木質素的分離方法及應用研究進展

馮澤宇，馮輝霞，趙丹，孟雪芬，曹番，趙欣怡

(蘭州理工大學 石油化工學院，甘肅 蘭州 730050)

生物質能以其環境友好、成本低廉和碳中性等特點而備受社會關注[1]。生物質材料種類繁多，其中木質素(Lignin)是最主要的幾種之一，全球每年由植物光合作用合成的木質素約有500億t[2-3]。木質素分子含有大量高活性的羥基、酚羥基、羰基、苯環結構[4]，是三大可再生資源中唯一能大量提供可再生芳香基的化合物。鑒于此木質素有望廣泛應用于香蘭素、油田化學品、橡膠補強劑以及生產精細化學品的功能化芳烴或作為高分子原料制備樹脂、橡膠等高分子聚合物[5-7]。天然木質素多伴有大量纖維素等雜質，必須經過分離提純后才可使用，但因其復雜的、非結晶型的三維網狀結構，致使分離困難。目前的分離方法多會破壞芳基醚鍵并生成C—C縮合結構，導致木質素的網絡狀結構坍塌，失去其反應活性[8-9]。因此，在不破壞木質素活性的前提下高效的分離木質素和纖維素，是提高木質素分離率的關鍵問題。本文將就時下新型的木質素提取及相應的預處理工藝和木質素在橡膠、生物質等多領域的應用展開研究。

1 木質素的化學組成、結構及分類

木質素本身是一種組成極為復雜的芳香族聚合物，其結構單體主要是多種苯丙烷基。

1.1 木質素結構單體

木質素的結構單體為被稱作C9單元的苯丙烷基。根據其結構和生物合成中前驅體的不同，可將其分為三類：①對-羥基苯基丙烷結構單體(H)；②愈瘡木基丙烷結構單體(G)；③紫丁香基丙烷結構單體(S)。其中對-羥基苯基丙烷結構單體的前驅體為香豆醇，愈瘡木基丙烷結構單體的前驅體為松柏醇，紫丁香基丙烷結構單體的前驅體為芥子醇。

1.2 單體連接方式

由于木質素的三維網狀結構是各單體之間脫氫聚合形成的，因此根據參與脫氫聚合反應的元素和生成的鍵的不同，可將單體間連接方式分為C—O鍵相連(占全部成鍵的2/3～3/4)和C—C鍵相連(占全部成鍵的1/4～1/3)兩大類[10]。根據參與反應的C的位置的不同，C—C鍵相連又可分為5-5型、β-β型、β-5型三種，C—O鍵相連可分為α-O-4 型和β-O-4型兩種[11]。

1.3 木質素的分類

木質素根據其聚合單體的不同可分為3類，由對-羥基苯基丙烷結構單體構成的木質素稱為對-羥基苯基木質素(H-木質素)，同理由愈瘡木基丙烷結構單體構成的是愈瘡木基木質素(G-木質素)、紫丁香基丙烷結構單體構成的是紫丁香基木質素(S-木質素)。

此外，木質素的種類根據植物種類的不同也是有很大區別的，如裸子植物主要含的是G-木質素；雙子葉植物主要為愈瘡木基-紫丁香基木質素(G-S木質素)；禾本科作物則主要為G-木質素，其次為S-木質素；以楊樹為代表的楊柳科植物則是以S-木質素為主(占比全部木質素68%以上)。同科不同屬的木質素組成也有較大區別，如禾本科下，小麥麥秸中G-木質素和S-木質素分別占64%和30%，玉米秸稈中為52%和40%，而同科的芒屬作物則分別為54%和44%[12]。

2 木質素的分離方法

木質素的分離方法有多種，按照分離原理可分為物理法、化學法和生物法三種，其中傳統物理法主要利用高溫高壓蒸汽爆破法[13]；化學法多為酸水解法、堿溶法和有機溶劑法；生物法則多為酶解法。傳統木質素分離方法中基本均未進行預處理工藝，導致分離的效率低，效果差。

2.1 新型預處理工藝的研究

預處理工藝在木質素的分離中是很重要的一個環節。由于木質素分離的原料多為生物材料，難免會有分子量均一性差、化學反應活性較低和含對催化劑有毒害作用的S元素等問題，若不經過預處理而直接進行分離，會造成分離效率的低下，分離產物的純度較低。Sun等[14]通過研究也證明，在堿性環境中，用低濃度的過氧化氫預處理之后的麥草木質素在不改變其化學結構的前提下能大幅提升其分離率。H2O2溶液預處理法、NaOH溶液兩步預處理法和水熱預處理法是時下木質素分離預處理工藝的研究熱門。

2.1.1 H2O2溶液預處理法 H2O2溶液預處理法是利用H2O2溶液的氧化性，通過其與木質素單體側鏈上的羰基和雙鍵進行反應從而對木質素進行初步降解，提高整體木質素的分離率。何明宇等[15]以景信鄉3年生巨龍竹為原材料，研究了H2O2溶液預處理對木質素分離效果的影響。原材料經過粉碎過篩后用體積比2∶1的甲苯/乙醇溶液在索氏提取器中抽提10 h并烘干以獲得脫蠟竹粉。而后用4.0 mol/L 的NaOH調節5.0%H2O2溶液pH至11得到堿性H2O2溶液，并依次用此溶液、5.0%和8.0%的NaOH溶液對脫蠟竹粉抽提4 h，取濾液，用6 mol/L的HCl調pH至5.5。濾液減壓濃縮后倒入95%乙醇中靜置后用離心機分離，取濾液減壓濃縮至15 mL，調節pH至2.0，離心分離析出的木質素，冷凍干燥得到巨龍竹木質素樣品。通過紅外光譜及核磁共振等手段分析后，可發現耦合H2O2溶液預處理的堿抽提工藝最后木質素總分離率為65.64%，較未進行預處理的其他工藝[16-18]高出約11.5～42.5個百分點，分離效果提升顯著。

2.1.2 NaOH溶液預處理法 NaOH溶液預處理法是先用乙醇和水對原材料進行抽提，然后用NaOH對抽提后的濾渣進行油浴加熱處理，堿性環境下木質素中醚鍵會被破壞從而使木質素被降解，提高分離率。Yang等[19]探究了NaOH溶液預處理法對離子溶液分離木質素的影響。該團隊以產自美國的柳枝稷和松木為原料，首先將原料粉碎過篩后用水和乙醇在索氏提取器中抽提12 h，然后按照每0.3 g生物材料加入1.0% NaOH溶液2.7 g，在40，60，80 ℃ 下油浴靜置加熱3 h后離心分離取濾渣，用蒸餾水清洗濾渣4次，并凍干24 h后于5 ℃以下保存，至此預處理結束。然后進行離子溶液分離，離心管內按照0.3 g生物量加入2.7 g或1.2 g的[C2C1im][oac]離子溶液以達到生物量濃度10%或20%。然后樣品分別在40，60，80 ℃下油浴靜置加熱3 h，分4次按照生物量濃度10%和20%的不同分別加入12 g和6 g蒸餾水。混合物經離心機分離后取濾渣重復加水步驟4次后凍干濾渣得到木質素。通過XRD、紅外光譜等手段對產品表征后發現，在60 ℃下柳葉稷中木質素的分離達到最大化，同時若只進行預處理，樣品中木質素的分離率達到61.57%～73.56%，兩步預處理后木質素的分離率達最高，可達83.68%，同時通過表征發現所得的木質素平均分子量較低，且抗氧化活性較未進行預處理時顯著提高。

2.1.3 水熱預處理法 水熱預處理法可以與多種分離方法進行耦合，原材料中加入去離子水并進行鹽浴加熱，隨后迅速降溫并減壓抽濾得預處理產品。該方法可以顯著降低最后分離產品中的含糖量同時可以較好提升分離率，大幅提高分離純度。常森林等[13]通過水熱預處理對高沸醇分離木質素的工藝進行了改進。傳統高沸醇分離木質素工藝不可避免的由于半纖維素的裂解生成殘糖，進一步與木質素縮合造成分離所得的木質素含糖量較高。該團隊發現將水熱預處理和高沸醇分離工藝耦合后可以很好解決這一問題。該團隊以石家莊當地的核桃殼為原料，原料粉碎過篩后按照每1 g原料加入5 mL的比例加入去離子水，將混合物移入不銹鋼反應釜內密封進行200 ℃鹽浴，按照預處理強度(PS)計算公式來計算反應時間。反應結束后迅速降溫至60 ℃以下，并將釜內物料減壓抽濾，固體用去離子水沖洗至無色，并置于65 ℃烘干。至此預處理結束。隨后在烘干樣品中加入設定體積及濃度的1，4-丁二醇水溶液，于一定溫度下反應。反應后置于水中冷卻并進行抽濾，固體用2倍初始體積去離子水洗滌烘干備用；濾液和洗滌液混合后靜置并過濾，濾餅凍干后即為分離的高沸醇木質素。通過正交實驗以及對產品進行稱重和表征發現，在220 ℃，PS=4.22，1，4-丁二醇濃度為60%的條件下反應4 h，可獲得最高的木質素分離率41.54%，分離后純度95.89%，同時各組耦合了水熱預處理的正交實驗中分離后木質素含糖量均低于4%，這與傳統高沸醇直接分離的產品相比有著明顯的優勢。

2.2 新型分離方法的研究

傳統的分離方法有諸如能耗高、殘糖量高、木質素分離率低、對設備有一定腐蝕、反應要求較高等不足，故而許多研究者在對現有工藝進行了改進的同時也著眼于將不同工藝進行耦合，以尋找更為高效的分離方法。新型的木質素分離方法主要有：亞臨界水連續提取耦合酶解分離法、微波輔助萃取法、梯度堿抽提-酶水解連續處理法以及聚乙二醇/水(PEG-200/H2O)溶劑分離法。

2.2.1 亞臨界水連續提取-酶解分離法 亞臨界水連續提取-酶解分離法是首先在亞臨界條件下以水為連續相對木質素進行亞臨界提取，然后利用纖維素水解酶對亞臨界提取產物進行酶解處理。通過耦合工藝使最終酶解分離的產率大大提升。Melih等[20]以東方云杉為原材料研究了以響應面法優化的亞臨界水連續提取耦合酶解分離木質素工藝，按照Box-Benhken 設計方法，以溫度(140，180，220 ℃)、壓力(5，10，15 MPa)和流速(2，5，8 mL/min)3個因素為變量，反應時間45 min，設計了15組對比實驗，利用固定床反應器在連續水流的條件下對東方云杉進行木質素提取。每組實驗使用東方云杉樣品5 g，首先將樣品在105 ℃下干燥并研磨，然后反應器加熱30 min 到達指定溫度，將樣品加入反應器后以固定流速向內沖水進行亞臨界水連續提取，收集固體殘渣進行酶解處理。將殘渣加入高壓反應器后，在pH=4.8 的0.05 mol/L檸檬酸鹽緩沖溶液中按照不同固液比加入含量為15 fpu/(g底物)的CTEC2和Novozyme纖維素酶混合物，以150 r/min的速度攪拌進行酶解分離木質素的操作。酶解結束后根據nrel標準程序測定樣品中木質素的含量。通過測定發現亞臨界水提取部分的最優操作條件是150.9 ℃、15 MPa下水流速8 mL/min處理45 min；酶解的最優條件是2.53 g/L的固液比下Novozyme含量為24.59%時處理46.33 h，最終分離的木質素含量約為30%。

2.2.2 微波輔助萃取法 微波輔助萃取法是在傳統萃取法之上，通過在萃取的同時輔以微波來打斷木質素中特定的化學鍵，從而使木質素萃取分離的效果大幅提高。李鑫[21]以茭白鞘葉為原料，研究了微波輔助萃取木質素的工藝。通過將茭白鞘葉干燥去雜、粉碎過篩處理之后，用乙醇加酸進行處理同時輔以不同功率的微波。在控制茭白鞘葉原料和酸加乙醇料液比相同后，通過平行實驗比較了硫酸、硝酸、鹽酸、冰醋酸、磷酸的分離效果，得到的結論是硝酸的分離效果最好，能達到近60%；隨后通過不同料液比的平行實驗發現，在料液比>1∶10之后木質素分離效果幾乎無變化，綜合考慮溶劑損耗和后續工藝后選擇料液比為1∶10。在此基礎上通過對溫度、微波功率和處理時間進行正交實驗后得到最優選條件為用乙醇加硝酸為萃取液，料液比為 1∶10，反應溫度90 ℃，在微波功率為600 W的條件下處理20 min，此時木質素的一次分離率可達66%。該方案將物理方法融入了化學分離方法，為日后的研究提供了一個較好的思路。

2.2.3 梯度堿抽提-酶水解連續處理法 梯度堿抽提-酶水解連續處理法首先是對原料用濃度梯度上升的堿進行抽提然后濾渣進行酶解處理。通過梯度堿抽提破壞木質素中的網狀結構，將木質素部分水解，提高了后續酶解處理的效率和產量。付躍進等[22]以核桃殼原材料獨創了梯度堿抽提-酶水解連續處理法對木質素進行分離，效果顯著。原材料經過烘干破碎和過篩后，首先用體積比為2∶1的甲苯-乙醇溶液在索氏抽提器中對處理后的原材料進行6 h 的抽提，然后依次用濃度為1%，3%和6%的NaOH的70%乙醇溶液在75 ℃下抽提3 h。將最后抽提得到的濾渣用大量蒸餾水清洗至中性干燥16 h后球磨5 h，隨后用濃度為3%的NaOH的70%乙醇溶液在75 ℃下抽提3 h后得到堿木質素樣品。按照每克堿木質素樣品加入30 mL pH 4.8的醋酸-醋酸鈉緩沖液和1.2 mL纖維素酶的比例，在45 ℃下對樣品進行酶水解48 h后離心去除上清液，并用80 ℃ 熱水反復對固體殘渣沖洗，干燥后即為濾渣中分離的木質素。隨后將之前4次堿抽提后的濾液收集后用6 mol/L的鹽酸調pH至5.5，并用乙醇溶液進行醇沉濃縮去除半纖維素。將去除半纖維素后的溶液減壓濃縮后用前述的鹽酸調pH至2.0，過濾后即為分離出的濾液中的木質素，用pH=2的酸水多次沖洗并干燥稱重。將濾液和濾渣中分離的木質素混合后即為最終該工藝所分離得到的木質素產品。通過稱重計算和表征發現，基于梯度堿抽提-酶水解連續處理法，核桃殼中木質素的分離率可高達89.69%。

2.2.4 聚乙二醇/水(PEG-200/H2O)溶劑分離法 聚乙二醇/水(PEG-200/H2O)溶劑分離法是對傳統有機溶劑法的一個改進，通過環境友好的聚乙二醇為溶劑來取代傳統有機溶劑，并無需傳統工藝中的加熱環節，極大程度避免了木質素活性結構因加熱導致的變化失活，并提高了分離率。陳琳等[23]利用了聚乙二醇/水(PEG-200/H2O)溶劑體系改進了傳統有機溶劑法。按照一定的質量比把水加入到聚乙二醇(PEG-200)中形成聚乙二醇/水溶劑體系，并用此體系模擬木質素的溶解和再生過程：首先向溶劑體系加入木質素至飽和以模擬木質素的溶解過程；然后再向混合溶液體系中繼續加入去離子水來析出木質素，析出的木質素用去離子水洗凈后，60 ℃ 烘干后稱重得再生的木質素。通過對再生后的木質素用TGA和FTIR進行表征的結果結合稱重后的回收率可以發現：在H2O∶PEG-200質量比為0.3∶1時，木質素的溶解度可達最大，每25 mL溶劑可溶解木質素超過105.0 g，同時由于不需要傳統有機溶劑法的加熱過程，通過表征發現該方法所分離的木質素的活性結構基本沒有變化，未和溶劑發生反應，這也為在溫和條件下分離木質素提供了一條新的途徑。

3 木質素的應用研究

木質素因為自身的三維網狀結構、適宜的碳氫比以及可提供大量活性的酚羥基、剛性的苯環、羰基結構，故而是一種同時具備吸附、抗熱老化、抗氧化、抗高溫變形和生物兼容等多種作用理想材料。當下對木質素的應用研究主要集中在作為水中重離子、有機染料吸附劑，制備準液體燃料，制備耐高溫或耐氧化改性樹脂，制備改性瀝青以及制備生物兼容性水凝膠等方面。

3.1 木質素的吸附作用

由于木質素含有大量活躍的酚羥基、甲氧基結構，在酸性條件下極易與具有強氧化性的離子進行反應，將之吸附，故而木質素有很好的離子吸附作用。向浩等[24]探究了木質素的吸附作用，利用木質素作為工業廢水中鉻的吸附劑。通過在實驗室以重鉻酸鉀為鉻源制備了pH約為6，Cr6+濃度約在6 mg/L 的模擬工業廢水，然后用木質素對模擬廢水進行吸附，并用二苯碳酰二肼分光光度法測定處理后水中Cr6+殘余量。通過實驗發現pH在4～8，攪拌時間5 min時，木質素處理后水中Cr6+的去除率可達70%左右，當pH進一步升高時Cr6+去除率會顯著下降。此法可作為含鉻工業廢水的預處理方法。

此外這些結構可對水中的有機染料分子進行物理、化學吸附，故而木質素有較好的有機染料吸附作用。薛蓓等[25]利用竹子造紙黑液提取了木質素，共沉淀法制備出了Fe3O4，隨后用交聯法先以3-氨丙基三乙氧基硅烷(APTES)為交聯劑和Fe3O4制備出Fe3O4@APTES并加入木質素制備出Fe3O4@APTES@木質素固體粉末。通過對交聯法制得的磁性木質素的磁性和對燃料的吸附性能測試，發現該產品的磁飽和強度為22 emu/g，在顆粒添加量達到1.5 g/L時，對甲基橙、亞甲基藍和剛果紅的最大吸附量分別可達71.2，140.2，181.4 mg/g，且由于磁性較強，在吸附后可通過外加磁場對磁性木質素快速回收。

3.2 木質素的生物質燃燒作用

由于木質素的碳氫組成比(12∶1)和天然石油(8∶1)近似，且有較多的氧元素，故而木質素是一種高能物質，有良好的生物質燃燒作用。王文將等[26]通過將木質素和乳化劑按照一定比例加入柴油后制備出了一種木質素準液體燃料，并探究了其燃燒作用。通過實驗發現隨木質素的比例增加分層厚度逐漸增加，最優條件為木質素9%，乳化劑4%，轉速10 000 r/min，乳化20 min。此時制得的木質素準液體燃料經柴油機性能測試后得到：在柴油機1 600 r/min 時，木質素的替代效果最好，7.30 g木質素可替代4.88 g柴油，替代比例接近1.5∶1。同時對尾氣的測定顯示，加入木質素后柴油燃燒更為充分，NOx排放量降低約35%，HC排放量降低約19%，一定程度降低了對環境的危害。

3.3 木質素的抗熱老化作用

由于木質素中含有大量羥基結構，高溫下可與多種功能性有機高分子材料發生醚化作用，增強高溫下材料的強度，故而木質素有很好地抗熱老化作用。尚欣宇等[27]針對環氧樹脂易熱老化的問題利用木質素對其進行改性，將玉米秸稈木質素和環氧樹脂混合并熱處理后與稀釋劑669、聚酰胺固化劑按一定比例混合后固化，并置于真空干燥箱中進行熱老化實驗的模擬。通過對結果的分析發現：加入木質素后的環氧樹脂在熱老化后彎曲強度雖略有下降但抗沖擊強度大幅提升，同時玻璃化轉變溫度的變化幅度也有顯著降低。鑒于此，木質素的添加可以很好地起到抗熱老化性作用。

3.4 木質素的抗氧化作用

由于木質素中有大量活性羥基結構，可用于和有機高分子間形成氫鍵，并能捕捉氧化過程中的自由基，故而木質素有極佳的抗氧化性作用。陳鳳貴等[28]針對聚氨酯易老化的問題通過摻雜木質素來改進其性能。將水性脂肪族聚氨酯溶液和木質素按不同比例混合，超聲分散后移至聚四氟乙烯成膜模具中干燥制得一系列水性聚氨酯/木質素復合材料薄膜。通過多手段表征和機械性能分析后發現：機械強度方面在加入少量木質素(≤10%)后，聚氨酯的拉伸強度、斷裂伸長率均有極大提升，特別是在5%時最高，分別提升了106.0%和44.3%；抗氧化性方面，加入少量木質素的聚氨酯在紫外線光照射72 h后其屈服應變和斷裂伸長率的下降率較未添加時分別降低了42%和39.9%。鑒于此，證明木質素的添加可以有效改善其機械強度并很好地起到抗氧化性作用。

3.5 木質素的抗高溫形變作用

由于木質素有較豐富的三維網狀結構，可以與多種材料間形成溶脹作用，常溫下沒有影響，高溫下溶脹作用被破壞后可以提升其硬度，故而木質素有較好的抗高溫形變作用。沙磊[29]通過木質素改性聚氨酯，然后將之與瀝青進行混合制得L-PU改性瀝青，通過對L-PU改性瀝青和傳統瀝青的理化性能對比得到：常溫下L-PU改性瀝青在延度、軟化點、針入度方面有了較好的提升，在高溫時，L-PU改性瀝青的抗高溫變形能力較傳統瀝青有顯著提升。后續的路用性能測試也進一步印證了這一結論。鑒于此，L-PU改性瀝青在抗高溫形變、機械強度等多方面性能均優于傳統瀝青，木質素起到了較好的抗高溫形變作用。

3.6 木質素的生物兼容作用

由于木質素來源為植物木質部，作為天然的高分子化合物，分離之后的木質素對生物細胞有較好的兼容性，基于其制成的新型材料也多具有較好的生物兼容性，故而木質素有較好的生物兼容作用。Ravishankar等[30]利用木質素中苯氧化物基團與殼聚糖主鏈上的銨基之間的靜電相互作用，使殼聚糖酸性水溶液與木質素形成離子型交聯，從而制得殼聚糖-木質素生物相容性水凝膠。通過檢驗發現：這種水凝膠在對實驗室條件下的對間充質干細胞是完全無毒的，同時在NIH 3T3小鼠成纖維細胞上表現出良好的細胞遷移特性，表明該凝膠可能適合于傷口愈合應用。

在此基礎上Zhang等[31]針對殼聚糖-木質素生物相容性水凝膠機械強度強但抗菌能力差以及聚乙烯醇-殼聚糖復合水凝膠抗菌能力強但機械強度差的特點，制備出了一種木質素-殼聚糖-聚乙烯醇復合水凝膠。該水凝膠兼具兩種水凝膠的優點，是一種理想的傷口涂覆材料。通過在小白鼠體內進行傷口模擬，該水凝膠可以顯著加速小鼠傷口的愈合，同時該水凝膠的拉伸應力高達46.87 MPa。這種新型水凝膠為臨床上傷口的護理及快速愈合提供了新的可能性。

4 結論與展望

木質素的結構十分復雜，不同的原料中木質素的含量、成分也有較大的區別，加上不同的分離方法對產品有較大的影響，因此針對不同材料制定相應的分離方法在木質素的分離工藝中是至關重要的。盡管目前木質素的分離方法已有許多，但基本都是純物理法、純化學法或純生物法，少有將數種方法聯用的。在今后的研究中，可以將物理中的微波、亞臨界萃取等方法與化學分離法相結合，優勢互補，從而實現高效分離。

應用方面木質素因為其可以提供極為豐富的具有較高活性的羥基、酚羥基、羰基、苯環結構而在橡膠、樹脂、吸附劑、水凝膠等多領域有極佳的前景。國內相關的綜合利用技術也在逐漸發展。但是目前的木質素分離工藝多為以破壞除木質素外的其他結構來獲取、利用木質素，而非同時對幾種物質進行利用，這是有背于原子經濟的，所以后續應當考慮如何同時對木質素、纖維素以及半纖維素進行利用，從而真正減輕對分離工藝的依賴。另外，應當大力推進基于木質素的良好的生物相容作用的多種新型材料的研發，讓木質素成為真正與人們生活直接相關的產品，同時這也可以反向帶動木質素的安全無毒分離工藝的快速發展，具有極佳的社會和經濟效益。