醇溶劑提取松木木質素及其結構表征

王東玲，王文錦，彭梓芳，徐瑩，劉建國，王海永，王晨光，張琦，馬隆龍

（1 中國科學院可再生能源重點實驗室，中國科學院廣州能源研究所，廣東廣州510640； 2 廣東省新能源和可再生能源研究開發與應用重點實驗室，廣東廣州510640； 3 中國科學院大學，北京100871）

引 言

化石能源的不可再生以及利用過程中帶來的環境污染問題日益突出，開發可再生新能源是解決能源危機和環保的關鍵點。木質纖維素類生物質廣泛存在于自然界，其價格低廉，是清潔型的可再生能源[1]。木質素作為生物質中的重要組分，其特有的苯環結構，使其具有生產芳香類化學品的巨大潛能[2-3]。從生物質中有效地分離出高品質的木質素，對實現木質素制備酚類化合物具有重要的現實意義[4-5]。

有機溶劑提取法是最常用的木質素提取方法之一，該方法以有機溶劑為反應介質，在一定的溫度下解聚、碎片化后溶出木質素。其反應條件相對溫和，能較好地保留木質素原有結構和官能團[6-8]。有機溶劑提取的木質素結構特征不僅取決于生物質基質，也與提取過程中溶劑的類型與特性、反應溫度與時間等有關[9-11]。加入少量酸或堿作為催化劑可以促進木質纖維素生物質中木質素與碳水化合物的分離，提高木質素的收率。Toledano 等[12]使用乙醇有機溶劑能有效地從生物質中提取木質素，在提取過程中酸性介質的介入可以使木質素形成正碳離子，進一步破壞木質素大分子結構。Brosse等[13]使用甲醇溶液體系提取大麻木質素過程中，加入H2SO4可以進一步增強大麻中木質素的溶解，75%的木質素發生了轉化。

有機溶劑提取過程中，溶劑的類型與特性會影響木質素的溶解效果及其結構和官能團。Luo 等[14]研究了甲醇、丙酮和乙酸三種不同溶劑提取的木質素，掃描電鏡、二維核磁表征結果顯示三種木質素的形貌以及單元結構間的連接鍵呈現出顯著的差異性；甲醇在提取過程中與木質素的Cɑ位羥基發生反應形成了甲氧基，抑制了木質素的縮合反應。Shuai 等[15]在木質素的提取過程中添加甲醛，通過與木質素側鏈羥基形成1,3-二烷結構以防止木質素縮合反應的發生。在眾多有機溶劑中，醇作為供氫溶劑對植物纖維原料中的木質素具有較好的降解、溶出效果。以正丁醇為有機溶劑提取玉米芯，木質素的提取率可達87.1%[16]。乙二醇、甘油等作為多羥基醇，也常用于生物質中木質素的提取與轉化[17-18]。然而，以醇作為溶劑進行木質素提取的研究比較分散，為進一步研究醇類有機溶劑，特別是通過有機醇的碳數和羥基數等特性對木質素提取過程中收率和結構的影響深入理解木質素的結構特點，可為提高木質素解聚產物的選擇性提供理論指導。

本文以廣東省常見的木材類生物質松木粉為原料，利用美國可再生能源實驗室的NREL法[19-20]測定原料中木質素含量；分別選取甲醇[14,21-22]、乙醇[23-25]、正丙醇、乙二醇[26-28]、1,3-丙二醇及1,4-丁二醇[29-31]為反應體系對生物質中的木質素開展提取實驗，選擇乙酸和濃硫酸為催化劑[29]，探究醇溶劑的碳數、羥基數和極性等在提取過程中對木質素收率的影響；并通過SEM、元素分析、GPC 及FT-IR 分析對木質素的外貌形狀、主要官能團及分子量進行測定與表征以研究其結構特點。

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

實驗中采用的原料與試劑：廣東省常見的木材類生物質松木粉；濃硫酸（98%）、葡萄糖（AR，廣州化學試劑廠）；NaOH（AR，天津市科密歐化學試劑有限公司）；D-木糖、阿拉伯糖（AR，上海源聚生物科技有限公司）；冰乙酸、無水乙醇、乙二醇、正丙醇、1,3-丙二醇、1,4-丁二醇（AR，天津市富宇精細化工有限公司）。主要的實驗儀器設備有美國WATERS 2695-1201 型高效液相色譜（HPLC）、北京發恩科貿有限公司D-1型自動蒸汽滅菌鍋、日本YAMOTA 公司FO310C 馬弗爐、安徽省科冪儀器有限公司316 L 100 ml 高溫高壓反應釜、鞏義市予華儀器有限責任公司FD-1C-50冷凍干燥箱。

1.2 實驗過程

使用NREL 法[19-20]測定松木粉中纖維素、半纖維素和木質素等組分的含量。向100 ml 的反應釜中一次加入5.00 g 松木粉，60 ml 溶劑（乙酸4.2 ml，濃硫酸0.2 ml，醇41.7 ml，H2O 13.9 ml），充分混合后，密封反應釜，用氮氣置換反應釜內空氣后，設定反應釜內壓力為1.5 MPa，并設定在40 min內將反應釜的反應溫度調至160℃恒溫反應1 h。反應結束后，待反應釜冷卻至室溫，取出反應釜內的混合物，進行過濾分離。向濾液中加入3～5 倍去離子水，析出木質素沉淀。減壓抽濾分離木質素，并用去離子水將其洗滌至中性。將過濾得到的木質素置于冰箱中冷凍1 h，然后放在冷凍干燥箱中干燥24 h。得到的黃棕色木質素，稱重，利用式(1)計算木質素得率。濾液合并洗滌液中的有機溶劑可通過負壓旋蒸回收再利用。通過SEM、元素分析、GPC、FT-IT 等表征手段對木質素的結構進行分析。

1.3 木質素結構表征

1.3.1 GPC 木質素的分子量使用Agilent 1260 高效液相色譜系統(Agilent 1260 HPLC)和折射率檢測器(RID, Agilent Technologies, Palo Alto, USA)以THF溶液為流動相，流速為1 ml/min 進行GPC 測定。以聚苯乙烯為標準化合物，按狹義外標法計算了分子量(Mn、Mw、Mz)。

1.3.2 元素分析 木質素的元素分析在德國元素分析系統公司制造的Vario EL cube 元素分析儀上進行，測試條件為0.12 MPa He 和0.2 MPa O2氣氛下，在1145℃采用TCD檢測器進行檢測。

1.3.3 SEM 木質素的形貌使用熱場發射（分析型）掃描電鏡表征。在Hitachi S-4800（日立公司）熱場發射掃描電鏡（SEM）進行，操作電壓10 kV。測試前，樣品研磨過200 目篩網(篩孔尺寸大小為0.0750 mm)。測試時，取適量樣品置于導電膠上進行觀察拍照。

1.3.4 NMR 不同木質素的HSQC NMR 光譜在Bruker advance III 400 液體核磁儀上測定，使用D2O作為溶劑。將約30 mg 樣品溶于0.5 ml DMSO-d6中。采集參數如下：f1（13C）頻率為400.15 MHz，f2（1H）頻 率 為100.61 MHz。f1和f2的 譜 寬 分 別 為22137.686 Hz 和4807.693 Hz。f2維度收集到的復合點數為2048 個，循環延遲2 s；f1維度掃描的數量為72 次，時間增量為256 次。1JCH為145 Hz。HSQC NMR 譜圖使用MestReNova 軟件進行分析計算。

2 結果與討論

2.1 不同生物質的組分含量

根據NREL 法[19-20]測定的松木粉中各組分的含量（質量分數）如表1所示。

表1 松木粉的組分分析Table 1 Composition analysis of pine wood powder

從表1組分分析可知，松木粉的纖維素、半纖維素和木質素的含量分別是42.69%、22.60% 和22.93%，灰分含量僅有0.59%，果膠、脂類、色素等可溶性雜質的含量為4.90%，水分為4.89%。

2.2 不同醇溶劑的木質素提取率

在乙酸和硫酸的催化作用下，160℃反應1 h，不同有機溶劑對松木粉木質素的提取得率如表2所示。

表2 松木粉在不同醇溶劑中提取的木質素得率Table 2 Yield of lignin from pine wood extracted with different alcohol solvents

從表2 可以看到，在相同的提取條件下，6 種醇溶劑均能從松木粉中提取木質素且不同醇溶劑提取木質素的得率顯著不同。乙醇、正丙醇、1,3-丙二醇和1,4-丁二醇的木質素提取得率均高于70%，其中，1,4-丁二醇溶劑的木質素提取得率最高，達91.73%，而甲醇和乙二醇溶劑提取的松木木質素的得率偏低，分別為57.87%和36.35%。

對比6 種醇溶劑的化學性質與極性參數[32]可以得到這幾種醇溶劑的極性強弱排序為：乙二醇＞甲醇＞乙醇＞正丙醇；乙二醇＞1,3-丙二醇＞1,4-丁二醇。從不同碳數的有機醇來看，單一羥基數的甲醇、乙醇、正丙醇3 種醇溶劑提取松木木質素的得率隨著極性增強而增大，甲醇提取的木質素得率最低，而正丙醇提取的木質素得率最高。在二元醇溶劑中也呈現了類似的規律，乙二醇溶劑提取的木質素得率最低，而1,4-丁二醇溶劑提取的木質素得率最高。這一結果表明在文中研究的6 種醇溶劑中，隨著醇溶劑的極性減弱，松木木質素的提取得率升高。對比極性參數可查的甲醇、乙醇、乙二醇、正丙醇四種溶劑，乙二醇的極性參數最高、極性最強，木質素提取得率最低。由此可見，醇溶劑的極性對木質素在溶劑中的溶解性有著顯著的影響，且隨著醇溶劑極性的增強，木質素在醇溶劑中溶出效果變差。

李贏等[33]選用乙醇、乙二醇兩種溶劑在其最優條件下提取稻殼中的木質素，乙二醇溶劑提取的木質素收率也低于乙醇中的木質素收率。胡宗瀟[34]選用乙醇和1,4-二氧六環作為溶劑，在同一條件下，在極性更弱的1,4-二氧六環溶劑中的木質素提取得率更高。結論與本文相類似。

對比選用乙醇、乙二醇兩種溶劑，選用正丙醇和1,3-丙二醇兩種極性較弱的相同碳數二元醇作為溶劑提取木質素時所獲得的得率均低于使用一元醇時提取木質素的得率。這可能由于溶劑分子中羥基數的增多增強了醇溶劑的供氫能力，促進了松木木質素在溶劑中的降解/溶解，在酸的作用下使溶液中的木質素進一步發生裂解[35]。

2.3 不同醇溶劑的木質素的GPC分析

探究不同醇溶劑提取得到的松木木質素的分子量分布，結果如表3所示。

表3 在不同醇溶劑中提取的松木木質素的分子量Table 3 Molecular weight of pine lignin extracted with different alcohol solvents

由表3 可知，利用有機溶劑提取得到的木質素的重均分子量（Mw）均在2400 以下，比工業堿木質素[36]的分子量小。甲醇木質素、乙二醇木質素和1,3-丙二醇木質素的重均分子量較小，均低于1700，分別為1339、1283、1695；這三種溶劑木質素所對應的分子量的分散度（PD）也相對較低，均不超過2.50；其中乙二醇木質素分子量的分散度最低，為2.11。正丙醇木質素的重均分子量最大，達到2315，分散度偏高，達3.53。

從所選取的6 種有機醇不同的碳數來看，在一元醇系列中，隨著溶劑碳數的增長、極性的降低，木質素的重均分子量和分散度逐漸增大；在乙二醇、1,3-丙二醇和1,4-丁二醇二元醇系列中也表現出相應的變化規律。同時對比甲醇、乙醇、乙二醇、正丙醇4種溶劑的極性參數，乙二醇的極性最強，該溶劑提取的松木木質素的重均分子量和分散度均最低。這表明木質素的碎片大小受到溶劑極性和碳鏈長短的影響，隨著碳鏈的增長和極性的減弱，木質素碎片增大。以結構小的甲醇為例，在高溫條件下甲醇更易進入木質素大分子的網絡中破壞苯丙烷之間的連接鍵[17]進而易于木質素的提取。對比乙醇和乙二醇提取到的木質素的重均分子量，乙二醇作為溶劑的木質素的重均分子量比乙醇木質素降低了782，且分散度也降低了0.94；正丙醇木質素與1,3-丙二醇木質素的變化規律也與前者類似。這一結果表明利用小分子醇為木質素的提取溶劑時，羥基數的增加可降低木質素的重均分子量。因此，同等碳數的條件下，相比于一元醇，二元醇能更好地將木質素大分子溶解斷裂為小分子量的碎片。這可能是由于天然木質素含有大量的酚羥基，是很好的質子供體，在提取過程中易形成碳正離子；而溶劑分子羥基數的增加增強了醇溶劑的供氫能力，電子受體增多，促進了木質素大分子進一步降解為小分子[37]。

2.4 不同醇溶劑的木質素的元素分析

對不同醇溶劑提取的松木木質素進行C、H、O元素分析，結果如表4所示。

表4可知，6種不同的醇溶劑所提取得到的松木木質素，其C、H、O 元素含量存在規律性變化。從碳鏈長度變化規律看，在一元醇溶劑系列中，C、H 兩種元素的含量隨著碳鏈增長而降低，O 元素則隨著碳鏈增長而增多。相反，二元醇溶劑系列中，隨著碳鏈的增長，C、H 兩種元素的含量增多，O 元素的含量降低。二元醇溶劑提取的木質素中C元素含量比一元醇溶劑提取的木質素低。這表明木質素在二元醇溶劑中能更好地溶解。與二元醇溶劑提取的木質素分子量偏小的結果相一致。其中甲醇木質素的C、H 含量是所有木質素中最高的，可能是大量的甲醇與木質素的Cɑ位羥基發生反應形成了甲氧基，增加了C、H 的含量[14]，因此，木質素的HHV 值偏高，即熱值高。

表4 在不同醇溶劑中提取的松木木質素的元素分析Table 4 Element analysis of pine lignin extracted with different alcohol solvents

2.5 不同醇溶劑的木質素的SEM分析

利用電子掃描顯微鏡對木質素進行了形貌表征，得到電鏡圖如圖1所示。

圖1 的SEM 圖中不同醇溶劑提取的松木木質素的形貌不一，顆粒的形狀以及大小存在顯著的差異。甲醇木質素、乙二醇木質素與1,3-丙二醇木質素三者的形貌特點比較相似，顆粒感明顯，粒徑大小比較相近，呈團簇現象。乙醇木質素是不規則的顆粒，輪廓明顯，顆粒大小相對于前三種木質素較大。正丙醇木質素的顆粒不明顯，呈塊狀。1,4-丁二醇木質素則是規則的球形顆粒且其大小不一。

圖1 不同醇溶劑提取的木質素SEM圖Fig.1 SEM images of lignin extracted with different alcohol solvents

2.6 不同醇溶劑的木質素的NMR分析

為進一步研究不同醇溶劑提取的松木木質素的結構特點，使用NMR 對其進行2D HSQC 表征，如圖2所示。核磁譜圖中測鏈區及芳香環區主要的基本連接結構及結構單元見圖3。連接鍵的信號區域分布在δC/δH50～90/3～5.5，另一個區域δC/δH100～140/6～8 提供了有關甲氧基取代程度，H、S 和G 單元的芳香結構信息。由核磁譜圖可知這幾種有機溶木質素主要由愈創木基、對羥基苯基和羥基肉桂酸基本單元結構組成，其中愈創木基最為豐富；而單元間的連接鍵包括β-O-4鍵、β-β鍵、β-5鍵和β-O-4鍵。根據表5[14,38-39]中官能團的化學位移歸屬，對每種木質素的HSQC譜圖進行了分析。

在δC/δH50～90/3～5.5 區域內，甲醇木質素中β-O-4 的相關信號偏弱，而樹脂醇結構中的β-β 相關信號和苯基香豆滿結構中的β-5 相關信號偏強，表明甲醇溶劑中提取松木木質素過程中β-O-4 鍵發生斷裂。β-O-4結構中乙酰化的Cγ—Hγ(Aγ')中C、H交叉信號位于δC/δH64.0/4.0。

在甲醇木質素的連接鍵區域有個明顯的信號，位于δC/δH58.1/3.2，該信號表明木質素中β-O-4 結構上α 位羥基反應形成了甲氧基結構。Luo 等[14]以甲醇為反應介質提取木質素，甲醇作為親核試劑抑制了在β-O-4的α位形成芐基碳正離子。同時1,3-丙二醇木質素也檢測到β-O-4 結構非乙酰化和乙酰化的Cγ—Hγ(Aγ')中C、H 交叉信號。在乙醇木質素和1,3-丙二醇木質素中可以清晰地觀察到δC/δH60.1/40.0 信號，表明這兩種木質素中含有松柏醇結構。而在正丙醇木質素的核磁譜圖中觀察到了纖維素的信號X5(δC/δH62.8/3.3)，這表明在該溶劑中木質素與纖維素沒有完全分離。1,4-丁二醇木質素中檢測到了R—OCH2CH2CH2CH2OH 的δC/δH60.9/3.3和68.8/3.3。該信號是1,4-丁二醇溶劑與木質素的β-O-4 上的α 位羥基發生縮合反應[40]，進而保護了β-O-4 結構。在δC/δH100～140/6～8 區域內，6 種醇溶劑提取的木質素的核磁結果中，均能找到G 單元和H單元的相關信號。同時還有PCE 結構和FA 結構的相關信號[41-42]。

綜上，6 種有機溶木質素主要包括愈創木基、對羥基苯基、阿魏酸酯和對香豆酸酯4種結構，不同的結構間連接鍵主要以β-O-4、β-β 和β-5 這3 種方式鍵合。甲醇和1,4-丁二醇能與木質素中β-O-4結構上的羥基發生反應形成保護結構，從而可以抑制木質素發生自身縮合。由各有機溶木質素的核磁譜圖可知，溶出過程中，使用甲醇溶劑體系提取木質素可能主要斷裂C—O 鍵。該研究工作進一步揭示了有機溶劑對提取木質素以及木質素結構的影響，為木質素解聚奠定理論基礎。

表5 木質素中二維核磁13C-1H HSQC主要化學位移的歸屬Table 5 Assignment of main 13C-1H cross-signals in the HSQC spectra of the lignin

3 結 論

文中所選用的6 種醇溶劑均能實現松木木質素的提取，在研究的6 種醇溶劑中，溶劑極性的強弱、碳鏈的長短以及羥基數目的多少對木質素的得率均有一定的影響。隨著醇溶劑碳鏈的增長、極性的減弱，木質素的得率呈上升趨勢；隨相同碳數的醇溶劑羥基數目的增多，木質素的得率呈降低趨勢。

醇溶劑提取的木質素，其官能團豐富；不同醇溶劑提取得到的木質素的形貌與粒徑大小不一；木質素的重均分子量、分子量的分散度以及C、H、O 元素含量呈規律性變化。碳鏈較長的醇溶劑提取得到的木質素碎片的分子量較大；同碳數的醇溶劑隨著羥基數目增多，可促進木質素進一步溶解為分子量更小的碎片，即二元醇提取的木質素的分子量比一元醇木質素的分子量要小。一元醇溶劑中，隨碳數的增長，C、H 兩種元素的含量降低，氧元素含量增多；二元醇溶劑提取的木質素中的C、H、O 元素含量的變化規律與一元醇相反。松木木質素中的主要結構單元為愈創木基，6 種醇溶劑提取的木質素單元結構之間的連接鍵方式主要為β-O-4、β-β 和β-5 三種。在采用有機醇溶劑的提取過程中，木質素的三種連接鍵均發生了不同程度的斷裂且碎片化溶解在溶劑中。