半纤维素的提取及功能化应用

半纤维素的提取及功能化应用摘要：进入新世纪以后，全面可持续发展的科学发展观不断深入人心，为贯彻这一思想，可再生木质纤维素类生物质资源的开发和利用得到了人们的极大重视和关注。半纤维素是农林生物质的主要组分之一，含量仅次于纤维素，是地球上最丰富、最廉价的可再生资源之一。本文主要对半纤维素的提取及功能化应用进行综述。关键词：生物质；半纤维素；功能化应用ExtractionandfunctionalapplicationofHemicellulosesAbstract:Afterenteringthenewcentury,thecomprehensivesustainabledevelopmentoftheconceptofscientificdevelopmentunceasinglythoroughpopularfeeling,lignocellulosesbiomassresourcesdevelopmentandutilizationofthepeople'sgreatattentionandconcerntocarryouttheideaofrenewableclass.Hemicellulosesisamajorcomponentofforestrybiomass,content,secondonlytocelluloseisthemostabundantonearth,oneofthemostcheaprenewableresource.Thisarticlemainlysummarizedtheextractionandfunctionalapplicationofhemicelluloses.KeyWords:biomass;hemicelluloses;functionalapplications1.引言植物体内通常含有纤维素、半纤维素、木质素、果胶和特种化合物。其中，半纤维素在自然界中的含量十分丰富，在木质纤维生物质中的含量占1/4～1/3，仅次于纤维素的含量，比木质素还高。长期以来纤维素和木质素的研究利用占据了人们的主导研究地位，近年来有关半纤维素的研究逐步得到了重视，特别是半纤维素的提取和改性技术的提高，使其在造纸、食品包装、生物医药等领域有着潜在的商业价值[1]。本文通过半纤维素的简介、提取方法及功能化应用三个方面进行详细阐述。2．半纤维素的简介半纤维素是植物细胞壁的主要组分之一，是由非葡萄糖单元组成的一类多糖的总称，约占细胞壁总重的20～35%。半纤维素与纤维素均一聚糖的直链结构不同，在参与细胞壁的构建中形成的种类很多，多为支链结构，结构复杂，且化学结构随植物种类不同呈现较大差异。半纤维素主要由大量的非晶戊糖和己糖组成[2]，既有均一聚糖也有非均一聚糖。根据一级结构，半纤维素可分为甘露聚糖、木聚糖、半乳聚糖、木葡聚糖和阿拉伯聚糖[3]。下图是半纤维素的主要结构单元。图1半纤维素的主要结构单元[2]阔叶木的半纤维素主要为O-乙酰基-（4-O-甲基葡萄醛酸）木糖，主链为1,4-β苷键联接的D-吡喃式木聚糖基，支链为乙酰基和4-O-甲基-α-D-吡喃式葡萄糖醛酸。聚葡萄糖甘露糖在阔叶木中一般占很少部分，约3%～5%。针叶木半纤维素主要是部分乙酰化的聚半乳糖葡萄糖甘露糖，此外针叶木中还含有少量其它半纤维素，如木聚糖、阿拉伯糖半乳聚糖、阿拉伯聚糖和果胶质等。禾本科植物的半纤维素主要为由1,4-β联接的D-吡喃式木聚糖，最重要的半纤维素是O-乙酰基-4-O-甲基-D-葡萄糖醛酸木糖和L-阿拉伯糖（4-O-甲基-D-葡萄糖醛酸）木糖。3.半纤维素的提取方法[4]在植物细胞壁中，半纤维素和纤维素及木素连接在一起，需要多步分离工艺才能将这些成分从植物细胞壁中分离出来。半纤维素分离的传统方法主要为碱液提取法和有机溶剂提取法，近十年来，在原有方法的基础上不断改进并提出了新的分离方法，如碱性过氧化氢法、混合有机溶剂提取法、蒸汽预处理法、微波辅助法、超声辅助法、机械辅助法等。由于传统碱液抽提法非常成熟，以下主要介绍相关新方法与新工艺。3.1碱性过氧化氢提取法传统碱提取过程中使用亚氯酸盐脱木素，对环境造成较大的污染。过氧化氢代替亚氯酸盐脱木素不仅经济、环保，而且可有效去除木素并兼有漂白和提高半纤维素溶解度等作用，因而逐渐受到重视。分离半纤维素的主要障碍来自于植物细胞壁中木素的存在，半纤维素和木素之间形成的化学键联接使得半纤维素直接提取时纯度低、效率低，必须经过脱木素才能将半纤维素从细胞壁中更好分离出来。因而在碱提取之前一般要对原料进行脱木素。由于半纤维素溶于碱液，所以目前应用最广的是碱液分级分离。碱液具有溶胀纤维素、断裂纤维素与半纤维素间氢键并破坏半纤维素与木素化学键作用，可在不降低半纤维研究表明，低聚水溶性半纤维素可与甲基丙烯酸β-羟乙酯或者聚乙烯醇或者聚乙二醇二甲基丙烯酸酯通过接枝聚合制备离子型水凝胶；半乳甘露聚糖也可以制备成用于药物缓释的水凝胶，通过羧基质子化保持高的溶胀率可使药物释放可控。羧酸功能化的半乳甘露聚糖水凝胶可用于金属离子的去除。因此，半纤维素水凝胶在药物控释、吸水储水、重金属离子和染料吸附方面具有较高的应用价值[6]。但总的来看，半纤维素水凝胶的研究十分有限，对其功能性和结构研究仅限于少数几种甘露糖和葡甘聚糖，对于来源于农林废弃物原料中最重要的半纤维素—木聚糖的研究几乎空白。同时，半纤维素水凝胶的构建途径单一、功能单一，有待进一步研究开发。4.3生物医学领域的应用改性半纤维素在生物医学领域的研究和应用十分活跃，也是未来重要的方向性研究课题之一。如木聚糖与壳聚糖形成的凝胶可望应用于药物释放等方面；表面包覆木聚糖的半导体纳米晶可以抵御酸性环境的侵蚀，可作为生物体中的磁性标记。5.总结大量研究表明，塑化、酯化、接枝聚合等改性的半纤维素形成的薄膜在阻隔性、机械力学性能等方面较未改性膜有显著的提高，特别是复合薄膜有望在食品包装材料及食品可食性包覆膜方面成为新型环保材料。然而，与传统的聚合物薄膜相比，其阻隔性、机械性等性能仍存在一定差距，特别是阻湿性能。在未来的发展中，半纤维素的功能化应用以及其的规模化生产需要对其改性方法和生产工艺进行更深入的探索及改进，提高其综合性能和使用性能，使其在更多领域获得应用。参考文献：[1]任俊莉，孙润仓，刘传富.半纤维素改性研究进展[J].现代化工，2006，26:68-71.[2]NatanyaML,Hansen,DavidPlackett.Sustainablefilmsandcoatingsfromhemicelluloses:Areview[J].Biomacromolecules,2008,9(6):1493-1505.[3]EbrignerovaA,HromadkovaZ,HeinzeT.Hemicellulose[J].AdvPolymSci,2005,186:1-6