利用四甲基氫氧化銨提取小麥秸稈木質(zhì)素及其結(jié)構(gòu)表征

程 芳，朱瀛奎，鐘 超，賈紅華，曹 飛，周 華，韋 萍,文 飛

(1．南京工業(yè)大學(xué)生物與制藥工程學(xué)院，江蘇南京211800; 2．上?？档囟魃锟萍加邢薰?，上海201210)

木質(zhì)素(lignin)是構(gòu)成植物細(xì)胞外壁的主要物質(zhì)，在木本植物中，其含量一般為20%～25%。木質(zhì)素對(duì)于人類(lèi)可持續(xù)發(fā)展的重大貢獻(xiàn)在于能夠提供穩(wěn)定的、持續(xù)的有機(jī)物來(lái)源，更是可再生資源中僅有的可用于生產(chǎn)芳香類(lèi)物質(zhì)的非石油資源[1]。因此，木質(zhì)素的應(yīng)用前景十分廣闊，其衍生物具有多種特性，可作為分散劑、吸附劑、水泥減水劑和瀝青乳化劑等[2]。

通常情況下，組織細(xì)胞中的木質(zhì)素與半纖維素共價(jià)結(jié)合并緊密包裹著纖維素組分，這種結(jié)構(gòu)常導(dǎo)致分離木質(zhì)素中殘留少量半纖維素等雜質(zhì)，所以木質(zhì)素整體分離效率不高。解決木質(zhì)纖維素組分(尤其是半纖維素與木質(zhì)素)間的交互作用是實(shí)現(xiàn)各組分高效分離的重要前提。

目前，國(guó)內(nèi)外比較成熟的生物質(zhì)木質(zhì)素分離方法主要為酸法、堿法、有機(jī)溶劑法和離子液體法。酸法提取木質(zhì)素，主要通過(guò)濃酸來(lái)降解木質(zhì)纖維素中的碳水化合物，從而得到木質(zhì)素。但近年來(lái)，許多人開(kāi)始利用有機(jī)酸進(jìn)行木質(zhì)素提取研究，如Zhou 等[3]利用微波加熱輔助甲酸提取木質(zhì)素，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，該法提取的木質(zhì)素產(chǎn)量要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于油浴加熱輔助法提取的產(chǎn)量；Li等[4]利用微波輔助有機(jī)酸提取的木質(zhì)素具有很好的抗氧化性，這種木質(zhì)素在食品工業(yè)中得到廣泛的應(yīng)用。堿法提取木質(zhì)素是目前工業(yè)上應(yīng)用最為廣泛的提取方法[5-6]。根據(jù)生物質(zhì)原料的不同，選擇的堿也不相同，堿法提取的木質(zhì)素具有很高的工業(yè)價(jià)值。有機(jī)溶劑法提取木質(zhì)素作為一種新型低污染處理方法已被廣泛接受。如Fogarassy等[7]利用乙醇作溶劑，以NaHSO3作催化劑，在高溫下蒸煮，可將原料中的木質(zhì)素完全提?。籅lack等[8]利用乙醇和丙酮的復(fù)合有機(jī)溶劑，以少量酸作催化劑可以提取出高純度的木質(zhì)素。與其他溶劑相比，離子液體具有蒸汽壓低、溶解力強(qiáng)、熱穩(wěn)定性好和理化性質(zhì)可調(diào)等優(yōu)點(diǎn)。如Tan等[9]利用[C2mim][ABS]在 170～190 ℃、常壓、120 min的條件下處理甘蔗渣，木質(zhì)素的提取率可達(dá)93% ；Liu等[10]發(fā)現(xiàn)由膽堿陽(yáng)離子和氨基酸陰離子組成的生物基離子液體對(duì)木質(zhì)素具有很好的溶解性。

在提取木質(zhì)素工藝中，不同方法及分離條件會(huì)導(dǎo)致木質(zhì)素結(jié)構(gòu)單元之間的連接鍵型和功能基團(tuán)的差異，進(jìn)而導(dǎo)致提取率的不同。如何獲得高活性木質(zhì)素提取率是研究的關(guān)鍵。

本研究中，筆者利用四甲基氫氧化銨(TMAH)提取小麥秸稈木質(zhì)素，用凝膠滲透色譜儀(GPC)、傅里葉變換紅外光譜(FT-IR)、紫外可見(jiàn)光譜(UV-Vis)和核磁共振氫譜分析(1H NMR)對(duì)木質(zhì)素進(jìn)行結(jié)構(gòu)表征和理化特性分析，對(duì)TMAH濃度、溫度、時(shí)間以及固液比對(duì)小麥秸稈木質(zhì)素提取率影響的關(guān)鍵因素進(jìn)行優(yōu)化，以提高小麥秸稈中木質(zhì)素總脫除率，以期為小麥秸稈木質(zhì)素應(yīng)用提供指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 原料與設(shè)備

小麥秸稈原料，河南省鄭州市中牟縣官渡鎮(zhèn)宋莊，清洗烘干后用粉碎機(jī)粉碎。標(biāo)準(zhǔn)堿木質(zhì)素，山東高唐利亞科技有限公司；四甲基氫氧化銨(TMAH，250 g/L水溶液)，阿拉丁試劑公司；其他試劑為市售化學(xué)純或分析純。

Nicolet 380型傅里葉變換紅外光譜儀，美國(guó)尼高力儀器公司；AVANCE III HD型核磁共振譜儀，美國(guó)Bruker公司；Genesys 10S型紫外可見(jiàn)(UV-Vis)分光光度計(jì)，美國(guó)Thermo公司；HLC-8320GPC型凝膠滲透色譜儀，東曹上海科技有限公司。

1.2 方法

1.2.1 小麥秸稈化學(xué)組成分析

將清洗過(guò)的小麥秸稈于烘箱中干燥，粉碎過(guò)篩(粒徑0.85 mm)，取20 g小麥秸稈原料，按照美國(guó)國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室的測(cè)定方法[11]，測(cè)定小麥秸稈的化學(xué)組分。

1.2.2 小麥秸稈木質(zhì)素的分離工藝

取適量已烘干的小麥秸稈原料，放入燒瓶中，加入一定濃度的TMAH水溶液，水浴加熱，然后趁熱真空抽濾，濾液倒入燒杯中，加入6 mol/L的乙酸調(diào)pH至5.5，減壓濃縮，濃縮液用3倍其體積的95%乙醇處理后靜置，待沉淀完全后過(guò)濾，濾液濃縮除去乙醇后加入鹽酸攪拌，調(diào)節(jié)pH至3左右，約70 ℃保溫凝集，靜置過(guò)夜，傾倒出燒杯中的上層清液，再離心分離，然后水洗3次，冷凍干燥，所得產(chǎn)品為小麥秸稈木質(zhì)素。

1.2.3 正交試驗(yàn)優(yōu)化工藝條件

在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，以木質(zhì)素提取率為指標(biāo)，選取TMAH濃度、固液比、時(shí)間和溫度這4個(gè)因素進(jìn)行正交試驗(yàn)優(yōu)化，試驗(yàn)因素和水平見(jiàn)表1。

1.2.4 TMAH水溶液的循環(huán)使用性分析

四甲基氫氧化銨的循環(huán)性研究是在木質(zhì)素提取單因素實(shí)驗(yàn)所得最優(yōu)化條件下進(jìn)行的。在木質(zhì)素提取過(guò)程中，所收集的所有濾液利用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀在0.1 MPa、48 ℃條件下對(duì)濾液進(jìn)行減壓濃縮，通過(guò)蒸發(fā)濃縮可獲得高濃度的TMAH水溶液，并以此配制250 g/L的溶液用于下一輪的木質(zhì)素分離提取的溶劑。在循環(huán)實(shí)驗(yàn)中，TMAH水溶液的濃度利用高效液相色譜進(jìn)行檢測(cè)，并以此計(jì)算溶劑回收率。

1.3 小麥秸稈木質(zhì)素的結(jié)構(gòu)表征

1.3.1 木質(zhì)素分子量測(cè)定

分離木質(zhì)素分子量的測(cè)定采用凝膠滲透色譜儀(GPC)進(jìn)行分析，色譜柱采用PL gel 10 μm MIXED-B(安捷倫科技(中國(guó))有限公司)。準(zhǔn)確稱(chēng)取4.0 mg乙?；举|(zhì)素樣品溶解在2 mL色譜四氫呋喃(THF)中，溶解后液體采用0.45 μm濾頭過(guò)濾進(jìn)色譜柱進(jìn)行分析[12]，進(jìn)樣量為50 μL。

1.3.2 紫外可見(jiàn)光譜(UV-Vis)測(cè)定

采用UV-Vis分光光度計(jì)測(cè)定。按照固液比為1∶ 20 g/mL，將分離木質(zhì)素和標(biāo)準(zhǔn)木質(zhì)素樣品溶解于二甲基亞砜(DMSO)中配制成樣品溶液，隨后將1 mL待測(cè)溶液加入1 cm光徑的石英比色皿中，利用紫外分光光度計(jì)對(duì)溶液進(jìn)行全波長(zhǎng)掃描，以二甲基亞砜作為參比液，比較2種樣品的特征吸收峰位置，掃描范圍200～350 nm。

1.3.3 傅里葉變換紅外光譜(FT-IR)測(cè)定

采用傅里葉變換紅外光譜儀測(cè)定。分離物質(zhì)和標(biāo)準(zhǔn)木質(zhì)素樣品干燥研磨后用KBr壓片(m(木質(zhì)素)∶m(KBr)=1∶ 100)，KBr做背景掃描；分辨率為4 cm-1，掃描范圍為3 750～750 cm-1；掃描次數(shù)32次。

1.3.4 核磁共振氫譜(1H NMR)分析

以CDCl3為溶劑配制質(zhì)量濃度為20 g/L的乙酰化木質(zhì)素溶液，其中乙酰化木質(zhì)素是參照文獻(xiàn)[13]中的方法制備，將待測(cè)溶液加入5 mm核磁檢測(cè)管，以四甲基硅烷(TMS)做內(nèi)標(biāo)，通過(guò)核磁共振譜儀進(jìn)行1H NMR檢測(cè)。豫馳時(shí)間1.5 s，采樣時(shí)間0.17 s。

2 結(jié)果與討論

2.1 小麥秸稈化學(xué)組成分析結(jié)果

小麥秸稈化學(xué)組成分析結(jié)果見(jiàn)表2。由表2可知：小麥秸稈中纖維素和半纖維素為主要成分，但木質(zhì)素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為14.8%。

表2 小麥秸稈的化學(xué)組分(絕干原料)

2.2 木質(zhì)素提取的單因素試驗(yàn)

2.2.1 溫度對(duì)木質(zhì)素提取率的影響

溫度是控制化學(xué)反應(yīng)速率和方向的重要因素。在TMAH質(zhì)量濃度為250 g/L、時(shí)間14 h、固液比為1∶ 14 g/mL的條件下，考察溫度對(duì)木質(zhì)素提取率的影響，結(jié)果見(jiàn)圖1。

圖1 溫度對(duì)木質(zhì)素提取率影響Fig.1 Effect of temperature on the yield of isolated lignin

由圖1可知：當(dāng)溫度為50 ℃時(shí)，木質(zhì)素的提取率為77.4%，適當(dāng)?shù)厣郎赜欣谄茐哪举|(zhì)素的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，但是溫度過(guò)高，木質(zhì)素的提取率反而越低?？赡苁怯捎诟邷貢r(shí)大量纖維素溶解，從而影響了木質(zhì)素的溶出。通過(guò)對(duì)過(guò)濾剩余的秸稈進(jìn)行檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)秸稈中有15%左右的木質(zhì)素未被提取出來(lái)，因此溫度在50 ℃時(shí)為宜。

2.2.2 時(shí)間對(duì)木質(zhì)素提取率的影響

在溫度50 ℃、TMAH質(zhì)量濃度250 g/L、固液比為1∶ 14 g/mL時(shí)，考察時(shí)間對(duì)木質(zhì)素提取率的影響，結(jié)果見(jiàn)圖2。

圖2 時(shí)間對(duì)木質(zhì)素提取率影響Fig.2 Effect of time on the yield of isolated lignin

由圖2可知：木質(zhì)素的提取率隨著時(shí)間的增加而增加，當(dāng)時(shí)間為14 h時(shí)，木質(zhì)素的提取率為77.5%，隨著時(shí)間的增加，趨于平緩，提取基本結(jié)束。

研究發(fā)現(xiàn)，TMAH水溶液處理秸稈時(shí)間過(guò)短，提取的產(chǎn)物中木質(zhì)素的純度較低，處理時(shí)間越長(zhǎng)木質(zhì)素的純度越高?？赡苁怯捎诙虝r(shí)間地處理木質(zhì)素未完全溶出而較長(zhǎng)的TMAH處理時(shí)間有利于小麥秸稈木質(zhì)素的溶出，因此時(shí)間以14 h為宜。

2.2.3 固液比對(duì)木質(zhì)素提取率的影響

在溫度50 ℃、時(shí)間14 h、TMAH質(zhì)量濃度為250 g/L的條件下，考察固液比對(duì)小麥秸稈中木質(zhì)素提取率的影響，結(jié)果見(jiàn)圖3。

圖3 固液比對(duì)木質(zhì)素提取率的影響Fig.3 Effect of solid to liquid ratio onthe yield of isolated lignin

由圖3可知，當(dāng)固液比為1∶ 14 g/mL時(shí)，木質(zhì)素的提取率為79.9%。研究發(fā)現(xiàn)，過(guò)量的季銨堿溶液處理秸稈，提取得到的產(chǎn)物木質(zhì)素純度也較低，可能是由于過(guò)量的季銨堿溶液的處理使纖維組分發(fā)生溶解而影響了木質(zhì)素的提取，因此木質(zhì)素提取的固液比1∶ 14 g/mL為宜。

2.2.4 TMAH濃度對(duì)木質(zhì)素提取率的影響

木質(zhì)素通過(guò)酯鍵與半纖維素連接，經(jīng)過(guò)TMAH水溶液預(yù)處理將酯鏈斷裂，從而實(shí)現(xiàn)木質(zhì)素的分離。在溫度50 ℃、時(shí)間14 h、固液比為1∶ 14g/mL的條件下，考察TMAH質(zhì)量濃度對(duì)小麥秸稈中木質(zhì)素提取率的影響，結(jié)果見(jiàn)圖4。

圖4 TMAH濃度對(duì)木質(zhì)素提取率的影響Fig.4 Effect of TMAH concentration on theyield of isolated lignin

由圖4可知，木質(zhì)素的提取率隨著TMAH質(zhì)量濃度的增加而增加，TMAH質(zhì)量濃度為240 g/L時(shí)，木質(zhì)素的提取率為78.9%，使用低濃度的季銨堿溶液可以避免在處理過(guò)程中纖維組分發(fā)生溶解。因此，TMAH質(zhì)量濃度240 g/L為宜。

2.3 正交試驗(yàn)結(jié)果

2.3.1 正交試驗(yàn)法篩選提取工藝

通過(guò)9種試驗(yàn)方案分離得到木質(zhì)素干制品，利用Klason木質(zhì)素法測(cè)分離木質(zhì)素的純度，計(jì)算木質(zhì)素的提取率，正交試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3，方差分析見(jiàn)表4。

表3 L9(34)正交試驗(yàn)結(jié)果

表4 方差分析表

由表3分析可知，四甲基氫氧化銨提取小麥秸稈木質(zhì)素影響因素為B、A、C、D，最佳工藝組合是A2B2C3D2，即提取溫度50 ℃、提取時(shí)間14 h、固液比1∶ 14 g/mL、TMAH質(zhì)量濃度250 g/L。在最佳工藝條件下的木質(zhì)素提取的驗(yàn)證試驗(yàn)得到的小麥秸稈木質(zhì)素的提取率為79.9%。

2.3.2 TMAH水溶液的回收利用

四甲基氫氧化銨在木質(zhì)素分離提取過(guò)程中的循環(huán)性實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

由表5可知，隨著溶劑循環(huán)次數(shù)的增加，木質(zhì)素的分離效率呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢(shì)，經(jīng)過(guò)5次循環(huán)使用，溶劑回收率保持在85%以上，分離木質(zhì)素純度比第一輪分離物質(zhì)降低了17%，這可能是由于多次循環(huán)使用造成溶劑中的雜質(zhì)(芳香類(lèi)物質(zhì)、纖維糖等)逐漸積累，使得部分OH-發(fā)生鈍化所致。同時(shí)，再生過(guò)程中的溶劑分解以及操作導(dǎo)致的溶劑損失都將會(huì)影響溶劑的循環(huán)使用性能。本研究利用四甲基氫氧化銨提取小麥秸稈木質(zhì)素條件溫和，木質(zhì)素提取率和純度均較高，避免了傳統(tǒng)方法對(duì)原料中木質(zhì)素的結(jié)構(gòu)影響及木質(zhì)素的溶出損失。

表5 木質(zhì)素分離提取中TMAH循環(huán)使用

2.4 木質(zhì)素結(jié)構(gòu)表征結(jié)果分析

2.4.1 分子量分布

為了表征季銨堿分離得到的堿木質(zhì)素的分子量的特點(diǎn)，采用凝膠滲透色譜法(GPC)對(duì)分離得到的木質(zhì)素組分的分子量進(jìn)行分析，結(jié)果見(jiàn)圖5。木質(zhì)素組分的重均分子量(Mw)和數(shù)均分子(Mn)和多分散性指數(shù)(Mw/Mn,表征分子量分布的寬度)。

由圖5可以發(fā)現(xiàn)，四甲基氫氧化銨分離得到的木質(zhì)素樣品的分子量為1 420 g/mol，比麥草秸稈原料提取的磨木木質(zhì)素分子量(7 500 g/mol)低[14]，說(shuō)明季銨堿提取小麥木質(zhì)素會(huì)使木質(zhì)素發(fā)生降解，體系中獲得的相對(duì)高得率和高純度的木質(zhì)素為低聚片段。

多分散系數(shù)Mw/Mn表示分子量的均一程度，分散系數(shù)越小，表示提取的木質(zhì)素分子比較均一。值得注意的是，此方法得到的木質(zhì)素分子的多分散系數(shù)很小(接近1.0)，說(shuō)明季銨堿提取的小麥秸稈木質(zhì)素分子量分布均一，有利于對(duì)其進(jìn)行加工利用。

圖5 分離木質(zhì)素的分子量分布Fig.5 GPC curve of the isolated lignin

2.4.2 紅外光譜(FT-IR)分析結(jié)果

采用紅外光譜對(duì)分離物質(zhì)及標(biāo)準(zhǔn)堿性木質(zhì)素樣品進(jìn)行紅外光譜分析，結(jié)果見(jiàn)圖6。

圖6 標(biāo)準(zhǔn)木質(zhì)素及分離木質(zhì)素FT-IR紅外光譜圖Fig.6 FT-IR analysis of the standard ligninand isolated lignin

2.4.3 紫外可見(jiàn)光譜(UV-Vis)分析結(jié)果

通過(guò)對(duì)分離物質(zhì)和標(biāo)準(zhǔn)木質(zhì)素的紫外光譜分析，結(jié)果見(jiàn)圖7。

圖7 標(biāo)準(zhǔn)木質(zhì)素及分離木質(zhì)素紫外光譜圖Fig.7 UV analyses of the standard ligninand isolated lignin

由圖7可知：2種物質(zhì)展現(xiàn)的紫外吸收特征峰的位置基本相同，波長(zhǎng)在280～290 nm以及260 nm處均出現(xiàn)明顯的吸收峰[17]，其中波長(zhǎng)位于280～290 nm的吸收峰源于木質(zhì)素中的非共軛酚羥基(即典型愈創(chuàng)木基G)；而波長(zhǎng)在260 nm處的吸收峰則為木質(zhì)素苯環(huán)的特征吸收峰，這兩處吸收峰均為木質(zhì)素的特征紫外吸收峰。同時(shí)，分離物質(zhì)與標(biāo)準(zhǔn)木質(zhì)素的吸收峰強(qiáng)度也極為接近，間接表明分離物質(zhì)中含有高純度的木質(zhì)素組分，雜質(zhì)含量較少；同時(shí)也表明分離再生過(guò)程中木質(zhì)素功能結(jié)構(gòu)保持較為完整[18]。

2.4.4 核磁共振氫譜(1H NMR)分析結(jié)果

為了進(jìn)一步探究分離物質(zhì)的結(jié)構(gòu)官能團(tuán)性質(zhì)，研究以CDCl3為溶劑對(duì)分離物質(zhì)進(jìn)行1HNMR檢測(cè)，結(jié)果見(jiàn)圖8。

結(jié)合文獻(xiàn)[19]和圖5分析可知：δ=8.0～6.1的信號(hào)能直接提供木質(zhì)素芳環(huán)的取代信息，δ=7.40～8.00處是對(duì)羥苯基的質(zhì)子信號(hào)。其中化學(xué)位移δ=7.26 處的強(qiáng)峰源于溶劑CDCl3的吸收信號(hào)，δ=6.70～7.40是愈創(chuàng)木基的質(zhì)子信號(hào)。通過(guò)1H NMR圖譜還能看出，δ=3.75處的峰較強(qiáng)，該信號(hào)是由甲氧基中的H原子產(chǎn)生的信號(hào)，屬于分離物中芳香環(huán)上的甲氧基；δ=2.0～2.5 處的強(qiáng)峰為木質(zhì)素羥基中H原子產(chǎn)生的信號(hào)，δ=0.8～2.0為脂肪族上的質(zhì)子信號(hào)。結(jié)果表明提取木質(zhì)素基本保持完整的木質(zhì)素功能結(jié)構(gòu)。

圖8 分離木質(zhì)素的1H NMR分析圖譜Fig.8 1H NMR analysis of the isolated lignin

3 結(jié)論

利用季銨堿溶劑對(duì)生物質(zhì)原料木質(zhì)素進(jìn)行分離提取，并對(duì)分離木質(zhì)素進(jìn)行結(jié)構(gòu)性質(zhì)分析。在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，通過(guò)正交試驗(yàn)得到最佳提取優(yōu)化條件：TMAH質(zhì)量濃度250 g/L 、時(shí)間14 h、溫度50 ℃，固液比1∶ 14(g/mL)，木質(zhì)素的提取率達(dá)到79.9%。

通過(guò)紅外光譜分析及核磁氫譜分析結(jié)果可知，分離木質(zhì)素含有H-G-S型木質(zhì)素的結(jié)構(gòu)特征。紫外可見(jiàn)光譜分析發(fā)現(xiàn)分離木質(zhì)素在波長(zhǎng)280～290 nm以及260 nm處均出現(xiàn)明顯的吸收峰，其中280～290 nm的吸收峰源于木質(zhì)素中的非共軛酚羥基(即典型愈創(chuàng)木基G)，而波長(zhǎng)在260 nm處的吸收峰則為木質(zhì)素苯環(huán)的特征吸收峰，說(shuō)明分離再生過(guò)程中木質(zhì)素功能結(jié)構(gòu)保持較為完整。

本研究利用低濃度的季銨堿溶劑對(duì)生物質(zhì)原料進(jìn)行處理，可以實(shí)現(xiàn)木質(zhì)素組分的高效分離，所分離的木質(zhì)素結(jié)構(gòu)保持較為完整，這將為木質(zhì)素利用技術(shù)的開(kāi)發(fā)提供新的思路。