利用堿法和有機溶劑法提取甘草渣木質素

趙儉波+陳新萍

摘要：以甘草渣為原料，采用堿法和有機溶劑法2種方法，用氫氧化鈉、氨水、丙酮、乙二醇4種溶劑提取木質素，這4種溶劑的提取率分別為：17.25%、5.75%、11.54%、12.60%。測定了木質素FT-IR光譜圖。采用乙酰化法和差示光度法測定了總羥基和酚羥基含量。結果表明：有機溶劑法提取的木質素活性基團含量更高。采用凝膠滲透色譜（GPC）測定了用氫氧化鈉和丙酮提取的木質素分子量及分子量分布，分析顯示：用丙酮提取的木質素分子量更小、分布更窄。

關鍵詞：甘草渣；木質素；堿法；有機溶劑法

中圖分類號： TQ028.9；R284.2文獻標志碼： A文章編號：1002-1302（2014）02-0223-03

收稿日期：2013-06-24

基金項目：塔里木大學校長基金碩士項目（編號：TDZKSS1002）。

作者簡介：趙儉波（1982—），男，重慶人，碩士，講師，研究方向為農業廢棄物的回收利用。E-mail：lain_1982@163.com。木質素又稱木素（lignin），是植物體次生代謝過程中合成的一種天然有機高分子物質，在自然界中的含量僅次于纖維素[1]（1-2）。木質素結構中存在多種官能團，如甲氧基（—OCH3）、羥基（—OH）、羰基（—CO）等，它們在木質素中的含量除了與木質素的種類有關外，還與木質素的提取方法有關。木質素結構中的羥基主要有2種類型：一種是存在于木質素結構單元苯環上的酚羥基；另一種是木質素結構單元側鏈上的脂肪族醇羥基；這些羥基既可以以游離的羥基存在，又可以與其他烷基或芳基連接成醚。正是由于多種官能團的存在，因此木質素能發生多種化學反應，目前國內外已經開發的木質素產品達千余種，主要有合成樹脂、膠黏劑、土壤改良劑、農藥緩釋劑、橡膠補強劑、染料分散劑、水泥減水劑、自由基清除劑等[2-3]，因此木質素在化學化工生產中具有重要的應用價值。

甘草（Glycyrrhiza Linn.）屬于豆科甘草屬灌木狀多年生草本植物，是重要的中草藥，享有“中草藥之王”的美譽。甘草廣泛分布于40°N左右的干旱、半干旱區域，在我國集中分布于三北地區（東北、華北和西北），以新疆、甘肅、寧夏和內蒙古為中心產區[4]。目前對甘草的研究較多集中在藥理方面，如提取甘草酸、甘草次酸等的研究或者關于甘草的藥理活性機制等方面的研究[5-6]。

甘草渣是用甘草提取甘草酸或甘草浸膏后的剩余物，目前，甘草渣主要用作生物有機肥、飼料添加劑或者用來提取甘草黃酮[7]。如果能夠利用甘草渣來提取木質素并加以開發利用，特別是用來替代石油化工產品以制備新材料，對于提高甘草渣的附加值有重大意義。本研究選用甘草渣作為原料，采用堿法和有機溶劑法，以氫氧化鈉、氨水、丙酮和乙二醇為溶劑從甘草渣中提取木質素，進一步測定木質素官能團的含量、分子量及分子量分布。

1材料與方法

1.1儀器與試劑

HLC-8320GPC凝膠滲透色譜儀；Cary 100紫外-可見分光光度計；FTIR-8400S傅里葉變換紅外光譜儀；電子天平；W2-180SP 旋轉蒸發儀；數顯鼓風干燥箱；精密酸度計。

72%硫酸、鹽酸、氫氧化鈉、氨水均為化學純，其余試劑均為分析純；甘草渣由新農甘草有限責任公司提供。

1.2試驗方法

1.2.1原料的預處理將甘草渣晾干、除雜、洗凈后于60 ℃烘箱中干燥6 h，粉碎、過40目篩后將干燥的甘草渣在索氏提取器中用體積比2 ∶1的甲苯-乙醇溶液進行抽提，抽提時間為6～8 h，將剩余物在40 ℃烘干即得本試驗所需的脫脂脫蠟樣品，備用。

1.2.2甘草渣中木質素總含量的測定用Klason法[1]（98-99）測定甘草渣中的木質素含量。準確稱取0.5 g脫脂脫蠟樣品并移入100 mL燒杯中，再加入8 mL 72%硫酸，充分攪拌后在18～20 ℃下放置4 h，移入500 mL的圓底燒瓶中，用280 mL蒸餾水將洗滌燒杯后的溶液移入燒瓶中；安上回流冷凝管加熱煮沸4 h，生成的不溶性殘渣用已恒重的玻璃漏斗抽濾，再用熱水洗滌幾次，在105 ℃下干燥至恒重并稱量；平行測定3次，平均值即為克拉森木質素的含量。

根據國標GB/T 2677.3—1993《造紙原料灰分的測定》測定甘草渣中的灰分含量。先準確稱取0.5 g脫脂脫蠟的樣品于干燥恒重的坩堝中，再于600 ℃箱式電阻爐中灰化直至恒重，平行測定3次，平均值即為灰分的百分含量，按下式計算樣品中的木質素總含量：

木質素總含量（%）=克拉森木質素的含量-樣品總灰分含量。

1.2.3一般的堿法提取工藝[8]稱取5.000 0 g脫脂脫蠟的樣品，在燒瓶中加入一定量的堿性水溶液，于60 ℃水浴加熱提取2.5 h；過濾后用6 mol/L乙酸將濾液的pH值調至3，減壓濃縮后將濃縮液倒入燒杯中，加入3倍體積的95%乙醇處理，靜置，待沉淀完全后過濾；將濾液濃縮除去乙醇后，用 6 mol/L 的HCl將pH值調至1.5，靜置，待沉淀完全后過濾，所得濾渣用pH值為2.0的HCl溶液洗滌，自然干燥后稱重，所得產品即為甘草渣木質素。

1.2.4有機溶劑法提取工藝

1.2.4.1丙酮法[9]稱取5.000 g脫脂脫蠟的樣品移入圓底燒瓶中，依次加入8 mL 2%稀硫酸、50 mL 60%丙酮溶液，200 ℃冷凝回流2 h后蒸餾、回收溶劑，用溫水洗滌樣品后離心分離；重復3次，自然干燥并稱重，所得產品即為甘草渣木質素。

1.2.4.2乙二醇法[10]稱取5.000 0 g脫脂脫蠟的樣品放入圓底燒瓶內，加入150 mL乙二醇蒸煮3 h后降溫到100 ℃，過濾反應后的混合物，用溫水洗滌3次，將洗滌液與濾液合并，在室溫下加入3倍體積的水攪拌15 min，此時大量的乙二醇木質素析出；靜置過夜，離心分離，濾餅用溫水洗滌后自然干燥，稱重，所得產品即為甘草渣木質素。減壓蒸餾濾液回收溶劑。

1.3官能團含量的測定

堿法提取的木質素的總羥基含量采用電位滴定法測定；酚羥基含量采用差示光度法測定；醇羥基由總羥基與酚羥基之差間接測定[11]；甲氧基通過碘甲烷生成反應的容量分析法測定。

1.4FT-IR測定

紅外光譜測定采用FTIR-8400S傅里葉紅外光譜儀、KBr壓片法。

1.5分子質量的測定

采用日本東曹株式會社HLC-8320GPC凝膠滲透色譜儀進行測定，2根色譜柱TSK-gel super HM-H串聯（6.0 mm×150 mm），流動相THF，流速0.6 mL/min，溫度 40 ℃，進樣量10 μL，標準樣品為聚苯乙烯，檢測器為示差折光檢測器。

2結果與討論

2.1不同溶劑的提取率

測定得甘草渣木質素的總含量約為19.15%。提取率的計算公式為：

2.2不同溶劑提取木質素官能團的含量

通過電位滴定法、差示光度法及甲氧基測定儀測定出的甘草渣木質素官能團含量見表2。

2.3FI-IR分析

對4種不同溶劑提取的甘草渣木質素進行紅外光譜測定，其FT-IR光譜圖見圖1。4種溶劑提取的甘草渣木質素的紅外光譜都較為相似，其主要特征吸收峰有：3 400 cm-1左右為—OH伸縮振動吸收峰，峰面比較寬大；2 930 cm-1左右是甲基、亞甲基和次甲基中C—H 的伸縮振動峰；1 665 cm-1左右是共軛羰基CCO的振動峰；1 600 cm-1、1 508 cm-1左右是芳香環骨架振動峰；1 446 cm-1左右是甲基和亞甲基的 C—H彎曲振動峰；1 411 cm-1左右是酚羥基的伸縮振動峰；1 325 cm-1 左右為紫丁香核吸收帶；1 220 cm-1左右是與紫丁香核有關的芳香核C—O 振動峰；1 020 cm-1左右是醚鍵的彎曲振動峰。該圖譜與木質素的標準圖譜[12]比較吻合。

2.4GPC分析

NaOH和丙酮提取的甘草渣木質素的GPC譜圖見圖2，用NaOH提取的木質素可直接溶于四氫呋喃中，用丙酮提取的木質素的溶解性稍差。由圖2可以看出：NaOH提取的木質素分子量分布較寬。由表3可見：NaOH提取的木質素Mn、Mw、Mz均比丙酮提取的木質素Mn、Mw、Mz大得多，分散性也較大，但較堿提取的木質素分子量小[11]。

3結論

采用堿法、有機溶劑法2種分離方法，以氫氧化鈉、氨水、

參考文獻：

[1]蔣挺大. 木質素[M]. 北京：化學工業出版社，2008：1-2，98-99.

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[9]楊益琴，李忠正. 有機溶劑法純化稻草堿木質素的研究[J]. 林產化學與工業，2000，20（4）：40-44.

[10]Cheng X S，Chen W J，Chen Y P，et al. A new method for making cellulose and lignin by using high boiling solvents[J]. Chemical Research in Chinese Universities，18（3）：175-176.

[11]葉結旺，方桂珍，金春德. Pd/C催化微波法合成氫化堿木質素[J]. 北京林業大學學報，2010，32（2）：171-176.

[12]Boeriu C G，Bravo D，Gosselink R J A，et al. Characterisation of structure-dependent functional properties of lignin with infrared spectroscopy[J]. Industrial Crops and Products，2004，20（2）：205-218.

1.3官能團含量的測定

堿法提取的木質素的總羥基含量采用電位滴定法測定；酚羥基含量采用差示光度法測定；醇羥基由總羥基與酚羥基之差間接測定[11]；甲氧基通過碘甲烷生成反應的容量分析法測定。

1.4FT-IR測定

紅外光譜測定采用FTIR-8400S傅里葉紅外光譜儀、KBr壓片法。

1.5分子質量的測定

采用日本東曹株式會社HLC-8320GPC凝膠滲透色譜儀進行測定，2根色譜柱TSK-gel super HM-H串聯（6.0 mm×150 mm），流動相THF，流速0.6 mL/min，溫度 40 ℃，進樣量10 μL，標準樣品為聚苯乙烯，檢測器為示差折光檢測器。

2結果與討論

2.1不同溶劑的提取率

測定得甘草渣木質素的總含量約為19.15%。提取率的計算公式為：

2.2不同溶劑提取木質素官能團的含量

通過電位滴定法、差示光度法及甲氧基測定儀測定出的甘草渣木質素官能團含量見表2。

2.3FI-IR分析

對4種不同溶劑提取的甘草渣木質素進行紅外光譜測定，其FT-IR光譜圖見圖1。4種溶劑提取的甘草渣木質素的紅外光譜都較為相似，其主要特征吸收峰有：3 400 cm-1左右為—OH伸縮振動吸收峰，峰面比較寬大；2 930 cm-1左右是甲基、亞甲基和次甲基中C—H 的伸縮振動峰；1 665 cm-1左右是共軛羰基CCO的振動峰；1 600 cm-1、1 508 cm-1左右是芳香環骨架振動峰；1 446 cm-1左右是甲基和亞甲基的 C—H彎曲振動峰；1 411 cm-1左右是酚羥基的伸縮振動峰；1 325 cm-1 左右為紫丁香核吸收帶；1 220 cm-1左右是與紫丁香核有關的芳香核C—O 振動峰；1 020 cm-1左右是醚鍵的彎曲振動峰。該圖譜與木質素的標準圖譜[12]比較吻合。

2.4GPC分析

NaOH和丙酮提取的甘草渣木質素的GPC譜圖見圖2，用NaOH提取的木質素可直接溶于四氫呋喃中，用丙酮提取的木質素的溶解性稍差。由圖2可以看出：NaOH提取的木質素分子量分布較寬。由表3可見：NaOH提取的木質素Mn、Mw、Mz均比丙酮提取的木質素Mn、Mw、Mz大得多，分散性也較大，但較堿提取的木質素分子量小[11]。

3結論

采用堿法、有機溶劑法2種分離方法，以氫氧化鈉、氨水、

參考文獻：

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[12]Boeriu C G，Bravo D，Gosselink R J A，et al. Characterisation of structure-dependent functional properties of lignin with infrared spectroscopy[J]. Industrial Crops and Products，2004，20（2）：205-218.

1.3官能團含量的測定

堿法提取的木質素的總羥基含量采用電位滴定法測定；酚羥基含量采用差示光度法測定；醇羥基由總羥基與酚羥基之差間接測定[11]；甲氧基通過碘甲烷生成反應的容量分析法測定。

1.4FT-IR測定

紅外光譜測定采用FTIR-8400S傅里葉紅外光譜儀、KBr壓片法。

1.5分子質量的測定

采用日本東曹株式會社HLC-8320GPC凝膠滲透色譜儀進行測定，2根色譜柱TSK-gel super HM-H串聯（6.0 mm×150 mm），流動相THF，流速0.6 mL/min，溫度 40 ℃，進樣量10 μL，標準樣品為聚苯乙烯，檢測器為示差折光檢測器。

2結果與討論

2.1不同溶劑的提取率

測定得甘草渣木質素的總含量約為19.15%。提取率的計算公式為：

2.2不同溶劑提取木質素官能團的含量

通過電位滴定法、差示光度法及甲氧基測定儀測定出的甘草渣木質素官能團含量見表2。

2.3FI-IR分析

對4種不同溶劑提取的甘草渣木質素進行紅外光譜測定，其FT-IR光譜圖見圖1。4種溶劑提取的甘草渣木質素的紅外光譜都較為相似，其主要特征吸收峰有：3 400 cm-1左右為—OH伸縮振動吸收峰，峰面比較寬大；2 930 cm-1左右是甲基、亞甲基和次甲基中C—H 的伸縮振動峰；1 665 cm-1左右是共軛羰基CCO的振動峰；1 600 cm-1、1 508 cm-1左右是芳香環骨架振動峰；1 446 cm-1左右是甲基和亞甲基的 C—H彎曲振動峰；1 411 cm-1左右是酚羥基的伸縮振動峰；1 325 cm-1 左右為紫丁香核吸收帶；1 220 cm-1左右是與紫丁香核有關的芳香核C—O 振動峰；1 020 cm-1左右是醚鍵的彎曲振動峰。該圖譜與木質素的標準圖譜[12]比較吻合。

2.4GPC分析

NaOH和丙酮提取的甘草渣木質素的GPC譜圖見圖2，用NaOH提取的木質素可直接溶于四氫呋喃中，用丙酮提取的木質素的溶解性稍差。由圖2可以看出：NaOH提取的木質素分子量分布較寬。由表3可見：NaOH提取的木質素Mn、Mw、Mz均比丙酮提取的木質素Mn、Mw、Mz大得多，分散性也較大，但較堿提取的木質素分子量小[11]。

3結論

采用堿法、有機溶劑法2種分離方法，以氫氧化鈉、氨水、

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[6]Abe M，Akbar F，Hasebe A，et al. Glycyrrhizin enhances interleukin-10 production by liver dendritic cells in mice with hepatitis[J]. Journal of Gastroenterology，2003，38（10）：962-967.

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[8]趙儉波，陳新萍，姜建輝. 甘草渣中堿木質素的提取工藝研究[J]. 塔里木大學學報，2011，23（3）：42-45.

[9]楊益琴，李忠正. 有機溶劑法純化稻草堿木質素的研究[J]. 林產化學與工業，2000，20（4）：40-44.

[10]Cheng X S，Chen W J，Chen Y P，et al. A new method for making cellulose and lignin by using high boiling solvents[J]. Chemical Research in Chinese Universities，18（3）：175-176.

[11]葉結旺，方桂珍，金春德. Pd/C催化微波法合成氫化堿木質素[J]. 北京林業大學學報，2010，32（2）：171-176.

[12]Boeriu C G，Bravo D，Gosselink R J A，et al. Characterisation of structure-dependent functional properties of lignin with infrared spectroscopy[J]. Industrial Crops and Products，2004，20（2）：205-218.