金竹草的水解和木糖衍生物的制备研究

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金竹草作为一种全新的植物生物质原料,开发其水解工艺及全组分利用的研究意义重大。本论文首先探索草酸催化水解金竹草半纤维素提取木糖的工艺条件;其次开发了D-木糖转化为低聚木糖(XOS)和没食子酸木糖酯(GX)聚合物的合成方法;最后使用热解法制备了金竹草水解残渣生物质炭,基本实现金竹草全组分的资源化利用。获得的主要结果如下:(1)金竹草半纤维素的水解研究。金竹草的聚戊糖含量较高,为25.52%,是提取木糖的首选材料。通过探索草酸催化水解金竹草半纤维素提取木糖的因素发现,其最佳水解条件为:1 wt%的草酸溶液,水解温度为140℃,保温时间为240 min。木糖提取量可达到154.8 mg/g。此外,与无预处理方案相比,水解前样品的冻融、沸水蒸煮或超声处理均能有效提升木糖提取量,提升率可达46.5%~53.2%。(2)草酸催化D-木糖合成低聚木糖(XOS)的研究。以D-木糖为原料,探讨反应时间以及草酸和木糖的初始质量比对XOS产率的影响,并对XOS进行结构表征。结果表明:通过调控草酸和木糖质量比为1/3,反应时间为40 min时,XOS产率可达到53.75±3.48%。FTIR、NMR、MS和GPC分析表明,XOS主要由α1-β4和β1-α4糖苷键连接,同时含有D-木糖的α-构型单元和β-构型单元。(3)没食子酸木糖酯(GX)聚合物的制备及其抗氧化性研究。以D-木糖和没食子酸(GA)为原料成功合成GX聚合物。该聚合物是一种难溶于水的灰白色粉末,其产率为没食子酸质量的80.1%。由FTIR、NMR、MS、TGA分析可知,GX聚合物是由木糖和没食子酸单元组成的酯化产物,分子中含有少量结合水。当GX聚合物浓度超过0.2 mg/m L时,其对DPPH自由基的清除活性可超过80%,具有成为护肤品中抗氧化成分的潜力;此外,通过对没食子酸和DPPH的反应残液进行质谱分析,GA和GX聚合物清除DPPH自由基的反应机理得以完善。(4)金竹草水解残渣制备生物质炭的研究。以金竹草水解残渣为原料制备生物质炭,探索不同热解条件下制备的生物质炭对亚甲基蓝(MB)的吸附能力,并对其进行结构表征。结果表明,在热解温度为450℃,炭化时间为90 min时制备的生物质炭吸附能力最佳(196.96 mg/g),其比表面积达到361.116 m~2/g,表面呈薄片层结构,孔隙较多。因此,本课题对促进金竹草等禾本科类植物的开发利用提供理论支持和技术参考,也为促进木糖衍生品的研究贡献了重大价值。
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