劉婧伊, 馬 林, 王春鵬, 儲富祥, 許玉芝

(1.中國林業(yè)科學(xué)研究院 林產(chǎn)化學(xué)工業(yè)研究所;江蘇省生物質(zhì)能源與材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室;國家林業(yè)和草原局林產(chǎn)化學(xué)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室;林木生物質(zhì)低碳高效利用國家工程研究中心,江蘇 南京 210042;2.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)

木質(zhì)素是一類具有復(fù)雜、無規(guī)則、三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的酚類聚合物。隨著國家“雙碳”目標(biāo)的進(jìn)一步明確,木質(zhì)素作為天然芳香化合物的最大可再生來源,因具有易于獲取、高碳含量、高熱穩(wěn)定性[1]等特性而逐漸成為科研工作者關(guān)注的重點(diǎn)。在世界上一些木材資源不那么豐富的地方,秸稈、甘蔗和竹子等非木材植物材料的利用已變得越來越重要[2],其中玉米芯作為一種價(jià)格低廉、來源廣泛的農(nóng)業(yè)副產(chǎn)物,其木質(zhì)素成分在現(xiàn)代工業(yè)中常常得不到有效利用,造成資源浪費(fèi)甚至污染環(huán)境。目前,對玉米芯-木質(zhì)素研究越來越多[3-4]。天然木質(zhì)素具有數(shù)均相對分子質(zhì)量大[5]的特點(diǎn),導(dǎo)致了其較大的空間位阻并降低了反應(yīng)活性。同時(shí),相對分子質(zhì)量分布寬導(dǎo)致其均一性差,難以作為工業(yè)原料加以利用。解聚是一種高效利用木質(zhì)素的重要手段,多種方法[6]均可導(dǎo)致木質(zhì)素中較低鍵能的化學(xué)鍵斷裂從而得到更易利用的低相對分子質(zhì)量產(chǎn)物。超聲波輔助解聚作為一種物理解聚方法具有綠色環(huán)保、實(shí)驗(yàn)條件溫和、能耗低、產(chǎn)物選擇性較高等諸多優(yōu)點(diǎn)[7-8],其空化引起的機(jī)械性斷鍵作用被認(rèn)為是超聲波解聚大分子物質(zhì)的主要機(jī)理之一[9-10]。此外,超聲空化效應(yīng)分解溶劑體系產(chǎn)生羥基自由基和氫自由基[11]也同樣影響木質(zhì)素的解聚過程及效果。常見的超聲波輔助解聚通常是在高溫下直接將木質(zhì)素解聚為單體[12-13]。Du等[14]在310 ℃、磷鎢酸(PTA)/MCM-41做催化劑的條件下,使用超聲波成功將木質(zhì)素解聚為小分子的液體燃料。然而這些方法依舊需要較高的溫度,能耗較高且處理價(jià)格高昂,這與將木質(zhì)素這一廉價(jià)原料進(jìn)行高值化利用的目的相悖。目前,常溫條件下將木質(zhì)素解聚為低聚物的研究還未見報(bào)道。因此,本研究將玉米芯木質(zhì)素在常溫溶劑體系中用超聲波輔助解聚,探討木質(zhì)素常溫超聲波輔助解聚的較優(yōu)工藝以及超聲波對木質(zhì)素結(jié)構(gòu)的影響,以期為玉米芯木質(zhì)素的高效利用提供研究基礎(chǔ)。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 材料與儀器

玉米芯木質(zhì)素,山東圣泉有限公司,烘干至質(zhì)量恒定備用,數(shù)均相對分子質(zhì)量(Mn)3 000,多分散指數(shù)(PDI)2.62;氫氧化鈉、硫酸、鹽酸、甲醇、無水乙醇等均為分析純,國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司;色譜級四氫呋喃(THF)、 2-氯-4,4,5,5-四甲基-1,3,2-二噁磷雜環(huán)(TMDP)、環(huán)己醇、乙酰丙酮鉻,上海麥克林生化科技有限公司。

液晶單頻超聲波清洗儀(40 kHz,0～240 W),深圳市潔盟清洗設(shè)備有限公司;超聲細(xì)胞粉碎儀(20 kHz,20～1 200 W),寧波新芝生物科技股份有限公司;Nicolet is10型傅里葉變換紅外光譜(FT-IR)儀,美國Thermo Fisher Scientific公司;Waters 1525型凝膠滲透色譜(GPC)儀,美國Waters公司; Bruker DRX 500核磁共振波譜(NMR)儀,德國Bruker公司。

1.2 木質(zhì)素的超聲波輔助解聚

取玉米芯木質(zhì)素10 g、溶劑100 mL,在超聲波作用下反應(yīng)2 h。實(shí)驗(yàn)中考察了6種不同的溶劑:甲醇(MeOH)、乙醇(EtOH)、甲醇-水(4∶1,體積比)、乙醇-水(4∶1,體積比)、甲醇-NaOH(4∶1,NaOH溶液中含有NaOH 2%)、甲醇-H2SO4(4∶1,H2SO4溶液中含有H2SO42%)。超聲波處理結(jié)束后,溶劑中含NaOH或H2SO4的樣品用稀鹽酸或NaOH調(diào)節(jié)pH值為7,減壓過濾后透析48 h后干燥,其他樣品直接減壓過濾后干燥。實(shí)驗(yàn)選定甲醇-水作為提取溶劑,考察了在該體系中超聲波功率(60、 150、 240 W)及頻率(20,40 kHz)對產(chǎn)物的影響,然后分別考察了溶劑中甲醇與水的體積比(9∶1、 8∶2、 7∶3、 6∶4),反應(yīng)時(shí)間(1、 2、 3、 4 h),以及木質(zhì)素與溶劑的固液比值(100、 200、 300、 400,g∶L)對木質(zhì)素解聚結(jié)果的影響。

1.3 產(chǎn)物表征

1.3.1GPC分析 利用色譜純THF將樣品配制成5 g/L溶液,經(jīng)0.22 μm孔隙過濾器過濾。流動相為THF溶液,流速為1 mL/min,色譜柱型號為GeneralMixed Org(300 mm×7.8 mm,5 μm),柱溫30 ℃,檢測系統(tǒng)為示差折光檢測器。樣品的相對分子質(zhì)量根據(jù)聚苯乙烯標(biāo)準(zhǔn)物的標(biāo)準(zhǔn)曲線計(jì)算。

1.3.2FT-IR分析 利用傅里葉變換紅外光譜儀以衰減全反射法對樣品進(jìn)行掃描,檢測產(chǎn)物的官能團(tuán)。掃描范圍600～4 000 cm-1,分辨率4 cm-1,掃描次數(shù)32次。

1.3.32D-HSQC NMR測定 稱取40 mg木質(zhì)素溶解在0.5 mL DMSO-d6中,在核磁共振波譜儀上進(jìn)行測定,溫度25 ℃,測試條件:1H和13C維度的譜寬分別為5 000和20 000 Hz,掃描次數(shù)分別7 500和30 000次,1H采集點(diǎn)為1 024個(gè),弛豫時(shí)間為1.5 s[15]。

1.3.431P NMR測定 稱取20 mg左右的木質(zhì)素試樣記錄質(zhì)量,加入100 μL內(nèi)標(biāo)溶液(環(huán)己醇),隨后加入氘代吡啶-氘代氯仿混合液(兩者體積比1.6∶1)500 μL,充分溶解后,加入100 μL松弛劑,充分混合后,加入100 μL磷化試劑TMDP,15 min后測定[16]。

2 結(jié)果與分析

2.1 溶劑體系的選擇

溶劑體系的選擇是提高木質(zhì)素低聚物的產(chǎn)率及有效分離不同相對分子質(zhì)量木質(zhì)素的重要因素[17],木質(zhì)素低聚物的相對分子質(zhì)量用GPC進(jìn)行表征,結(jié)果如表1所示。甲醇溶劑體系中添加堿,樣品數(shù)均相對分子質(zhì)量(Mn)為4 200,不但高于純甲醇溶劑的樣品(Mn=1 200),還高于未解聚的木質(zhì)素(Mn=3 000),這是因?yàn)槟举|(zhì)素在堿作用下發(fā)生了縮合反應(yīng)[18]。甲醇體系中添加酸,樣品Mn=2 600,比未解聚木質(zhì)素低,但比純甲醇溶劑的樣品高出一倍多,這可能是因?yàn)椴糠值拖鄬Ψ肿淤|(zhì)量的低聚木質(zhì)素在酸性條件下無法溶解。在乙醇體系中加入水,木質(zhì)素低聚物的產(chǎn)率從22.1%顯著提高到69%,然而產(chǎn)物的多分散指數(shù)(PDI)也同時(shí)升高到3.88,均一性變差。在甲醇體系中加入水,所得木質(zhì)素低聚物的Mn由1 200降低到600,同時(shí)PDI從2.71下降到1.62,提高了木質(zhì)素低聚物的均一性。因此,選擇甲醇-水作為后續(xù)工藝優(yōu)化實(shí)驗(yàn)的溶劑體系。

表1 不同溶劑體系對木質(zhì)素解聚的影響Table 1 Effects of different solvents on lignin depolymerization

2.2 不同超聲波輔助提取條件對木質(zhì)素解聚的影響

物質(zhì)的質(zhì)點(diǎn)在超聲波中具有極高的運(yùn)動加速度,在介質(zhì)中隨著波動的高速振動和剪切力的作用而降解[9]。為了探究超聲波作用條件是否對木質(zhì)素低聚物的產(chǎn)率及相對分子質(zhì)量有影響,實(shí)驗(yàn)考察了10 g玉米芯木質(zhì)素在MeOH-H2O體系中解聚時(shí)超聲波功率及頻率對產(chǎn)物的影響,結(jié)果如表2所示。在超聲波頻率均為40 kHz時(shí),超聲波功率從60 W增加至240 W,木質(zhì)素低聚物產(chǎn)率從26.9%上升到34.7%,Mn從900下降到600,分布均一性增強(qiáng)。這是因?yàn)楣β实脑黾訉?dǎo)致介質(zhì)獲得的能量增加,更多的鍵在剪切力的作用下斷裂。在同樣的超聲波功率下超聲波頻率由40 kHz降為20 kHz,木質(zhì)素的產(chǎn)率略微下降,這是因?yàn)榻档统暡l率后其能量雖然升高[12],但反應(yīng)介質(zhì)在高能量下溫度急劇上升,造成溶劑的揮發(fā)。根據(jù)結(jié)果,40 kHz、 240 W為最優(yōu)的超聲波作用條件,后續(xù)實(shí)驗(yàn)均在該條件下進(jìn)行。

2.3 不同反應(yīng)條件對超聲波解聚木質(zhì)素的影響

2.3.1甲醇與水的體積比 甲醇與水的比例通過影響溶劑的極性來影響木質(zhì)素低聚物的溶解度[17],進(jìn)而影響低聚木質(zhì)素的產(chǎn)率和效果,因此甲醇在溶劑體系的含量是影響木質(zhì)素解聚的重要因素。甲醇與水的體積比對木質(zhì)素解聚的影響見表3。由表可知,溶劑體系中甲醇比例越高,木質(zhì)素低聚物產(chǎn)量越高,Mn和重均相對分子質(zhì)量(Mw)與分散性也同時(shí)升高。這是因?yàn)楦叻肿幽举|(zhì)素組分在純甲醇中溶解度高于混合溶劑。然而在V(甲醇)/V(水)由8∶2變?yōu)?∶1時(shí),產(chǎn)率僅提升0.6個(gè)百分點(diǎn),Mn升高22.5%,PDI升高18.0%。因此,綜合比較,V(甲醇)/V(水)8∶2更適于木質(zhì)素的超聲波輔助解聚。

表3 不同工藝條件對木質(zhì)素解聚的影響Table 3 Effects of different reaction conditions on lignin depolymerization

2.3.2超聲波處理時(shí)間 過短的超聲波處理時(shí)間使木質(zhì)素不能充分解聚致使產(chǎn)率下降,過長的超聲波處理時(shí)間則會造成能量的浪費(fèi),因此超聲波處理時(shí)間在木質(zhì)素解聚反應(yīng)中同樣重要。其他條件相同時(shí),與超聲波處理1 h相比,超聲波處理2 h產(chǎn)率從25.7%提高到了34.7%,而超聲波處理3 h與4 h的產(chǎn)率僅差5.8%,說明處理時(shí)間為3 h時(shí),大部分木質(zhì)素已解聚完成,為了減少能量浪費(fèi),選擇3 h作為最合適的反應(yīng)時(shí)間。

2.3.3木質(zhì)素固液比 木質(zhì)素的固液比同樣影響解聚效率,反應(yīng)體系中木質(zhì)素固液比過高時(shí),由于溶解度的限制,部分木質(zhì)素低聚物不能充分溶解,造成了木質(zhì)素的浪費(fèi),木質(zhì)素質(zhì)量分?jǐn)?shù)過低時(shí)會造成試劑浪費(fèi),提取成本增加。由表3可知,將木質(zhì)素固液比值(g∶L)從100提高到400會導(dǎo)致木質(zhì)素產(chǎn)率先上升后下降,在200時(shí)達(dá)到最高產(chǎn)率40.2%。產(chǎn)率的上升可能是因?yàn)楣桃罕鹊蜁r(shí)解聚產(chǎn)生的小分子物質(zhì)更多[5],再聚合生成了無法溶解的大分子,木質(zhì)素固液比繼續(xù)增大,但產(chǎn)率下降是因?yàn)楫a(chǎn)生的可溶木質(zhì)素低聚物在溶劑中的濃度達(dá)到了可溶解的上限。綜合比較,選擇木質(zhì)素固液比值200為最佳的木質(zhì)素固液比。

綜上,選擇的工藝條件為V(甲醇)/V(水)4∶1,木質(zhì)素固液比值200(g∶L),反應(yīng)時(shí)間3 h,此條件下,木質(zhì)素低聚物的產(chǎn)率為40.2%,Mn為710,PDI為1.62。

2.4 解聚產(chǎn)物分析

a.玉米芯木質(zhì)素corn cob lignin;b.木質(zhì)素低聚物lignin oligomer圖1 玉米芯木質(zhì)素解聚前后的紅外光譜Fig.1 FT-IR spectra of corn cob lignin before and after depolymerization

2.4.22D-HSQC NMR分析 為進(jìn)一步分析玉米芯木質(zhì)素解聚前后的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和結(jié)構(gòu)單元間連接鍵,本研究對解聚前后的木質(zhì)素進(jìn)行了2D-HSQC核磁分析,其側(cè)鏈區(qū)和芳香環(huán)區(qū)圖譜見圖2。圖中主要信號的歸屬參考文獻(xiàn)[15]。由側(cè)鏈區(qū)譜圖可觀察到β-芳基醚(β-O-4)、苯香豆素(β-5)和樹脂醇(β-β)鍵的普遍存在。解聚后δC/δH84.6/4.35位置的β-O-4信號強(qiáng)度降低,證明了小分子產(chǎn)物的增加是由于超聲波作用下木質(zhì)素大分子中醚鍵的斷裂引起的。

a.木質(zhì)素側(cè)鏈區(qū)side-chain region of lignin;b.木質(zhì)素低聚物側(cè)鏈區(qū) side-chain region of oligomeric lignin;c.木質(zhì)素芳香區(qū)aromatic region of lignin;d.木質(zhì)素低聚物芳香區(qū)aromatic region of lignin圖2 木質(zhì)素解聚前后2D-HSQC圖譜Fig.2 2D-HSQC spectra of corn cob lignin before and after depolymerization

在芳香區(qū)的二維譜圖可觀察到愈創(chuàng)木基(G)和對羥基苯基(H)2種結(jié)構(gòu)單元信號,但木質(zhì)素紫丁香基(S)結(jié)構(gòu)單元的相關(guān)信號并未出現(xiàn),G型結(jié)構(gòu)單元2、 5、 6位的相關(guān)信號在δC/δH110.0/6.76、 115.4/6.63和120.6/6.76位置;H型結(jié)構(gòu)單元3、 5位的相關(guān)信號與G型結(jié)構(gòu)單元5、 6位的相關(guān)信號重合,2、 6位的相關(guān)信號在δC/δH128.0/7.01位置出現(xiàn),說明玉米芯木質(zhì)素中含有愈創(chuàng)木基及對羥基苯基結(jié)構(gòu),紫丁香基結(jié)構(gòu)未檢出。木質(zhì)素低聚物芳香區(qū)相關(guān)信號峰與解聚前基本一致,說明常溫超聲波輔助解聚木質(zhì)素可以有效保留木質(zhì)素的基本結(jié)構(gòu)。

2.4.331P NMR分析 近年來,定量核磁共振31P譜已經(jīng)成為測量木質(zhì)素羥基最有效的方法,可以直接測定木質(zhì)素中脂肪族羥基、酚羥基等的含量[20]。用核磁磷譜分析超聲波輔助解聚前后玉米芯木質(zhì)素的羥基含量,結(jié)果如圖3和表4所示。δ145為內(nèi)標(biāo)環(huán)己醇的信號峰,以其積分作為羥基定量分析的基準(zhǔn)。δ139.5～137和144.3～139.5分別為非縮合型和縮合型酚羥基信號峰,δ148～145為脂肪族羥基信號峰[20-21], 不同羥基及其總羥基的計(jì)算結(jié)果見表4。結(jié)果表明:超聲波輔助解聚產(chǎn)物的脂肪族羥基由解聚前的2.01 mmol/g提高到4.00 mmol/g,縮合型酚羥基由1.72 mmol/g提高到2.54 mmol/g,木質(zhì)素低聚物的總羥基含量明顯高于解聚前的總羥基含量,增加了36.9%,說明在超聲波輔助解聚的過程中發(fā)生了部分醚鍵的斷裂。

a.木質(zhì)素lignin;b.木質(zhì)素低聚物lignin oligomer圖3 木質(zhì)素解聚前后31P NMR圖譜Fig.3 31P NMR spectra of corn cob lignin before and after depolymerization

表4 解聚前后木質(zhì)素中的羥基Table 4 Hydroxyl contents of corn cob lignin before and after depolymerization mmol/g

3 結(jié) 論

以玉米芯木質(zhì)素為原料,采用超聲波輔助解聚制備了相對分子質(zhì)量較為均一的木質(zhì)素低聚物,制備條件:10 g玉米芯木質(zhì)素,甲醇/水(4∶1,體積比)體系,木質(zhì)素與溶劑固液比200∶1(g∶L),超聲波頻率40 kHz, 超聲波功率240 W處理3 h,所得木質(zhì)素低聚物的產(chǎn)率達(dá)到40.2%。GPC分析表明:超聲波可以促使木質(zhì)素解聚,較優(yōu)條件下制得木質(zhì)素低聚物的數(shù)均相對分子質(zhì)量(Mn) 為710,多分散指數(shù)(PDI)為1.62。FT-IR與2D-HSQC NMR的譜圖顯示:木質(zhì)素低聚物較好保留了木質(zhì)素的主要分子結(jié)構(gòu)單元和官能團(tuán);31P NMR定量分析結(jié)果表明:木質(zhì)素解聚后其含總羥基量增加了36.9%。