許振川，方慶紅，*，楊 鳳，，康海瀾，，劉桂萍

（1.沈陽(yáng)化工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110142；2.遼寧省橡膠彈性體重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 沈陽(yáng) 110142）

杜仲樹(shù)是我國(guó)特有的單種屬植物，屬國(guó)家二類珍稀保護(hù)植物。杜仲樹(shù)在我國(guó)種植面積占世界種植面積的99%以上，其適應(yīng)性強(qiáng)，耐嚴(yán)寒、耐高溫，對(duì)土壤要求不高，全國(guó)范圍均可種植[1]。杜仲橡膠（EUG）是產(chǎn)自杜仲樹(shù)的一種天然高分子材料，與天然橡膠（NR）互為同分異構(gòu)體，化學(xué)組成為反式-1，4-聚異戊二烯。由于其對(duì)稱、有序的鏈結(jié)構(gòu)，EUG易結(jié)晶，常溫下無(wú)彈性，是一種塑性材料，具有橡塑二重性[2]，可用于阻尼材料、醫(yī)療器械、體育用品等領(lǐng)域[3]，應(yīng)用前景廣闊。

EUG主要分布在杜仲樹(shù)的根、莖、葉、皮、果實(shí)中，而杜仲籽殼中含膠量最為豐富[4-5]。盧敏等[6]研究了杜仲含膠細(xì)胞超微結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)杜仲含膠細(xì)胞是一種細(xì)長(zhǎng)、兩端膨大、細(xì)胞腔內(nèi)貯滿橡膠顆粒的絲狀單細(xì)胞，不能像NR那樣通過(guò)割膠收集而需要通過(guò)多步提取工藝獲取。存在于杜仲細(xì)胞壁中的木質(zhì)素、半纖維素、纖維素及細(xì)胞間的果膠質(zhì)等成分，在EUG提取時(shí)不易溶解，對(duì)EUG的浸出有阻礙作用，降低了EUG膠絲的溶出。因此破壞杜仲細(xì)胞壁，使膠絲從細(xì)胞中溶出是提取EUG的關(guān)鍵。

植物纖維素和木質(zhì)素可以在堿的催化下快速水解[7]，堿溶液可用于纖維素、木質(zhì)素以及分子間酯鍵的脫酯化[8]。歐陽(yáng)輝等[9]將不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的氫氧化鈉（NaOH）溶液在不同溫度下對(duì)杜仲籽殼粉末進(jìn)行預(yù)處理（浸泡）得到粗提物，然后將粗提物在索氏提取器中加入石油醚進(jìn)行回流提取，從而得出EUG提取率最大的預(yù)處理?xiàng)l件，即在90 ℃和質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1的NaOH溶液中將杜仲籽殼浸泡3 h，其纖維素和木質(zhì)素等非膠組分物質(zhì)的分解效果最好。游東宏等[10]在歐陽(yáng)輝等研究的基礎(chǔ)上，將石油醚回流提取的提取液在0 ℃下冷凍1 h以析出EUG，杜仲籽殼中EUG的提取率為19.9%。上述堿浸法膠絲流失多，成本高，產(chǎn)率低，且NaOH溶液使用過(guò)多，污染環(huán)境。

硫酸、硝酸、鹽酸、磷酸、乙酸等預(yù)處理也可破壞杜仲細(xì)胞壁，使纖維素和木質(zhì)素有效分離[11]，從而使膠絲暴露。周鵬等[12]借鑒有機(jī)溶劑制漿法，以乙酸（體積分?jǐn)?shù)為0.8）作溶劑，在料液比[杜仲物質(zhì)質(zhì)量（g）與溶劑體積（mL）比]為1：13.5以及鹽酸（體積分?jǐn)?shù)為0.003 5）催化下，于100 ℃預(yù)處理杜仲籽殼3 h，EUG提取率為15.2%。該預(yù)處理方法提取率較低且廢液難處理。

微生物發(fā)酵法是利用纖維素酶或分解菌去除杜仲細(xì)胞壁中的纖維素，劉貴華等[5]得出酶解最佳條件為：溫度 50 ℃，pH值 3.8，纖維素酶 0.3 g，料液比 1：15（其中原料杜仲樹(shù)葉為10 g），酶解兩次，每次酶解時(shí)間均為3 h。與非酶解EUG相比，酶解EUG提取率提高了1.3倍。張學(xué)俊等[13]發(fā)現(xiàn)，在溫度為50 ℃和pH值為4的條件下，加入纖維素酶可以充分水解杜仲細(xì)胞壁中的纖維素，提高EUG溶出的通透性，使EUG提取率提高0.5，且獲得的長(zhǎng)絲EUG強(qiáng)度高、韌性好。杜仲物質(zhì)的微生物發(fā)酵法避免了酸堿溶液的使用，具有明顯的環(huán)保優(yōu)勢(shì)；但受微生物自身活性的影響，其限制因素較多[14]，提取時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)。

在工業(yè)造紙中過(guò)氧化氫（H2O2）廣泛用于脫除木質(zhì)素和纖維素[15]，黃小雷等[16]以H2O2為氧化劑氧化纖維素，探討了pH值、氧化反應(yīng)時(shí)間和H2O2質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)纖維素氧化程度和降解程度的影響。賴玉榮等[17]發(fā)現(xiàn)，H2O2可以與木質(zhì)素發(fā)生反應(yīng)而使其側(cè)鏈碎解。宋建新等[18]研究表明，氧脫木質(zhì)素過(guò)程中加入一定量H2O2可以提高脫除木質(zhì)素的效率。本工作借鑒H2O2在制漿造紙中應(yīng)用，采用H2O2對(duì)杜仲籽殼進(jìn)行預(yù)處理，以探索一種高效、快速提取EUG的方法，希望為促進(jìn)EUG的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程提供理論基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 主要原料和試劑

原料：粉碎的杜仲籽殼，湘西老爹生物有限公司產(chǎn)品。

試劑：H2O2、乙醇、石油醚（沸程為60～90℃）、NaOH溶液、四氫呋喃、鹽酸，分析純，天津市大茂化學(xué)試劑廠產(chǎn)品。

1.2 EUG提取及H2O2預(yù)處理試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.2.1 EUG提取

準(zhǔn)確稱取5 g杜仲籽殼或經(jīng)H2O2預(yù)處理的杜仲籽殼放入圓底燒瓶中，再加入溶劑石油醚（料液比為1：50），85 ℃回流提取2 h，用紗網(wǎng)趁熱過(guò)濾，收集提取液并放入冰箱中冷凍2 h，待EUG以沉淀形式析出時(shí)進(jìn)行離心，上清液用于對(duì)料渣進(jìn)行二次回流提取，條件與第1次相同。最后將離心所得EUG進(jìn)行干燥至恒質(zhì)量，密封保存。根據(jù)公式（1）計(jì)算提取率。

式中：A為EUG提取率，%；M1為提取EUG質(zhì)量，g；M0為所用杜仲籽殼質(zhì)量，g。

1.2.2 單因子試驗(yàn)

以H2O2質(zhì)量分?jǐn)?shù)、pH值、浸泡溫度、浸泡時(shí)間和料液比（溶劑為乙醇）作為影響因子，以EUG提取率為考察指標(biāo)，設(shè)置不同的梯度進(jìn)行單因子試驗(yàn)，從而確定正交試驗(yàn)各因子取值范圍。

1.2.3 正交試驗(yàn)

在單因子試驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步研究每個(gè)因子的交互影響。將H2O2質(zhì)量分?jǐn)?shù)、pH值、浸泡溫度、浸泡時(shí)間和料液比作為影響因子，以EUG提取率為考察指標(biāo)，設(shè)計(jì)5因子4水平L16（45）進(jìn)行正交試驗(yàn)。

1.3 測(cè)試分析

1.3.1 紅外光譜分析

將EUG用氯仿溶解，并將溶液均勻涂抹在溴化鉀片上，在室溫下使用美國(guó)Thermo Fisher公司生產(chǎn)的Nicoletis 10型紅外光譜分析儀測(cè)試EUG紅外光譜。

1.3.2 核磁共振氫譜（1H-NMR）分析

將EUG用氘代氯仿溶解，四甲基硅烷為內(nèi)標(biāo)，在室溫和頻率為500 MHz下使用美國(guó)Varian公司生產(chǎn)的UNITY 300型核磁共振儀測(cè)試EUG1H-NMR譜。

1.3.3 相對(duì)分子質(zhì)量

將EUG用四氫呋喃溶解，在室溫下使用美國(guó)普立泰科有限公司生產(chǎn)的PL-GPC 50型高效液相色譜儀測(cè)試EUG相對(duì)分子質(zhì)量。

2 結(jié)果與討論

2.1 單因子試驗(yàn)

H2O2質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)EUG提取率的影響如圖1所示（pH值為7，浸泡溫度為80 ℃，浸泡時(shí)間為2 h，料液比為1：10）。

圖1 H2O2質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)EUG提取率的影響Fig.1 Influence of H2O2 mass fractions on extraction rates of EUG

從圖1可以看出：隨著H2O2質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大，EUG提取率先增大后減??；在H2O2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.06時(shí)，EUG提取率高達(dá)24.6%，而繼續(xù)增大H2O2質(zhì)量分?jǐn)?shù)后EUG提取率減小，這可能是因?yàn)镠2O2質(zhì)量分?jǐn)?shù)過(guò)大造成EUG環(huán)氧化，導(dǎo)致EUG分子鏈結(jié)構(gòu)遭到破壞。因此，正交試驗(yàn)中H2O2質(zhì)量分?jǐn)?shù)的設(shè)計(jì)水平取0.02，0.04，0.06和0.08。

pH值對(duì)EUG提取率的影響如圖2所示（浸泡溫度為80 ℃，浸泡時(shí)間為2 h，料液比為1：10，H2O2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.06）。

從圖2可以看出：隨著pH值的增大，EUG提取率先增大后減??；在pH值為7時(shí)，即體系為中性時(shí)EUG提取率最大，為25.35%。酸性條件或堿性條件下均會(huì)使EUG提取率減小。因此，正交試驗(yàn)中pH值設(shè)計(jì)水平取5，6，7和8。

圖2 pH值對(duì)EUG提取率的影響Fig.2 Influence of pH values on extraction rates of EUG

浸泡溫度對(duì)EUG提取率的影響如圖3所示（pH值為7，浸泡時(shí)間為2 h，料液比為1：10，H2O2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.06）。

圖3 浸泡溫度對(duì)EUG提取率的影響Fig.3 Influence of soaking temperatures on extraction rates of EUG

從圖3可以看出：浸泡溫度在40～60 ℃范圍內(nèi)，EUG提取率緩慢增大；浸泡溫度在60～80 ℃范圍內(nèi)，EUG提取率迅速增大并達(dá)到峰值，提取率最大為25.83%；繼續(xù)升高溫度，EUG提取率緩慢減小。因此，正交試驗(yàn)中浸泡溫度設(shè)計(jì)水平取50，60，70和80 ℃。

浸泡時(shí)間對(duì)EUG提取率的影響如圖4所示（pH值為7，浸泡溫度為80 ℃，料液比為1：10，H2O2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.06）。

從圖4可以看出：隨著浸泡時(shí)間延長(zhǎng)，EUG提取率先增大后減?。划?dāng)浸泡時(shí)間為2 h時(shí)，EUG提取率達(dá)到最大，為24.9%，說(shuō)明浸泡2 h時(shí)預(yù)處理已進(jìn)行完全。因此，正交試驗(yàn)中浸泡時(shí)間設(shè)計(jì)水平取0.5，1，1.5和2 h。

圖4 浸泡時(shí)間對(duì)EUG提取率的影響Fig.4 Influence of soaking time on extraction rates of EUG

料液比對(duì)EUG提取率的影響如圖5所示（pH值為7，浸泡溫度為80 ℃，浸泡時(shí)間為2 h，H2O2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.06）。

圖5 料液比對(duì)EUG提取率的影響Fig.5 Influence of material-to-liquid ratios on extraction rates of EUG

從圖5可以看出：當(dāng)料液比為1：14時(shí)，EUG提取率最大，為25.96%；當(dāng)料液比在1：8～1：14之間時(shí)，EUG提取率逐漸增大；當(dāng)料液比在1：14～1：18區(qū)間時(shí)，EUG提取率趨于平緩，說(shuō)明預(yù)處理已進(jìn)行完全。從節(jié)約原則考慮，正交試驗(yàn)中料液比設(shè)計(jì)水平取1：8，1：10，1：12和1：14。

2.2 正交試驗(yàn)

正交試驗(yàn)因子與水平見(jiàn)表1。正交試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

表1 正交試驗(yàn)因子與水平Tab.1 Factors and levels of orthogonal test

從表2可以看出：5個(gè)試驗(yàn)因子對(duì)EUG提取率影響由大到小的順序?yàn)閜H值、料液比、浸泡溫度、H2O2質(zhì)量分?jǐn)?shù)和浸泡時(shí)間；最佳預(yù)處理?xiàng)l件為H2O2質(zhì)量分?jǐn)?shù) 0.02，pH值 7，浸泡溫度 80℃，浸泡時(shí)間 2 h，料液比 1：14。按照杜仲籽殼最佳H2O2預(yù)處理?xiàng)l件進(jìn)行驗(yàn)證性試驗(yàn)，設(shè)置3組平行試驗(yàn)，測(cè)得平均EUG提取率為29.79%，較杜仲籽殼未預(yù)處理時(shí)提高了17.43%。經(jīng)H2O2預(yù)處理后EUG提取率增大，這是由于H2O2與杜仲細(xì)胞壁中木質(zhì)素反應(yīng)，使木質(zhì)素快速水解，從而破壞細(xì)胞壁，有利于石油醚的進(jìn)入以及EUG膠絲的溶出。H2O2與木質(zhì)素側(cè)鏈上羰基和碳-碳雙鍵反應(yīng)（分別見(jiàn)圖6和7），使其氧化，改變木質(zhì)素結(jié)構(gòu)或?qū)?cè)鏈碎解。圖8示出了H2O2與木質(zhì)素結(jié)構(gòu)單元苯環(huán)的反應(yīng)。木質(zhì)素結(jié)構(gòu)單元苯環(huán)是無(wú)色的，但在蒸煮過(guò)程中形成各種醌式結(jié)構(gòu)（有色結(jié)構(gòu)）并生成有色氣體，而醌式結(jié)構(gòu)發(fā)生反應(yīng)后變成無(wú)色的其他結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致苯環(huán)氧化開(kāi)裂，最后形成一系列二元羧酸和芳香酸[17]。

圖6 H2O2與木質(zhì)素側(cè)鏈羰基的反應(yīng)Fig.6 Reactions of H2O2 with side chain carbonyl group of lignin

圖7 H2O2與木質(zhì)素側(cè)鏈碳-碳雙鍵的反應(yīng)Fig.7 Reactions of H2O2 with side chain carbon-carbon double bond of lignin

圖8 H2O2與木質(zhì)素結(jié)構(gòu)單元苯環(huán)的反應(yīng)Fig.8 Reactions of H2O2 with benzene ring of lignin structural unit

表2 正交試驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Orthogonal test results

2.3 H2O2預(yù)處理對(duì)EUG分子結(jié)構(gòu)的影響

由正交試驗(yàn)結(jié)果可知，EUG提取率受H2O2預(yù)處理pH值影響較大，因此本試驗(yàn)研究H2O2預(yù)處理pH值對(duì)EUG分子結(jié)構(gòu)的影響。不同pH值H2O2預(yù)處理和未預(yù)處理提取的EUG紅外光譜如圖9所示。

圖9中，在2 965和2 917 cm-1處為甲基的吸收峰，在2 849 cm-1處為亞甲基的吸收峰，在1 735 cm-1處為羰基的吸收峰，在1 662 cm-1處為碳-碳雙鍵的吸收峰，在1 000～1 500 cm-1的范圍內(nèi)有碳?xì)滏I、碳-碳單鍵以及甲基和亞甲基的振動(dòng)及振動(dòng)耦合吸收峰[19]，在875，795和597 cm-1處的吸收峰與鏈段微觀規(guī)整有序性相關(guān)。本試驗(yàn)提取的EUG紅外光譜與文獻(xiàn)[20]中的基本相同，為反式-1，4-聚異戊二烯。H2O2預(yù)處理提取的EUG紅外光譜中，在1 662 cm-1處的碳-碳雙鍵吸收峰強(qiáng)度未減弱，在875，795和597 cm-1處的吸收峰強(qiáng)度也未減弱，且無(wú)新吸收峰出現(xiàn)，上述結(jié)果說(shuō)明杜仲籽殼經(jīng)H2O2預(yù)處理后EUG未被環(huán)氧化，分子鏈的結(jié)構(gòu)未改變。

圖9 不同pH值H2O2預(yù)處理和未預(yù)處理提取的EUG紅外光譜Fig.9 Infrared spectra of EUG with H2O2 pretreatment at different pH values and without pretreatment

不同pH值H2O2預(yù)處理和未預(yù)處理提取的EUG1H-NMR譜如圖10所示。

從圖10可以看出，在化學(xué)位移為1.60，1.97和2.06處為反式-1，4-結(jié)構(gòu)上與雙鍵相鄰的甲基和亞甲基上的質(zhì)子特征峰，在化學(xué)位移為5.11處為反式-1，4-結(jié)構(gòu)雙鍵上的不飽和質(zhì)子特征峰[21]。通過(guò)對(duì)比可知，H2O2預(yù)處理與未經(jīng)預(yù)處理提取的EUG1H-NMR譜基本相同，且無(wú)新的吸收峰出現(xiàn)，這進(jìn)一步說(shuō)明杜仲籽殼經(jīng)H2O2預(yù)處理對(duì)EUG分子鏈結(jié)構(gòu)和化學(xué)組成無(wú)影響。

圖10 不同pH值H2O2預(yù)處理和未預(yù)處理提取的EUG1H-NMR譜Fig.10 1H-NMR spectra of EUG with H2O2 pretreatment at different pH values and without pretreatment

2.4 H2O2預(yù)處理對(duì)EUG相對(duì)分子質(zhì)量的影響

圖11為不同pH值H2O2預(yù)處理和未預(yù)處理提取的EUG相對(duì)分子質(zhì)量分布曲線。

從圖11可以看出，幾種EUG的相對(duì)分子質(zhì)量呈單峰分布，說(shuō)明所提取的EUG純凈、無(wú)其他大分子雜質(zhì)。表3為不同pH值H2O2預(yù)處理和未預(yù)處理提取的EUG相對(duì)分子質(zhì)量。

表3 不同pH值H2O2預(yù)處理和未預(yù)處理提取的EUG相對(duì)分子質(zhì)量Tab.3 Relative molecular masses of EUG with H2O2 pretreatment at different pH values and without pretreatment

圖11 不同pH值H2O2預(yù)處理和未預(yù)處理提取的EUG相對(duì)分子質(zhì)量分布曲線Fig.11 Relative molecular mass distribution curves of EUG with H2O2 pretreatment at different pH values and without pretreatment

從表3可以看出，未預(yù)處理提取的EUG數(shù)均相對(duì)分子質(zhì)量為1.07×105，H2O2預(yù)處理提取的EUG數(shù)均相對(duì)分子質(zhì)量為（0.54～0.86）×105，較未預(yù)處理提取的EUG有所減小，這可能是因?yàn)镠2O2與EUG分子鏈上的碳-碳雙鍵或鄰亞甲基反應(yīng)，使其氧化降解，進(jìn)而使相對(duì)分子質(zhì)量減小。與酸堿預(yù)處理相比，中性預(yù)處理提取的EUG數(shù)均相對(duì)分子質(zhì)量和重均相對(duì)分子質(zhì)量較大。

3 結(jié)論

（1）杜仲籽殼H2O2預(yù)處理可破除杜仲細(xì)胞壁，使EUG膠絲溶出。

（2）杜仲籽殼最佳H2O2預(yù)處理?xiàng)l件為：H2O2質(zhì)量分?jǐn)?shù) 0.02，pH值 7，浸泡溫度 80 ℃，浸泡時(shí)間 2 h，料液比 1：14。在此條件下EUG提取率為29.79%，比未預(yù)處理時(shí)提高17.43%。該預(yù)處理方法高效、簡(jiǎn)便、快捷。

（3）杜仲籽殼H2O2預(yù)處理對(duì)EUG分子鏈結(jié)構(gòu)和化學(xué)組成無(wú)影響。杜仲籽殼H2O2預(yù)處理得到的EUG純凈、無(wú)其他大分子雜質(zhì)，且中性條件下的相對(duì)分子質(zhì)量較大。