專利名稱：梯度乙醇沉淀從農林生物質中分離純化半纖維素的方法
技術領域：
本發明屬于天然產物分離技術領域，涉及半纖維素的分離純化方法，具體涉及一種梯度乙醇沉淀從農林生物質中分離純化半纖維素的方法。
背景技術：
農林生物質主要包括農業秸稈和林木生物質兩大類。目前，我國林木生物質資源總量在180億噸以上，喬灌木是我國主要的林木生物質資源，每年因平茬、森林撫育間伐、 果樹修剪以及木材加工剩余物等，可獲得8 10億噸。這些農林生物質主要用于直接燃燒產熱，還有一部分用作飼料、肥料和制漿造紙工業的原料，但是農林生物質領域的利用量不足農業廢棄物總量的50%。如何合理利用這些重要的綠色資源具有非常重要的現實意義。農林生物質主要組分是纖維素、半纖維素和木質素，三者的含量占生物質總量的 90%以上。農林生物質等可再生天然資源轉化為化學原料或可降解材料一般有兩種方式 一種是采用直接轉化的方式，將農林生物質全組分直接轉化為工業產品，由于這種轉化不需要對組分進行分離，工藝簡單，可顯著降低成本，但是由于各組分混雜在一起，因此轉化效率低；另一種是采用間接轉化的方式，將農林生物質各組分進行先分離后轉化，這種轉化方式效率高，可獲得最大程度高值化的利用，其中組分分離和組分轉化是兩個關鍵過程。組分分離是將生物質三種組分纖維素、半纖維素和木質素分離，而組分轉化是根椐生物質組分結構特點，通過物理、化學和生物方法轉化為具有重要意義的燃料和材料。然而，傳統的分離方法與技術不能把生物質組分清潔解離，組分轉化過程效率低、產物類型少、污染嚴重 (如纖維素工業)。因此，探討農林生物質組分分離及純化，將為農林生物質可再生資源的高效轉化利用提供理論基礎。半纖維素為可被水或堿溶液從植物細胞壁中提取的多糖類物質，半纖維素與細胞壁其他成分如纖維素、木質素、蛋白質等通過氫鍵、共價鍵以及離子鍵等連接。半纖維素廣泛應用于食品以及非食品行業，可被轉化為化學品，如糠醛、赤蘚糖醇、木糖醇、乙醇和乳酸等；還可作為粘度調節劑、膠凝劑、片劑粘合劑以及濕強度添加劑等；此外，半纖維素有很重要的醫藥價值，可用于生產保護潰瘍、止咳、抗刺激、抗癌等藥物。半纖維素的分離很早就被研究，且已提出許多分離方法，包括K0H、Na0H、堿性過氧化氫、Ba (OH)2和Ca (OH)2等分離方法。堿法提取半纖維素的優點是簡單、成本較低且分離效果好，但是，分離出來的半纖維素一般由幾類半纖維素大分子組成，其化學結構也不同。為獲得性質和結構相同的半纖維素組分以及研究其結構與性質的關系，還需要對分離半纖維素進一步純化，得到不同取代度的半纖維素。
發明內容
本發明的目的在于針對半纖維素分離和純化中存在的問題，提供一種梯度乙醇沉淀從農林生物質中分離純化半纖維素的方法。本發明與現有技術的區別在于，不采用柱層析的方法對半纖維素進行分級純化，而是先采用堿溶液提取，然后利用連續不同濃度的乙醇溶液對提取液進行分級純化，能有效的得到不同分枝度的半纖維素。為了達到上述目的，本發明采用了如下技術方案。梯度乙醇沉淀從農林生物質中分離純化半纖維素的方法，包括以下步驟
(1)將農林生物質去皮后晾干并切成1 3cm的片狀，磨碎，過1.0 3. 0 mm孔徑篩得到生物質粉末，將生物質粉末用甲苯和乙醇的混合溶劑提取6 10h，40 60°C干燥 l(Tl8h，得到脫脂生物質；
(2)將步驟(1)所得的脫脂生物質用蒸餾水在50 90°C提取2 3h，冷卻后過濾，得到濾液和水不溶性殘渣；
(3)將步驟(2)得到的水不溶性殘渣加入亞氯酸鈉中，加入pH值調節劑調節pH值為 3. 0 4. 0，在5(Γ100 提取廣4h，殘渣用蒸餾水洗滌至中性，在4(T60°C下干燥16 20h，得到綜纖維素；
(4)將步驟(3)得到的綜纖維素用6 10%(wt. )Κ0Η溶液在4(T60°C提取8 16h，過濾， 收集濾液，用蒸餾水洗滌殘渣后得到的洗滌液也合并入濾液，得到半纖維素提取液；
(5)將步驟(4)得到的半纖維素提取液加入pH值調節劑調節pH值為5.5^7. 0，減壓濃縮，得到濃縮液，向濃縮液中加入無水乙醇至乙醇的質量濃度達到1(Γ15%，攪拌3 lOmin， 靜置纊10h，離心，得到上層清液和下層沉淀，取下層沉淀用酸化的70% (體積分數)乙醇洗滌，冷凍干燥，得到半纖維素；將上層清液再次減壓濃縮，向濃縮液中加入無水乙醇至乙醇質量濃度達到20 30%，攪拌3 lOmin，靜置8 10h，離心，得到上層清液和下層沉淀，取下層沉淀用酸化的70%(體積分數)乙醇洗滌，冷凍干燥，得到半纖維素；將上層清液減壓濃縮，向濃縮液中加入無水乙醇至乙醇質量濃度達到35 45%，攪拌3 lOmin，靜置8 10h，離心，得到上層清液和下層沉淀，取下層沉淀用酸化的70% (體積分數)乙醇洗滌，冷凍干燥，得到半纖維素；將上層清液減壓濃縮，向濃縮液中加入無水乙醇至乙醇質量濃度達到50飛0%，攪拌3 lOmin，靜置8 10h，離心，得到上層清液和下層沉淀，取下層沉淀用酸化的70%(體積分數)乙醇洗滌，冷凍干燥，得到半纖維素；將上層清液減壓濃縮，向濃縮液中加入無水乙醇至乙醇質量濃度達到65 75%，攪拌3 lOmin，靜置8 10h，離心，得到上層清液和下層沉淀， 取下層沉淀用酸化的70% (體積分數)乙醇洗滌，冷凍干燥，得到半纖維素；將上層清液減壓濃縮，向濃縮液中加入無水乙醇至乙醇質量濃度達到80、0%，攪拌3 lOmin，靜置8 10h， 離心，得到上層清液和下層沉淀，取下層沉淀用酸化的70%(體積分數)乙醇洗滌，冷凍干燥， 得到半纖維素。本發明步驟(1)中，所述混合溶劑中甲苯和乙醇的體積比為(2、)1，所述生物質粉末和混合溶劑的質量體積比為1: (15 25)g/mL。本發明步驟(2)中，所述脫脂生物質和蒸餾水的質量體積比為1: (15 25) g/mL。本發明步驟(3)中，所述水不溶性殘渣和亞氯酸鈉的質量比為1: (1.2 2)。本發明步驟(3)中，所述pH值調節劑為乙酸或鹽酸。本發明步驟(4)中，所述綜纖維素和6 10% (wt. ) KOH溶液的質量體積比為1 (15 25) g/mL。本發明步驟(5)中，所述pH值調節劑為乙酸或鹽酸。本發明步驟(5)中，所述減壓濃縮的壓力為-0. 095 0. 075mbar ；所述離心的轉速為300(T5000r/min ；所述冷凍干燥的溫度為-5(T-40°C，時間為32、0h。。
5
本發明步驟(5)中，所述酸化的70% (體積分數)乙醇為用乙酸或鹽酸調節的乙醇， 所述酸化的70% (體積分數)乙醇的pH值為2 4。本發明與現有分離純化技術相比，具有如下優點和有益效果
(1)本發明的方法工藝簡單，操作方便，易于工業化；
(2)與一般的柱層析方法相比較，本發明的方法耗時短，分離效果好；
(3)本發明采用不同濃度的乙醇作為純化試劑，試劑價格便宜，易獲得，且可回收利用， 利用率高；
(4)通過本發明的方法，可得到不同支鏈度的半纖維素，可為進一步生產低聚木糖和木糖醇提供高質量的原料。
圖1為本發明實施例1采用沙柳分離純化半纖維素的方法流程圖。圖2為本發明實施例2采用檸條錦雞兒分離純化半纖維素的方法流程圖。圖3為本發明實施例3所得的半纖維素組分F10、F20和F30的紅外光譜分析(簡稱FT-IR)譜圖。圖4為本發明實施例3采用壽竹分離純化半纖維素的方法流程圖。
具體實施例方式下面結合通過實施例對本發明作進一步地說明，但是本發明要求保護的范圍并不僅限于此。實施例1
采用沙柳，從中分離純化半纖維素，步驟如圖1所示。(1)將沙柳去皮后晾干并切成Icm的片狀，磨碎，過1. 0 mm孔徑篩，取50g干燥后的粉末用750mL體積比為2 1的甲苯和乙醇在索氏抽提器里抽提6h，60°C干燥16h，得到脫脂生物質；
(2)將40g步驟(1)所得的脫蠟生物質用600mL蒸餾水在70°C提取2.5h，冷卻后過濾， 得到濾液和水不溶性殘渣；
(3)將30g步驟(2)得到的水不溶性殘渣加入36g亞氯酸鈉中，加入乙酸調節pH值為 3. 6 3. 8，在75°C提取2h，殘渣用蒸餾水洗滌3次至洗滌液為中性，在60°C下干燥16h，得到綜纖維素；
(4)將20g步驟(3)得到的綜纖維素用300mL質量濃度6%的KOH溶液在50°C提取12 h，過濾，合并濾液，用蒸餾水洗滌殘渣至洗滌液呈中性，得到的洗滌液也合并入濾液，得到半纖維素提取液；
(5)將步驟(4)得到的半纖維素提取液用乙酸調節pH值為5.5，減壓濃縮到125mL，得到濃縮液，向濃縮液中加入無水乙醇至乙醇質量濃度達到15%，攪拌3min，靜置8h，3000r/min 離心，得到上層清液和下層沉淀，取下層沉淀用酸化的70%(體積分數)乙醇洗滌，-40°C冷凍干燥40h，得到半纖維素組分H1 ；將上層清液再次減壓濃縮到IOOmL,向濃縮液中加入無水乙醇至乙醇質量濃度達到30%，攪拌3min，靜置8h，3000r/min離心，得到上層清液和下層沉淀，取下層沉淀用酸化的70% (體積分數)乙醇洗滌，-40°C冷凍干燥40h，得到半纖維素H2 ；
6將上層清液減壓濃縮到80mL，向濃縮液中加入無水乙醇至乙醇質量濃度達到45%，攪拌3 lOmin，靜置8h，3000r/min離心，得到上層清液和下層沉淀，取下層沉淀用酸化的70%(體積分數)乙醇洗滌，-40°C冷凍干燥40h，得到半纖維素H3 ；將上層清液減壓濃縮到70 mL,向濃縮液中加入無水乙醇至乙醇質量濃度達到60%，攪拌3min，靜置8h，3000r/min離心，得到上層清液和下層沉淀，取下層沉淀用酸化的70% (體積分數)乙醇洗滌，-40°C冷凍干燥40h， 得到半纖維素H4 ；將上層清液減壓濃縮到60 mL,向濃縮液中加入無水乙醇至乙醇質量濃度達到75%，攪拌3min，靜置8h，3000r/min離心，得到上層清液和下層沉淀，取下層沉淀用酸化的70% (體積分數)乙醇洗滌，-40°C冷凍干燥40h，得到半纖維素H5;將上層清液減壓濃縮到50 mL,向濃縮液中加入無水乙醇至乙醇質量濃度達到90%，攪拌3min，靜置8h，3000r/ min離心，得到上層清液和下層沉淀，取下層沉淀用酸化的70% (體積分數)乙醇洗滌，-40°C 冷凍干燥40h，得到半纖維素H6。經過離子色譜(簡稱HPAEC)、紅外光譜分析(簡稱FT_IR)、凝膠滲透色譜(簡稱 GPC)和1H核磁共振、13C核磁共振和二維核磁共振的測定，結果顯示，隨著醇沉濃度從15%增至90%時，半纖維素組分的分枝度增加，直鏈半纖維素優先被低濃度的乙醇沉淀。半纖維素是一群復合聚糖的總稱，分離方法不同，糖組成不同。實施例1分離得到的半纖維素組分的糖分析結果如表1所示
表1實施例1得到的半纖維素組分中單糖及糖醛酸的種類及含量
權利要求
1.梯度乙醇沉淀從農林生物質中分離純化半纖維素的方法，其特征在于，包括以下步驟(1)將農林生物質去皮后晾干并切成1 3cm的片狀，磨碎，過1.0 3. 0 mm孔徑篩得到生物質粉末，將生物質粉末用甲苯和乙醇的混合溶劑提取6 10h，40 60°C干燥 l(Tl8h，得到脫脂生物質；(2)將步驟(1)所得的脫脂生物質用蒸餾水在50 90°C提取2 3h，冷卻后過濾，得到濾液和水不溶性殘渣；(3)將步驟(2)得到的水不溶性殘渣加入亞氯酸鈉中，加入pH值調節劑調節pH值為 3. 0 4. 0，在5(Γ100 提取廣4h，殘渣用蒸餾水洗滌至中性，在4(T60°C下干燥16 20h，得到綜纖維素；(4)將步驟(3)得到的綜纖維素用6 10%(wt. )Κ0Η溶液在4(T60°C提取8 16h，過濾， 收集濾液，用蒸餾水洗滌殘渣后得到的洗滌液也合并入濾液，得到半纖維素提取液；(5)將步驟(4)得到的半纖維素提取液加入pH值調節劑調節pH值為5.5^7. 0，減壓濃縮，得到濃縮液，向濃縮液中加入無水乙醇至乙醇的質量濃度達到1(Γ15%，攪拌3 lOmin， 靜置纊10h，離心，得到上層清液和下層沉淀，取下層沉淀用酸化的70% (體積分數)乙醇洗滌，冷凍干燥，得到半纖維素；將上層清液再次減壓濃縮，向濃縮液中加入無水乙醇至乙醇質量濃度達到20 30%，攪拌3 lOmin，靜置8 10h，離心，得到上層清液和下層沉淀，取下層沉淀用酸化的70%(體積分數)乙醇洗滌，冷凍干燥，得到半纖維素；將上層清液減壓濃縮，向濃縮液中加入無水乙醇至乙醇質量濃度達到35 45%，攪拌3 lOmin，靜置8 10h，離心，得到上層清液和下層沉淀，取下層沉淀用酸化的70% (體積分數)乙醇洗滌，冷凍干燥，得到半纖維素；將上層清液減壓濃縮，向濃縮液中加入無水乙醇至乙醇質量濃度達到50飛0%，攪拌3 lOmin，靜置纊10h，離心，得到上層清液和下層沉淀，取下層沉淀用酸化的70%(體積分數)乙醇洗滌，冷凍干燥，得到半纖維素；將上層清液減壓濃縮，向濃縮液中加入無水乙醇至乙醇質量濃度達到65 75%，攪拌3 lOmin，靜置8 10h，離心，得到上層清液和下層沉淀， 取下層沉淀用酸化的70% (體積分數)乙醇洗滌，冷凍干燥，得到半纖維素；將上層清液減壓濃縮，向濃縮液中加入無水乙醇至乙醇質量濃度達到80、0%，攪拌3 lOmin，靜置8 10h， 離心，得到上層清液和下層沉淀，取下層沉淀用酸化的70%(體積分數)乙醇洗滌，冷凍干燥， 得到半纖維素。
2.根據權利要求1所述的分離純化半纖維素的方法，其特征在于，步驟(1)中，所述混合溶劑中甲苯和乙醇的體積比為(2、)1，所述生物質粉末和混合溶劑的質量體積比為1: (15 25) g/mL。
3.根據權利要求2所述的分離純化半纖維素的方法，其特征在于，步驟(2)中，所述脫脂生物質和蒸餾水的質量體積比為1: (15 25)g/mL。
4.根據權利要求3所述的分離純化半纖維素的方法，其特征在于，步驟(3)中，所述水不溶性殘渣和亞氯酸鈉的質量比為1: (1.2 2)。
5.根據權利要求3所述的分離純化半纖維素的方法，其特征在于，步驟(3)中，所述pH 值調節劑為乙酸或鹽酸。
6.根據權利要求廣5之一所述的分離純化半纖維素的方法，其特征在于，步驟(4)中， 所述綜纖維素和6 10% (wt. ) KOH溶液的質量體積比為1 (15 25) g/mL。
7.根據權利要求6所述的分離純化半纖維素的方法，其特征在于，步驟(5)中，所述pH 值調節劑為乙酸或鹽酸。
8.根據權利要求7所述的分離純化半纖維素的方法，其特征在于，步驟(5)中，所述減壓濃縮的壓力為-0. 095 0. 075mbar ；所述離心的轉速為300(T5000r/min ；所述冷凍干燥的溫度為-5(T-40°C，時間為32 40h。
9.根據權利要求8所述的分離純化半纖維素的方法，其特征在于，步驟(5)中，所述酸化的70% (體積分數)乙醇為用乙酸或鹽酸調節的乙醇，所述酸化的70% (體積分數)乙醇的 pH值為2 4。
全文摘要
本發明公開了一種梯度乙醇沉淀從農林生物質中分離純化半纖維素的方法。本發明以農林生物質為原料，先用去離子水抽提和亞氯酸鈉脫除木質素，用6~10%KOH(wt.)提取綜纖維素，然后采用10~90%(wt.)的乙醇溶液對濾液進行梯度沉淀，得到具有不同支鏈程度的半纖維素。本發明通過分級純化方法制備了不同分子量、不同支鏈度的半纖維素，工藝簡單，易于工業化，分級純化的半纖維素均一化程度高、有直鏈型的，還有支鏈型的，且分子量大。分離純化后的不同半纖維素可根據不同需求應用于不同工業領域。
文檔編號C08B37/14GK102276760SQ20111022847
公開日2011年12月14日 申請日期2011年8月10日 優先權日2011年8月10日
發明者任俊莉, 孫潤倉, 彭湃, 彭鋒, 邊靜 申請人:華南理工大學