全 文 ：作者简介:田华丽，女，硕士研究生，主要研究方向为清洁化制浆造纸新技术与污染控制。
通讯作者:梁辰，男，讲师，博士，主要从事清洁化制浆造纸与植物纤维化学资源综合利用方面的研究。
* 基金项目:广西自然基金项目(2013GXNSFBA019025) ;广西大学科研基金资助项目(XBZ120183) ;大学生实验技能和科技
创新能力训练基金项目(1201041)。
粉单竹热水预抽提过程碳水化合物的变化规律*
田华丽 张 娈 苏晓峰 梁 辰
(广西大学轻工与食品工程学院，广西 南宁 530004)
摘 要:本文以粉单竹为原料，在水解温度 90 ～ 150℃、时间 40 ～ 100min、液比 1∶ 4 ～ 1∶ 7范围内研究了热水预抽
提过程碳水化合物的变化规律。结果表明:当水解温度为 150℃、保温时间为 100min、液比为 1∶ 4时，水解液中木糖
的溶出率为 0． 471%、葡萄糖的溶出率为 1． 315%、阿拉伯糖的溶出率为 0． 224%、半乳糖的溶出率为 0． 150%、甘露
糖的溶出率为 0． 023%。热水预抽提过程中粉单竹的半纤维素容易溶出，主要单糖是木糖，还有相当含量的葡萄
糖、阿拉伯糖，其次是半乳糖和甘露糖。温度的变化是影响主要糖组分溶出率的主要因素，其中对葡萄糖的影响最
大，极差达到 0． 956;而固液比对糖溶出率的影响最小，特别是甘露糖，极差只有 0． 002。因此在热水预抽提过程中
应该严格控制预抽提温度，以达到在短时间、小液比内半纤维素溶出、减少纤维素降解的目的。
关键词:粉单竹片;热水预抽提;碳水化合物;高效阴离子色谱;正交试验
中图分类号:TS721 + . 2 文献标识码: 文章编号:1671 － 4571(2015)05 － 0010 － 05
能源危机及环境污染促使世界各国都将目光投
向可再生的生物质能源，生物质精炼的思想应运而
生，开发利用自然界丰富的可再生生物质资源已成研
究热点之一［1 － 2］。对于传统的制浆造纸产业而言，生
物质精炼技术的发展为行业的发展提供了新的发展
机遇。在化学制浆之前对生物质原料进行预处理，将
半纤维素预先提取出来，避免其在制浆过程被降解溶
解在黑液。提取出的半纤维素可以用来生产高附加
值产品，预处理后的原料可继续用于制浆造纸，构建
起植物纤维原料高值利用的平台。
在已有的生物质原料预处理技术中，热水预抽提
技术被证实是环保、有效、经济的方法［3 － 4］。西班牙
维戈大学对玉米芯进行热水预处理，木糖的最高产率
为 72%［5］。美国纽约州立大学 Amidon 等人［6 － 7］对
糖枫木木片进行热水提取，30%的半纤维素被提取出
来后通过稀硫酸水解、发酵制取乙醇。国内詹怀
宇［8］等人对竹子热水预抽提过程中糖组分的溶出规
律做了研究，并建立了糖组分溶出率模型。
粉单竹是我国南方重要的经济竹种，相比其他竹
类，产量更高，广泛应用于制浆造纸行业中。本文以
粉单竹为原料，采用高温热水预抽提技术，研究粉单
竹碳水化合物的变化规律。为如何控制竹子预提取
过程中糖组分的溶出量和减少毒副产品的产生提供
理论依据，也为竹子原料结合制浆造纸生物质精炼的
继续研究奠定了基础。
1 实验部分
1． 1 原料
实验所用原料为粉单竹，取自广西南宁高峰林
场，竹龄 2 ～ 3 年。使用压片机对竹子进行压溃、切
片，竹片长度控制在 20mm ～ 30mm，经筛选后密封
储存备用。热水预抽提结束后，取出反应罐，置于自
来水中充分冷却，分离抽提液和抽提后的竹片，将所
得的抽提液用干净的塑料瓶装好放于冰箱中储存。
1． 2 仪器与设备
预处理设备采用四罐油浴蒸煮锅;美国戴安公司
Dionex ICS － 3000 型高效阴离子色谱仪(IC，Car-
boPACTM PA1 阴离子交换柱，ED检测器)。
1． 3 粉单竹热水预抽提试验方案
竹片可在程序升温四罐油浴蒸煮锅中进行。装
罐量为 100g绝干原料。根据前期的试验研究确定温
度、反应时间和固液比是粉单竹半纤维素热水预抽提
01
Paper Science ＆ Technology 2015 Vol. 34 No. 5
的三个重要因素，设计了三因素四水平的正交试验设
计 L16(4
5)如表 1。表 1 中，A 为预处理温度(℃) ，B
为预处理时间(min) ，C为固液比。
表 1 试验方案及结果
试验
号
A B C 空列 空列
糖溶出率 /%
木糖
yXyl
葡萄糖
yGlc
半乳
糖 yGal
阿拉伯
糖 yAra
甘露糖
yMan
1 1(90) 1(40) 1(1∶ 4) 1 1 0． 011 0． 149 0． 049 0． 011 0． 016
2 1 2(60) 2(1∶ 5) 2 2 0． 013 0． 263 0． 049 0． 011 0． 013
3 1 3(80) 3(1∶ 6) 3 3 0． 011 0． 191 0． 058 0． 013 0． 014
4 1 4(100)4(1∶ 7) 4 4 0． 014 0． 289 0． 067 0． 014 0． 011
5 2(110) 1 2 3 4 0． 019 0． 492 0． 066 0． 017 0． 015
6 2 2 1 4 3 0． 017 0． 429 0． 061 0． 018 0． 013
7 2 3 4 1 2 0． 025 0． 692 0． 089 0． 024 0． 021
8 2 4 3 2 1 0． 015 0． 425 0． 058 0． 016 0． 011
9 3(130) 1 3 4 2 0． 029 0． 836 0． 084 0． 030 0． 022
10 3 2 4 3 1 0． 035 0． 960 0． 091 0． 039 0． 023
11 3 3 1 2 4 0． 031 0． 676 0． 086 0． 038 0． 025
12 3 4 2 1 3 0． 040 0． 918 0． 094 0． 046 0． 024
13 4(150) 1 4 2 3 0． 045 0． 995 0． 098 0． 050 0． 026
14 4 2 3 1 4 0． 087 1． 082 0． 114 0． 093 0． 027
15 4 3 2 4 1 0． 409 1． 325 0． 153 0． 225 0． 025
16 4 4 1 3 2 0． 471 1． 315 0． 150 0． 224 0． 023
1． 4 粉单竹热水预抽提液的检测
抽提液中主要糖组分的分析采用高效阴离子色
谱仪进行检测。色谱条件为:色谱柱:CarboPACTM
PA1 阴离子交换色谱柱;检测器:电化学检测器;淋洗
液:150mmol /LNaOH 溶液;淋洗液流速:0． 50mL /
min;柱温:30℃;进样体积:20． 0μL。标准样:D －葡
萄糖(D － Glc)、D －木糖(D － Xyl)、D －半乳糖(D －
Gal)、D －甘露糖(D － Man)、L －阿拉伯糖(L － Ara)。
淋洗液，实验用水为去离子水，另外还有硫酸、碳酸氢
钠、甘油。
抽提液离心分离后先用浓度(质量分数)4%的
稀 H2SO4 溶液进行酸水解，然后用超纯水稀释至适
当倍数，以 0． 22μm微孔水系滤膜过滤后利用离子色
谱自动进样系统［9 － 10］进行检测。
为了更好地表征粉单竹抽提液中各种糖的溶出
规律，采用溶出率(对绝干原料)来考察溶出规律，以
葡萄糖为例，其溶出率按下式计算:
葡萄糖溶出率 =
CGlucose × r
M × 100%
式中，CGlucose—抽提液葡萄糖的浓度，g /L;
r—竹片热水预抽提固液比，如 1:4(体积
质量比，kg /L) ;
M—绝干原料的质量，g。
2 结果与讨论
2． 1 正交因素对粉单竹热水预抽提中碳水化合物水
解的影响分析
根据表 1 的试验结果，应用正交软件，对反应温
度、保温时间和固液比对碳水化合物水解的影响进行
分析。极差法分析得出抽提过程中各个参数对粉单
竹抽提液中糖组分溶出率均值的影响与相关度，如
表 2。
表 2 粉单竹正交试验结果分析
糖溶出率
/%
A B C 空列 空列
木糖
极差 Ｒ 0． 241 0． 109 0． 103 0． 108 0． 107
F比 2． 077 0． 474 0． 449
F(0． 95)
临界值
3． 860 3． 860 3． 860
显著性
葡萄糖
极差 Ｒ 0． 956 0． 119 0． 116 0． 149 0． 144
F比 4． 580 0． 073 0． 098
F(0． 95)
临界值
3． 290 3． 290 3． 290
显著性
半乳糖
极差 Ｒ 0． 073 0． 023 0． 012 0． 018 0． 015
F比 2． 769 0． 231 0． 000
F(0． 95)
临界值
3． 860 3． 860 3． 860
显著性
阿拉伯糖
极差 Ｒ 0． 136 0． 048 0． 043 0． 044 0． 041
F比 2． 361 0． 344 0． 295
F(0． 95)
临界值
3． 860 3． 860 3． 860
显著性
甘露糖
极差 Ｒ 0． 011 0． 004 0． 002 0． 004 0． 001
F比 0 0 0
F(0． 95)
临界值
4． 760 4． 760 4． 760
显著性
11
《造纸科学与技术》 2015 年 第 34 卷 第 5 期
由表可以看出，各种糖组分的 F 比均未大于 F
(0． 95)临界比，三因素对糖组分的溶出率也无显著
性。温度的变化是主要糖组分溶出率的主要影响因
素，其中对葡萄糖的影响最大，极差达到 0． 956;而固
液比对糖溶出率的影响最小，特别是甘露糖，极差只
有 0． 002。
2． 2 粉单竹主要糖组分溶出率随反应温度变化的
规律
粉单竹抽提液中主要糖组分的溶出率随反应温
度变化规律如图 1 所示。
图 1 预抽提过程中温度与各种糖类溶出率均值的关系
由图 1 可以看出，在较低的反应温度(90℃)下，
预抽提过程中溶出的单糖量较少。随着反应温度的
升高，抽提液中各种糖类溶出率增加，其中以葡萄糖
和木糖的溶出率增加最为明显。在 90 ～ 150℃范围
内，葡萄糖的溶出率最高达到 1． 179%，而木糖的溶
出率最高仅有 0． 253%。出现这种情况的主要原因
是由于热水对非结晶的纤维素有一定的降解作用，部
分葡萄糖溶解于体系中。当反应温度为 130 ～
150℃时，木糖、阿拉伯糖、葡萄糖溶出率迅速上升。
阿拉伯糖和半乳糖的溶出率分别达到了 0. 148%、
0. 129%，而甘露糖的溶出率只有 0． 025%。主要原
因是竹秆半纤维素是木糖基以(1→4)β 苷键联接成
主链，在主链木糖基的 C3 上联接有 L －呋喃式阿拉
伯糖基，在 C2 上联接有 4 － O －甲基 － α － D －葡萄
糖醛酸基或葡萄糖醛酸基支链［11］。粉单竹半纤维素
所含的主要单糖成分为阿拉伯糖和木糖，说明其半纤
维素的组成主要为阿拉伯糖木聚糖，而少量的甘露糖
则可能是木聚糖上的支链。从中性糖含量的变化规
律来看，甘露糖含量并未随着葡萄糖的增加而增加，
因此，半纤维素中可能不存在以葡萄糖为主链，甘露
糖为支链的结构类型。张永超等人［12］在热水预抽提
对慈竹半纤维素溶出的影响中发现，在较低的反应温
度(140℃)下，预抽提过程中溶出的单糖量较少。随
着预反应温度的升高，各单糖组分的溶出明显增强。
2． 3 粉单竹主要糖组分溶出率随保温时间变化的
规律
粉单竹抽提液中主要糖组分的溶出率随保温时
间变化规律如图 2 所示:
图 2 预抽提过程中时间与各种糖类溶出率均值的关系
由图 2 可以看出，随着时间的增加，抽提液中各
种糖类的溶出率增加，葡萄糖的溶出率最高达
0. 737%，而 甘 露 糖 变 化 比 较 缓 慢，最 高 仅 有
0. 021%。在 60 ～ 80min之间，木糖的溶出率超过了
阿拉伯糖和半乳糖的溶出率。其原因是阿拉伯糖基
与半乳糖基位于半纤维素的支链上，在预抽提过程中
易被脱除，而在保温时间过长时，溶出的阿拉伯糖和
半乳糖会部分降解。保温时间为 80 ～ 100min 内，木
糖和葡萄糖的溶出率虽持续上升，但变化趋势变得缓
慢，而半乳糖、阿拉伯糖和甘露糖有下降的变化规律。
说明半纤维素的降解时间主要发生在 40 ～ 80min，
持续增加保温时间对半纤维素的降解作用不明显，另
一方面也许会抑制竹片中半纤维素的溶出。此变化
规律与谭丽红等人［13］的研究结果相似，当反应温度
21
Paper Science ＆ Technology 2015 Vol. 34 No. 5
达到一定值时，大量半纤维素在较短时间内水解溶
出，表现为残余聚戊糖比例急剧减少。
2． 4 粉单竹主要糖组分随固液比变化的规律
粉单竹抽提液中主要糖组分的溶出率随抽提固
液比变化规律如图 3 所示。
由图 3 可以看出，在反应温度和保温时间不变的
条件下，随着预抽提过程固液比的增加，各种糖类
溶出率均值的变化表现出明显的不同。在固液比
为 1∶ 5 ～ 1∶ 6内，木糖和阿拉伯糖的溶出率出现明显
下降趋势，下降率分别为 0． 084%和 0． 037%，而半乳
糖的下降率仅为 0． 012%。其中木糖溶出率的下降
趋势超过半乳糖。可能原因是半纤维素水解率与抽
提液中的单糖之间存在一个动态的平衡，溶液体积越
大，半纤维素的水解率越低，溶出的单糖越少，此现象
与殷艳飞等人［14］在研究固液比对戊糖得率的影响相
似。在 1∶ 6 ～ 1∶ 7内，这两种糖的线性重合，溶出率
变化相似，说明木糖和阿拉伯糖表现出相同的变化规
律。在固液比为 1∶ 4 ～ 1∶ 7内，葡萄糖和半乳糖变化
比较缓慢且变化规律相似，均是稍微有上升趋势，而
甘露糖呈现明显的线性关系。因此在预抽提过程中，
可根据各种糖溶出率的规律合理选择液比。
图 3 预抽提过程中固液比与各种糖类溶出率均值的关系
3 结论
(1)高温热水预抽提过程中粉单竹的半纤维素
容易溶出，抽提液中主要单糖组分是木糖、葡萄糖、阿
拉伯糖、还有少量的半乳糖和甘露糖。
(2)相比于保温时间和固液比，反应温度的变化
对抽提液中半纤维素总糖的溶出率影响最大，温度的
升高更利于木糖、葡萄糖的溶出。其中对葡萄糖溶出
率影响的极差达到 0． 956;而固液比对葡萄糖溶出率
影响的极差只有 0． 116。
(3)随着预抽提时间的增加，木糖、葡萄糖、阿拉
伯糖的溶出率均值随之增加，葡萄糖的溶出率最大
(0． 737%)。其中 60 ～ 80min 之间，木糖的溶出率
超过了阿拉伯糖和半乳糖的溶出率，半乳糖、甘露糖
的溶出率均值随着保温时间的增加缓慢下降。
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31
《造纸科学与技术》 2015 年 第 34 卷 第 5 期
Changing Ｒules of Carbohydrates during Hot －Water
Pre － extraction of Bambusa Chungii
Tian Hua-li Zhang Luan Su Xiao-feng Liang Chen
(Institute of Light Industrial and Food Engineering，Guangxi University，Nanning 530004，Guangxi，China)
Abstract:Changing rules of carbohydrates during hot － water pre － extraction of Bambusa Chungii under the condi-
tions of temperature 90 ～ 150℃，reaction time 40 ～ 100min and ratio of solid to liquid 1∶ 4 ～ 1∶ 7 were studied．
The results showed that the dissolution rate of xylose was 0． 471%，glucose was 1． 315%，arabinose was 0． 224%，
galactose and mannose were 0． 150% and 0． 023% under the conditions of temperature 150℃，reaction time
100min and ratio of solid to liquid 1∶ 4． Hemicellulose of Bambusa Chungii was dissolved easily． The main mono-
saccharide is xylose，glucose and arabinose are the second and only a small amount of galactose and mannose ex-
ists． The change of hydrolysis temperature is the main factor affecting on dissolution rate of carbohydrates，especial-
ly glucose by the differential range of 0． 956 ． However，the ratio of solid to liquid is minimum，the differential range
of 0． 002 for mannose． Therefore，the pre － extraction temperature should be strictly controlled during hot － water
pre － extraction process，in order to achieve the purpose of hemicellulose dissolution and reducing the cellulose deg-
radation in a short time，smaller ratio of solid to liquid．
Key word:Bambusa Chungii chip;hot － water pre － extraction;carbohydrates;high efficient anion chromatogra-
phy;
檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷
orthogonal experiment
(上接第 5 页)
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The Effect of NaOH Dosage on Properties of
Alkaline Peroxide Mechanical Pulp Fibers of Liriodendron Hybrids
Wang Ping Yang Yan Wu Shi-tao Kan Xu-bin Wang Meng-ci Zhai Hua-min
(Jiangsu Provincial Key Lab of Pulp and Paper Science and Technology，Nanjing Forestry University，
Nanjing 210037，Jiangsu，China)
Abstract:The effect of sodium hydroxide dosage on the properties of Liriodendron hybrids alkaline peroxide mechan-
ical pulp fiber was studied． With increasing of total NaOH dosage，the pulp yield，freeness and refining energy
consumption were declined，the fiber’s length，width，coarseness and curl index were increased，the kink angle，
kink rate and cutting rate were declined． The fibrillation rate rose at the beginning and then declined with increas-
ing of total dosage of NaOH． Under the same conditions of freeness，the opacity，the bulk，tear index，tensile in-
dex of Liriodendron hybrids APMP was significantly higher than those of poplar except of the brightress．
Key words:Liriodendron hybrids;APMP;NaOH;fiber property
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