[发明专利]一种冻融辅助对甲苯磺酸高效分离蔗渣高得率高纯度大分子量半纤维素的方法

说明书

本发明公开了一种冻融辅助对甲苯磺酸高效分离蔗渣高得率高纯度大分子量半纤维素的方法，用对甲苯磺酸溶液充分浸泡甘蔗渣后进行超低温速冻处理，即将甘蔗渣洗净、风干、用对甲苯磺酸溶液充分浸泡后，放入超低温速冻箱中进行超低温速冻，解冻过滤，得到甘蔗渣中的高得率高纯度大分子量半纤维素。本发明利用速冻辅助对甲苯磺酸高效破解蔗渣细胞壁，加速药液的渗透，大幅提升了蔗渣半纤维素的分离效率，实现半纤维素分离的同时，抑制了木质素的溶出降解，减少了纤维素结构的破坏，半纤维素抽提得率为58.36％～64.46％，半纤维素固体纯度为90.61％～95.87％，半纤维素分子量为4.96×10⁴～6.89×10⁴。

技术领域

本发明属于高效分离蔗渣木质纤维生物质技术领域，尤其涉及一种冻融辅助对甲苯磺酸高效分离蔗渣高得率高纯度大分子量半纤维素的方法。

背景技术

木质纤维生物质是地球上最丰富的有机资源，开发木质纤维生物质的化学能，对世界经济的可持续性发展至关重要。木质纤维生物质由纤维素、半纤维素和木质素组成，占地球上植物类生物质的90％。由于来源广、可再生、易被功能化，它们在能源、化学品以及材料上均有广泛应用。在高分子材料领域木质纤维基材料的开发和应用也日渐成熟。其中纤维素材料是“明星”产品。它被应用于柔性显示器、药物载运、电子元器件模板、分离膜等领域的应用。此外木素也被用于制备吸附剂、胶粘剂以及絮凝剂。研究表明木素纳米颗粒可以增强高分子材料的耐湿性及抗菌性能。但是半纤维素材料的研究和应用明显滞后于上述两种组分。众所周知，半纤维素的骨架和支链有大量的自由羟基，通过氧化、水解、还原、醚化、酯化及交联等方法产生许多新的功能团。它是化学功能化的理想材料。它在材料领域具有广泛的潜在应用前景。事实上，木质纤维生物质中半纤维素的高效提取是限制其高值化利用的主要因素。

迄今为止，多种不同的方法被开发用于木质纤维生物质的组分分离。不同的方法具有不同的优势。如碱处理有利于木质素的分离，酸处理对半纤维素具有选择性，水热处理不需要大量化学品添加，没有二次污染。但是由于半纤维素的结构不稳定，无论是在传统的酸法、碱法处理过程中，还是在离子液体法、生物法处理过程中半纤维素都会迅速降解成单糖，难以得到半纤维素固体；碱处理过程木质素的溶出不可避免，酸处理过程碳水化合物的降解不可避免，水热法可以得到半纤维素固体，但是对半纤维素的分离效果较低，产率较低。

甘蔗渣是甘蔗经过榨糖之后剩余的、由纤维细胞和杂细胞(多为薄壁细胞)组成的固体残余物，简称蔗渣。甘蔗渣是一种常见的富含纤维素的经济作物，约有50％的纤维可以用来造纸。然而，甘蔗渣的高值化应用目前仍停留在一个较低的水平，其主要原因在于纤维素与细胞壁中的木质素和半纤维素紧密交织在一起，难以有效地对纤维素进行分离。

目前也有一些关于提取甘蔗渣中木质生物质的公开文献，例如：专利申请CN201910121751.1，公开一种快速分离甘蔗渣中半纤维素、纤维素以及木素的方法，将绝干的甘蔗渣粉末加入水浴加热的对甲苯磺酸溶液中反应15-40min，加入的蒸馏水终止反应，分离滤液和滤渣，滤渣为甘蔗渣中的纤维素；在滤液中加入蒸馏水，静置后离心分离，去除上清液，离心洗涤沉淀物，得到甘蔗渣中的木素。该方法快速且高效，反应过程中，木素收率可达90％以上，半纤维素完全降解成单糖被脱除，纤维素几乎不被破坏。但是该方法只能分离得到木素，得不到半纤维素。

专利申请CN202110370539.6，公开了一种对甲苯磺酸高效提取半纤维素固体的方法，包括以下步骤：取蔗渣充分粉碎，过筛得到蔗渣粉，装入密封袋平衡水分以备使用；配制一定质量分数的对甲苯磺酸溶液置于容器中并边搅拌边加热，升至一定温度后，加入对甲苯磺酸溶液中搅拌反应，反应完成后冷却，抽滤进行固液分离得到澄清的过滤液；将澄清滤液加入乙醇使半纤维素析出，静置将上清液虹吸回收，剩余浊液离心分离得到的固形物冷冻干燥，得到半纤维素粉末；蒸馏回收乙醇，剩下的混合液继续浓缩，浓缩液降温后，对甲苯磺酸结晶析出回收。该方法利用对甲苯磺酸的稀溶液在较低反应温度和常压下进行反应，最大化提取半纤维素固体，有利于原料各组分的分离及原料的高值化利用。