聚合氯化铝对木质纤维素MgCl2预处理液的纯化

韩潇，霍丹,2,*，谷丞，孙悦凯，司传领，裴继诚，刘莹

(1. 天津科技大学天津市制浆造纸重点实验室，天津 300457；2. 广西清洁化制浆造纸与污染控制重点实验室，广西大学轻工与食品工程学院，南宁 530004；3. 天津市尖峰天然产物研究开发有限公司，天津 300457)

生物质原料作为来源丰富的可再生碳资源，其各组分的高效分离和高值利用受到越来越多的重视与关注[1-2]。其中半纤维素是由不同糖基组成的多糖类聚合物，是生物质原料中的重要部分[3]，主要集中在植物细胞壁的初生壁和次生壁中。近年来，半纤维素木聚糖在制药、食品、能源、化工和生物等工业中被广泛应用[4-5]。

预处理是生物质组分高效分离的重要步骤[6]。半纤维素主要存在于预处理液中，除半纤维素外，预处理液中还含有木质素及多种降解产物等大量复杂有机物，这无疑增加了半纤维素基多糖高值化转化的难度。由此可见，半纤维素糖利用前的提取纯化尤为关键，现已成为热点研究。EmimAc是一种选择性分离化学纸浆中半纤维素的溶剂，将氢氧化钠水溶液(NaOH-a)加入EmimAc溶液中形成EmimAc/NaOH-a体系，能够提高半纤维素的分离效果[7]。You等[8]利用芳香族选择性吸附树脂从甘蔗渣碱性提取半纤维素中去除木质素，木质素去除率可达到89.2%。Hliavitskaya等[9]提出了一种新型的聚醚砜膜改性方法，可以提高膜的分离性能，在热机械制浆工艺水的分离、半纤维素的浓缩和提纯等方面有很好的分离效果。

目前，对预处理液的纯化主要集中在对大分子木质素的去除上。纯化方法有化学法加入高分子混凝剂[10]、物理法进行离子交换树脂吸附[11]或者冷冻处理[12]、生物法加入漆酶处理[13]等，也有利用多种处理方法相结合的方式去除预水解液中的木质素[14]。其中离子交换树脂吸附法作用效果快、应用范围较广、适当条件下有一定纯化效果，但选择性差且成本过高；冷冻处理与生物酶法操作步骤简单，但对木质素去除率较低，达不到去除木质素的效果；多种方法结合虽然可以有效规避单一方法的不足，但是技术复杂并且会加大目标产物的损耗，选择性较差。高分子絮凝剂种类繁多，来源丰富，聚合氯化铝(PAC)是其中一种无机高分子混凝剂[15]，其价格便宜且操作简单，沉降效果明显，适用pH范围广。在 pH 8.9时，采用80 mg/L 的PAC处理杨木预水解液，在去除25%木质素的同时可保持低聚糖的含量基本不变[16]，可见PAC絮凝沉降法是一种非常有发展潜力的纯化方法。

前期研究表明，MgCl2对木质纤维素中的半纤维素具有选择性降解的作用，90%以上的半纤维素因降解而溶于预水解液中。然而，在半纤维素降解脱除的同时，会伴有部分木质素以及糖降解产物的产生。因此获得高纯度的半纤维素多糖必须将预水解液中的这些杂质去除。为了有效提取预处理液中的半纤维素，促进其高值转化利用，本研究拟通过聚合氯化铝絮凝的方法去除木质素，探讨PAC对MgCl2预处理液胶体稳定性的影响及其去除木质素的特性。在较低pH(10左右)下，PAC可与液体中的镁离子形成新的镁铝复合沉淀物，这种沉淀物比表面积大，带正电，有很好的水质净化能力。因此，预水解液中镁离子的存在，一方面会促进PAC中Al(III)的电离，另一方面形成的复合沉淀物进一步促进预水解液的纯化，这为预处理液的纯化分离及其中各组分的后续高值化利用提供新的思路。

1 材料与方法

1.1 试验材料

桉木木片，购自广西金桂纸业集团有限公司，粉碎、筛分后经过苯-乙醇抽提风干后得到40～60目(孔径0.381～0.253 mm)粉末；其他试剂均为国产分析纯。

1.2 预水解液的制备

预处理在高温高压反应釜(美国Parr)中进行。将质量恒定的桉木粉和0.2 mol/L MgCl2溶液以固液比1∶15(g∶mL)的比例加入反应器中，并在170 ℃下保温20 min，经真空泵抽滤，进行固液分离并回收。

1.3 聚合氯化铝絮凝

在离心管中分别加入2 mL预水解液，依次加入一定质量的PAC絮凝剂，离心后，分别对各上清液中的粒径、Zeta电位、固含量、低聚糖含量和木质素含量及其分子量分布情况进行检测分析。

1.4 预水解液中组分的测定

预水解液中溶解的单糖、半纤维素低聚糖及其多种降解产物利用高效液相色谱法(HPLC)进行定量分析(各物质含量根据各标准曲线计算，标准曲线图见OSID附图1)。低聚糖的测定：量取20 mL预处理液至 25 mL试管中，再向试管中加入 0.7 mL 72%(质量分数)H2SO4，在 121 ℃的高压灭菌锅中进行预处理液再水解，保温1 h后取出水解液，冷却至室温，用高效液相色谱测其单糖含量。将水解液中的单糖含量与预处理液中的单糖含量之差作为相应预处理液中低聚糖的含量。液相色谱条件为：色谱柱Bio-Rad Aminex HPX-87H(长×直径=300 mm×7.8 mm，美国Bio-Rad)，柱温55 ℃，流动相为0.005 mol/L的稀硫酸，流速为0.6 mL/min，进样量为10 μL，采用示差折光检测器(RID)和紫外检测器(VWD)。

预水解液中木质素的含量(B，g/L)测定使用紫外分光光度计检测，检测波长为205 nm。具体计算公式如下：

(1)

式中：A为紫外分光光度计检测吸收值；D为样品稀释倍数；110为吸光系数。

1.5 Zeta 电位和粒径的检测

Zeta电位和粒径用电位仪(FPA，德国AFG)在25 ℃下测量，将样品用滴管在样品池一侧缓慢加入充满U型管。测量粒径时，使用仪器配置的比色皿，加入1/3左右稀释一定倍数的样品进行测量。Zeta电位绝对值代表其稳定性大小，正负代表粒子带何种电荷。

2 结果与分析

2.1 预水解液的Zeta电位和粒径

2.1.1 PAC用量对预水解液Zeta电位及粒径的影响

Zeta电位与溶液的胶体稳定性有直接的关系[17]。当Zeta电位的绝对值<10时，溶液的胶体稳定性极差，会快速凝结或凝聚。因此，改变预水解液的Zeta电位可改善其胶体稳定性，从而可将极不稳定的大分子木质素沉淀去除。不同PAC用量水解液的Zeta电位变化见图1。预水解原液的Zeta电位为-22.75 mV，是比较稳定的。随着PAC用量的增加，预水解液的正电荷逐渐增加[18]。当PAC用量为4.00%(质量分数)时，Zeta电位为0，胶体稳定性最差。以等电点为分界点，Zeta电位的变化均与PAC用量呈正相关。当PAC用量在2.23%～16.75%时，Zeta电位绝对值在10 mV以内，体系是极不稳定的，即此时可获得较大沉淀量。

图1 不同PAC用量水解液的Zeta电位变化Fig. 1 Zeta potential change of hydrolysate with different PAC dosage

2.1.2 pH对预处理体系Zeta电位及粒径的影响

图2 不同pH下水解液Zeta电位和粒径的变化Fig. 2 Changes of Zeta potential and particle size of hydrolysate at different pH values

pH与胶体物质的电离程度有很大关系[19]，pH的变化可以影响PAC的电离平衡；因此，在不同的pH下测定预水解体系的Zeta电位和粒径变化，结果如图2所示。在保证单一变量的条件下，随着pH的增加，Zeta电位不断降低。当 pH小于2.35时，预水解液的Zeta 电位大于10 mV，体系的稳定性较好。pH为3.00～9.05时，Zeta电位绝对值均小于10，体系极不稳定，这是因为在高pH下体系电离强度会增加而电离出更多的阴离子。随着Zeta电位的变化，粒径也相应发生变化。当预处理液的pH接近3.00时，粒径突然增大至4 337.4 nm，此时刚好达到等电点。体系中正负电荷中和不稳定，胶体颗粒粒径最大，出现明显的絮凝沉淀，说明PAC沉淀体系发生的电中和作用使水解液中产生絮聚沉淀。

预水解液Zeta电位的改变对其中木质素去除的影响见图3。由图3可见，当在等电点即Zeta电位为0时，木质素去除率最高，可达53.50%。当Zeta电位大于20 mV后，木质素去除率基本保持稳定。说明预水解液中木质素的去除与其Zeta电位的改变有很大的关系。与前述关于Zeta电位的变化与预水解液中粒径的变化的结果相吻合。

图3 预水解液的Zeta电位与其木质素去除的关系Fig. 3 Relationship between Zeta potential and lignin removal rate from the hydrolysate

2.1.3 沉淀时间对预水解液Zeta电位和粒径的影响

不同PAC用量下形成稳定沉淀所需的时间不同。实验在预水解液pH 2.92，即接近于等电点时进行，比较分析了PAC的用量分别为4.00%质量分数和60.00% 质量分数时Zeta电位和粒径与静置时间的关系，结果如图4所示。当PAC用量为4.00% 质量分数时，溶液中的Zeta电位为0。随着静置时间的增加，体系中的Zeta电位基本不变，但粒径逐渐增大。在1 100 min时，粒径为12 403.9 nm。PAC絮凝用量为60.00%质量分数时，在0～200 min内，随着静置时间的不断增加，溶液的Zeta电位不断下降，200 min时体系中Zeta电位为15.7 mV，而粒径的大小在缓慢平稳地增加，最后趋于稳定，由607.6 nm增加至810.1 nm，稳定时间缩短至 45 min，粒径几乎没有变化。原因是加入了过多的PAC，体系中存在桥联作用，加速了沉淀的产生[20]。

图4 不同PAC用量不同静置时间对Zeta电位和粒径的影响Fig. 4 The effect of different standing times on Zeta potential and particle size at different dosages of PAC

此外，图4中发现体系稳定后，当PAC用量为60.00%质量分数时，静置形成的沉淀物粒径远远小于4.00%PAC用量时静置形成的沉淀物粒径。这是由于在60.00%PAC时稳定溶液中的Zeta电位为15.7 mV，系统中存在静电排斥并且难以形成大量沉淀。可见，PAC沉淀系统包含静电中和作用的结果。

2.2 PAC用量对木质素去除效率的影响

不同pH下PAC用量对木质素去除效率的影响见图5。由图5可见，木质素去除率随着PAC用量的增加而明显降低。相同用量下，随着pH增加，木质素去除率有明显提高，而且与PAC用量相比，pH的变化对木质素去除率的影响更为显著，可能是因为氢氧根离子增多促进了PAC的电离，加速了桥联作用的产生。在pH为5.00时添加100.00%PAC对木质素去除率的影响与在pH为10.00时添加300%PAC的效果相同。当添加4.00%PAC，pH为10.00时，木质素去除率最高为53.35%。

图5 不同pH下PAC用量与木质素去除率的关系Fig. 5 Relationship between PAC dosage and lignin removal rate at different pH values

然而，在去除木质素的同时，也损失了一部分的低聚糖，导致木质素选择性沉淀和木质素去除率降低(图6)。这是因为低聚糖在一定量的 PAC 中会与木质素一起沉淀。结果表明，当pH为10.00，PAC用量为2.00%质量分数时，PAC对木质素去除率为49.06%对木质素的选择性去除率最好，达到86.05%。

图6 不同PAC用量下木质素与低聚糖去除率及木质素选择性的变化(pH 10.00)Fig. 6 Changes of lignin removal rate, oligosaccharide removal rate and lignin selectivity with different PAC dosages at pH 10.00

总之，PAC在絮凝沉降过程中起到了静电中和与桥联的作用，由于木质素比低聚糖具有更多的负电荷和更大的分子量(木质素的Zeta电位为-59.97 mV，相对分子质量为8 300左右；低聚糖的Zeta电位为-14.30 mV，相对分子质量为200～2 000)，静电中和桥联作用会使PAC优先处理预水解液中的木质素大分子并使其沉淀[21]，因而对木质素的去除起到较好的选择性。

2.3 PAC絮凝处理对预水解液组分分布的影响

PAC絮凝前后预水解液中各组分分布见表1。随着PAC用量的增加，预水解液中单糖和低聚糖的含量均明显下降，说明絮凝剂在沉淀木质素的同时也会连带将预水解液中的糖一起絮凝沉淀。而随着PAC用量的增加，预水解液中木质素的含量非但未降低反而有所提高。这与絮凝剂用量改变预水解液的Zeta电位有一定关系。当PAC用量为4.00%质量分数时，木质素去除率最高，与前文中所述此时体系的Zeta电位趋近于等电点，木质素大分子的稳定性最差而被大量絮凝出的现象一致。

表1 PAC絮凝纯化对预水解液中糖的影响Table 1 Effect of PAC flocculation purification on sugar in pre-hydrolyzed solution

3 结 论

本研究采用聚合氯化铝(PAC)絮凝的方法对MgCl2预处理中的预水解物进行纯化。主要结论如下：

1)PAC的加入会改变预水解液的Zeta电位，从而改变其胶体稳定性。PAC处理具有静电中和与桥联的双重作用，由于木质素大分子比低聚糖具有更多的负电荷和更大的分子量，木质素大分子在PAC处理过程中会优先沉淀。

2)当pH为10.00、PAC用量为2.00%(质量分数)时，木质素去除率为49.06%，选择性去除率为86.05%，具有较好的选择性去除效果。因此，可选择多段短时PAC絮凝处理去除预水解液中的木质素。

综上所述，可以认为PAC絮凝处理是一种选择性去除大分子木质素的有效方法，值得进一步探究和优化。