一种从巨菌草中提取纤维素、半纤维素和木质素的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种从巨菌草中提取纤维素、半纤维素和木质素的方法，属于生物质转化与利用领域。
【背景技术】
[0002]巨菌草又名王草、皇竹草、巨象草，也被称为发电草、能源草，具有适应性强、生长快、产量高的特点。经检测，生长期在半年以上的巨菌草纤维素含量可达到25-43%，半纤维素含量可达20-32%，木质素含量10-13%，是一种优良的纤维类生物质。
[0003]目前，巨菌草主要被用做菌类培养料、牛羊饲料、生物质燃料发电或用于纤维板制造等，其丰富的木质纤维并未得到高值化利用。因此，有必要开发一种能够将巨菌草中纤维素、半纤维素和木质素三大组分有效分离的提取方法，实现对巨菌草这种生物质资源的高值化、绿色利用。
【发明内容】
[0004]针对上述现有技术，本发明的目的是提供一种从巨菌草中提取纤维素、半纤维素和木质素的方法。利用微波-碱-醇法将巨菌草中的纤维素、半纤维素和木质素在同一过程中依次有效提取出来，提取率高，提高了对巨菌草中木质纤维的高值化利用。
[0005]为实现上述目的，本发明采用下述技术方案:
[0006]—种从巨菌草中提取纤维素、半纤维素和木质素的方法，步骤如下:
[0007](I)原料预处理:向巨菌草中加入苯-醇混合液抽提5_7h进行脱蜡，向脱蜡后的巨菌草中按质量比为1:(20-30)加入水，80-90°C提取2-4h，进一步除去巨菌草中蛋白质和果胶等物质，滤过，干燥，即得预处理后的巨菌草。巨菌草原料经过预处理后，大部分蜡质、蛋白质和果胶等被除去，所剩物质主要为纤维素、半纤维素和木质素；
[0008](2)纤维素提取:向预处理后的巨菌草中依次加入NaOH-H2O2混合溶液和四乙酰乙二胺，微波加热至55-95°C，保温处理l_4h，过滤，滤渣干燥，即为纤维素。微波加热过程中，反应器所产生的微波辐射导致植物细胞内的极性物质吸收微波能，产生大量热量，使细胞内温度迅速上升，液态水汽化产生的压力将细胞膜和细胞壁冲破，形成微小的空洞;进一步加热，导致细胞内部和细胞壁水分减少，细胞收缩，表面出现裂纹。孔洞和裂纹的存在使胞外试剂容易进人细胞内加速反应，同时，通过微波处理减少了有机溶剂的实际用量；
[0009](3)半纤维素提取:调节提取纤维素后滤液的pH至5.0-5.5，加入乙醇，沉淀出半纤维素，离心分离，即得到半纤维素；
[0010](4)木质素提取:回收步骤(3)离心后的上清液中的乙醇，调节回收乙醇后残液的pH至1.5-2.5，离心分离，即得到木质素。
[0011 ]优选的，步骤(I)中，所述苯-醇混合液为甲苯和乙醇按体积比为(1.5-3): I混合的溶液;进一步优选的，所述苯-醇混合液为甲苯和乙醇按体积比为2:1混合的溶液。
[0012]由于巨菌草原料中含有较多的蜡质、蛋白质和果胶等物质，不利于纤维素、半纤维素和木质素的提取，而对于如何在去除巨菌草中的蜡质、蛋白质和果胶等物质的同时，而又不影响纤维素、半纤维素和木质素的提取，这在现有技术中并没有记载，本发明在试验过程中尝试了多种不同组合、不同配比的试剂对巨菌草进行脱蜡处理，结果发现，以甲苯和乙醇按体积比为(1.5-3):1进行混合，对巨菌草原料进行脱蜡，其脱蜡效果最好;进一步的，对脱蜡处理后的巨菌草，进行水提处理，可以较好的除去巨菌草中蛋白质和果胶等物质。
[0013]步骤(2)中，所述他0!1-!1202混合溶液中，NaOH的质量浓度为1-4%、H202的质量浓度为 0.1-0.5%ο
[0014]步骤(2)中，NaOH-H2O2混合溶液与预处理后的巨菌草加入量的比为(15-25)ml: lg。
[0015]步骤(2)中，四乙酰乙二胺的加入量为1-3%预处理后巨菌草粉(绝干)的质量。
[0016]步骤(3)中，乙醇加入前，先对滤液进行浓缩，浓缩至原滤液体积的1/2-1/3；向浓缩后的滤液中再加入乙醇，乙醇的加入量为浓缩后滤液体积的3-4倍。
[0017]步骤(3)和步骤(4)中，均采用6mol/L的HCl调节pH值。
[0018]步骤(3)和步骤(4)中，离心速度均为7000-8000r/min，离心时间均为15-20min。
[0019]采用本技术可以实现纤维素、半纤维素和木质素的依次分离，分离出的的纤维素、半纤维素和木质素得率和纯度高。
[0020]上述方法制备的纤维素、半纤维素和木质素在生产乳酸、木糖醇、香兰素和/或活性炭中的应用也是本发明的保护范围。
[0021]本发明的有益效果:
[0022](I)采用本发明的提取方法能够将巨菌草中的纤维素、半纤维素和木质素在同一过程中依次有效提取出来，提取率高，巨菌草纤维素、半纤维素、木质素的得率分别为:
0.37-0.41g/g巨菌草、0.19-0.28g/g巨菌草、0.09-0.1lg/g巨菌草，提高了对巨菌草中木质纤维的高值化利用。
[0023](2)本发明提取得到的纤维素、半纤维素和木质素纯度高，提取的纤维素的纯度为85.7-89.3%,半纤维素的纯度为87.1-92.2%,木质素的纯度为86.4-93.3 %，可作为生产高附加值衍生产品的原料。如:用纤维素发酵生产乳酸，用半纤维素发酵生产木糖醇，用木质素制备香兰素、活性炭等。从而实现巨菌草这种生物质资源的高值化、绿色利用。
[0024](3)纤维素、半纤维素和木质素本身均是具有复杂空间结构的高分子化合物，在天然纤维素原料中，它们聚合为一个整体，形成复杂的超分子化合物。其中，木质素大部分存在于胞间层中，和半纤维素形成牢固结合层，对纤维素形成覆盖保护作用。因此，对于纤维素、半纤维素和木质素的分离顺序需要进行合理安排，本发明首先采用苯-醇、热水抽提对巨菌草进行预处理，除去巨菌草中的蜡质、蛋白质和果胶等物质;再采用微波-碱-醇法分别提取出巨菌草纤维素、半纤维素和木质素，其中，通过微波-碱处理，破坏了木质素和多糖之间的化学键结合，使纤维素与木质素分离，将纤维素从木质素和半纤维素中分离出来，再通过醇沉法，分离出半纤维素，进一步的离心处理，分离得到木质素。
【具体实施方式】
[0025]下面通过具体实例对本发明进行进一步的阐述，应该说明的是，下述说明仅是为了解释本发明，并不对其内容进行限定。
[0026]本发明实施例中所用到的原料、试剂均为常规的化学产品，均能通过商业渠道购买得到。
[0027]实施例1:
[0028]原料预处理:将风干巨菌草粉碎，经分样筛筛选得到40-60目的草粉。将所得草粉用苯-醇混合液(甲苯:乙醇v/V = 2:1，)抽提6小时脱蜡，草粉和苯-醇混合液的加入量比为lg: 15ml。脱蜡后的草粉按照固液比1:25加入去离子水，85°C搅拌提取3小时，真空抽滤，所得草粉60 0C烘干，密封储存备用。
[0029]称取5g经预处理后的巨菌草原料，按液料比20: l(ml:g)加入盛有NaOH-H2O2混合溶液(NaOH浓度4 %、H2O2浓度为0.5%)平底三口烧瓶，再加入四乙酰乙二胺(加入量为0.2 % )。用微波化学反应发生器，加热至75 V，保温搅拌处理3小时。反应终止后，真空过滤，所得残渣60 °C烘干，得到纤维素2.05go
[0030]用6mol/L的HCl调节滤液pH至5.0-5.5，蒸发浓缩约3倍(即浓缩液为原滤液体积的1/3),加入3倍体积的95 %乙醇，沉淀出半纤维素，用高速离心机，离心分离(7500r/min，15min)，沉淀再用70%的乙醇洗涤、离心2_3次，60°C烘干得到半纤维素1.2g。
[0031]将离心所得上清液，低压旋转蒸发回收乙醇，回收的乙醇循环利用。残液用6mol/L的HCl调节滤液pH至2.0，用高速离心机，离心分离(7500r/min，15min)，倒出上清液，所得残渣60°C烘干，得到木质素0.5g。
[0032]纤维素、半纤维素和木质素纯度测定:按照Van Soest法，该法通过测定中性洗涤纤维(NDF)、酸性洗涤纤维(ADF)、酸性洗涤木质素(ADL)、灰分(S)的含量来计算植物中各个主要成分的含量。通过特性粘度、分子量、FT-1R、CP-MAS 13C-NMR以及热力学分析等方法对分离出的纤维素、半纤维素和木质素进行纯度测定。
[0033]本实施例中，分离出来的纤维素的纯度为89.3%，半纤维素的纯度为92.2%，木质素的纯度为93.3%。
[0034]实施例2:
[0035]原料的预处理同实施例1。
[0036]称取5g预处理后的巨菌草原料，按液料比25: l(ml:g)加入盛有NaOH-H2O2混合溶液(NaOH浓度4 %、H2O2浓度为0.5 % )平底三口烧