[发明专利]一种利用竹材碎料提取木糖、木质素和纤维素纳米晶的方法

说明书

本发明一种利用竹材碎料提取木糖、木质素和纤维素纳米晶的方法，该方法是：先利用稀H₂SO₄溶液预处理毛竹边角料，色谱分离法处理滤液后得到木糖，再用KOH溶液处理、膜分离技术以提取木质素，最后通过浓H₂SO₄溶液水解得到纤维素纳米晶（CNC）悬浮液。以木糖、木质素和CNC的得率为指标评估酸/碱处理效果。本发明采用的原料为竹制品加工废弃物——毛竹边角料，实现了保护环境，变废为宝的目标；工艺简便，反应条件温和；稀酸对设备腐蚀性小，发生的副反应少；产物得率高（木糖、木质素和CNC的得率分别为84%、80%、43%），综合利用竹粉制备的效果良好，生产成本较低。本发明对林业废弃物的综合研究与开发以及木糖、CNC的工业化生产具有重大意义。

技术领域

本发明属于竹材利用技术领域，具体涉及一种利用竹材，特别是毛竹边角料提取木糖、木质素和纤维素纳米晶的方法。

背景技术

毛竹作为一种可再生资源现已被大量利用。竹材中的毛竹边角料指的是竹拉丝及竹制品企业在生产过程中产生的毛竹“废料”。我国的竹制品企业众多，每年产生的毛竹“废料”更是数不胜数。若将这些毛竹边角料随意堆放，则会占用大量的空间，且长久堆积还会腐烂、发臭；焚烧后则会产生大量的粉尘和烟雾，造成严重的环境污染问题。因此，亟待开发出一种综合利用毛竹边角料的方法，以将“废料”转变为高附加值产品，在减少环境污染的同时，实现资源的综合利用和企业效益最大化。

木糖主要通过水解木质纤维素中的半纤维素组分而得。因独特的化学性质和生理功能，其可作为食品添加剂、甜味剂，以及糖尿病、肥胖病等疾病患者的良好食疗添加剂；此外，木糖还被广泛应用于肉食加工、肉料香料以及制备食品抗氧剂等领域。木糖除了本身具有较高的应用价值外，还可用其制取其他高附加值的化学产品。如木糖加氢还原可获得木糖醇，它是一种健康的甜味剂；木糖进一步降解生成的产物糠醛是一种重要的化工原料，其应用也十分广泛；此外，木糖通过发酵可制得可再生清洁燃料——乙醇，它对于缓解当今世界面临的能源、环境问题具有十分重要的现实意义。因此，寻求一种环保高效、便于工业化生产且低污染的木糖制备方法意义重大。

纤维素纳米晶（Cellulose nanocrystals, CNC）主要以纤维材料作为原料，通过化学、物理或生物处理的途径制备而得。CNC本身具有高强度、高模量、大的比表面积、高结晶度、低比热系数、高长径比、生物可降解性、透明性、亲水亲油等特性，若将其填充在复合材料中，能够明显改善材料的力学、电学、光学和热学等方面的性能。因此，CNC在建筑、造纸、食品、汽车、电子产品、生物材料、化妆品、医药、精细化工、航天、军工等领域具有非常大的应用潜力，针对纤维素纳米晶的研究与开发具有重要的科学意义和应用价值。

木质素的结构较为复杂，它是由三种单体聚合而成的天然高分子，这三种单体中含有9个碳原子，非常适合作为汽油替代品；同时因为它们具有芳香族化合物的结构，又可用于替代苯酚生产大宗化工产品，例如酚醛树脂等。此外，由于木质素分子结构中存在芳香基、酚羟基、醇羟基、碳基共轭双键等活性基团，因此可以进行氧化、还原、水解、醇解、酸解甲氧基、羧基、光解、酞化、磺化、烷基化、卤化、硝化、缩聚或接枝共聚等许多化学反应。由此可见，木质素用处广泛，前途光明。

综上，毛竹中的纤维素、半纤维素和木质素含量都十分丰富，通过一定的处理工艺将这些组分分离提取，再经稀酸预处理、碱处理以及浓酸水解等过程可分别获得高附加值产品——木糖和纤维素纳米晶等，这对于废弃资源——毛竹边角料的综合利用具有重要意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种利用竹材碎料提取木糖、木质素和纤维素纳米晶的方法，通过酸水解与碱处理方法将原料中的半纤维素和纤维素分别转变成高附加值产品——木糖和纤维素纳米晶，回收剩余的木质素碱溶液，从而实现竹材——毛竹边角料的综合利用。

一种利用竹材碎料提取木糖、木质素和纤维素纳米晶的方法，其特征在于它包括如下步骤：