裴繼誠(chéng)，張 穎，王嵌嵌，李 靜，余成華

(天津市制漿造紙重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津科技大學(xué)材料科學(xué)與化學(xué)工程學(xué)院，天津 300457)

揮發(fā)性有機(jī)物(VOCs)是指沸點(diǎn)在50～260,℃內(nèi)，室溫下飽和蒸氣壓超過133.3,Pa，以蒸氣形式存在于空氣中的一類有機(jī)物[1].VOCs 種類多樣，主要有苯系物、有機(jī)氯化物、石油烴化合物、有機(jī)酮、胺、醇、醚、酯、酸等.長(zhǎng)期處于高濃度VOCs 的環(huán)境中，對(duì)人體健康有巨大影響；VOCs 排放到大氣中，則會(huì)引起大氣的溫室效應(yīng)、臭氧層空洞和空氣污染等問題.現(xiàn)今，VOCs 作為室內(nèi)及大氣污染物的主要成分，引起了越來越多研究者的重視[2].

在眾多資源中，生物質(zhì)能源因其來源豐富、價(jià)格低廉而備受人們關(guān)注.木素(lingin)和纖維素(cellulose)作為植物生物質(zhì)的主要成分，正以每年約1,640 億噸的速度不斷再生，如與石油進(jìn)行能量換算，相當(dāng)于現(xiàn)今石油年產(chǎn)量的15～20 倍[3].木素作為制漿造紙的副產(chǎn)品從制漿廢液中分離出來，基于其可再生性和反應(yīng)活性等特點(diǎn)，在建筑工程、石油工業(yè)、農(nóng)業(yè)及高分子材料等方面的應(yīng)用已經(jīng)受到了人們的關(guān)注[4].但是，無論是木素本身還是在其熱塑加工生產(chǎn)過程中都會(huì)產(chǎn)生VOCs，這就限制了木素資源的應(yīng)用領(lǐng)域，尤其是在室內(nèi)材料上的應(yīng)用.硫酸鹽木素中的VOCs 主要成分為木素蒸煮過程中降解形成的小分子酚類物質(zhì)(愈創(chuàng)木酚、紫丁香酚、對(duì)羥基苯酚等)和硫化產(chǎn)物，它們易揮發(fā)到空氣中，對(duì)人體及環(huán)境產(chǎn)生危害[5].

漆酶是一種含銅氧化酶，可以催化氧化多酚、氨基苯酚、多胺、芳香胺等多種物質(zhì)，也可以催化木質(zhì)纖維表面的木素底物氧化[6]，被認(rèn)為是最有應(yīng)用前景的木素氧化酶.有研究[7]表明，漆酶催化氧化木素過程中，氧化木素中酚型單元成為酚氧自由基，生成的酚氧自由基再進(jìn)一步誘導(dǎo)木素大分子發(fā)生縮合或降解反應(yīng).本文利用漆酶催化氧化原理處理?xiàng)钅玖蛩猁}木素，考察漆酶對(duì)木素?zé)崴芗庸み^程中VOCs 揮發(fā)量的作用效果，同時(shí)對(duì)漆酶在該過程中的作用方式進(jìn)行了研究.

1 材料與方法

1.1 原料與儀器

漆酶(酶活 1,070,U/mL)，商品號(hào) Novozyme 51003，諾維信公司(Novozyme A/S)；楊木堿木素，實(shí)驗(yàn)室自制.

頂空氣相色譜儀(HS-GC，7890A 型氣相色譜儀、G1888 型頂空進(jìn)樣器)，安捷倫儀器技術(shù)有限公司；MS4000 型氣相色譜–質(zhì)譜儀(GC-MS)，美國(guó)瓦里安技術(shù)有限公司；TG/DTA 6200 型熱失重分析儀，精工電子納米科技有限公司；LGJ–12 型冷凍干燥器，北京松源華興科技發(fā)展有限公司；VISCOTEK GPC max 型凝膠滲透色譜儀，美國(guó)威斯克泰公司.

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 堿木素漆酶處理

稱取1.00,g 堿木素于燒杯中，用10,mL 質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.5%的NaOH 溶液溶解后加入100,mL 醋酸–醋酸銨緩沖液(pH＝4～5)，漆酶用量(相對(duì)于木素質(zhì)量)50,U/g，在不斷鼓入空氣的條件下置于45,℃水浴裝置中恒溫處理2,h.反應(yīng)結(jié)束后，用硫酸溶液調(diào)節(jié)漿料的pH 為3，使木素析出，過濾.濾液裝瓶待用，木素經(jīng)洗滌后冷凍干燥.

1.2.2 木素HS-GC 分析

準(zhǔn)確稱取0.010,0,g 冷凍干燥的木素于頂空瓶中，采用HS-GC 對(duì)木素中VOCs 揮發(fā)量進(jìn)行檢測(cè).

頂空進(jìn)樣器條件：樣品平衡溫度150,℃；定量環(huán)溫度 160,℃；傳輸線溫度 165,℃；樣品平衡時(shí)間25,min.

氣相色譜條件：HP-5 毛細(xì)管色譜柱(30,m×0.32,mm×0.25,μm)；進(jìn)樣口溫度250,℃；分流比1∶1；色譜柱流量4,mL/min；柱箱起始溫度40,℃，保持5,min，以20,℃/min 升溫到250,℃，保持5,min；FID檢測(cè)器.

1.2.3 木素反應(yīng)濾液中酚類物質(zhì)GC-MS 檢測(cè)

取木素反應(yīng)后濾液50,mL 于分液漏斗中，用二氯甲烷以體積比1∶1 的比例進(jìn)行萃取.待分相完全，接取有機(jī)相，水相再用同等體積比的乙酸乙酯萃取，萃取完畢接取有機(jī)相，并與二氯甲烷萃取液混合，用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器將有機(jī)相濃縮，干燥.用正己烷溶解萃取物，進(jìn)氣相色譜質(zhì)譜聯(lián)用儀檢測(cè)[8–9].

GC-MS 檢測(cè)條件：VF-5,ms 毛細(xì)管色譜柱(30,m×0.25,mm×0.25,μm)；進(jìn)樣口溫度320,℃；程序升溫過程起始溫度80,℃，保持5,min，8,℃/min 升溫至320,℃，保持2,min；采用高純氦氣作為載氣，流量為1,mL/min；分流比5∶1；掃描方式：全掃描/離子掃描；掃描相對(duì)分子質(zhì)量范圍50～500.

1.2.4 木素TGA 分析

樣品檢測(cè)用量為5,mg，以高純度氮?dú)庾鳛檩d氣，流量為220,mL/min，檢驗(yàn)過程以10,℃/min 的升溫速率從30,℃升溫至600,℃.

1.2.5 木素相對(duì)分子質(zhì)量檢測(cè)

木素經(jīng)乙?；幚砗?，采用凝膠滲透色譜儀對(duì)其相對(duì)分子質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè).以四氫呋喃作為流動(dòng)相，使用多角度靜態(tài)光散射器檢測(cè)其相對(duì)分子質(zhì)量.

2 結(jié)果與討論

2.1 堿木素?zé)崴苓^程中VOCs揮發(fā)量HS-GC分析

堿木素色度深，氣味大，成分含量十分復(fù)雜.頂空氣相色譜是根據(jù)封閉容器(樣品瓶)中非揮發(fā)性母體內(nèi)揮發(fā)性樣品的氣液平衡變化而開發(fā)出來的一門新的檢測(cè)技術(shù).頂空氣相色譜能對(duì)復(fù)雜樣品中各種揮發(fā)性組分進(jìn)行檢測(cè)分析，對(duì)于產(chǎn)品的質(zhì)量控制、環(huán)境污染物的預(yù)測(cè)和操作過程的監(jiān)測(cè)具有重要意義[10].實(shí)驗(yàn)采用頂空氣相色譜對(duì)木素VOCs 的揮發(fā)量進(jìn)行定量分析.圖1、圖2 分別為木素空白樣與漆酶處理樣的氣相色譜圖.

圖1 空白樣木素VOCs氣相檢測(cè)色譜圖Fig.1 VOCs gas chromatogram of controlled lignin sample

圖2 漆酶處理樣木素VOCs氣相檢測(cè)色譜圖Fig.2 VOCs gas chromatogram of laccase-treated lignin sample

對(duì)比圖1 和圖2 可知，經(jīng)漆酶處理后木素中揮發(fā)性物質(zhì)有較明顯的減少，在出峰時(shí)間為5.513,min 位置的揮發(fā)性物質(zhì)減少作用最為明顯.對(duì)所得色譜圖峰面積進(jìn)行積分處理，數(shù)據(jù)見表1.

表1 木素VOCs含量(峰面積)Tab.1 The content of VOCs in lignin(peak area)

木素在漆酶處理后，其 VOCs 揮發(fā)量減少35.7%，其中出峰時(shí)間為5.513,min 的物質(zhì)其揮發(fā)量減少78.2%.Kalliola 等[5]曾用漆酶在微酸性條件下處理硫酸鹽木素，結(jié)果表明，經(jīng)漆酶處理的硫酸鹽木素中的低相對(duì)分子質(zhì)量揮發(fā)性酚類物質(zhì)含量減少.由此推斷，出峰時(shí)間為5.513,min 的物質(zhì)與酚類物質(zhì)有密切的關(guān)聯(lián).

2.2 木素反應(yīng)濾液中酚類物質(zhì)GC-MS檢測(cè)

木素HS-GC 分析結(jié)果推測(cè)，木素?zé)崴苓^程中VOCs 的減少與木素中酚類物質(zhì)有關(guān).為此，實(shí)驗(yàn)對(duì)木素濾液中的酚類物質(zhì)進(jìn)行定量檢測(cè)及定性分析，驗(yàn)證漆酶處理木素的方式.圖3 和圖4 分別為空白樣和漆酶處理樣木素反應(yīng)濾液GC-MS 檢測(cè)的總離子流色譜圖.兩圖對(duì)比可知：經(jīng)漆酶處理后，木素反應(yīng)液中的酚類物質(zhì)的量及種類都有一定的減少.尤其是對(duì)木素中的香草醛(a)、4–乙?；鷦?chuàng)木酚(b)、4–羥基苯甲酸(c)、丁香醛(d)、乙酰丁香酮(e)等酚類物質(zhì)去除作用最為明顯.

圖3 空白樣木素反應(yīng)液中酚類物質(zhì)檢測(cè)離子流色譜圖Fig.3 Ion chromatogram of phenolic compounds in the filtrate of controlled lignin sample

圖4 漆酶處理樣木素反應(yīng)液中酚類物質(zhì)檢測(cè)離子流色譜圖Fig.4 Ion chromatogram of phenolic compounds in the filtrate of lignin treated with laccace

對(duì)GC-MS 檢測(cè)出的酚類物質(zhì)進(jìn)行峰面積積分統(tǒng)計(jì)，得到表2 數(shù)據(jù).由表中數(shù)據(jù)可以看出：楊木堿木素反應(yīng)液中的小分子酚類物質(zhì)主要是紫丁香基型，占總檢測(cè)物的 48.2%；愈創(chuàng)木基型，占總檢測(cè)物的13.7%；對(duì)羥基苯酚型，占總檢測(cè)物的10.5%.經(jīng)漆酶處理后，紫丁香基型酚類物質(zhì)減少46.3%，對(duì)愈創(chuàng)木基型酚類物質(zhì)減少70.1%，對(duì)羥基苯酚型的酚類物質(zhì)減少89.5%，總的酚類物質(zhì)去除率為57.0%.說明漆酶對(duì)酚類物質(zhì)有較好的去除作用.

表2 木素反應(yīng)液中酚類物質(zhì)檢測(cè)結(jié)果Tab.2 GC-MS test results of phenolic compounds in the filtrate

2.3 木素TGA分析

熱重分析法能對(duì)木素樣品的熱分解性能進(jìn)行研究，通過熱失重比例的大小和熱失重的速率可間接地反映出木素在熱塑過程中揮發(fā)性物質(zhì)的揮發(fā)量及揮發(fā)的速率.圖5 是木素空白樣及漆酶處理樣的TG 和DTG 曲線圖.

圖5 木素TG和DTG分析圖Fig.5 TG and DTG analysis of lignin

由TG 曲線可以看出，木素?zé)崾е剡^程主要分為3個(gè)階段：第1 階段，200,℃以下，木素的熱失重現(xiàn)象不明顯，揮發(fā)成分主要是木素中易揮發(fā)的小分子物質(zhì)；第2 階段，200～500,℃，木素?zé)嶂厍€有一個(gè)很大的失重峰，可知木素在200～500,℃，揮發(fā)性物質(zhì)的揮發(fā)量最大，在這個(gè)溫度范圍內(nèi)，木素中的有機(jī)物發(fā)生熱解，產(chǎn)生大量的揮發(fā)性物質(zhì)，這是造成木素失重的主要原因；第3 階段，500～600,℃，木素失重現(xiàn)象趨于平緩，此時(shí)木素中的有機(jī)物裂解幾近完全，失重現(xiàn)象不明顯，溫度到達(dá)600,℃時(shí)，木素?zé)嶂鼗痉€(wěn)定，主要?dú)埩粑锸翘蓟^程形成的炭和木素中的堿金屬鹽，有機(jī)物已分解完全[11].

木素的玻璃轉(zhuǎn)化點(diǎn)在105～190,℃，也就是木素作為應(yīng)用材料進(jìn)行熱塑加工過程的溫度[12].實(shí)驗(yàn)選用木素?zé)崴芗庸み^程中相對(duì)較高的190,℃，考察在此溫度下木素VOCs 的揮發(fā)量.同時(shí)，用600,℃高溫下木素的熱重分析結(jié)果間接表征木素中有機(jī)物含量.實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)列于表3.

表3 木素?zé)嶂胤治鰯?shù)據(jù)Tab.3 TG data analysis of lignin

由表3數(shù)據(jù)可知：在加熱溫度為190,℃時(shí)，漆酶處理后木素比空白樣木素殘余物質(zhì)量分?jǐn)?shù)高出0.9%.也即經(jīng)漆酶處理后，木素在190,℃下?lián)]發(fā)出物質(zhì)的量要比未經(jīng)處理的木素在此溫度下?lián)]發(fā)出物質(zhì)的量少0.9%.而在加熱溫度為600,℃時(shí)，經(jīng)漆酶處理后，木素的殘余物質(zhì)量分?jǐn)?shù)要比木素空白樣低0.7%.也即經(jīng)漆酶處理后，木素中的有機(jī)物含量要高出空白樣0.7%.

結(jié)合GC-MS 分析結(jié)果與TGA 數(shù)據(jù)可以推斷，經(jīng)漆酶處理后，黑液中的小分子酚類物質(zhì)與大分子木素發(fā)生了聚合反應(yīng)，木素中游離小分子酚類物質(zhì)減少，從而導(dǎo)致木素在熱塑溫度下產(chǎn)生的揮發(fā)性物質(zhì)減少.同時(shí)，由于小分子酚類物質(zhì)的引入，導(dǎo)致黑液中有機(jī)物含量進(jìn)一步增加.

2.4 木素相對(duì)分子質(zhì)量GPC檢測(cè)

為驗(yàn)證酚類物質(zhì)是否與木素大分子發(fā)生了聚合，實(shí)驗(yàn)采用凝膠滲透色譜儀對(duì)楊木堿木素進(jìn)行相對(duì)分子質(zhì)量檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果見表4.

表4 木素的相對(duì)分子質(zhì)量及其多分散性Tab.4 Molecule weight and dispersity of lignin

由表4 可知，漆酶處理對(duì)木素相對(duì)分子質(zhì)量有很大的影響.木素的漆酶處理樣的重均相對(duì)分子質(zhì)量比空白樣的重均相對(duì)分子質(zhì)量要高出24.9%，且木素漆酶處理后分散系數(shù)高于空白樣，而重均相對(duì)分子質(zhì)量更能表征聚合物相對(duì)分子質(zhì)量.說明木素經(jīng)漆酶處理后相對(duì)分子質(zhì)量分布發(fā)生了變化，且大相對(duì)分子質(zhì)量的物質(zhì)含量增多，即漆酶處理后導(dǎo)致了木素間相對(duì)分子質(zhì)量的聚合，從而使木素相對(duì)分子質(zhì)量增大.

3 結(jié)論

采用漆酶處理?xiàng)钅緣A木素能有效抑制木素?zé)崴苓^程中VOCs 的揮發(fā)量，VOCs 去除率可達(dá)35.7%，且主要是對(duì)木素中酚類物質(zhì)的控制作用.在漆酶的作用下，木素中的小分子酚類物質(zhì)接枝到了木素大分子上，導(dǎo)致木素中游離的小分子酚類物質(zhì)含量減少，同時(shí)木素相對(duì)分子質(zhì)量變大.由于游離的小分子酚類物質(zhì)與木素大分子發(fā)生了接聚，致使木素在熱塑過程中VOCs 揮發(fā)量減少.

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