离子液体法提取毛竹竹笋和一月龄幼竹半纤维素及其结构分析

摘要

在全球能源危机环境下,生物质资源成为新能源、新材料、新资源的重要来源。毛竹作为重要的生物质资源也是我国种植面积最大、经济效益最好的竹种,在食品、化工、医药、保健、制浆造纸和新能源开发等领域的深层开发利用显得尤为重要。作为生物质资源中开发利用率较低的半纤维素,由于其含量较高,它的应用开发已受到广泛重视。离子液体是近年来发展起来的绿色化学框架中的重要一员,其低蒸汽压、高稳定性、不可燃、可设计、易回收等特点在电化学、有机合成和催化化学领域得到极大应用,但用在生物质组分半纤维素分离方面的研究还相对较少。本研究通过选取对纤维素和木质素有良好溶解性的离子液体设计离子液体直接提取法和间接提取法提取毛竹竹笋和一月龄幼竹半纤维素组分,并同传统碱提取法所得半纤维素进行对比,通过不同方法对半纤维素组分结构的影响判断离子液体法分离生物质资源中半纤维素组分的能力。对于木质生物质资源组分的有效分离具有重要的科学理论意义,对于扩大木质生物质资源的应用领域具有重要的实际价值。
　　 本研究通过选取对纤维素有较好溶解性的离子液体氯化1-烯丙基-3-甲基咪唑([Amim]C1)和对木质素有良好溶解特性的离子液体1-乙基-3-甲基眯唑醋酸盐([Emim][OAC])设计了离子液体直接提取法和间接提取法提取毛竹竹笋和一月龄幼竹半纤维素组分,并同传统碱提取法所得半纤维素进行对比。研究结果表明:离子液体法能够从原料中分离出半纤维素组分,其过程简单,条件温和,对环境影响小,离子液体回收率高,为半纤维素分离提供了新思路。
　　 糖醛酸和中性糖组分分析结果表明:不同的提取方法所得半纤维素均包含糖醛酸成分,其含量在0.2％～7.6%之间。中性糖组成类似,主要包括木糖(6.1%-86%)、阿拉伯糖(5.3%-20.9%)、葡萄糖(8.1%-55.2%)和少量甘露糖。通过FT-IR、1HNMR和13CNMR谱图分析可知不同提取方法所得产物均显示出聚木糖类半纤维素结构特征,都是以β-D-吡喃木糖通过1→4键链接构成主链,0-3或0-2位有乙酰基取代,α-L-呋喃阿拉伯糖和4-O-甲基-D-萄糖醛酸作为侧链链接于木糖主链上,其中α-L-呋哺阿拉伯糖通过木糖的C-2位连接,4-O-甲基-D-葡萄糖醛酸通过木糖的C-3位连接。通过SEM观察,半纤维素呈现絮状或块状形态,与提取方法无关。
　　 采用热重分析法(TGA)研究不同分离方法提取的半纤维素组分热分解规律。可知半纤维素组分热分解可分为四个温度区间,主要热解过程发生在240℃-400℃区间内。根据TG-DTG曲线可知半纤维素组分的最大失重峰在250℃-300℃区间内。不同提取方法所得半纤维素TG-DTG曲线特征非常相似。采用Coat-Redfem方程对半纤维素组分最大失重率峰值所属区间进行动力学分析,求出并比较各组分的活化能E和指前因子A,不同方法提取的毛竹竹笋和一月龄幼竹半纤维素组分活化能差异较大。