一种氢氧化钠/尿素/硫脲水溶液低温预处理提高烟梗木质素收率的方法
【技术领域】
[0001]本发明属于木质素提取技术领域，具体涉及一种氢氧化钠/尿素/硫脲水溶液低温 预处理提高烟梗木质素收率的方法。
【背景技术】
[0002]伴随着吸烟者健康意识的提高，减害降焦成了烟草行业未来发展的必由之路。其 中，木质素是烟叶中主要的芳香族组分，是焦油中稠环芳烃类、芳香胺等有害物质的主要来 源;热解会产生儿茶酚和烷基儿茶酚，引起涩口且有促癌活性。近年来，研究烟草木质素在 卷烟吸燃条件下的热裂解机理是卷烟降焦减害的新思路，这就需要从烟草中分离结构变化 较小的木质素。
[0003]从植物体内提取或分离木质素的方法可分为两类:第一类是脱除木质素以外的成 分，木质素作为不溶成分沉淀分离出来;另一类是将木质素作为可溶性成分，而纤维素、半 纤维素等其它成分不溶解而进行分离。目前，主要有酸析法、碱析法、有机溶剂法、离子液体 法、磨木木质素法和纤维素酶解法等（中华纸业，2005，26( 10) : 58-61;木质素[M].北京： 化学工业出版社，2008)。其中，酸析法及碱析法一般都是采用浓硫酸或浓氢氧化钾等处理 植物原料，一方面得到木质素通常发生较大的化学改性，不适合做进一步的研究，另一方面 危险系数较高。（Renew. Energy, 1997，10 (2/3): 285-290;American Chemical Society，2000，742: 1-8)有机溶剂法得到的木质素不仅收率较低，而且纯度较低，并有 一定程度的化学改性(甘蔗，2002, 9 (4): 15- 19)。离子液体法得到的木质素常混有纤 维素、半纤维素等杂质，而且木质素的结构也改变了（华东理工大学博士论文，2013)。
[0004] 磨木木质素法分离得到的木质素化学改性小，但是通常会含有2~8%的糖类(木质 素[M].北京:化学工业出版社，2008)。纤维素酶解法分离木质素，可在温和的条件下降解 纤维素，分离得到化学结构变化小的木质素，适合于结构性分析或做进一步的研究（J. Pulp Paper Sci.， 2002， 28 (2): 5〇-54)〇
[0005] 此外，在植物纤维原料中，木质素含量较低，且与半纤维素形成紧密的结合层，并 紧紧的包裹着纤维素，阻碍了纤维素酶与纤维素的接触，所以酶解比较困难。近年来，国内 外不少学者通过研究不同的预处理方法，来提高酶解效率，进而提高木质素的收率。例如 (1)有机溶剂预处理:将植物纤维原料用有机溶剂的混合液索氏萃取，以除去有机物杂质。 这种预处理方法耗时，而且危险，预处理效果有待提高。（2)微波预处理：用电磁波处理植物 纤维原料，使纤维素分子间的氢键发生变化，增加纤维素分子的可及性及反应活性。这种处 理方法简单，耗时少，但是处理费用较高，限制了其大规模应用。（3)生物技术预处理:利用 微生物分解掉纤维素、半纤维素等以获得木质素。这种处理方法耗时且与酶活性相关，很难 工业应用。（4)化学预处理:主要包括稀酸预处理和稀碱预处理，主要是通过打断纤维素、半 纤维素、木质素之间的连接键，降低纤维素的结晶度、增加原料的疏松性，使纤维素酶与纤 维素的接触位点更多，酶解效率提高。但是目前此种处理方法关注的重点在纤维素的降解 及糖转化率等，而没有涉及木质素在预处理过程中的化学改性及收率低等问题。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的在于克服现有烟草木质素提取的技术不足，提供一种氢氧化钠/尿 素/硫脲水溶液低温预处理提高烟梗木质素收率的方法，该方法能够有效提高烟梗木质素 的收率，且纯度高、结构变化小，操作简单安全。
[0007] 为实现上述目的，本发明采用的技术方案是，一种氢氧化钠/尿素/硫脲水溶液低 温预处理提高烟梗木质素收率的方法，包括以下步骤： ① 将烟梗预先干燥，粉碎，过40~80目筛，将过筛后的烟梗粉末加入到氢氧化钠/尿素/ 硫脲/水溶液中，_8°C~_10°C下搅拌反应20~40min，过滤，蒸馏水洗涤，得到残渣； ② 将步骤①得到的残渣加入到醋酸-醋酸钠缓冲溶液中，加入纤维素酶，40~60°C酶解 反应48~72h后，离心分离，蒸馏水洗涤，真空干燥，得到酶解木质素； ③ 将步骤②将到的酶解木质素用酸性二氧六环(1，4_二氧六环)水溶液86~110°C下抽 提1~3h，过滤得滤液和固体，将固体再次用酸性二氧六环水溶液86~110°C下抽提1~3h， 再次过滤，合并两次滤液，减压浓缩得浓缩液(减压浓缩至浓缩液几乎不含1，4-二氧六环）； 其中，每次抽提时的固液比均为Ig: (15~50)mL; ④ 向步骤③得到的浓缩液中加入pH为1~3的酸溶液(盐酸、硫酸、磷酸、硝酸等中的任 一种），离心分离，洗涤沉淀，真空干燥，即得烟梗木质素;其中，浓缩液与pH为1~3酸溶液 的体积为1:80~1:150。
[0008] 所述步骤①中氢氧化钠/尿素/硫脲水溶液由以下重量百分比的组分组成:氢氧化 钠6~8%、尿素6~8%、硫脲5~7%、余量为水。
[0009] 所述步骤②中醋酸-醋酸钠缓冲溶液的pH为4.5~6.0。
[0010]所述步骤③中的酸性二氧六环水溶液中，二氧六环的体积分数为80~85%，酸（（盐 酸、硫酸、磷酸、硝酸等中的任一种))浓度为〇. 〇 1~〇. 12mo 1/L。
[0011]所述步骤①中氢氧化钠/尿素/硫脲水溶液与过筛后的烟梗粉末的液固比为15~ 30mL : Igo
[0012]所述步骤②中残渣与醋酸-醋酸钠缓冲溶液的固液比为Ig: (20~45)mL。
[0013] 所述步骤②中纤维素酶的加入量为150~500FPA/g过筛后的烟梗粉末。
[0014] 本发明产生的有益效果是:本发明是用氢氧化钠-尿素-硫脲-水混合液对烟梗粉 进行低温预处理，一方面打断烟梗粉中纤维素-半纤维素_木质素之间的连接键，另一方面 可溶解部分纤维素、半纤维素、水溶性成分等，残渣再经酶解-温和酸解处理，最后得到结构 变化小、纯度较高的烟梗木质素，而且收率也可显著提高，有利于对烟草木质素的进一步研 究。
【附图说明】
[0015]图1为实施案例1提取的烟梗木质素的红外光谱图； 图2为测定木质素纯度的标准曲线。
【具体实施方式】
[0016]下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，但本发明的保护范围不限于此。以 下实施例和对照例中所用的纤维素酶购自阿拉丁试剂(上海)有限公司，粉末，1万U/g)。 [0017] 实施例1 一种氢氧化钠/尿素/硫脲水溶液低温预处理提高烟梗木质素收率的方法，包括以下 步骤： ① 将烟梗预先干燥，粉碎，过40目筛，含水率为6.62%(根据烟草行业标准YC31-1996烘 箱法测定）；将过筛后的烟梗粉末35g加入到氢氧化钠/尿素/硫脲/水溶液中（液固比为 25mL: lg)，-8°C下搅拌反应30min，600目的滤布过滤，水洗至中性，得到残渣12.39g;氢氧化 钠/尿素/硫脲/水溶液由以下重量百分比的组分组成:氢氧化钠8%、尿素8%、硫脲6.5%、余量 为水； ② 将步骤①得到的残渣加入到pH为4.8的醋酸-醋酸钠缓冲溶液（固液比为lg:40mL) 中，加入纤维素酶，50°C下恒温震荡反应48 h后，离心分离，蒸馏水洗涤，353 K下真空干燥8 h，得到酶解木质素6. Og;纤维素酶的加入量为150FPA/g过筛后的烟梗粉末； ③ 将步骤②将到的酶解木质素用酸性二氧六环水溶液95°C下抽提2h，过滤得滤液和固 体，将固体再次用酸性1，4_二氧六环水溶液95°C下抽提2h，再次过滤，合并两次滤液，减压 浓缩得浓缩液(减压浓缩至浓缩液中几乎不含1，4_二氧六环），每次抽提时的固液比均为 I g: (15~50 )mL;其中，酸性1，4-二氧六环水溶液中，1，4-二氧六环的体积分数为82%，盐酸 浓度为O.lmol/L; ④ 向步骤③得到的浓缩液中加入pH为2的盐酸溶液(pH为2的盐酸溶液的体积为浓缩液 体积的100倍），离心分离，洗涤沉淀，353 K下真空干燥8 h，即得烟梗木质素1.31g。
[0018] 对照例1 一种氢氧化钠/尿素水溶液低温预处理提高烟梗木质素收率的方法，包括以下步骤： ①将烟梗预先干燥，粉碎，过40目筛，含水率为6.62%(根据烟草行业标准YC31-1996烘箱法 测定）;将过筛后的烟梗粉末35g加入到氢氧化钠/尿素/水溶液中（液固比为25mL: lg)，-8°C 下搅拌反应30min，600目的滤布过滤，水洗至中性，得到残渣12.28g;氢氧化钠/尿素/硫脲/ 水溶液由以下重量百分比的组分组成:氢氧化钠8%、尿素8%、余量为水； ② 将步骤①得到的残渣加入到pH为4.8的醋酸-醋酸钠缓冲溶液（固液比为lg:40mL) 中，加入纤维素酶，50°C下恒温震荡反应48 h后，离心分离，蒸馏水洗涤，353 K下真空干燥8 h，得到酶解木质素6.05g;纤维素酶的加入量为150FPA/g过筛后的烟梗粉末； ③ 将步骤②将到的酶解木质素用酸性二氧六环水溶液95°C下抽提2h，过滤得滤液和固 体，将固体再次用酸性1，4_二氧六环水溶液95°C下抽提2h，再次过滤，合并两次滤液，减压 浓缩得浓缩液(减压浓缩至浓缩液中几乎不含1，4_二氧六环），每次抽提时的固液比均为 I g: (15~50 )mL;其中，酸性1，4-二氧六环水溶液中，1，4-二氧六环的体积分数为82%，盐酸 浓度为O.lmol/L; ④ 向步骤③得到的浓缩液中加入pH为2的盐酸溶液(pH为2的盐酸溶液的体积为浓缩液 体积的100倍），离心分离，洗涤沉淀，353 K下真空干燥8 h，即得烟梗木质素0.29g。
[0019] 实施例2 一种氢氧化钠/尿素/硫脲水溶液低温预处理提高烟梗木质素收率的方法，包括以下 步骤： ① 将烟梗预先干燥，粉碎，过60目筛，含水率为6.53%(根据烟草行业标准YC31-1996烘 箱法测定）;将过筛后的烟梗粉末35g加入到氢氧化钠/尿素/硫脲水溶液中（液固比为15mL: lg)，-l〇°C下搅拌反应20min，600目的滤布过滤，水洗至中性，得到残渣12.98g;氢氧化钠/ 尿素/硫脲/水溶液由以下重量百分比的组分组成:氢氧化钠6%、尿素7%、硫脲7%、余量为水； ② 将步骤①得到的残渣加入到pH为6.0的醋酸-醋酸钠缓冲溶液(固液比为lg: 20mL) 中，加入纤维素酶，40°C下恒温震荡反应72h后，离心分离，蒸馏水洗涤，353 K下真空干燥8 h，得到酶解木质素6.05g;纤维素酶的加入量为500FPA/g过筛后的烟梗粉末； ③ 将步骤②将到的酶解木质素用酸性1，4_二氧六环水溶液86°C下抽提3h，过滤得滤液 和固体，将固体再次用酸性二氧六环水溶液86°C下抽提3h，再次过滤，合并两次滤液，减压