單增宇， 馬灼明， 李淑君

(東北林業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院， 黑龍江 哈爾濱 150040)

·研究報(bào)告——生物質(zhì)材料·

酶解木質(zhì)素的堿催化溫和水熱降解

單增宇， 馬灼明， 李淑君*

(東北林業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院， 黑龍江 哈爾濱 150040)

針對木質(zhì)素相對分子質(zhì)量大、 空間位阻大、 反應(yīng)活性低、 難于利用的缺點(diǎn)，以氫氧化鈉作催化劑對酶解木質(zhì)素進(jìn)行溫和水熱降解。研究了反應(yīng)條件對降解木質(zhì)素產(chǎn)率的影響，并以紅外光譜(FT-IR)、 核磁共振譜(1H NMR)、 凝膠滲透色譜(GPC)來表征降解木質(zhì)素產(chǎn)物。優(yōu)化后的水熱降解條件為反應(yīng)溫度200 ℃，反應(yīng)時(shí)間120 min，氫氧化鈉與木質(zhì)素的質(zhì)量比值為0.2，木質(zhì)素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8 %，此條件下降解木質(zhì)素的產(chǎn)率為71 %。FT-IR分析表明，在溫和的水熱降解條件下，木質(zhì)素的芳環(huán)結(jié)構(gòu)得以保留。1H NMR分析結(jié)果表明，水熱降解使木質(zhì)素的部分醚鍵斷裂，酚羥基增多。GPC分析表明，木質(zhì)素相對分子質(zhì)量明顯下降，證明在此過程中木質(zhì)素發(fā)生了降解。

酶解木質(zhì)素；水熱反應(yīng)；降解；堿催化

植物莖稈中含有大量木質(zhì)素，全球每年通過植物生長可產(chǎn)生約1 500億噸木質(zhì)素[1]。木質(zhì)素是主要由3種基本結(jié)構(gòu)單元，即對羥基苯基(H)、 愈創(chuàng)木基(G)和紫丁香基(S)，通過醚鍵和碳碳鍵連接形成的一種天然高分子聚合物[2]。自1930年木質(zhì)素被正式開發(fā)利用[3]以來，國內(nèi)外科學(xué)家提出并改進(jìn)了木質(zhì)素提取方法[4-5]，并利用其分散性[6]、 黏合性[7]、 表面活性[8]等性質(zhì)生產(chǎn)香料、 膠黏劑或新型生物質(zhì)燃料。酶解木質(zhì)素通常是從酶解植物原料制生物乙醇的殘?jiān)蟹蛛x得到的，含有豐富的官能團(tuán)，如酚羥基和醚鍵等，能夠直接與醛、環(huán)氧氯丙烷等反應(yīng)，制備酚醛樹脂、 環(huán)氧樹脂等，還可以與塑料、 橡膠等高分子材料共混增強(qiáng)力學(xué)性能[9]，具有巨大的潛在利用價(jià)值。然而，由于木質(zhì)素存在相對分子質(zhì)量大、 反應(yīng)活性低、 空間位阻大等缺點(diǎn)，必須通過物理法或化學(xué)法將其降解后才能實(shí)際應(yīng)用。與成本高、 污染大的化學(xué)法相比，水熱降解木質(zhì)素是在高溫高壓下的水體中使木質(zhì)素發(fā)生物理和化學(xué)反應(yīng)，原料不需要預(yù)干燥，且水可以提供羥基，不用或較少使用化學(xué)試劑，具有反應(yīng)快速、綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)。水熱處理是一種很有前景的技術(shù)，利用不同的水熱液化和碳化技術(shù)可以分別從生物質(zhì)中獲取生物油和碳材料等。木質(zhì)素水熱液化可以得到富含酚類化合物的生物油，而酚類化合物更是一種重要的化工原料。木質(zhì)素水熱碳化可以得到富碳含量的水熱焦，這些水熱焦也許可以作為吸附劑、碳基催化劑前驅(qū)體等。本研究的目的是探究水熱降解法高效降解酶解木質(zhì)素(EHL)，獲得小分子的酚類化合物。姜煒坤[10]以玉米秸稈水解殘?jiān)举|(zhì)素為原料，在375 ℃水熱降解反應(yīng)30 min，降解率約80 %；康世民[11]以堿木質(zhì)素為原料，在300 ℃水熱降解反應(yīng)30 min，降解率約50 %。然而，降解溫度過高往往會引起木質(zhì)素的熱降解反應(yīng)，甚至發(fā)生結(jié)焦現(xiàn)象，不利于木質(zhì)素的降解。本研究以氫氧化鈉作催化劑對木質(zhì)素進(jìn)行溫和水熱降解(≤300 ℃)，分析反應(yīng)溫度、 反應(yīng)時(shí)間、 NaOH與木質(zhì)素的質(zhì)量比值、木質(zhì)素質(zhì)量分?jǐn)?shù)等因素對酶解木質(zhì)素水熱降解的影響，并采用傅里葉變換紅外光譜(FT-IR)、 核磁共振波譜(NMR)和凝膠滲透色譜(GPC)對所得到的木質(zhì)素水熱降解產(chǎn)物進(jìn)行表征。

1 材料與方法

1.1 原料、 試劑與儀器

酶解木質(zhì)素(EHL)，玉米秸稈經(jīng)過同步糖化發(fā)酵(SSF)法水解后的剩余殘?jiān)?。氫氧化鈉、 濃硫酸、 丙酮等為分析純，四氫呋喃為色譜純，氘代二甲基亞砜為光譜純。

GCF型高溫高壓反應(yīng)釜，大連自控設(shè)備廠；Nicolet 6700傅里葉變換紅外光譜(FT-IR)儀，美國Thermo Fisher Scientific公司；Avance Drx 400型超導(dǎo)核磁共振波譜(NMR)儀，德國Bruker公司；1100型凝膠液相色譜(GPC)，美國Agilent公司。

1.2 酶解木質(zhì)素水熱降解

1.2.1 酶解木質(zhì)素精制 向殘?jiān)屑尤? mol/L的氫氧化鈉水溶液，經(jīng)溶解、 過濾，除去不溶的雜質(zhì)。所得木質(zhì)素溶液用1 mol/L硫酸溶液調(diào)pH值至2～3，使木質(zhì)素沉降，分離得木質(zhì)素沉淀。對獲得的木質(zhì)素沉淀水洗除去其中所含的鹽分，再經(jīng)減壓干燥得到精制木質(zhì)素。精制產(chǎn)物中含木質(zhì)素91.37 %，含灰分2.51 %，含其他雜質(zhì)6.12 %。該精制產(chǎn)物在1 % NaOH中可溶解99.60 %，在丙酮中可溶解11.24 %。

1.2.2 水熱降解 取一定量精制木質(zhì)素與氫氧化鈉水溶液在反應(yīng)釜中進(jìn)行水熱降解，控制降解時(shí)的攪拌速度為300 r/min。固定初始條件為：精制木質(zhì)素10 g、 氫氧化鈉2 g、 蒸餾水88 g，到達(dá)設(shè)定溫度后反應(yīng)30 min。在后續(xù)單因素試驗(yàn)中選取已優(yōu)化的反應(yīng)條件作為固定條件，逐個(gè)條件優(yōu)化。反應(yīng)溫度分別設(shè)定為150、 200、 250和300 ℃，反應(yīng)時(shí)間分別設(shè)定為30、 60、 90和120 min，木質(zhì)素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為4.0 %、 6.0 %、 8.0 %和10.0 %，NaOH用量(NaOH與木質(zhì)素的質(zhì)量比值，下同)分別為0.10、 0.15、 0.20和0.25。水熱反應(yīng)后用3 %硫酸溶液調(diào)節(jié)pH值至2～3，待木質(zhì)素沉淀后減壓過濾。收集濾餅減壓干燥后，以丙酮充分溶解、 過濾，濾液旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)除去丙酮，再減壓干燥得到的產(chǎn)物記為降解木質(zhì)素，產(chǎn)率的計(jì)算方法為降解木質(zhì)素質(zhì)量與水熱反應(yīng)前加入的精制木質(zhì)素的質(zhì)量比[12]，殘?jiān)实挠?jì)算方法為剩余殘?jiān)|(zhì)量與所加入的精制木質(zhì)素的質(zhì)量比。降解為氣體和以溶液形式存在的產(chǎn)物因難于收集和利用而未進(jìn)行下一步研究。

1.3 產(chǎn)物表征

1.3.1 FI-IR 使用傅里葉變換紅外光譜分析產(chǎn)物的官能團(tuán)。儀器采用ATR模式，分辨率為4 cm-1，掃描次數(shù)32次，掃描范圍為650～4000 cm-1。

1.3.21H NMR 使用超導(dǎo)核磁共振波譜儀對產(chǎn)物進(jìn)行1H NMR分析，設(shè)定掃描次數(shù)為8次，掃描范圍為δ-2～14，弛豫時(shí)間1 s，溶劑為氘代DMSO-d6。

1.3.3 GPC 使用凝膠滲透色譜來分析降解后的木質(zhì)素產(chǎn)物的相對分子質(zhì)量分布，紫外檢測波長為280 nm，流動(dòng)相為四氫呋喃，流量為1.0 mL/min，進(jìn)樣量為50 μL，柱溫為30 ℃,柱壓2.9 MPa。樣品的相對分子質(zhì)量依據(jù)單分散性聚苯乙烯標(biāo)準(zhǔn)物的標(biāo)準(zhǔn)曲線來計(jì)算。為了增加木質(zhì)素在的溶劑中的溶解性能，測試樣品需先經(jīng)乙?；幚韀13]。

是晚，一只瓶塞著火的啤酒瓶，從胡馬強(qiáng)后院墻外飛進(jìn)來，像一個(gè)大大的問號，準(zhǔn)確地穿越胡馬強(qiáng)客廳的玻璃窗，在客廳和窗戶之間爆燃，立即形成了一片火海，那火海沖出窗外，成了一個(gè)炫目的感嘆號。睡夢中的胡馬強(qiáng)在隨從的掩護(hù)下，迅速捂著鼻子逃離了主樓。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同降解條件對降解木質(zhì)素產(chǎn)率的影響

2.1.1 溫度 溫度是影響水熱降解的一個(gè)重要因素[2,12]。由表1中溫度作為單一變量的數(shù)據(jù)(No.1～4)可知，150 ℃時(shí)降解木質(zhì)素的產(chǎn)率僅為13.3 %、 殘?jiān)蔬_(dá)96.5 %，兩項(xiàng)之和超過了100 %，這是因?yàn)榻到獍l(fā)生很少，大量的木質(zhì)素從溶液中沉降時(shí)夾帶了溶液中的鹽分導(dǎo)致合計(jì)超過了100 %。在200 ℃條件下降解木質(zhì)素的產(chǎn)率上升至51.6 %、 殘?jiān)蕛H為15.3 %。究其原因，是因?yàn)槟举|(zhì)素的降解為吸熱過程，升高溫度有利于木質(zhì)素降解成小分子[12]，此外，在較高溫度下也更有利于水的離子化(Kw=[H+][OH-])，進(jìn)而能夠更加有效地催化木質(zhì)素的水熱降解。在250和300 ℃條件下降解產(chǎn)物的產(chǎn)率分別為20.0 %和11.2 %、 殘?jiān)史謩e上升至49.2 %和32.0 %，一個(gè)原因是當(dāng)溫度繼續(xù)升高，較多的木質(zhì)素發(fā)生結(jié)焦或炭化，另一個(gè)原因是木質(zhì)素水熱降解反應(yīng)的同時(shí)也進(jìn)行著再聚合[3]，使得產(chǎn)物產(chǎn)率下降，殘?jiān)噬仙?。綜合比較，200 ℃更適于木質(zhì)素的堿催化溫和水熱降解。在此條件下，降解木質(zhì)素產(chǎn)率為51.6 %、 殘?jiān)蕿?5.3 %。

2.1.2 反應(yīng)時(shí)間 反應(yīng)時(shí)間也是影響水熱降解的重要因素。時(shí)間短，木質(zhì)素的水熱降解不充分；時(shí)間長則浪費(fèi)時(shí)間和能量。由表1中時(shí)間作為單一變量的降解產(chǎn)率數(shù)據(jù)(No.2、 No.5～7)可知，隨反應(yīng)時(shí)間的延長降解木質(zhì)素產(chǎn)率略有升高，當(dāng)降解時(shí)間由30 min增加至120 min時(shí)，降解產(chǎn)物的產(chǎn)率由51.6 %增至59.4 %。然而，隨著時(shí)間的延長，能耗也大大增加。綜合考慮產(chǎn)率和能量消耗等因素，確定較適合的反應(yīng)時(shí)間為120 min。在此條件下，降解木質(zhì)素產(chǎn)率為59.4 %、 殘?jiān)?2.3 %。

2.1.3 NaOH用量 催化劑NaOH用量是影響木質(zhì)素堿催化溫和水熱降解的重要因素。由表1中NaOH用量作為單一變量的降解產(chǎn)率數(shù)據(jù)(No.7～10)可知，NaOH用量從0.10升到0.20時(shí)，降解產(chǎn)物產(chǎn)率由54.7 %升高至59.4 %、 殘?jiān)视?9.5 %降至12.3 %，可以證明水熱反應(yīng)中足量的堿有利于提高降解木質(zhì)素產(chǎn)率。NaOH用量從0.20升至0.25時(shí)，降解產(chǎn)物產(chǎn)率又降低至54.9 %、 殘?jiān)噬?2.9 %?？梢姡^量的堿會導(dǎo)致縮合等副反應(yīng)增加，不利于木質(zhì)素的降解。因此，優(yōu)選催化劑NaOH用量為0.20。在此條件下，降解木質(zhì)素產(chǎn)率為59.4 %、 殘?jiān)?2.3 %。

2.1.4 木質(zhì)素質(zhì)量分?jǐn)?shù) 木質(zhì)素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)決定了降解效率，結(jié)果見表1。

表1 不同反應(yīng)條件對酶解木質(zhì)素降解影響

1)合計(jì)為產(chǎn)率和殘?jiān)手蛅otal equals yield of degraded lignin plus residue rate

根據(jù)降解木質(zhì)素產(chǎn)率優(yōu)化的木質(zhì)素堿催化溫和水熱降解條件為反應(yīng)溫度200 ℃，到達(dá)反應(yīng)溫度后反應(yīng)120 min，催化劑氫氧化鈉與木質(zhì)素的質(zhì)量比值為0.20，木質(zhì)素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8.0 %。此條件下的降解木質(zhì)素產(chǎn)率達(dá)到71.0 %，殘?jiān)实椭?.8 %。

2.2 FT-IR分析

圖1 紅外光譜圖

圖1為精制木質(zhì)素和優(yōu)化條件(反應(yīng)溫度200 ℃，到達(dá)反應(yīng)溫度后反應(yīng)時(shí)間120 min，氫氧化鈉用量為0.2，木質(zhì)素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8 %)得到的降解木質(zhì)素產(chǎn)物的傅里葉變換紅外光譜圖。圖中3550～3200 cm-1處為羥基伸縮振動(dòng)的吸收峰，2940～2860 cm-1為甲基、 亞甲基、 次甲基伸縮振動(dòng)的吸收峰，1702 cm-1為與苯環(huán)非共軛的羰基吸收峰，1601和1510 cm-1為苯環(huán)骨架的吸收峰，1455 cm-1為C—H不對稱彎曲振動(dòng)，1325 cm-1為紫丁香基環(huán)中C—O的伸縮振動(dòng)，1275 cm-1為愈創(chuàng)木基環(huán)中C—O的伸縮振動(dòng)，1085～1030 cm-1為C—H、 C—O彎曲振動(dòng)[2]。這些吸收峰的存在，說明了木質(zhì)素樣品中含有豐富的有機(jī)官能團(tuán)。

降解前后的樣品中1601和1510 cm-1苯環(huán)骨架的吸收峰基本一致，表明在溫和的水熱降解條件下，木質(zhì)素的苯環(huán)骨架得以很好地保留。相比于精制木質(zhì)素，降解木質(zhì)素1702 cm-1附近的吸收峰強(qiáng)度略有增加，這是由于在反應(yīng)過程中沒有排出反應(yīng)釜內(nèi)空氣，在高溫條件下木質(zhì)素中的部分游離羥基被氧化成為羰基造成的。

2.3 1H NMR分析

圖2為原料精制木質(zhì)素和優(yōu)化條件下降解木質(zhì)素的1H NMR譜圖。圖中δ2.5和3.3處的2個(gè)信號分別來源于氘代DMSO-d6和水。由圖可知，2個(gè)樣品的1H NMR的峰位及形狀大致相同，表明2個(gè)樣品具有類似的基本結(jié)構(gòu)單元。對原料精制木質(zhì)素和水熱降解木質(zhì)素中的甲氧基、 醚鍵定量積分，以芳環(huán)骨架上的H(δ6.0～8.0)[14]積分作為基準(zhǔn)1，水熱降解后，甲氧基上的H(δ3.5～4.2)[14]積分值由0.76下降為0.71，表明經(jīng)水熱降解后甲氧基部分脫除，與醚鍵相連接碳上的H(δ4.2～6.0)[14]由反應(yīng)前的0.81減少到0.59，酚羥基的H(δ8.0～9.5)[15-16]由反應(yīng)前的0.10提高到0.21，即水熱降解使木質(zhì)素的一部分醚鍵斷裂，酚羥基增多。

2.4 GPC分析

原料精制木質(zhì)素和優(yōu)化降解條件下降解木質(zhì)素的GPC譜圖見圖3。

圖2 核磁氫譜圖 圖3 GPC譜圖

Fig. 21H NMR spectra Fig. 3 GPC spectra

木質(zhì)素的重均相對分子質(zhì)量(Mw)和數(shù)均相對分子質(zhì)量(Mn)及計(jì)算得到的多分散系數(shù)D(D=Mw/Mn)如表2所示。經(jīng)分析，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過溫和水熱降解后，木質(zhì)素發(fā)生了明顯的降解，Mn由1 954下降至252，Mw和粘均相對分子質(zhì)量(Mz)也都有明顯的下降?？梢?，木質(zhì)素降解成為小分子的芳香族物質(zhì)，空間位阻減小，有利于進(jìn)一步加工利用。

表2 相對分子質(zhì)量分布

3 結(jié) 論

以NaOH作催化劑，水熱降解酶解木質(zhì)素，優(yōu)化的水熱降解條件為：降解溫度200 ℃，到達(dá)反應(yīng)溫度后反應(yīng)120 min，氫氧化鈉與木質(zhì)素的質(zhì)量比值為0.2，木質(zhì)素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8 %，此條件下的降解木質(zhì)素產(chǎn)率為71 %。紅外光譜、 核磁共振波譜定性分析表明：降解木質(zhì)素很好地保留了木質(zhì)素的苯環(huán)骨架基本結(jié)構(gòu)單元。凝膠滲透色譜分析表明，溫和的水熱反應(yīng)使木質(zhì)素發(fā)生降解，相對分子質(zhì)量顯著下降。

[1]蔣挺大. 木質(zhì)素[M]. 北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2001.

[2]李忠正. 植物纖維資源化學(xué)[M]. 北京:中國輕工業(yè)出版社,2012.

[3]中野準(zhǔn)三. 木質(zhì)素的化學(xué)[M]. 北京:輕工業(yè)出版社,1988.

[4]LUNDQUIST K,OHLSSON B,SIMONSON R. Isolation of lignin by means of liquid-liquid extraction[J]. Svensk Papperstidning,1977,80(5):143-144.

[5]何偉,沙萍,邰瓞生. 工業(yè)堿木素的純化方法:甲酚-硫酸法[J]. 中國造紙,1991,10(3):8-12.

[6]馮清華. 含木質(zhì)素水凝膠的合成及其性能研究[D]. 廣州:華南理工大學(xué)博士學(xué)位論文,2012.

[7]郭國萬. 酶解木質(zhì)素的糠醇精制處理及制備酚醛樹脂的研究[D]. 哈爾濱:東北林業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文,2013.

[8]曲玉寧. 木質(zhì)素的提取及在聚氨酯中的應(yīng)用[D]. 長春:吉林大學(xué)博士學(xué)位論文,2012.

[9]程賢甦,劉曉玲. 玉米秸稈發(fā)酵殘?jiān)心举|(zhì)素的分離與性質(zhì)研究[J]. 現(xiàn)代化工,2006,26(S2):99-100.

[10]姜煒坤. 木質(zhì)素水熱轉(zhuǎn)化制取酚型化合物的研究[D]. 濟(jì)南:齊魯工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文,2015.

[11]康世民. 木質(zhì)素水熱轉(zhuǎn)化及其產(chǎn)物基礎(chǔ)應(yīng)用研究[D]. 廣州:華南理工大學(xué)博士學(xué)位論文,2013.

[12]MAHMOOD N,YUAN Z,SCHMIDT J,et al. Production of polyols via direct hydrolysis of kraft lignin:Effect of process parameters[J]. Bioresource Technology,2013,139:13-20.

[13]LI S J,GUO G W,NAN X,et al. Selective liquefaction of lignin from bio-ethanol production residue using furfuryl alcohol[J]. BioResources,2013,8(3):4563-4573.

[14]LUNDQUIST K.1H NMR spectral studies of lignins:Quantitative estimates of some types of structural elements[J]. Nordic Pulp & Paper Research Journal,1991,6(3):140-146.

[15]LI S,LUNDQUIST K. Analysis of hydroxyl groups in lignins by1H NMR spectrometry[J]. Nordic Pulp & Paper Research Journal,2001,16(1):63-67.

[16]LI S,LUNDQUIST K. A new method for the analysis of phenolic groups in lignins by1H NMR spectroscopy[J]. Nordic Pulp & Paper Research Journal,1994,9(3):191-195.

Alkali Catalytic Facile Hydrothermal Depolymerization of Enzymatic Hydrolysis Lignin

SHAN Zengyu, MA Zhuoming, LI Shujun

(College of Materials Science and Engineering,Northeast Forestry University, Harbin 150040, China )

Aiming at the shortcomings of lignin like high molecular weight,high steric hindrance,low reactivity and difficulty in utilization,the enzymatic hydrolysis lignin(EHL) was mildly hydrothermal depolymerized with NaOH as catalyst. The effects of process parameters,including reaction temperature,reaction time,NaOH/lignin ratio and lignin mass fraction,on lignin depolymerization were investigated. The lignin samples were characterized by FT-IR,1H NMR and GPC. The operating conditions were optimized as 200 ℃,120 min,and NaOH/lignin ratio 0.2 with 8 % lignin. This led to the highest yield of depolymerized lignin (71 %). FT-IR analyses demonstrated that the aromatic structure of lignin was remained under mildly hydrothermal degradation conditions. The results of1H NMR indicated that some ether bonds in lignin were interrupted and new phenolic hydroxyl groups were generated. GPC analyses showed that the molecular weight of lignin decreased significantly and the lignin was notably degraded.

enzymatic hydrolyzed lignin;hydrothermal reaction;depolymerization;alkali catalysis

10.3969/j.issn.1673-5854.2017.02.002

2016-05-06

公益性行業(yè)科研專項(xiàng)(201304614)

單增宇(1992— )，男，安徽淮北人，碩士生，主要從事木材化學(xué)利用研究

*通訊作者：李淑君，教授，主要從事木材化學(xué)與樹木提取物深加工領(lǐng)域研究；E-mail：lishujun_1999@126.com。

TQ35；O636.2

A

1673-5854(2017)02-0008-05