兩相水合熔鹽體系中雜交狼尾草水解制備糠醛和乙酰丙酸

庫 松, 譚雪松, 李潤東, 莊新姝*, 袁振宏,3

(1.沈陽航空航天大學(xué) 能源與環(huán)境學(xué)院, 遼寧省清潔能源重點實驗室, 遼寧 沈陽 110136；2.中國科學(xué)院 廣州能源研究所，中科院可再生能源重點實驗室，廣東 廣州 510640；3.生物質(zhì)能源河南省協(xié)同創(chuàng)新中心，河南 鄭州 450002)

木質(zhì)纖維素類生物質(zhì)是地球上儲量最為豐富的一種生物質(zhì)資源[1]，包括農(nóng)林廢棄物(玉米秸稈、稻稈、木屑等)及能源作物(狼尾草、柳枝稷等)等，其主要組分包括纖維素、半纖維素和木質(zhì)素。因化石能源的不可持續(xù)性和環(huán)保要求，利用可再生的木質(zhì)纖維素類生物質(zhì)生產(chǎn)高附加值平臺化合物已經(jīng)成為研究熱點。雜交狼尾草是一種高稈暖季型多年生草本植物，具有產(chǎn)量高、抗逆性強、品質(zhì)優(yōu)良、對土壤要求較低、耐高溫和供草期長的特點，近年來被用作能源類作物廣泛種植[2-6]。糠醛(FF)是一種重要的化學(xué)品，廣泛應(yīng)用于合成橡膠、樹脂、醫(yī)藥和農(nóng)藥等領(lǐng)域。乙酰丙酸(LA)是美國能源部認(rèn)定的12種最具競爭力的生物質(zhì)基平臺化合物之一，能進一步轉(zhuǎn)化為γ-戊內(nèi)酯、2-甲基-四氫呋喃等[7]。

木質(zhì)纖維素類生物質(zhì)原料中的纖維素可先水解為己糖(主要為葡萄糖)，然后繼續(xù)降解為5-羥甲基糠醛(HMF),在酸存在條件下，HMF開環(huán)分解為甲酸和乙酰丙酸[8]；而半纖維素則先水解為戊糖(主要為木糖)，然后戊糖經(jīng)催化脫水得到糠醛[9]。然而，糠醛和乙酰丙酸如同時制備則難以分離。而由有機相和水相構(gòu)成的兩相體系可實現(xiàn)2種產(chǎn)物在反應(yīng)時的高效分離，從而解決糠醛和乙酰丙酸同時制備時難以同時高效分離的難題。Choudhary等[10]在水/甲苯體系中以HCl和CrCl3共催化木糖水解，獲得了76%的糠醛得率。Zuo等[11]研究了用磺化氯甲基聚苯乙烯固體酸催化纖維素轉(zhuǎn)化為乙酰丙酸，以γ-戊內(nèi)酯和水(質(zhì)量比9 ∶1)作為溶劑，溫度170 ℃，反應(yīng)10 h，乙酰丙酸最高得率達到65.5%。Lappalainen等[12]采用水-甲苯兩相體系催化硫酸預(yù)處理后的松木屑轉(zhuǎn)化為糠醛和乙酰丙酸，AlCl3為附加催化劑，松木屑研磨6 h、微波加熱180 ℃、30 min可獲得乙酰丙酸最高得率為38%；研磨4 h、微波180 ℃、20 min可得到最高糠醛得率85%。另外，兩相體系還可以有效提升產(chǎn)物產(chǎn)率、縮短工藝流程，節(jié)約生產(chǎn)成本。

水合熔鹽作為一種新型的類離子液體綠色溶劑，具備一定的路易斯酸特性，在高濃度金屬鹽和無機酸催化劑協(xié)同作用下，可以有效降低反應(yīng)所需能量和酸添加量[13]。選擇一種高沸點有機溶劑作為萃取相，可以在反應(yīng)進行時不斷分離且保護糠醛，使糠醛在更高溫度下溶解于萃取相而不被降解，同時乙酰丙酸在高溫下生成，保證糠醛和乙酰丙酸的同時合成與積累。反應(yīng)完成后，糖類和酸類產(chǎn)物溶解在水相中，醛類產(chǎn)物主要在有機相中，有機相、水相、木質(zhì)素殘渣較易實現(xiàn)有效分離；醛、酸產(chǎn)物進一步分離后的水相和有機相回收再利用，可減少溶劑成本。因此，為減少色素、油脂等提取物對反應(yīng)的影響，本研究以抽提后的雜交狼尾草為原料，選取高糠醛、低乙酰丙酸萃取率的高沸點鄰苯二甲酸二乙酯為溶劑，構(gòu)建兩相溴化鋰水合熔鹽體系，考察溫度、酸濃度、反應(yīng)時間、有機相體積等條件對糠醛、乙酰丙酸得率的影響，以期為同步制備醛、酸提供借鑒。

1 材料與方法

1.1 材料和試劑

雜交狼尾草，2019年6月采自廣東省廣州市增城試驗基地，經(jīng)自然干燥后將其切割成3～4 cm的小段，在粉碎機中粉碎約2 min，置于105 ℃烘箱中烘干至質(zhì)量恒定，篩取250～425 μm原料放在自封袋中保存?zhèn)溆谩?/p>

糠醛(FF)、乙酰丙酸(LA)、環(huán)戊基甲醚(CPME)、5-羥甲基糠醛(HMF)、甲苯(TL)、甲基異丁基甲酮(MIBK)、鄰苯二甲酸二乙酯(DPA)和溴化鋰，均為分析純，購于上海麥克林生化科技有限公司。

1.2 雜交狼尾草的抽提預(yù)處理

為減少反應(yīng)副產(chǎn)物的生成，采用索氏抽提法去除雜交狼尾草中的色素、油脂和部分水溶性物質(zhì)，具體如下：將5 g絕干雜交狼尾草用濾紙包裹放入索氏抽提器，依次用甲苯-乙醇、無水乙醇、去離子水抽提24 h以上至回流管中液體無色為止，得到抽提后的雜交狼尾草，置于真空干燥箱中烘干至質(zhì)量恒定后備用。

1.3 糠醛和乙酰丙酸在有機溶劑中的分配系數(shù)分析

配制糠醛和乙酰丙酸的1.5 g/mL溴化鋰溶液(糠醛0.005 g/mL，乙酰丙酸0.005 g/mL)，向配制好的標(biāo)準(zhǔn)溶液中分別加入與溴化鋰水合熔鹽溶液等體積的萃取劑(環(huán)戊基甲醚、甲苯、甲基異丁基甲酮、鄰苯二甲酸二乙酯)，在室溫下加入磁力轉(zhuǎn)子攪拌60 min混合，靜置分層24 h后得到萃取相(富含糠醛)和萃余相(富含乙酰丙酸)；萃取相和萃余相分別用無水乙醇和去離子水稀釋至體積為原體積6倍后進入高效液相色譜(HPLC)儀分析，計算得到萃取相和萃余相中的糠醛和乙酰丙酸質(zhì)量，二者在兩相系統(tǒng)中的分配系數(shù)計算公式如下：

1.4 糠醛和乙酰丙酸的制備

分別在100 mL質(zhì)量濃度1.5 g/mL溴化鋰溶液中加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)98%硫酸0.5、 1.0、 1.5和2.0 g，制得硫酸濃度為0.05、 0.10、 0.15和0.20 mol/L的酸性溴化鋰溶液。

分別取1 g抽提后的雜交狼尾草置于150 mL耐壓瓶中，加入不同濃度的酸性溴化鋰溶液20 mL，然后按照酸性溴化鋰溶液與有機溶劑的不同體積比(即水油體積比)向耐壓瓶中加入有機溶劑DPA，耐壓瓶中加入磁力轉(zhuǎn)子并擰緊瓶蓋。油浴鍋設(shè)定轉(zhuǎn)速為600 r/min，升溫至指定溫度后將密封耐壓瓶放入，開始計時，到達120 min取出耐壓瓶，置于冰水中快速冷卻至室溫后取出。將耐壓瓶中的反應(yīng)物置于100 mL G3漏斗中真空抽濾，濾液分離至離心管，濾渣被截留在砂芯漏斗中。濾液經(jīng)高速離心機4 500 r/min離心10 min后分別得到上層有機相和下層溴化鋰水合熔鹽相；濾渣先后用50 mL無水乙醇和50 mL 60 ℃去離子水抽濾清洗，重復(fù)操作3次，清洗后的濾渣于105 ℃烘干至質(zhì)量恒定后進行成分分析，每組反應(yīng)重復(fù)3次。

實驗過程中研究了硫酸濃度(0～0.20 mol/L)，酸性溴化鋰溶液與有機溶劑的體積比即水油體積比(4 ∶0、 3 ∶1、 2 ∶2和1 ∶3)，反應(yīng)溫度(100～180 ℃)和反應(yīng)時間(0～240 min)對產(chǎn)物得率的影響。

1.5 產(chǎn)物的分析

1.5.1化學(xué)組分分析 原料及抽提預(yù)處理后的雜交狼尾草的化學(xué)組成均參考美國可再生能源實驗室標(biāo)準(zhǔn)[14]測定。

1.5.2HPLC分析 采用Waters 2498高效液相色譜儀進行測定。將上層有機相用無水乙醇稀釋、下層水合熔鹽相用去離子水分別稀釋至體積為原體積的6倍后測定并計算葡萄糖、木糖、糠醛、5-羥甲基糠醛和乙酰丙酸的含量。測定條件為：Shodex sugar SH-1011色譜柱(300 mm×8 mm，6 μm)，柱溫50 ℃，以 0.005 mol/L H2SO4為流動相，流量 0.5 mL/min，UV-RI和RI 檢測器，溫度為 50 ℃。

1.5.3產(chǎn)物得率的計算 以抽提后的雜交狼尾草中半纖維素水解所得戊糖理論物質(zhì)的量為基準(zhǔn)計算木糖(戊糖)和糠醛得率，以纖維素水解所得己糖理論量為基準(zhǔn)計算葡萄糖(己糖)、5-羥甲基糠醛和乙酰丙酸的得率，產(chǎn)物得率計算公式如下：

Y=n/n0× 100%

(1)

式中：Y—產(chǎn)物得率，%；n—HPLC檢測到的兩相中某種產(chǎn)物的物質(zhì)的量，mol；n0—抽提后的雜交狼尾草中半纖維素(纖維素)水解所得戊糖(己糖)理論物質(zhì)的量，mol。

2 結(jié)果與討論

2.1 化學(xué)組分分析

雜交狼尾草原料組成：纖維素42.31%、半纖維素25.52%、酸不溶木質(zhì)素18.31%和灰分3.83%。經(jīng)甲苯-乙醇(體積比2 ∶1)抽提后，雜交狼尾草質(zhì)量減少8.37%，組成為纖維素45.28%、半纖維素27.52%、酸不溶木質(zhì)素19.58%和灰分2.65%，由數(shù)據(jù)可知抽提處理使雜交狼尾草中纖維素、半纖維素、酸不溶木質(zhì)素三要素組分在原料中相對含量增加，可有效減少后續(xù)反應(yīng)中副產(chǎn)物的生成。

2.2 兩相中有機溶劑的選擇

為選擇合適的有機溶劑，比較鄰苯二甲酸二乙酯等常見有機溶劑在兩相體系中對糠醛和乙酰丙酸的萃取性能，結(jié)果見表1。由表1可知，MIBK對糠醛和乙酰丙酸都具有較好的萃取性能，因而對二者的分離不利。DPA的糠醛萃取性能優(yōu)于CPME和TL，對乙酰丙酸的萃取率高于CPME和TL，但其安全性和經(jīng)濟性均好于二者，因此選擇DPA作為兩相萃取溶劑。

表1 糠醛和乙酰丙酸在不同有機溶劑中的分配系數(shù)

2.3 反應(yīng)條件對糠醛和乙酰丙酸產(chǎn)率的影響

2.3.1反應(yīng)溫度 在1 g抽提后的雜交狼尾草中加入20 mL酸性溴化鋰溶液，反應(yīng)時間60 min、硫酸濃度為0.05 mol/L，水油體積比為1 ∶1條件下，按1.4節(jié)操作，考察反應(yīng)溫度對產(chǎn)物糠醛和乙酰丙酸得率的影響，結(jié)果如圖1(a)所示。

由圖可知，雜交狼尾草中纖維素和半纖維素的轉(zhuǎn)化過程可分為3個階段：1) 100～120 ℃，體系中木糖水解為糠醛并迅速積累至44.11%，此時乙酰丙酸沒有生成；2) 120～140 ℃，木聚糖濃度的降低導(dǎo)致糠醛生成速度放緩，糠醛得率為54.90%，此階段乙酰丙酸開始生成，得率為3.60%；3) 140～180 ℃，糠醛得率逐步趨于穩(wěn)定且有開始下降的趨勢，160 ℃時糠醛得率達到最高點為59.29%，而乙酰丙酸則隨著溫度的增加不斷積累，180 ℃時得率為11.87%，在整個升溫過程中，5-羥甲基糠醛作為中間產(chǎn)物未出現(xiàn)明顯積累，而葡萄糖和木糖得率不斷降低，逐漸水解完全產(chǎn)生乙酰丙酸和糠醛等產(chǎn)物。

由此可見,第一階段，100～120 ℃，大部分的半纖維素已經(jīng)完全水解糖化成木糖，并繼續(xù)脫水生成糠醛，糠醛在這一階段迅速積累；第二階段，120～140 ℃，由于第一階段木糖的大量消耗，導(dǎo)致糠醛生成速度逐漸放緩，160 ℃時糠醛得率達到最高值；第三階段，140～180 ℃，大部分可轉(zhuǎn)化的木糖消耗殆盡，溫度的升高導(dǎo)致糠醛繼續(xù)分解，使糠醛得率下降。由本研究結(jié)果可知，在兩相水合熔鹽體系中，水解抽提后的雜交狼尾草160 ℃時可取得較高的糠醛得率。而乙酰丙酸生成和積累所需的能量高于糠醛，在逐漸升溫至180 ℃的過程中，乙酰丙酸得率均體現(xiàn)出正相關(guān)的趨勢。考慮到產(chǎn)物得率及能耗的影響，選擇160 ℃作為同步產(chǎn)糠醛和乙酰丙酸的較佳溫度。

2.3.2硫酸濃度 在雜交狼尾草水解過程中，除了溴化鋰水合熔鹽本身電離以及水合離子極化作用形成的質(zhì)子酸的酸性以外，外加無機酸作為催化劑，兩者存在一定的協(xié)同作用[15]，可共同為纖維素和半纖維素的水解和脫水提供酸性環(huán)境。在溴化鋰水合熔鹽體系中，一方面，無外加無機酸環(huán)境下，纖維素水解效率較低，初始無機酸濃度的增加可以有效提高水解效率[16]，然而濃酸的腐蝕性較強，采用濃酸水解時必然對設(shè)備材質(zhì)要求很高；另一方面，從經(jīng)濟性考慮濃酸必須進行回收，濃酸的分離和再濃縮也會增加工藝的復(fù)雜程度。因此，本研究在1 g抽提后的狼尾草中加入20 mL酸性溴化鋰溶液，反應(yīng)溫度160 ℃，反應(yīng)時間60 min，水油體積比為1 ∶1條件下，考察硫酸濃度對抽提后的雜交狼尾草制備糠醛和乙酰丙酸的影響，結(jié)果如圖1(b)所示。

由圖可知，對于糠醛而言，硫酸濃度對其產(chǎn)率的影響很大，當(dāng)硫酸濃度為0～0.05 mol/L時糠醛迅速產(chǎn)生并達到最高點為59.29%；當(dāng)硫酸濃度為0.05～0.15 mol/L時糠醛不斷分解，導(dǎo)致得率不斷下降，降至34.22%；而當(dāng)硫酸濃度為0.15～0.2 mol/L，由于有機溶劑對糠醛的保護，糠醛得率趨向于穩(wěn)定不再下降。對于乙酰丙酸而言，其得率的增加依賴于反應(yīng)強度的增加，因此在此反應(yīng)條件下，酸濃度增加與乙酰丙酸的得率顯示出正相關(guān)的關(guān)系，但增長的趨勢不明顯；在無酸條件下，糖、醛、酸三類產(chǎn)物得率均較低，而加入0.05 mol/L硫酸后，糠醛得率大幅升高，且生成反應(yīng)所需能量較高的乙酰丙酸開始積累，說明少量硫酸的加入即可大大改善體系的水解環(huán)境，而隨著酸濃度逐漸升高，單糖和醛類的得率均出現(xiàn)下降，說明體系中聚糖已經(jīng)消耗殆盡，繼續(xù)升高酸濃度所提供的[H+]超出反應(yīng)所需。因此，兼顧糠醛和乙酰丙酸的得率，同時考慮酸濃度對設(shè)備的腐蝕以及后續(xù)處理帶來的壓力，選擇0.05 mol/L硫酸濃度即可滿足反應(yīng)要求。

2.3.3反應(yīng)時間 反應(yīng)產(chǎn)物的積累需要足夠的反應(yīng)時間，但過長的時間又會造成產(chǎn)物的降解，導(dǎo)致產(chǎn)物得率的降低且消耗多余的能量。在1 g抽提后的狼尾草中加入20 mL酸性溴化鋰溶液，硫酸濃度0.05 mol/L，反應(yīng)溫度160 ℃，水油體積比為1 ∶1條件下，考察反應(yīng)時間對抽提后的雜交狼尾草制備糠醛和乙酰丙酸的影響，結(jié)果如圖1(c)所示。

由圖可知，糠醛在反應(yīng)15 min時就開始大量積累，得率為51.69%，反應(yīng)120 min時達到最高得率65.17%。反應(yīng)240 min，糠醛得率略有下降，這是因為半纖維素在酸性環(huán)境中水解較快，能在相對高溫下短時間(15 min)內(nèi)迅速脫水產(chǎn)生糠醛，并逐漸降解完全，使糠醛得率達到最大值，而后生成的糠醛隨著時間延長(120 min之后)開始降解導(dǎo)致得率的緩慢降低。對于乙酰丙酸而言，其得率隨反應(yīng)時間的變化趨勢同酸濃度和溫度的影響類似。隨著水解反應(yīng)強度的增加，纖維素水解產(chǎn)生的葡萄糖以及后續(xù)產(chǎn)生的HMF逐漸脫水降解生成乙酰丙酸，直至本反應(yīng)結(jié)束仍未達最高得率。而葡萄糖和木糖在120 min后得率趨向于穩(wěn)定，即反應(yīng)時間的延長對于體系中單糖的繼續(xù)水解沒有實質(zhì)效果。考慮到實際工藝需要和能耗的影響，反應(yīng)時間定為120 min。

2.3.4有機相體積 在兩相體系中，有機相的存在主要是保護糠醛的持續(xù)生成，使反應(yīng)朝著正向持續(xù)進行。在體系總體積不變的情況下，油相體積的增加，必然導(dǎo)致原料和酸性溴化鋰溶液固液比的變小，抑制生物質(zhì)水解糖化反應(yīng)的進行，因此需要考察水油體積比的變化對反應(yīng)產(chǎn)物得率的影響。在硫酸濃度0.05 mol/L，反應(yīng)溫度160 ℃，反應(yīng)時間120 min條件下，兩相總體積40 mL，考察了水油體積比分別為4 ∶0,3 ∶1,2 ∶2和1 ∶3(即有機相體積為0、 10、 20和30 mL)時對抽提后的雜交狼尾草制備糠醛和乙酰丙酸的影響，結(jié)果如圖1(d)所示。

a.反應(yīng)溫度temperature; b.酸濃度acid concentration; c.反應(yīng)時間reaction time; d.有機相體積organic phase volume

由圖1(d)可知，有機相體積0～10 mL，糠醛得率由13.98%迅速升高至60.74%，但乙酰丙酸產(chǎn)率上升趨勢不明顯；有機相體積在10～30 mL時，糠醛得率在有機相為20 mL時達到最高65.17%，且基本維持穩(wěn)定，而乙酰丙酸得率由最高41.30%迅速下降至2.97%，即水油體積比變化引起了原料和水合熔鹽固液比的變化，導(dǎo)致原料中纖維素和半纖維素與溶液中[H+]接觸幾率的變化。因此，隨著有機相體積的增加，葡萄糖、木糖和HMF的得率呈現(xiàn)明顯升高的趨勢，說明體系的反應(yīng)強度在逐漸下降；較高的反應(yīng)溫度使半纖維素在很短時間內(nèi)水解完全，隨著反應(yīng)時間延長糠醛逐漸降解，因此有限有機相體積的增加有利于糠醛生成和積累；另一方面，酸性溴化鋰溶液體積的增加有利于乙酰丙酸的生成，即有機相體積較少時，LA得率較高。因此有機相體積高于10 mL(水油體積比3 ∶1)，乙酰丙酸得率迅速下降；當(dāng)有機相體積為30 mL(水油體積比1 ∶3)時，在反應(yīng)結(jié)束后有84.4%的糠醛溶解于有機相中，而93.70%乙酰丙酸產(chǎn)物溶解于水合熔鹽相中。綜合考慮，若選擇以糠醛為主要目標(biāo)產(chǎn)物時，有機相的體積選為20 mL(即水油體積比1 ∶1)，此時糠醛得率為65.17%，同時乙酰丙酸得率為10.48%，其中85.7%的糠醛溶解于有機相，而97.2%乙酰丙酸產(chǎn)物溶解于水合熔鹽相；若選擇以乙酰丙酸為主要目標(biāo)產(chǎn)物時，有機相體積為10 mL(即水油體積比3 ∶1)時，糠醛得率為60.74%，乙酰丙酸得率可達41.30%。

3 結(jié) 論

3.1雜交狼尾草經(jīng)甲苯-乙醇(體積比2 ∶1)抽提后，纖維素、半纖維素和酸不溶木質(zhì)素三組分在原料中相對含量增加，可有效減少制備糠醛和乙酰丙酸反應(yīng)中副產(chǎn)物的生成。比較環(huán)戊基甲醚(CPME)、甲苯(TL)、甲基異丁基甲酮(MIBK)和鄰苯二甲酸二乙酯(DPA)在兩相體系中對糠醛和乙酰丙酸的萃取性能，綜合考慮安全性、經(jīng)濟性和萃取性能，選擇鄰苯二甲酸二乙酯作為兩相體系的有機相。

3.2以甲苯-乙醇抽提后的雜交狼尾草為原料，在含硫酸濃度0.05 mol/L的酸性溴化鋰水合熔鹽和鄰苯二甲酸二乙酯組成的兩相體系中反應(yīng)，考察了水解制備糠醛和乙酰丙酸的最佳工藝條件：1 g抽提后的雜交狼尾草，加入硫酸濃度0.05 mol/L的酸性溴化鋰溶液，2者固液比1 ∶20(g ∶mL)，加入有機相鄰苯二甲酸二乙酯20 mL，在160 ℃、120 min的條件下反應(yīng)，糠醛得率最高達65.17%，同時乙酰丙酸得率10.48%，同時糠醛產(chǎn)品超過80%溶解于有機相中，乙酰丙酸超過90%溶解于水合熔鹽相中；相同條件下，當(dāng)酸性溴化鋰溶液為30 mL，有機相體積為10 mL時糠醛得率60.74%，乙酰丙酸得率最高41.30%。由此可見，兩相水合熔鹽體系可以實現(xiàn)木質(zhì)纖維素類生物質(zhì)同時較高效制備糠醛和乙酰丙酸且實現(xiàn)產(chǎn)品的有效分離，為生物質(zhì)同步制備糠醛和乙酰丙酸的進一步研究提供借鑒。