木素的分离与精制

Chapter 2 Lignin,*,Chapter 2 Lignin,*,Tianjin University of Science&Technology,第二节 木素的分离与精制,一木 素 的 分 离,研究木素的化学结构时，分离出的木素试样是否保持着天然的状态，木素的结构是否能代表它的平均状态，时常成为疑问。,目的：,研究木素的结构和性质,研究脱木素机理：脱木素过程中的化学反应，脱木素顺序，脱木素的动力学及终点控制,测定木素：木素含量,研究木素的方法,化学法：,将木素进行保护性的裂解，或是进行某些化学反应来研究木素的,基本结构单元,、基本结构,单元间的键型,、,各种结构单元和键型在数量上的比例,等。,物理法：,采用先进的手段包括,紫外吸收光谱（,UV,）、红外吸收光谱（,IR,）、核磁共振吸收波谱、电子自旋共振吸收波谱、质谱、电子显微镜,等研究木素。,结构复杂，溶解性能差,具有三度空间网状结构，并且苯丙烷单元的化学结构既具有糖类性质（,1/3,与糖相似），又具有芳香族的特性（,2/3,芳香特性）。,性质不稳定,在光、热、化学、机械等作用下，易发生变化。,与高聚糖之间错综复杂的联系,无论何种方法分出的木素，都或多或少发生了变化，以不同与原来只在于植物体中的木素。,分离木素的困难性,木素分离的困难性：,只能分离出部分木素，而非全部木素。,分离的木素要注明分离方法、试剂、研究者名称。,木素分离的种类,对象：从植物纤维原料；从纸浆中；从制浆废液中。,目的：定量分离；定性分离。,原理：沉淀木素（残渣形式）；溶解木素（溶解形式）。,1,分离方法存在的缺点,木素在分离的过程中已基本上改变了它自己的天然结构。,只能分离出全部木素量的相对未改变的一部分。,2,木素分离方法分类,第一类：木素作为残渣而分离,将无抽提物木材经水解除去聚糖（纤维素、半纤维素），木素则以不溶性残渣分离出来。如：硫酸木素、盐酸木素。这种方法分离的木素其结构已发生了变化。,第二类：木素被溶解而分离,选用与木素不起反应溶剂将木材中的木素抽提出来或将木素转变成可溶性的衍生物，再用适当溶剂抽提。如：,Brauns,木素、纤维素分解酶木素、,Bj,rkman,木素、二氧六环木素等。这种方法往往不能得到木素量的全部。,溶出高聚糖，保留木素,如,Klason,木素、高碘酸盐木素等，木素结构被破坏,直接溶出木素,如磨木木素、纤维素酶解木素（中性有机溶剂），二氧六环木素、乙醇木素（酸性有机溶剂）等，木素结构接近原本木素，得率低。,研究结构性质，尽可能采用缓和条件下的分离方法；,定量研究，主要考虑得率，分离条件较剧烈。,分离方法不同，得到木素不一样，故命名常标以方法或以研究者命名。,分离木素的方法,(,二,),木素的分离和精制,（一）植物纤维原料的预处理,1.,准 备 步 骤,木材（草类原料）木片（草片）磨碎（,40,60,目或,100,120,目）有机溶剂抽提 无抽提物试样。,2,常用的有机溶剂,乙醚、二氧己环、苯、乙醇、苯,-,乙醇混合液、丙酮以及它们的混合物等。,1,、硫酸木素（,Klason lignin,）,用,72%H,2,SO,4,处理脱提取物的试样，溶出高聚糖，保留的残渣即为,硫酸木素,，或,Klason,木素,。,该方法不适用于结构研究，广泛应用于定量分析。,注意：实际上有少量木素溶于酸液,酸溶木素,。,酸溶木素的含量：,针叶材,1%,总木素,=,酸不溶木素,+,酸溶木素,几种主要分离方法简介,木粉首先用苯,-,醇混合液抽提,6hr,，以除去木粉中的有机溶剂抽提物，然后将木粉在,72%H,2,SO,4,、温度,18,20,条件下水解，这时试样中聚糖的聚合度下降，,2hr,后聚合度下降至,10,左右。再加水使,H,2,SO,4,的浓度稀释至,3%,，在稀酸条件下继续水解，使聚糖水解成单糖溶于溶液中，余下的残渣即为,Klason,木素。,1.1 Klason,木素分离步骤,1.2 Klason,木素存在的缺点,由酸水解聚糖时，木素的结构发生了很大的变化，主要是缩合反应。原因是木素对无机酸极为敏感易生成下列阳碳离子。产生的阳碳离子极易与另外的苯基丙烷结构的,C,6,产生缩合。,2,Brauns,木素,（,Brauns Native Lignin,BNL 1939,）,2.1 Brauns,木素分离步骤,在室温下用乙醇抽提木粉（,100,200,目），抽提液经浓缩，然后注入水中，作为沉淀物进行回收。将所得到的粗木素溶于二氧六环，并用乙醚使之沉淀提纯。乙醚溶解非木素物质（,nonlignin,），而将木素沉淀出来，沉淀木素是浅奶油色粉状。,2.2 Brauns,的分析,Brauns,认为在此条件下试剂和木素不起反应，因此分离过程中不致于引起木素的变化。所以,Brauns,将所分离的木素称之为,Native Lignin,。,2.3,实验证明,Brauns,木素与不溶解的,原本木素,有类似之处，如有同样的颜色反应，类似的化学组成和反应特性。,Brauns,木素抽出的量非常少，针叶材为,2%,4%,，阔叶材为,4%,7%,。,Brauns,木素是原本木素中的低分子量部分。,Brauns,木素与原本木素比较含有较多的酚羟基。,Brauns,木素可被苯,-,醇溶液抽提出来，所以,Klason,木素中不含,Brauns,木素。,原本木素,Protolignin,。,2.4 Nord,木素（,1950,）,木素被褐色腐朽菌作用之后，和,Brauns,木素相同的条件，抽出的木素其得率稍有增加，这种木素被称之为,Nord,木素。,得率较,BNL,稍高。,性状与天然木素相似。,3.Bj,rkman,木素（,1957,）,MWL,Milled Wood Lignin,磨木木素,最早由瑞典,Bjkman,提出，故又称,Bjkman,木素,。,制备方法与特点：,a,、磨：破坏木素与高聚糖间的联结（非润胀性的甲苯为分散剂）；,b,、抽提：室温，用中性有机溶剂（含水二氧六环）。,磨木木素（,Milled Wood Lignin,MWL,）,3.1 Bj,rkman,贝克曼木素分离步骤,20,目的木粉经有机溶剂抽提后，放在,Lamp,n,磨中磨,48hr,、再在振动球磨中磨,48hr,，磨料介质采用甲苯（因木素、纤维素和半纤维素在甲苯中不发生润胀）,。,经细磨后，用含少量水的二氧六环进行抽提，然后把溶剂蒸发，把木素溶于醋酸水溶液中，再在水中沉淀、干燥，又溶于二氯乙烷,-,乙醇（体积比,2:1,）中，在乙醚中沉淀、洗涤、干燥，这样分离出的木素成为,“,磨木木素,”,。,Bj,rkman,木素为,黄褐色,非晶体粉末状。,得率：,粗木素,5070%,，纯化后,30%,左右。含有一定量的高聚糖。,颜色：,浅乳酪色,分子量：,云杉,MWL 11,000,该方法制备条件缓和，变化不大，较接近原本木素。但在制备过程中，仍可能有变化。,a,、分子量变化：降解作用，可能变小；,自由基偶合，可能变大。,b,、轻度脱甲基，,酚羟基增多，,-,羟基增多,c,、轻微氧化,磨木木素（,Milled Wood Lignin,MWL,）,3.2 Bj,rkman,木素分析,Bj,rkman,木素的分离量为,Klason,木素的量的,1/2,；,Bj,rkman,的实验证明：另一半的木素与碳水化合物存在着化学键连接；,Bj,rkman,木素可以看作木材的木素的代表，因为它是最好木素制备物之一；,Bj,rkman,木素与原本木素并不相等，分子量都比原本木素低许多。而且游离的酚羟基和,-,羰基都比原本木素高。甲氧基含量低；,Bj,rkman,木素中含有,2%,8%,的碳水化合物（,MWL,进一步抽提，得到木素糖结合体，,LCC,）。,3.3 Bj,rkman,木素方法的改进,1961,年,Brownell,介绍了用普通球磨（在陶瓷缸中加卵石球）代替用,Lamp,n,磨和振动球磨的方法，得到了球磨磨木木素。,（,BMWL-Ball-Milled Wood Lignin,）,Harkin,提出：先用冷醋酸乙酯从粗,MWL,中除去低分子的杂质，再用二氧六环,-,水（,9:1,）抽提，然后往溶液中缓缓加入,0.08,份溶剂的苯，以使含糖物质沉淀。此时加入少量氧化铝作过滤助剂。将滤液真空浓缩后进行冷冻干燥。用这种方法从云杉制得的纯,MWL,的糖含量为,0.2%,；,1950,年，,Chang,等人首次提出：振动球磨磨碎的木粉用可以分解纤维素和半纤维素的酶处理之后，以含水的二氧六环抽提，抽提液用磨木木素类似的方法精制而得到。,这样得到的为：纤维素分解酶木素（,CEL-Cellulolytic Enzyme Lignin,）,纤维素酶解木素,，,1975,年由张厚民等系统提出。,制备方法与特点：,磨,酶处理（分解纤维素和半纤维素）,有机溶剂抽提（含水二氧六环）,得率：,纯化后,5070%,，含糖量与,MWL,相近时，,CEL,的得率高,颜色：,浅乳酪色,分子量：,较高,CEL,是用于木素结构和性能研究较理想的木素制备物，但其含糖量较高，同时由于酶蛋白的干扰，其中含一定量的,N,元素。,4.,纤维素酶解木素（,Cellulolytic Enzyme Lignin,CEL,）,二、从制浆废液中分离木素,遵循三点：,分离的木素应有一定的得率；,分离的木素没有被污染；,工艺简单、便于操作。,从硫酸盐制浆废液中分离木素（硫酸木素）,通过酸沉淀和热凝结过程，分三步：酸化、过滤、洗涤。,1,、酸化：充分搅拌，加入,5%20%,的浓度的硫酸或盐酸沉淀木素。酸化可一步调至,pH,为,2,，所有木素沉淀；也可逐步酸化到不同的,pH,，得到木素沉淀级分。对黑液加热使木素微粒凝结有利于过滤。,2,、过滤：离心、压滤、真空过滤。,3,、洗涤：目的得到更为纯净的木素。将过滤的木素在酸性条件下重新制浆并过滤，或者用,pH2,的水洗涤滤饼,2-3,次。,