专利名称：梯度乙醇沉淀从农林生物质中分离纯化半纤维素的方法
技术领域：
本发明属于天然产物分离技术领域，涉及半纤维素的分离纯化方法，具体涉及一种梯度乙醇沉淀从农林生物质中分离纯化半纤维素的方法。
背景技术：
农林生物质主要包括农业秸秆和林木生物质两大类。目前，我国林木生物质资源总量在180亿吨以上，乔灌木是我国主要的林木生物质资源，每年因平茬、森林抚育间伐、 果树修剪以及木材加工剩余物等，可获得8 10亿吨。这些农林生物质主要用于直接燃烧产热，还有一部分用作饲料、肥料和制浆造纸工业的原料，但是农林生物质领域的利用量不足农业废弃物总量的50%。如何合理利用这些重要的绿色资源具有非常重要的现实意义。农林生物质主要组分是纤维素、半纤维素和木质素，三者的含量占生物质总量的 90%以上。农林生物质等可再生天然资源转化为化学原料或可降解材料一般有两种方式 一种是采用直接转化的方式，将农林生物质全组分直接转化为工业产品，由于这种转化不需要对组分进行分离，工艺简单，可显著降低成本，但是由于各组分混杂在一起，因此转化效率低；另一种是采用间接转化的方式，将农林生物质各组分进行先分离后转化，这种转化方式效率高，可获得最大程度高值化的利用，其中组分分离和组分转化是两个关键过程。组分分离是将生物质三种组分纤维素、半纤维素和木质素分离，而组分转化是根椐生物质组分结构特点，通过物理、化学和生物方法转化为具有重要意义的燃料和材料。然而，传统的分离方法与技术不能把生物质组分清洁解离，组分转化过程效率低、产物类型少、污染严重 (如纤维素工业)。因此，探讨农林生物质组分分离及纯化，将为农林生物质可再生资源的高效转化利用提供理论基础。半纤维素为可被水或碱溶液从植物细胞壁中提取的多糖类物质，半纤维素与细胞壁其他成分如纤维素、木质素、蛋白质等通过氢键、共价键以及离子键等连接。半纤维素广泛应用于食品以及非食品行业，可被转化为化学品，如糠醛、赤藓糖醇、木糖醇、乙醇和乳酸等；还可作为粘度调节剂、胶凝剂、片剂粘合剂以及湿强度添加剂等；此外，半纤维素有很重要的医药价值，可用于生产保护溃疡、止咳、抗刺激、抗癌等药物。半纤维素的分离很早就被研究，且已提出许多分离方法，包括K0H、Na0H、碱性过氧化氢、Ba (OH)2和Ca (OH)2等分离方法。碱法提取半纤维素的优点是简单、成本较低且分离效果好，但是，分离出来的半纤维素一般由几类半纤维素大分子组成，其化学结构也不同。为获得性质和结构相同的半纤维素组分以及研究其结构与性质的关系，还需要对分离半纤维素进一步纯化，得到不同取代度的半纤维素。
发明内容
本发明的目的在于针对半纤维素分离和纯化中存在的问题，提供一种梯度乙醇沉淀从农林生物质中分离纯化半纤维素的方法。本发明与现有技术的区别在于，不采用柱层析的方法对半纤维素进行分级纯化，而是先采用碱溶液提取，然后利用连续不同浓度的乙醇溶液对提取液进行分级纯化，能有效的得到不同分枝度的半纤维素。为了达到上述目的，本发明采用了如下技术方案。梯度乙醇沉淀从农林生物质中分离纯化半纤维素的方法，包括以下步骤
(1)将农林生物质去皮后晾干并切成1 3cm的片状，磨碎，过1.0 3. 0 mm孔径筛得到生物质粉末，将生物质粉末用甲苯和乙醇的混合溶剂提取6 10h，40 60°C干燥 l(Tl8h，得到脱脂生物质；
(2)将步骤(1)所得的脱脂生物质用蒸馏水在50 90°C提取2 3h，冷却后过滤，得到滤液和水不溶性残渣；
(3)将步骤(2)得到的水不溶性残渣加入亚氯酸钠中，加入pH值调节剂调节pH值为 3. 0 4. 0，在5(Γ100 提取广4h，残渣用蒸馏水洗涤至中性，在4(T60°C下干燥16 20h，得到综纤维素；
(4)将步骤(3)得到的综纤维素用6 10%(wt. )Κ0Η溶液在4(T60°C提取8 16h，过滤， 收集滤液，用蒸馏水洗涤残渣后得到的洗涤液也合并入滤液，得到半纤维素提取液；
(5)将步骤(4)得到的半纤维素提取液加入pH值调节剂调节pH值为5.5^7. 0，减压浓缩，得到浓缩液，向浓缩液中加入无水乙醇至乙醇的质量浓度达到1(Γ15%，搅拌3 lOmin， 静置纩10h，离心，得到上层清液和下层沉淀，取下层沉淀用酸化的70% (体积分数)乙醇洗涤，冷冻干燥，得到半纤维素；将上层清液再次减压浓缩，向浓缩液中加入无水乙醇至乙醇质量浓度达到20 30%，搅拌3 lOmin，静置8 10h，离心，得到上层清液和下层沉淀，取下层沉淀用酸化的70%(体积分数)乙醇洗涤，冷冻干燥，得到半纤维素；将上层清液减压浓缩，向浓缩液中加入无水乙醇至乙醇质量浓度达到35 45%，搅拌3 lOmin，静置8 10h，离心，得到上层清液和下层沉淀，取下层沉淀用酸化的70% (体积分数)乙醇洗涤，冷冻干燥，得到半纤维素；将上层清液减压浓缩，向浓缩液中加入无水乙醇至乙醇质量浓度达到50飞0%，搅拌3 lOmin，静置8 10h，离心，得到上层清液和下层沉淀，取下层沉淀用酸化的70%(体积分数)乙醇洗涤，冷冻干燥，得到半纤维素；将上层清液减压浓缩，向浓缩液中加入无水乙醇至乙醇质量浓度达到65 75%，搅拌3 lOmin，静置8 10h，离心，得到上层清液和下层沉淀， 取下层沉淀用酸化的70% (体积分数)乙醇洗涤，冷冻干燥，得到半纤维素；将上层清液减压浓缩，向浓缩液中加入无水乙醇至乙醇质量浓度达到80、0%，搅拌3 lOmin，静置8 10h， 离心，得到上层清液和下层沉淀，取下层沉淀用酸化的70%(体积分数)乙醇洗涤，冷冻干燥， 得到半纤维素。本发明步骤(1)中，所述混合溶剂中甲苯和乙醇的体积比为(2、)1，所述生物质粉末和混合溶剂的质量体积比为1: (15 25)g/mL。本发明步骤(2)中，所述脱脂生物质和蒸馏水的质量体积比为1: (15 25) g/mL。本发明步骤(3)中，所述水不溶性残渣和亚氯酸钠的质量比为1: (1.2 2)。本发明步骤(3)中，所述pH值调节剂为乙酸或盐酸。本发明步骤(4)中，所述综纤维素和6 10% (wt. ) KOH溶液的质量体积比为1 (15 25) g/mL。本发明步骤(5)中，所述pH值调节剂为乙酸或盐酸。本发明步骤(5)中，所述减压浓缩的压力为-0. 095 0. 075mbar ；所述离心的转速为300(T5000r/min ；所述冷冻干燥的温度为-5(T-40°C，时间为32、0h。。
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本发明步骤(5)中，所述酸化的70% (体积分数)乙醇为用乙酸或盐酸调节的乙醇， 所述酸化的70% (体积分数)乙醇的pH值为2 4。本发明与现有分离纯化技术相比，具有如下优点和有益效果
(1)本发明的方法工艺简单，操作方便，易于工业化；
(2)与一般的柱层析方法相比较，本发明的方法耗时短，分离效果好；
(3)本发明采用不同浓度的乙醇作为纯化试剂，试剂价格便宜，易获得，且可回收利用， 利用率高；
(4)通过本发明的方法，可得到不同支链度的半纤维素，可为进一步生产低聚木糖和木糖醇提供高质量的原料。
图1为本发明实施例1采用沙柳分离纯化半纤维素的方法流程图。图2为本发明实施例2采用柠条锦鸡儿分离纯化半纤维素的方法流程图。图3为本发明实施例3所得的半纤维素组分F10、F20和F30的红外光谱分析(简称FT-IR)谱图。图4为本发明实施例3采用寿竹分离纯化半纤维素的方法流程图。
具体实施例方式下面结合通过实施例对本发明作进一步地说明，但是本发明要求保护的范围并不仅限于此。实施例1
采用沙柳，从中分离纯化半纤维素，步骤如图1所示。(1)将沙柳去皮后晾干并切成Icm的片状，磨碎，过1. 0 mm孔径筛，取50g干燥后的粉末用750mL体积比为2 1的甲苯和乙醇在索氏抽提器里抽提6h，60°C干燥16h，得到脱脂生物质；
(2)将40g步骤(1)所得的脱蜡生物质用600mL蒸馏水在70°C提取2.5h，冷却后过滤， 得到滤液和水不溶性残渣；
(3)将30g步骤(2)得到的水不溶性残渣加入36g亚氯酸钠中，加入乙酸调节pH值为 3. 6 3. 8，在75°C提取2h，残渣用蒸馏水洗涤3次至洗涤液为中性，在60°C下干燥16h，得到综纤维素；
(4)将20g步骤(3)得到的综纤维素用300mL质量浓度6%的KOH溶液在50°C提取12 h，过滤，合并滤液，用蒸馏水洗涤残渣至洗涤液呈中性，得到的洗涤液也合并入滤液，得到半纤维素提取液；
(5)将步骤(4)得到的半纤维素提取液用乙酸调节pH值为5.5，减压浓缩到125mL，得到浓缩液，向浓缩液中加入无水乙醇至乙醇质量浓度达到15%，搅拌3min，静置8h，3000r/min 离心，得到上层清液和下层沉淀，取下层沉淀用酸化的70%(体积分数)乙醇洗涤，-40°C冷冻干燥40h，得到半纤维素组分H1 ；将上层清液再次减压浓缩到IOOmL,向浓缩液中加入无水乙醇至乙醇质量浓度达到30%，搅拌3min，静置8h，3000r/min离心，得到上层清液和下层沉淀，取下层沉淀用酸化的70% (体积分数)乙醇洗涤，-40°C冷冻干燥40h，得到半纤维素H2 ；
6将上层清液减压浓缩到80mL，向浓缩液中加入无水乙醇至乙醇质量浓度达到45%，搅拌3 lOmin，静置8h，3000r/min离心，得到上层清液和下层沉淀，取下层沉淀用酸化的70%(体积分数)乙醇洗涤，-40°C冷冻干燥40h，得到半纤维素H3 ；将上层清液减压浓缩到70 mL,向浓缩液中加入无水乙醇至乙醇质量浓度达到60%，搅拌3min，静置8h，3000r/min离心，得到上层清液和下层沉淀，取下层沉淀用酸化的70% (体积分数)乙醇洗涤，-40°C冷冻干燥40h， 得到半纤维素H4 ；将上层清液减压浓缩到60 mL,向浓缩液中加入无水乙醇至乙醇质量浓度达到75%，搅拌3min，静置8h，3000r/min离心，得到上层清液和下层沉淀，取下层沉淀用酸化的70% (体积分数)乙醇洗涤，-40°C冷冻干燥40h，得到半纤维素H5;将上层清液减压浓缩到50 mL,向浓缩液中加入无水乙醇至乙醇质量浓度达到90%，搅拌3min，静置8h，3000r/ min离心，得到上层清液和下层沉淀，取下层沉淀用酸化的70% (体积分数)乙醇洗涤，-40°C 冷冻干燥40h，得到半纤维素H6。经过离子色谱(简称HPAEC)、红外光谱分析(简称FT_IR)、凝胶渗透色谱(简称 GPC)和1H核磁共振、13C核磁共振和二维核磁共振的测定，结果显示，随着醇沉浓度从15%增至90%时，半纤维素组分的分枝度增加，直链半纤维素优先被低浓度的乙醇沉淀。半纤维素是一群复合聚糖的总称，分离方法不同，糖组成不同。实施例1分离得到的半纤维素组分的糖分析结果如表1所示
表1实施例1得到的半纤维素组分中单糖及糖醛酸的种类及含量
权利要求
1.梯度乙醇沉淀从农林生物质中分离纯化半纤维素的方法，其特征在于，包括以下步骤(1)将农林生物质去皮后晾干并切成1 3cm的片状，磨碎，过1.0 3. 0 mm孔径筛得到生物质粉末，将生物质粉末用甲苯和乙醇的混合溶剂提取6 10h，40 60°C干燥 l(Tl8h，得到脱脂生物质；(2)将步骤(1)所得的脱脂生物质用蒸馏水在50 90°C提取2 3h，冷却后过滤，得到滤液和水不溶性残渣；(3)将步骤(2)得到的水不溶性残渣加入亚氯酸钠中，加入pH值调节剂调节pH值为 3. 0 4. 0，在5(Γ100 提取广4h，残渣用蒸馏水洗涤至中性，在4(T60°C下干燥16 20h，得到综纤维素；(4)将步骤(3)得到的综纤维素用6 10%(wt. )Κ0Η溶液在4(T60°C提取8 16h，过滤， 收集滤液，用蒸馏水洗涤残渣后得到的洗涤液也合并入滤液，得到半纤维素提取液；(5)将步骤(4)得到的半纤维素提取液加入pH值调节剂调节pH值为5.5^7. 0，减压浓缩，得到浓缩液，向浓缩液中加入无水乙醇至乙醇的质量浓度达到1(Γ15%，搅拌3 lOmin， 静置纩10h，离心，得到上层清液和下层沉淀，取下层沉淀用酸化的70% (体积分数)乙醇洗涤，冷冻干燥，得到半纤维素；将上层清液再次减压浓缩，向浓缩液中加入无水乙醇至乙醇质量浓度达到20 30%，搅拌3 lOmin，静置8 10h，离心，得到上层清液和下层沉淀，取下层沉淀用酸化的70%(体积分数)乙醇洗涤，冷冻干燥，得到半纤维素；将上层清液减压浓缩，向浓缩液中加入无水乙醇至乙醇质量浓度达到35 45%，搅拌3 lOmin，静置8 10h，离心，得到上层清液和下层沉淀，取下层沉淀用酸化的70% (体积分数)乙醇洗涤，冷冻干燥，得到半纤维素；将上层清液减压浓缩，向浓缩液中加入无水乙醇至乙醇质量浓度达到50飞0%，搅拌3 lOmin，静置纩10h，离心，得到上层清液和下层沉淀，取下层沉淀用酸化的70%(体积分数)乙醇洗涤，冷冻干燥，得到半纤维素；将上层清液减压浓缩，向浓缩液中加入无水乙醇至乙醇质量浓度达到65 75%，搅拌3 lOmin，静置8 10h，离心，得到上层清液和下层沉淀， 取下层沉淀用酸化的70% (体积分数)乙醇洗涤，冷冻干燥，得到半纤维素；将上层清液减压浓缩，向浓缩液中加入无水乙醇至乙醇质量浓度达到80、0%，搅拌3 lOmin，静置8 10h， 离心，得到上层清液和下层沉淀，取下层沉淀用酸化的70%(体积分数)乙醇洗涤，冷冻干燥， 得到半纤维素。
2.根据权利要求1所述的分离纯化半纤维素的方法，其特征在于，步骤(1)中，所述混合溶剂中甲苯和乙醇的体积比为(2、)1，所述生物质粉末和混合溶剂的质量体积比为1: (15 25) g/mL。
3.根据权利要求2所述的分离纯化半纤维素的方法，其特征在于，步骤(2)中，所述脱脂生物质和蒸馏水的质量体积比为1: (15 25)g/mL。
4.根据权利要求3所述的分离纯化半纤维素的方法，其特征在于，步骤(3)中，所述水不溶性残渣和亚氯酸钠的质量比为1: (1.2 2)。
5.根据权利要求3所述的分离纯化半纤维素的方法，其特征在于，步骤(3)中，所述pH 值调节剂为乙酸或盐酸。
6.根据权利要求广5之一所述的分离纯化半纤维素的方法，其特征在于，步骤(4)中， 所述综纤维素和6 10% (wt. ) KOH溶液的质量体积比为1 (15 25) g/mL。
7.根据权利要求6所述的分离纯化半纤维素的方法，其特征在于，步骤(5)中，所述pH 值调节剂为乙酸或盐酸。
8.根据权利要求7所述的分离纯化半纤维素的方法，其特征在于，步骤(5)中，所述减压浓缩的压力为-0. 095 0. 075mbar ；所述离心的转速为300(T5000r/min ；所述冷冻干燥的温度为-5(T-40°C，时间为32 40h。
9.根据权利要求8所述的分离纯化半纤维素的方法，其特征在于，步骤(5)中，所述酸化的70% (体积分数)乙醇为用乙酸或盐酸调节的乙醇，所述酸化的70% (体积分数)乙醇的 pH值为2 4。
全文摘要
本发明公开了一种梯度乙醇沉淀从农林生物质中分离纯化半纤维素的方法。本发明以农林生物质为原料，先用去离子水抽提和亚氯酸钠脱除木质素，用6~10%KOH(wt.)提取综纤维素，然后采用10~90%(wt.)的乙醇溶液对滤液进行梯度沉淀，得到具有不同支链程度的半纤维素。本发明通过分级纯化方法制备了不同分子量、不同支链度的半纤维素，工艺简单，易于工业化，分级纯化的半纤维素均一化程度高、有直链型的，还有支链型的，且分子量大。分离纯化后的不同半纤维素可根据不同需求应用于不同工业领域。
文档编号C08B37/14GK102276760SQ20111022847
公开日2011年12月14日 申请日期2011年8月10日 优先权日2011年8月10日
发明者任俊莉, 孙润仓, 彭湃, 彭锋, 边静 申请人:华南理工大学