CN111116936B

CN111116936B - 基于FeOCl类芬顿反应的木质素分离提取方法

Info

Publication number: CN111116936B
Application number: CN202010013557.4A
Authority: CN
Inventors: 王志敏; 宋安东; 张凤娇; 姜广策; 吕东灿; 黄元; 王风芹; 张宏森; 谢慧; 毛国涛
Original assignee: Henan Agricultural University
Current assignee: Henan Agricultural University
Priority date: 2020-01-07
Filing date: 2020-01-07
Publication date: 2021-07-20
Anticipated expiration: 2040-01-07
Also published as: CN111116936A

Abstract

本发明属于木质纤维素预处理技术领域，具体涉及基于FeOCl类芬顿反应的木质素分离提取方法。所述方法包括以下步骤：将木质纤维素原料置于FeOCl组成的类芬顿预处理体系中，处理1‑12h；所述木质纤维素原料的添加量为1g：5‑30mL；利用碱法或者磨木法对上述原料中的木质素进行提取；上述FeOCl组成的类芬顿预处理体系的有效成分由以下组分组成：FeOCl 0.2‑3.5g/L，过氧化氢0.09‑1.55 mol/L；所述预处理体系的pH值为3‑8。通过利用FeOCl类芬顿预处理体系对木质纤维素原料进行处理，能够促进木质纤维素原料中木质素的分离和提取，所获得木质素分子量大，结构更完整，成分更均一。

Description

基于FeOCl类芬顿反应的木质素分离提取方法

技术领域

本发明属于木质纤维素预处理技术领域，具体涉及基于FeOCl类芬顿反应的木质素分离提取方法。

背景技术

随着石化资源的日益枯竭，能源与化学品供应危机日益突出，迫切需要寻找可再生资源以制备能源与化学品以替代石化资源。以农作物秸秆和林木残留物为代表的木质纤维素生物质，富含纤维素、半纤维素替代传统资源和木质素，被认为是当前替代石化资源最有前途的一种可再生资源。其中的纤维素和半纤维素多糖碳水化合物经酶水解后可得到单糖平台化合物，进一步经微生物发酵或化学催化转化可以制备乙醇、丁醇、木糖醇、琥珀酸、糠醛和乳酸等生物质能源和精细化学品。

木质纤维素中的木质素是由芳香族单体通过共价键联结而成的天然高分子材料，是自然界中芳香化合物的唯一可再生资源。早期的生物炼制工艺，以碳水化合物的综合利用为目标，认为木质素是影响碳水化合物转化的主要障碍，往往采用严苛的高温、高压、强酸、强碱等预处理手段来最大程度去除木质素，以实现碳水化合物的高效酶解转化。这种严苛的预处理过程，木质素中的β-O-4活性联接键会发生断裂形成活性片段，活性片段再聚合，最终形成C-C键连接的更加稳定的缩聚木质素。这种木质素由于原始结构的破坏，通过解聚获得芳香单体变得更加困难，现有研究表明，木质素解聚产物的单体产率和选择性与木质素中β-O-4键的保留比例正相关。

随着人们对木质素价值的高度认可，世界范围的研究人员正在热切寻找实现木质素高值转化的高效策略。鉴于木质素的结构变化主要源自β-O-4键的保留比例，目前的策略主要有两类：一类被称为被动保护法，另一类被称为主动保护法。被动保护的方法以降低预处理条件的严苛程度为手段，采用高效溶剂，在更加温和的条件下提取，获得低缩聚的木质素产物，用于后期的催化转化。这种方法得到的木质素保留了高比例的β-O-4键，有利于后期的高值转化，但是木质素的提取效率非常低，限制了其规模化应用。为了解决这一问题，研究人员采用甲醛预先对木质素的活性羟基进行保护，这种保护可以在相对严苛的提取条件下，实现木质素β-O-4键的高比例保留，提高其提取效率。但是甲醛的保护，一方面增加了原料投入，同时也为后期的解聚、分离增加了困难；主动保护的方法以木质素提取过程中形成的活性片段对对象，采用催化氢解钝化的方法，实现木质素的原位解聚，获得高选择性的木质素单体和低聚体，同时保留碳水化合物的品质。这种方法被认为是非常有前景的实现木质素全组分利用的一种策略。这种方法，虽然有其优势，但涉及贵金属催化剂的使用、催化剂失活、循环利用及操作工艺复杂等问题尚待解决，目前仅限于实验室研究阶段。

发明内容

为了解决现有技术中存在的问题，本发明的目的是提出基于FeOCl类芬顿反应的木质素分离提取方法，通过利用FeOCl类芬顿预处理体系对木质纤维素原料进行处理，促进原料中木质素的分离和提取，所获得木质素分子量大，结构更完整，成分更均一。

为了实现上述技术目的，本发明采用以下技术方案：

基于FeOCl类芬顿反应的木质素分离提取方法，包括以下步骤：

1)将木质纤维素原料置于FeOCl组成的类芬顿预处理体系中，处理1-12h；

所述木质纤维素原料的添加量为1g：5-30mL；

2)利用碱法或者磨木法对上述原料中的木质素进行提取；

上述FeOCl组成的类芬顿预处理体系的有效成分由以下组分组成：

FeOCl 0.2-3.5g/L，过氧化氢0.09-1.55 mol/L；所述预处理体系的pH值为3-8。

优选的，所述类芬顿预处理体系的有效成分由以下组分组成：FeOCl 0.8-1.6g/L，过氧化氢0.78-1.55mol/L。

优选的，所述木质纤维素原料为木材原料或农作物秸秆；所述木材原料或农作物秸秆进行预处理前先进行脱脂处理。

优选的，上述方法中碱法提取木质素的步骤为：

1）将经过预处理的木质纤维素原料置于0.025-0.2mol/L的强碱溶液中，于25-75℃反应1-10h；

所述原料与碱液的固液比为1g：5-20mL；

所述强碱为氢氧化钠、氢氧化钾和氢氧化钙任一种或两种任意比例的混合物；

2）抽滤去除沉淀，然后将滤液加入至2-15倍体积的酸溶液中；

3）待沉淀完全，固液分离，所得沉淀即为木质素。

进一步优选的，所述酸溶液为pH值为2的盐酸溶液。

优选的，上述方法中磨木法提取木质素的步骤为：

1）将经过预处理的木质纤维素原料置于球磨机中球磨1-5h；

2）球磨结束后用二氧六环于95-105℃提取1-5h，二氧六环负载量1g：10-30mL；

3）将提取液浓缩至一定体积，然后加入到2-5倍体积的乙醇中；

4）待沉淀完全后，去除沉淀，然后将滤液再次浓缩至一定体积；

5）将浓缩液加入至5-15倍体积的酸溶液中，待沉淀完全，固液分离，所得沉淀即为木质素。

基于一个总的发明构思，本发明还包括上述方法所获得的木质素，其数均分子量2100-2300，重均分子量2850-3000，分散性1.35-1.37。

本发明将FeOCl与过氧化氢组成的类芬顿催化反应应用于木质纤维素原料中木质素的分离提取中：通过将木质纤维素原料于预处理体系中处理一段时间，并用较为温和的条件（包括碱法和磨木法）提取其中的木质素，结果发现，在不同提取条件下，经过预处理原料中木质素的提取率均高于未经预处理的条件；经测定，预处理后所获得的木质素的数均分子量约2136，重均分子量约2905，分散性为1.36，而同样提取条件下，未经预处理所得木质素的数均分子量约1627，重均分子量约2263，分散性为1.39；这说明本发明所述基于FeOCl类芬顿反应的木质素分离提取方法可以提高木质素的提取率，并获得分子量大且分布集中的木质素；

通过对不同条件下获得的木质素结构进行红外表征分析，我们发现经过基于FeOCl的预处理体系出后，不但不会对木质素化学结构造成影响，而且会促进木质素的分离，从而获得分子结构和官能团更完整的木质素；而所得木质素结构的质子核磁共振谱¹H-NMR分析结果表明，预处理后所得木质素具有H、G、S特征峰属于典型的草本木质素结构，且预处理并不破坏木质素的β-O-4连接键，基本保留了原始木质素的结构，对木质素的骨架结构影响不大。

本发明的实施结果充分证明，所述基于FeOCl类芬顿反应的木质素分离提取方法能够保留木质素中高比例的β-O-4键，有利于后期的高值转化，且木质素的提取效率高，克服了现有技术中高品质木质素提取率低的技术难题；另外，本发明中所用FeOCl成本低廉，易于制备，有效降低了催化剂的使用成本，从而提供了一种既经济、又高效的高品质木质素分离提取方法。

附图说明

图1 所制备FeOCl的XRD分析图谱；

图2 所制备FeOCl的XPS分析图谱；

图3 所制备FeOCl的SEM电镜图；

图4 不同pH值条件下预处理体系对木质纤维素酶解效果的影响；

图5 不同FeOCl添加量对预处理效果的影响；

图6 不同H₂O₂添加量对预处理效果的影响；

图7 不同预处理时间对预处理效果的影响；

图8 不同提取条件下所得木质素的傅里叶红外光谱分析图谱；

图9 预处理前后所得木质素的核磁共振谱¹H-NMR分析图谱。

具体实施方式

以下结合具体实施例对本发明作进一步的详细说明。

发明人的相关实验表明本发明所述预处理体系在对木材原料桉木、榉木、松木、桦木和杨木，以及农作物秸秆玉米、小麦、高粱、棉花和甘蔗渣进行预处理后，均可显著提高上述原料中木质纤维素的降解效率；以下实施例中发明人仅以玉米秸秆为例进行效果阐述，所用玉米秸秆产自河南省巩义市；所用玉米秸秆粉碎后过60目筛烘干备用；

本发明所用纤维素复合酶(CTec₂)购自诺维信(中国)生物技术有限公司；其他各种原料均为普通市售产品，或者通过本领域技术人员公知的方法或者现有技术中公开的方法获得。

实施例1

本发明所用FeOCl通过以下步骤制得：

取适量六水合三氯化铁放入研钵，充分研碎，然后转移到坩埚中；盖上坩埚盖，放入马弗炉中，于空气气氛中220℃加热60min；取出样品，用无水丙酮清洗，除去未反应的三氯化铁，即得到紫红色的FeOCl。

为了验证所得FeOCl的纯度，利用X射线衍射、X射线光电子能谱和扫描电镜（SEM）对其进行表征分析；

图1为所制备FeOCl的XRD图谱，可以看出，本发明所制备样品与FeOCl的标准峰位置完全对应，且衍射峰峰型尖锐，说明制备所得FeOCl纯度较高，且晶型完整；

图2为FeOCl的XPS图谱，可以看出所得FeOCl中各元素的价态结构符合FeOCl中元素的价态和能级分布；

图3为所制备FeOCl样品的SEM电镜图，从不同放大倍数下的扫描电镜图可以看出，所制备FeOCl微观结构呈明显的层状结构，符合FeOCl典型层状结构的特征。

综上，本实施例中制备所得FeOCl结构完整，化合物中各元素价态和能级分布以及微观结构均符合典型FeOCl的特征，下面将利用该FeOCl进行后续试验。

实施例2

为了考察FeOCl参与的类芬顿催化反应体系对木质纤维素原料的预处理效果，本发明利用FeOCl与过氧化氢组成类芬顿反应体系对玉米秸秆进行预处理，然后考察了预处理后玉米秸秆中纤维素的降解效果，具体试验过程如下：

1、试验方法

（1）类芬顿预处理

称取5g经粉碎的玉米秸秆，加至100mL预处理体系中，室温下处理时间一段时间后，对样品进行洗涤、干燥以备后续酶解使用；

（2）酶解处理

称取0.5g经上述处理的玉米秸秆样品置于50mL的三角瓶中，加入0.05M柠檬酸-柠檬酸钠缓冲液20mL，缓冲液的pH值为4.8；按照20FPU/g干物料的量加入纤维素复合酶，搅匀后放于50℃，180r/ min摇床中振荡酶解48h；为防止微生物的生长加入一定量的抗生素（氨苄青霉素）；酶解后取适量糖化液用水稀释10倍测定其中的糖浓度。

2、测定方法

纤维素、半纤维素以及木质素的测定按照美国可再生能源实验室(NREL)制定的生物质三素测定程序进行检测；

糖浓度测定利用Dionex P680高效液相色谱仪进行，所配检测器为RI101示差折光检测器；氢离子交换色谱柱A Minex HPX-87H，柱温为55℃，所用流动相为5mmol/L的H₂SO₄(pH 2.0)，流速为0.6mL/ min。

3、计算公式

下文中纤维素、半纤维素、木质素的保留率的计算公式如公式1所示：

(公式1)。

4、结果与分析

4.1 预处理对玉米秸秆中主要组分的影响

为了考察FeOCl组成的预处理体系对玉米秸秆组分的影响，将5g玉米秸秆置于100mL预处理体系中处理12h，其中FeOCl添加量0.16g，H₂O₂ 0.78mol/L；处理后测定玉米秸秆中木质素、纤维素和半纤维素含量，并计算保留率；

经测定，预处理后玉米秸秆中木质素的保留率为94.34%，纤维素的保留率为93.56%，半纤维素的保留率为93.79%；预处理过程会造成原料中部分组分的损失，这是不可避免的，但是在使用上述预处理体系对玉米秸秆进行预处理后，样品中三素的保留率均超过93%，说明该预处理体系是一种温和的预处理体系，对玉米秸秆中三素含量的影响较小。

4.2 预处理体系的pH值对处理效果的影响

接着，我们考察了不同pH值条件下预处理体系对玉米秸秆中纤维素的降解效果：分别将预处理体系pH值调至3、4、5、6、7、8，处理24h，然后对样品进行洗涤、干燥；将上述经过预处理的玉米秸秆加入生物酶解反应体系进行酶解处理，并测定酶解液中糖浓度，根据糖浓度和添加玉米秸秆的量换算成糖含量（单位为g/100g，表示100g秸秆所产生的糖量）；上述试验设置三组平行，试验结果取平均值；

不同pH值条件下玉米秸秆酶解48h后酶解液中糖含量对比见图4；

可以看出，玉米秸秆经不同pH值条件下的预处理体系处理后，酶解液中糖含量没有出现显著差异；这说明，本发明FeOCl参与的类芬顿催化预处理体系在pH值3-8范围内均可进行类芬顿催化反应，克服了传统芬顿催化反应只能在酸性条件下进行的缺点。

4.3 预处理体系中FeOCl含量对处理效果的影响

为了考察预处理体系的不同组分含量对玉米秸秆酶解效率的影响，将玉米秸秆分别置于FeOCl添加量为0.02g、0.04g、0.08g、0.16g和0.32g的预处理体系中，处理12h；然后将经过预处理的玉米秸秆进行酶解处理，并测定酶解液糖含量；以未经预处理的玉米秸秆为空白对照组（CK）；上述试验均设置三组平行，试验结果取平均值；玉米秸秆酶解液中糖含量对比见图5；

可以看出，经过预处理的玉米秸秆酶解液中糖含量均高于未经预处理的空白对照组；随着FeOCl添加量的增加，预处理后玉米秸秆酶解液中糖含量逐步增加，当添加量为0.16g时，玉米秸秆酶解液中糖含量达到最大19.18g/100g；之后，随着添加量的进一步增加，酶解液中糖含量没有大幅度的增加，基本呈现平稳状态。

4.4 预处理体系中H₂O₂含量对处理效果的影响

接着，考察了不同H₂O₂添加量对玉米秸秆酶解效率的影响；其中，H₂O₂添加量分别为0.09mol/L、0.19mol/L、0.38mol/L、0.78mol/L和1.55mol/L；处理12h后，玉米秸秆酶解液中糖含量测定结果见图6；

可以看出，当H₂O₂添加量为0.09-0.38mol/L时，预处理后玉米秸秆酶解液中糖含量从7.56g/100g缓慢增加至10.21g/100g；而当H₂O₂添加量为0.78mol/L时，预处理后玉米秸秆酶解液中糖含量急速增加至0.38mol/L条件下的2倍左右，达到21.13g/100g；当H₂O₂添加量继续增加至为1.55mol/L，玉米秸秆酶解液中糖含量最终达到21.73g/100g，比0.78mol/L时的21.13g/100g仅增加2.84%。

从上述试验结果可以看出，FeOCl与H₂O₂组成的类芬顿预处理体系能够提高玉米秸秆中纤维素的酶解效率，但是该体系中FeOCl的添加量并非越多越好，因而0.08-0.16g是FeOCl较优的添加范围，0.78-1.55mol/L是H₂O₂的较优添加范围。

4.5 预处理时间对处理效果的影响

为了考察预处理时间对玉米秸秆酶解效率的影响，将5g秸秆加入含有0.16gFeOCl和0.78mol/L H₂O₂的100mL预处理体系中，设置预处理时间梯度1h、2h、3h、6h、9h、12h，预处理后玉米秸秆样品进行酶解处理，并测定酶解液中糖含量；以未经预处理的玉米秸秆作为对照组，上述试验均设置三组平行，试验结果取平均值；经不同时间预处理的玉米秸秆酶解液中糖含量变化曲线见图7；

从图中可以看出，当预处理时间为6h时，玉米秸秆酶解液中糖含量达到最大值21.68g/100g；之后随着预处理时间继续增加到9h和12h，处理后玉米秸秆的酶解液中糖含量并不继续增加，反而出现一定程度的下降，但是预处理9h和12h的酶解液中糖含量较为接近并均高于预处理3h的条件；这说明本发明所述FeOCl组成的类芬顿催化体系处理6h即可达到最佳处理效果，与背景技术中现有的芬顿催化体系120h的处理时间相比，FeOCl组成的类芬顿催化体系能够显著缩短玉米秸秆的预处理时间，因而有效提高了玉米秸秆中纤维素的降解效率。

实施例3

实施例2的试验结果表明，FeOCl组成的类芬顿预处理体系能够在pH值3-8范围内提高玉米秸秆中纤维素的酶解效率，即，该类芬顿预处理体系能够促进玉米秸秆中纤维素的降解，有效缩短预处理时间。而在天然木质纤维素原料中，纤维素、半纤维素和木质素是以一定共价结合的方式存在，纤维素的降解理论上也会伴随木质素和半纤维素的降解；因而发明人接着考察了上述预处理体系对玉米秸秆中木质素降解和提取的影响，具体试验过程如下：

1、试验方法

（1）脱脂处理

玉米秸秆在用于木质素提取时，先进行水醇处理，目的是去除秸秆本身的色素和脂类，具体步骤为：取一定量玉米秸秆原料，按照固液比1g：10mL加入蒸馏水，于60℃条件下处理2h；真空泵抽滤去滤液，然后将原料烘干，用滤纸包裹放入索式抽提器中用乙醇进行索式抽提；脱脂后的原料放于通风橱晾干，然后干燥，备用；

（2）类芬顿预处理

将5g经过水醇处理的玉米秸秆原料置于100mLFeOCl和H₂O₂组成的预处理体系中处理6h，所述预处理体系中FeOCl添加量为1.6g/L，H₂O₂ 0.78mol/L；预处理后，将原料清洗、干燥，以备后续使用；

（3）木质素分离提取

取类芬顿预处理前后的玉米秸秆20g，分别置于不同浓度的NaOH溶液200mL中，于不同温度下反应2h；抽滤去除沉淀，然后用3%盐酸溶液调节pH值为2，待沉淀完全后，离心，冻干，即得木质素；

（4）木质素的乙酰化

取50mg木质素溶于3毫升的DMSO:NMS(2:1，v/v)混合溶液中，在室温黑暗条件下反应24h；加入1 mL乙酸酐反应1.5h后，向反应体系中加少量乙醇以便除去多余的乙酸酐；将上述溶液缓慢加入至10倍体积pH值为2的盐酸溶液中，直至析出沉淀；用乙醇洗涤沉淀至无乙酸酐气味，离心、冷冻干燥，即得用于分子量测定的乙酰化木质素。

2、分析方法

（1）木质素分子量测定

木质素样品的重均分子量( Mw)和数均分子量( Mn)通过安捷伦PL-GPC 220型凝胶渗透色谱仪进行测定，具体分析条件为：

称取4 mg乙酰化木质素样品溶解在2mL色谱级四氢呋喃中，聚苯乙烯标样为基准分子质量，四氢呋喃作洗脱剂，进样量为10μL，检测254nm处紫外吸收值；

（2）木质素红外光谱分析

将KBr粉末和少量木质素样品以1:100的比例混匀后研磨压片处理，然后利用傅里叶红外光谱仪分析，扫描波长范围是4000-500cm^-1，样品扫描次数为32次，分辨率是2cm^-1；

（3）木质素质子核磁共振谱¹H-NMR分析

取50 mg的木质素样品溶解于0.5mL的DMSO-d6中，然后将溶液转入5mm的样品管，放入核磁共振仪的探头内进行¹H-NMR测定，采用反向探头测定，测定的工作频率为500 MHZ以DMSO-d6 (2.5 ppm)为基准。

3、结果与讨论

3.1 类芬顿预处理对玉米秸秆中木质素提取率的影响

为了考察类芬顿预处理对玉米秸秆中木质素提取率的影响，将经过类芬顿预处理的玉米秸秆分别置于0.025mol/L、0.05mol/L和0.1mol/L NaOH溶液中，并分别于25℃、50℃和75℃条件下反应2h，然后提取其中的木质素；将所得木质素与玉米秸秆中木质素总含量的比值即为木质素的提取率；上述试验以未经处理的玉米秸秆为对照组，每组试验设置三组平行，试验结果取平均值；不同预处理时间及提取条件下，玉米秸秆中木质素的提取率见表1至表3；

表1 25℃条件下不同NaOH浓度提取所得木质素的量

表2 50℃条件下不同NaOH浓度提取所得木质素的量

表3 75℃条件下不同NaOH浓度提取所得木质素的量

从NaOH提取浓度来看，随着所用NaOH浓度的增加，预处理前后玉米秸秆中所得木质素的提取率均逐渐增加；而不同反应温度条件下，经过类芬顿预处理的玉米秸秆中木质素的提取率均高于未经预处理的条件；且预处理6h的木质素提取率高于预处理3h的条件；

用碱法提取木质素时，玉米秸秆中木质素与纤维素、半纤维素的连接键在强碱作用下会发生解离，因而所用碱浓度越高，木质素的提取率越高；而上述结果表明本发明所述类芬顿催化反应体系可以在预处理阶段促进木质素的解离，从而提高后续碱法提取木质素的提取率。

3.2 木质素红外表征分析

为了考察预处理及不同提取条件对所得木质素化学结构及其官能团的影响，利用傅里叶红外光谱分析仪对木质素的结构进行红外光谱分析（图8）；所得木质素的提取温度为75℃；图中A、B、C、D分别为NaOH浓度0.025mol/L、0.05mol/L、0.1mol/L和0.2mol/L条件下所得木质素的红外图谱；

木质素各官能团特征吸收主要集中在800-1800cm^-1的指纹区，其中，1707cm^-1处代表非共轭羰基的酮、羰基的C=O伸缩振动吸收峰，1656cm^-1代表羰基共轭芳香酮C=O伸缩震动吸收峰，1513cm^-1代表苯环骨架的伸缩振动吸收峰，1241cm^-1代表紫丁香基核有关的芳香核C=O缩合吸收峰，1126cm^-1代表愈创木基和紫丁香基C-C，C-O伸展震动吸收峰，835cm^-1代表紫下香基C-H伸缩震动吸收峰；

从图中可以看出，当NaOH为0.025M时，经类芬顿预处理后木质素样品中1513cm^-1和1126 cm^-1处吸收峰均比未经预处理的木质素震动幅度大，且835cm^-1处吸收峰显著，而未经预处理的木质素样品中835cm^-1处的吸收峰几乎消失；这说明，经过类芬顿预处理不但不会对木质素化学结构造成影响，而且会促进木质素的分离，从而获得分子结构和官能团更完整的木质素；

随着提取木质素所用NaOH浓度的增加，预处理对木质素结构的影响逐渐降低，如在0.05-0.1M条件下，两种木质素样品的吸收峰较为接近；在0.2M条件下，不经预处理所得木质素样品中1513cm^-1、1126cm^-1和835cm^-1处吸收峰反而比经过预处理所得木质素的吸收峰振幅更大；但是，将不同NaOH浓度条件下所得木质素的红外图谱放一起对比可以发现，随着NaOH浓度的增加，木质素中各吸收峰的峰型变宽，吸收峰之间的区分度下降；出现这种情况的原因可能是，高浓度的碱能够打开木质素与半纤维素、纤维素之间的连接键，从而促进木质素的分离提取，但是碱浓度过高也会造成木质素的降解，破坏木质素分子的主体结构和官能团，这种破坏作用随着碱浓度的增加而增大，从而抵消了芬顿预处理对木质素完整分离的促进作用。

3.3 木质素分子量的测定

上述结果表明，本发明所述类芬顿预处理体系能够促进玉米秸秆中木质素的分离，从而提高木质素的提取率，而且所得木质素的分子结构（包括苯环骨架和官能团）更完整；但是提取过程碱浓度过高（如NaOH为0.2mol/L）会破坏分离后木质素的结构，从而削弱预处理作用的促进效果；为了进一步揭示本发明预处理体系对木质素分离的促进作用，本发明将预处理前后玉米秸秆利用更温和的磨木法进行木质素提取，并测定所得木质素的分子量；

磨木法的具体步骤如下：

（1）将经过6h类芬顿预处理的玉米秸秆或未经预处理玉米秸30g置于球磨机中500转/分钟球磨2h；

（2）球磨结束后用96%二氧六环于100℃提取2h，二氧六环负载量1g:20mL；

（3）将提取液浓缩至60mL，然后滴加入3倍体积的95%乙醇中；去除沉淀，然后将滤液再次浓缩至60mL；

（4）将浓缩缓慢加入10倍体积的pH值为2左右的盐酸溶液中，过滤或离心，所得沉淀即为木质素；

所得木质素用贝克曼木质素纯化法进行纯化处理，然后经乙酰化测定其分子量；所得木质素的数均分子量M_n、重均分子量M_w，和多分散系数( M_w/M_n)列于表4；

表4 不同条件所得木质素分子量对比

可以看出，经过类芬顿预处理6h，所得木质素无论是数均分子量还是重均分子量均比未经预处理所得木质素大，且其分散性更集中，证明了本发明所提出的芬顿预处理体系不仅可以促进玉米秸秆中木质素的分离，而且所得木质素分子结构更完整，分布更集中。

3.4木质素质子核磁共振谱¹H-NMR分析

¹H-NMR是针对于木质素含氢结构进行分析的一种手段，可由图谱中的不同化学位移出现共振峰而对木质素的结构进行分析；为了揭示本发明所述预处理体系对木质素分离提取的促进作用机理，发明人将上述磨木法提取的木质素进行质子核磁共振谱¹H-NMR分析，具体分析结果见图9；

从图中可以看出，预处理前后从玉米秸秆中提取所得到的样品具有木质素H、G、S特征峰属于典型的草本木质素结构；其中，化学位移为6.7-6.79ppm处为紫丁香基苯丙烷（S）与愈创木基（G）结构单元上的芳香环上的质子产生的，表明S单元和G单元含量相当；7.5ppm为对对羟基苯基中的氢，4.17ppm处信号峰为芳香醚键中与碳相连的的Hβ和Hγ产生的，说明木质素中β-O-4键的存在，且芬顿处理后木质素样品的吸收强度与未处理一致，说明芬顿处理过程中基本没有破坏木质素的β-O-4连接键，3.72ppm为木质甲氧基强信号峰，1.51ppm处为羰基中甲基和亚甲基的质子信号峰，木质素侧链脂肪族质子信号峰在1.24-0.86ppm之间；从图中可以看出经本发明类芬顿预处理后木质素基本保留了其原始木质素结构，说明预处理对木质素的骨架结构影响不大。

综合而言，本发明预处理体系能够促进玉米秸秆中木质素的分离，提高木质素的提取率，并且经预处理体系处理后，不会对木质素的骨架结构造成影响，基本保留了木质素的原始结构，从而得到分子量更大、分布更集中且结构更完整的高品质木质素，为后续木质素的进一步开发利用奠定基础。

Claims

1.基于FeOCl类芬顿反应的木质素分离提取方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）将木质纤维素原料置于FeOCl组成的类芬顿预处理体系中，处理1-12h；

所述木质纤维素原料的添加量为1g木质纤维素原料：5-30mL类芬顿预处理体系；

（2）利用碱法或者磨木法对步骤（1）所得原料中的木质素进行提取；

FeOCl 0.2-3.5g/L，过氧化氢0.09-1.55mol/L；所述预处理体系的pH值为3-8。

2.如权利要求1所述的木质素分离提取方法，其特征在于，所述类芬顿预处理体系的有效成分由以下组分组成：FeOCl 0.8-1.6g/L，过氧化氢0.78-1.55mol/L。

3.如权利要求1所述的木质素分离提取方法，其特征在于：所述木质纤维素原料为木材原料或农作物秸秆；所述木材原料或农作物秸秆进行预处理前先进行脱脂处理。

4.如权利要求1所述的木质素分离提取方法，其特征在于，所述碱法提取木质素的步骤为：1）将经过预处理的木质纤维素原料置于0.025-0.2mol/L的强碱溶液中，于25-75℃反应1-10h；

所述原料与碱液的固液比为1g：5-20mL；

3）待沉淀完全，固液分离，所得沉淀即为木质素。

5.如权利要求4所述的木质素分离提取方法，其特征在于：所述酸溶液为pH值为2的盐酸溶液。

6.如权利要求1所述的木质素分离提取方法，其特征在于，所述磨木法提取木质素的步骤为：

（1）将经过预处理的木质纤维素原料置于球磨机中球磨1-5h；

（2）球磨结束后用二氧六环于95-105℃提取1-5h，二氧六环负载量为1g木质纤维素原料：10-30mL二氧六环；

（3）将提取液浓缩至一定体积，然后加入到2-5倍体积的乙醇中；

（4）待沉淀完全后，去除沉淀，然后将滤液再次浓缩至一定体积；

（5）将浓缩液加入至5-15倍体积的酸溶液中，待沉淀完全，固液分离，所得沉淀即为木质素。

7.利用权利要求1至6任一项所述方法获得的木质素，其特征在于：其数均分子量2100-2300，重均分子量2850-3000，分散性1.35-1.37。