杜娟，龔志強，黃曹興，梁辰，姚雙全，劉楊

（1 廣西大學輕工與食品工程學院，廣西南寧530004； 2 廣西清潔化制漿造紙與污染控制重點實驗室，廣西南寧530004；3南京林業(yè)大學林業(yè)資源高效加工利用協同創(chuàng)新中心，江蘇南京210037）

引 言

木質纖維原料，如木材、農業(yè)剩余物等[1]，具有可再生、可持續(xù)的“碳中性”資源[2]，通過“生物質精煉（biorefinery）”可生產生物質基材料、平臺化學品、生物燃料等[3-4]。木質纖維原料主要由纖維素、半纖維素、木質素等成分組成，目前主要用于制漿造紙、生物質鍋爐燃燒發(fā)電等，尤其是以甘蔗渣為代表的農業(yè)剩余物，其價值尚未得到充分利用[5]。國內外很多學者先后提出生物質精煉綜合工廠(IFBR)，在植物原料制漿前預先將半纖維素提取出來，再經轉化加工后生產平臺化學品、燃料乙醇、生物質柴油、新型材料等一系列高附加值產品[6-8]，預提取后的原料不影響后續(xù)制漿造紙[7,9]。這種增加企業(yè)經濟效益的模式，給我國制漿造紙工業(yè)帶來新的發(fā)展機遇，我國造紙原料以非木材為主，而非木材原料中半纖維素含量較高，將半纖維素預先從原料中提取分離出來，能帶來更大的增值效益[10-11]。

半纖維素是不同的糖單元組成的支鏈高聚物，在纖維細胞壁中的半纖維素與纖維素通過氫鍵和范德華力連接，而與木質素間則存在化學鍵連接[12]，形成木質素- 半纖維素復合體LCC（lignincarbohydrate complexes），限制了半纖維素的分離和提取[13]。半纖維素的提取方法主要有堿法提取、熱水預抽提以及有機溶劑提取法等[14]，其中堿法提取能夠破壞氫鍵、酯鍵等，用于木聚糖類半纖維素提取時的降解較少，可獲得高分子量的半纖維素，但該方法獲得的提取液中存在較多的木質素[15]。目前半纖維素的純化方法主要是乙醇沉淀[16-17]，利用半纖維素和木質素的溶解度不同達到分離的目的，但是由于LCC 結構的存在，使得到的半纖維素中仍含有較多的木質素結構[18]。因此改進半纖維素的分離純化方法顯得十分重要。

膜分離技術，包括超濾、微濾及納濾，近年來受到了廣泛的關注，已被應用于污水、化工、醫(yī)藥及食品等領域。Egüés 等[19]將陶瓷超濾膜逐級超濾技術用于玉米廢料的水解液，純化和分離半纖維素，具有半纖維素含量更高、分散度低以及雜質含量更低等特點。Oriez 等[20]探討了聚砜中空纖維超濾膜用于分離甘蔗渣堿提取物中的半纖維素、木質素、酚類單體及乙酸。Persson 等[21]研究了超濾法從制漿廢液中分離聚半乳糖甘露糖類半纖維素的主要影響因素。但是上述研究也發(fā)現，生物質提取液或制漿廢液中成分復雜，超濾膜容易受到木質素、多糖及其他雜質影響，引起膜通量下降。與其他類型的大孔樹脂相比，疏水吸附樹脂，如XAD 類，可以通過π-π 鍵和范德華力選擇性吸附木質素[22]，具有選擇性好、回收率高、效率高等優(yōu)點[23]。Koivula 等[24]研究了疏水樹脂從松樹/桉樹水解液吸附木質素的選擇性。Narron 等[25]利用XAD-16N 樹脂的選擇性吸附作用，從甘蔗渣水解液中回收溶解的木質素，研究結果表明蔗渣水解液中可溶性木質素的回收率達到了90%。

本論文采用樹脂吸附-超濾-乙醇沉淀以及超濾-乙醇沉淀協同分離純化甘蔗渣弱堿抽出物，利用離子色譜（IC）、紫外分光光度計（UV）、凝膠滲透色譜（GPC）和熱重量分析（TGA）對分離純化半纖維素的化學組分、分子量、熱穩(wěn)定性等特性進行了分析，并利用核磁共振波譜（NMR）對半纖維素的結構進行分析，探討不同半纖維素分離純化方法的純化效率。

1 實驗材料和方法

1.1 實驗材料

榨糖后的甘蔗渣取自廣西某糖廠；XAD-16N型疏水樹脂購買于Sigma 試劑公司；VF05P1 5×103超濾膜包購自賽多利斯公司；甘露糖（mannose）、葡萄糖（glucose）、半乳糖（galactose）、木糖（xylose）、阿拉伯糖（arabinose）標準品，色譜純，購于Sigma 及Aladdin-阿拉丁試劑公司；NaOH、HCl、無水乙醇等均為市購分析純。

1.2 甘蔗渣半纖維素的提取

蔗渣原料進行堿抽提（液比1∶8；絕干蔗渣：1 kg；NaOH: 8%；溫度90℃；保溫2 h），收集堿提取液，用6 mol/L 的鹽酸調節(jié)提取液pH 為2、3、4、5、6，經離心機離心后收集上清液，即可得到半纖維素粗提取液。采用XAD-16N 型疏水樹脂吸附半纖維素粗提取液，抽濾后得到半纖維素溶液。取XAD-16N樹脂處理及未處理的提取液，用于后續(xù)的超濾分離純化實驗。

1.3 提取液的超濾分離純化

將半纖維素粗提取液以及經過樹脂吸附的半纖維素提取液進行超濾濃縮，在超濾濃縮液中加入無水乙醇（無水乙醇∶提取液=3∶1），攪拌混合均勻，靜置12 h，取下層沉淀離心，然后采用75%的無水乙醇洗滌兩次，得到半纖維素固體，冷凍干燥。將pH 為2、3、4、5、6 的提取液經膜超濾-乙醇沉淀得到的半纖維素固體命名為Hu2、Hu3、Hu4、Hu5、Hu6，將pH 為2、3、4、5、6 的提取液經樹脂吸附-超濾-乙醇沉淀得到的半纖維素固體命名為Hau2、Hau3、Hau4、Hau5、Hau6。

1.4 木質素含量分析

采用紫外分光光度法檢測殘余木質素的含量[18]，使用紫外分光光度計（SPECORD 50，德國耶拿公司）于205 nm 檢測樣品的吸光度，計算木質素濃度，具體方法依據美國國家可再生能源實驗室TP-510-42618。

1.5 組成分析

離 子 色 譜 儀（ICS-5000+SP，美 國 Thermo scientific）進樣量為25 μl，流動相為82%超純水及18% 200 mmol/L NaOH 溶液，流動相流速為0.3 ml/min，采用梯度淋洗方式。不同條件的半纖維素樣品按照NREL TP-510-42618 標準進行兩步酸水解處理，經0.45 μm 水系濾膜過濾，然后放入進樣瓶中待分析。

1.6 分子量分析

分子量測定方法根據文獻[26]，使用凝膠滲透色譜儀（GPC）測定了各半纖維素組分的重均分子量（Mw）和數均分子量（Mn）分布。

1.7 熱分析

熱重量分析（TGA）用來分析半纖維素樣品的熱分解性。TGA 使用的儀器為熱重分析儀（TGA STA 449F5儀器，德國）。稱取約8 mg半纖維素樣品進行熱重實驗，采用10℃/min 升溫速率，溫度范圍在30～600℃之間，載氣為氮氣。

1.8 NMR

核磁測定方法參考文獻[27]，精確稱取固體半纖維素40 mg，溶解于0.7 ml DMSO-d 中，在核磁共振光譜儀（500 MHz，德國布魯克）中測定樣品的2D HSQC NMR譜圖，NS=40。

2 實驗結果與討論

2.1 半纖維素中殘余木質素含量

堿法提取半纖維素的過程，會伴隨較多的木質素的溶出，這些木質素可以利用酸沉淀的方式去除大部分。圖1 是將甘蔗渣堿提取液調節(jié)至不同pH沉淀出木質素，分離得到的半纖維素提取液，pH 越低提取液顏色越淺，然而由于木質素與半纖維素之間的連接LCC 結構的存在，木質素沉淀的同時也會造成部分的半纖維素損失。較高的pH 條件下，溶液中的木質素相對穩(wěn)定[28]，不易產生沉淀。

圖1 不同pH酸沉淀后的甘蔗渣提取液Fig.1 Bagasse extracts after acid precipitation with different pH

利用膜超濾對半纖維素提取液進行過濾，除去提取液中小分子物質，如部分的木質素、無機鹽（NaCl等），可以獲得純度較高、分子量較大的半纖維素[29]。圖2可以看出，經膜超濾后的半纖維素提取液顏色略微變淺但不明顯，經過酸沉淀后，溶液中小分子的木質素已經很少，提取液的顏色主要來源于以LCC結構與半纖維素連接的木質素結構單元。

圖2 超濾后甘蔗渣提取液Fig.2 Bagasse extracts after ultrafiltration

利用XAD-16N 樹脂對木質素的選擇性吸附作用，對提取液進行處理，然后再經過膜超濾，得到堿提取液的顏色更淺（圖3），可以看出疏水樹脂可有效分離出大部分的木質素，因此疏水樹脂吸附協同超濾，可以實現不同結構的半纖維素的分離與純化，具有更高的效率和選擇性。

圖3 吸附-超濾后提取液Fig.3 Extracts after adsorption-ultrafiltration

圖4 不同提取液中殘余木質素含量Fig.4 Residual lignin content in different extracts

經過吸附預處理和僅超濾處理的半纖維素中殘余木質素如圖4 所示，在Hu6和Hau6中的殘余木質素含量最高，隨著酸沉淀過程中pH 的降低，半纖維素中的殘余木質素減少趨勢在逐漸變得平緩，說明半纖維素在pH 較低時木質素殘余較少，可能的原因是pH 對木質素的穩(wěn)定性產生影響[28]，pH 較低的提取液經高速離心后，由于木質素的不穩(wěn)定性導致其被更多地沉淀分離。經XAD-16N 樹脂吸附后，半纖維素中殘余木質素較未經樹脂吸附預處理少，表明XAD-16N 樹脂能夠選擇性吸附芳香族化合物，高效純化半纖維素。木質素含量更高，疏水樹脂去除木質素的效果更好，可能是因為少量未吸附的木質素與疏水樹脂相互作用低，使得半纖維素中含較多殘余木素時吸附效果更好[25]。同時，殘余木質素的定量測定結果與上述提取液顏色變化相同，表明堿提取液中木質質素含量變化趨勢可以大致根據其顏色推斷，顏色越淺，木質素含量越低。

2.2 半纖維素中糖組分分析

處理后的甘蔗渣半纖維素的組分如表1 所示，主要由木糖、阿拉伯糖、半乳糖、葡萄糖和甘露糖五種糖組成，其中木糖為蔗渣半纖維素的主鏈，其次是阿拉伯糖，表明阿拉伯糖是甘蔗渣半纖維素樣品的主要支鏈，甘蔗渣半纖維素主要是阿拉伯木聚糖。半纖維素組分中存在乙酸，可能的原因是半纖維素固體在兩步酸水解的過程中，半纖維素的乙?；鶖嗔?。同時酸解過程中，半纖維素經水解反應和脫水反應成為糠醛，糠醛進一步成為甲酸。經疏水樹脂預處理后，半纖維素的各單糖含量均略有減少，其原因是XAD-16N 樹脂在吸附去除提取液中殘余木質素的同時也會有一定量的半纖維素損失。其中，木糖和阿拉伯糖的變化最為明顯，可能的原因是木質素與木聚糖側鏈上阿拉伯糖通過醚鍵直接連接，形成木質素-半纖維素復合體（LCC），難以分離。由于XAD-16N 樹脂能夠選擇性吸附木質素和LCC 結構，但對半纖維素沒有吸附性，所以被吸附的半纖維素應為LCC 結構中的半纖維素[25]。但是整體而言，樹脂吸附和超濾技術結合處理得到半纖維素樣品的木質素較低，表明結合多種方式能夠有效純化半纖維素。

表1 超濾后半纖維素組分Table 1 Hemicellulose components after ultrafiltration

表2 吸附-超濾的半纖維素組分Table 2 Hemicellulose components after adsorptionultrafiltration

圖5 半纖維素總糖含量Fig.5 Total sugar content of hemicellulose

圖5 可以看出，pH 越低的半纖維素含有的糖組分越多，木質素等雜質越少，半纖維素相對純度越高。經樹脂吸附-超濾后半纖維素中的總糖含量出現了下降，pH 越低（pH=2），吸附前后半纖維素總糖含量變化越明顯，隨著pH 升高，總糖含量下降的趨勢減緩。根據表1 和表2 中數據可以看出，pH 為2時變化最為明顯的是木糖，而pH 升高后變化較為明顯的是阿拉伯糖。在酸沉淀木質素過程中，碳水化合物容易與木質素共沉淀[28]，將提取液的pH 調至2 時，已有較多的糖單元隨著木質素流失，隨后的疏水樹脂吸附過程中帶有少量木質素結構的半纖維素大分子被吸附，導致木糖單元出現明顯的下降；而pH 較高時，各個糖組分保留較多，尤其是側鏈較多的組分，在隨后吸附過程中，更多帶有側鏈的半纖維素被吸附，尤其是阿拉伯糖單元較多的組分。

根據前人的研究，甘蔗渣中的半纖維素分子主鏈是由木聚糖組成，阿拉伯糖與木糖的比值（Ara/Xyl）反映了半纖維素分子鏈的分支化程度[30]。Ara/Xyl 比值如圖6 所示，未經吸附預處理的Ara/Xyl 比值在0.27～0.34 之間，酸沉淀過程中pH 的變化對半纖維素分支度的影響不大，與10%的KOH溶液提取的半纖維素相比[31]，本研究采用稀NaOH 溶液提取的半纖維素Ara/Xyl比值高出兩倍左右，這也表明提取過程堿用量對分支化程度影響更大。

經XAD-16N 樹脂吸附處理后半纖維素Ara/Xyl比值為0.2～0.34，與處理前相比出現了下降（圖6）。表明樹脂吸附木質素結構時，更多的帶有支鏈結構的半纖維素分子被吸附，使得處理后的半纖維素分子的分支度出現下降。同時根據木質素含量的分析結果（圖4），隨著酸沉淀pH 變化，Ara/Xyl 比值的變化較為明顯，表明提取的半纖維素分子中木質素結構單元越多，越容易在XAD-16N 樹脂處理過程中被吸附，而且其分支化程度出現了較為明顯變化。Hu6中殘留的木質素結構單元較多，導致樹脂出現了吸附飽和，使得處理后半纖維素（Hau6）中含有較多的木質素，樹脂吸附處理前后Ara/Xyl比值差別不大。

圖6 半纖維素分支化程度Fig.6 Degree of branching of hemicellulose

2.3 半纖維素分子量分析

通過凝膠滲透色譜（GPC）檢測超濾以及經樹脂吸附預處理后超濾的半纖維素分子量如表3 所示，四種不同處理方式的半纖維素均具有較高的分子量。表3 可以看出經過較強的酸沉淀（pH=2）過程，有部分大分子量的半纖維素會隨著木質素沉淀，使得Hu2中木質素含量較少但分子量偏?。∕w=4.57×104），而Hu6的 分 子 量（6.78×104）則 略 大。經 過XAD-16N樹脂處理，帶有支鏈木質素結構單元的半纖維素被吸附，使得后續(xù)超濾得到的半纖維素Hau2重均分子量（Mw）略有提高，達到8.54×104。由于Hu6中木質素含量較高，樹脂吸附處理對半纖維素分子量的影響并不明顯。

表3 半纖維素分子量Table 3 Molecular weight of hemicellulose

結合半纖維素的組分和分子量分析可以看出，首先對甘蔗渣堿提取液進行弱酸處理沉淀出大部分的木質素，有利于后續(xù)樹脂吸附-膜超濾處理時對不同結構的半纖維素進行分級純化。但是酸化程度過高（pH=2）會使得較多的半纖維素大分子隨木質素沉淀，造成損失。

2.4 半纖維素熱穩(wěn)定性分析

圖7 半纖維素的熱重分析Fig.7 Thermogravimetric analysis of hemicellulose

吸附前后半纖維素的熱重曲線如圖7 所示，共分為三個階段。第一階段為0～150℃，該階段的重量損失較為平緩，主要是水分蒸發(fā)階段。第二階段為200～300℃，該階段主要是半纖維素的快速降解階段，在這個階段的半纖維素重量快速下降，甘蔗渣半纖維素主要是木糖、阿拉伯糖、葡萄糖、半乳糖和甘露糖，呈無定形結構以及含有較多側鏈，側鏈的C—C 鍵和C—O 鍵發(fā)生斷裂，并降解為揮發(fā)物(CO、CO2和一些碳氫化合物)[32]，該階段的失重率可達50%～60%。第三階段為300～600℃，半纖維素的重量緩慢下降，600℃時存在殘留物，這些殘留物是部分半纖維素組分被氣化為灰分以及半纖維素結構在惰性氣體中形成的碳質殘留物。

半纖維素的熱穩(wěn)定性和其分子量相關，半纖維素分子量越高，半纖維素熱穩(wěn)定性越好[1]，然而不同pH 半纖維素的最大失重溫度變化較大，Hu2的熱穩(wěn)定性遠低于Hu6。結合半纖維素的分子量（表3），不同pH 的半纖維素分子量差距不大，根據圖4 和圖5可知半纖維素樣品中殘余木質素的含量差別較大。與聚糖結構相比，木質素結構的熱穩(wěn)定性較好[32]，因此半纖維素結構中糖單元和木質素結構單元的含量影響到半纖維素的熱穩(wěn)定性。

吸附預處理前后半纖維素的熱穩(wěn)定性相差不大，最大失重溫度的變化規(guī)律略微不同。除Hau6含有較多木質素結構外，經樹脂吸附-超濾處理后的半纖維素中木質素含量已較少，Hau2、Hau3、Hau4、Hau5的木質素含量差別不大（圖4），而分支度有明顯差別（見圖6），表明除了殘余木質素含量的影響外，半纖維素的支鏈化程度對熱穩(wěn)定性也有影響，隨分支度降低最大失重溫度略微升高。但分支度影響要比木質素含量引起的變化要弱，Hau6的支鏈化程度最高，但含有較多木質素，最大失重溫度比Hau2要高。

2.5 半纖維素核磁分析

圖8 半纖維素的二維核磁譜圖Fig.8 2D NMR spectrum of hemicellulose

在HSQC NMR 譜圖中[33-35]，膜超濾以及樹脂吸附-膜超濾得到的半纖維素樣品(Hu2、Hau2、Hu6、Hau6)二維核磁譜圖如圖8 所示，蔗渣半纖維素的主要結構單元為D-木聚糖單元（X）、L-阿拉伯糖單元（Ara）以及與D-木聚糖單元相連的4-O-甲基-D-葡萄糖醛酸單元（U）。其中，木糖結構單元的化學位移 分 別 為101.9/4.34(C1-H1)、73.1/3.03(C2-H2)、74.4/3.25(C3-H3)、75.9/3.50(C4-H4)、63.6/3.17 和3.87(C5-H5)；L-阿拉伯糖的化學位移分別為107.5/5.35(C1-H1)、80.7/3.81(C2-H2)、78.4/3.63(C3-H3)、86.6/4.01(C4-H4)、62.2/3.46(C5-H5)；4-O-甲基-D-葡萄糖醛酸的化學位移為97.9/5.08(C1-H1)、72.2/3.21(C2-H2)、72.9/3.49(C3-H3)、82.1/3.0(C4-H4)、70.3/4.48(C5-H5)。不同pH條件的半纖維素結構的單糖結構基本沒有差異，說明pH 不會對半纖維素的結構造成影響。HSQC譜圖表明半纖維素糖組分主要是木糖，其次是阿拉伯糖以及少量的葡萄糖，甘蔗渣半纖維素結構為L-阿拉伯糖-4-O-甲基-D-葡萄糖醛酸木聚糖。

木質素-半纖維素復合體(LCC 結構)的連接鍵主要是芐基醚鍵（BE）、苯基糖苷鍵（PhGlc）以及苯基酯鍵（Est）。在堿液條件下，苯基酯鍵（Est）容易斷裂，因此二維譜圖中未檢測到苯基酯鍵。圖8 可以看出，不同半纖維素樣品均不含芐基醚鍵（BE），其原因可能是超濾對芐基醚鍵的分離純化，導致其含量極少，較強的糖信號也影響了芐基醚鍵的信號，因此二維譜圖沒有芐基醚鍵的信號峰。吸附預處理的半纖維素樣品沒有檢測到苯基糖苷鍵（PhGlc），說明疏水樹脂對苯基糖苷鍵較為敏感，有效吸附以苯基糖苷鍵連接的LCC 結構，也表明了樹脂的選擇性吸附。

3 結 論

酸沉淀處理可以去除半纖維素弱堿抽提液中大部分木質素，pH 越低，半纖維素中木質素含量越低，總糖含量可以提高到86.7%，但有較多的糖單元隨著木質素沉淀，半纖維素的分子量略有下降。樹脂吸附-膜超濾處理能夠進一步脫除木質素，同時半纖維素的分子量略有提高。

對各個糖單元及其連接結構分析表明，樹脂吸附-超濾協同處理與單獨超濾處理相比，半纖維素的分子主鏈結構沒有發(fā)現明顯的變化，經樹脂吸附處理后的半纖維素熱穩(wěn)定性略有提高，這與半纖維素的平均分子量提高有關。

經樹脂吸附后的半纖維素側鏈單元有較為明顯的變化，尤其是阿拉伯糖單元，進一步證明側鏈上的木質素單元對樹脂吸附影響較大。分子量較小的半纖維素更容易被疏水樹脂吸附，這部分半纖維素帶有更多的側鏈木質素單元結構，多以苯基糖苷鍵（PhGlc）與碳水化合物相連。

通過樹脂吸附-超濾協同處理的方式，可以對結構復雜的堿法提取半纖維素有較好的分離效果，獲得側鏈單元及木質素含量不同的半纖維素，其機理與關鍵控制因素仍需進一步明確，為拓展半纖維素的利用價值，尤其是利用木質素單元的抗氧化性研究提供基礎。