CN112321846A - 一种秸秆木质纤维素中木质素的提取分离方法 - Google Patents

Abstract

一种秸秆木质纤维素中木质素的提取分离方法，本发明涉及木质素的提取分离方法。它是要解决现有的木质素的提取方法得到的木质素纯度低的技术问题。本方法：利用无水乙醇对秸秆粉进行索氏抽提，得到一级固体残渣；然后将一级固体残渣与H₃PO₄·12MoO₃水溶液混合加热，减压过滤后得到二级固体残渣和二级滤液；利用乙醚溶液从二级滤液中萃取水热反应木质素；利用纤维素酶溶液对三级固体残渣进行酶水解，得到三级固体残渣；最后利用球磨方法从三级固体残渣球磨粉末中提取球磨木质素。木质素的提取量达到理论含量17.9％～36.4％，纯度达到99.9％，DPPH自由基清除率的IC₅₀达到71.8～83.9μg·mL^‑1，可用于农作物秸秆的深加工领域。

Description

一种秸秆木质纤维素中木质素的提取分离方法

技术领域

本发明涉及木质素的提取分离方法。

背景技术

农作物秸秆是农业生产的主要副产品。随着能源危机与环境问题日益严峻，如何高效转化和利用可再生的秸秆资源成为世界各国普遍关注的热点问题。纤维素、半纤维素和木质素是农作物秸秆的主要组分，三者约占农作物秸秆干重的85％以上。农作物秸秆转化为纤维素乙醇是秸秆资源能源化利用的重要途径。在纤维素乙醇炼制过程中，人们更为关注纤维素组分与半纤维素组分的高效利用问题，而木质素组分通常作为副产物随酶解残渣一同焚烧，以热能形式回收能量。然而，酶解残渣的热值低，焚烧酶解残渣不具有最佳的经济性。特别是酶解残渣中含有大量木质素，木质素是自然界中储量最大的天然可再生芳香族化合物，其本身具有一定的抗氧化活性，而且具有转化为芳香族平台化合物和加工为精细化学品的潜在应用价值。如果采用适当的方法将木质素提取分离，然后加以转化和利用，将极大提高农作物秸秆的应用附加值。

2017年天津科技大学的论文《玉米秸秆酶解残渣中木质素的提取及其抗氧化活性分析》利用超声波辅助方法从玉米秸秆酶解残渣中提取分离了酶解残渣质量分数32.7％的木质素，但是该方法提取的木质素纯度仅为74.8％，提取木质素含有约25.2％的杂质，纯度低。

发明内容：

本发明是要解决现有的木质素的提取方法得到的木质素纯度低的技术问题，而提供一种秸秆木质纤维素中木质素的提取分离方法。

本发明的一种秸秆木质纤维素中木质素的提取分离方法，按以下步骤进行：

一、将风干秸秆粉碎后，干燥，得到秸秆细粉；

二、使用无水乙醇对秸秆细粉进行索氏抽提，得到一级固体残渣；

三、向一级固体残渣中加入H₃PO₄·12MoO₃水溶液并混合均匀，再转移至水热反应釜中，将水热反应釜放入温度为110℃～140℃的干燥箱中保持0.5h～1.5h，冷却至室温，然后取出反应釜内物料进行减压过滤，保留滤液，将固体组分干燥，得到二级滤液和二级固体残渣；

步骤三中一级固体残渣的干质量与H₃PO₄·12MoO₃水溶液中H₃PO₄·12MoO₃的物质的量的比为1g：(1.5×10^-4～4.5×10^-4)mol；

四、将二级滤液浓缩，然后向浓缩液中加入乙醚萃取，静置分层后，从下层的萃取液中离心分离出固体沉淀物，干燥，得到水热反应木质素；

五、将步骤三得到的二级固体残渣用Cellic CTec2纤维素复合酶进行酶水解，然后减压过滤、干燥，得到三级固体残渣；

六、利用行星式球磨机，对三级固体残渣进行球磨处理，然后加入1,4-二氧六环水溶液，搅拌，然后减压过滤，收集滤液，将滤液浓缩，再真空干燥，获得球磨木质素。

更进一步地，步骤五中，每克二级固体残渣添加活力单位10U的Cellic CTec2纤维素复合酶溶液；

更进一步地，步骤五中，酶水解是在温度为45～55℃、转速为75～150rad/min的条件下酶水解72～84h；

更进一步地，步骤五中，干燥的温度为40℃～45℃干燥至恒重；

更进一步地，步骤六中，1,4-二氧六环水溶液是按1,4-二氧六环与蒸馏水的体积比为9:1配制而成的；

更进一步地，步骤六中，三级固体残渣的质量与二氧六环水溶液的体积之比为1g:(50～100)mL；

更进一步地，步骤六中，真空干燥是在温度为40～45℃的条件下进行的。

更进一步地，步骤六中，所述的球磨处理的运行参数为：转速250～350rad/min，顺时针和逆时针方向间歇转动运行，每运行10min，停止10min，然后继续运行，总运行时间8～16h；

本发明先将秸秆用磷钼酸(H₃PO₄·12MoO₃)预处理，使秸秆中木质素-碳水化合物复合体的糖苷键打开，将其中的木质素解离出来，并使木质素的抗氧化性提高。利用催化与球磨提取的组合工艺，提高了木质素的纯度和提取率。

本发明的优点如下：提取木质素的纯度高，水热反应木质素和酶解残渣球磨木质素的纯度可达99.9％，杂质含量低于0.1％；木质素的提取量高，可提取水稻秸秆木质素理论含量17.9％～36.4％的木质素，即提取基于水稻秸秆干重3.5％～7.1％的木质素；提取的水热反应木质素与酶解残渣球磨木质素的DPPH自由基清除率的IC₅₀达到71.8～83.9μg·mL^-1，具有高抗氧化活性和高化学反应活性的特点，可以作为抗氧化剂进行开发和利用；本发明从农作物秸秆预处理废液和酶解残渣中提取木质素，符合农作物秸秆木质纤维素资源生物量全量利用理念。

本发明可用于农作物秸秆的深加工领域。

具体实施方式：

用下面的实施例验证本发明的有益效果：

实施例1：本实施例的秸秆木质纤维素中木质素的提取分离方法，按以下步骤进行：

一、将风干水稻秸秆剪切成长度0.5cm～1cm段，将秸秆段放入泰斯特FW-100粉碎机中粉碎30秒，然后使用80目和100目样品筛过筛，收集80目～100目秸秆粉，并转移至鼓风干燥箱中45℃干燥至恒重，得到秸秆细粉；

二、将步骤一的秸秆细粉转移至纤维素滤纸筒内，将盛装秸秆试样的滤纸筒放置在索氏抽提器中，利用无水乙醇抽提24h，控制无水乙醇回流速度为每小时4次～6次，抽提结束后，将纤维素滤纸筒和试样一同转移至鼓风干燥箱中45℃干燥至恒重，取出纤维素滤纸筒内物料，得到一级固体残渣；

三、将10g步骤二的一级固体残渣和150mL浓度30mM的H₃PO₄·12MoO₃溶液混合并转移至250mL水热反应釜中，旋紧釜盖，将水热反应釜转移至鼓风干燥箱中140℃保持1.5h，取出反应釜冷却至室温，取出反应釜内物料进行减压过滤，保留滤液，作为二级滤液，将固体组分转移至鼓风干燥箱中45℃干燥至恒重，得到二级固体残渣；

四、使用旋转蒸发仪将步骤三的二级滤液浓缩至约原体积的1/10，为15mL，然后将浓缩液转移至分液漏斗内，加入150mL乙醚，充分摇晃和旋转分液漏斗，静置40min待内装溶液出现分层，将最下层溶液转移至离心管内，然后在离心机中8000rad/min离心10min，将固体沉淀物转移至铺装0.45μm微孔滤膜的玻璃布氏漏斗内减压过滤，同时使用约50mL的40℃～50℃去离子水洗涤固体沉淀物至中性，然后将固体组分转移至真空干燥箱中45℃真空干燥至恒重，得到水热反应木质素；

五、将1g步骤三得到的二级固体残渣和20mL浓度0.5U/mL的Cellic CTec2纤维素复合酶溶液混合，然后转移至50mL离心管中，旋紧离心管盖，将离心管转移至恒温振荡器中，在50℃、150rad/min条件下保持72h，然后取出离心管内物料减压过滤，同时使用约50mL蒸馏水洗涤酶解残渣至中性，取出固体残渣转移至鼓风干燥箱中，45℃干燥至恒重，得到三级固体残渣；

六、将10g步骤五得到的三级固体残渣转移至250mL氧化锆球磨罐中，加入10mm直径的氧化锆球磨球100g和3mm直径的氧化锆球磨球160g，盖紧球磨罐盖，然后将球磨罐装入DECO-PBM-V-2L球磨机，根据下述运行参数运行：转速350rad/min，顺时针和逆时针方向间歇转动运行，每运行10min，停止10min，然后继续运行，总运行时间16h；然后从球磨罐中取出5g酶解残渣粉末转移至锥形瓶中，加入250mL1,4-二氧六环水溶液，其中1,4-二氧六环水溶液是按1,4-二氧六环与蒸馏水的体积比为9:1配制的，采用搅拌机在室温、转速1000rad/min条件下搅拌60min，然后使用whatman1号定性滤纸减压过滤，收集滤液，使用旋转蒸发仪将滤液浓缩至约2mL，然后转移至真空干燥箱内，45℃真空干燥至恒重，收集固体组分，获得球磨木质素。

实施例2：本实施例与实施例1不同的是步骤二中的无水乙醇抽提时间为12h，其它步骤与参数与实施例1相同。

实施例3：本实施例与实施例1不同的是步骤三中H₃PO₄·12MoO₃溶液的浓度为20mM，其它步骤与参数与实施例1相同。

实施例4：本实施例与实施例1不同的是步骤三中H₃PO₄·12MoO₃溶液的浓度为10mM，其它步骤与参数与实施例1相同。

实施例5：本实施例与实施例1不同的是步骤三中水热反应釜在鼓风干燥箱中的保持温度为125℃，其它步骤与参数与实施例1相同。

实施例6：本实施例与实施例1不同的是步骤三中水热反应釜在鼓风干燥箱中的保持温度为110℃，其它步骤与参数与实施例1相同。

实施例7：本实施例与实施例1不同的是步骤三中水热反应釜在鼓风干燥箱中的保持时间为0.5h，其它步骤与参数与实施例1相同。

实施例8：本实施例与实施例1不同的是步骤三中水热反应釜在鼓风干燥箱中的保持时间为1h，其它步骤与参数与实施例1相同。

实施例9：本实施例与实施例1不同的是步骤六中的球磨机运行参数的转速为250rad/min，其它步骤与参数与实施例1相同。

实施例10：本实施例与实施例1不同的是步骤六中的运行参数的总运行时间8h，其它步骤与参数与实施例1相同。

实施例11：本实施例与实施例1不同的是：步骤二中得到的一级固体残渣不经过步骤三和步骤四处理，将一级固体残渣替换实施例1步骤五的二级固体残渣进行处理，其它步骤与参数与实施例1相同。

将实施例1至实施例10中步骤四得到的水热反应木质素与实施例1至实施例11中步骤六得到的球磨木质素的提取率、总提取率、木质素总提取质量占木质素理论含量的质量分数、纯度、分子量、分子量分布、抗氧化活性和化学反应活性进行测试，测试的方法如下：

采用中华人民共和国国家标准《GB/T35818-2018林业生物质原料分析方法多糖及木质素含量的测定》测定实施例1至实施例11中步骤一所述水稻秸秆粉的木质素含量，即秸秆原料的木质素理论含量(基于水稻秸秆干重的质量分数)，结果基于水稻秸秆干重的百分数表示；将实施例1至实施例11中提取的不同木质素的质量分别除以水稻秸秆粉原料的干重，得到各种提取木质素的提取率，结果以百分数表示；将每个实施例中水热反应木质素与球磨木质素的提取率相加，得到每个实施例的总木质素提取率；将每个实施例中水热反应木质素与球磨木质素的提取质量相加，然后将质量之和除以水稻秸秆木质素的理论含量，得到木质素总提取质量占木质素理论含量的质量分数，结果以百分数表示；将酸不溶木质素与酸溶木质素质量之和除以提取木质素的质量，结果乘以100％，记为每种木质素的纯度；

采用高效液相色谱测定木质素的分子量及分子量分布，测试条件为：79911GP-101和79911GP-104色谱柱串联，流动相四氢呋喃，流速1.0mL/min、柱温30℃、运行时间60min、进样量40μm，聚苯乙烯标准品的分子量范围为580g/mol～504500g/mol；然后利用液相色谱仪器自带分析软件进行数据计算，得到分子量及分子量分布；

采用文献《SO₄ ^2-/ZrO₂催化氢还原碱木质素的抗氧化性能》(功能材料，2014，45(13)：13071-13075)所述DPPH自由基清除率方法评价木质素试样的抗氧化活性，将1mL不同浓度的木质素二氧六环水溶液与4mL浓度0.04mg/mL的DPPH溶液混合，常温避光放置30min，使用紫外可见分光光度计测试517nm处吸光值变化，根据公式计算得到DPPH自由基清除率曲线，将清除率50％对应的木质素二氧六环水溶液的浓度记为半数清除率(IC₅₀)，将不同样品的IC₅₀值进行比较，IC₅₀值低，试样的抗氧化活性高；以BHT、碱木质素和SO₄ ^2-/ZrO₂活化碱木质素作为实施例1至实施例11中提取的木质素的参比；

采用《工业作物和产品》(Industrial Crops and Products)的2015年第77期451-457页的文献《利用CuO/SO₄ ^2-/ZrO₂催化剂加氢降解碱木质素》(Degradation onhydrogenolysis of soda lignin using CuO/SO₄ ^2-/ZrO₂ as catalyst)上所述总羟基和酚羟基的测试方法，评价木质素的化学反应活性；碱木质素和SO₄ ^2-/ZrO₂活化木质素作为实施例1至实施例11中提取的木质素的参比。

BHT是常用的市售抗氧化剂，碱木质素是文献《SO₄ ^2-/ZrO₂催化氢还原碱木质素的抗氧化性能》和《利用CuO/SO₄ ^2-/ZrO₂催化剂加氢降解碱木质素》(Degradation onhydrogenolysis of soda lignin using CuO/SO₄ ^2-/ZrO₂ as catalyst》所述的来源于制浆黑液的木质素，活化碱木质素是文献《SO₄ ^2-/ZrO₂催化氢还原碱木质素的抗氧化性能》和《利用CuO/SO₄ ^2-/ZrO₂催化剂加氢降解碱木质素》(Degradation on hydrogenolysis ofsoda lignin using CuO/SO₄ ^2-/ZrO₂ as catalyst)所述的利用SO₄ ^2-/ZrO₂催化氢化还原后的碱木质素。

实施例1至实施例11所述水稻秸秆原料中木质素的理论含量为19.5％，各种提取木质素的提取率、总提取率、纯度和总提取量占木质素理论含量的质量分数见表1。

表1实施例1至实施例11中各种提取木质素的提取率、总提取率、纯度和总提取量占木质素理论含量的质量分数

从表1的数据可以看出，利用H₃PO₄·12MoO₃催化与球磨提取组合工艺获得的木质素，无论是水热反应木质素还是酶解残渣球磨木质素的纯度达到99.9％，杂质含量低于0.1％；木质素的提取量高，可提取水稻秸秆木质素理论含量17.9％～36.4％的木质素，即提取基于水稻秸秆干重3.5％～7.1％的木质素，提取率高；然而，不利用H₃PO₄·12MoO₃催化，单独利用球磨提取工艺得到球磨木质素的提取率和纯度低。

实施例1至实施例11中各种提取木质素、碱木质素、SO₄ ^2-/ZrO₂活化碱木质素的分子量、分子量分布、DPPH自由基清除率的IC₅₀值、总羟基含量和酚羟基含量，以及BHT的平均分子量和DPPH自由基清除率的IC₅₀值，见表2。

表2实施例1至实施例11中各种提取木质素、碱木质素、SO₄ ^2-/ZrO₂活化碱木质素的分子量、分子量分布、DPPH自由基清除率的IC₅₀值、总羟基含量和酚羟基含量

实施例1至实施例10中的水热反应木质素的DPPH自由基清除率的IC₅₀达到71.8～75.1μg·mL^-1；酶解残渣球磨木质素的DPPH自由基清除率的IC₅₀达到80.5～83.9μg·mL^-1，比实施例11的球磨木质素的DPPH自由基清除率的IC₅₀(86.3μg·mL^-1)低2.8％～6.7％。即，利用H₃PO₄·12MoO₃催化与球磨提取组合工艺获得的木质素，无论是水热反应木质素还是酶解残渣球磨木质素都具有高抗氧化活性和高化学反应活性的特点，可以作为抗氧化剂进行开发和利用，实现农作物秸秆木质纤维素资源生物量全量利用。

Claims (9)

1.一种秸秆木质纤维素中木质素的提取分离方法，其特征在于该方法按以下步骤进行：

一、将风干秸秆粉碎后，干燥，得到秸秆细粉；

二、使用无水乙醇对秸秆细粉进行索氏抽提，得到一级固体残渣；

三、向一级固体残渣中加入H₃PO₄·12MoO₃水溶液并混合均匀，再转移至水热反应釜中，将水热反应釜放入温度为110℃～140℃的干燥箱中保持0.5h～1.5h，冷却至室温，然后取出反应釜内物料进行减压过滤，保留滤液，将固体组分干燥，得到二级滤液和二级固体残渣；

四、将二级滤液浓缩，然后向浓缩液中加入乙醚萃取，静置分层后，从下层的萃取液中离心分离出固体沉淀物，干燥，得到水热反应木质素；

五、将步骤三得到的二级固体残渣用Cellic CTec2纤维素复合酶进行酶水解，然后减压过滤、干燥，得到三级固体残渣；

六、利用行星式球磨机，对三级固体残渣进行球磨处理，然后加入1,4-二氧六环水溶液，搅拌，然后减压过滤，收集滤液，将滤液浓缩，再真空干燥，获得球磨木质素。

2.根据权利要求1所述的一种秸秆木质纤维素中木质素的提取分离方法，其特征在于步骤三中一级固体残渣的干质量与H₃PO₄·12MoO₃水溶液中H₃PO₄·12MoO₃的物质的量的比为1g:(1.5×10^-4～4.5×10^-4)mol。

3.根据权利要求1或2所述的一种秸秆木质纤维素中木质素的提取分离方法，其特征在于步骤五中，每克二级固体残渣添加活力单位10U的Cellic CTec2纤维素复合酶溶液。

4.根据权利要求1或2所述的一种秸秆木质纤维素中木质素的提取分离方法，其特征在于步骤五中，酶水解是在温度为45～55℃、转速为75～150rad/min的条件下酶水解72～84h。

5.根据权利要求1或2所述的一种秸秆木质纤维素中木质素的提取分离方法，其特征在于步骤五中，干燥的温度为40℃～45℃。

6.根据权利要求1或2所述的一种秸秆木质纤维素中木质素的提取分离方法，其特征在于步骤六中，1,4-二氧六环水溶液是按1,4-二氧六环与蒸馏水的体积比为9:1配制而成的。

7.根据权利要求1或2所述的一种秸秆木质纤维素中木质素的提取分离方法，其特征在于步骤六中，三级固体残渣的质量与二氧六环水溶液的体积之比为1g:(50～100)mL。

8.根据权利要求1或2所述的一种秸秆木质纤维素中木质素的提取分离方法，其特征在于步骤六中，真空干燥是在温度为40～45℃的条件下进行的。

9.根据权利要求1或2所述的一种秸秆木质纤维素中木质素的提取分离方法，其特征在于步骤六中，所述的球磨处理的运行参数为：转速250～350rad/min，顺时针和逆时针方向间歇转动运行，每运行10～12min，停止10～12min，然后继续运行，总运行时间8～16h。