稻草在LiCl/DMSO中的溶解及再生性能

吳文娟，劉慧君，李博文，閆雪晴，徐 露，謝東甲

（南京林業大學 江蘇省林業資源高效加工利用協同創新中心，江蘇 南京 210037）

研究木質纖維原料化學成分的含量及在細胞壁中的分布有助于對木質纖維原料進行綜合高效的利用，是制訂生產工藝的基本依據，也是實現木纖維生物質增值利用和循環經濟的關鍵[1?2]。木質纖維原料由木質素、纖維素和半纖維素組成，纖維素構成纖維細胞壁的主要框架結構，半纖維素和木質素填充在纖維以及微細纖維之間，其中，木質素又以三維網狀結構鑲嵌在木質纖維原料中。纖維素、半纖維素和木質素彼此通過物理的或化學的鏈接方式構建成一個立體、致密、復雜的網絡結構，該結構具有抵抗外力以及抵抗微生物侵蝕的能力[3?4]。這種多組分的存在以及彼此之間復雜的化學或物理的鏈接，導致木質纖維中各組分不易被分離出來。尤其對于復雜組分的木質纖維，需要借助木質纖維原料的全溶體系，通過不破壞各組分結構、沒有衍生反應，最終將各組分以高得率、高純度分離出來。木質素是研究比較多的纖維原料的化學成分，對木質素的認知一直基于降解后的結構已破壞的木質素，一般也是用分離后的木質素進行諸如核磁共振(NMR)的波譜分析來獲取木質素的結構相關信息，即使固相的木質素NMR也不能給出足夠的結構信息[5?6]。有關木質纖維原料的溶劑近年研究較多[7?10]，氯化鋰/二甲基乙酰胺(LiCl/DMAc)可以溶解纖維素，但不能溶解含有一定木質素的漿料[11?12]，木質素經過衍生反應后卻可以溶解在LiCl/DMAc體系中[13]。在木質纖維原料的溶解方面，木質素是重要的影響因素[14]。氯化鋰/二甲基咪唑(LiCl/DMI)毒性低、熱穩定性好，可用于纖維素的均相反應體系的溶解[15?16]，纖維素的添加量可以高達10%[17?18]，但若換成硫酸鹽針葉材漿料，且漿料中木質素添加量低至2.0%，至少需要2周溶液才能完全澄清[19]。氯化鋰/二甲亞砜(LiCl/DMSO)溶劑體系為高聚物的反應溶劑介質[20?21]，WANG等[22]將LiCl/DMSO用于木質纖維原料的溶解，得到了木質纖維素全溶體系，經水再生后纖維素的結晶度會下降，但木質素的含量及其結構沒有受到影響。LiCl/DMSO既可以用于全面分析木質素組分，也為分離細胞壁中纖維素、半纖維素、木質素提供了一個可能的溶劑體系[23?24]。本研究以非木材稻草(水稻Oryza sativa秸稈)為原料探討稻草在LiCl/DMSO溶劑體系的溶解行為及再生特點，為全面解析稻草原本木質素結構信息提供一個理想可行的全溶溶劑體系，實現對原本木質素的高得率、高純度的分離。

1 材料與方法

1.1 原料

稻草取自日本某農場，原料風干后，選取不帶節的稈、帶節的稈、葉及全稈，手工剪成30～50 mm的草片。草片原料再用Wiley微型粉碎機粉碎，收集40～80目組分，用苯-乙醇溶液(體積比為2∶1)進行脫脂抽提8.0 h，真空干燥后，儲存于廣口瓶中，供分析使用。

1.2 球磨

采用Pulverisette 7微型行星式高能球磨機(Fritsch)進行球磨。在45 mL氧化鋯制的罐子里稱取4.0 g干燥后的脫脂草粉，內裝18只內徑1 cm的氧化鋯圓球，在600 r·min?1條件下進行0.5，1.0 h不同時間的球磨，每運行5 min，休停10 min，以避免設備過熱。球磨草粉經真空干燥后，裝瓶備用。

1.3 LiCl/DMSO 溶劑體系的溶解

配制LiCl/DMSO溶劑體系，其中LiCl質量分數分別為2%、4%、6%、8%。稱取不同球磨時間獲得的草粉，在室溫下按照質量分數為8%添加量在LiCl/DMSO溶劑體系中進行磁力攪拌48.0 h。

1.4 LiCl/DMSO 溶劑體系的再生

LiCl/DMSO溶劑體系處理脫脂原料的流程如圖1所示。球磨稻草粉用質量分數為6% LiCl/DMSO溶劑體系處理，完全溶解后，整個混合體系移入透析袋(孔徑50 ?、直徑28 mm、透過分子量為14 000)，將透析袋浸入去離子水中進行透析，隔4 h換1次水，每次用硝酸銀(AgNO3)溶液檢測透析液中有無氯離子(Clˉ)，直至完全置換出LiCl/DMSO溶劑體系。透析后的物料經冷凍干燥、真空干燥后，得到球磨的再生原料，裝瓶備用。

圖1 經LiCl/DMSO溶劑體系處理后的再生流程Figure 1 Procedure of regeneration by LiCl/DMSO

1.5 分析方法

1.5.1 化學成分測定 木質素、灰分按照文獻[25]的方法測定。纖維素、半纖維素測定參照文獻[26]。

1.5.2 硝基苯氧化 木質素的結構單元通過硝基苯氧化結果來分析[27]。

1.5.3 X射線衍射 纖維結晶指數分析在日本理學Ultima IV組合型多功能水平X射線衍射儀上進行，采用粉末法。結晶指數計算參考文獻[28]。

2 結果與討論

2.1 稻草在 LiCl/DMSO 溶劑體系中的溶解性能

2.1.1 不同球磨時間對稻草的溶解性能的影響 由圖2和圖3所示：隨球磨時間的不同，稻草各部位在LiCl/DMSO溶劑體系中呈現不同的溶解性能。球磨0.5 h時，稻草葉和稈在質量分數為6%LiCl/DMSO溶劑體系中有明顯的混濁，隨著球磨時間的增加，稻草葉、稈在溶劑中溶解得更為透徹，球磨1.0 h時能得到澄清透亮的溶液。木質纖維原料的比表面積大小及化學成分組成對溶解的難易程度影響很大，木質纖維原料的粒徑越小其溶解越容易。相較于球磨，未球磨的40～80目的草粉在LiCl/DMSO溶劑體系中呈混濁狀，靜置片刻會有明顯的固液分層。木質材料纖維細胞的細胞壁結構十分復雜，纖維素、半纖維素和木質素都會阻礙有機離子液體向木質纖維素內部擴散。其中纖維素的結晶區、木質素的三維網絡結構特點、各組分之間的復雜鏈接等使得木質纖維原料不能溶于一般的溶劑中。另外，稻草中灰分含量較高。當球磨時間為1.0 h時，稻草的葉、稈組分可完全溶解在質量分數為6% LiCl/DMSO溶劑體系中。而球磨1.0 h的馬尾松Pinus massoniana原料在質量分數為6% LiCl/DMSO溶劑體系中并不能完全溶解。即使同樣的溶劑體系，山毛櫸Fagus crenata、云杉Picea abies脫脂木粉需要經過球磨處理2.0 h后才能全部溶解[22]。稻草和木材化學成分不同，稻草的木質素含量相對較低，灰分含量相對較高，質地結構相對于木材較為疏松[29]，因此可以在球磨處理較輕的條件下被溶解。稻草各部位都很容易溶于LiCl/DMSO溶劑體系，化學組成的差異性會影響稻草在LiCl/DMSO溶劑體系中的溶解量，稻草葉、稈在質量分數為6% LiCl/DMSO溶劑體系中可溶解的質量百分數達8%。

圖2 稻草葉不同球磨時間下的溶解性能(質量分數為6% LiCl/DMSO)Figure 2 Effect of ball milling time on dissolution of rice leaf in 6%LiCl/DMSO

圖3 稻草稈不同球磨時間下的溶解性能(質量分數為6% LiCl/DMSO)Figure 3 Effect of ball milling time on dissolution of rice stem in 6%LiCl/DMSO

2.1.2 LiCl的質量分數對稻草溶解性能的影響 圖4和圖5為球磨1.0 h的稻草葉、稈在不同質量分數LiCl/DMSO中攪拌48.0 h的溶解性能。木質纖維原料的溶解能力可認為是溶劑對碳水化合物和木質素之間形成的這些錯綜復雜的網絡結構的有效突破。LiCl/DMSO作為復合溶劑，每個溶劑成分在溶解過程發揮各自作用，且又通過協同作用最終溶解目標物。隨著LiCl質量分數的逐步增加，稻草葉、稈溶于LiCl/DMSO溶劑中的溶液透明度越來越高，說明稻草溶解越充分。當LiCl在DMSO中的質量分數達到6%時，稻草葉、稈的溶液已完全透明。在LiCl/DMSO溶劑體系中，Cl?與纖維素分子中羥基上的氫結合，形成氫鍵并破壞纖維素晶格中原有氫鍵網絡[20]，DMSO通過破壞分子間和分子內的氫鍵使微纖絲發生潤脹，隨著LiCl質量分數的逐步增加，Cl?增多，更多的纖維素原有氫鍵被打開，并被阻止重建。球磨1.0 h稻草葉和稈都能溶于質量分數6.0%的LiCl/DMSO溶劑中。在更高的LiCl質量分數下，能溶解的物質的量也高，在質量分數8.0%的LiCl/DMSO溶劑體系中球磨1.0 h稻草葉粉和稈粉的溶解量可達到10%。

圖4 不同LiCl質量分數溶劑體系中稻草葉(球磨1.0 h)的溶解性能Figure 4 Effect of LiCl content on LiCl/DMSO solvent system for leaf(balling time 1.0 h)

圖5 不同LiCl質量分數溶劑體系中稻草稈(球磨1.0 h)的溶解性能Figure 5 Effect of LiCl content in LiCl/DMSO solvent system for stem(balling time 1.0 h)

2.2 稻草LiCl/DMSO溶解體系在水中的再生性能

2.2.1 稻草原料化學成分 由表1可知：與木材的化學組成相比，稻草中半纖維素含量較多，灰分含量高，木質素含量少。稻草的不同部位在化學成分上也有很大的差異，稻草葉中灰分高達212.1 mg·g?1，高于稻草稈，而稈中的高聚糖質量分數要高于葉。木質素在稻草中的分布也不均一，在葉中為168.7 mg·g?1，在稈中146.5 mg·g?1。帶節的莖稈與不帶節莖稈在化學成分上相近；稻草葉在稻草中所占的比例最大，因此，稻草全稈在化學成分上更接近于稻草葉。

表1 稻草原來主要化學成分Table 1 Chemical compositions of extractive free straw samples

2.2.2 球磨稻草再生后的化學成分 稻草經球磨1.0 h，用質量分數為6%LiCl/DMSO溶劑體系處理，并在水中通過透析再生，得到再生稻草樣品。由表2可知：球磨稻草再生原料中的木質素在LiCl/DMSO溶劑體系處理過程中有一定程度的下降，其中，稻草不帶節莖稈和帶節莖稈的木質素和高聚糖的再生能力強于稻草葉和全稈。稻草不同部位對LiCl/DMSO溶劑體系的再生響應不同，酸溶木質素質量分數在LiCl/DMSO溶劑體系溶解再生過程中幾乎沒變化。球磨時間和LiCl/DMSO溶劑體系中LiCl的質量分數對再生原料中木質素質量分數有一定影響。

表2 球磨稻草再生后的主要化學成分Table 2 Chemical compositions of regenerated straw samples with ball milling

從表2可以看出：水再生處理后，稻草4個不同部位木質素留著率為81.0%～86.3%，這個結果與經過相同處理的木粉木質素的留著率是一致的[22]。球磨2.0 h的木粉完全溶于質量分數為6%LiCl/DMSO溶劑體系中，經水再生后，木質素的留著率約85.8%。稻草中更多木質素的溶出可能由于LiCl在DMSO中的溶解度偏大(8%)。另外，木材與非木材的化學組成、化學結構、緊致程度也有所不同。球磨樣品經LiCl/DMSO溶劑體系處理后，高聚糖質量分數沒有明顯變化。稻草不同部位對LiCl/DMSO溶劑體系處理的響應不同，稻草葉中的化學成分溶出相對較多，可能由于稻草稈的結構比較緊密，稻草葉質地疏松，因此稻草葉更易溶解在LiCl/DMSO溶劑體系中。稈和葉中的灰分在溶劑體系中的處理效果也有所不同，經溶劑體系處理后，稈中的灰分為55.6 mg·g?1，溶出約70%，而葉中的灰分為101.0 mg·g?1，幾乎保留了原料中一半的灰分。可見經過LiCl/DMSO溶劑體系處理后，稻草葉中的灰分更易保留。

2.2.3 稻草再生木質素結構單元的變化 球磨時間的長短會影響木質素的結構，一般球磨時間越長，木質素結構被破壞越嚴重[30?31]。木質素是由3種苯丙烷結構的先體通過醚鍵和碳碳鍵聯接而成的具有三維立體結構的天然高分子聚合物。根據芳香核的不同，3種苯丙烷結構分別為愈創木基丙烷、紫丁香基丙烷、對-羥基苯丙烷。針葉材的木質素主要有愈創木基丙烷單元構成，闊葉材木質素主要由愈創木基丙烷和紫丁香基丙烷的結構單元構成，草本植物木質素的結構則包括愈創木基、對羥基苯基及紫丁香基丙烷單元。堿性硝基苯氧化反應一般用于木質素的結構單元分析，未縮合的對羥基苯基、愈創木基和紫丁香基單元在高溫堿性條件下分別氧化為對羥基苯甲醛或酸(H)、香草醛或酸(V)和紫丁香醛或酸(S)。木質素結構中未縮合單元含量越高，意味著木質素的縮合程度就越低。由表3可知：稻草葉中木質素結構未縮合單元的得率為 1.0～1.4 mmol·g?1，稻草稈為 1.3～1.6 mmol·g?1，稻草稈的未縮合單元得率要高于稻草葉，稻草中不同部位的木質素化學結構上有一定差異，其中葉中的木質素縮合程度最高，這與MIN等[32]對玉米Zea mays秸稈木質素結構的研究結果一致。球磨1.0和0.5 h草粉的未縮合單元的氧化結果差異不大，但球磨1.0 h的稻草各部位未縮合單元產物的得率高于未球磨的脫脂原料，經過溶劑體系再生處理后，得率又有所下降。這種再生特征與木粉不同，球磨1.0 h的稻草，機械作用對木質素的結構有一定的影響，機械處理改善了硝基苯氧化的均相性。隨球磨時間的延長，木質素的未縮合單元產物的得率稍有增加，球磨的機械處理會釋放出一定量的愈創木基、對羥基苯基及紫丁香基基本結構單元，導致硝基苯氧化產物的得率在稻草葉中提高了32%，稻草稈中提高了19%。另外球磨也會引起一些高聚物解聚反應[33]，不同于木材原料，稻草原料的木質素結構中還有對-香豆酸和阿魏酸，并通過—O—鍵和酯鍵方式與碳水化合物的結構相鏈接，這是稻草木質素區別于木材的重要特征[34]。因此，相較于紫丁香基單元，在球磨稈中的對羥基苯基、愈創木基就更易于釋放出來，導致球磨原料中S/(V+H)比未球磨脫脂原料要低。球磨1.0 h樣品經LiCl/DMSO溶劑體系處理，再生后，木質素未縮合單元的得率下降不到20%，球磨過程中釋放出來木質素結構單元，會溶于LiCl/DMSO溶劑體系并在再生過程中流失，導致S/(V+H)增加。相比較于稻草稈，稻草葉中的木質素未縮合結構單元更容易在LiCl/DMSO溶劑體系的再生處理過程中流失。

表3 稻草各部位的硝基苯氧化產物的得率及S/(V+H)Table 3 Nitrobenzene oxidation products yields and S/(V+H) molar ratio of rice straw samples

2.2.4 再生處理對纖維素結晶度的影響 由圖6可知：相較于未經處理的原料稻草，球磨1.0 h、經LiCl/DMSO溶劑體系處理再生后原料的衍射曲線其峰形均趨于平坦。由表4可見：葉中纖維素的結晶度由原來的37.8%，經球磨、再生后降低至27.5%，稈則由43.1%降低至26.5%，說明球磨再生處理破壞了原料中纖維素的結晶區，纖維素的聚集態結構遭受了破壞。研究發現：這樣的溶解再生處理可以提高木質纖維原料的酶解效率，與未經處理的原料相比，再生處理使纖維素結晶區遭到破壞，促使酶解過程中有更多的高聚糖降解[35?36]。

圖6 稻草原料和再生稻草原料的X射線衍射圖譜Figure 6 X-ray pattern of original and regenerated rice straw samples with ball milling

表4 稻草原料和再生稻草原料的結晶度Table 4 Crystallinity of original and regenerated rice straw samples with ball milling

3 結論

稻草中稈和葉經球磨1.0 h后均可完全溶解在質量分數為6%的LiCl/DMSO溶劑體系中，溶解的質量分數均達到8%；隨著LiCl質量分數的提高，稻草球磨粉在溶劑體系中的溶解度也隨之提高，球磨的葉和稈在8%LiCl/DMSO溶劑體系中溶解的質量分數都能達到10%。經水再生后，原料中超過80%的木質素得以保留，稈中木質素保留率可達到87.5%；高聚糖的再生能力要稍高于木質素。在所有化學成分中，葉中纖維素、木質素的再生能力最低；葉、稈中灰分的分布、沉積不同，葉中的灰分再生后約50%保留，且再生能力高于稻草稈。

稻草葉中木質素的縮合程度最高，稈中木質素縮合程度最低；葉和稈經球磨后，木質素的縮合程度均降低，機械處理導致更多的對羥基苯基、愈創木基和紫丁香基單元的木質素結構單元被釋放，且稈中以愈創木基和對羥基苯基增加為主。球磨改進了硝基苯氧化環境，反應均相性得到了提高。再生后，各組分縮合程度降低。球磨再生后纖維素結晶區受到一定程度的破壞，結晶度下降。