一种氢氧化钠/尿素/硫脲水溶液低温预处理提高烟梗木质素收率的方法
技术领域
本发明属于木质素提取技术领域,具体涉及一种氢氧化钠/尿素/硫脲水溶液低温预处理提高烟梗木质素收率的方法。
背景技术
伴随着吸烟者健康意识的提高,减害降焦成了烟草行业未来发展的必由之路。其中,木质素是烟叶中主要的芳香族组分,是焦油中稠环芳烃类、芳香胺等有害物质的主要来源;热解会产生儿茶酚和烷基儿茶酚,引起涩口且有促癌活性。近年来,研究烟草木质素在卷烟吸燃条件下的热裂解机理是卷烟降焦减害的新思路,这就需要从烟草中分离结构变化较小的木质素。
从植物体内提取或分离木质素的方法可分为两类:第一类是脱除木质素以外的成分,木质素作为不溶成分沉淀分离出来;另一类是将木质素作为可溶性成分,而纤维素、半纤维素等其它成分不溶解而进行分离。目前,主要有酸析法、碱析法、有机溶剂法、离子液体法、磨木木质素法和纤维素酶解法等(中华纸业,2005,26(10):58-61;木质素[M].北京:化学工业出版社,2008)。其中,酸析法及碱析法一般都是采用浓硫酸或浓氢氧化钾等处理植物原料,一方面得到木质素通常发生较大的化学改性,不适合做进一步的研究,另一方面危险系数较高。(Renew.Energy,1997,10(2/3):285-290;AmericanChemicalSociety,2000,742:1-8)有机溶剂法得到的木质素不仅收率较低,而且纯度较低,并有一定程度的化学改性(甘蔗,2002,9(4):15-19)。离子液体法得到的木质素常混有纤维素、半纤维素等杂质,而且木质素的结构也改变了(华东理工大学博士论文,2013)。
磨木木质素法分离得到的木质素化学改性小,但是通常会含有2~8%的糖类(木质素[M].北京:化学工业出版社,2008)。纤维素酶解法分离木质素,可在温和的条件下降解纤维素,分离得到化学结构变化小的木质素,适合于结构性分析或做进一步的研究(J.PulpPaperSci.,2002,28(2):50-54)。
此外,在植物纤维原料中,木质素含量较低,且与半纤维素形成紧密的结合层,并紧紧的包裹着纤维素,阻碍了纤维素酶与纤维素的接触,所以酶解比较困难。近年来,国内外不少学者通过研究不同的预处理方法,来提高酶解效率,进而提高木质素的收率。例如(1)有机溶剂预处理:将植物纤维原料用有机溶剂的混合液索氏萃取,以除去有机物杂质。这种预处理方法耗时,而且危险,预处理效果有待提高。(2)微波预处理:用电磁波处理植物纤维原料,使纤维素分子间的氢键发生变化,增加纤维素分子的可及性及反应活性。这种处理方法简单,耗时少,但是处理费用较高,限制了其大规模应用。(3)生物技术预处理:利用微生物分解掉纤维素、半纤维素等以获得木质素。这种处理方法耗时且与酶活性相关,很难工业应用。(4)化学预处理:主要包括稀酸预处理和稀碱预处理,主要是通过打断纤维素、半纤维素、木质素之间的连接键,降低纤维素的结晶度、增加原料的疏松性,使纤维素酶与纤维素的接触位点更多,酶解效率提高。但是目前此种处理方法关注的重点在纤维素的降解及糖转化率等,而没有涉及木质素在预处理过程中的化学改性及收率低等问题。
发明内容
本发明的目的在于克服现有烟草木质素提取的技术不足,提供一种氢氧化钠/尿素/硫脲水溶液低温预处理提高烟梗木质素收率的方法,该方法能够有效提高烟梗木质素的收率,且纯度高、结构变化小,操作简单安全。
为实现上述目的,本发明采用的技术方案是,一种氢氧化钠/尿素/硫脲水溶液低温预处理提高烟梗木质素收率的方法,包括以下步骤:
①将烟梗预先干燥,粉碎,过40~80目筛,将过筛后的烟梗粉末加入到氢氧化钠/尿素/硫脲/水溶液中,-8℃~-10℃下搅拌反应20~40min,过滤,蒸馏水洗涤,得到残渣;
②将步骤①得到的残渣加入到醋酸-醋酸钠缓冲溶液中,加入纤维素酶,40~60℃酶解反应48~72h后,离心分离,蒸馏水洗涤,真空干燥,得到酶解木质素;
③将步骤②将到的酶解木质素用酸性二氧六环(1,4-二氧六环)水溶液86~110℃下抽提1~3h,过滤得滤液和固体,将固体再次用酸性二氧六环水溶液86~110℃下抽提1~3h,再次过滤,合并两次滤液,减压浓缩得浓缩液(减压浓缩至浓缩液几乎不含1,4-二氧六环);其中,每次抽提时的固液比均为1g:(15~50)mL;
④向步骤③得到的浓缩液中加入pH为1~3的酸溶液(盐酸、硫酸、磷酸、硝酸等中的任一种),离心分离,洗涤沉淀,真空干燥,即得烟梗木质素;其中,浓缩液与pH为1~3酸溶液的体积为1:80~1:150。
所述步骤①中氢氧化钠/尿素/硫脲水溶液由以下重量百分比的组分组成:氢氧化钠6~8%、尿素6~8%、硫脲5~7%、余量为水。
所述步骤②中醋酸-醋酸钠缓冲溶液的pH为4.5~6.0。
所述步骤③中的酸性二氧六环水溶液中,二氧六环的体积分数为80~85%,酸((盐酸、硫酸、磷酸、硝酸等中的任一种))浓度为0.01~0.12mol/L。
所述步骤①中氢氧化钠/尿素/硫脲水溶液与过筛后的烟梗粉末的液固比为15~30mL:
1g。
所述步骤②中残渣与醋酸-醋酸钠缓冲溶液的固液比为1g:(20~45)mL。
所述步骤②中纤维素酶的加入量为150~500FPA/g过筛后的烟梗粉末。
本发明产生的有益效果是:本发明是用氢氧化钠-尿素-硫脲-水混合液对烟梗粉进行低温预处理,一方面打断烟梗粉中纤维素-半纤维素-木质素之间的连接键,另一方面可溶解部分纤维素、半纤维素、水溶性成分等,残渣再经酶解-温和酸解处理,最后得到结构变化小、纯度较高的烟梗木质素,而且收率也可显著提高,有利于对烟草木质素的进一步研究。
附图说明
图1为实施案例1提取的烟梗木质素的红外光谱图;
图2为测定木质素纯度的标准曲线。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明,但本发明的保护范围不限于此。以下实施例和对照例中所用的纤维素酶购自阿拉丁试剂(上海)有限公司,粉末,1万U/g)。
实施例1
一种氢氧化钠/尿素/硫脲水溶液低温预处理提高烟梗木质素收率的方法,包括以下步骤:
①将烟梗预先干燥,粉碎,过40目筛,含水率为6.62%(根据烟草行业标准YC31-1996烘箱法测定);将过筛后的烟梗粉末35g加入到氢氧化钠/尿素/硫脲/水溶液中(液固比为25mL︰1g),-8℃下搅拌反应30min,600目的滤布过滤,水洗至中性,得到残渣12.39g;氢氧化钠/尿素/硫脲/水溶液由以下重量百分比的组分组成:氢氧化钠8%、尿素8%、硫脲6.5%、余量为水;
②将步骤①得到的残渣加入到pH为4.8的醋酸-醋酸钠缓冲溶液(固液比为1g:40mL)中,加入纤维素酶,50℃下恒温震荡反应48h后,离心分离,蒸馏水洗涤,353K下真空干燥8h,得到酶解木质素6.0g;纤维素酶的加入量为150FPA/g过筛后的烟梗粉末;
③将步骤②将到的酶解木质素用酸性二氧六环水溶液95℃下抽提2h,过滤得滤液和固体,将固体再次用酸性1,4-二氧六环水溶液95℃下抽提2h,再次过滤,合并两次滤液,减压浓缩得浓缩液(减压浓缩至浓缩液中几乎不含1,4-二氧六环),每次抽提时的固液比均为1g:(15~50)mL;其中,酸性1,4-二氧六环水溶液中,1,4-二氧六环的体积分数为82%,盐酸浓度为0.1mol/L;
④向步骤③得到的浓缩液中加入pH为2的盐酸溶液(pH为2的盐酸溶液的体积为浓缩液体积的100倍),离心分离,洗涤沉淀,353K下真空干燥8h,即得烟梗木质素1.31g。
对照例1
一种氢氧化钠/尿素水溶液低温预处理提高烟梗木质素收率的方法,包括以下步骤:①将烟梗预先干燥,粉碎,过40目筛,含水率为6.62%(根据烟草行业标准YC31-1996烘箱法测定);将过筛后的烟梗粉末35g加入到氢氧化钠/尿素/水溶液中(液固比为25mL︰1g),-8℃下搅拌反应30min,600目的滤布过滤,水洗至中性,得到残渣12.28g;氢氧化钠/尿素/硫脲/水溶液由以下重量百分比的组分组成:氢氧化钠8%、尿素8%、余量为水;
②将步骤①得到的残渣加入到pH为4.8的醋酸-醋酸钠缓冲溶液(固液比为1g:40mL)中,加入纤维素酶,50℃下恒温震荡反应48h后,离心分离,蒸馏水洗涤,353K下真空干燥8h,得到酶解木质素6.05g;纤维素酶的加入量为150FPA/g过筛后的烟梗粉末;
③将步骤②将到的酶解木质素用酸性二氧六环水溶液95℃下抽提2h,过滤得滤液和固体,将固体再次用酸性1,4-二氧六环水溶液95℃下抽提2h,再次过滤,合并两次滤液,减压浓缩得浓缩液(减压浓缩至浓缩液中几乎不含1,4-二氧六环),每次抽提时的固液比均为1g:(15~50)mL;其中,酸性1,4-二氧六环水溶液中,1,4-二氧六环的体积分数为82%,盐酸浓度为0.1mol/L;
④向步骤③得到的浓缩液中加入pH为2的盐酸溶液(pH为2的盐酸溶液的体积为浓缩液体积的100倍),离心分离,洗涤沉淀,353K下真空干燥8h,即得烟梗木质素0.29g。
实施例2
一种氢氧化钠/尿素/硫脲水溶液低温预处理提高烟梗木质素收率的方法,包括以下步骤:
①将烟梗预先干燥,粉碎,过60目筛,含水率为6.53%(根据烟草行业标准YC31-1996烘箱法测定);将过筛后的烟梗粉末35g加入到氢氧化钠/尿素/硫脲水溶液中(液固比为15mL︰1g),-10℃下搅拌反应20min,600目的滤布过滤,水洗至中性,得到残渣12.98g;氢氧化钠/尿素/硫脲/水溶液由以下重量百分比的组分组成:氢氧化钠6%、尿素7%、硫脲7%、余量为水;
②将步骤①得到的残渣加入到pH为6.0的醋酸-醋酸钠缓冲溶液(固液比为1g:20mL)中,加入纤维素酶,40℃下恒温震荡反应72h后,离心分离,蒸馏水洗涤,353K下真空干燥8h,得到酶解木质素6.05g;纤维素酶的加入量为500FPA/g过筛后的烟梗粉末;
③将步骤②将到的酶解木质素用酸性1,4-二氧六环水溶液86℃下抽提3h,过滤得滤液和固体,将固体再次用酸性二氧六环水溶液86℃下抽提3h,再次过滤,合并两次滤液,减压浓缩得浓缩液(减压浓缩至浓缩液中几乎不含1,4-二氧六环),每次抽提时的固液比均为1g:(15~50)mL;其中,酸性1,4-二氧六环水溶液中,1,4-二氧六环的体积分数为80%,硫酸浓度为0.06mol/L;④向步骤③得到的浓缩液中加入pH为1的硫酸溶液(pH为1的硫酸溶液的体积为浓缩液体积的80倍),离心分离,洗涤沉淀,353K下真空干燥8h,即得烟梗木质素1.30g。
对照例2
一种氢氧化钠/尿素/硫脲水溶液低温预处理提高烟梗木质素收率的方法,包括以下步骤:
①将烟梗预先干燥,粉碎,过60目筛,含水率为6.53%(根据烟草行业标准YC31-1996烘箱法测定);将过筛后的烟梗粉末35g加入到氢氧化钠/硫脲水溶液中(液固比为15mL︰1g),-10℃下搅拌反应20min,600目的滤布过滤,水洗至中性,得到残渣12.32g;氢氧化钠/尿素/水溶液由以下重量百分比的组分组成:氢氧化钠6%、硫脲7%、余量为水;
②将步骤①得到的残渣加入到pH为6.0的醋酸-醋酸钠缓冲溶液(固液比为1g:20mL)中,加入纤维素酶,40℃下恒温震荡反应72h后,离心分离,蒸馏水洗涤,353K下真空干燥8h,得到酶解木质素6.22g;纤维素酶的加入量为500FPA/g过筛后的烟梗粉末;
③将步骤②将到的酶解木质素用酸性二氧六环水溶液86℃下抽提3h,过滤得滤液和固体,将固体再次用酸性1,4-二氧六环水溶液86℃下抽提3h,再次过滤,合并两次滤液,减压浓缩得浓缩液(减压浓缩至浓缩液几乎不含1,4-二氧六环),每次抽提时的固液比均为1g:(15~50)mL;其中,酸性1,4-二氧六环水溶液中,1,4-二氧六环的体积分数为80%,硫酸浓度为0.06mol/L;
④向步骤③得到的浓缩液中加入pH为1的硫酸溶液(pH为1的硫酸溶液的体积为浓缩液体积的80倍),离心分离,洗涤沉淀,353K下真空干燥8h,即得烟梗木质素0.36g。
实施例3
一种氢氧化钠/尿素/硫脲/水溶液低温预处理提高烟梗木质素收率的方法,包括以下步骤:①将烟梗预先干燥,粉碎,过80目筛,含水率为6.03%(根据烟草行业标准YC31-1996烘箱法测定);将过筛后的烟梗粉末35g加入到氢氧化钠/尿素水溶液中(液固比为30mL︰1g),-9℃下搅拌反应40min,600目的滤布过滤,水洗至中性,得到12.75g;氢氧化钠/尿素/硫脲水溶液由以下重量百分比的组分组成:氢氧化钠7%、尿素6%、硫脲5%、余量为水;
②将步骤①得到的残渣加入到pH为4.5的醋酸-醋酸钠缓冲溶液(固液比为1g:45mL)中,加入纤维素酶,60℃下恒温震荡反应60h后,离心分离,蒸馏水洗涤,353K下真空干燥8h,得到酶解木质素6.03g;纤维素酶的加入量为300FPA/g过筛后的烟梗粉末;
③将步骤②将到的酶解木质素用酸性1,4-二氧六环水溶液110℃下抽提1h,过滤得滤液和固体,将固体再次用酸性二氧六环水溶液110℃下抽提1h,再次过滤,合并两次滤液,减压浓缩得浓缩液(减压浓缩至浓缩液几乎不含1,4-二氧六环),每次抽提时的固液比均为1g:(15~50)mL;其中,酸性1,4-二氧六环水溶液中,1,4-二氧六环的体积分数为85%,硝酸浓度为0.12mol/L;④向步骤③得到的浓缩液中加入pH为3的硝酸溶液(硝酸溶液的体积为浓缩液体积的150倍),离心分离,洗涤沉淀,353K下真空干燥8h,即得烟梗木质素1.29g。
对照例3
一种氢氧化钠/尿素/硫脲水溶液低温预处理提高烟梗木质素收率的方法,包括以下步骤:
①将烟梗预先干燥,粉碎,过80目筛,含水率为6.03%(根据烟草行业标准YC31-1996烘箱法测定);将过筛后的烟梗粉末35g加入到2%硫酸溶液中(液固比为30mL︰1g),-9℃下搅拌反应40min,600目的滤布过滤,水洗至中性,得到8.785g;
②将步骤①得到的残渣加入到pH为4.5的醋酸-醋酸钠缓冲溶液(固液比为1g:45mL)中,加入纤维素酶,50℃下恒温震荡反应60h后,离心分离,蒸馏水洗涤,353K下真空干燥8h,得到酶解木质素3.32g;纤维素酶的加入量为300FPA/g过筛后的烟梗粉末;
③将步骤②将到的酶解木质素用酸性二氧六环水溶液110℃下抽提1h,过滤得滤液和固体,将固体再次用酸性二氧六环水溶液110℃下抽提1h,再次过滤,合并两次滤液,减压浓缩得浓缩液(减压浓缩至浓缩液中几乎不含二氧六环),每次抽提时的固液比均为1g:(15~50)mL;其中,酸性二氧六环水溶液中,二氧六环的体积分数为85%,硝酸浓度为0.12mol/L;
④向步骤③得到的浓缩液中加入pH为3的硝酸溶液(硝酸溶液的体积为浓缩液体积的150倍),离心分离,洗涤沉淀,353K下真空干燥8h,即得烟梗木质素0.58g。
取本发明实施案例1所得的木质素样品用于红外光谱测定。采用美国NicoletMX-1E560型傅立叶变换红外光谱仪上进行红外光谱分析(KBr压片法,测试范围400-4000cm-1,分辨率4cm-1),室温条件下测定样品骨架振动特征。从图1可以看出,所提取的木质素呈现出了芳香环骨架振动的特征峰(1600.6、1514.8和1423.8cm-1),甲基、亚甲基和次甲基C-H伸缩振动的特征峰(2925.4和2852.9cm-1)、羟基O-H伸缩振动(3376.4cm-1)、紫丁香基环中C=O伸缩振动(1330.1cm-1)和共轭羰基中C=O伸缩振动(1658.5cm-1)。愈创木基特征峰(1265.5、1033.5、1226.5和833.8cm-1)、紫丁香基环中C-H平面内变形振动(1127.8cm-1)、甲基和亚甲基中C-H弯曲振动(1462.8cm-1),仲醇和脂肪醚中的C-O弯曲振动(1086.8cm-1)。因此,烟梗木质素的结构单元主要由紫丁香基和愈创木基组成(可再生能源,2015,33(2):267-274)。
取本发明实施例1-3及对照例1-3所得的木质素样品进行纯度测定。以二氧六环-水(95/5,v/v)溶液为溶剂,将木质素标准物分别配制一定浓度的木质素标准溶液,采用280nm处的吸光度制作紫外标准曲线,见图2。提纯后的木质素纯度定义为:标曲测定的木质素浓度除以配制的木质素浓度。
上述实施例和对比例的木质素得率和纯度统计如表1所示:
表1各实施例和对照例的木质素收率
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其中,烟梗木质素的收率定义为:二氧六环酸性水溶液抽提所得木质素的质量除以烟梗粉中木质素的质量。
通过表1可知:实施例1-3较对照例1-3中的烟草木质素收率有明显的提高,即通过氢氧化钠-尿素-硫脲-水混合液中对烟梗粉进行低温预处理,打断烟梗粉中纤维素-半纤维素-木质素之间的连接键,且能溶解部分纤维素和半纤维素,残渣再经酶解-温和酸解处理,分离得到烟梗木质素。从提取得到的木质素纯度和收率可以说明本发明能够显著提高烟草木质的收率,而且提取得到的木质素的纯度较高,结构变化小,适合进行进一步的研究。