CN114908597B - 一种从树轮中提取α纤维素的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种从树轮中提取α纤维素的方法，属于α纤维素提取技术领域，包括以下步骤：(1)将树轮样品切碎片并混合均匀；(2)用氯仿‑乙醇混合溶液超声萃取后，去除滤液，将固体物质与乙醇混合恒温萃取，过滤得到剩余的固体物质；(3)加入盐酸溶液和亚氯酸钠，浸泡2h，滤除溶液，得到过滤后的固体物质；(4)向过滤后的固体物质中加入氢氧化钠溶液，浸泡2h，再加入盐酸溶液，在70℃下浸泡1h，得到α纤维素。可以高效、经济、环保的从树轮中提取α纤维素以便于用于同位素分析，以获取其中的气候、环境变化信息，有效提高树轮中α纤维素的提取效率，缩短提取时间，节省有机溶剂用量。

Description

一种从树轮中提取α纤维素的方法
技术领域
本发明涉及α纤维素提取技术领域，尤其涉及一种从树轮中提取α纤维素的方法。
背景技术
树木通过光合作用将叶片吸收的大气CO2转化为自身有机物，因此可以通过树轮中的稳定同位素比率(δ13C、δ18O)和放射性同位素水平(Δ14C)能记录树木生长过程中气候、环境信息及其变化，因此树轮被广泛应用于稳定同位素和放射性同位素的研究中。
树木的主要化学组分为纤维素、半纤维素、木质素及少量可提取物和灰分。其中灰分是无机物质，可提取物是低分子的可迁移有机物质，如蜡、脂肪、油、树脂等。最初，对树轮同位素的研究是利用树轮的全木进行的，但由于树轮中纤维素、木质素、可提取物等组分的同位素比率存在差异，得到的结果并不理想。纤维素是一种长链碳基聚合物，由葡萄糖分子通过β-1,4-糖苷键连接而成，其结构中的碳原子和氧原子一旦形成，就不会与水或其他化合物发生交换。因此基于这种稳定性，相比于树轮中的其他组分，α纤维素可以记录树木生长过程中的气候、环境信息，研究人员在后续研究中便开始倾向于使用从树轮样品中提取α纤维素进行同位素分析，尽可能多的去除不稳定、可迁移、可交换的其它非纤维素成分，以期提取出纯净的α纤维素。然而，常用的植物纤维素提取方法提取出的α纤维素总含有微量的杂质(木质素等)。为保证同位素结果的准确性，需要将这些杂质完全去除，获得纯α纤维素或性质接近于纯纤维素的物质。近年来，能够提取出性质最接近于纯纤维素的物质的方法即通过溶剂萃取及漂白过程提取出全纤维素，再通过在17.5％的氢氧化钠溶液中浸泡，提取出不溶解的α纤维素。由于α纤维素同位素比率相对稳定、生物合成途径单一，以及在树轮中的低迁移性，目前大多数树轮同位素研究都利用的是从树轮中提取的α纤维素。
提取树轮中α纤维素的过程繁琐而冗长，由于其多用于实验室分析且所需纯度高，因此提取过程完全不同于常规的秸秆、甘蔗、废纸等原料的化工原料纤维素提取。多年来，研究人员提出了多种提取α纤维素的方法，目前最能完整去除其它物质、提取α纤维素的方法，基本上都包含了有机溶剂萃取、次氯酸钠漂白处理和碱化处理三个主要步骤，可以去除树脂等可迁移物质、无机盐及一些树胶等可溶低分子有机物，同时能除去大部分木质素，提取α纤维素。有机溶剂萃取过程，虽然所使用溶剂类型有所不同，但大多都采用索式提取进行萃取。索式提取法依赖于渗透过程提取植物样品内成分，虽然具有选择性好、能耗低等优点；其缺点也很明显，即结果误差大、提取耗时长、有机溶剂使用量大、需要特定的索式提取器，包括提取瓶、提取管、冷凝器等器材，且无法进行大批量或数量>15的样品处理，因此对于同位素研究，索式提取法已显得复杂且低效。因此，有必要寻找一种既能简单、高效地提取树轮中α纤维素，又不需使用大量对环境有害的有机溶剂的方法。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种从树轮中提取α纤维素的方法，可以高效、经济、环保的从树轮中提取α纤维素以便于用于同位素研究，有效提高树轮中α纤维素的提取效率，缩短提取时间，节省有机溶剂用量，同时提取纯度较高。
本发明通过以下技术手段解决上述技术问题：
一种从树轮中提取α纤维素的方法，包括以下步骤：
(1)将树轮样品切碎片并混合均匀；
(2)将树轮样品置于玻璃试管中，加入氯仿-乙醇混合溶液，在超声波清洗器中超声萃取1h后，再于65℃下萃取3.5h，循环重复两次，去除滤液，将固体物质与无水乙醇混合，在80℃下恒温萃取8h后滤出，再次将固体物质与超纯水混合，在80℃下恒温浸泡8h，过滤得到剩余的固体物质；
(3)向剩余的固体物质中加入1mol/L盐酸溶液和亚氯酸钠，混合均匀，在70℃下浸泡2h，重复该步骤直至树轮样品变为淡黄色，滤除溶液，得到过滤后的固体物质；
(4)向过滤后的固体物质中加入的2wt％氢氧化钠溶液，在50℃下浸泡2h，弃置废液，再加入0.5mol/L盐酸溶液，在70℃下浸泡1h，得到α纤维素。
干燥的树轮样品切碎后首先采用氯仿-乙醇混合溶液、无水乙醇和超纯水分别进行超声和恒温水浴萃取，以从固体树轮样品中去除树脂、蜡、脂肪、油等可迁移组分及无机盐和树胶等可溶低分子有机物，然后使用盐酸和亚氯酸钠去除树轮中大部分木质素，最后分别用氢氧化钠溶液和盐酸去除半纤维素和残余的木质素，得到的不可溶白色固体即为α纤维素。
树轮中提取的α纤维素用于同位素分析，属实验室提取范畴，其提取区别于常规的秸秆、甘蔗、废纸等原料的化工原料纤维素提取。由于其他物质会影响同位素结果，其要求的纯度和效率完全不同，在能够提取出纯净的α纤维素，保证同位素分析结果准确性的同时，需尽可能提高提取效率和减少有害试剂的使用。通过超声萃取步骤的空化作用和可扩散性，使有机溶剂快速进入固体树轮样品内，加速提取其中需要去除的可提取物；结合使萃取剂中产生微气泡并不断增长与破裂，促进固体树轮样品的分散，进一步增大了萃取剂与固体样品的接触面积，同时超声波在萃取剂中传导时转化的热能，加快了树轮样品中的可溶性成分扩散至萃取剂的过程。
进一步，所述步骤(2)中的氯仿-乙醇混合溶液与样品的体积质量比为1mL：2mg。
进一步，所述步骤(4)中的2wt％氢氧化钠溶液与过滤后的固体物质的体积质量比为1mL：2mg。
进一步，所述步骤(3)中的1mol/L的盐酸溶液与剩余的固体物质体积质量比为1mL：2mg，所述步骤(4)中的0.5mol/L的盐酸溶液与固体物质的体积质量比为1mL：2mg。
进一步，所述超声波清洗器的超声电功率为300W，频率为40kHz
进一步，所述氯仿-乙醇混合溶液由氯仿与无水乙醇按照体积比2：1混合制成。
进一步，所述树轮样品切碎至1-1.2mm。
进一步，按照本发明提取的α纤维素用于14C分析，以研究树木生长过程中的气候、环境信息。
本发明的有益效果如下：
本发明与传统方法相比提取出的α纤维素在形状完整、同位素分析结果与实际结果接近、能反映出树木生长过程中的环境信息，本发明提取得到的α纤维素在进行同位素分析时可以准确反映其记录的大气14C信息。同时采用本发明公开的步骤可节省一半以上的提取时间、有机溶剂使用量节约了95％左右，更加高效、经济、环保。
附图说明
图1是实施例1从油松树轮中提取的α纤维素；
具体实施方式
以下将结合具体实施例和附图对本发明进行详细说明：
实施例1：油松树轮α纤维素提取
(1)将1950年左右、干燥后的油松树轮样品用刻刀切至宽约1mm左右的碎片，混合均匀；
(2)取油松树轮样品20mg于玻璃试管中，加入10mL氯仿-乙醇混合溶液(氯仿与无水乙醇体积比为2：1)，混合均匀后将装有样品的玻璃试管放于在超声电功率300W，频率为40kHZ的超声波清洗器中超声萃取1h后，再于65℃下恒温萃取3.5h，循环重复两次，冷却后，滤除萃取溶剂，再向固体物质加入10mL无水乙醇，于80℃下恒温萃取8h，冷却后滤除萃取溶剂，再将固体物质与10mL超纯水于80℃的条件下浸泡8h，冷却后过滤，滤除溶液，得到剩余的固体物质；
(3)向剩余的固体物质中加入10mL 1mol/L盐酸溶液和0.1g亚氯酸钠，混合均匀，在70℃下浸泡2h，重复该步骤直至树轮样品变为淡黄色，滤除溶液,用超纯水洗涤剩余固体直至pH值为5-6，得到过滤后的固体物质；
(4)向过滤后的固体中加入的10mL 2wt％氢氧化钠溶液，在50℃下浸泡2h，冷却后过滤，弃置废液，用超纯水洗涤剩余固体至pH值为8-9，向固体中加入10mL 0.5mol/L盐酸溶液，在70℃下浸泡1h，冷却后，滤除溶液，再次用超纯水洗涤剩余的白色固体至中性，于60℃下干燥，即得到α纤维素。
对比例1：酸碱酸法提取α纤维素
对比例1为普通的纤维素提取方法与本发明的提取方法形成对比，具体的提取步骤如下：
(1)选取实施例1相同的油松样品，用刻刀切至宽约1mm左右的碎片，混合均匀；
(2)取油松树轮样品20mg于玻璃试管中，加入25mL 1mol/L HCl溶液，在70℃下加热并浸泡过夜；
(3)调节溶液pH为3，加入适量NaClO2，在70℃下浸泡至样品发白，滤除溶液；
(4)将剩余固体用超纯水洗至中性，于60℃下干燥，即得到α纤维素。
对比例2：索式提取法提取α纤维素
对比例2为索式提取法提取α纤维素，与本发明的提取方法形成对比，具体的提取步骤如下：
(1)将实施例1相同的油松树轮样品用刻刀切至宽约1mm左右的碎片，混合均匀；
(2)将20mg油松树轮样品与200mL苯-乙醇混合溶液(苯与无水乙醇体积比为2：1)混合，采用索式提取法提取16h后，过滤，得到固体物质，将固体物质再于200mL无水乙醇溶液混合，再次采用索式提取法提取16h，随后过滤，得到剩余固体物质用1000mL超纯水水浴8h，过滤，去除滤液，得到固体物质；
(3)向固体物质中加入700mL超纯水、1mL醋酸和8g亚氯酸钠，混合均匀，在70℃的条件下浸泡12h，12h过后采用相同的方法每2h处理一次，共重复三次，之后再用相同的方法浸泡12h，过滤得到固体物质；
(4)将固体物质浸泡于100mL 17.5wt％氢氧化钠溶液中1h，冷却后过滤，用超纯水冲洗剩余固体至pH值为中性，随后浸泡于100mL 10wt％醋酸中1h，用超纯水冲洗固体物质直至中性，于60℃下干燥，得到α纤维素。
检测实施例1、对比例1和对比例2提取出的树轮α纤维素中的放射性碳(14C)含量，得到的数据如表1所示：
表1
<![CDATA[Δ<sup>14</sup>C/‰]]> 颜色 形状 完整度
实施例1 -23.9±1.9 白色 宽<1mm的碎片 完整，有部分细小碎片
对比例1 66.6±2.0 淡黄色 宽<1mm的碎片 完整，有部分细小碎片
对比例2 -11.6±3.0 白色 宽<1mm的小碎片 较细碎，有很多细小碎片
注：树轮α纤维素的Δ14C是样品中的放射性碳(14C)含量，经西安加速器质谱中心的0.2MV 14C专用加速器质谱仪(AMS)测量后计算得到。
数据分析：
1、对实施例1与对比例1和对比例2得到的α纤维素进行分析，对比例2使用传统酸碱酸法提取α纤维素的14C(66.6±2.0‰)与北半球近似纬度大气同期Δ14C数据(-24.7±1.9‰)相差较大，说明酸碱酸法未能提取出纯净的α纤维素，存在对分析结果有影响的杂质。与使用传统酸碱酸法(66.6±2.0‰)和传统索式提取法(-11.6±3.0‰)提取α纤维素的14C相比，实施例1的α纤维素测得的Δ14C(-23.9±1.9‰)与北半球近似纬度大气同期Δ14C数据(-24.7±1.9‰)更为接近，说明本发明可以提取得到纯净的α纤维素并在进行同位素分析时可以准确反映其记录的大气14C信息。
2、实施例1使用的方法与对比例2采用的传统索式提取法形成对比，索式提取法耗时长且大量消耗有机溶剂，而本发明的提取方法节约了一半以上的时间，显著提高了提取效率，更加简便快捷；有机溶剂使用量节约了95％左右(由200mL/样减少至10mL/样)，更加经济环保。除此之外，传统索式提取法一次性能处理10-15个样品，而本发明可批量处理约70个样品，大幅增加了样品处理量。从提取的α纤维素质量来看，本发明提供的提取方法可以尽可能的收集提取，提高纯度去除杂质，防止样品中的其他物质对同位素分析结果的干扰，造成分析误差，提高分析准确度。
3、通过对比实施例1与对比例1和对比例2得到的α纤维素的形状、颜色、完整度可知，本发明的方法提取出的α纤维素性状完整，α纤维素具有较好的品质。
4、通过对比例1和对比例2与实施例1相比可知，在树轮样品处理步骤和有机溶剂萃取步骤中，处理流程、萃取方法以及萃取有机溶剂的用量选择均对α纤维素的同位素分析准确度有影响，甚至出现提取物为淡黄色，杂质明显的问题，由此可以说明本发明公开的方法提取的α纤维素纯度高、形状完整、同位素分析结果准确性高，是极其适用于同位素分析以获取其中的气候、环境变化信息。
以上实施例仅说用以明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。本发明未详细描述的技术、形状、构造部分均为公知技术。

Claims (6)

1.一种从树轮中提取α纤维素的方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）将树轮样品切碎片并混合均匀；
（2）将树轮样品置于玻璃试管中，加入氯仿-乙醇混合溶液，氯仿-乙醇混合溶液与样品的体积质量比为1mL：2mg，在超声波清洗器中超声萃取1h后，再于65℃下萃取3.5h，循环重复两次，去除滤液，将固体物质与乙醇混合，在80℃下恒温萃取8h后滤出，再次将固体物质与超纯水混合，在80℃下恒温浸泡8h，过滤得到剩余的固体物质；
（3）向剩余的固体物质中加入1mol/L盐酸溶液和亚氯酸钠，混合均匀，在70℃下浸泡2h，重复该步骤直至树轮样品变为淡黄色，滤除溶液，得到过滤后的固体物质；
（4）向过滤后的固体物质中加入的2wt%氢氧化钠溶液，在50℃下浸泡2h，弃置废液，再加入0.5mol/L盐酸溶液，在70℃下浸泡1h，得到α纤维素；
所述提取的α纤维素用于14C分析。
2.根据权利要求1所述的一种从树轮中提取α纤维素的方法，其特征在于，所述步骤（4）中的2wt%氢氧化钠溶液与过滤后的固体物质的体积质量比为1mL：2mg。
3.根据权利要求1所述的一种从树轮中提取α纤维素的方法，其特征在于，所述步骤（3）中的1mol/L的盐酸溶液与剩余的固体物质体积质量比为1mL：2mg，所述步骤（4）中的0.5mol/L的盐酸溶液与固体物质的体积质量比为1mL：2mg。
4.根据权利要求1所述的一种从树轮中提取α纤维素的方法，其特征在于，所述超声波清洗器的超声电功率为300W，频率为40kHz。
5.根据权利要求1所述的一种从树轮中提取α纤维素的方法,其特征在于，所述氯仿-乙醇混合溶液由氯仿与无水乙醇按照体积比2：1混合制成。
6.根据权利要求1所述的一种从树轮中提取α纤维素的方法,其特征在于，所述树轮样品切碎至1-1.2mm。
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