（环境工程专业论文）造纸黑液中木质素的提取及抗氧化性研究.pdf

复旦大学硕士学位论文 造纸黑液中术质素的提取及其抗氧化性研究 摘要 木质素是造纸黑液的主要难降解成分之一，是自然界中仅次于纤维素的第二 大天然高分子材料，已在农业、工业、医药业中有着广泛的应用。近年来，木质 素的生物活性受到越来越多的关注。在一定条件下，木质素具有较好的自由基清 除和抗氧化能力、抗癌变、抗诱变以及提高某些动物体内蛋白质利用率等生物活 性。本课题研究从黑液中提取木质素、并首次报道其抗氧化性变化，探索获得木 质素最高抗氧化性的相关条件，为木质素的应用开辟新途径。 本文获得了木质素产量和c o d 去除的最佳提取条件为p h 为2 5 0 、温度5 5 、提取反应时间3 h ，此时木质素产量为1 6 k g m 3 黑液，c o d 去除率为7 7 3 0 。 在黑液提取木质素过程中，获得木质素最大抗氧化性时的提取条件为：p h 值3 5 0 、温度5 5 和提取时间为5 h ，此时木质素抗氧化性为3 6 1 3 5 u g 1 i g n i n ； 这些条件在一般的木质素酸化提取设备中均能实现。结合不同木质素样品的红外 图谱分析后得知，羟基对木质素的抗氧化性有较大贡献。酸改性对木质素抗氧化 性的影响较大：6 0 条件下5 0 的硫酸能够使木质素抗氧化性增大至 8 7 4 4 0 u g - l i g n i n ；而h 2 0 2 碱溶液则使木质素抗氧化性明显降低。 ， 实际成本分析可知，在实验室内从造纸黑液中酸析得到l k g 粗木质素所需药 剂成本约为1 5 5 元，得到l k g 木质素抗氧化剂的药剂成本为7 5 5 8 8 7 元。 关键词：造纸黑液；木质素：抗氧化性；溶剂；酸碱改性 中图分类号：x 7 0 3 1 复旦大学硕士学位论文 造纸黑液中木质素的提取及其抗氧化性研究 a b s t r a c t l i g n i n ，o n eo ft h em a i nr e c a l c i t r a n ts u b s t a n c e si np u l p i n gb l a c kl i q u o r , i so n l y s e c o n dt oc e l l u l o s ea m o n gt h el a r g e s tn a t u r a lp o l y m e r sa n dh a sb e e nw i d e l yu s e di n a g r i c u l t u r a l ，i n d u s t r i a la n dp h a r m a c e u t i c a la r e a s i nr e c e n ty e a r sm o r ea t t e n t i o n sh a v e b e e np a i dt ol i g n i n sb i o a c t i v i t y l i 曲e x h i b i t se f f e c t i v ef r e er a d i c a ls c a v e n g i n ga n d a n t i o x i d a n t a c t i v i t y , a n t i c a n c e ra c t i v i t y a n d a n t i m u t a g e n i ea c t i v i t y a ts o m e c i r c u m s t a n c e s ，a n dc a l li m p r o v et h eu t i l i z a t i o no fp r o t e i n nv i v of o rc e r t a i na n i m a l s t 1 1 i s s t u d yf o c u s e do nl i g n i n e x t r a c t i o nf r o mp u l p i n gb l a c k l i q u o ra n d t h e c o r r e s p o n d i n gv a r i a t i o n so fl i 卿na n t i o x i d a n ta c t i v i t y t h ea u t h o rf i r s t l y t r i e dt o i n v e s t i g a t et h er e q u i r e m e n t sn e e d e df o rab e t t e ra n t i o x i d a n ta c t i v i t yo fl i g n i no b t a i n e d ， a n de x p l o r ean e ww a yf o ri t sr e c l a m a t i o n i nt h i sp a p e r , t h eb e s te x t r a c t i o nc o n d r i o n so b t a i n e dw e r ep h2 5 0 ，t e m p e r a t u r e5 5 a n de x t r a c t i o nt i m eo f3 h ，u n d e rw h i c h16 k g m o fl i g n i nc o u l db ee x t r a c t e df r o m b l a c kl i q u o rw i t hc o dr e m o v a lb e i n g7 7 3 0 b e s i d e s ，t h ei m p a c t so fe x t r a c t i o nc o n d i t i o n so nl i g n i na n t i o x i d a n ta c t i v i t yw e r e i n v e s t i g a t e di no r d e rt oo b t a i nt h eh i g h e s ta n t i o x i d a n ta c t i v i t yo fl i g n i n t h er e s u l t s s h o w e dt h a tl i g n i ne x h i b i t e dt h eh i g h e s ta n t i o x i d a n ta c t i v i t yu n d e rt h ee x t r a c t i o n c o n d i t i o n so fp h3 5 0 ，t e m p e r a t u r e5 5 a n de x t r a c t i o nt i m eo f5 h ，a n dt h eh i 曲e s t a n t i o x i d a n ta c t i v i t yw a s316 3 5 u g - l i g n i n t h e s ec o n d i t i o n sc a nb er e a l i z e di n o r d i n a r ya c i d i f i c a t i o np r o c e s s e so fl i 掣a ne x t r a c t i o ne q u i p m e n t s 1 1 1 er e s u l t so ff t i r a n a l y s i si n d i c a t e dt h a th y d r o x y l sc o n t r i b u t e dal o tt ol i g n i na n t i o x i d a n ta c t i v i t y i tw a s a l s of o u n dt h a tt h ea n t i o x i d a n ta c t i v i t yo fl i g n i nc o u l db ei n c r e a s e dt o 8 7 4 4 0 u g - l i 乎l i i la f t e rm o d i f i c a t i o n 嘶t l l5 0 s u l f u r i ca c i du n d e r6 0 cc o n d i t i o n s ， b u ta l k a l i n eh e 0 2 m o d i f i c a t i o nd i d o b v i o u s l yh a v eo p p o s i t ei m p a c t o nt h e a n t i o x i d a n ta c t i v i t yo fl i g n i n t h er e s u l t so fa c t u a lc h e m i c a lc o n s u m p t i o na n dr e l a t e dc o s ta n a l y s i ss h o w e dt h a t lk go fl i g n i ne x t r a c t e df r o mb l a c kl i q u o ri nl a b o r a t o r yc o s ta b o u t15 5r m b ，a n dt h e c h e m i c a lc o s tw a sa b o u t7 5 5 8 8 7r m bf o rlk go fl i g n i na n t i o x i d a n t k e y w o r d s ：b l a c kl i q u o r ；l i g n i n ；a n t i o x i d a n ta c t i v i t y ；s o l v e n t s ；a c i d i ca n da l k a l i n e m o d i f i c a t i o n c l cn u m b e r ：x 7 0 3 1 复旦大学硕士学位论文造纸黑液中木质素的提取及其抗氧化性研究 1 1 造纸黑液及其主要污染物 第一章概述 造纸工业废水排放量大，废水中含有大量的纤维素、木质素以及化学药品等， 耗氧量大，是世人所注目的污染源，它能引起整个水体污染和生态环境的严重破 坏 1 。我国造纸废水污染仅次于冶金、石化而居第三位 2 ，其排放量约占全国 工业废水排放量的1 6 ，c o d ( c h e m i c a lo x y g e nd e m a n d ，化学需氧量) 排放量占1 4 ，其 中来源于蒸煮制浆过程的黑液的污染物约占造纸废水总污染物发生量的9 0 左右 3 。黑液中含有有机物与无机物两大类物质：有机物主要是木素、半纤维素和 纤维素及其降解产物，占固形物的6 5 ；无机物的主要成分是与有机物结合的钠 盐、游离的氢氧化钠、碳酸钠、硫酸钠、硫化钠及硅酸钠( 草浆黑液) 等 4 。 木质素及其降解物是黑液中最重要的成分，占总c o d e r 的5 0 左右 5 。 目前市场存在各种不同的制浆方法，产生的污染物各不相同，总结目前存在 的制浆方法及产生的污染物如表卜l 。 制浆造纸工业每年要从植物中分离出大约1 4 亿t 纤维素，同时得到5 0 0 0 万t 左右的木质素副产品 6 ；迄今为止，超过9 5 的木质素仍然主要作为工业制浆 的废弃物，随废水直接排入江河或浓缩后烧掉，没有得到高效利用 7 。造纸黑 液的排放不仅造成资源的很大浪费，同时又污染环境，对其进行综合开发和利用 无疑有助于造纸行业的可持续发展；而木质素是造纸黑液中的主要有机污染物， 它的提取和高效利用对造纸厂黑液的治理具有重要的现实意义。 1 2 现阶段造纸黑液的主要处理方法 日渐完善的环境意识，促使人们愈发意识到造纸黑液直接排入河流的危害， 对造纸黑液的污染控制也形成了一套有效的管理和处理方法。作为制浆黑液有机 物的主要成分，木质素则为黑液处理的主要对象。表1 - 2 为目前黑液的主要处理 方法。 复旦大学硕士学位论文造纸黑液中木质素的提取及其抗氧化性研究 表1 1 主要制浆方法及其排放污染物 4 t a b 1 1p u l p i n gm e t h o d sa n dt h em a i np o l l u t a n t s ( 注：卅大量存在，+ + 中等量存在，+ 少量存在，不定数量) 由表卜2 可见，对黑液的处理方法中大部分是针对木质素的提取及应用。其 中，无机酸析法、生物酸析法、絮凝沉淀法、碱法都是直接对木质素进行提取； 膜分离法、水煤浆添加剂、水煤浆技术、集成膜法则是对黑液进行处理后再对其 中的木质素进行应用。但是，对木质素的提取及应用存在很多难题，例如无机酸 析法中要求耐酸设备，且硫酸法中硫酸成本较高：絮凝沉淀法中因为需要添加沉 淀剂，致使成本增加；生物酸析法具有沉淀快、耗酸少等优点，但是考虑到木质 素的析出条件，依然对设备的耐酸性有一定的要求；碱法中沉淀剂的加入也大大 增加了成本；膜分离法、水煤浆添加剂、水煤浆技术、集成膜法都是新兴的处理 方法，目前的技术还不够成熟，能否大规模应用还在进一步探讨中。 2 复旦大学硕士学位论文造纸黑液中木质素的提取及其抗氧化性研究 就目前的应用情况来看，我国对黑液的主要处理方法是碱回收法，但是现阶 段碱的回收率较低，在7 5 左右，而且不能完全解决水污染问题，碱回收技术有 待于进一步成熟与提高。 因此，从我国的国情出发，开发成本低、处理后便于利用的黑液处理技术依 然是造纸行业污染控制的重点，无论是木质素的提取技术还是碱回收技术，都需 要在技术攻关方面进一步深化，使处理后的黑液产品产生显著的经济效益、社会 复旦大学硕士学位论文 造纸黑液中木质素的提取及其抗氧化性研究 效益、环保效益将是科研人员们进一步努力的目标。 1 3 木质素的结构、性质及应用 1 3 i 木质素的结构 木质素( 简称木素，l i g n i n ) 与纤维素及半纤维素共同形成植物体骨架，是自 然界中在数量上仅次于纤维素的第二大天然高分子材料 2 3 。它是自然界唯一能 提供可再生芳基化合物的非石油资源。除苔藓和菌类外，一切植物都含有木质素， 它每年以6 0 0 万亿t 的速度再生，因而是极具潜力的可再生资源 2 3 。木质素广泛 存在于植物体中，是复杂的天然芳香族聚合物 2 3 。 木质素主要由c 、h 、0 三种元素组成，其结构复杂，是以苯丙烷基为结构单 元、非结晶性的三维高分子网状化合物。按照植物种类不同，木质素可分为针叶 材、阔叶材和草本植物木质素三大类。针叶木质素主要由愈创木基丙烷单元所构 成，阔叶材木质素主要由愈创木基丙烷单元和紫丁香基丙烷单元所构成，草本植 物木质素主要由愈创木基丙烷单元、紫丁香基丙烷单元和对羟基苯丙烷单元所构 成 2 3 。这三种基本结构单元的化学结构如图卜1 所示。 c h 3 l c h 2 l m e h 3 c 一 甲h 3 午h 2 m e 甲h 3 甲h 2 o ho ho h 愈创木基丙烷单元紫丁香基丙烷单元对羟基苯丙烷单元 图i - i 木质素的基本结构单元 2 3 f i g 1 一ib a s i cs t r u c t u r e so fl i g n i nu n i t 4 复旦大学硕士学位论文造纸黑液中木质素的提取及其抗氧化性研究 原本木质素是一种不溶性的白色或接近白色的固体物质，在电子显微镜中看 到的木质素形状为球形或块状，相对密度大约在1 3 5 1 5 0 之间，有比较高的燃烧 值 2 8 】。木质素是一种聚集体，由于结构中存在许多极性基团，尤其是较多的羟 基，导致其分子内和分子间存在很强的氢键，因此木质素不溶于一般的溶剂。木 质素为热塑性高分子物质户无确定的熔点，具有玻璃态转化温度 2 8 1 。 木质素分子中含有芳香基、酚羟基、醇羟基、羰基、甲氧基、羧基、共轭双 键等活性基团，这些活性基团使从天然木质纤维材料中分离获得的木质素具有较 大的阳离子交换容量；正是由于木质素分子结构中存在着上述活性基团，木质素 可以进行氧化、还原、水解、醇解、酸解、光解、生物降解、酰化、磺化、烷基 化、卤化、硝化、缩聚或接枝共聚等许多化学反应【2 8 】。 1 3 2 木质素的性质及应用 木质素具有分散性、粘合性、络合性、表面活性及迟效性、抗癌性、抗诱变 性等多种性能，因此应用非常广泛。在工业上，制备复合浆料减水剂 2 9 1 、染料 分散剂【3 3 】、皮革鞣剂 3 4 1 、粘结剂 3 6 1 ；在农业上，作农药缓释剂 3 7 】、高效氮 j l g 3 7 - 4 0 、植物生长剂 3 7 ，4 1 和液体地膜 3 7 ，4 3 】；在医疗方面，木质素可用作制 造香兰素【4 5 】、抗癌责：u 4 6 1 等。表卜3 为木质素应用现状的简单概括。 随着人类对环境污染和资源危机等认识不断深刻，夫然高分子所具有的可再 生、可降解等性质日益受到重视，加之当前环境和资源问题的日益突出，对木质 素的综合高效利用也倍受关注。如何经济、高效、妥善解决众多制浆造纸企业的 污染问题仍然摆在我们面前。而寻找制浆行业中产生的大量副产物木质素的 高附加值利用途径、真正实现其资源化则将成为这种可再生资源的又一研究热 点。世界上许多发达国家都开始把木素资源化利用作为跨世纪的研究课题。 1 4 木质素的生物活性 所谓生理( 或生物) 活性物质是指对生命现象具有影响的微量或少量物质 【4 7 。随着科技的迅猛发展，人们越来越重视与生命紧密相关的物质的研发和利 用。迄今为止，人们已针对各种植物性生物活性物质展开了系统的研究，基本上 复旦大学硕士学位论文 造纸黑液中木质素的提取及其抗氧化性研究 已确认了某些化合物用于功能性食品的可能性。木质素作为植物骨架的三大组成 之一，其生物活性至今未被全面的开发和利用。可以预见，木质素的生物活性将 成为2 l 世纪的研究重点之一。 表1 - 3 木质素应用状况 t a b 1 3t h ea p p l i c a t i o ns t a t u so fl i g n i n 木质素的基本结构是苯丙烷单元，其中有2 3 3 4 结构单元是以某种形式的醚 键与相邻结构单元连接【2 3 】，这也是造成木质素难降解的主要原因，同时也给木 质素的全面利用带来了困难。有鉴于此，木质素的活性研究并不全面和深入。目 6 复旦大学硕士学位论文造纸黑液中木质素的提取及其抗氧化性研究 前，人们对木质素的生物活性研究大多局限于其结构中游离酚羟基部分，主要体 现在抗氧化或抗衰老功能 4 8 - 5 0 、抗癌和抗诱变性 5 1 5 3 】以及对蛋白质的有效利 用等方面 5 4 ，5 5 。 1 4 1 抗氧化或抗衰老功能 木质素属于酚类化合物，酚类化合物的一个重要特征为抗氧化性，即抑制氧 化的能力。研究表明，木质素的抗氧化性来源于酚羟基对含氧基团的去除能力 【4 8 。 s c h m i d t , j a 等 4 9 】用0 3 ma b a p ( 2 ，2 偶二氨基丙烷二盐酸化物) ，在 1 4 0 k p a0 2 、2 0 固体、p h 为7 和6 0 c 时作用4 8 h ，不含木质素的纤维素被降解8 0 ， 无脱色现象，而含有木质素的纤维素几乎未被降解，仅仅表现为明显的脱色反应。 因而推测木质素的抗氧化能力降低了纤维素的降解率，同时增加脱色程度。 u g a r t o n d o ，v 等 5 0 】对来自甘蔗、木质素磺酸盐和橘子等工业用途木质素作为 抗氧化剂局部使用、可能引起的眼刺激和皮肤刺激进行了研究。结果表明，木质 素对眼和皮肤均无害。他们所从事的针对木质素的高抗氧化性和对眼以及皮肤的 安全性研究，为木质素在化妆品配方中的应用开拓了新方向。 影响木质素抗氧化性大小的因素很多，包括溶剂种类、提取方法与条件、官 能团含量、改性条件、分子量等。这些因素在具体的木质素提取和应用中都应该 加以探讨和明确，以保证获得性能稳定的木质素产品。这些影响因素将在进一步 实验中进行讨论。 1 4 2 抗癌和抗诱变性 k o i k o v f i ，b 等【5 1 】报道了木质素及其衍生物的抗癌和抗诱变性。他们采用的 木质素样品能够充当有氧化特性的d n a 的抗氧化剂，表现出对d n a 的保护作用。 研究中的木质素颗粒是一种无毒害的天然保护剂，具有抗癌作用，能减少有毒化 学试剂的毒害性，是一种可以取代自由基合成抗癌剂化合物的理想天然替代品。 m i k u l 醛o v f i , m 等【5 2 】利用s o s 大肠杆菌试验测定了部分植物中木质素及其 7 复旦大学硕士学位论文造纸黑液中木质素的提取及其抗氧化性研究 衍生物的抗诱变性。结果显示：热水解的毛榉木质素在单位培养皿中添加量达到 5 0 0pg 时，对诱变的降低率为8 5 。木质素对h 2 0 2 产生的诱变有机体基因突变 也有很大程度的降低并且有很明显的计量效应。他们在研究中指出，不同植物中 木质素抗诱变能力不同，这与它们的来源和变性方法有关。 m i t s u h a s h i ，s 等人【5 3 】研究了木质素对人体免疫缺陷病毒1 号( h i v - 1 ) 的抑 制作用。h i v 病毒能够导致人体骨髓性白细胞链中髓过氧化物酶( m p o ) 的活性 显著降低。研究发现木质素能够抑制h i v - l 基因的复制，并且分子量小( 小于 0 5 k d a ) 的木质素抑制效果要明显好于分子量大的木质素。同时，木质素能够抑 制肿瘤坏疽因素a ( n 吓a ) 产生的核因素- r , b ( w kb ) 。低分子量木质素可能 会成为对抗a i d s 与n f kb 相关病症的新型材料或者药物。 1 4 3 其他 n i c o d e m u s , n 等【5 4 】研究了木质素含量对母兔产乳汁量和兔子生长的影响。 结果表明，当饲料中木质素含量为4 1 9 k g 时，其机体内蛋白质利用率达到最高， 肠胃系统对木质素的吸收最大，高于或者低于此含量时，蛋白质利用率会有所下 降。即适量添加木质素能够促进兔子的生长并且提高母兔的产乳汁量。 v a l e n c i a , z 等【5 5 】对木质素作为幼猪膳食纤维的补充剂进行了试验。他们将 3 2 头幼猪分成四组，分别用不同配比的食物进行饲养g 第一种是标准玉米一大豆 饲料；第二种是在第一种配比基础上添加1 2 5 木质素；第三种是高胆固醇饲料， 含有干鸡蛋粉、奶粉和其他类似人类食物的高胆固醇物质；第四种是在第三种基 础上添加1 2 5 木质素。研究发现含有木质素添加剂的饲料可以显著降低血浆中 的甘油三酯的含量( 相差4 0 7 ) 。 1 4 4 改性木质素的生物活性 木质素的改性方法很多。通过改性，能够得到各种不同的木质素改性产品及 衍生物，例如水解木质素、磺酸盐木质素、硫酸盐木质素、碱木质素以及各种小 分子木质素降解单品。就目前对木质素的改性研究来看，水解木质素、磺酸盐木 质素、硫酸盐木质素的抗氧化性已经开始引起人们的重视。 复旦大学硕士学位论文造纸黑液中木质素的提取及其抗氧化性研究 z a h e d i f a rm 等 5 6 】对水解木质素保护蛋白质不被胃瘤菌降解的能力进行了 评估。结果表明，水解木质素可以沉淀蛋白质且其沉淀能力随着蒸汽处理的强度 增强而提高，直到达到顶点。他们还发现，木质素并不会像单宁那样抑制胃瘤菌 的活性，且对蛋白质的保护作用决定于环境的p h 值。 美i n c a r g i l l 公司以木质素磺酸盐代替蛋鸡饲料中的5 玉米粉进行了试验 5 7 1 。结果表明，饲料要求率相当，死亡率也相同。同时，木质素磺酸盐被认为 具有类似肝素所具备的防止血凝固作用，以及防止胃朊酶作用和降低胃液分泌等 抗溃疡作用，即木质素磺酸盐将有可能被用作抗凝血剂、制酸剂和抗溃疡剂等药 物【5 7 】。 1 5 研究目的和意义 木质素的结构复杂，目前对木质素及其衍生物的应用还主要在于工业和农业 等方面，其中木质素分散性和黏合性的应用已经比较广泛和成熟，而其他性能还 有待进一步开发。其生物活性由于成本高，涉及机理较为复杂，目前大多停留在 实验室研究阶段，还没有得到有效地开发和利用。随着循环型经济、生态型社会 以及可持续发展观念在我国的日渐深入与付诸实施，寻找木质素的高附加值利用 途径、真正实现其资源化将成为这种可再生资源的一大研究热点。 本课题的研究目的是利用不同的方法提取造纸废水中的木质素，并且考察木 质素的抗氧化性，摸索得到木质素最高抗氧化性的提取条件；并且对木质素进行 简单的改性加工，期望获取抗氧化性更高、性能更稳定的木质素产品。 由于造纸废水中含有大量的木质素，且木质素本身难降解，造成了造纸废水 难以处理的困境。寻找木质素的高附加值利用途径，将其真正实现资源化，不仅 能够解决造纸废水的处理难题，同时可实现资源回收与再利用。 9 复旦大学硕士学位论文造纸黑液中木质素的提取及其抗氧化性研究 第二章课题的试验设计、研究内容及方法 2 1 试验设计与主要内容 本课题研究从造纸废水中提取木质素的抗氧化性及各种条件对木质素的抗 氧化性影响，其研究路线如图2 1 所示。主要研究内容涉及以下几个方面： 与维生素e 的抗氧 化性对比分析 抗氧化剂的药剂 费用分析 造纸黑液生产抗氧 化剂的经济分析 黑液中木质素的提取及抗氧化性研究 溶 剂 影 响 黑液中木质素的提取 木质素抗氧化性 官 能 团 影 响 图2 1 研究路线 f i g u r e2 - 1r e s e a r c hr o u t ed i a g r a m 改 性 影 响 p h 值影响 温度影响 提取时间影响 提取方法影响 ( 1 ) 从造纸黑液中酸析提取木质素，研究不同的提取方法和提取条件对木质 素产量及黑液c o d 的影响； ( 2 ) 研究不同的提取方法和提取条件对木质素抗氧化性的影响，选取最佳的 提取条件； ( 3 ) 研究其他条件包括官能团含量、溶剂种类、溶剂量、及酸碱改性对抗氧 化性的影响； ( 4 ) 对黑液中提取的木质素作为抗氧化剂进行经济分析，与市面上存在的天 然抗氧化剂进行对比，得到其经济可行性。 1 0 复旦大学硕上学位论文造纸黑液中木质素的提取及其抗氧化性研究 2 2 试验方法 ( 1 ) 木质素的酸析提取及条件优化 采用文献 5 8 】中的两种方法。一是酸析抽滤法，取5 0 0 0 m l 造纸黑液加入1 0 硫酸溶液，不断搅拌，至泡沫消失，调节p h 值，在不同温度时水浴加热1h 后抽滤，用蒸馏水洗至中性后于1 0 5 。c 烘箱中烘干，得到木质素( 粗木素) 。二 是胶凝渗滤法，与酸析抽滤法的区别是加入硫酸后静置反应，不需搅拌，其他 条件和操作与酸析抽滤法基本相同。 采用正交实验设计进行各提取条件的影响大小和初步优化探索。将木质素从 黑液中经酸化法析出时，其最终p h 值控制、反应温度和提取反应时间是酸析法 提取木质素的主要影响因素 5 9 ，6 0 l 。研究表明，采用酸析法从黑液中回收木质素 的最佳p h 为3 0 0 左右，且p h 5 0 0 时木质素几乎不析出 6 0 】。常温下升高反 应温度有助于木质素酸析反应液的固液分离，但达到6 5 时不易过滤 6 0 l ；且多 酚物质在温度低于7 0 时较稳定，温度过高、加热时间过长都会降低多酚物质 的稳定性 6 2 ，6 3 】。虽然延长反应时间能减少抽滤时n 6 0 ，但兼顾这两种因素 对实际反应器容积需求和建设成本、运行成本的影响，在提取实验中设定提取时 间小于6 h 。因此，选择提取条件对木质素抗氧化性产生影响的因素取值范围为： p h2 5 ( 因素a ) ，反应温度4 5 、5 5 、6 5 ( 因素b ) 和反应时间1 - 6h ( 因 素c ) 。本文采用三因素三水平的正交实验b ( 3 3 ) ( 见表2 1 ) ，以初步确定这三 种因素对提取木质素抗氧化性的影响大小。 表2 - 1 正交实验的因素和水平 t a b 2 1f a c t o r sa n dl e v e l sf o ro r t h o g o n a le x p e r i m e n t s 待提取条件初步确定后，采用固定其中两个影响因素、改变其余一个因素来 进一步研究各提取条件对抗氧化性的影响。 复旦大学硕士学位论文造纸黑液中木质素的提取及其抗氧化性研究 胶凝渗滤法则选取p h l 0 0 、p h 3 5 0 两种条件与酸析一抽滤法进行对比试验， 反应温度及提取时间与酸析抽滤法相同。 ( 2 ) 木质素样品的溶解 将0 1 0 9 木质素溶于5 0 o o m l 不同溶剂，为加速溶解，利用电磁搅拌器搅拌 1 h ，过滤后得到测试抗氧化性用木质素样品溶液。滤渣烘干、称重后并从0 1 0 9 木质素中扣除，可得溶解的木质素质量。 ( 3 ) 木质素抗氧化性测定 抗氧化性的测定方法有很多种，本试验采用南京建成生物工程研究所的总抗 氧化能力测定试剂盒进行测定。具体实验步骤如下：按顺序分别在对照管和测定 管中加入试剂一i o o m l 、试剂二2 0 0 m l 、试剂三0 5 0 m l ，并在测定管中加入0 1 0 m l 被测溶液，摇匀后3 7 水浴3 0 分钟，向对照管和测定管中各加入试剂四0 1 0 m l ， 并向对照管中加入0 1 0 m l 被测溶液，摇匀，放置1 0 分钟。在5 2 0 n t o 处测定吸光 度，按照以下公式计算抗氧化性。每个试样均测定两次并取其平均值。( 抗氧化 性单位记为u g - l i g n i n ，即抗氧化活性单位儋木质素) 总苷氧华能力：所测得a ! d 直o o l + 3 0 x 稀释倍数所测样本木质素含量 ( u g l i g n i n ) 测定管o d 一对照管0 1 ) ，反应液总体积( m ，) 所测样本 = = 一，l j x 一 0 0 1 一 取样量( 肌d木质素含量( g ) 其中，0 0 1 来自抗氧化性活性单位的规定：每毫克样品使体系中吸光度每增加0 0 1 ，为一个 抗氧化活性单位；3 0 为反应时间。 ( 注：本实验抗氧化性测定除选择溶剂时采用不同溶剂测定抗氧化性外，其余条 件均采取无水乙醇作为溶剂测定抗氧化性。实验中考虑到无水乙醇对抗氧化性的 影响，经测定，无水乙醇的抗氧化性接近零，可以忽略不计。) ( 4 ) 木质素的改性 酸改性：文献 6 8 1 中将木质素与盐酸四氢呋喃溶液在室温下进行反应，获得 的酸改性木素在聚丙烯中的抗氧化性有所提高；文中指出，无机酸能够显著降低 脂肪羟基的含量，并且压缩木质素结构。本文为了验证无机酸对木质素的改性作 用，结合木质素的提取条件、设计了如下酸改性路线：在4 0 c 、6 0 ( 2 、8 0 c 用 1 5 、3 0 、5 0 、7 0 的硫酸与木质素反应1 h 后抽滤，用蒸馏水洗至中性后于 1 0 5 c 烘箱中烘干，得到酸改性后的木质素。 1 2 复旦大学硕+ 学位论文造纸黑液中木质素的提取及其抗氧化性研究 碱性h 2 0 2 改性：文献【7 8 】实验中指出，在2 浓度碱性双氧水条件下，h 2 0 2 与羟基自由基发生如下反应： h 、o 、+ h o bh o o - + h 、o 虽然研究中指出，在碱性双氧水条件下，木质素的宏观分子结构未发生显著 变化；本文为了确认在自由基反应存在的情形下木质素抗氧化性的变化而设计了 如下实验： 常温下将l g 木质素溶于3 0 m lh 2 0 2 含量分别为5 、1 0 、1 5 、2 0 的 2 n a o h 中，反应完全后得到碱性双氧水溶解木质素溶液。 ( 5 ) 木质素主要官能团分析 采用红外光谱测定法可以进行半定量分析：溴化钾压片制样，4 c m 1 分辨率， 3 2s c a n s 透射谱，经过自动基线校正和自动平滑处理。 2 3 试验材料，仪器与分析手段 2 3 1 实验材料与试剂 ( 1 ) 造纸黑液 本实验所用木质素从山东某造纸厂造纸黑液中提取得到。造纸工艺中产生的 废水主要来自于蒸煮后的黑液、洗涤漂白筛选后的中段水以及抄纸后的抄纸白水 三种，本实验研究对象是蒸煮后的黑液。图2 2 为造纸的工艺流程及各个阶段产 生的废水。 _ i i 黑液：温度高， 污染物浓度高 制浆中段水：量大， 污染物浓度较高 成品 抄纸白水：有机负荷 远低于黑液和制浆 中段水 图2 2 制浆造纸厂生产工艺及相关废水【4 】 f i g2 - 2t h ep r o c e s s e so fp u l p i n ga n dp a p e r - m a k i n gp l a n ta n dw a s t e w a t e r sp r o d u c e d 复旦大学硕士学位论文造纸黑液中木质素的提取及其抗氧化性研究 本实验所用造纸黑液取自第一步蒸煮草浆之后，未经洗涤、筛选、漂白工序。 主要成分为麦草与碱液。表2 - 2 为本实验采取的黑液成分表，与文献【1 0 】中芦苇 与碱液为主要成分的黑液相比较比较，本文采用黑液p h 低，木质素含量较低， 黑液c o d 很高。 表2 2 黑液成分表 t a b 2 2c o m p o s i t i o no fb l a c kl i q u o r ( 2 ) 主要试剂 本研究采用主要试剂见表2 3 。 表2 - 3 主要试剂 t a b 2 - 3l i s to fm a j o rc h e m i c a la g e n t s ( 3 ) 主要仪器 本研究中采用的主要仪器设备见表2 _ 4 所示。 1 4 复旦大学硕士学位论文 造纸黑液中木质素的提取及其抗氧化性研究 表2 - 4主要仪器及厂家 t a b 2 - 4l i s to fm a j o re q u i p m e n t sa n dm a n u f a c t u r e r s 2 3 2 试验指标与分析方法 试验中主要的试验指标及分析测试手段如表2 5 所示。 表2 5 试验指标及分析方法 t a b 2 - 5a n a l y s i si n d i c e sa n dc o r r e s p o n d i n gm e t h o d s 试验指标分析手段 c o d e r 快速重铬酸钾法 6 6 】 p h 值 数显酸度计 木质素抗氧化性 南京建成生物工程研究所总抗氧化性测定试剂盒( t - a o c ) 木质素官能团红外光谱( f t i r ) 测定法 色谱条件：溴化钾压片制样，4 e m j 分辨率，3 2s c a n s 透射谱，经过自动基线 校正和自动平滑处理 2 4 本章小结 本章介绍了造纸黑液的来源、特征，主要试剂、仪器、分析指标及分析方法， 并且制定了研究木质素最佳提取条件以及木质素的简单改性加工方法，以期获得 木质素抗氧化性在提取和改性中的变化规律：并利用红外光谱进行木质素主要官 能团解析，探讨木质素官能团与抗氧化性之间的关系。 复旦大学硕士学位论文 造纸黑液中木质素的提取及其抗氧化性研究 第三章木质素的提取及c o d 变化 3 1 木质素的产量分析 采用酸析抽滤法、针对木质素提取产量的正交试验结果见表3 1 。 表3 1 正交试验表 t a b 3 1r e s u l t so fo r t h o g o n a le x p e r i m e n t s ( 注：a 为p h 值；b 为反应温度；c 为提取时间；黑液样阴l i 里r - 1 5 0 m 1 ) 通过正交试验，获得最大产量的木质素酸析条件为a i b 2 c 2 ，即p h 为2 5 0 、 温度为5 5 。c 、提取时间为3 h ；此时木质素的产量约为1 6 k g 寸( 黑液) 。各提取 条件对产量影响排序为o h 提取温度提取时问。 1 6 复旦大学硕士学位论文造纸黑液中木质素的提取及其抗氧化性研究 3 1 1p h 对木质素产量的影响 从图3 1 看出，在p h 小于4 5 0 时木质素有大量析出，而且随着p h 的减小 而不断增加。从反应机理来看，当将碱性黑液酸化时，带正电的碱木质素转变为 不溶于水的带负电的酸析木质素 1 0 】，随着酸化p h 值的降低，酸析木质素增多， 依靠电性引力，酸析木质素吸附碱木质素析出，析出颗粒增大，酸化体系的粘度 增大，整个酸化体系呈粘糊状，并可吸附大量的水分。当酸化到p h 值3 5 0 ，大 部分碱木质素转变为酸析木质素时，由于电性斥力，体系的粘度逐渐减小，酸析 木质素成为大小不同的松散颗粒状沉淀 1 0 】。进一步将酸投加量增加到过量 ( p h i l 0 0 ) ，木质素产量产生一个突越。 1 8 0 1 6 0 1 4 0 1 2 0 31 0 0 鐾o o o 4 0 o 2 0 0 图3 - 1p h 对木质素提取产量的影响( 酸析一抽滤法，提取温度5 5 c 、提取时间3 h ) f i g 3 一li m p a c to f p h0 1 1l i g n i ny i e l dw i t he x t r a c t i o nt e m p e r a t u r ea n dt i m eb e i n g5 5 2a n d3 h 。 r e s p e c t i v e l y , b ya c i d i f i c a t i o n - f i l t r a t i o n 3 1 2 温度对木质素产量的影响 图3 2 的结果表明，木质素的产量在5 5 v 达到最大值，这是由于温度上升使 得小的木质素沉淀颗粒易聚集成较大颗粒，从而易于过滤、得到较多的木质素。 但是当温度高于5 5 时，木质素的产量反而降低，这可能由于温度过高使得部 分木质素大分子断裂而使其溶解度有所上升 5 9 1 。 1 7 复旦大学硕士学位论文造纸黑液中木质素的提取及其抗氧化性研究 3 嘲 l 0 8 3 o 8 2 0 8 1 o 8 0 4 55 56 5 温度( 1 2 ) 图3 2 温度对木质素产量的影响( 酸析一抽滤法，最终p h 为2 5 0 、提取时间为3 h ) f i g 3 - 2i m p a c to fr e a c t i o nt e m p e r a t u r eo nl i g n i ny i e l dw i t ht e r m i n a lp h a n de x t r a c t i o nt i m e b e i n g2 5 0a n d5 h r e s p e c t i v e l y ，b ya c i d i f i c a t i o n - f i l t r a t i o n 3 1 3 反应时间对产量的影响 如图3 - 3 所示，随着提取时间的增长，木质素产量增加；当提取时间为5 h 时，提取反应基本结束，继续增加提取时间对木质素产量的增加效果不明显。 0 8 5 r o 8 4l t - 锄o 8 3 、- ， 舢。：i 0 8 1 0 8 0 l 2356 提取时问( h ) 图3 - 3 提取时间对产量的影响( 酸析一抽滤法，p h 2 5 0 、提取温度5 5 c ) f i g 3 - 3i m p a c to fr e a c t i o nt i m eo nl i g n i ny i e l dw i t hp ha n de x t r a c t i o nt e m p e r a t u r eb e i n g2 5 0a n d 5 5 c ，r e s p e c t i v e l y , b ya c i d i f i c a t i o n - f i l t r a t i o n 1 8 复旦大学硕士学位论文 造纸黑液中木质素的提取及其抗氧化性研究 p i l l 0 0 2 o o 1 8 0 1 6 0 1 4 0 p h 3 5 0 ， o 8 0 仓0 6 0 警0 4 0 0 2 0 0 o o h 印皇 2356 反应时间( h ) 2356 反应时问( h ) p h i 0 0 ，5 5 2 o or i 8 0 图3 - 4 提取方法对产量的影响 6 2 356 反应时问( h ) f i g 3 - 4i m p a c to fe x t r a c t i n gm e t h o d so n1 i g n i ny i e l d 一1lillli di o 2 i l l l l o o o o o ? 蝴k 加们 l l o 0 0 0 0 v 軎k 复口大学硕士学位论文 造纸黑液中木质素的提取及其抗氧化性研究 3 1 4 提取方法的影响 除上述的提取条件如p h 、温度和反应时间外，实验中发现，提取方法本身 对木质素得产量也有较大影响。如图3 4 所示，采用酸析一抽滤法和胶凝一渗滤法 在不同的提取条件下获得的木质素质量是有差异的，这可能主要是由于两种提取 方法提供的搅拌条件产生的紊流程度不同、导致木质素析出形成大颗粒的难易和 稳定性程度有差异所致。由于酸析一抽滤法提取木质素过程中的强力搅拌可能使 反应产生的木质素分子被打碎，需要重新组合为新的木质素分子。但从图3 - 4 中可以看出，虽然提取时采用的p h 和温度不同，除6 5 外，在反应时间为5 h 时、两种提取方法获取的木质素质量差异相对较小。这也从另外一个角度验证了 前面提取时间对木质素产量的影响。 3 2 提取反应对c o d 的去除作用 表3 2 正交试验表 t a b 2r e s u l t so f o r t h o g o n a le x p e r i m e n t ( 注：a 为p h 值；b 为反应温度；c 为提取时间) 复旦大学硕士学位论文造纸黑液中木质素的提取及其抗