木素的分離與表征

木素的分離與表征

硫酸鹽反應(yīng)是堿漿中最常見(jiàn)的一種法漿制備方法，其漿產(chǎn)量約占化工廠漿總數(shù)的2.3%。硫酸鹽蒸煮可脫除90%的木素,但進(jìn)一步脫除殘余木素勢(shì)必會(huì)引起碳水化合物的嚴(yán)重降解。現(xiàn)代造紙廠均采用環(huán)境友好的氧脫木素將漿中殘余木素進(jìn)一步脫除,以降低后續(xù)漂白試劑的用量和減輕對(duì)環(huán)境的污染。由于漿中木素結(jié)構(gòu)直接影響后續(xù)工藝對(duì)其進(jìn)一步脫除的效果和效率,因此,研究制漿和氧脫木素后漿中殘余木素的結(jié)構(gòu)對(duì)于現(xiàn)有制漿和氧脫木素工藝的改進(jìn)具有重要的指導(dǎo)意義。速生桉木是一種生長(zhǎng)速度快、適應(yīng)性強(qiáng)、輪伐期短、制漿造紙性能良好的速生樹(shù)種,已成為現(xiàn)階段我國(guó)重要的纖維資源之一。因此,對(duì)該樹(shù)種以及相應(yīng)漿中各種結(jié)構(gòu)的性能進(jìn)行全面了解將有助于豐富我國(guó)制漿造紙木材資源和提高其利用價(jià)值。在不同樹(shù)種KP和氧脫木素漿中的殘余木素結(jié)構(gòu)方面,已經(jīng)有大量的研究報(bào)道[4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14]。根據(jù)這些研究結(jié)果,可大致歸納為,硫酸鹽針葉木漿中殘余木素主要是以愈創(chuàng)木酚基苯丙單元為主的β-O-4芳基醚鍵連接結(jié)構(gòu),而硫酸鹽闊葉木漿中則為愈創(chuàng)木酚基苯丙單元和紫丁香基苯丙單元為主的β-O-4芳基醚鍵連接結(jié)構(gòu)。兩者氧脫木素漿中木素結(jié)構(gòu)的主要差別是針葉木中對(duì)-羥苯基結(jié)構(gòu)在氧脫木素后含量增加,而闊葉木中木素的脫除主要發(fā)生在漿料的表面且氧氣主要作用于酚型結(jié)構(gòu),導(dǎo)致開(kāi)環(huán)和黏糠酸的形成,其結(jié)構(gòu)基本與KP木素結(jié)構(gòu)一致,但紫丁香基結(jié)構(gòu)與愈創(chuàng)木基結(jié)構(gòu)的比例在氧脫木素后降低?；谶@些結(jié)論,通?？赏ㄟ^(guò)針對(duì)性地添加一些助劑來(lái)進(jìn)一步有效提高木素的脫除,如在闊葉木氧脫木素漿中添加苯酚和硫酸鎂,以及表面活性劑如蒽醌磺酸鈉和十二烷基二甲基氧化胺等,可在脫除木素的同時(shí)保護(hù)碳水化合物。然而,對(duì)速生桉木的硫酸鹽蒸煮和氧脫木素所得到的漿中木素結(jié)構(gòu)的研究報(bào)道不多,主要是集中在木素分離方法對(duì)木素結(jié)構(gòu)的影響;13C-NMR(13C核磁共振)表征木素的連接結(jié)構(gòu);GPC(凝膠滲透色譜)測(cè)定木素的分子質(zhì)量以及Py-GC/MS(熱裂解氣質(zhì)聯(lián)用)表征漿料殘余木素及黑液中木素的基本組成。本實(shí)驗(yàn)采用紫外-可見(jiàn)分光光度計(jì)(UV-Vis)、紅外光譜(FT-IR)、核磁技術(shù)(NMR)及硝基苯氧化法,對(duì)速生桉木的KP和氧脫木素漿的木素結(jié)構(gòu)進(jìn)行定性和定量分析,并與三倍體毛白楊和南方松KP和氧脫木素漿的木素結(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)比。1實(shí)驗(yàn)1.1纖維素酶酶速生桉木為巨桉(Eucalyptusgrandis)和赤桉(Eucalyptuscamalaulensis)雜交而成的,6年生,由廣東雷州林業(yè)局提供。纖維素酶(商品酶)取自諾維信公司。實(shí)驗(yàn)用的所有化學(xué)藥品均為外購(gòu)商品。1.2反應(yīng)時(shí)間及氧脫木素氧脫環(huán)水處理見(jiàn)表1硫酸鹽蒸煮在CAS420型油浴蒸煮器中完成。蒸煮條件為:有效堿用量(以NaOH計(jì))23%,硫化度25%,液比1∶4,蒸煮最高溫度165℃,保溫時(shí)間120min。氧脫木素的條件為:漿濃10%,用堿量2%,反應(yīng)溫度100℃,氧壓0.5MPa,反應(yīng)時(shí)間60min。所有化學(xué)藥品用量均對(duì)絕干漿量。漿料的卡伯值、黏度和白度分別按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)定。1.3離與純化方法的改進(jìn)按文獻(xiàn)的步驟對(duì)速生桉木磨木木素(MWL)進(jìn)行分離與純化。KP殘余木素(KPRL)和氧脫木素漿殘余木素(OPRL)的分離與純化在Wu等的兩步法上稍作改進(jìn)。改進(jìn)步驟如下:將所得基本純化的木素直接溶于1,4-二氧六環(huán)中(大約1g木素溶于10mL1,4-二氧六環(huán)),攪拌2h。然后進(jìn)行離心分離,將1,4-二氧六環(huán)上清液溶于去離子水中(1mL1,4-二氧六環(huán)溶于10mL去離子水中)。離心后,直接將含有1,4-二氧六環(huán)的去離子水冷凍干燥,則可獲得高純度的木素樣品。1.4液相色譜檢測(cè)條件對(duì)分離得到的3種木素進(jìn)行氧化,方法參照文獻(xiàn)。檢測(cè)條件參見(jiàn)文獻(xiàn)。高效液相色譜(HPLC)檢測(cè)條件:色譜柱為ZorbaxExtentC18;柱溫為室溫;流動(dòng)相中乙腈和去離子水的體積比為1∶9,用冰醋酸調(diào)節(jié)pH值為2.9;流速1mL/min;檢測(cè)波長(zhǎng)為280nm。1.5光譜及其質(zhì)量檢測(cè)UV:用二氧六環(huán)-水(體積比1∶10)配成濃度為30mg/L的木素溶液。用ShimadzuUV-2201分光光度計(jì)記錄200～500nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)的光譜。FT-IR:將3種干木素樣品分別與光譜純KBr按約1.5∶300.0(質(zhì)量比)混合。用NicoletNexusFTIR分光光度計(jì)記錄4000～400cm-1波數(shù)范圍的光譜。31P-NMR:木素的磷化及其檢測(cè)參照Argropoulos所描述的方法。稱(chēng)約40mg的干木素試樣,準(zhǔn)確記錄其質(zhì)量(精確到小數(shù)點(diǎn)后4位),置于2mL的樣品瓶中。加入400μL純的氘代吡啶,攪拌,再加入250μL純的氘代氯仿,啟動(dòng)轉(zhuǎn)子攪拌,使木素樣品充分溶解。加入50μL膽固醇內(nèi)標(biāo)溶液(80mg/mL)和50μL乙?；j(luò)酸鉻馳豫劑溶液(11mg/mL),加入100μL純的磷化試劑TMDP,攪拌1min后,迅速轉(zhuǎn)移到5mm的NMR測(cè)試管中,放入NMR儀器的QNP探頭中進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試條件為:NMR測(cè)試管徑5mm;室溫;脈沖角90°;掃描寬度200ppm;掃描時(shí)間2s;時(shí)域信號(hào)衰減16k,線寬因子3Hz,脈沖間隔5s;累加次數(shù)228次。2結(jié)果與討論2.1木素的脫除效果硫酸鹽蒸煮和氧脫木素后的漿料性質(zhì)見(jiàn)表1。由表1可知,硫酸鹽蒸煮后進(jìn)行氧脫木素可有效脫除漿中的木素。相對(duì)于KP,氧脫木素漿的脫木素率為44.4%,黏度損失22.3%。2.2香基、愈創(chuàng)木基、對(duì)-羥基苯甲醛含量的比較硝基苯氧化木素得到的3種小分子芳香醛,即紫丁香醛(S)、香草醛(V)、對(duì)-羥基苯甲醛(H)占木素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)見(jiàn)表2。硝基苯氧化產(chǎn)物中,紫丁香醛、香草醛和對(duì)-羥基苯甲醛含量可以反映木素中紫丁香基、愈創(chuàng)木基、對(duì)-羥苯基的含量。由表2可知,MWL、KPRL和OPRL經(jīng)硝基苯氧化后,產(chǎn)物中紫丁香醛含量均最多;香草醛含量?jī)H次于紫丁香醛;速生桉木中所含對(duì)-羥基苯苯丙單元很少,所以氧化產(chǎn)物中對(duì)-羥基苯甲醛含量非常少。此結(jié)果與Kim等所報(bào)道的結(jié)果相符。3種木素樣品中,n(S)∶n(V)∶n(H)分別為1.5∶1.0∶0.3,2.3∶1.0∶0.2和1.8∶1.0∶0.3。從這些結(jié)果可以看出,相對(duì)于愈創(chuàng)木基結(jié)構(gòu)單元,在硫酸鹽蒸煮過(guò)程中,紫丁香基型結(jié)構(gòu)單元容易從木素β-O-4芳基醚鍵中釋放出來(lái)。此外,文獻(xiàn)也報(bào)道,β-芳基丁香酯鍵比愈創(chuàng)木基型酯鍵結(jié)構(gòu)容易被氧化。2.3木素及其衍生物的性質(zhì)圖1為3種木素樣品的UV-Vis光譜圖。圖1中所有光譜均在243nm處的吸光度歸一化到3.351。在UV-Vis光譜中,3種木素樣品均在243nm和272nm處出現(xiàn)大的吸收峰。KPRL和OPRL在240～360nm的吸收值較MWL的大,一方面可能由于木素氧化而造成β-O-4芳基醚鍵和β-芳基丁香酯鍵的斷裂,暴露出更多羥基;另一方面由于羥基被氧化為羧基。360nm后,相對(duì)于MWL,KPRL和OPRL的吸收值減小,可能是因?yàn)楣曹楐驶鶊F(tuán)減少,如香草醛、紫丁香醛和對(duì)-羥基苯甲醛中的羰基減少。2.4氧脫木素實(shí)施木素的FT-IR光譜分析結(jié)果見(jiàn)表3。在2935～2845cm-1的范圍內(nèi),KPRL和OPRL的相對(duì)吸收強(qiáng)度較MWL增強(qiáng),這主要是因?yàn)榻?jīng)硫酸鹽蒸煮和氧脫木素后,木素的C—H伸縮振動(dòng)增強(qiáng)所致。3種木素樣品結(jié)構(gòu)中存在大量的紫丁香基型基本單元,因此在1121cm-1處有強(qiáng)烈的吸收,但由于硫酸鹽蒸煮和氧脫木素過(guò)程破壞了大量的β-芳基丁香酯鍵,KPRL和OPRL在1121cm-1處的吸收強(qiáng)度較MWL減弱。1034～1038cm-1之間的吸收峰主要代表甲氧基和由脂肪羥基氧化得到的羰基。KPRL和OPRL在此處的相對(duì)吸收強(qiáng)度明顯較MWL的弱,所以KPRL和OPRL中甲氧基和脂肪羥基含量低于MWL的。2.53氧脫木素氧合羥基的性質(zhì)表現(xiàn)為脂肪羥基、縮合酚羥基、愈創(chuàng)木基或脫甲基酚羥基、對(duì)-酚羥基和羧基的化學(xué)位移分別為150.0～145.0、144.6～140.2、140.2～138.6、138.6～137.0和136.0～134.0。其中,羥基含量的計(jì)算公式如下:Η=(0.0103×Ι2Ι1)×1000WH=(0.0103×I2I1)×1000W式中,H為羥基含量,mmol/g;I1為膽固醇中羥基的積分面積,此處I1=1;I2為木素結(jié)構(gòu)中羥基的積分面積;W為木素樣品質(zhì)量,mg;0.0103為本實(shí)驗(yàn)用內(nèi)標(biāo)膽固醇的物質(zhì)的量,mmol。根據(jù)公式可計(jì)算出速生桉木各木素樣品中羥基的含量,結(jié)果見(jiàn)圖2。由圖2可知,相對(duì)于MWL,KPRL中脂肪羥基含量增加33.5%,而OPRL中脂肪羥基含量則減少19.9%。這表明在硫酸鹽蒸煮過(guò)程中,木素側(cè)鏈結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化,引入了較多的脂肪羥基。另外,脂肪羥基的增多與木素間連接鍵的斷裂也有一定關(guān)系,脂肪羥基含量的增多也反映了木素結(jié)構(gòu)中側(cè)鏈上連接鍵的斷裂增多。氧脫木素后脂肪羥基含量減少,主要是因?yàn)榱u基進(jìn)一步被氧化為羧基的緣故。UV-Vis和FT-IR得到了相關(guān)的結(jié)果。愈創(chuàng)木基或脫甲基酚羥基與縮合酚羥基有相同的變化趨勢(shì),在KPRL和OPRL中的含量較MWL中的分別增加165.8%和37.8%,324.6%和72.5%。這并非因?yàn)橛鷦?chuàng)木基單元溶出較少的緣故,而是由反應(yīng)過(guò)程中形成新的酚羥基所致。對(duì)-酚羥基在KPRL和OPRL中的含量較MWL的分別增加了133.3%和100%,這說(shuō)明反應(yīng)過(guò)程中有新的對(duì)-酚羥基產(chǎn)生。將各種類(lèi)型酚羥基的量相加得到總酚羥基的量,由各種木素總酚羥基量的變化可知,經(jīng)硫酸鹽蒸煮后,KPRL中總酚羥基含量升高,而經(jīng)氧脫木素處理后,OPRL中總酚羥基含量相對(duì)于KPRL逐漸減少。需要指出的是,MWL中微量的羧基可以探測(cè)和定量。進(jìn)一步的結(jié)果顯示,在硫酸鹽蒸煮和氧脫木素過(guò)程中,β-O-4芳基醚鍵發(fā)生顯著斷裂,KPRL和OPRL羧基含量在后兩者中分別增加310.5%和842.1%。這主要是因?yàn)榱u基自由基、過(guò)氧陰離子自由基和超氧陰離子自由基等氧化木素的結(jié)果。三倍體毛白楊和南方松的數(shù)據(jù)來(lái)源于文獻(xiàn),其中,三倍體毛白楊KP和氧脫木素漿的卡伯值分別為13.2和7.7,南方松KP和氧脫木素漿的卡伯值分別為15.1和10.6,與本實(shí)驗(yàn)所用的速生桉木KP和氧脫木素漿的卡伯值接近,在此用于對(duì)比。從圖2中可以看出,速生桉木、三倍體毛白楊和南方松的KP和氧脫木素漿木素中,脂肪羥基、縮合酚羥基、愈創(chuàng)木基或脫甲基酚羥基、對(duì)-酚羥基、總酚羥基和羧基的變化趨勢(shì)是一致的。速生桉木的MWL中脂肪羥基含量小于三倍體毛白楊的,但是KPRL中則相反,說(shuō)明三倍體毛白楊經(jīng)過(guò)硫酸鹽蒸煮后,大量脂肪羥基溶于黑液中,而速生桉木中大量的β-O-4連接或者木素的側(cè)鏈發(fā)生斷裂,部分脂肪羥基溶于黑液,大部分則殘留于漿中。硫酸鹽蒸煮后,速生桉木、三倍體毛白楊和南方松的KPRL中的縮合酚羥基、愈創(chuàng)木基或脫甲基酚羥基、對(duì)-酚羥基和羧基含量都增加,但速生桉木的縮合酚羥基、總酚羥基和羧基含量最多,而愈創(chuàng)木基或脫甲基酚羥基含量則最少,對(duì)-酚羥基含量接近。氧脫木素后,速生桉木、三倍體毛白楊和南方松的OPRL中脂肪羥基、愈創(chuàng)木基或脫甲基酚羥基和羧基含量接近,但速生桉木的OPRL中縮合酚羥基、對(duì)-酚羥基和總酚羥基含量仍然最多,說(shuō)明速生桉木木素中對(duì)-酚羥基較三倍體毛白楊和南方松的難于脫除,且木素在氧脫木素中發(fā)生縮合的程度也高于三倍體毛白楊和南方松。3kprl和oplr的表征3.1硫酸鹽蒸煮后進(jìn)行氧脫木素處理可有效脫除速生桉木漿中的木素,其卡伯值由17.1降至9.5,黏度損失22.3%。3.2對(duì)木素結(jié)構(gòu)的研究可知,速生桉木的磨木木素(MWL)、KP殘余木素(KPRL)和氧脫木素漿殘余木素(OPRL)中均以紫丁香基和愈創(chuàng)木基為主,并含有少量的對(duì)-羥苯基。硝基苯氧化后,MWL、KPRL和OPRL中n(紫丁香基)∶n(愈創(chuàng)木基)∶n(對(duì)-羥苯基)分別為1.5∶1.0∶0.3、2.3∶1.0∶0.2和1.8∶1.0∶0.3。FT-IR分析顯示,KPRL和OPRL中酯的連接鍵比MWL中少。3.331P-NMR波譜分析表明,KPRL和OPRL中羧基含量逐漸增多,主要是因?yàn)樵诹蛩猁}蒸煮和氧脫木素過(guò)程中發(fā)生大量的氧化反應(yīng)所致。同時(shí),也說(shuō)明羥基自由基、過(guò)氧陰離子自由基