CN106065080A - 一种溶解‑再生木质素提取方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种溶解‑再生木质素提取方法，取木质纤维素粉碎并经过球磨处理，然后取球磨后木质纤维素粉料溶于8％的LiCl/DMSO混合溶液中，室温下磁力搅拌24h，得到木质纤维素溶液，将其加入一定量的蒸馏水中，搅拌分散均匀，离心分离再生木质纤维素并用蒸馏水洗涤干净，将再生木质纤维素在酶中水解，酶水解后离心分离再生上清液和不溶酶解残渣，用缓冲液洗涤不溶残渣，再用去离子水洗涤可得到酶水解残渣。使用二氧六环水溶液抽提酶水解残渣后旋转蒸发除去其中的二氧六环水溶液而得到粗木质素并溶于乙酸中，再加至大量的蒸馏水中使木质素沉淀再生得到木质纤维溶解‑再生木质素。本发明方法工艺简单、可高效提取木质素。
Description
技术领域
本发明属于生物质利用技术领域，主要涉及一种溶解-再生木质素提取方法。
背景技术
木质纤维原料主要来源于农业和林业废弃物、废纸和能源作物，主要由纤维素、半纤维素和木质素三大部分组成。如何高效利用这些可再生资源已经成为广大学者研究的热点所在。为选择更好的生物质资源或者优化生物质转化过程，有必要对其化学组成和细胞壁中各组分的化学结构进行详细的研究。木质素作为填充物质，与纤维素和半纤维素构成复杂的细胞壁结构，可抵御外界机械损伤和微生物入侵。
对于木质素的结构和生物合成的研究可追溯至一个世纪以前，但是迄今仍然没有肯定的结论。主要由于木质素是在多糖物质基体形成后才被合成，因此很难从木质纤维原料中分离出化学结构没有发生变化的原本木质素，到目前为止，木质纤维原料中原本木质素的分离仍然是木质素结构研究中的难点。在众多木质素分离方法中最经典的方法是磨木木质素(MWL)和纤维素酶水解木质素(CEL)提取法。MWL最早由提出，即在室温条件下利用中性溶剂提取经剧烈球磨处理的木粉中的木质素。但MWL的得率较低，只有25-50％。且在剧烈的球磨处理过程中木质素聚合程度遭到破坏，产生新的游离酚羟基结构。随后Pew and Weyna利用纤维素酶处理球磨后云杉和白杨木粉，得到含有大量木质素成分的不溶物质，但其中也含有12％的碳水化合物。在此基础上，Chang等人提出先用纤维素和半纤维素混合酶处理球磨后木粉，水解去除植物细胞壁组分中的纤维素和半纤维素，然后再用96％(二氧六环/水＝96/4，v/v)和50％(二氧六环/水＝50/50，v/v)的二氧六环水溶液萃取酶解残渣中的木质素CEL。CEL提取过程中最关键的步骤就是纤维素酶水解过程，它会影响到后续二氧六环抽提效率。纤维素酶对底物纤维素的有效吸附和可及性是酶水解效率的决定性因素。纤维素酶对纤维素无定形区的水解效率比对结晶区的水解效率高。因此，可通过降低纤维素的结晶度来提高纤维素酶水解效率，从而获得较高得率CEL。
近几年，木质纤维全溶体系为木质素的分离提供了非常好的媒介，多种纤维素溶剂可用于溶解木质纤维，从而改变木质纤维的结晶构造，然而其中一部分并不适于分离原本木质素。Lu和Ralph等人利用二甲基亚砜/四丁基氟化铵(DMSO/TBAF)和二甲基亚砜/N-甲基咪唑(DMSO/NMI)溶液体系溶解经球磨处理的木粉原料，这两种溶剂不仅都需要木质纤维经过剧烈的球磨处理后才可完全溶解，而且会导致木质纤维的降解和木质素结构的改变。等人研究发现木粉可溶解于多种咪唑类离子液体(Ionic liquids，ILs)中，但处理时需要升高温度，高温造成木质素和纤维素的降解以及分子结构的改变，不利于木质纤维中原本木质素的提取。
专利104389216A公布了一种木质素提取的方法，主要是基于木质纤维素原料的碱浸泡润张和苯磺酸盐水溶液蒸煮基础上水析提取木质素，该方法虽然可以提取得到木质素然而，蒸煮对木质素的降解大，木质素得率低。专利1170031C公布了一种甲酸和乙酸的混合物作为蒸煮化学生产纸浆的方法，该专利在以甲酸蒸煮草本植物和阔叶树生产纸浆时，添加乙酸作为附加的蒸煮化学剂，即可得到含有半纤维素和纤维素的纸浆，该方法虽然解决了蒸煮生物质的过程中需要添加催化剂的问题，但由于该方法主要用于制备纸浆，其目的是最大限度的保留纤维素以及部分半纤维素，其整个工艺设计均是以此为目的，而对于其中木质素的损失与否并未考虑，而且也并未给出对于木质素的处理工艺，因此该工艺对于以木质素为提取产物的工艺而言并不适用。专利103030816A公布了一种从生物质原料中提取木质素的工艺，该工艺是以双氧水为催化剂，利用有机酸从生物质原料中提取木质素的工艺，该方法获得了较高得率的木质素，然而双氧水用于木质素的溶解，一般在制浆漂白中应用较多，而且双氧水溶解木质纤维素需要比较严格的条件，否则会造成碳水化合物的降解，影响纤维素和半纤维素的得率。
发明内容
为了克服背景技术的不足，本发明提供了一种溶解-再生木质素提取方法。采用LiCl/DMSO混合溶液溶解木质纤维素原料然后再生提取木质素，主要解决了现有方法提取木质素工艺复杂、难度大、得率低、提取条件难控制等问题。
本发明所采用的技术方案是：一种溶解-再生木质素提取方法，包括以下步骤：
(1)取一定量的木质纤维素原料，采用微型植物粉碎机粉碎成粉末；
(2)筛选一定量的木质纤维素粉末，采用行星球磨机对原料进行球磨处理，每1h正反向交替运行；
(3)按一定比例配制8％的LiCl/DMSO混合溶液，然后取一定量的球磨处理的木质纤维素粉末溶于LiCl/DMSO混合溶液中，室温下磁力搅拌24h后，得到琥珀色澄清透亮的木质纤维素/LiCl/DMSO溶液；
(4)将木质纤维素/LiCl/DMSO溶液逐滴加入一定量的蒸馏水中，搅拌分散均匀后静置一段时间，离心分离再生木质纤维素产物并用蒸馏水洗涤至AgNO3检验无Cl-存在；
(5)把木质纤维素溶解-再生产物用蒸馏水洗涤干净后直接加入一定量pH值为4.8的醋酸-醋酸钠缓冲液中，再加入一定量的商品酶；
(6)用醋酸-醋酸钠缓冲液调节再生的木质纤维素在整个缓冲体系中的浓度，在(50±2)℃的培养箱中进行酶水解72h，设置培养振荡器的转速为180r/min；
(7)酶水解结束后离心分离再生的木质纤维素溶液的上清液和不溶酶解残渣，用pH值为4.8的醋酸-醋酸钠缓冲液洗涤不溶残渣3-5次，再用去离子水洗涤3-5次即可得到纯净的酶水解残渣；
(8)使用一定量的二氧六环水溶液抽提酶水解残渣24h，并重复两次，离心分离上清液并合并两次抽提液，旋转蒸发除去其中的二氧六环水溶液而得到粗木质素样品；
(9)将粗木质素样品溶解于乙酸水溶液中，再逐滴加至大量的蒸馏水中使木质素沉淀再生，滴加过程中采用磁力搅拌器不断搅拌分散均匀，最后离心分离并反复洗涤再生产物至中性，得到木质纤维溶解-再生-酶解木质素。
根据一种溶解-再生木质素提取方法技术方案中，步骤(1)中所述的木质纤维素原料主要是稻壳、甘蔗渣、大豆秸秆、木材、麦草等一切包含有木质素和纤维素的生物质原料。
根据一种溶解-再生木质素提取方法技术方案中，步骤(2)中所述的球磨处理时间为1-5h，每1h正反转交替一次，交替间隔停机时间为0min，转速为516r/min，频率为40Hz。
根据一种溶解-再生木质素提取方法技术方案中，步骤(4)中所述的木质纤维素/LiCl/DMSO溶液滴加到相对体积5-10的蒸馏水中。
根据一种溶解-再生木质素提取方法技术方案中，步骤(5)中所述的 商品酶的用量为80FPU/g-纤维素。
根据一种溶解-再生木质素提取方法技术方案中，步骤(6)中所述的再生的木质纤维素在整个缓冲体系中的浓度为3-5％。
根据一种溶解-再生木质素提取方法技术方案中，步骤(8)中所述的二氧六环水溶液的浓度为90-96％。
根据一种溶解-再生木质素提取方法技术方案中，步骤(9)中所述的溶解粗木质素的乙酸水溶液质量分数为85-95％。
本发明与现有技术不同之处在于，本发明取得了如下技术效果：取木质纤维素原料粉碎并采用球磨机球磨处理，然后取球磨的木质纤维素粉料溶于浓度为8％的LiCl/DMSO混合溶液中，室温下磁力搅拌24h后，得到木质纤维素溶解液，将其加入一定量的蒸馏水中，搅拌分散均匀，离心分离再生木质纤维素并用蒸馏水洗涤干净，将再生木质纤维素在酶中水解，酶水解后离心分离再生上清液和不溶酶解残渣，用缓冲液洗涤不溶残渣，再用去离子水洗涤可得到酶水解残渣。使用二氧六环水溶液抽提酶水解残渣后旋转蒸发除去其中的二氧六环水溶液而得到粗木质素并溶于乙酸中，再加至大量的蒸馏水中使木质素沉淀再生得到木质纤维溶解-再生-酶解木质素，本发明采用的LiCl/DMSO混合溶液是非常高效的木质纤维溶剂，得到的木质素结构没有发生太大变化，可以较好的保持提取木质纤维素的原有结构。本发明提取工艺简单、可高效提取木质素。下面结合附图对本发明作进一步说明。
附图说明
图1球磨后木质纤维原料中木质素提取流程。
图2木质纤维原料在8％LiCl/DMSO溶液中的溶解性能。
图3木质素产品的红外光谱。其中，DR-CEL-0.5表示球磨时间0.5h木质纤维得到的木质素，DR-CEL-1表示球磨时间1h木质纤维得到的木质素，DR-CEL-2表示球磨时间2h木质纤维得到的木质素，DR-CEL-4表示球磨时间4h木质纤维得到的木质素。
图4木质素产品核磁共振氢谱图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，技术工艺步骤，具体实施条件和材料，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明可以采用木质纤维素原料有稻壳、甘蔗渣、大豆秸秆、木材、麦草等。以下实施例以大豆秸秆为木质纤维素原料进行说明。
实施例1
(1)取大豆秸秆茎秆部分，经微型植物粉碎机粉碎后经过行星球磨机处理0.5h得到木质纤维素粉料；
(2)称取5g球磨机处理0.5h的粉料，然后以5％浓度溶解于8％LiCl/DMSO木质纤维全溶体系中，室温下磁力搅拌24h后，得到琥珀色澄清透亮的木质纤维素/LiCl/DMSO溶液；
(3)将木质纤维素/LiCl/DMSO溶液逐滴加入5倍体积的蒸馏水中，搅拌分散均匀后静置一段时间，离心分离再生木质纤维素产物并用蒸馏水洗涤至AgNO3检验无Cl-存在；
(4)把木质纤维素溶解-再生产物用蒸馏水洗涤干净后直接加入pH值为4.8的醋酸-醋酸钠缓冲液中，再加入400FPU的商品酶；
(5)用醋酸-醋酸钠缓冲液调节再生的木质纤维素在整个缓冲体系中的浓度为5％，在(50±2)℃的培养箱中进行酶水解72h，设置培养振荡器的转速为180r/min；
(6)酶水解结束后离心分离上清液和不溶酶解残渣。用pH值为4.8的醋酸-醋酸钠缓冲液洗涤不溶残渣3次，再用去离子水洗涤3次即可得到纯净的酶水解残渣；
(7)使用一定量的96％二氧六环水溶液(二氧六环/水＝96/4，v/v)抽提酶水解残渣24h，并重复2次；
(8)离心分离上清液并合并两次抽提液，旋转蒸发除去其中的二氧六环水溶液而得到粗木质素样品。将粗木质素样品溶解于质量分数为90％的乙酸水溶液中，再逐滴加至大量的蒸馏水中使木质素沉淀再生，滴加过程中采用磁力搅拌器不断搅拌分散均匀，最后离心分离并反复洗涤再生产物至中性，得到大豆秸秆溶解-再生-酶解木质素产品。
实施例2
(1)取大豆秸秆茎秆部分，经微型植物粉碎机粉碎后经过行星球磨机处理1.0h得到木质纤维素粉料；
(2)称取5g球磨机处理1.0h的粉料，然后以5％浓度溶解于8％LiCl/DMSO木质纤维全溶体系中，室温下磁力搅拌24h后，得到琥珀色澄清透亮的木质纤维素/LiCl/DMSO溶液；
(3)将木质纤维素/LiCl/DMSO溶液逐滴加入5倍体积的蒸馏水中，搅拌分散均匀后静置一段时间，离心分离再生木质纤维素产物并用蒸馏水洗涤至AgNO3检验无Cl-存在；
(4)把木质纤维素溶解-再生产物用蒸馏水洗涤干净后直接加入pH值为4.8的醋酸-醋酸钠缓冲液中，再加入400FPU的商品酶，
(5)用醋酸-醋酸钠缓冲液调节再生的木质纤维素在整个缓冲体系中的浓度为5％，在(50±2)℃的培养箱中进行酶水解72h，设置培养振荡器的转速为180r/min。
(6)酶水解结束后离心分离上清液和不溶酶解残渣。用pH值为4.8的醋酸-醋酸钠缓冲液洗涤不溶残渣3次，再用去离子水洗涤3次即可得到纯净的酶水解残渣。
(7)使用一定量的96％二氧六环水溶液(二氧六环/水＝96/4，v/v)抽提酶水解残渣24h，并重复2次。
(8)离心分离上清液并合并两次抽提液，旋转蒸发除去其中的二氧六环水溶液而得到粗木质素样品。将粗木质素样品溶解于质量分数为90％的乙酸水溶液中，再逐滴加至大量的蒸馏水中使木质素沉淀再生，滴加过程中采用磁力搅拌器不断搅拌分散均匀，最后离心分离并反复洗涤再生产物至中性，得到大豆秸秆溶解-再生-酶解木质素产品。
实施例3
(1)取大豆秸秆茎秆部分，经微型植物粉碎机粉碎后经过行星球磨机处理2.0h得到木质纤维素粉料；
(2)称取5g球磨机处理2.0h的粉料，然后以5％浓度溶解于8％LiCl/DMSO木质纤维全溶体系中，室温下磁力搅拌24h后，得到琥珀色澄清透亮的木质纤维素/LiCl/DMSO溶液；
(3)将木质纤维素/LiCl/DMSO溶液逐滴加入5倍体积的蒸馏水中，搅拌分散均匀后静置一段时间，离心分离再生木质纤维素产物并用蒸馏水洗涤至AgNO3检验无Cl-存在；
(4)把木质纤维素溶解-再生产物用蒸馏水洗涤干净后直接加入pH值为4.8的醋酸-醋酸钠缓冲液中，再加入400FPU的商品酶，
(5)用醋酸-醋酸钠缓冲液调节再生的木质纤维素在整个缓冲体系中的浓度为5％，在(50±2)℃的培养箱中进行酶水解72h，设置培养振荡器的转速为180r/min。
(6)酶水解结束后离心分离上清液和不溶酶解残渣。用pH值为4.8的醋酸-醋酸钠缓冲液洗涤不溶残渣3次，再用去离子水洗涤3次即可得到纯净的酶水解残渣。
(7)使用一定量的96％二氧六环水溶液(二氧六环/水＝96/4，v/v)抽提酶水解残渣24h，并重复2次。
(8)离心分离上清液并合并两次抽提液，旋转蒸发除去其中的二氧六环水溶液而得到粗木质素样品。将粗木质素样品溶解于质量分数为90％的乙酸水溶液中，再逐滴加至大量的蒸馏水中使木质素沉淀再生，滴加过程中采用磁力搅拌器不断搅拌分散均匀，最后离心分离并反复洗涤再生产物至中性，得到大豆秸秆溶解-再生-酶解木质素产品。
实施例4
(1)取大豆秸秆茎秆部分，经微型植物粉碎机粉碎后经过行星球磨机处理4.0h得到木质纤维素粉料；
(2)称取5g球磨机处理4.0h的粉料，然后以5％浓度溶解于8％LiCl/DMSO木质纤维全溶体系中，室温下磁力搅拌24h后，得到琥珀色澄清透亮的木质纤维素/LiCl/DMSO溶液；
(3)将木质纤维素/LiCl/DMSO溶液逐滴加入5倍体积的蒸馏水中，搅拌分散均匀后静置一段时间，离心分离再生木质纤维素产物并用蒸馏水洗涤至AgNO3检验无Cl-存在；
(4)把木质纤维素溶解-再生产物用蒸馏水洗涤干净后直接加入pH值为4.8的醋酸-醋酸钠缓冲液中，再加入400FPU的商品酶，
(5)用醋酸-醋酸钠缓冲液调节再生的木质纤维素在整个缓冲体系中的浓度为5％，在(50±2)℃的培养箱中进行酶水解72h，设置培养振荡器的转速为180r/min。
(6)酶水解结束后离心分离上清液和不溶酶解残渣。用pH值为4.8的醋酸-醋酸钠缓冲液洗涤不溶残渣3次，再用去离子水洗涤3次即可得到纯净的酶水解残渣。
(7)使用一定量的96％二氧六环水溶液(二氧六环/水＝96/4，v/v)抽提酶水解残渣24h，并重复2次。
(8)离心分离上清液并合并两次抽提液，旋转蒸发除去其中的二氧六环水溶液而得到粗木质素样品。将粗木质素样品溶解于质量分数为90％的乙酸水溶液中，再逐滴加至大量的蒸馏水中使木质素沉淀再生，滴加过程中采用磁力搅拌器不断搅拌分散均匀，最后离心分离并反复洗涤再生产物至中性，得到大豆秸秆溶解-再生-酶解木质素产品。
各位技术人员须知：虽然本发明已按照上述具体实施方式做了描述，但是本发明的发明思想并不仅限于此发明，任何运用本发明思想的改装，都将纳入本专利专利权保护范围内。
Claims (8)
1.一种溶解-再生木质素提取方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)取一定量的木质纤维素原料，采用微型植物粉碎机粉碎成粉末；
(2)筛选一定量的木质纤维素粉末，采用行星球磨机对原料进行球磨处理，每30min正反向交替运行；
(3)按一定比例配制8％的LiCl/DMSO混合溶液，然后取一定量的球磨处理的木质纤维素粉末溶于LiCl/DMSO混合溶液中，室温下磁力搅拌24h后，得到琥珀色澄清透亮的木质纤维素/LiCl/DMSO溶液；
(4)将木质纤维素/LiCl/DMSO溶液逐滴加入一定量的蒸馏水中，搅拌分散均匀后静置一段时间，离心分离再生木质纤维素产物并用蒸馏水洗涤至AgNO3检验无Cl-存在；
(5)把木质纤维素溶解-再生产物用蒸馏水洗涤干净后直接加入一定量pH值为4.8的醋酸-醋酸钠缓冲液中，再加入一定量的Ctec2商品酶；
(6)用醋酸-醋酸钠缓冲液调节再生的木质纤维素在整个缓冲体系中的浓度，在(50±2)℃的培养箱中进行酶水解72h，设置培养振荡器的转速为180r/min；
(7)酶水解结束后离心分离再生的木质纤维素溶液的上清液和不溶酶解残渣，用pH值为4.8的醋酸-醋酸钠缓冲液洗涤不溶残渣3-5次，再用去离子水洗涤3-5次即可得到纯净的酶水解残渣；
(8)使用一定量的二氧六环水溶液抽提酶水解残渣24h，并重复两次，离心分离上清液并合并两次抽提液，旋转蒸发除去其中的二氧六环水溶液而得到粗木质素样品；
(9)将粗木质素样品溶解于乙酸水溶液中，再逐滴加至大量的蒸馏水中使木质素沉淀再生，滴加过程中采用磁力搅拌器不断搅拌分散均匀，最后离心分离并反复洗涤再生产物至中性，得到木质纤维溶解-再生-酶解木质素。
2.根据权利要求1一种溶解-再生木质素提取方法，其特征在于步骤(1)中所述的木质纤维素原料主要是稻壳、甘蔗渣、大豆秸秆、木材、麦草等一切包含有木质素和纤维素的生物质原料。
3.根据权利要求1一种溶解-再生木质素提取方法，其特征在于步骤(2)中所述的球磨处理时间为1-5h，每1h正反转交替一次，交替间隔停机时间为0min，转速为516r/min，频率为40Hz。
4.根据权利要求1一种溶解-再生木质素提取方法，其特征在于步骤(4)中所述的木质纤维素/LiCl/DMSO溶液滴加到相对体积5-10的蒸馏水中。
5.根据权利要求1一种溶解-再生木质素提取方法，其特征在于步骤(5)中所述的Ctec2商品酶的用量为80FPU/g-纤维素。
6.根据权利要求1一种溶解-再生木质素提取方法，其特征在于步骤(6)中所述的再生的木质纤维素在整个缓冲体系中的浓度为3-5％。
7.根据权利要求1一种溶解-再生木质素提取方法，其特征在于步骤(8)中所述的二氧六环水溶液的浓度为90-96％。
8.根据权利要求1一种溶解-再生木质素提取方法，其特征在于步骤(9)中所述的溶解粗木质素的乙酸水溶液质量分数为85-95％。
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