木質纖維素催化轉化呋喃類產物的色譜分析

鄭洪巖,趙子龍,劉煜成,高曉慶,牛宇嵐,白宗慶

(1.太原工業學院 化學與化工系,山西 太原 030008; 2.中北大學 化學與化工學院,山西 太原 030051;3.中國科學院山西煤炭化學研究所 煤轉化國家重點實驗室,山西 太原 030001)

隨著煤炭和石油等不可再生資源消費的不斷增加,新能源的開發越來越受到關注。生物質是唯一可再生碳質資源,分布廣泛,儲量豐富。糠醛、糠醇和5-羥甲基糠醛都是重要的生物質基平臺分子,均可通過進一步轉化得到高附加值的呋喃類衍生物,用作石化產品的替代品或精細化學品[1]。糠醛和5-羥甲基糠醛是由木質纖維素中的半纖維素、纖維素及其單糖等水解制得,糠醇可由糠醛加氫或5-羥甲基糠醛脫羰獲得[1]。Song等[2]用Hβ分子篩催化半纖維素及木糖制備糠醛,獲得高于85%的糠醛收率。Li等[3]在水-四氫呋喃溶劑中,采用炭化鈮催化纖維素直接轉化為5-羥甲基糠醛,收率達53.3%。Cui等[4]在γ-丁內酯(含20%水)中,聯用Hβ分子篩和Cu/ZnO/Al2O3催化劑,氫氣氣氛下實現了木糖直接高效轉化為糠醇,且γ-丁內酯溶劑具有性質穩定且廉價易得的特點。Wang等[5]選用γ-丁內酯作溶劑,HY分子篩和Pd催化劑上實現了果糖直接轉化制糠醇,收率為41.6%。

色譜分析法可將幾十種甚至上百種性質類似的化合物在同一根色譜柱上進行分離測定,具有分離效率高、速度快的優勢[6]。已有學者建立了5-羥甲基糠醛、糠醛和糠醇的色譜測定方法,涉及的檢測體系也較多。劉粲迪等[7]建立了同時測定茶葉中糠醛和5-羥甲基糠醛的氣相色譜-串聯質譜法。劉衛義等[8]將清蒸后的稻殼粉碎后,用60%的四無乙醇進行超聲提取再用毛細管柱氣相色譜定量分析,建立了一種糠醛含量檢測方法。趙開徑等[9]以糠醛經催化加氫制備2-甲基呋喃的雜質為研究對象,建立了同時測定7種雜質含量的氣相色譜分析方法。朱洋等[10]將土壤中的5-羥甲基糠醛和糠醛用甲醇超聲波輔助萃取,過濾后用乙腈和水進行梯度洗脫,建立了同時測定土壤中5-羥甲基糠醛和糠醛的方法。劉柳等[11]采用AgilentTC-C18色譜柱(250 mm×4.6 mm×5 μm)、Agilent1200seriesVWD紫外檢測器,測定赤砂糖水解產物中的5-羥甲基糠醛。司波等[12]采用Beconsil-C18色譜柱(250 mm×4.6 mm×5 μm),以純水與乙腈為流動相,梯度洗脫,二極管陣列檢測器,流速1.0 mL·min-1、柱溫40 ℃條件下,提出一種測定白酒中5-羥甲基糠醛含量的高效液相色譜檢測方法。

然而已有研究體系與生物質催化轉化制備呋喃化合物體系組分差別較大,且未見同時測定糠醛、糠醇和5-羥甲基糠醛的分析方法。為給木質纖維素轉化制備呋喃化合物的研究及工業化推廣提供有效、易操作的產物定量方法,本研究針對木質纖維素轉化產物中的呋喃化合物,分別建立了氣相色譜內標法和液相色譜外標法,并對相關檢測條件進行了優化。

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

GC-950型氣相色譜儀,上海海欣色譜儀器有限公司;LC-20A型高效液相色譜儀,島津制作所。糠醛、糠醇、5-羥甲基糠醛、正丁醇、γ-丁內酯和硫酸,均為分析純,阿拉丁試劑有限公司;超純水。

1.2 色譜分析方法

1) 樣品預處理。將3個不同條件下獲得的木質纖維素轉化液在高速離心機中離心5 min,取上層清液,使用有機系微孔濾膜過濾兩次,得到不含固體雜質的木質纖維素轉化液,分別標記為1#、2#和3#樣品。

2) 氣相色譜條件。HP-InnoWax(30 m×0.32 mm×0.5 μm)毛細管色譜柱,火焰離子化檢測器(flame ionization detector,FID)。進樣口溫度和檢測器溫度均為250 ℃,載氣為N2,流速1 mL·min-1,手動進樣,每次進樣量0.5 μL,分流比100∶1,初始柱溫為150 ℃,程序升溫分析。

3) 高效液相色譜條件。ShodexSH-1821(300 mm×8 mm×6 μm)色譜柱,示差折光檢測器。檢測器池溫度為50 ℃,流動相為pH=2的稀硫酸,自動進樣,每次進樣量0.5 μL。

1.3 標準溶液的配置

分別稱取糠醛、糠醇和5-羥甲基糠醛標準品于容量瓶中,用γ-丁內酯溶劑定容為質量濃度15.0 mg·mL-1的標準溶液。用γ-丁內酯逐級稀釋至質量濃度為12.5、10.0、7.5和5.0 mg·mL-1的標準溶液。

2 結果與討論

2.1 氣相色譜法分析呋喃化合物

2.1.1 氣相色譜條件的選擇

糠醛、糠醇和5-羥甲基糠醛均為極性化合物,故選取強極性的HP-InnoWax毛細管色譜柱作為分析柱。實驗發現,糠醛、糠醇和5-羥甲基糠醛在HP-InnoWax色譜柱上可以實現很好的分離。由于實驗室現有氣相色譜儀只能采用手動進樣,為減小進樣誤差對分析結果的影響,采用氣相色譜內標法。木質纖維素轉化液樣品中沒有正丁醇,正丁醇能夠完全溶于其中且不與其他組分發生反應,同時與樣品中各組分的色譜峰也能完全分離,因此本工作選用正丁醇做內標物。

程序升溫可以改善樣品的分離度,根據呋喃類化合物的性質,將升溫程序設定為起始溫度為150 ℃,保持2 min,以10 ℃·min-1速率升溫至210 ℃,保持20 min。此分析條件下,內標物正丁醇、糠醛、糠醇、溶劑γ-丁內酯和5-羥甲基糠醛均可實現很好地分離(圖1(a))。5-羥甲基糠醛出峰較晚,保留時間30.7 min。為縮短分析時間,設置了不同終溫進行考察,發現將分析終溫提高至220 ℃(圖1(b))、230 ℃(圖1 (c))時,5-羥甲基糠醛的保留時間分別縮短為19.5和17.5 min,且各組分分離度良好。柱溫的選擇不僅影響各組分的分離度,也會影響各組分在色譜柱內的保留時間。柱溫升高,流動相與固定相之間的傳質速率增加,導致出峰加快,保留時間變小,同時也會使各組分的分配吸收變小,分離度減小。柱溫的選擇需要兼顧保留時間和分離效能,同時過高的柱溫會影響色譜柱固定相的壽命,因此后續研究中氣相色譜分析終溫設為230 ℃。

圖1 終溫對樣品分離的影響

2.1.2 氣相色譜線性方程和線性相關性

在不同濃度的標準溶液中滴加適量內標物正丁醇,進行氣相色譜分析,以各呋喃化合物與內標物濃度之比為橫坐標,各呋喃化合物與內標物的峰面積之比為縱坐標作散點圖,線性擬合后得到線性方程(表1)。由表1可見,糠醛、糠醇和5-羥甲基糠醛線性方程的相關系數均大于0.999,表明各個組分在配制濃度范圍內的線性關系良好[13]。

表1 氣相色譜線性方程和線性相關系數

2.1.3 方法檢出限

由于儀器分析過程都會有背景噪音,測量檢出限常用的方法是利用已知低濃度的分析物樣品與空白樣品的測量信號進行比較,確定能夠可靠檢出的最小濃度。取標準溶液,配制適當濃度的工作溶液,分別進行氣相色譜分析。按照信噪比(S/N)為3時所對應的溶液濃度,作為方法的檢出限[14]。經檢測分析,糠醛、糠醇和5-羥甲基糠醛的檢出限分別為0.2、0.2和0.6 μg·mL-1。

2.1.4 回收率與精密度

以同一個木質纖維素轉化液樣品作為基質,分別加入3個不同水平(5.0、10.0、15.0 mg·mL-1)的混合標樣。每個添加量在相同條件下重復測定5次,計算平均值,實驗結果見表2。可見糠醛、糠醇和5-羥甲基糠醛的回收率在95.6%～102.0%,各化合物的相對標準偏差(relative standard deviation,RSD)不超過1.70%,說明平行測定5次的結果誤差較小[9],所建分析方法的準確度高,能夠滿足測定需求。

表2 氣相色譜分析呋喃化合物的回收率

分別取1#～3#木質纖維素轉化液樣品,加入內標物,在選定的色譜條件下進行測定,對同一樣品溶液連續進樣5次,得到糠醛、糠醇和5-羥甲基糠醛的平均濃度,并計算其精密度。由表3可知,RSD不大于1.30%,明顯優于國家標準“實驗室氣相色譜儀”( GB/T 30431—2020)中規定儀器的定量重復性應不大于3%的要求,表明該方法精密度良好[9]。

表3 氣相色譜分析呋喃化合物的精密度

2.2 高效液相色譜法分析呋喃化合物

2.2.1 高效液相色譜條件的選擇

選用ShodexSH-1821色譜柱對木質纖維素類生物質轉化產物中的糠醛、5-羥甲基糠醛和糠醇進行分析。考察了柱溫和流動相流速對呋喃類化合物分析效果的影響。流速為0.6 mL/min時,分別在50、55和60 ℃柱溫下測試,各組分都能很好的分離(圖2)。隨著柱溫的升高,各組分保留時間縮短,糠醛保留時間由50 ℃下的43.7 min縮短為60 ℃下的39.0 min,這是因為柱溫升高加速了待測組分與色譜柱固定相的傳質和分離速度,使得組分更快地流出色譜柱。因此后續工作的柱溫選用分析時間最短的60 ℃,并在此條件下分別考察了流動相流速為0.6、0.8和1.0 mL·min-1時的產物分離度。結果發現,在3個流速下,混合樣品中各物質分離度良好,隨著流速提高,分析時間縮短,糠醛的保留時間由0.6 mL·min-1時的39.0 min降低到1.0 mL·min-1時的23.5 min,顯著提高了分離效率(圖3)。綜合考慮各組分分離效果和提高分析效率,后續分析選用流速1.0 mL·min-1。

圖2 柱溫對樣品分離的影響

圖3 流速對樣品分離的影響

2.2.2 高效液相色譜線性方程和線性相關性

對配制的不同濃度標準溶液按照上述優化條件進行液相色譜分析,以各物質的質量濃度為橫坐標,峰面積為縱坐標作散點圖,線性擬合后得到線性方程。從表4結果可見,糠醛、糠醇和5-羥甲基糠醛線性方程的相關系數均大于0.999,說明各個組分在配制濃度范圍內的線性關系良好[11-12]。

表4 液相色譜線性方程和相關系數

2.2.3 方法檢出限

與氣相色譜法相同,液相色譜法測量檢出限常用的方法也是利用已知低濃度的分析物樣品與空白樣品的測量信號進行比較。取標準溶液,配制適當濃度的工作溶液,分別進行高效液相色譜分析,結果顯示,糠醛、糠醇和5-羥甲基糠醛在液相色譜上的檢出限分別為2.0、5.0和3.0 μg·mL-1。

2.2.4 回收率與精密度

與氣相色譜儀測定回收率方法相同,將2.1.4所用的同一組樣品,在選定的液相色譜條件下進行測定,重復測定5次,計算平均值,實驗結果見表5。由表5可見,糠醛、糠醇和5-羥甲基糠醛的液相色譜法回收率在97.5%～101.9%,相對標準偏差不大于0.71%,糠醛、糠醇和5-羥甲基糠醛的回收率及相對標準偏差均滿足實驗的要求[15]。

表5 高效液相色譜分析呋喃化合物的回收率

取1#～3#木質纖維素轉化液樣品,在選定的液相色譜條件下進行測定,并計算糠醛、糠醇和5-羥甲基糠醛的精密度。由表6可知,RSD不大于0.66%,優于高效液相色譜儀的國家標準(GB/T 26792—2019)中規定定量測量重復性應不大于3.0%的要求,表明選定條件下,液相色譜測定糠醛、糠醇和5-羥甲基糠醛的精密度良好。

表6 高效液相色譜分析呋喃化合物的精密度

2.3 兩種分析方法的比較

從上述兩種分析方法的結果看,在一定濃度范圍內兩種方法的測定結果均呈現較好的線性關系。從兩種方法的樣品檢出限結果可知,氣相色譜法能夠檢測到的呋喃化合物最小濃度更低,說明氣相色譜法對呋喃化合物的檢測更靈敏,更適合于木質纖維素轉化呋喃產物濃度較低的情況。這是由于氣相色譜的FID檢測器比液相色譜的示差折光檢測器具有更好的靈敏度。對比表3和表6兩種方法測定的1#～3#樣品中糠醛、糠醇和5-羥甲基糠醛平均濃度,可見3個木質纖維素轉化液樣品分別采用氣相色譜內標法和高效液相色譜外標法分析得到的各組分含量基本一致,且兩種方法精密度都優于國家標準的要求。兩種方法都可以實現對木質纖維素水解液中的糠醛、糠醇和5-羥甲基糠醛的精確定量分析。另外,從進樣方式角度,氣相色譜內標法采用的是待測組分峰面積與內標物峰面積的比值來計算待測組分含量,可以有效規避每次手動進樣量不同帶來的誤差,對于無法配備自動進樣器的氣相色譜分析方法更有利。

3 結論

分別建立了氣相色譜內標法和高效液相色譜外標法,測定木質纖維素轉化液中糠醛、糠醇和5-羥甲基糠醛的含量。氣相色譜法以正丁醇為內標物,在選用的質量濃度范圍內,糠醛、糠醇和5-羥甲基糠醛線性方程的相關系數均大于0.999;糠醛、糠醇和5-羥甲基糠醛的檢出限分別為0.2、0.2和0.6 μg·mL-1;相對標準偏差0.10%～1.70%;加標回收率95.6%～102.0%,精密度與準確度較高。高效液相色譜分析方法采用外標法對糠醛、糠醇和5-羥甲基糠醛的含量進行測定,在考察的質量濃度范圍內,糠醛、糠醇和5-羥甲基糠醛線性方程的相關系數均大于0.999;糠醛、糠醇和5-羥甲基糠醛的檢出限分別為2.0、5.0和3.0 μg·mL-1;相對標準偏差0.14%～0.71%;加標回收率97.5%～101.9%,滿足實際樣品測定需求。通過對實際樣品的檢測分析,兩種方法檢測結果基本一致。氣相色譜內標法可以有效規避手動進樣帶來的誤差,對于不具備自動進樣配置色譜儀的實驗室,可提供切實可行的產品分析思路,有助于項目的快速開展。研究結果可為開展生物質催化轉化產物的分析測定提供借鑒,研究人員可根據實驗室實際具備的儀器設備條件,靈活選用分析方法。