試談楊樹純化木質素分離及其表徵的研究
前言
21世紀世界各國面臨着資源消耗過度、環境污染加劇的困境，積極尋找可再生能源、採用綠色化學土藝、減少環境污染是人類社會能夠持續發展的唯一出路。國際能源局(IEA)聲明，到2050年生物燃料有望提供世界總運輸燃料需求量的27%，可達7.5億噸石油當量。
楊樹是一種全球大面積栽培的木本作物，具有適應性廣、年生長期長和生產速度快等特點，是木質纖維素的重要研究代表，楊木的資源化利用具有着重要的意義。通過對木質纖維素原料進行預處理、酶解可以得到葡萄糖，進而發酵製取纖維乙醇。目前，纖維乙醇的製取土藝是可行的，然而土藝成本和產品經濟性確是制約發展的重要因素。預處理過程中，有效地將木質素分離純化並加以利用，能夠提升纖維乙醇的整體經濟性。木質素是單體繁多、結構複雜的一類三維立體高聚物，由苯丙烷結構單體通過醚鍵和碳碳鍵聯結而成的無定形高聚物，側鏈上存有各種官能團，半纖維素和木質素間的化學鍵聯結形成的網絡結構使其難以分離提取。
本研究通過磷酸丙酮法、鹼法蒸煮法和有機溶劑法對楊樹進行預處理，將分離純化的木質素[[7]作為研究對象，並與國標法所提取木質素進行對比。通過紅外吸收光譜和核磁共振進行表徵，從木質素產率和改性程度的角度入手，尋求能夠實現生物質資源全組分利用的最為適合的預處理方法，提升纖維乙醇的產品經濟性。
1實驗部分
1.1試劑和儀器
楊樹枝取自北京呂平，楊樹末是經過去皮、烘乾、截塊、粉碎、篩分J步處理而得，過0.84mm篩孔，在索氏抽提器中苯醇抽提4h，空氣中自然放置備用。所用化學試劑均為分析純，所用水為去離子水。
紅外光譜測定在Nicolet6700型FT}R（美國熱電公司）上進行，由於所製得木質素是有機粉狀物，需採用含有1%I}B:壓片法進行預處理。液體‘HNMR在400MHz的400NMR型譜儀（瑞士Bruke:公司）上進行，準備25mg樣品溶解在1.0mL氖代二甲亞礬DMSOI6中，在25℃條件下測定HNMR，每個樣品掃描16次70。脈衝角，脈衝寬度10.i,m，延遲時一間15s。
1.2磷酸丙酮預處理
楊樹末和磷酸（質量分數85%）首先在水浴恆温振盪器中預浸，比較反應温度、固液比和反應時-間對木質素產率的影響規律。隨後加入預冷的丙酮並充分萃取5min，10000r/min高速冷凍離心實現固液分離，萃取漓心過程需重複3次。離心所得殘留固體經過水洗，稱重、酶解、發酵製取纖維乙醇；通過旋轉蒸發儀對萃取液中的丙酮進行減壓蒸餾回收，剩餘酸液中加水並自然沉降1h，通過0.45,m混合纖維素膜過濾得到磷酸丙酮木質素，經過水洗、烘乾、空氣放置備用。
1.3鹼性蒸煮預處理
稱取lOg楊樹末裝入燒瓶，加入一定配比的NaOH和NaZS硫酸鹽溶液，常壓下將蒸煮液加熱至160℃保持1h。通過離心分離出鹼不溶物沉澱，用鹽酸將溶液pH值調至3，再離心分離得到鹼木質素，水洗、烘乾、自然放置備用。
1.4有機溶劑預處理
稱取lOg楊樹末裝入三角瓶，加入由一定配比的丙酮、乙醇、水組成的混合有機溶劑，滴加幾滴硫酸催化，常壓下60℃加熱2h。將固體殘留物過濾後，通過減壓蒸餾將剩餘液體中的有機溶劑蒸出，加水並自然沉降1h，通過0.45m混合纖維素膜過濾獲得有機溶劑木質素，水洗、烘乾、自然放置備用。
1.5國標法
稱取lOg楊樹末裝入三角瓶，加入100mL濃HZSOQ（質量分數72%），常壓下30℃保持1h並不斷攪拌，隨後加水2.8L將HZSOQ稀釋至質量分數為4%，牛皮紙封口放入高壓滅菌鍋加熱至121℃並保持1h。冷卻至室温後，通過慢速定量濾紙過濾獲得酸不溶木質素，這是目前木質素含量測定的國標方法，水洗、烘乾、自然放置備用。
1.6木質素純化
粗木質素的純化按照Lundquist法進行處理。
1.7木質素表徵
通過紅外光譜和核磁共振對4種所提取的木質素進行表徵，分析比較木質素提取前後的官能團的特徵差異，篩選出改性程度相對較小的提取方法。
2結果與討論
2.1磷酸丙酮法木質素提取結果
通過國標法對楊樹末的成分進行測定，測得木質素含量為21.26%（見表2）。
前期研究表明，通過磷酸丙酮法對楊木進行預處理，木質素、半纖維素和纖維素分別存在於丙酮相、水相和剩餘固相中，僅會發生少量的水解和降解反應，初步實現了木質纖維素3大組分的部分分離。經磷酸預浸，部分纖維素會發生潤漲進而溶解的現象，加入丙酮使得溶解的纖維素瞬時一沉降，纖維素品型由結品區向無定形區發生一定的轉變，適幹後續的酶解發酵反應。温和的反應條件也會切斷抑制物的產生條件，對後續土藝不會造成消極的影響。
溶解木質素的丙酮具有低沸點和高揮發的特性，通過減壓蒸餾即可實現溶劑回收。回收丙酮後，在剩餘漿液中加水靜置，1h後溶解的木質素會發生沉降。預處理中温度、時一間和液固比（磷酸體積：楊樹末質量）均對木質素產率和改性程度有一定的影響。
從表1可以看出，預浸温度由300C提高至900C時，木質素產率由10.57%大幅提高至53.28%，木質素產率隨着温度的升高而大幅提高，但過高的温度會導致木質素部分基團的改性，較為活潑的活性基團如輕基、甲氧基等容易發生化學反應。加熱温度70和90℃時，產率分別可達37.89%和53.28%，但所提取木質素的顏色加深、顆粒變大且表面較硬，發生了一定的改性；50℃時一所提木質素產率也可達到23.48%，所提取的木質素顏色較淺、顆粒較小且結構鬆散，改性程度較小，適於進一步利用。
液固比對木質素產率的影響較小，在6:1和14:1之間木質素產率僅有不到4%的變化，且數據較為波動；其中液固比8:1時較為合適，木質素產率達到了16.88%提高磷酸加入量對於木質素提取沒有明顯的提升效果。這是由於提高磷酸加入量有利於纖維素的溶解，微觀上講，在磷酸中己經部分潤漲溶解的纖維素鏈，遇到丙酮後發生聚合會阻礙木質素的溶出，因此提高磷酸量就會加劇這種現象的發生，且丙酮比例的降低也不利於木質素的提取；同時，在丙酮和磷酸一起存在時，由於木質素的網狀分子結構本身也存在着解聚和再聚合的動態變化，導致產率不穩定的小幅波浪性變化。預浸時一間對於產率同樣也有一定的影響，由10min延至60min時，產率提高了10.78%，達到21.57%；再繼續處理60min後木質素產率僅提高4%，處理60min是較為合適的預浸時一間。
上述結果表明，反應温度對於木質素產率的影響最為顯着，接下來是反應時一間，而反應固液比對於產率的影響相對較小。從改性程度、經濟性和反應效率3個角度來綜合考慮，最優提取條件為預浸温度500C、預浸時間60min以及液固比8:1。
2.2鹼法蒸煮法和有機溶劑法木質素提取結果
鹼法蒸煮的目的主要在於脱除木質素以達到預處理效果。鹼法蒸煮法處理木質纖維素時一，温度1600C時一木質素溶出速度為纖維素的12.6倍酚型月芳基醚鏈在各種連接形式中佔據着主要的地位，它的斷裂與否直接影響到蒸煮的速率。酚型月芳基醚鍵在NaOH蒸煮時，主反應是月質子消除反應和月甲醛消除反應，只有少量鍵在OH一對a碳原子的親核攻擊形成環氧化合物時才能緩慢斷裂[]。HS-的電負性較OH一強，親核攻擊能力也強，能夠迅速地形成環硫化合物而促使月芳基醚鍵斷裂。因此，添加一定的HzS輔助蒸煮，可以提高木質素的提取速率和效率。
在有機溶劑預處理法中，借鑑了乙醇在製漿技術中的應用。脱木質素階段無需添加助劑或催化劑，僅靠木質纖維素自身產生的乙酸、糖醛酸等作為催化劑，即可一定程度上實現酸催化脱木質素的過程。
在自催化乙醇法制漿和Alcell工藝中，不需要添加助劑或催化劑，但所需製漿温度較高，高於1800C才能有效地脱除木質素。丙酮在相對較低的温度下即可溶解原料中的部分木質素，因此，在乙醇脱木質素過程中加入丙酮，可以在60℃的反應温度下脱除部分木質素，減少了較高温度下會出現的抑制物產生和木質素改性。
表2中選取了兩種方法的相對較優土況。在此土況下，鹼法蒸煮的木質素產率為9.58%，而有機溶劑法的木質素產率也僅為13.47%。相比較而言，磷酸丙酮法在50℃下處理1h，木質素產率可達21.57%，且木質素改性程度相對較小，經過簡單的減壓蒸餾還可實現溶劑的回收利用。温和條件下的磷酸丙酮法對纖維素成分有一定的作用，引起纖維素的無定形化，由於纖維素在整體結構中佔據着最主要的比例，同時一也是木質纖維素的主體骨架結構，所以加入丙酮後對木質素的提取是兩種效應的協同作用，木質素提取效果較為明顯。而有機溶劑法和鹼法蒸煮法僅針對木質素的直接提取，整個過程中纖維素骨架的變化很小，木質素的提取效果較為有限。
2.3木質素紅外吸收光譜分析
針對4種方法所提取木質素進行微觀結構表徵，綜合總圖譜（圖1）和指紋區圖譜（圖2）可以看出，木質素分子的官能團變化。4種木質素的吸收峯位置和峯形大致相似，具有木質素紅外光譜的特徵吸收峯。但在某些具體吸收峯處，卻存在着一定的吸收差異。3400cm處為芳香族酚輕基的伸縮振動，2925和2850cm處為脂肪族甲基和亞甲基的C-H鍵伸縮振動，圖1表明，除了國標法中硫酸的高温酸解會導致木質素脂肪鏈的很大改性，其它3種木質素的吸收均較為明顯。1710cm處為非共扼撥基的伸縮振動，來自於阿魏酸的梭基吸收，鹼法蒸煮法在此處吸收峯的消失説明阿魏酸發生了一定的結構變化。
圖2表明，4種木質素在1608,1507和1463cm處均有不同程度的吸收，這個吸收峯是芳香苯丙烷的骨架振動引起的，説明4種木質素均為典型的木質素結構。圖中可看出，磷酸丙酮法和有機溶劑法所提取木質素的吸收較為明顯，改性程度也相對較小。1270cm處為愈創木基甲氧基C-0鍵的振動，852cm處為愈創木基芳香環中C-H鍵的面外彎曲振動，1230和1324cm處均為紫丁香基中芳香核C-0鍵的伸縮振動，1120cm處為紫丁香基芳香環中C-H鍵的面內彎曲振動。在這些木質素典型單體的吸收峯處，磷酸丙酮木質素的吸收相對最為顯着。
4種木質素的改性程度排序為：磷酸丙酮法<有機溶劑法<鹼法蒸煮法<國標法。圖2表明，磷酸丙酮木質素在特徵吸收峯1608,1507和1463cm（芳香苯丙烷骨架振動）處具有最強的吸收信號，在1650cm處還存在着共扼撥基吸收峯，經過反應條件温和的磷酸丙酮法處理後，木質素的分子結構並未顯着變化，特徵吸收峯波數範圍內也沒有出現新的吸收譜帶，説明這種木質素的改性程度相對最小。
國標法和鹼法蒸煮對木質素的改性程度較大，不僅導致在一些特徵吸收峯處吸收的消失，也導致了光吸收程度的減小，部分吸收峯甚至還發生了藍移，向高波數方向發生移動，這2種木質素的改性程度較大。
2.4木質素核磁共振氫譜表徵
將4種木質素溶於DMSO進行預處理，隨後分析核磁共振氫譜。木質素較大的分子量和複雜的空間立體結構會導致分子的自由運動受到一定阻礙，質子信號峯有所重疊，加上自旋一自旋偶合和空間影響等效應，核磁共振氫譜中的譜峯顯得較寬。
在圖3磷酸丙酮圖譜中，83.3處信號峯來自溶劑DMSO中水的質子，52.5處的2個較強信號峯來自溶劑DMSO中的質子，86.1-5.7是月結構中醚鍵的質子吸收峯區域，木質素大分子水解後會形成新的醇輕基和酚輕基；a-0結構中的H。會在85.0-4.6顯示出2個小的吸收峯是乙酞化的酚輕基質子吸收峯，82.2-2.0是乙酞化的醇輕基質子吸收峯，這表明木質素中存在着一定數量的輕基。s2.o一1.2之間是木質素側鏈上脂肪族烷基鏈上的質子吸收峯，而在2.一0.8之間還存在着木聚糖乙酞基上質子所產生的信號峯。這些化學位移處的吸收峯表明，磷酸丙酮法所提取的木質素改性程度不大，相關官能團在典型的化學位移處均有一定程度的吸收。
圖3中，A,B,C分別為有機溶劑法、鹼法蒸煮法和國標法所提取木質素的‘HNMR圖譜，特徵吸收峯處的吸收較小甚至消失，吸收峯的位置也發生了一定的變化，木質素的改性程度較大。對比發現，磷酸丙酮木質素與相關木質素研究圖譜的吸收峯的位置和形狀最為接近，具有相對較小的改性程度和較高的經濟價值，進一步開發利用可以有效提升纖維乙醇整體土藝的經濟性。
3結論
通過磷酸丙酮法對楊木粉末進行預處理，以8:1(mL:g)的磷酸原料液固比在50℃下預浸60min時一木質素產率可達21.57%，所提取木質素顏色較淺、顆粒較小、結構鬆散，改性程度較小，適於進一步利用。鹼法蒸煮法和有機溶劑法所提取木質素僅佔9.58%和13.47%，且改性程度較大。通過紅外吸收光譜表徵，磷酸丙酮木質素在1608,1507和1463cm等處具有相對最強的吸收信號，在1650cm處還存有共扼撥基吸收峯；通過核磁共振氫譜表徵，發現磷酸丙酮木質素在特徵化學位移處均有明顯的吸收，表明了低温常壓預處理後的磷酸丙酮木質素具有相對較小的改性程度，利用前景優於其它木質素研究對象。從木質素產率和木質素改性程度的角度出發綜合分析，磷酸丙酮預處理法可以有效提升土藝過程中木質素的附加值，進一步提高纖維乙醇土藝的整體經濟性。
淺析自然條件下玉米醇溶蛋白膜穩定性
前言
隨着環境污染的日益加重，急需新型可降解的環境友好材料替代塑料包裝材料，蛋白質是目前公認的具有應用潛力的原材料之一，已有很多的相關研究[1-4]。玉米醇溶蛋白是從玉米澱粉生產的副產物中提取出來的一種蛋白質，可以溶解在70%~80%的乙醇中，具有良好的成膜性[5-7]，和其它蛋白膜一樣，蛋白膜在自然環境條件下放置一定時間，其機械性有劣變的趨勢，限制了其應用。
目前多數的研究是將玉米醇溶蛋白膜放置在特定的環境中進行儲藏，以抗拉強度和斷裂延伸率為指標考察膜的儲藏穩定性，探討膜的機械性能受環境條件的影響[8-9]。然而在實際應用中，作為食品包裝材料或者包裝物品後可能是暴露在自然環境中，因此，有必要對玉米醇溶蛋白膜在自然環境中的穩定性進行研究。
本文是對在自然環境條件下的玉米醇溶蛋白膜的穩定性進行研究。此處所指的室温自然環境是在自然條件下的室內通風處，環境温度和濕度均為自然條件，此時蛋白膜在儲藏過程中機械性能的變化與實際應用環境更為接近，對玉米醇溶蛋白膜的應用研究更具價值。
1、材料與方法
1.1原料與試劑
玉米醇溶蛋白：蛋白質含量91.2%；無水乙醇、聚乙二醇-400、丙三醇，化學試劑均為分析純。
1.2儀器與設備
2i物性測定儀，螺旋測微器，AY-120電子分析天平，81-2型磁力攪拌器，HH-2型電熱恆温水浴鍋。
1.3玉米醇溶蛋白膜的製備和儲藏
稱取一定量的玉米醇溶蛋白粉，加入體積分數為75%乙醇溶液(m（蛋白）∶m（乙醇溶液）=1:10)攪拌混合均勻，加入甘油(0.2g/gzein)和聚乙二醇-400(PEG-400,0.4g/gzein)，繼續攪拌20min,放入80℃水浴加熱15min後，取出再攪拌15min.將蛋白質含量為1.56g的蛋白成膜液注入成膜托盤（密胺材質，130mm×130mm），70℃水浴加熱乾燥成膜，2h後揭膜。
選取表面平整光滑、厚度均勻的玉米醇溶蛋白膜存放在自然環境中，每隔10d取樣測其機械性能。
1.4玉米醇溶蛋白膜機械性能的測定
將蛋白膜裁成10mm×50mm的長條狀，對稱選取8個點測量厚度，取平均值。
物性測定儀測定膜的機械性能，A/TG探頭，有效拉伸長度30mm,測試速率1.0mm/s.抗拉強度（TS,MPa)和斷裂延伸率(EB,%）的計算公式：TS=Fδ×W,式中：δ為膜樣品的厚度，mm;W為膜樣品的寬度，10mm.
EB=L1L0×100%，式中：L0為膜拉伸前的有效長度，30mm;L1為膜斷裂時拉伸的長度，mm.
1.5統計分析
所有實驗至少重複5次，實驗結果表示為：平均值±標準偏差。數據採用Excel、SPSSStatistic19.0軟件進行分析和異常數據篩選。
2、結果討論
不同季節的室温自然環境條件儲存的玉米醇溶蛋白膜機械性能的變化如圖1、圖2所示。
從圖1可見，不同季節儲藏的玉米醇溶蛋白膜抗拉強度的變化趨勢總體相同，而穩定性有較大的差別。春、夏、秋、冬四季儲藏的膜的抗拉強度分別在儲藏21d、40d、50d、40d時取得最大值；儲藏過程中膜的穩定性春>冬>秋>夏，蛋白膜斷裂延伸率的變化趨勢相同。這種儲藏穩定性的變化與不同季節的氣温和濕度都密切相關。鄭州屬暖温帶亞濕潤季風性氣候。具有四季分明，春季乾旱少雨，夏季炎熱多雨，秋季晴朗濕潤，冬季寒冷乾燥的氣候特徵。氣象監測數據顯示，鄭州地區的四季相對濕度春<冬<秋<夏[10]。【1】
在春季室温條件下，室內的温度較低，存放時不利於蛋白膜內部大分子的聚合，因此膜的機械性能變化較小，穩定性較高。夏季室温較高，環境潮濕，一方面有利於蛋白質分子之間及其與小分子增塑劑之間的重排和交聯，另一方面也加劇了甘油的析出，促進膜的老化，因此膜的抗拉強度在儲藏期增加的幅度很大。與春、冬兩季相比，夏季儲藏的蛋白膜在儲藏的前20d膜的抗拉強度變化較慢，這主要是由於蛋白膜在儲藏初期吸收環境中的水分，軟化了蛋白膜的剛性結構，一定程度上抑制膜的老化；儲藏20d後蛋白膜的抗拉強度急劇上升，可能是因為膜中大分子交聯和膜的老化。鄭州的夏、秋兩季的相對濕度沒有顯着差異，都保持較高的水平，可見空氣濕潤也是秋季的氣候特點。秋季儲藏的蛋白膜由於較低的環境氣温和較高的濕度，抑制其內部大分子聚合，而吸收的環境水分對蛋白膜起到增塑作用，和夏季儲藏的蛋白膜相比抗拉強度變化較緩慢，增加值較小，在儲藏40d後方達到最大值，所以秋季的氣候條件可在一定程度上延緩蛋白膜的老化。冬季少雨雪，環境濕度和温度都較低，所以冬季儲藏的蛋白膜抗拉強度變化較夏季緩慢，較秋季要快，秋冬兩種氣候條件下儲藏的膜的抗拉強度的增加值基本相同。總之，在儲藏後期蛋白膜的抗拉伸強度均會降低，但儲藏實驗結束時，膜的抗拉強度都高於新制備的膜。
由圖2可以看出，秋季儲藏的蛋白膜的斷裂延伸率的變化趨勢和其它三季有很大的差別，呈現出先增大、後降低的趨勢，而其它三季在儲藏過程中蛋白膜的斷裂延伸率則出現先降低、後增加的趨勢。【2】
總體來看，玉米醇溶蛋白膜的機械性能在不同季節條件下都會隨着儲藏時間的延長而發生變化，玉米醇溶蛋白膜所處的環境對其機械性能具有明顯的影響。
3、結論
春季儲藏的蛋白膜的抗拉強度的變化趨勢和其它三季有較大的區別，最大抗拉強度較低，出現的時間較早；秋季儲藏過程中蛋白膜的斷裂延伸率的變化趨勢和其它三季有很大的差別，呈現出先增大、後降低的趨勢，而其它三季在儲藏過程中蛋白膜的斷裂延伸率則出現先降低、後增加的趨勢。因此，蛋白膜所處的環境對其機械性能具有明顯的影響，特別是環境的温度和濕度。
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