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。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 原料與試劑

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）。

1.2 DES制備

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。

1.3 DES預(yù)處理?xiàng)钅?/h3>

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

1.4 楊木磨木木質(zhì)素制備和成分分析

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]。

1.5 計(jì)算公式

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：

1.6 掃描電鏡（SEM）、傅里葉變換紅外光譜（FT-IR）、X射線衍射（XRD）分析

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。

1.7 凝膠滲透色譜（GPC）和異核單量子相干核磁共振譜（HSQC NMR）分析

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]。

2 結(jié)果與討論

2.1 DES預(yù)處理對(duì)楊木三組分的脫除效果

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 DES預(yù)處理過(guò)程中三組分的結(jié)構(gòu)演變規(guī)律

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%。

3 結(jié) 論

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。