皮奇峰 ,朱妤婷 ,呂 微 ,廖玉河 ,王晨光,* ,馬隆龍
(1.中國(guó)科學(xué)院廣州能源研究所,廣東 廣州 510640;2.中國(guó)科學(xué)院可再生能源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣東 廣州 510640;3.中國(guó)科學(xué)院大學(xué),北京 100871)
生物煉制先通過(guò)預(yù)處理將木質(zhì)纖維素分離為纖維素、半纖維素和木質(zhì)素,然后再分別轉(zhuǎn)化三組分制備化學(xué)品或材料[1]。常用的酸、堿預(yù)處理可獲得很高的木質(zhì)素脫除率(> 90%),但是在分離過(guò)程中木質(zhì)素結(jié)構(gòu)被嚴(yán)重破壞,導(dǎo)致提取出的木質(zhì)素更難被解聚[2,3]。為了保留木質(zhì)素的反應(yīng)活性,目前,使用有機(jī)溶劑、離子液體和低共熔溶劑(DES)等在溫和條件下提取木質(zhì)素。其中,DES具有低揮發(fā)性、不可燃性、生物相容性、可降解性、成本低且可以回收利用等優(yōu)點(diǎn),受到廣泛關(guān)注[4]。
DES是由氫鍵供體(HBD)和氫鍵受體(HBA)組成的溶劑體系,這些溶劑體系能在低于HBD或HBA的熔點(diǎn)溫度下締合為均勻液體[5]。木質(zhì)纖維素分子間存在大量氫鍵,木質(zhì)素和半纖維素間主要以芐基酯或芐基醚鍵連接。DES中HBD可替代H原子與芐基酯或芐基醚鍵中的氧原子形成氫鍵,從而弱化木質(zhì)素、半纖維素與纖維素三組分分子間氫鍵。此外,DES表現(xiàn)具有酸堿性,可催化酯基和醚鍵斷裂。因此,DES能夠選擇性地溶解木質(zhì)纖維素基質(zhì)中的木質(zhì)素和半纖維素,同時(shí)保持纖維素的完整性[6]。目前,主要報(bào)道的HBA為氯化膽堿(ChCl),HBD為醇或酸的DES組合[7]。例如,以氯化膽堿作為HBA,甘油、尿素和咪唑分別作為HBD,在150 ℃下預(yù)處理玉米芯,木質(zhì)素脫除率高達(dá)88%[8]。ChCl/LA可選擇性脫除杉木57%的木質(zhì)素,木質(zhì)素得率和純度分別為33%和95%。ChCl和LA物質(zhì)的量比為1∶2時(shí),在160 ℃下木屑的木質(zhì)素脫除率高達(dá)88%,提取木質(zhì)素純度高達(dá)95%。而且,提取出的木質(zhì)素解聚可高效轉(zhuǎn)化為丁基化羥基甲苯,目標(biāo)產(chǎn)物收率高達(dá)48%。Lou等[9]發(fā)現(xiàn),ChCl/LA在120 ℃下預(yù)處理麥草秸稈,木質(zhì)素收率高達(dá)81.5%,純度達(dá)到94.8%,脫除出的木質(zhì)素含有70-90 nm 納米顆粒[10]。
近10年來(lái),DES預(yù)處理木質(zhì)纖維素脫除木質(zhì)素進(jìn)展顯著,但仍處于實(shí)驗(yàn)研究階段并存在許多問(wèn)題:第一,預(yù)處理反應(yīng)溫度較高(120-160 ℃),溫和條件下提取的木質(zhì)素結(jié)構(gòu)更完整;第二,預(yù)處理過(guò)程中木質(zhì)素脫除伴隨著木質(zhì)素解聚,而DES對(duì)木質(zhì)素的解聚作用機(jī)制研究報(bào)道較少;第三,DES處理對(duì)纖維素結(jié)構(gòu)演變規(guī)律研究報(bào)道較少。
本研究考察了ChCl/羧酸組合、HBA/HBD的物質(zhì)的量比、反應(yīng)溫度、時(shí)間對(duì)木質(zhì)纖維素預(yù)處理的作用:木質(zhì)素脫除率、回收率、純度。通過(guò)FT-IR、GPC、HSQC對(duì)木質(zhì)素進(jìn)行結(jié)構(gòu)表征,采用FT-IR、XRD、SEM對(duì)固體殘?jiān)M(jìn)行結(jié)構(gòu)表征,研究DES處理過(guò)程中三組分的結(jié)構(gòu)演變規(guī)律。
楊木粉(來(lái)自中國(guó)東北地區(qū))在60 ℃下烘干,40-60目。用無(wú)水乙醇對(duì)楊木粉進(jìn)行索氏提取去除色素、油脂及其他醇溶成分,并在60 ℃干燥至恒重。所有化學(xué)品均為分析純,購(gòu)自上海麥克林生物科技有限公司。所有化學(xué)品使用前不經(jīng)過(guò)任何處理。羧酸化學(xué)品及其縮寫如下:草酸(OA)、甲酸(FA)、乳酸(LA)、馬來(lái)酸(MA)、乙醇酸(GA)、琥珀酸(SA)、乙酸(AA)、丙酸(PA)、正丁酸(BA)、異丁酸(IA)。
常溫下將特定的羧酸和氯化膽堿按一定的比例置于厚壁耐壓瓶中,密封,在油浴鍋中并不斷攪拌,加熱至80 ℃并保溫2 h,直至形成均質(zhì)液體。然后,將厚壁耐壓瓶置于干燥器中冷卻,防止吸濕。
將0.5 g楊木粉與10.0 g DES置于75 mL厚壁耐壓瓶中,在特定溫度下 (60、90、120、150 ℃)攪拌,攪拌轉(zhuǎn)速 ≤ 300 r/min。反應(yīng)一定的時(shí)間(4 、8 、16 、24 h)后,加入 10 mL 丙酮∶水(體積比 = 1∶1)終止反應(yīng)。將反應(yīng)液離心,吸取提取液。用800目不銹鋼濾網(wǎng)過(guò)濾固體殘?jiān)啻斡?0 mL丙酮∶水(體積比 = 1∶1)洗滌固體殘?jiān)敝料疵撘簾o(wú)色,并將洗脫液與提取液混合得到提取液。固體殘?jiān)萌ルx子水和乙醇洗滌至電導(dǎo)率 < 5 μs/cm2,冷凍干燥,稱重。將提取液通過(guò)減壓蒸餾濃縮到15 mL,然后往濃縮液加入5倍體積的水,邊加水邊攪拌,直到木質(zhì)素沉淀出來(lái)。離心分離出固體,用去離子水洗滌固體至洗脫液pH值為7,冷凍干燥得到木質(zhì)素。DES處理?xiàng)钅疽约澳举|(zhì)素提取過(guò)程如圖1所示。
圖1 DES預(yù)處理?xiàng)钅咎崛∧举|(zhì)素流程圖Figure 1 Flow chart of DES pretreatment of poplar wood to extract lignin
楊木磨木木質(zhì)素參考文獻(xiàn)[11]報(bào)道的方法進(jìn)行制備。楊木粉及固體殘?jiān)睦w維素、半纖維素和木質(zhì)素的含量均按照NREL法進(jìn)行測(cè)定[12]。
楊木的固體殘?jiān)章?、三組分(纖維素、半纖維素和木質(zhì)素)脫除率、木質(zhì)素回收率,以分別按 式(1)-(3)進(jìn)行計(jì)算:
使用熱場(chǎng)發(fā)射(分析型)掃描電鏡(Hitachi S-4800,日立公司)表征固體殘?jiān)男蚊玻僮麟妷? kV。采用Nicolet iS50 FT-IR光譜儀(Thermo Fisher Scientific,America)表征固體殘?jiān)湍举|(zhì)素,波長(zhǎng)為4000-400 cm-1,分辨率為2 cm-1,掃描32次。使用 XPertProMPD XRD(PANalytical,荷蘭)測(cè)定固體殘?jiān)木w結(jié)構(gòu),使用CuKα輻射源,2θ值為5°-80°。纖維素的結(jié)晶度指數(shù)CI根據(jù)文獻(xiàn)[13]報(bào)道方法計(jì)算。
在配備有折射率檢測(cè)器(RID)的1260LC系統(tǒng)(Agilent Tech.,美國(guó))對(duì)樣品進(jìn)行GPC分析。色譜柱為 PL Mixed gel-C(300 × 7.5 mm,5 μm),洗脫液為色譜級(jí)的THF。在BRUKER AVANCE Ⅲ(400 MHz)共振譜儀上記錄木質(zhì)素HSQC NMR譜圖。GPC和HSQC NMR采集參數(shù)與作者之前報(bào)道的相同[14]。
使用羧酸作為HBD時(shí),木質(zhì)素脫除率隨HBD酸性的增加而增加,與文獻(xiàn)[15]報(bào)道結(jié)果一致(圖2(a))。相同碳原子的二元羧酸(草酸、琥珀酸)的脫木質(zhì)素效率高于一元羧酸(乙酸、丁酸)。ChCl/OA和ChCl/FA木質(zhì)素脫除效果最佳,木質(zhì)素脫除率約為90%,且纖維素保留率接近100%。然而,由于DES的酸性,大部分的半纖維素也被脫除。ChCl/OA和ChCl/FA的半纖維素脫除率分別為80%和60%??紤]到ChCl/FA的黏度比常用的DES(ChCl/LA、ChCl/GL、ChCl/尿素)的黏度更低,有利于預(yù)處理過(guò)程中的傳質(zhì)和后續(xù)處理,選擇ChCl/FA(圖3)作為深入研究的DES。
圖2 ChCl/羧酸組合及ChCl:FA比例對(duì)對(duì)楊木預(yù)處理的作用Figure 2 Effects of different DES combinations and molar ratios of ChCl to FA on poplar pretreatment reaction conditions: 0.5 g poplar wood powder, 10 g DES(HBA:ChCl); (a) molar ratio of ChCl to HBD is 1∶1, 90 ℃,8 h; (b) the molar ratio of ChCl to HBD is 1:2, 90 ℃, 8 h
圖3 低共熔溶劑分子結(jié)構(gòu)示意圖Figure 3 Molecular structure of deep eutectic solvent
為了進(jìn)一步優(yōu)化楊木預(yù)處理效果,考察了HBA與HBD的物質(zhì)的量比、反應(yīng)溫度和反應(yīng)時(shí)間對(duì)三組分脫除率和木質(zhì)素回收率的影響(圖4)。由圖2(b)可知,ChCl有一定的脫除木質(zhì)素作用。然而木質(zhì)素脫除率僅30%,因?yàn)镃hCl僅能削弱氫鍵,而其斷鍵能力較弱(圖5)。而FA起到斷裂醚鍵、酯鍵的作用(圖5),其中,半纖維素和木質(zhì)素之間的醚鍵和酯鍵更容易被斷裂。結(jié)果表明,F(xiàn)A與ChCl共熔形成DES后,木質(zhì)素脫除率顯著增加。此外,由于FA與ChCl形成氫鍵,溶液中H+濃度降低,纖維素脫除率顯著降低。
因此,ChCl/FA同時(shí)起到了弱化氫鍵和斷裂醚鍵、酯鍵的作用(圖5)。ChCl和FA物質(zhì)的量比為 1∶2時(shí),木質(zhì)素的脫除率最高(91%)。ChCl和FA物質(zhì)的量比大于1∶2時(shí),木質(zhì)素脫除率和回收率均逐漸降低。
圖5 ChCl/FA分離三組分的示意圖Figure 5 Schematic diagram of ChCl/FA separation of three components
反應(yīng)溫度60-80 ℃時(shí),木質(zhì)素脫除率緩慢增加(44%-52%)(圖4(a))。當(dāng)溫度升到 90 ℃(硬木木質(zhì)素的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度)時(shí),為斷裂木質(zhì)素和半纖維素的醚鍵提供了足夠的能量,木質(zhì)素脫除率急劇增加到91%,半纖維素脫除率也顯著增加至76%。然而,當(dāng)溫度繼續(xù)升高時(shí)(120-150 ℃),纖維素和半纖維素的脫除繼續(xù)增加,而木質(zhì)素的脫除率卻減低。
隨著反應(yīng)時(shí)間從4 h延長(zhǎng)到8 h,木質(zhì)素和半纖維素脫除率增加(圖4(b))。繼續(xù)延長(zhǎng)反應(yīng)時(shí)間,木質(zhì)素和半纖維素脫除率保持不變,而木質(zhì)素回收率略有減低,這是因?yàn)槟举|(zhì)素在DES中可能發(fā)生解聚轉(zhuǎn)化為單體。纖維素脫除率略有增加,這是由于不穩(wěn)定的纖維素非結(jié)晶區(qū)的脫除導(dǎo)致的,與固體殘?jiān)腦RD結(jié)果相對(duì)應(yīng)(圖8(e))。
圖4 反應(yīng)溫度和時(shí)間對(duì)楊木預(yù)處理的作用Figure 4 Effects of reaction temperature and time on the pretreatment of poplar wood reaction conditions: 0.5 g poplar wood powder, 10 g DES (HBA:ChCl); (a) : molar ratio of ChCl to FA is 1:2, 60-150 ℃, 8 h;(b): molar ratio of ChCl to FA is 1∶2, 90 ℃, 4-24 h
2.2.1 固體殘?jiān)念w粒尺寸及表面形貌變化
楊木粉顆粒約1 mm長(zhǎng)、500 μm寬,其表面覆蓋著片狀的木質(zhì)素-半纖維素復(fù)合物(圖6(a)、6(d))。FA預(yù)處理后,固體殘?jiān)w粒長(zhǎng)度不變,寬度減小為30-100 μm,表面殘留大量100-200 nm的木質(zhì)素納米顆粒(半纖維素完全脫除,圖6(b),6(e))。在酸性條件下,木質(zhì)素的 Cα-OH 容易與H+結(jié)合脫水得到C+離子,該C+離子容易與另一個(gè)木質(zhì)素分子的苯環(huán)發(fā)生親電取代得到由C-C鍵連接的聚合物[16]。這些聚合物難以被解聚且容易附著在固體殘?jiān)砻?(圖6(e))。DES(ChCl/FA)預(yù)處理后,固體殘?jiān)叽缫诧@著減小,而且由于木質(zhì)素的大量脫除,固體殘?jiān)砻姹容^光滑 (圖6(c)、6(f))。
圖6 楊木和固體殘?jiān)腟EM照片F(xiàn)igure 6 SEM images of poplar wood and solid residue (a), (d) = poplar wood powder; (b), (e) = solid residue after FA treatment;(c), (f) = solid residue after ChCl/FA (1∶2) treatmen
2.2.2 固體殘?jiān)慕M成、化學(xué)結(jié)構(gòu)及晶體結(jié)構(gòu)
為了深入研究固體殘?jiān)慕M成、化學(xué)結(jié)構(gòu)及晶體結(jié)構(gòu),采用FT-IR和XRD對(duì)固體殘?jiān)M(jìn)行結(jié)構(gòu)表征。FT-IR吸收峰對(duì)應(yīng)的官能團(tuán)歸屬參考文獻(xiàn)[17,18]。
如圖7(a)所示,1737 cm-1處的強(qiáng)峰為酯基的C=O伸縮振動(dòng),表明楊木的半纖維素含有酯基、乙?;蛱侨┧峄蛘吣举|(zhì)素中含有羧基(少量)。
圖7 ChCl/羧酸預(yù)處理?xiàng)钅镜玫降墓腆w殘?jiān)?FT-IR(a),(c)和 XRD 譜圖 (b),(d)Figure 7 FT-IR spectra (a), (c) and XRD patterns (b), (d) of the solid residue obtained by ChCl/carboxylic acid pretreatment of poplar wood
ChCl/羧酸(物質(zhì)的量比為1∶1)預(yù)處理后,1737 cm-1峰仍存在,說(shuō)明半纖維素未能完全脫除(圖7(a)和 7(c))。OA 為 HBD 時(shí),1737 cm-1峰強(qiáng)度最弱,說(shuō)明ChCl/OA脫半纖維效果最佳,與成分分析結(jié)果一致(圖2(a))。1597 、1510 、1460 和 1423 cm-1處的紅外峰為木質(zhì)素苯環(huán)的特征峰,ChCl/OA、ChCl/FA和ChCl/LA預(yù)處理后木質(zhì)素的特征峰顯著減弱,說(shuō)明這三種DES具有優(yōu)良的脫木質(zhì)素的效果。1375 、1318 、1264 、1160 、1112 和 1060 、1024 、991 和898 cm-1處的吸收峰為纖維素特征峰,其中,1375 、1318 和 898 cm-1是 I型纖維素的紅外特征峰,表明ChCl/羧酸預(yù)處理不會(huì)改變纖維素晶形。1264 和1060 cm-1分別對(duì)應(yīng)纖維素葡萄糖環(huán)的C2/C3位COH面內(nèi)彎曲振動(dòng)和C3位的C-O伸縮振動(dòng)。當(dāng)HBD為 FA、LA和MA時(shí),1264 cm-1處的峰強(qiáng)度明顯減弱,而1060 cm-1峰強(qiáng)度無(wú)明顯變化,可能是因?yàn)椴糠掷w維素葡萄糖環(huán)的C2位結(jié)構(gòu)發(fā)生反應(yīng),如脫水。固體殘?jiān)腦RD衍射峰主要有 15°、16.6°、22.5°、34.5°,分別對(duì)應(yīng) I型纖維素的(101)、(10)、(002)和(040)晶面(圖7(b)、7(d)),且只有 710 cm-1處的峰,說(shuō)明固體殘?jiān)欣w維素晶型均為Iβ型,與FT-IR分析結(jié)果一致[19]。固體殘?jiān)Y(jié)晶度(55%-66%)均高于原料(楊木)(54%),這是因?yàn)榘肜w維素和木質(zhì)素的脫除,固體殘?jiān)欣w維素比例增加。
如圖8 所示,ChCl∶FA 物質(zhì)的量比為 1∶1-0∶1,半纖維和苯環(huán)特征峰的強(qiáng)度明顯減弱,說(shuō)明大部分半纖維素和木質(zhì)素在ChCl/FA預(yù)處理下脫除。
圖8 ChCl∶FA比例、反應(yīng)溫度和時(shí)間對(duì)固體殘?jiān)瘜W(xué)結(jié)構(gòu)的影響Figure 8 Effects of molar ratios of ChCl∶FA, reaction temperature and time on the chemical structure of the solid residue(a), (c), (e): FT-IR spectra; (b), (d), (f): XRD patterns
同時(shí),纖維素葡萄糖單元C6位特征峰(1318 、1234 cm-1)的強(qiáng)度也明顯減弱,說(shuō)明纖維素的葡萄糖單元C6位會(huì)在酸性條件下發(fā)生轉(zhuǎn)化(如脫水)。固體殘?jiān)Y(jié)晶度隨著ChCl∶FA物質(zhì)的量比先增加后減少,ChCl∶FA物質(zhì)的量比為1∶2時(shí)結(jié)晶度最高,為70%。固體殘?jiān)Y(jié)晶度降低的原因有以下幾點(diǎn)。隨著FA物質(zhì)的量比增加,反應(yīng)體系中酸性越強(qiáng)(H+濃度增加),伯羥基含量更少,導(dǎo)致纖維素葡萄糖鏈之間的氫鍵減少,纖維素晶體結(jié)構(gòu)被破壞。反應(yīng)體系中H+濃度增加,導(dǎo)致大量木質(zhì)素重聚并附著在固體殘?jiān)砻?,?dǎo)致固體殘?jiān)w維素純度降低。1060 和898 cm-1為纖維素糖苷鍵的特征峰,提高反應(yīng)溫度或延長(zhǎng)反應(yīng)時(shí)間均不能減弱這兩個(gè)峰的峰強(qiáng)度,說(shuō)明糖苷鍵具有高度穩(wěn)定性,所以DES處理后大部分纖維素能以固體的形式保留下來(lái)(圖8(c)、8(e))。由于半纖維素和木質(zhì)素的高效脫除和糖苷鍵的穩(wěn)定性,固體殘?jiān)3指呓Y(jié)晶度。但120-150 ℃時(shí)由于木質(zhì)素在纖維素表面的重聚,導(dǎo)致固體殘?jiān)Y(jié)晶度降低(圖8(c)、8(d))。
2.2.3 提取木質(zhì)素化學(xué)結(jié)構(gòu)及分子量分布
提取木質(zhì)素的主要紅外吸收峰為木質(zhì)素特征峰(圖9、圖10),表明提取木質(zhì)素具有高純度。當(dāng)LA、MA、SA、AA、BA、IA作為 HBD時(shí),1737 cm-1吸收峰強(qiáng)度較大,說(shuō)明半纖維素與木質(zhì)素相連,這幾種羧酸不能促進(jìn)半纖維素和木質(zhì)素之間的酯鍵、醚鍵斷裂,而其余FA和GA羧酸與ChCl組合具有良好的斷鍵效果。1268 、920 和1160 cm-1分別為G型、S型和PB型木質(zhì)素特有的吸收峰,分別對(duì)應(yīng)G型木質(zhì)素苯環(huán)C-H伸縮振動(dòng),S型木質(zhì)素苯環(huán)C-H面外彎曲振動(dòng)和PB型共軛酯鍵C=O振動(dòng),表明該木質(zhì)素類型為G/S/PB型。1510 和1460 cm-1為木質(zhì)素苯環(huán)骨架振動(dòng)和C-H面內(nèi)彎曲振動(dòng),兩者的峰高比較可以用于判斷G型和S型木質(zhì)素比例:1510 cm-1峰越高,G型木質(zhì)素含量越多。
從圖9和圖10可知,1460 cm-1峰高略高于1510 cm-1,表明G型木質(zhì)素含量等于或略低于S型木質(zhì)素[20]。1268 cm-1處的峰強(qiáng)度不受羧酸種類、ChCl∶FA物質(zhì)的量比、預(yù)處理溫度(≤ 120 ℃)和時(shí)間變化而變化,說(shuō)明G型木質(zhì)素在預(yù)處理過(guò)程中穩(wěn)定性相對(duì)較高。920 和1160 cm-1通常吸收較弱,所以其變化不明顯,很難用于判斷S型和PB型木質(zhì)素相對(duì)含量的變化。因?yàn)镚/S比例變化不大,所以S型木質(zhì)素預(yù)處理過(guò)程中也能穩(wěn)定存在。
圖9 ChCl/羧酸和ChCl/FA物質(zhì)的量比對(duì)提取木質(zhì)素結(jié)構(gòu)的影響Figure 9 Effects of the ChCl/carboxylic acid and molar ratio of ChCl∶FA on the structure of the extracted lignin(a), (b): FT-IR spectra
1717 cm-1處吸收峰主要來(lái)自于苯環(huán)側(cè)鏈非共軛酮(脂肪酮)的C=O伸縮振動(dòng),OA、FA、GA、BA和IA為HBD時(shí)峰強(qiáng)度較高,說(shuō)明這些ChCl/羧酸均能促進(jìn)木質(zhì)素側(cè)鏈轉(zhuǎn)化為Cβ酮(可能通過(guò)側(cè)鏈脫水生成)。150 ℃時(shí),所有木質(zhì)素特征峰強(qiáng)度均減弱,說(shuō)明高溫下木質(zhì)素結(jié)構(gòu)被嚴(yán)重破壞。
為了研究木質(zhì)素在預(yù)處理過(guò)程木質(zhì)素的解聚和重聚情況,采用GPC分析了提取木質(zhì)的相對(duì)分子質(zhì)量分布,如圖10(a)和10(b),表1 所示。90 ℃ 時(shí),提高預(yù)處理溫度(120-150 ℃)或者延長(zhǎng)反應(yīng)時(shí)間(8 -16 h),大部分大相對(duì)分子質(zhì)量分子(1000-4000)向小分子平均區(qū)域遷移,小部分向更大相對(duì)分子質(zhì)量區(qū)域遷移(> 4000)。相應(yīng)地,提取木質(zhì)素的平均相對(duì)分子質(zhì)量(Mw)和相對(duì)分子質(zhì)量分布系數(shù)(D)顯著減少,說(shuō)明升溫或延長(zhǎng)反應(yīng)時(shí)間木質(zhì)素主要發(fā)生解聚,但是也會(huì)出現(xiàn)少量重聚現(xiàn)象,為升溫時(shí)木質(zhì)素脫除率減少提供了證據(jù)。ChCl/FA在90 ℃下預(yù)處理16 h,提取木質(zhì)素Mw僅750,相對(duì)分子質(zhì)量分布系數(shù)接近1。然而,預(yù)處理時(shí)間延長(zhǎng),木質(zhì)素重聚越嚴(yán)重,導(dǎo)致相對(duì)分子質(zhì)量分布系數(shù)(D)增大。
表1 不同溫度和處理時(shí)間下木質(zhì)素的GPC分析Table 1 GPC analysis of lignin extracted at different temperatures and treatment times
圖10 預(yù)處理溫度和時(shí)間對(duì)提取木質(zhì)素化學(xué)結(jié)構(gòu)(a),(b)FT-IR 譜圖的影響Figure 10 Effects of pretreatment temperature and time on the chemical structure of extracted lignin (a), (b) FT-IR diagram
為了深入研究ChCl/FA提取木質(zhì)素的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),采用了HSQC NMR對(duì)提取木質(zhì)素進(jìn)行表征,結(jié)果如圖11和表2所示。
楊木磨木木質(zhì)素含氧側(cè)鏈區(qū)(50-90/2.5-6,圖11(a))主要出現(xiàn)甲氧基和三種單元間連接鍵的13C-1H 交聯(lián)信號(hào)(β-O-4、β-β、β-5)。β-O-4為主要連接鍵,數(shù)量為43/100Ar (每100個(gè)苯環(huán)含有43.4個(gè)β-O-4鍵),占所有連接鍵數(shù)量的77.9%。β-O-4主要存在于子結(jié)構(gòu)A中,少量在Cγ-OH乙?;?A 中 (即 A′)(表2)。β-β 和 β-5分別存在于子結(jié)構(gòu)B和C中,β-β和β-5的相對(duì)含量分別為15.4%和6.7%。
ChCl/FA預(yù)處理提取的木質(zhì)素單元間主要連接鍵仍為 β-O-4、β-β 和 β-5(圖11(c)),但總數(shù)量從55.8/100Ar減少至37.1(表2),表明木質(zhì)素在預(yù)處理過(guò)程中發(fā)生了解聚。β-O-4數(shù)量為30.6/100Ar,占所有連接鍵的84.8%,占磨木木質(zhì)素的β-O-4數(shù)量的71%,說(shuō)明β-O-4在ChCl/FA提取過(guò)程中較穩(wěn)定。Aβ′(81.6/4.6)和 Aγ′(63.0/4.36 )處的信號(hào)明顯增強(qiáng),表明部分A子結(jié)構(gòu)Cγ-OH位與甲酸或乙酸發(fā)生酯化反應(yīng)從而轉(zhuǎn)化為A′。162.8/8.2 出現(xiàn)的強(qiáng)烈信號(hào)是由于甲酯結(jié)構(gòu)的C-H共振引起的,證明了甲酯結(jié)構(gòu)的存在。乙酸由半纖維素木糖乙?;舛鴣?lái),脂肪區(qū)21.36/2.0為乙酯結(jié)構(gòu)上甲基的C-H共振信號(hào),該信號(hào)的增強(qiáng)證明了乙酯結(jié)構(gòu)的增多。
表2 木質(zhì)素中的主要連接鍵及結(jié)構(gòu)單元Table 2 Main interlinkages and units in lignin
此外,74.53/6.0 處出現(xiàn)了微弱信號(hào),這是由Ar-HCα-O(O)C-的 Cα-Hα共振引起的,表明子結(jié)構(gòu)A′的Cα-OH也會(huì)發(fā)生酯化反應(yīng)從而轉(zhuǎn)化為A′。預(yù)處理后,40%子結(jié)構(gòu)A酯化轉(zhuǎn)化為A′,3%酯化轉(zhuǎn)化為A。β-β數(shù)量為2.9/100Ar,僅為磨木木質(zhì)素的β-β數(shù)量的23%,表明ChCl/FA預(yù)處理對(duì)子結(jié)構(gòu)B具有良好的解聚效果。β-5數(shù)量無(wú)明顯變化,說(shuō)明子結(jié)構(gòu)C在ChCl/FA預(yù)處理過(guò)程具有高度穩(wěn)定性。芳環(huán)區(qū)(100-135/6-8 ,圖11(b)和 11(d))主要出現(xiàn)G、S和PB單元苯環(huán)的13C-1H交聯(lián)信號(hào),表明楊木木質(zhì)素為G/S/PB型木質(zhì)素,且預(yù)處理后沒(méi)有新的結(jié)構(gòu)單元出現(xiàn)。楊木磨木木質(zhì)素的G/S/PB 比例為 43∶47∶10,而提取木質(zhì)素的 G/S/PB為39∶53∶8,表明,ChCl/FA預(yù)處理過(guò)程中S 單元的穩(wěn)定性更高,G單元和PB單元容易轉(zhuǎn)化或分解。
圖11 MWL = 楊木磨木木質(zhì)素(a), (b)和 DESL = DES 提取木質(zhì)素 (c), (d) HSQC NMR 譜圖Figure 11 HSQC NMR spectra of poplar milled wood lignin=MWL (a), (b) and DES extracted lignin=DESL (c), (d)(a), (c): side chain region; (b), (d): aromatic ring region
核磁結(jié)果表明,ChCl/FA提取的木質(zhì)素單體 S單元含量更高,且β-O-4含量高達(dá)84.8%。
本研究發(fā)現(xiàn),在溫和條件下(90 ℃),氯化膽堿/甲酸中預(yù)處理?xiàng)钅镜哪举|(zhì)素脫除率高于90%,木質(zhì)素提取率和純度高達(dá)63%和90%;半纖維素脫除率為76%。葡萄糖糖苷鍵穩(wěn)定性高,所以纖維素保留率 > 98%,纖維素晶型不變(Iβ型),固體殘?jiān)Y(jié)晶度高達(dá)70%。提取木質(zhì)素平均相對(duì)分子質(zhì)量為1400,相對(duì)分子質(zhì)量分散系數(shù)接近1。提取木質(zhì)素較磨木木質(zhì)素結(jié)構(gòu)較完整,其保留了木質(zhì)纖維素中71%的β-O-4鍵,而且S單元穩(wěn)定性高。提取木質(zhì)素中β-O-4含量高達(dá)84.8%,S單元相對(duì)含量增加。提取木質(zhì)素具有高反應(yīng)活性,有利于后續(xù)解聚為具有高附加價(jià)值的單酚。