本發(fā)明涉及化工領(lǐng)域，特別是一種中低溫的半纖維素抽提方法。

背景技術(shù)：

半纖維素是一類復(fù)合聚糖的總稱，其在植物資源中的含量僅次于纖維素，是一種可部分替代石化工業(yè)產(chǎn)品的可再生資源。不同原料中所含半纖維素的組分不同。如針葉木半纖維素以聚甘露糖為主，含有一定量的聚木糖；闊葉木半纖維素以聚木糖為主，含有少量的聚甘露糖；禾本科植物半纖維素主要是聚木糖，不同原料同種聚糖的支鏈往往也千差萬別。

植物纖維原料是制漿造紙工業(yè)的原材料。在植物原料傳統(tǒng)堿法制漿過程中，半纖維素在高溫高壓堿性蒸煮初期會大量溶出進入蒸煮液中，形成一系列有機酸，消耗蒸煮液。此外，黑液中含有大量半纖維素的會增加黑液的粘度，不利于黑液蒸發(fā)，導(dǎo)致蒸發(fā)器結(jié)垢，影響使用效果和使用壽命。隨著生物質(zhì)精煉技術(shù)在制漿造紙領(lǐng)域的應(yīng)用及推廣，將植物纖維原料中的半纖維素在制漿前分離出來，使其具有更高的應(yīng)用價值，已成為上述傳統(tǒng)和新型領(lǐng)域的研究熱點。然而，在植物細胞壁中，半纖維素與木質(zhì)素之間有化學(xué)鍵的連接（通常是α-苯醚鍵），與乙酰基和羥基肉桂酸形成酯鍵，纖維素和半纖維素之間雖然沒有化學(xué)鍵的連接，但它們之間結(jié)合緊密，導(dǎo)致半纖維素的分離比較困難和復(fù)雜。因此，現(xiàn)有技術(shù)中很難有方法能夠得到不含其他組分的高純度半纖維素，而且在分離過程中半纖維素還伴有不同程度的降解。

中低溫堿抽提（20～80℃）是常用的一種半纖維素的分離方法，通常采用氫氧化鈉、氫氧化鉀等作為堿液，同時也會加入少量助劑（亞氯酸鈉、硼酸或過氧化氫等）。然而傳統(tǒng)的堿抽提方法中，所用堿液濃度較高（10%～15%），抽提時間較長（4～8h），抽提液中半纖維素產(chǎn)品有所降解，難以從堿液中分離提純，得率低。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對上述情況，為克服現(xiàn)有技術(shù)之缺陷，本發(fā)明之目的就是提供一種中低溫的半纖維素抽提方法，可有效解決提高半纖維素提取分離效率，縮短抽提時間、節(jié)約成本，提高產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量的問題。

本發(fā)明解決的技術(shù)方案是提供一種中低溫的半纖維素抽提方法，包括以下步驟：

（1）原料處理：將植物纖維原料切制成段或片，用水清洗干凈，去除灰塵和雜質(zhì)，風(fēng)干；

所述原料為植物纖維的麥秸、玉米稈、蔗渣、稻草或木材；

（2）脫脂：采用苯醇溶液對原料進行脫脂6h，除去原料中的脂類物質(zhì)，得到脫脂的原料；

所述苯醇溶液是由甲苯與乙醇以體積比2︰1混勻制成；

（3）超聲波輔助堿抽提：將脫脂原料加入堿液中，升溫至40-80℃，開啟超聲反應(yīng)裝置，超聲反應(yīng)裝置的頻率為20-40kHz，功率為300W-1000W，進行半纖維素提取反應(yīng)3-6h，關(guān)閉超聲裝置，收集半纖維素提取液，殘余固形物用于后續(xù)堿法蒸煮；

所述脫脂原料與所述堿液的固液質(zhì)量比為1︰4-10；所述堿液為氫氧化鈉溶液，是由氫氧化鈉固體溶解于水中制成，氫氧化鈉固體與占所述堿液的重量比為5%~15%；

（4）半纖維素分離、純化和測定：將半纖維素提取液過200目濾網(wǎng)，得濾液，濾液經(jīng)再經(jīng)孔徑為1000～6000Da超濾膜進行濃縮，濃縮液質(zhì)量濃度為10～20%，然后用6mol/L的HCl溶液調(diào)節(jié)濃縮液pH為5.5，然后加入3倍于濃縮液體積、質(zhì)量濃度95%乙醇，室溫下靜置6-8h，在2000r/min下離心，得沉淀，沉淀用質(zhì)量濃度70%乙醇洗滌，然后用去離子水洗滌沉淀至中性，冷凍干燥，得半纖維素。

本發(fā)明方法科學(xué)合理，易操作，生產(chǎn)效率高，使用效果好，由于抽提溫度較低，操作簡單易行，可提高抽提半纖維素的得率及純度，超聲波是一種頻率高于20kHz的聲波，具有機械效應(yīng)、空化效應(yīng)和熱效應(yīng)，通過增大介質(zhì)分子的運動速度、增大介質(zhì)的穿透力以提取生物的有效成分。合理利用超聲波振動的方法進行提取的新工藝可使溶劑快速地進入固體物質(zhì)中，將其物質(zhì)所含的有機成分盡可能完全的溶于溶劑之中。利用超聲波技術(shù)強化提取分離過程，可有效提高半纖維素提取分離效率，縮短抽提時間、節(jié)約成本，提高產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量，是半纖維素提取上的一大創(chuàng)新，經(jīng)濟和社會效益顯著。

具體實施方式

以下結(jié)合實施例和具體情況對本發(fā)明的具體實施方式作詳細說明。

實施例1

麥秸的化學(xué)組分為：綜纖維素含量71.23%,其中總纖維素中的半纖維素（聚戊糖）含量占秸稈化學(xué)組分的23.29%；總木素含量22.96%；

本發(fā)明在具體實施中，包括以下步驟：

（1）原料處理：將麥秸切制成長1cm，用水清洗干凈，去除灰塵和雜質(zhì)，風(fēng)干；

（2）脫脂：將處理風(fēng)干后的麥秸用苯醇溶液進行脫脂6h，反應(yīng)溫度50℃，麥秸與苯醇溶液的固液比1︰10，除去原料中的脂類物質(zhì)，風(fēng)干，得到脫脂的麥秸；

所述的苯醇溶液是由甲苯與乙醇以體積比2︰1混勻制成；

（3）超聲波輔助堿抽提：將脫脂麥秸200g加入堿液，當(dāng)麥秸與堿液的固液比為1︰5，所述堿液中氫氧化鈉固體含量為10%，溫度70℃；開啟超聲反應(yīng)裝置，超聲反應(yīng)裝置的頻率為35kHz，功率為500W，間隙作用，進行半纖維素提取反應(yīng)4h，關(guān)閉超聲裝置，收集半纖維素提取液，殘余固形物用于后續(xù)堿法蒸煮；

（4）半纖維素分離、純化和測定：將半纖維素提取液過200目濾網(wǎng)，得濾液，濾液經(jīng)再經(jīng)孔徑為1000～6000Da超濾膜進行濃縮，濃縮液質(zhì)量濃度為10～20%，然后用6mol/L的HCl溶液調(diào)節(jié)濃縮液pH為5.5，然后加入3倍于濃縮液體積、質(zhì)量濃度95%乙醇，室溫下靜置6-8h，在2000r/min下離心，得沉淀，沉淀用質(zhì)量濃度70%乙醇洗滌，然后用去離子水洗滌沉淀至中性，冷凍干燥，得半纖維素。

上述實施例經(jīng)測試，并與傳統(tǒng)方法制備的半纖維素相比，結(jié)果如下表：

表1 不同處理工藝對麥草稈半纖維素提取效果影響

注：半纖維素和木素抽提率是原料各組分溶出量對初始絕干原料質(zhì)量的比值；半纖維素純度是半纖維素含量與半纖維素和木素總含量的比值；半纖維素實際質(zhì)量是經(jīng)超濾，醇沉等純化后半纖維素實際質(zhì)量；半纖維素純化得率是半纖維素實際質(zhì)量與理論質(zhì)量的比值。

從表1可以看出，無論是經(jīng)傳統(tǒng)堿抽提處理后還是超聲波輔助堿抽提處理后，漿料中的半纖維素均會大量溶出，并伴隨少量的木質(zhì)素溶出。相比傳統(tǒng)堿抽提處理，超聲波輔助堿抽提處理在堿用量和抽提時間較少以及反應(yīng)溫度較低的前提下，原料中半纖維素溶出較多（14.6%比13.4%），且抽提液中木素等雜質(zhì)含量較少（4.8%比5.6%），半纖維素純度高（75.26%比70.53%）。上述結(jié)果表明借助超聲波機械和空化作用，促進纖維結(jié)構(gòu)打開及堿液的滲透，從而增加了半纖維素與堿液的反應(yīng)效果，最終促進了半纖維素的溶出，與此同時，由于堿抽提條件較為溫和，木素等雜質(zhì)的溶出減少，有利于后續(xù)半纖維素的純化。此外，對比實際純化后的半纖維素得率結(jié)果可知，經(jīng)超聲輔助處理后，半纖維素純化后的得率較高（80.22%比85.27%），表明半纖維素的分子量相對較高，使得在后續(xù)超濾和醇沉的過程中易于純化，不易流失。因此，超聲波輔助處理不經(jīng)可降低半纖維素抽提用堿量，抽提時間和反應(yīng)溫度，同時也能提升最終產(chǎn)品的得率、純度和品質(zhì)。

實施例2

玉米稈的化學(xué)組分分別為：綜纖維素含量69.73%，其中總纖維素中的半纖維素（聚戊糖）含量占秸稈化學(xué)組分的19.65%；總木素含量17.89%；綜纖維素包含半纖維素。

本發(fā)明在具體實施中，還可包括以下步驟：

（1）原料處理：將玉米稈除髓，切成2cm×2cm的片段，用水清洗干凈，去除灰塵和雜質(zhì)，風(fēng)干；

（2）脫脂：將處理風(fēng)干后的玉米稈用苯醇溶液進行脫脂6h，反應(yīng)溫度50℃，玉米稈與苯醇溶液的固液比1︰10，除去原料中的脂類物質(zhì)，風(fēng)干，得到脫脂的玉米稈；

所述的苯醇溶液是由甲苯與乙醇以體積比2︰1混勻制成；

（3）超聲波輔助堿抽提：將脫脂絕干玉米稈200g加入堿液，當(dāng)麥秸與堿液的固液比為1︰5，用堿量8%，溫度50℃，開啟超聲反應(yīng)裝置，超聲反應(yīng)裝置的頻率為35kHz，功率為500W，間歇作用，進行半纖維素提取反應(yīng)4h，關(guān)閉超聲裝置，收集半纖維素提取液，殘余固形物用于后續(xù)堿法蒸煮；

（4）半纖維素分離、純化和測定：將半纖維素提取液過200目濾網(wǎng)，得濾液，濾液經(jīng)再經(jīng)孔徑為1000～6000Da超濾膜進行濃縮，濃縮液質(zhì)量濃度為10～20%，然后用6mol/L的HCl溶液調(diào)節(jié)濃縮液pH為5.5，然后加入3倍于濃縮液體積、質(zhì)量濃度95%乙醇，室溫下靜置6-8h，在2000r/min下離心，得沉淀，沉淀用質(zhì)量濃度70%乙醇洗滌，然后用去離子水洗滌沉淀至中性，冷凍干燥，得半纖維素。

上述實施例2制備的產(chǎn)品經(jīng)測試，并與傳統(tǒng)方法制備的半纖維素相比，結(jié)果如下表：

表2 不同處理工藝對玉米稈半纖維素提取效果影響

注：半纖維素和木素抽提率是原料各組分溶出量對初始絕干原料質(zhì)量的比值；半纖維素純度是半纖維素含量與半纖維素和木素總含量的比值；半纖維素實際質(zhì)量是經(jīng)超濾，醇沉等純化后半纖維素實際質(zhì)量；半纖維素純化得率是半纖維素實際質(zhì)量與理論質(zhì)量的比值。

從表2可以看出，實施例2中玉米桿原料與實施例1中的麥草稈原料，經(jīng)處理后具有相似的結(jié)果：半纖維抽提率由12.53%增至13.89%，木素抽提率由4.98%降至4.32%，半纖維素純度由71.59%提升至76.28%，半纖維素純化得率由81.96%提升至86.61%。此外，對比麥草稈處理的反應(yīng)條件和所得結(jié)果還可以發(fā)現(xiàn)，玉米稈堿抽提半纖維素相對容易些。上述結(jié)果進一步表明采用超聲波輔助處理堿抽提工藝，可降低反應(yīng)過程堿用量和反應(yīng)溫度，同時縮短反應(yīng)時間，提高堿抽提半纖維素的得率、純度和品質(zhì)。較高分子量的半纖維素可以用于后續(xù)改性或制備低聚木糖等高附加產(chǎn)品。而純化后的堿抽提液則可回用至后續(xù)堿法蒸煮。并且已脫除大量半纖維的纖維原料其纖維可及性增加，有利于后續(xù)堿法蒸煮脫木素，及降低黑液中半纖維素的含量，有利于后續(xù)黑液的蒸發(fā)和應(yīng)用。

并經(jīng)其它植物纖維多次反復(fù)試驗，均取得了相同和或近似的結(jié)果，這里不再一一列舉，由試驗證明，本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下突出的有益技術(shù)效果：

本發(fā)明采用超聲處理與堿抽提共同作用于植物纖維原料，利用超聲波的機械效應(yīng)和空化效應(yīng)。超聲波的空化效應(yīng)可產(chǎn)生瞬時的高溫高壓，產(chǎn)生微射流，對纖維原料進行沖擊、剝蝕，從而增大堿液與原料的反應(yīng)界面，使得原料結(jié)構(gòu)松散；此外，由于超聲波具有極強的穿透作用，可促進堿液進入原料內(nèi)部，加速反應(yīng)速率。該工藝可在常溫下進行，反應(yīng)溫度低，減少了高溫下非半纖維素物質(zhì)的溶出，提高了半纖維素的純度。實驗結(jié)果表明，該方法具有以下優(yōu)勢：

1、反應(yīng)條件溫和：用堿量少，可節(jié)約用堿20%以上，抽提時間短，可節(jié)約時間25%，抽提溫度降低28%以上，節(jié)約能源；

2、半纖維素得率高，純度高，分子量高；

3、操作簡便，節(jié)約化學(xué)品用量，分離純化容易，降低成本30%以上，大大減少了環(huán)境污染，節(jié)能環(huán)保，經(jīng)濟和社會效益顯著。