一种基于稀酸预浸渍的高效分离木质素的方法与流程

本发明涉及生物质分离和转化领域，具体涉及一种基于稀酸预浸渍的高效分离木质素的方法。

背景技术：

由于二氧化碳的大量排放和化石燃料不可逆转的消耗，可再生燃料和生物质基的平台化学品已经引起人们的广泛关注并逐步占据了主导地位。生物质能提供最大储量的、可再生的、高附加值的碳基材料。在目前的生物精炼工业中，木质纤维素生物质的综合利用不仅可以从本质上降低碳排放量和成本，而且可以促进生物质转化为高附加值商业产品，这也使得木质纤维素成为化石燃料经济上合理的替代品。木质纤维素主要由纤维素、半纤维素和木质素构成，它们之间通过各种连接键复杂的交织在一起。其中，木质素是自然界中最丰富的天然生物聚合物，在植物细胞壁其含量仅次于纤维素和半纤维素。木质素主要由紫丁香基(s)单元、愈创木基(g)单元和对羟基苯基(h)单元组成，它们之间主要以芳基醚键(β-o-4，α-o-4等)和碳碳键(β-5，β-β等)相连。另外，木质素和碳水化合物(主要是半纤维素)也通过不同的化学键连接，例如苯基糖苷键、苄基醚和γ-酯键，形成木质素-碳水化合物复合体(lcc)。实际上，木质素的物理和化学结构特征对其后续的高值化利用非常重要，如生产于木质素基绿色化学品和生物质基功能材料材料。因此，得到更具有代表性木质素样品并充分地了解其分子结构特征是在当前的生物炼制中非常重要前提。

在木质素化学领域，研究人员相继提出了基于不同植物中分离木质素的方法。从历史上看，在1954年首先开发出了一种从球磨木粉中用96％二氧六环提取木质素的方法，命名为“磨木木质素”(mwl)。该方法得到的木质素被认为是最能够代表原本木质素结构的木质素样品，但是其不足之处在于得率低而且糖含量高。随后，为了提高木质素得率，纤维素酶木质素(cel)的分离方法被pew(1957)提出。这种方法是在用二氧六环水溶液萃取之前，先纤维素酶去除大部分碳水化合物，促进后续有机溶剂提取效率。cel由于其得率高被认为是原本木质素结构分析的更有代表性的样品。2003年，wu和argyropoulos开发了酶促温和酸解木质素(emal)方法，该方法结合酶水解和温和酸解进一步提高了木质素得率，能够更好地代表植物细胞壁中的木质素。由于木质素与碳水化合物之间以lcc的形式存在着复杂的连接键，近年来，研究人员利用碱溶液润胀的方法克服了这一难题，因此一些基于碱润胀分离木质素的方法被提出，如碱润胀残留酶木质素(srel)。该方法分离的木质素组分具有更高的得率，但是其主要是针对大多数阔叶木植物木质素的分离，对于一些草类等存在碱性敏感连接键的生物质原料并不适用。因此，探索并开发一种适应性广、得率高的木质素分离方法尤为重要，而且高纯度的木质素也将影响其实用性。

由于现代工业的可行性，机械化学技术正日益成为一种主流方法。机械球磨通过机械作用可以提供一种绿色且有效的预处理方法。报道称在机械力作用下，酸浸渍后的固体生物质克服了木质纤维素中抗降解屏障所带来的问题。通常，降低纤维素的结晶度需要长时间的机械作用并且效果不明显。近年来，机械化学预处理被用于制备水溶性低聚糖，经过矿物液体酸浸渍后再进行高温水解实现纤维素和半纤维的糖转化，最终可得到剩余的木质素组分，但是这一过程使得木质素和模型化合物中的β-o-4键的断裂。此外，这一过程的酸浸渍阶段用的是h2so4和乙醚，由于两种试剂的对环境的污染性和成本较高的特性，使得该方法在后续的工业化利用上受到一定程度限制。研究还发现稀硫酸浸渍对木质素的破坏程度要大于稀盐酸浸渍。同时，在相同浓度下硫酸的腐蚀性和成本均高于盐酸，考虑到当前的生物炼制工业模式，盐酸应用要比硫酸更为合理和环保。

因此，基于最近这些研究的启发，本发明提出了一种新型的生物质分离方法，以绿色和高效的方式将生物质完全转化为单个组分(葡萄糖，木糖和木质素)从而得到高纯度、结构完整木质素。经过不断的研究、设计，并经过反复优化工艺后，终于创设出确具实用价值的本发明。

技术实现要素：

本发明的目的在于改善现有技术的不足，提出将稀酸预浸渍与球磨处理相结合解构木质纤维原料，使处理后的木质纤维原料能够高效的脱除原料中的碳水化合物，从而得到高得率、高纯度和结构完整的木质素。

本发明具体技术方案如下：

一种基于稀酸预浸渍的高效分离木质素的方法，包括如下步骤：

a.将生物质除杂、粉碎、烘干后得到木质纤维原料备用；

b.将步骤a中所得的木质纤维原料浸渍于稀酸(0.5-5.0％，v酸/v水％)水溶液中，常温下等体积浸渍，浸渍结束后冻干浸渍后的木质纤维原料，再将木质纤维原料进行短时间的球磨处理得到球磨木质纤维原料；

c.将步骤b得到的球磨木质纤维原料在醋酸钠缓冲液中用纤维素复合酶进行酶水解，经过一定时间酶处理后，离心分离碳水化合物和酶解残渣；

d.将步骤c得到的酶解残渣用热酸水(ph＝2)多次洗涤，将洗涤过后的酶解残渣冻干后得到酶解残渣木质素。

本发明是利用一种绿色环保的机械化学基处理方法，具体采用稀酸(稀醋酸和稀盐酸)水溶液在常温下浸渍木质纤维原料，同时结合短时间高效的球磨处理，经过酶解去糖得到高纯度和高得率的结构完整木质素组分。现有技术中通常采用硫酸和乙醚等试剂，而本发明中采用醋酸和盐酸水溶液能有效避免环境污染的问题，同时降低成本；以残渣形式得到木质素组分可用于其结构的全面表征，是目前用于分离木质素结构表征的较佳方法。

本发明中所述生物质为桉木，杨木等各种木质纤维生物质原料，本发明实例中以桉木为例。

为保证木质纤维生物质原料浸渍的充分性，生物质原料粉碎至20-100目，采用稀酸水溶液预浸渍时间为10-15h。

所述球磨处理时转速为>400rpm，球磨时间为0.5-2h。

所述酶解时采用纤维素复合酶，醋酸钠缓冲液ph＝4.5-5.0经过一定时间酶解去除95％以上碳水化合物。

所述残渣木质素的特性在于：得率高且重均分子量相差不大，分散系数为小，木质素分子结构均一；木质素结构完整，各连接键(β-o-4、β-β、β-5等)含量没有减少。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1.本发明采用绿色环保的稀酸(稀醋酸和稀盐酸)水溶液常温下浸渍生物质原料，结合短时间高效的球磨处理达到解聚生物质目的，以超高的酶水解效率除去糖类得到结构完整的木质素大分子，该木质素得率高，可以用作生物质原料中木质素的结构全面表征，为木质素的进一步高值化利用提供了理论依据与技术支撑。

2.本发明未使用任何有机试剂，能够降低成本、减少有机化学试剂污染，该过程中得到的木质素由于其完整的结构和大分子结构特性可代表木质素原本结构，为林木遗传育种等工作提供新的辅助手段。

附图说明

图1为本发明实施例中基于稀酸预浸渍的高效分离木质素的流程图；

图2为本发明实施例中预浸渍-球磨处理后酶解得到的部分木质素的二维核磁共振谱图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细描述，但不作为对本发明的限定。

实施例1：

(1)原料预处理阶段：将桉木原料粉碎至20-100目，烘干。

(2)预浸渍-球磨处理阶段：将桉木原料与5％稀醋酸溶液以1g：4ml比例混合，常温下静置浸渍12h(过夜)，浸渍结束后将其冻干，再将冻干后的桉木原料进行球磨(450-500rpm)处理2h得到球磨后的桉木原料。

(3)处理后桉木原料的酶解：将球磨后的桉木原料加入醋酸钠缓冲液，用醋酸调节ph至4.8，然后加入10fpu/g的纤维素复合酶，在50℃条件下酶解48h。酶解结束后将混合液离心分离去除碳水化合物，得到酶解残渣。

(4)将酶解残渣用热酸水(ph＝2)反复清洗除去多糖和单糖，冻干后得到浸渍后的酶解残渣木质素(iel)，其得率高达95.3％。

实施例2：

(1)原料预处理阶段：将桉木原料粉碎至20-100目并烘干。

(2)预浸渍-球磨处理阶段：将桉木原料与2.5％稀醋酸溶液按1g：3ml比例混合，常温下静置浸渍12h(过夜)，浸渍结束后将其冻干，再将冻干后的桉木原料进行球磨(450-500rpm)处理2h得到球磨后的桉木原料。

(3)处理后原料的酶解：将球磨后的桉木原料加入醋酸钠缓冲液，用醋酸调节ph至4.8，然后加入10fpu/g的纤维素复合酶，在50℃条件下酶解48h。酶解结束后将混合液离心分离去除碳水化合物，得到酶解残渣。

(4)将酶解残渣用热酸水(ph＝2)反复清洗除去多糖和单糖，冻干后得到浸渍后的酶解残渣木质素(iel)，其得率高达96.2％。

实施例3：

(1)原料预处理阶段：将桉木原料粉碎至20-100目，烘干。

(2)预浸渍-球磨处理阶段：将桉木原料与1％稀醋酸溶液以1g：5ml比例混合，常温下静置浸渍12h(过夜)，浸渍结束后将其冻干，再将冻干后的桉木原料进行球磨(450-500rpm)处理2h得到球磨后的桉木原料。

(3)处理后原料的酶解：将球磨后的桉木原料加入醋酸钠缓冲液，用醋酸调节ph至4.8，然后加入10fpu/g的纤维素复合酶，在50℃条件下酶解48h。酶解结束后将混合液离心分离去除碳水化合物，得到酶解残渣。

(4)将酶解残渣用热酸水(ph＝2)反复清洗除去多糖和单糖，冻干后得到浸渍后的酶解残渣木质素(iel)，其得率高达93.5％。

实施例4：

(1)原料预处理阶段：将桉木原料粉碎40-100目，并烘干。

(2)预浸渍-球磨处理阶段：将桉木原料与2.0％稀盐酸溶液以1g：6ml比例混合，常温下静置浸渍12h，浸渍结束后将其冻干，再将冻干后的桉木原料进行球磨(450-500rpm)处理2h得到球磨后的桉木原料。

(3)处理后原料的酶解：将球磨后的桉木原料加入醋酸钠缓冲液，用醋酸调节ph至4.8，然后加入10fpu/g的纤维素复合酶，在50℃条件下酶解48h。酶解结束后将混合液离心分离去除碳水化合物，得到酶解残渣。

(4)将酶解残渣用热酸水(ph＝2)反复清洗除去多糖和单糖，冻干后得到浸渍后的酶解残渣木质素(iel)，其得率高达97.6％。

实施例5：

(1)原料预处理阶段：将桉木原料粉碎至20-100目并烘干备用。

(2)预浸渍-球磨处理阶段：将桉木原料与1.0％稀盐酸溶液以1g：8ml比例混合，常温下静置浸渍12h(过夜)，浸渍结束后将其冻干，再将冻干后的桉木原料进行球磨(450-500rpm)处理2h得到球磨后的桉木原料。

(3)处理后原料的酶解：将球磨后的桉木原料加入醋酸钠缓冲液，用醋酸调节ph至4.8，然后加入10fpu/g的纤维素复合酶，在50℃条件下酶解48h。酶解结束后将混合液离心分离去除碳水化合物，得到酶解残渣。

(4)将酶解残渣用热酸水(ph＝2)反复清洗除去多糖和单糖，冻干后得到浸渍后的酶解残渣木质素(iel)，其得率高达98.0％。

实施例6：

(1)原料预处理阶段：将桉木原料粉碎至20-100目，烘干。

(2)预浸渍-球磨处理阶段：将桉木原料与0.5％稀盐酸溶液以1g：10ml比例混合，常温下静置浸渍过夜，浸渍结束后将其冻干，再将冻干后的桉木原料进行球磨(450-500rpm)处理2h得到球磨后的桉木原料。

(3)处理后原料的酶解：将球磨后的桉木原料加入醋酸钠缓冲液，用醋酸调节ph至4.8，然后加入10fpu/g的纤维素复合酶，在50℃条件下酶解48h。酶解结束后将混合液离心分离去除碳水化合物，得到酶解残渣。

(4)将酶解残渣用热酸水(ph＝2)反复清洗除去多糖和单糖，冻干后得到浸渍后的酶解残渣木质素(iel)，其得率高达96.4％。

下面对本发明实施例1-6所得到的木质素做进一步定性和定量分析以验证本发明的效果：

酶解残渣木质素的结构表征：

通过上述方法分离得到的酶解残渣木质素(iel)的二维核磁共振分析(图2)发现，该木质素的主要组成单元是由(a)β-o-4醚键结构；(b)树脂醇结构；(c)苯基香豆满结构(β-5和α-o-4联接而成)；(i)对羟基肉桂醇末端基。在木质素的芳香区域(木质素的化学组成)，阔叶材木质素的基本构成单元(g和s)可以很容易分辨出来，另外还出现了氧化紫丁香基结构(s')和少量对羟苯基单元(h)。醋酸浸渍条件下分离的木质素结构完整，没有明显的缩合反应发生，表明该条件下对木质素结构没有明显的破坏作用。定量数据显示，预浸渍-球磨处理后得到的木质素中β-o-4含量在54.3-58.2/100ar范围内，β-β含量在11.7-14.0/100ar之间，β-5含量在1.1-2.4/100ar之间，s/g比在3.1-4.7之间。另外，预浸渍-球磨处理后再酶解得到的木质素的得率均大于100％，分子量分布在7580-8560g/mol之间，分散度为1.28-1.36之间。此外，通过磷谱定量数据发现，该木质素中s型羟基含量为0.28-0.41mmol/g，g型羟基含量为0.25-0.30mmol/g，羧基含量仅为0.02-0.05mmol/g，表明木质素结构中β-o-4没有被破坏，低的羧基含量表明短时的球磨作用没有明显的氧化反应发生。综上，高的β-o-4含量证明了该方法分离得到的木质素的结构完整，破坏小，没有发生明显的连接键断裂和氧化反应，相对均一的分子量表明了所得木质素的分散系数和纯度较高，能够很好地代表生物质的木质素结构特点。因此，基于以上对该方法得到的木质素进行定性和定量的分析，表明本发明提出的该预浸渍-球磨处理方法是一种高效且绿色的生物质结构方法，可以作为一种木质素的分离方法。

以上实施例仅为本发明的示例性实施例，不用于限制本发明，本发明的保护范围由权利要求书限定。本领域技术人员可以在本发明的实质和保护范围内，对本发明做出各种修改或等同替换，这种修改或等同替换也应视为落在本发明的保护范围内。