玉米芯木質素低聚物超聲波輔助制備及其表征

劉婧伊, 馬 林, 王春鵬, 儲富祥, 許玉芝

(1.中國林業科學研究院 林產化學工業研究所;江蘇省生物質能源與材料重點實驗室;國家林業和草原局林產化學工程重點實驗室;林木生物質低碳高效利用國家工程研究中心,江蘇 南京 210042;2.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)

木質素是一類具有復雜、無規則、三維網狀結構的酚類聚合物。隨著國家“雙碳”目標的進一步明確,木質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、高熱穩定性[1]等特性而逐漸成為科研工作者關注的重點。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格低廉、來源廣泛的農業副產物,其木質素成分在現代工業中常常得不到有效利用,造成資源浪費甚至污染環境。目前,對玉米芯-木質素研究越來越多[3-4]。天然木質素具有數均相對分子質量大[5]的特點,導致了其較大的空間位阻并降低了反應活性。同時,相對分子質量分布寬導致其均一性差,難以作為工業原料加以利用。解聚是一種高效利用木質素的重要手段,多種方法[6]均可導致木質素中較低鍵能的化學鍵斷裂從而得到更易利用的低相對分子質量產物。超聲波輔助解聚作為一種物理解聚方法具有綠色環保、實驗條件溫和、能耗低、產物選擇性較高等諸多優點[7-8],其空化引起的機械性斷鍵作用被認為是超聲波解聚大分子物質的主要機理之一[9-10]。此外,超聲空化效應分解溶劑體系產生羥基自由基和氫自由基[11]也同樣影響木質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,能耗較高且處理價格高昂,這與將木質素這一廉價原料進行高值化利用的目的相悖。目前,常溫條件下將木質素解聚為低聚物的研究還未見報道。因此,本研究將玉米芯木質素在常溫溶劑體系中用超聲波輔助解聚,探討木質素常溫超聲波輔助解聚的較優工藝以及超聲波對木質素結構的影響,以期為玉米芯木質素的高效利用提供研究基礎。

1 實 驗

1.1 材料與儀器

玉米芯木質素,山東圣泉有限公司,烘干至質量恒定備用,數均相對分子質量(Mn)3 000,多分散指數(PDI)2.62;氫氧化鈉、硫酸、鹽酸、甲醇、無水乙醇等均為分析純,國藥集團化學試劑有限公司;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(TMDP)、環己醇、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),深圳市潔盟清洗設備有限公司;超聲細胞粉碎儀(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 木質素的超聲波輔助解聚

取玉米芯木質素10 g、溶劑100 mL,在超聲波作用下反應2 h。實驗中考察了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%)。超聲波處理結束后,溶劑中含NaOH或H2SO4的樣品用稀鹽酸或NaOH調節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。實驗選定甲醇-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),反應時間(1、 2、 3、 4 h),以及木質素與溶劑的固液比值(100、 200、 300、 400,g∶L)對木質素解聚結果的影響。

1.3 產物表征

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 ℃,檢測系統為示差折光檢測器。樣品的相對分子質量根據聚苯乙烯標準物的標準曲線計算。

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行掃描,檢測產物的官能團。掃描范圍600～4 000 cm-1,分辨率4 cm-1,掃描次數32次。

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

1.3.431P NMR測定 稱取20 mg左右的木質素試樣記錄質量,加入100 μL內標溶液(環己醇),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素低聚物的產率及有效分離不同相對分子質量木質素的重要因素[17],木質素低聚物的相對分子質量用GPC進行表征,結果如表1所示。甲醇溶劑體系中添加堿,樣品數均相對分子質量(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素(Mn=3 000),這是因為木質素在堿作用下發生了縮合反應[18]。甲醇體系中添加酸,樣品Mn=2 600,比未解聚木質素低,但比純甲醇溶劑的樣品高出一倍多,這可能是因為部分低相對分子質量的低聚木質素在酸性條件下無法溶解。在乙醇體系中加入水,木質素低聚物的產率從22.1%顯著提高到69%,然而產物的多分散指數(PDI)也同時升高到3.88,均一性變差。在甲醇體系中加入水,所得木質素低聚物的Mn由1 200降低到600,同時PDI從2.71下降到1.62,提高了木質素低聚物的均一性。因此,選擇甲醇-水作為后續工藝優化實驗的溶劑體系。

表1 不同溶劑體系對木質素解聚的影響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素解聚的影響

物質的質點在超聲波中具有極高的運動加速度,在介質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素低聚物的產率及相對分子質量有影響,實驗考察了10 g玉米芯木質素在MeOH-H2O體系中解聚時超聲波功率及頻率對產物的影響,結果如表2所示。在超聲波頻率均為40 kHz時,超聲波功率從60 W增加至240 W,木質素低聚物產率從26.9%上升到34.7%,Mn從900下降到600,分布均一性增強。這是因為功率的增加導致介質獲得的能量增加,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,木質素的產率略微下降,這是因為降低超聲波頻率后其能量雖然升高[12],但反應介質在高能量下溫度急劇上升,造成溶劑的揮發。根據結果,40 kHz、 240 W為最優的超聲波作用條件,后續實驗均在該條件下進行。

2.3 不同反應條件對超聲波解聚木質素的影響

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素低聚物的溶解度[17],進而影響低聚木質素的產率和效果,因此甲醇在溶劑體系的含量是影響木質素解聚的重要因素。甲醇與水的體積比對木質素解聚的影響見表3。由表可知,溶劑體系中甲醇比例越高,木質素低聚物產量越高,Mn和重均相對分子質量(Mw)與分散性也同時升高。這是因為高分子木質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變為9∶1時,產率僅提升0.6個百分點,Mn升高22.5%,PDI升高18.0%。因此,綜合比較,V(甲醇)/V(水)8∶2更適于木質素的超聲波輔助解聚。

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

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

2.3.3木質素固液比 木質素的固液比同樣影響解聚效率,反應體系中木質素固液比過高時,由于溶解度的限制,部分木質素低聚物不能充分溶解,造成了木質素的浪費,木質素質量分數過低時會造成試劑浪費,提取成本增加。由表3可知,將木質素固液比值(g∶L)從100提高到400會導致木質素產率先上升后下降,在200時達到最高產率40.2%。產率的上升可能是因為固液比低時解聚產生的小分子物質更多[5],再聚合生成了無法溶解的大分子,木質素固液比繼續增大,但產率下降是因為產生的可溶木質素低聚物在溶劑中的濃度達到了可溶解的上限。綜合比較,選擇木質素固液比值200為最佳的木質素固液比。

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

2.4 解聚產物分析

a.玉米芯木質素corn cob lignin;b.木質素低聚物lignin oligomer圖1 玉米芯木質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 為進一步分析玉米芯木質素解聚前后的結構特點和結構單元間連接鍵,本研究對解聚前后的木質素進行了2D-HSQC核磁分析,其側鏈區和芳香環區圖譜見圖2。圖中主要信號的歸屬參考文獻[15]。由側鏈區譜圖可觀察到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信號強度降低,證明了小分子產物的增加是由于超聲波作用下木質素大分子中醚鍵的斷裂引起的。

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

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

2.4.331P NMR分析 近年來,定量核磁共振31P譜已經成為測量木質素羥基最有效的方法,可以直接測定木質素中脂肪族羥基、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素的羥基含量,結果如圖3和表4所示。δ145為內標環己醇的信號峰,以其積分作為羥基定量分析的基準。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算結果見表4。結果表明:超聲波輔助解聚產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生了部分醚鍵的斷裂。

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

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

3 結 論

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