王敏，程金蘭，李鑫，2，陸晶晶，尹崇鑫，3，戴紅旗

（1 南京林業(yè)大學(xué)江蘇省制漿造紙科學(xué)與技術(shù)重點實驗室，南京林業(yè)大學(xué)江蘇省林業(yè)資源高效加工利用協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇南京 210037； 2 東北林業(yè)大學(xué)，黑龍江哈爾濱 150040； 3 山東世紀(jì)陽光紙業(yè)集團有限公司，山東濰坊 262400）

引 言

木質(zhì)素是由香豆醇（p-coumaryl alcohol，Hunit）、松柏醇（coniferyl alcohol，G-unit）及紫丁香醇（sinapyl alcohol，S-unit）三種不同的苯丙烷基前體，在植物體內(nèi)過氧聚合酶的作用下，首先形成酚氧自由基及其共振碳自由基，進一步通過形成不同β、α-O-4 等芳醚鍵和β 芳醚、5-5、β-5 和β-1 等碳碳鍵，構(gòu)成的具有無定形三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)交聯(lián)大分子。此外，在木質(zhì)素形成過程中，纖維素和半纖維素中活潑羥基結(jié)構(gòu)會進一步地參與進攻木質(zhì)素形成過程中的活潑亞甲基醌、羥基、羰基等位點，形成穩(wěn)定的醚類和酯類共價鍵。另外，考慮到不同木質(zhì)素之間及其與相鄰碳水化合物高分子之間的穩(wěn)定復(fù)雜的氫鍵作用，木質(zhì)素、纖維素和半纖維素等緊密地結(jié)合在一起，構(gòu)成植物體內(nèi)穩(wěn)定的木質(zhì)素纖維素細(xì)胞骨架，使植物細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)對生物和化學(xué)結(jié)構(gòu)作用有天然抵抗性，即生物質(zhì)頑抗性。然而，上述的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的后果就是木質(zhì)纖維素生物質(zhì)各組分間的分離以及后續(xù)精煉轉(zhuǎn)化異常困難。針對后續(xù)木質(zhì)纖維素生物質(zhì)原料進行高效轉(zhuǎn)化需求，首先要進行木質(zhì)纖維素各組分的分離或高效木質(zhì)纖維素的預(yù)處理，通過脫除木質(zhì)素、降解半纖維素等方式破壞木質(zhì)素與半纖維素對纖維素的包裹[1]，提高纖維素的可及度及疏松性，促進天然高分子結(jié)構(gòu)分解成為易被微生物利用的結(jié)構(gòu)，如促進酶與底物的接觸提高后續(xù)酶解效率等[2-3]。截至目前，實現(xiàn)針對木質(zhì)素纖維素中木質(zhì)素與半纖維素移除破壞的預(yù)處理方法已經(jīng)有廣泛的報道，包括酸處理法[4]、堿處理法[5]、有機溶劑處理法[6]、離子液體處理法[7]等，這些方法大都存在需要高溫高壓反應(yīng)條件或生產(chǎn)成本高等問題[8]。因此，如何在溫和條件下實現(xiàn)木質(zhì)纖維素原料中木質(zhì)素和半纖維素的高效移除仍然是一件具有實際應(yīng)用背景意義的挑戰(zhàn)性工作。

助水溶劑是一類在水溶液中能與疏水性有機物相結(jié)合從而增加其溶解度的兩親性化合物[9-10]，代表性的助水溶劑有基于甲苯、二甲苯和異丙苯的烷基苯磺酸鹽、多酚、低烷醇鈉鹽和芳香酸類衍生物，如二甲苯磺酸鈉、異丙苯磺酸鈉、對甲苯磺酸等[11-13]。助水溶劑在藥物制備與化工分離領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。同時，基于助水溶劑分離反應(yīng)條件相對緩和、工藝相對簡單且能耗較低[14-15]，試劑能多次循環(huán)回用、環(huán)境友好，以及將分離廢液稀釋達到最小 助 溶 濃 度（minimum hydrotrope concentration，MHC）后可聚沉得到高分子量的木質(zhì)素的特點，近年來，助水溶劑在高效脫除木質(zhì)素領(lǐng)域的應(yīng)用受到人們關(guān)注。Mou 等[16]比較了助水溶劑二甲苯磺酸鈉與乙醇的組分分離工藝，發(fā)現(xiàn)添加助水溶劑相比于單一有機溶劑具有更高的木質(zhì)素脫除率，后續(xù)針對固體纖維素底物的酶水解產(chǎn)率也更高；Ansari 等[17]通過對比二甲苯磺酸鈉、異丙苯磺酸鈉、正丁基苯磺酸鈉等多種助水溶劑處理甘蔗渣，發(fā)現(xiàn)最高可以脫除近85%的木質(zhì)素；Chen 等[18]發(fā)現(xiàn)在80℃下使用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為80%的酸性助水溶劑TSA 處理楊木粉，表現(xiàn)出比上述鹽基助水溶劑更高的木質(zhì)素脫除效率，20 min 內(nèi)楊木木質(zhì)素的脫除率可達到90%以上。Wang 等[19]進一步研究發(fā)現(xiàn)，使用流動式TSA 組分分離處理過程可以進一步地強化傳統(tǒng)的間歇式處理過程，并且流動式處理過程表現(xiàn)出略高的木質(zhì)素脫除率，并且得到的木質(zhì)素產(chǎn)品中β 芳醚鍵含量高，更有利于后續(xù)制備芳香化學(xué)品單體。此外，Cai等[20]用MA 酸性助水溶劑處理樺木粉，分離得到的木質(zhì)素產(chǎn)品比TSA 處理的縮聚程度低且顏色淺，固體殘渣的酶水解效率高。Zhai等[21]發(fā)現(xiàn)5-磺基水楊酸(5-SSA)在最佳條件下(80%（質(zhì)量）5-SSA 水溶液，110℃,60 min)，木質(zhì)素脫除率為70%。綜上所述，酸性助水溶劑因其高效的木質(zhì)素脫除效果，使其成為了近年來木質(zhì)纖維素組分分離過程研究的熱門手段之一。有關(guān)酸性助水溶劑的脫木質(zhì)素機理，不同的研究團隊給出了不同的模型解釋，相關(guān)的代表性機理模型有：（1）氫鍵輔助溶解模型，助水溶劑與木質(zhì)素之間通過形成氫鍵促使其溶出[21]；（2）酯鍵促進溶解模型，木質(zhì)素活潑羥基與酸性助水溶劑中的有機/無機酸根發(fā)生酯化反應(yīng)促使其溶出[22]。然而，木質(zhì)纖維素預(yù)處理實現(xiàn)木質(zhì)素溶出是一個復(fù)雜綜合的問題，除了上述氫鍵和酯鍵形成的促進因素外，需要更加系統(tǒng)地研究各個實驗變量對于最終脫木質(zhì)素結(jié)果的影響。

助水溶劑與表面活性劑不同，疏水端相對較短，親水/親油平衡值要高得多，因此相比使用表面活性劑促進不溶性溶質(zhì)在水中增溶，助水溶劑中親水結(jié)構(gòu)需要較高的濃度水平[23]，所以文獻中報道的助水溶劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般都維持在50%～80%。助水溶劑分子表面活性溫和，關(guān)于助水溶劑分子如何增強疏水分子在水體系中的溶解度有幾種假設(shè)：（1）助水溶劑分子的自聚集、助水溶劑誘導(dǎo)下的水結(jié)構(gòu)斷裂和助水溶劑-溶質(zhì)復(fù)合物的形成等；（2）在水溶液中，助水溶劑分子的聚集傾向，促進有機溶質(zhì)增溶，助水溶劑自組裝的增溶作用也被廣泛接受[23]。雖然酸性助水溶劑有較好的脫木質(zhì)素效果，但有關(guān)木質(zhì)素的助溶以及聚集機理尚不明確。通過不同酸性助水溶劑的分析比較，可以更好地認(rèn)識酸性助水溶劑的木質(zhì)素助溶機理。

桉木是世界三大速成樹之一，生長快且廣泛存在于我國南方地區(qū)，資源豐富，是我國制漿工業(yè)常用的樹種之一[24]。本研究將考察TSA 和MA 兩種酸性助水溶劑對桉木木質(zhì)纖維素組分分離過程的促進效果，結(jié)合不同酸性助水溶劑組分分離的反應(yīng)歷程、各組分的化學(xué)結(jié)構(gòu)變化、酸性助水溶劑的潤濕作用以及木質(zhì)素聚集體性質(zhì)分析等展開脫木質(zhì)素反應(yīng)機理研究。研究可為桉木等闊葉速生材的酸性助水溶劑組分分離工藝及優(yōu)化分離產(chǎn)物的后續(xù)高值化利用研究提供理論參考，助力實現(xiàn)“雙碳”戰(zhàn)略目標(biāo)。

1 實驗材料和方法

1.1 實驗原料和試劑

1.1.1 實驗原料 本實驗所用的桉木片由江蘇王子制紙有限公司提供，品種為澳洲藍桉，使用前統(tǒng)一剪成火柴桿粗細(xì)。

1.1.2 實驗試劑 對甲苯磺酸，純度≥99.5%，上海凌峰化學(xué)試劑有限公司；馬來酸，純度≥99.0%，國藥集團化學(xué)試劑有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 酸性助水溶劑組分分離實驗 根據(jù)文獻[15]與預(yù)實驗，進行了正交實驗設(shè)計[25]，各參數(shù)水平見表1和表2。

表1 TSA實驗因素設(shè)計Table 1 TSA experiment factors design

表2 MA實驗因素設(shè)計Table 2 MA experiment factors design

實驗步驟：將20.0 g（絕干）桉木片原料和不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的酸性助水溶劑分別油浴加熱到反應(yīng)溫度后，按質(zhì)量比為1∶10 將兩者混合，反應(yīng)在500 ml三口燒瓶中進行，配用冷凝管回流裝置，攪拌并計時，到預(yù)設(shè)反應(yīng)結(jié)束時間后加入200 g去離子水快速冷卻，隨后用布氏漏斗墊化學(xué)快速定量分析濾紙快速過濾，分離得到纖維固體組分與液體組分，纖維固體組分用去離子水洗至中性并收集，密封后冷藏保存。取20 ml 液體組分留樣進行成分分析，其余加水稀釋至MHC 以下，經(jīng)沉淀、離心、透析、冷凍干燥得到酸性助水溶劑木質(zhì)素產(chǎn)品[15]，密封儲存?zhèn)溆谩?/p>

1.2.2 固體組分及原料化學(xué)成分分析 水分測定根據(jù)GB/T 741—1989，灰分測定根據(jù)GB/T 2677.3—1993。苯醇抽提物測定根據(jù)GB/T 10741—1989，木質(zhì)素及糖類組分含量測定根據(jù)NREL/TP-510-42618 標(biāo)準(zhǔn)。其中HPLC 色譜柱為Waters XBridge Amide 3.5 μm(4.6 mm×150 mm)，柱溫固定為35℃，流動相為去離子水和乙腈的混合物，比例為2∶3，流量為0.3 ml/min。

固體組分的得率計算公式如式（1）所示；木質(zhì)素脫除率計算公式如式（2）所示；聚糖的保留率計算公式如式（3）所示。

1.2.3 固體組分纖維形態(tài)分析 將固體纖維組分用纖維標(biāo)準(zhǔn)疏解機疏解分散，將疏解后的固體組分配制成40 mg/L 的纖維懸浮液，利用Morfi Compact型纖維質(zhì)量分析儀進行質(zhì)量分析。取一滴懸浮液于載玻片上，蓋上蓋玻片，用SMZ-168 型光學(xué)顯微鏡觀察分析。

1.2.4 液體組分化學(xué)成分分析 取1 ml 液體組分樣品，用0.3 mol/L 的NaOH 溶液中和至近中性，離心，取上清液用0.22 μm 濾膜過濾后，采用HPLC 檢測液體組分中單糖的含量。色譜條件同1.2.2節(jié)。

1.2.5 濾液中木質(zhì)素聚集態(tài)分析 取1 ml 液體組分樣品，配制梯度濃度樣品，用CR 21 GIII型離心機進行離心，離心加速度為3000g，取上清液用Zetasizer Nano-Zs 型動態(tài)光散射儀進行粒徑分析，每個樣品進行3次循環(huán)測量，取平均值。

1.2.6 紅外光譜分析 纖維固體組分105℃烘至絕干，用粉碎機粉碎后，取過篩分0.125 mm 樣品進行紅外光譜檢測，木質(zhì)素直接用冷凍干燥產(chǎn)品。將樣品與溴化鉀按1∶100 的比例進行混合，研磨均勻并壓片后，采用VERTEX 80V 型傅里葉變換紅外光譜儀進行分析檢測，掃描范圍為4000～400 cm-1，分辨率為4 cm-1，掃描次數(shù)為32次。

1.2.7 二維核磁波譜（2D-HSQC）測定 磨木木質(zhì)素制備[26]：經(jīng)苯醇抽提木粉真空干燥后進行球磨，球磨速度為600 r/min，每次球磨5 min 后暫停10 min，球磨有效時間為5 h。球磨后的木粉用二氧六環(huán)/水（96∶4，體積比）溶劑抽提，重復(fù)3 次。將3 次得到的上清液混合，旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)除去溶劑后得到粗木質(zhì)素。再逐滴加入少量的90%醋酸溶解粗木質(zhì)素，溶解后加入少量水（醋酸體積的10倍）進行磁力攪拌，分離得到木質(zhì)素，多次加水直至醋酸被洗凈，進行冷凍干燥后得到磨木木質(zhì)素。

木質(zhì)素2D-HSQC 測定：稱取60.0 mg 木質(zhì)素樣品溶于0.6 ml 氘代二甲亞砜∶吡啶（4∶1）混合溶劑中，利用AVANCE III HD 型600 MHz 核磁共振譜儀對樣品進行分析。1H 及13C 兩個維度的譜寬分別為9615 Hz 和34710 Hz。1H 維度的采樣點數(shù)為1024，弛豫時間為1.5 s，累加108 次，13C 維度的采樣點數(shù)為256，碳?xì)漶詈铣?shù)為145 Hz，二維核磁數(shù)據(jù)采用Bruker topspin 4.1.3軟件進行分析。

1.2.8 酸性助水溶劑溶液接觸角測定 配制不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的TSA 和MA 溶液，用T200-Auto3 Plus 型光學(xué)接觸角測試儀檢測分析，實驗在室溫下進行，液滴量設(shè)定為40 μl，用聚四氟乙烯平板模擬木質(zhì)素疏水表面，測定助水溶劑在聚四氟乙烯平板表面上的接觸角。

2 結(jié)果與討論

2.1 桉木片原料化學(xué)成分分析

對桉木片原料進行粉碎后，過篩收集0.3～0.45 mm樣品，進行化學(xué)成分分析，結(jié)果見表3。

表3 桉木片原料化學(xué)成分Table 3 Chemical composition of eucalyptus chip material

桉木是典型的闊葉材，原料中灰分、苯醇抽提物等質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低[24]，酸不溶木質(zhì)素質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高，達22.89%，桉木原料中糖類組分主要為葡聚糖和木聚糖，分別為36.54%和14.55%。

2.2 不同酸性助水溶劑組分分離工藝對桉木片化學(xué)組分的影響

用不同的酸性助水溶劑在不同反應(yīng)條件下，對桉木片進行組分分離實驗。分離后的各組分的化學(xué)成分分析結(jié)果見表4，正交實驗極差分析結(jié)果見表5、表6。

由表4可以看出，隨著TSA和MA的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加、溫度升高且時間延長，組分分離后纖維固體組分中的酸不溶木質(zhì)素含量急劇降低，說明酸性助水溶劑對桉木木質(zhì)素脫除效果良好。表5、表6 表明，TSA和MA組分分離的三個因素A（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）、B（反應(yīng)溫度）、C（反應(yīng)時間）中都是第三個水平對木質(zhì)素脫除率的影響最大。其中TSA 的最優(yōu)處理條件為A3B3C3，TSA 實驗極差結(jié)果表明三個因素影響排名為：反應(yīng)溫度＞反應(yīng)時間＞質(zhì)量分?jǐn)?shù)；MA 的最優(yōu)處理條件也是A3B3C3，極差分析發(fā)現(xiàn)三個因素影響排名順序依次為：反應(yīng)時間＞質(zhì)量分?jǐn)?shù)＞反應(yīng)溫度。

表4 分離組分的化學(xué)成分Table 4 Chemical composition of fractions

表5 TSA正交實驗與極差分析Table 5 TSA orthogonal experiment and range analysis

表6 MA正交實驗與極差分析Table 6 MA orthogonal experiment and range analysis

TSA 是一種不具氧化性的有機強酸，質(zhì)量分?jǐn)?shù)和溫度的增加會加速其促進半纖維素的降解[27]，半纖維素降解后主要以單糖的形式存在，在表4 中可以看到，固體組分中木聚糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)越低，液體組分中木糖的質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高。半纖維素的適度降解有利于斷開LCC 鍵連接從而促進木質(zhì)素的溶出與脫除，但是半纖維素過度降解會導(dǎo)致固體組分得率降低。MA 是一種非芳香二羧酸，在低溫下的溶解度較低，酸性弱于TSA，MA 的pKa=1.9，TSA 的pKa=-2.8[28]。MA 反應(yīng)過程與TSA 一樣，隨著反應(yīng)條件加劇，半纖維素降解程度增加，木質(zhì)素脫除率也相應(yīng)增加。為了達到較高的木質(zhì)素脫除效果，又防止半纖維素過度降解，可以適當(dāng)延長反應(yīng)時間。在酸性助水溶劑處理過程中纖維素組分的保留率較高，TSA 處理后的纖維素保留率在98%以上。MA 處理溫度較高，對纖維素有一定的降解，處理后纖維素保留率可以達到90%左右。

2.3 酸性助水溶劑脫木質(zhì)素動力學(xué)與半纖維素降解動力學(xué)

組分分離效率和反應(yīng)劇烈程度密切相關(guān)，通常需要建立反應(yīng)動力學(xué)模型來表征兩者的關(guān)系。木質(zhì)纖維素原料組分分離過程的各組分的溶出主要影響因素有溫度、時間以及化學(xué)品的濃度等。復(fù)合水解因子（combined hydrolysis factor,CHF）[29]與復(fù)合脫木素因子（combined delignification factor，CDF）[30]可以分別表征木聚糖的降解動力學(xué)[31]和木質(zhì)素的脫除動力學(xué)[32-33]，其中CDF 計算公式如式（4）和式（5）所示，CHF計算公式如式（6）和式（7）所示：

式中，C為TSA或MA的濃度，mol/L；R為氣體常數(shù)，8.314 J/（mol·K）；t為反應(yīng)時間，min；T為反應(yīng)溫度，K；E和E′為反應(yīng)活化能，J/mol；α、α′與β、β′為擬合參數(shù)；θ和θ′分別為慢速脫木質(zhì)素系數(shù)和慢速水解木聚糖降解系數(shù)；f為慢速脫木質(zhì)素與快速脫木質(zhì)素的反應(yīng)速率之比；f′為慢速木聚糖降解與快速木聚糖降解的速率之比；θRe和θ′Re分別為殘余木質(zhì)素系數(shù)和殘余木聚糖系數(shù)。根據(jù)表4 中的數(shù)據(jù)，用規(guī)劃求解方法求出式（4）～式（7）中的各參數(shù)值，見表7。為了更好地反映脫木質(zhì)素和半纖維素降解的動力學(xué)，根據(jù)正交分析得到的最優(yōu)條件，補充了TSA 和MA 的A3B3C3 實驗一起進行CDF 和CHF 分析。其中TSA（P55T90t90）的木質(zhì)素脫除率和木聚糖降解率分別為67.99%與84.03%，MA（M70T140t180）的分別為66.31%和86.82%。

表7 式（4）～式（7）擬合參數(shù)Table 7 Fitting parameters for Eqs.（4）—（7）

將所得的擬合各參數(shù)分別代入式（4）和式（6）中，繪制CDF曲線和CHF曲線，見圖1。

將表7 各擬合參數(shù)分別代入式（5）和式（7）中，得到桉木片TSA 和MA 組分分離的CDF 值和CHF值，見表8。

表8 TSA、MA組分分離的CDF和CHF值Table 8 CDF and CHF values of TSA and MA fractionation

圖1四條曲線說明酸性助水溶劑組分分離反應(yīng)存在快速反應(yīng)和慢速反應(yīng)兩個階段，TSA 的CDF 曲線轉(zhuǎn)折點處的反應(yīng)條件和CHF 轉(zhuǎn)折點處的條件相同（P40T80t90，P25T90t90 附近），MA 的CDF 轉(zhuǎn)折點處和CHF 轉(zhuǎn)折點處的條件也相同（M55T120t180，M40T140t180 附近），表明在TSA 和MA 組分分離過程中木質(zhì)素的脫除率與木聚糖降解趨勢一致。說明在酸性助水溶劑體系中木質(zhì)素脫除和半纖維素的降解是同步的，半纖維素的降解有助于木質(zhì)素的脫除。從圖1 中TSA 和MA 的曲線看到理論脫木質(zhì)素率（CDF 曲線）和半纖維素降解程度（CHF 曲線）與實際測得的數(shù)據(jù)吻合度較高，擬合的相關(guān)系數(shù)R2都在0.99 以上，采用的動力學(xué)模型可以較好地反映桉木片原料在TSA 和MA 處理中的反應(yīng)歷程。在同一條曲線上CDF 或CHF 值越大，說明該反應(yīng)條件的反應(yīng)強度越高，在快速反應(yīng)階段反應(yīng)條件比較溫和，酸性助水溶劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)相對較低，或反應(yīng)時間短，或反應(yīng)溫度較低，木質(zhì)素的脫除率隨著反應(yīng)條件的加劇而增加；慢速反應(yīng)階段反應(yīng)比較劇烈，木質(zhì)素的脫除率開始趨于穩(wěn)定，木質(zhì)素在劇烈條件下既可以發(fā)生分子間的縮合又可以發(fā)生分子內(nèi)的縮合，縮合反應(yīng)會導(dǎo)致木質(zhì)素分子量增大，在一定程度上影響木質(zhì)素的溶出[34]。

圖1 TSA[(a),(c)]、MA[(b),(d)]組分分離的CDF、CHF曲線Fig.1 CDF and CHF curves of TSA[(a),(c)]and MA[(b),(d)]

2.4 固體組分纖維形態(tài)分析

纖維固體組分在光學(xué)顯微鏡100 倍圖像如圖2所示；TSA 和MA 處理后纖維固體產(chǎn)物的纖維質(zhì)量分析結(jié)果見表9。

表9 TSA和MA固體組分纖維質(zhì)量分析Table 9 Fiber quality analysis of TSA and MA solid fraction

在反應(yīng)強度較低時，即TSA 的CDF 值小于3000 min·mol/L，MA 的CDF 值小于100 min·mol/L時，固體組分中纖維解離不完全，從圖2中可以看到有未解離的纖維束，此時木質(zhì)素脫除率和半纖維素降解率也都不高（表4）。隨著CDF、CHF 值逐漸增加，木質(zhì)素脫除率和半纖維素降解程度也逐漸增加，當(dāng)增加至曲線轉(zhuǎn)折點附近時，纖維解離較徹底，纖維形態(tài)較完整，平均長度較大，卷曲指數(shù)高，P40T80t90 卷曲指數(shù)為6.4%，M55T120t180 為5.8%，纖維較柔軟。CDF 值進一步增加時，纖維斷裂程度也隨之增加，TSA 超過15000 min·mol/L，MA 超過310 min·mol/L時，雖然木質(zhì)素脫除率高，但是固體組分纖維斷裂嚴(yán)重，很難找到形態(tài)完整的纖維，細(xì)小纖維組分超過50%。要得到形態(tài)完整且分離徹底的纖維固體組分，最好控制在CDF曲線的轉(zhuǎn)折點附近。

圖2 TSA（a）、MA（b）固體組分光學(xué)顯微鏡圖（100倍）Fig.2 Microscope images of the solid fraction of TSA(a)and MA(b)（100倍）

2.5 紅外光譜分析

參考CDF 曲線轉(zhuǎn)折點，分別選取不同CDF 值的TSA、MA 三組反應(yīng)條件的固體組分以及木質(zhì)素樣品進行紅外光譜分析，結(jié)果見圖3、圖4。

圖中3430 cm-1處主要為—OH 伸縮振動，2930 cm-1處為—CH3、—CH2、—CH伸縮振動，1730 cm-1處吸收峰主要為C==O 伸縮振動，1630 cm-1處主要是木質(zhì)素的C==O 引起的伸縮振動，1510 cm-1和1460 cm-1處主要為苯環(huán)骨架振動和—CH2變形振動，1380 cm-1和1320 cm-1主要為纖維素和木質(zhì)素的—CH 彎曲振動，1225 cm-1主要為木質(zhì)素結(jié)構(gòu)C—O 鍵引起的振動，1110 cm-1主要為苯環(huán)內(nèi)—CH伸縮振動，1090 cm-1和1050 cm-1主要為纖維素和半纖維素的C—O—C 和C==O 引起的振動，890 cm-1處主要為β-糖苷鍵振動[35-36]，917 cm-1和873 cm-1處為木質(zhì)素單元的C—H平面外變形振動。從圖3可以看出，與原料相比，不同酸性助水溶劑處理后得到的固體組分主要官能團的吸收峰位置未發(fā)生變化，化學(xué)組成基本相同，沒有發(fā)現(xiàn)新的官能團。圖4 中顯示兩種不同酸性助水溶劑處理的木質(zhì)素主要官能團結(jié)構(gòu)也相同，不同酸性助水溶劑處理對各組分化學(xué)結(jié)構(gòu)的變化影響較小。

圖3 TSA（a）、MA（b）處理后固體組分的紅外光譜圖Fig.3 FTIR spectrum of the solid fraction of TSA(a)and MA(b)

圖4 TSA（a）、MA（b）處理后木質(zhì)素的紅外光譜圖Fig.4 FTIR spectrum of lignin of TSA(a)and MA(b)

2.6 二維核磁（2D-HSQC）譜圖分析

2D13C-1H HSQC NMR 可以確定用13C或1H一維譜圖無法識別的特定碳官能團[37-38]，為了進一步探究酸性助水溶劑木質(zhì)素結(jié)構(gòu)的變化，取2.5 節(jié)中的酸性助水溶劑木質(zhì)素產(chǎn)品進行2D-HSQC 結(jié)構(gòu)表征，并與桉木MWL 進行比較，得到的木質(zhì)素2DHSQC 譜圖見圖5，其中譜圖的側(cè)鏈區(qū)（δC/δH 50～90/2.0～6.0）和芳香區(qū)（δC/δH 90～150/6.0～8.0）的木質(zhì)素主要相關(guān)信號歸屬[39-40]見表10。

表10 木質(zhì)素2D-HSQC信號歸屬Table 10 Assignments of the lignin13C-1H correlation peaks in the 2D-HSQC spectra of lignin

圖5 木質(zhì)素脂肪族和芳香族區(qū)域的2D-HSQC譜圖Fig.5 The aromatic regions(δC/δH 90—150/6.0—8.0)and aliphatic region(δC/δH 50—90/2.0—6.0)of lignin in 2D-HSQC NMR spectra

木質(zhì)素連接鍵的含量用2D-HSQC 進行半定量分析計算[15]，其中總芳香族含量的計算公式為：I(C9)=0.5I(S2/6)+0.5I(S′2/6)+I(G2)+I(G′2)+I(Scon)；連接鍵含量計算公式為：β-O-4=100×I(β-O-4)/I(C9)；β-β=100×I(β-β)/I(C9)；β-5=100×I(β-5)/I(C9)；芳香族相對含 量 計 算 公 式 為：S=100×0.5I(S2/6)/I(C9)；S′=100×0.5I(S′2/6)/I(C9)；G=100×I(G2)/I(C9)；G′ =100×I(G′2)/I(C9)×100；S/G 比值公式為：S/G=(S+S′+Scon)/(G+G′)。木質(zhì)素2D-HSQC 的結(jié)構(gòu)單元及相關(guān)連接方式的半定量分析結(jié)果見表11。

表11 木質(zhì)素結(jié)構(gòu)單元及其比例和連接方式的2D-HSQC半定量分析Table 11 Semi-quantitative analysis of lignin units and ratio and linkages based on 2D-HSQC spectra

木質(zhì)素的側(cè)鏈區(qū)木質(zhì)素結(jié)構(gòu)單元之間的連接方式有：甲氧基、β-O-4 構(gòu)（A）、β-5 結(jié)構(gòu)（B）和β-β結(jié)構(gòu)（C），甲氧基隨著G 或S 結(jié)構(gòu)單元而存在[41]，其中甲氧基信號最強，這是因為甲氧基結(jié)構(gòu)比較穩(wěn)定，具有較強的抗降解性[42]；其次是A 結(jié)構(gòu)的信號，是木質(zhì)素各結(jié)構(gòu)單元之間最主要的連接方式，最后是B 和C 結(jié)構(gòu)。Aɑ、Aβ(G)、Aβ(S)和Aγ信號峰分別在δC/δH 71.5/5.00、δC/δH 83.8/4.48、δC/δH 86.0/4.25、δC/δH 59.9/3.63 處 出 現(xiàn)，桉 木MWL 位 于64.8/4.31（A′γ）處有信號峰，這是由于β-O-4 連接鍵的?；鶎?dǎo)致[26]。當(dāng)TSA 處理條件相對溫和（P40T70t60）時，β-O-4 鍵含量與MWL 接近，溶出的木質(zhì)素的結(jié)構(gòu)變化較小，MA溫和處理（M55T100t120）得到的木質(zhì)素β-O-4鍵含量則有明顯的下降，為31.33%。

隨著CDF 值增加，即反應(yīng)條件的加劇，木質(zhì)素結(jié)構(gòu)中的β-O-4鍵含量下降明顯，在CDF 曲線的轉(zhuǎn)折點附近時，P40T80t90 木質(zhì)素的β-O-4 含量為31.23%，比P40T70t60減少了38%。M55T120t180木質(zhì)素更是只剩下1.53%。處理條件劇烈時，在2DHSQC 譜圖中看不到β-O-4 信號峰，β-O-4 鍵含量為0。β-O-4 結(jié)構(gòu)在木質(zhì)素的溶解和碎解過程中起著重要的作用，因為木質(zhì)素在預(yù)處理反應(yīng)過程中，β-O-4 結(jié)構(gòu)的醚鍵斷開，造成木質(zhì)素大分子的分解。但木質(zhì)素β-O-4 鍵含量越高，越有利于木質(zhì)素產(chǎn)品后續(xù)的高附加值利用[19]，所以能達到相同脫木素率情況下，保留較高含量的β-O-4 鍵的工藝為優(yōu)。其他結(jié)構(gòu)，如β-5（B）、β-β（C）結(jié)構(gòu)含量較低，并且隨著條件劇烈，含量也逐漸減少，說明木質(zhì)素的降解包括芳醚鍵的斷裂和碳碳鍵的斷裂。

當(dāng)CDF值較小時，如TSA弱反應(yīng)條件P40T70t60，木質(zhì)素產(chǎn)品中未發(fā)現(xiàn)希伯特酮（HKγ）信號，而MA弱反 應(yīng) 條 件M55T100t120 處 理 時，在 譜 圖 的δC/δH 67.1/4.19（HKγ）處可以看到有微弱的信號，由于HKγ是β-芳醚鍵的斷裂而產(chǎn)生的，在木質(zhì)素的酸性解聚過程中生成HKγ，隨著CDF 值增加，HKγ信號峰逐漸增大，與前面提到的β-O-4 鍵含量變化相對應(yīng)。希伯特酮作為木質(zhì)素酸解產(chǎn)生的具有活潑羰基分子碎片，可在較高酸性及較高溫度條件下發(fā)生雙分子羥醛縮合反應(yīng)，或者與體系中活潑的碳基結(jié)構(gòu)發(fā)生進一步的縮合，產(chǎn)生更加穩(wěn)定的C—C鍵[43]。

在芳香區(qū)域中，可以觀察到木質(zhì)素中的S 結(jié)構(gòu)單元和G 結(jié)構(gòu)單元的信號峰，木質(zhì)素的S/G 是評價脫木質(zhì)素程度的重要參數(shù)[44-45]。隨著CDF 值增加，TSA 和MA 處理后的木質(zhì)素的S/G 含量逐漸增加，這是因為木質(zhì)素中G 結(jié)構(gòu)單元空間位阻小，更容易發(fā)生反應(yīng)而降解溶出，含量逐漸減小，S 結(jié)構(gòu)單元含量相對增加。MA 處理后G 含量下降更明顯，S/G 值增加更多。反應(yīng)條件越劇烈，縮合的Scon含量越高，TSA 增加了71.74%，MA 增加了81.62%，MA 比TSA縮聚更嚴(yán)重。木質(zhì)素縮合反應(yīng)會導(dǎo)致木質(zhì)素分子量增大，在一定程度上影響木質(zhì)素的溶出。

MA 木質(zhì)素的2D-HSQC 譜圖中，在δC/δH 128.0/6.2和132.9/6.4 處有Eγ(MA)信號，是因為MA 使木質(zhì)素的γ位羥基酯化[20,22]，TSA中沒有酯化的信號峰。

MA處理后的木質(zhì)素產(chǎn)品中的β-O-4鍵、β-β鍵和β-5鍵含量相對TSA的低，但是MA的木質(zhì)素實際脫除率小于TSA，一方面MA 處理的溫度較高，生成的縮合木質(zhì)素含量高，不容易溶出，另一方面，酸性助水溶劑中木質(zhì)素的脫除不僅有化學(xué)反應(yīng)降解使木質(zhì)素變成小分子溶出作用，還有物理潤濕助溶作用對木質(zhì)素的溶解作用，需要兩者結(jié)合進行分析。

2.7 濾液中木質(zhì)素聚集態(tài)分析

與表面活性劑的臨界膠束濃度（critical micelle concentration，CMC）類似，疏水性有機物在酸性助水溶劑中有最小助溶濃度（MHC），CMC 是mmol/L 或更小的量級，酸性助水溶劑的MHC 是mol/L 級別。酸性助水溶劑是兩親性分子[46]，在水溶液中可以形成動態(tài)的、非共價的聚類裝配體，稱為團簇[47]。在疏水化合物木質(zhì)素存在的情況下，這些團簇變得穩(wěn)定，從而形成壽命長、高穩(wěn)定的介觀液滴，即“介觀溶解”現(xiàn)象。這些介觀液滴結(jié)構(gòu)有一個富含疏水性的核心，被一個由水和親水分子組成的氫鍵殼所包圍，這些液滴可穩(wěn)定超過一年[12,48-49]。通過動態(tài)光散射分析，用光散射的光強度即濁度，可以測定溶液的聚集體的粒徑大小。取P55T90t60 和M70T140t120 的液體組分進行濃度梯度稀釋、離心分離后，用動態(tài)光散射測定上清液的粒徑分布，不同酸性助水溶劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)與木質(zhì)素聚集體的平均粒徑關(guān)系見圖6。

圖6 酸性助水溶劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)對木質(zhì)素聚集體的平均粒徑影響Fig.6 The effect of acid hydrotrope concentration on the average particle size of lignin aggregates

TSA 結(jié)構(gòu)上的磺酸基具有很強的親水性，在質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高時形成的木質(zhì)素聚集體，分散性很好，平均粒徑小，在質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于35%時，木質(zhì)素聚集體的平均粒徑小于250 nm，是穩(wěn)定的膠體溶液，很難進行離心分離。隨著質(zhì)量分?jǐn)?shù)減小，木質(zhì)素聚集體粒徑變大，當(dāng)TSA 質(zhì)量分?jǐn)?shù)從15%稀釋至10%時，溶液中木質(zhì)素粒徑迅速從700 nm 增加至2600 nm，可以離心分離，有文獻[18]表明，木質(zhì)素在TSA 中的MHC為11.5%，正好在這區(qū)間，木質(zhì)素聚集性質(zhì)發(fā)生突變。當(dāng)繼續(xù)稀釋至質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%時，聚集體的粒徑增加至3000 nm后，可以進行自然沉降分離。

MA 有兩個羧基，親水性也很強，而且本身分子量較小，所以質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高時，形成的木質(zhì)素聚集體的平均粒徑小，在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為55%時只有38 nm，也是穩(wěn)定的膠體溶液。加水稀釋后木質(zhì)素聚集體的平均粒徑呈線性增長。MA 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為25%時，溶液中木質(zhì)素平均粒徑增加至2000 nm，木質(zhì)素容易離心分離，此時溶液顏色開始變淺，有文獻報道，木質(zhì)素在MA 中溶液的MHC 值為25%[20]。隨著溶液逐漸被稀釋至15%時，木質(zhì)素平均粒徑迅速增加到3000 nm，隨后變化不大。TSA 和MA 對木質(zhì)素而言都是典型的酸性助水溶劑，當(dāng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于MHC值時，木質(zhì)素聚集體不穩(wěn)定，可以使木質(zhì)素快速聚沉。因為MA 的MHC 高于TSA，所以在聚沉木質(zhì)素時MA 比TSA 可以少加稀釋水，后續(xù)助水溶劑回用時可以減少蒸發(fā)量，降低能耗。

2.8 酸性助水溶劑潤濕性能分析

室溫下酸性助水溶劑溶液中的膠束化過程是一個熵主導(dǎo)的過程，與界面的表面張力相關(guān)，本研究用接觸角來表征木質(zhì)素在酸性助水溶劑溶液中表面張力的變化，接觸角是液/氣界面與固體表面之間（包括液體相部分）的夾角θ，通常用來反映液體在固體表面的潤濕程度，是評價溶液對固體潤濕性的重要影響因素[50]。當(dāng)θ＜90°時液體比較容易潤濕固體，其角度越小表明潤濕性越好；當(dāng)θ＞90°時表明液體不容易潤濕固體，液體會在表面發(fā)生移動。聚四氟乙烯表面具有超疏水性，且表面平整，抗酸抗堿、抗各種有機溶劑，性質(zhì)穩(wěn)定，是研究表面活性劑與疏水材料表面潤濕性能的常用材料[51-52]。實驗時發(fā)現(xiàn)聚四氟乙烯可以被助水溶劑潤濕，但不會被助水溶劑溶解，可以用于助水溶劑的潤濕實驗。木質(zhì)素本身不溶于水，具有疏水性，因此用聚四氟乙烯平板進行接觸角測定來模擬疏水木質(zhì)素的固體表面在助水溶劑中的潤濕趨勢。結(jié)果見表12和圖7。

表12 酸性助水溶劑接觸角Table 12 The contact angle of acid hydrotropes

圖7 酸性助水溶劑接觸角照片F(xiàn)ig.7 The contact angle images of acid hydrotropes

從表12 數(shù)據(jù)可知：隨著TSA 與MA 質(zhì)量分?jǐn)?shù)從10%增加至50%，TSA 溶液和MA 溶液的接觸角都有明顯的下降趨勢，說明這兩種酸性助水溶劑對疏水表面有較好的潤濕性[53]，TSA 質(zhì)量分?jǐn)?shù)從10%到20%時，接觸角明顯降低，相應(yīng)的TSA 對木質(zhì)素的MHC 也在此范圍，為11.5%，超過11.5%后對木質(zhì)素有較好的潤濕性能，可以將木質(zhì)素從原料中溶出。當(dāng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加至40%～50%時，兩者溶液接觸角變化不明顯，潤濕性能趨于穩(wěn)定，相應(yīng)的，木質(zhì)素聚集體的平均粒徑在此范圍時變化不明顯。對于MA來說，質(zhì)量分?jǐn)?shù)從10%增加到20%時，接觸角基本沒有變化，再進一步增加到30%時，接觸角開始降低，從30%到40%降低較明顯，40%增加到50%時，接觸角略有降低。同樣，MA 的木質(zhì)素聚集態(tài)曲線中，也反映出相近的趨勢，MA 對木質(zhì)素的MHC 較TSA 的高，為25%，MA 質(zhì)量分?jǐn)?shù)從20%到45%時，木質(zhì)素聚集體的平均粒徑降低明顯，幾乎呈線性。所以用聚四氟乙烯平板表面模擬木質(zhì)素的潤濕趨勢是合理可行的。酸性助水溶劑的潤濕性能有助于木質(zhì)素的溶出，當(dāng)其質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于MHC 時，可以使木質(zhì)素從原料中溶出，酸性助水溶劑組分分離的反應(yīng)濃度必須大于MHC，在室溫下，40%～50%的酸性助水溶劑擁有很好的潤濕性能，所以此時木質(zhì)素的脫除效果更好，與表4 木質(zhì)素脫除率結(jié)果一致，TSA 溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)在40%時，木質(zhì)素脫除率達到31.30%，相比質(zhì)量分?jǐn)?shù)為25%時木質(zhì)素脫除率增加了近22%。在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%～50%范圍內(nèi)，相同質(zhì)量分?jǐn)?shù)下，TSA 的接觸角都小于MA 的，即TSA 的潤濕性能更好。從結(jié)構(gòu)上來看，TSA 的疏水端含有苯環(huán)，木質(zhì)素的結(jié)構(gòu)中也含有苯環(huán)，兩者結(jié)構(gòu)相近，親和力高，相似相溶，而MA的疏水端結(jié)構(gòu)為丁烯基，親和力相對較小，所以TSA對木質(zhì)素的潤濕能力更高，脫除木質(zhì)素效果更好，從表4中數(shù)據(jù)可知，MA在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為55%、反應(yīng)溫度和反應(yīng)時間為100℃和120 min 時，木質(zhì)素脫除率為24.01%，而TSA 在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為55%、反應(yīng)溫度和反應(yīng)時間為80℃和30 min時，木質(zhì)素脫除率為47.80%，脫除了近一半的木質(zhì)素。

綜上所述，分析推測酸性助水溶劑組分分離脫除木質(zhì)素的機理如圖8 所示：脫除木質(zhì)素反應(yīng)分為快速反應(yīng)和慢速反應(yīng)兩個階段，酸性助水溶劑對木質(zhì)纖維素具有潤濕性能，酸性助水溶劑分子先吸附在細(xì)胞壁表面，小部分通過細(xì)胞腔縱向直接進入細(xì)胞內(nèi)，水化并溶解部分表面木質(zhì)素，此階段屬于快速反應(yīng)階段，木質(zhì)素溶出量較少，酸性助水溶劑的潤濕性能越好，溶出的木質(zhì)素越多；部分木質(zhì)素在酸性助水溶劑的作用下，會發(fā)生醚鍵斷裂等化學(xué)反應(yīng)變成小分子溶出，在溶出木質(zhì)素的過程中，同時伴隨半纖維素的降解，木質(zhì)素-碳水化合物復(fù)合體（lignin-carbohydrate complex, LCC）的切斷，使木質(zhì)纖維素網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)松散，比表面積增大，有更多的酸性助水溶劑分子與木質(zhì)素接觸，促進木質(zhì)素的進一步溶出，隨著酸性助水溶劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)、反應(yīng)溫度和時間增加，半纖維素降解程度增加，木質(zhì)素脫除率也相應(yīng)增加，進一步脫除內(nèi)部木質(zhì)素，此階段為慢速反應(yīng)階段，當(dāng)反應(yīng)條件進一步增強時，木質(zhì)素的縮合程度也會大大增加，影響木質(zhì)素進一步溶出，木質(zhì)素脫除率維持穩(wěn)定。脫除的木質(zhì)素在酸性助水溶劑溶液中形成穩(wěn)定的小聚集體，當(dāng)稀釋到MHC 以下時，木質(zhì)素聚集體失穩(wěn)聚沉而析出，固液分離后的酸性助水溶劑結(jié)構(gòu)沒有發(fā)生變化，蒸發(fā)部分水分后可以再次回用。組分分離后得到的固體組分主要成分為纖維素與部分半纖維素，纖維得到解離。

3 結(jié) 論

以桉木片作為研究對象，用兩種酸性助水溶劑（TSA、MA）在不同工藝條件下進行組分分離，對各組分的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)進行分析，主要結(jié)論如下。

（1）TSA和MA兩種酸性助水溶劑都可以高效脫除木質(zhì)素，木質(zhì)素脫除率都隨著反應(yīng)條件的加劇而增加，在相同反應(yīng)條件下TSA 木質(zhì)素脫除率比MA高；達到同等脫木質(zhì)素率時TSA 反應(yīng)溫度低于MA，可以降低能耗。TSA反應(yīng)中的最大影響因素是反應(yīng)溫度，而MA反應(yīng)中的最大影響因素是反應(yīng)時間。

（2）酸性助水溶劑脫除木質(zhì)素分為快速反應(yīng)階段和慢速反應(yīng)階段，快速反應(yīng)階段主要為表面木質(zhì)素的脫除，慢速反應(yīng)階段為內(nèi)部木質(zhì)素的脫除。對酸性助水溶劑來說，CDF 曲線和CHF 曲線的轉(zhuǎn)折點處的反應(yīng)條件一致，部分半纖維素的降解有利于木質(zhì)素的進一步脫除，但得率和纖維品質(zhì)下降。CDF曲線與CHF曲線轉(zhuǎn)折點附近固體組分中的纖維解離徹底，纖維長度高且柔軟，TSA得到的纖維質(zhì)量優(yōu)于MA。

（3）2D-HSQC 研究表明，酸性助水溶劑會使木質(zhì)素結(jié)構(gòu)中的醚鍵等發(fā)生斷裂，變成小分子木質(zhì)素溶出，隨著CDF 值增加，反應(yīng)劇烈程度增加，醚鍵斷裂程度增加，木質(zhì)素脫除率增加。但反應(yīng)過于劇烈時，木質(zhì)素縮合加劇，木質(zhì)素脫除率不再增加。MA處理的溫度較高，木質(zhì)素芳醚鍵等含量下降速度比TSA 快，但木質(zhì)素脫除率低于TSA，MA 處理中還伴隨有γ位羥基酯化反應(yīng)。

（4）酸性助水溶劑對木質(zhì)素的脫除過程中既有芳醚鍵等斷裂，又有半纖維素的降解作用，同時還有物理潤濕溶解作用。在相同質(zhì)量分?jǐn)?shù)下，TSA 的接觸角小于MA，對木質(zhì)素的潤濕性能更好，有利于木質(zhì)素的溶解脫除。但TSA 的MHC 小于MA，聚沉木質(zhì)素產(chǎn)品時需要更多的稀釋水。