木质纤维素处理方法，包括如下步骤：将3g球磨木粉加入到30mL二甲基亚砜（DMSO）中，同时加入1.2g氯化锂，然后，在室温状态下搅拌直至球磨木粉完全溶解；将上步所得溶液倒入95％的乙醇中沉淀出碳水化合物，然后采用过滤得碳水化合物；过滤得到的碳水化合物采用30mL二甲基亚砜在60℃下连续抽提三次，除去半纤维素，最终得到的沉淀用蒸馏水洗涤后，冷冻干燥，即为纤维素组分。

实施例3：

木质纤维素处理方法，包括如下步骤：将3g球磨木粉加入到25mL二甲基亚砜（DMSO）中，同时加入1.5g氯化锂，然后，在室温状态下搅拌直至球磨木粉完全溶解；将上步所得溶液倒入95％的乙醇中沉淀出碳水化合物，然后采用过滤得碳水化合物；过滤得到的碳水化合物采用30mL二甲基亚砜在90℃下连续抽提三次，除去半纤维素，最终得到的沉淀用蒸馏水洗涤后，冷冻干燥，即为纤维素组分。

实施例4：

木质纤维素处理方法，包括如下步骤：将3g球磨木粉加入到15mL二甲基亚砜（DMSO）中，同时加入1.8g氯化锂，然后，在室温状态下搅拌直至球磨木粉完全溶解；将上步所得溶液倒入95％的乙醇中沉淀出碳水化合物，然后采用过滤得碳水化合物；过滤得到的碳水化合物采用30mL二甲基亚砜在100℃下连续抽提三次，除去半纤维素，最终得到的沉淀用蒸馏水洗涤后，冷冻干燥，即为纤维素组分。

实施例5：

木质纤维素处理方法，包括如下步骤：将3g球磨木粉加入到30mL二甲基亚砜（DMSO）中，同时加入2.1g氯化锂，然后，在室温状态下搅拌直至球磨木粉完全溶解；将上步所得溶液倒入95％的乙醇中沉淀出碳水化合物，然后采用过滤得碳水化合物；过滤得到的碳水化合物采用30mL二甲基亚砜在70℃下连续抽提三次，除去半纤维素，最终得到的沉淀用蒸馏水洗涤后，冷冻干燥，即为纤维素组分。

实施例6：

木质纤维素处理方法，包括如下步骤：将3g球磨木粉加入到30mL二甲基亚砜（DMSO）中，同时加入2.4g氯化锂，然后，在室温状态下搅拌直至球磨木粉完全溶解；将上步所得溶液倒入95％的乙醇中沉淀出碳水化合物，然后采用过滤得碳水化合物；过滤得到的碳水化合物采用30mL二甲基亚砜在80℃下连续抽提三次，除去半纤维素，最终得到的沉淀用蒸馏水洗涤后，冷冻干燥，即为纤维素组分。

实施例1-6所得的纤维素组分分别标号为C1-C6。

对实施例所得样品中所含的糖及糖醛酸成分进行分析，具体见表1。可见，除了少量的糖醛酸和微量的鼠李糖（0.37-0.40%），阿拉伯糖（0.41-0.51%）和半乳糖（0.54-0.65%），所有纤维素样品中葡萄糖是最主要的糖(主要来自纤维素)，占总糖量的56.53%-62.48%，其次是木糖(主要来自半纤维素)，占半纤维素样品的29.65%-36.37%，这些数据表明经DMSO逐级抽提后所得的纤维素中仍含有大量的残余半纤维素。

表1

含量(%)	C1	C2	C3	C4	C5	C6
							鼠李糖	0.38	0.37	0.38	0.40	0.40	0.39
阿拉伯糖	0.47	0.43	0.41	0.51	0.47	0.44
							半乳糖	0.60	0.62	0.56	0.65	0.54	0.59
葡萄糖	58.85	61.59	62.48	56.53	57.26	61.05
							木糖	34.44	30.87	29.65	36.37	34.04	32.54
糖醛酸	5.25	6.12	6.53	5.54	7.30	4.99

对实施例1、2、6所得样品进行了红外光谱分析。图1为样品的红外光谱图。如图1所示，3个样品的红外图非常相似，说明处理之后所得的样品存在相似的结构，进一步说明全溶体系中LiCl使用量的增加的并没有明显改变纤维素的结构。3426cm^-1和2909cm^-1处的吸收分别来自纤维素、半纤维素和木素的-OH的伸展振动和C-H的伸展振动。在1744cm^-1出现的吸收峰是由半纤维素中乙酰基的C=O伸缩振动及木素和/或者半纤维素中的以酯键连接的羧基中的羰基伸缩振动引起的。这一吸收峰在所有谱图中均出现，说明在这些纤维素样品中遗留了相对高含量的半纤维素和/或者木质素。1455cm^-1和1327cm^-1分别代表对称的CH₂弯曲振动和C-C及C-O的骨架振动的特征吸收。1425cm^-1处的信号在所有谱图中均存在，表明在所有样品中的纤维素是由结晶纤维素II和非结晶纤维素组成的混合物。1155cm^-1处的吸收分别来自C-O的非对称桥伸展振动和吡喃环的C-O-C的骨架振动分别在1155cm^-1和1051cm^-1出现信号。在端基区域(950-700cm^-1)，在900cm^-1出现的小而尖的吸收峰，是由吡喃环振动导致的糖苷的C₁-H变形振动引起的，说明纤维素糖单元之间是通过β-糖苷键连接的。

另外，在1593cm^-1和1238cm^-1处出现木质素的芳香环的特征吸收。可以发现，随着LiCl与原料质量比的增加，木素的特征吸收峰强度降低，说明在这些纤维素组分中，伴随着LiCl与原料质量比的增加，木素的含量有所降低。这是由于在DMSO/LiCl全溶体系中，木质纤维原料均相溶解后，三大组分之间的氢键由于氯离子的竞争而断裂，使木质素溶出，当LiCl的含量足够充分时，也可以打乱纤维素内部的氢键。

图2为脱蜡木粉、球磨木粉和实施例6所得样品的X-射线衍射图。a为脱蜡木粉，b为球磨木粉，C6为实施例6所得样品。丙酮抽提后的脱蜡木粉的X-射线衍射图显示了纤维素I典型的衍射峰，即在15.4°和22.5°出现了两个衍射峰，分别代表101和002衍射面。而对于球磨后的原料和再生的纤维素C6，都存在2θ=20-21°的衍射峰，这说明了经过处理之后发生了纤维素I向较弱的纤维素II的结晶结构的转变。由结晶度计算公式可得，脱蜡木粉、球磨木粉和再生纤维素C6的结晶度分别为35.33,26.62和29.45%，可见经过处理后的样品的结晶度相比原料较低，说明处理后的样品中结晶纤维素转变为含有相对高的无定形区的纤维素，而这都是由机械球磨造成的。与球磨后的样品相比，经过全溶后再生纤维素的结晶度略有增加说明全溶过程去除了一部分非结晶成分包括半纤维素和木素，由此导致纤维素相对含量的增加，因此，使纤维素样品C6的结晶度有所增加。

图3为脱蜡木粉、球磨木粉和实施例1所得样品C1的固体核磁CP/MAS¹³C NMR光谱图，图中a为脱蜡木粉，b为球磨木粉，C1为实施例1所得样品。如图3所示，其中的信号根据文献也进行了归属。总的来说，纤维素的信号峰主要出现在50到100ppm之间。其中，δ104.85ppm的信号来自于纤维素的C-1和木聚糖（来自半纤维素）。δ88.68和δ64.76ppm的信号分别来自于结晶纤维素的C-4和C-6。在C-2,3,5的共振区域，核磁在δ72.48和δ74.8ppm显示了两个同等强度的信号，说明了有序碳和无序碳的信号的重叠。另外，无定形纤维素的C-4和C-6的信号分别出现在δ83.51和δ62.48ppm处。

在球磨木粉的光谱中结晶纤维素C-4的信号（δ88.68ppm）相比于脱蜡木粉的光谱几乎消失，说明由于球磨机械处理，导致了球磨后原料的结晶度显著地下降。

相比脱蜡木粉与球磨木粉的碳谱图，最大的区别在于结晶区与非结晶区的信号峰80-92ppm(或者60-68ppm)的变化。由于球磨后结晶区的破坏，导致磨后样品纤维素结晶度相比于原料有所降低，体现在信号峰65和89ppm(结晶纤维素的C-6和C-4)强度的降低。在实施例6所得样品C6的谱图中，与球磨后谱图相比，纤维素结晶区特征峰的出现和无定形区特征峰的减弱说明经过全溶过程后，首先除去部分非结晶成分(与结晶纤维素相比)包括半纤维素和木素，这与XRD分析的结果也是一致的。

将球磨木粉和实施例2所得的样品C2经过扫描电镜检测，结果显示，与球磨木粉相比，C2形成了一种相互交联的生物聚合体的层状结构，而且经再生后的C2具有无定形性，表面布满了微孔，形成了峰窝状膨松的结构，而且相比于未处理的球磨木粉具有更大的内表面积。使水解酶更容易渗透，吸收，从而使经本发明方法处理后的木质纤维素的水解更容易进行，这就可以有效地提高酶水解的效率。

对球磨木粉及实施例2、5所得的样品（C2和C5）进行酶水解，从而对比其水解效率。图4为对球磨木粉及实施例2、5所得的样品（C2和C5）进行酶水解的转化率曲线图。图中a为球磨木粉，C2为实施例2所得样品，C5为实施例5所得样品。如图4中显示，经过72小时的水解反应后，球磨木粉的纤维素酶水解转化率为30%左右，而C2和C5的纤维素转化率则达到60%以上。由此可见，纤维素的结晶结构及木素和半纤维素的存在阻碍了纤维素酶的接触，从而降低了纤维素的酶水解效率。

酶水解72小时后，纤维素组分C2和C5的最终转化率从60%升至70%，是球磨木粉的转化率的2倍多。

可见经本发明方法处理后的木质纤维素的酶水解的转化率大大提高，为后续的木质纤维素转化为生物能源提供了新的处理方法。

在本发明的保护范围内均可实现本发明目的，上述实施例中仅以部分具体参数进行说明。其他未尽的参数选择及比例选择不再赘述。

以上实施例仅为本发明的示例性实施例，不用于限制本发明，本发明的保护范围由权利要求书限定。本领域技术人员可以在本发明的实质和保护范围内，对本发明做出各种修改或等同替换，这种修改或等同替换也应视为落在本发明的保护范围内。

Claims

1.木质纤维素处理方法，其特征在于，包括如下步骤：

a.将球磨木粉加入到二甲基亚砜中，同时加入氯化锂，然后，在室温状态下搅拌直至球磨木粉完全溶解；

2.根据权利要求1所述的木质纤维素处理方法，其特征在于，所述球磨木粉与二甲基亚砜的质量比为1:5-10。

3.根据权利要求1所述的木质纤维素处理方法，其特征在于，所述氯化锂与球磨木粉的质量比为3～8：10。

4.根据权利要求1所述的木质纤维素处理方法，其特征在于，步骤b中用95%的乙醇进行沉淀。

5.根据权利要求1所述的木质纤维素处理方法，其特征在于，步骤c中碳水化合物采用二甲基亚砜在60-100℃下连续抽提三次。