低共熔溶劑低溫預處理楊木及三組分結構演變規律研究

皮奇峰 ，朱妤婷 ，呂 微 ，廖玉河 ，王晨光,* ，馬隆龍

（1.中國科學院廣州能源研究所，廣東 廣州 510640；2.中國科學院可再生能源重點實驗室，廣東 廣州 510640；3.中國科學院大學，北京 100871）

生物煉制先通過預處理將木質纖維素分離為纖維素、半纖維素和木質素，然后再分別轉化三組分制備化學品或材料[1]。常用的酸、堿預處理可獲得很高的木質素脫除率（＞ 90%），但是在分離過程中木質素結構被嚴重破壞，導致提取出的木質素更難被解聚[2,3]。為了保留木質素的反應活性，目前，使用有機溶劑、離子液體和低共熔溶劑（DES）等在溫和條件下提取木質素。其中，DES具有低揮發性、不可燃性、生物相容性、可降解性、成本低且可以回收利用等優點，受到廣泛關注[4]。

DES是由氫鍵供體(HBD)和氫鍵受體(HBA)組成的溶劑體系，這些溶劑體系能在低于HBD或HBA的熔點溫度下締合為均勻液體[5]。木質纖維素分子間存在大量氫鍵，木質素和半纖維素間主要以芐基酯或芐基醚鍵連接。DES中HBD可替代H原子與芐基酯或芐基醚鍵中的氧原子形成氫鍵，從而弱化木質素、半纖維素與纖維素三組分分子間氫鍵。此外，DES表現具有酸堿性，可催化酯基和醚鍵斷裂。因此，DES能夠選擇性地溶解木質纖維素基質中的木質素和半纖維素，同時保持纖維素的完整性[6]。目前，主要報道的HBA為氯化膽堿(ChCl)，HBD為醇或酸的DES組合[7]。例如，以氯化膽堿作為HBA，甘油、尿素和咪唑分別作為HBD，在150 ℃下預處理玉米芯，木質素脫除率高達88%[8]。ChCl/LA可選擇性脫除杉木57%的木質素，木質素得率和純度分別為33%和95%。ChCl和LA物質的量比為1∶2時，在160 ℃下木屑的木質素脫除率高達88%，提取木質素純度高達95%。而且，提取出的木質素解聚可高效轉化為丁基化羥基甲苯，目標產物收率高達48%。Lou等[9]發現，ChCl/LA在120 ℃下預處理麥草秸稈，木質素收率高達81.5%，純度達到94.8%，脫除出的木質素含有70-90 nm 納米顆粒[10]。

近10年來，DES預處理木質纖維素脫除木質素進展顯著，但仍處于實驗研究階段并存在許多問題：第一，預處理反應溫度較高（120-160 ℃），溫和條件下提取的木質素結構更完整；第二，預處理過程中木質素脫除伴隨著木質素解聚，而DES對木質素的解聚作用機制研究報道較少；第三，DES處理對纖維素結構演變規律研究報道較少。

本研究考察了ChCl/羧酸組合、HBA/HBD的物質的量比、反應溫度、時間對木質纖維素預處理的作用：木質素脫除率、回收率、純度。通過FT-IR、GPC、HSQC對木質素進行結構表征，采用FT-IR、XRD、SEM對固體殘渣進行結構表征，研究DES處理過程中三組分的結構演變規律。

1 實驗部分

1.1 原料與試劑

楊木粉（來自中國東北地區）在60 ℃下烘干，40-60目。用無水乙醇對楊木粉進行索氏提取去除色素、油脂及其他醇溶成分，并在60 ℃干燥至恒重。所有化學品均為分析純，購自上海麥克林生物科技有限公司。所有化學品使用前不經過任何處理。羧酸化學品及其縮寫如下：草酸（OA）、甲酸（FA）、乳酸（LA）、馬來酸（MA）、乙醇酸（GA）、琥珀酸（SA）、乙酸（AA）、丙酸（PA）、正丁酸（BA）、異丁酸（IA）。

1.2 DES制備

常溫下將特定的羧酸和氯化膽堿按一定的比例置于厚壁耐壓瓶中，密封，在油浴鍋中并不斷攪拌，加熱至80 ℃并保溫2 h，直至形成均質液體。然后，將厚壁耐壓瓶置于干燥器中冷卻，防止吸濕。

1.3 DES預處理楊木

將0.5 g楊木粉與10.0 g DES置于75 mL厚壁耐壓瓶中，在特定溫度下 (60、90、120、150 ℃)攪拌，攪拌轉速 ≤ 300 r/min。反應一定的時間（4 、8 、16 、24 h）后，加入 10 mL 丙酮∶水（體積比 = 1∶1）終止反應。將反應液離心，吸取提取液。用800目不銹鋼濾網過濾固體殘渣，多次用20 mL丙酮∶水(體積比 = 1∶1)洗滌固體殘渣直至洗脫液無色，并將洗脫液與提取液混合得到提取液。固體殘渣用去離子水和乙醇洗滌至電導率 ＜ 5 μs/cm2，冷凍干燥，稱重。將提取液通過減壓蒸餾濃縮到15 mL，然后往濃縮液加入5倍體積的水，邊加水邊攪拌，直到木質素沉淀出來。離心分離出固體，用去離子水洗滌固體至洗脫液pH值為7，冷凍干燥得到木質素。DES處理楊木以及木質素提取過程如圖1所示。

圖1 DES預處理楊木提取木質素流程圖Figure 1 Flow chart of DES pretreatment of poplar wood to extract lignin

1.4 楊木磨木木質素制備和成分分析

楊木磨木木質素參考文獻[11]報道的方法進行制備。楊木粉及固體殘渣的纖維素、半纖維素和木質素的含量均按照NREL法進行測定[12]。

1.5 計算公式

楊木的固體殘渣收率、三組分（纖維素、半纖維素和木質素）脫除率、木質素回收率，以分別按 式(1)-(3)進行計算：

1.6 掃描電鏡（SEM）、傅里葉變換紅外光譜（FT-IR）、X射線衍射（XRD）分析

使用熱場發射（分析型）掃描電鏡（Hitachi S-4800，日立公司）表征固體殘渣的形貌，操作電壓2 kV。采用Nicolet iS50 FT-IR光譜儀（Thermo Fisher Scientific，America）表征固體殘渣和木質素，波長為4000-400 cm-1，分辨率為2 cm-1，掃描32次。使用 XPertProMPD XRD（PANalytical，荷蘭）測定固體殘渣的晶體結構，使用CuKα輻射源，2θ值為5°-80°。纖維素的結晶度指數CI根據文獻[13]報道方法計算。

1.7 凝膠滲透色譜（GPC）和異核單量子相干核磁共振譜（HSQC NMR）分析

在配備有折射率檢測器（RID）的1260LC系統（Agilent Tech.，美國）對樣品進行GPC分析。色譜柱為 PL Mixed gel-C（300 × 7.5 mm，5 μm），洗脫液為色譜級的THF。在BRUKER AVANCE Ⅲ(400 MHz)共振譜儀上記錄木質素HSQC NMR譜圖。GPC和HSQC NMR采集參數與作者之前報道的相同[14]。

2 結果與討論

2.1 DES預處理對楊木三組分的脫除效果

使用羧酸作為HBD時，木質素脫除率隨HBD酸性的增加而增加，與文獻[15]報道結果一致（圖2（a））。相同碳原子的二元羧酸（草酸、琥珀酸）的脫木質素效率高于一元羧酸（乙酸、丁酸）。ChCl/OA和ChCl/FA木質素脫除效果最佳，木質素脫除率約為90%，且纖維素保留率接近100%。然而，由于DES的酸性，大部分的半纖維素也被脫除。ChCl/OA和ChCl/FA的半纖維素脫除率分別為80%和60%。考慮到ChCl/FA的黏度比常用的DES（ChCl/LA、ChCl/GL、ChCl/尿素）的黏度更低，有利于預處理過程中的傳質和后續處理，選擇ChCl/FA(圖3)作為深入研究的DES。

圖2 ChCl/羧酸組合及ChCl：FA比例對對楊木預處理的作用Figure 2 Effects of different DES combinations and molar ratios of ChCl to FA on poplar pretreatment reaction conditions: 0.5 g poplar wood powder, 10 g DES(HBA:ChCl); (a) molar ratio of ChCl to HBD is 1∶1, 90 ℃,8 h; (b) the molar ratio of ChCl to HBD is 1:2, 90 ℃, 8 h

圖3 低共熔溶劑分子結構示意圖Figure 3 Molecular structure of deep eutectic solvent

為了進一步優化楊木預處理效果，考察了HBA與HBD的物質的量比、反應溫度和反應時間對三組分脫除率和木質素回收率的影響（圖4）。由圖2（b）可知，ChCl有一定的脫除木質素作用。然而木質素脫除率僅30%，因為ChCl僅能削弱氫鍵，而其斷鍵能力較弱（圖5）。而FA起到斷裂醚鍵、酯鍵的作用(圖5)，其中，半纖維素和木質素之間的醚鍵和酯鍵更容易被斷裂。結果表明，FA與ChCl共熔形成DES后，木質素脫除率顯著增加。此外，由于FA與ChCl形成氫鍵，溶液中H+濃度降低，纖維素脫除率顯著降低。

因此，ChCl/FA同時起到了弱化氫鍵和斷裂醚鍵、酯鍵的作用（圖5）。ChCl和FA物質的量比為 1∶2時，木質素的脫除率最高（91%）。ChCl和FA物質的量比大于1∶2時，木質素脫除率和回收率均逐漸降低。

圖5 ChCl/FA分離三組分的示意圖Figure 5 Schematic diagram of ChCl/FA separation of three components

反應溫度60-80 ℃時，木質素脫除率緩慢增加（44%-52%）(圖4（a）)。當溫度升到 90 ℃（硬木木質素的玻璃化轉變溫度）時，為斷裂木質素和半纖維素的醚鍵提供了足夠的能量，木質素脫除率急劇增加到91%，半纖維素脫除率也顯著增加至76%。然而，當溫度繼續升高時（120-150 ℃），纖維素和半纖維素的脫除繼續增加，而木質素的脫除率卻減低。

隨著反應時間從4 h延長到8 h，木質素和半纖維素脫除率增加（圖4（b））。繼續延長反應時間，木質素和半纖維素脫除率保持不變，而木質素回收率略有減低，這是因為木質素在DES中可能發生解聚轉化為單體。纖維素脫除率略有增加，這是由于不穩定的纖維素非結晶區的脫除導致的，與固體殘渣的XRD結果相對應（圖8（e））。

圖4 反應溫度和時間對楊木預處理的作用Figure 4 Effects of reaction temperature and time on the pretreatment of poplar wood reaction conditions: 0.5 g poplar wood powder, 10 g DES (HBA:ChCl); (a) : molar ratio of ChCl to FA is 1:2, 60-150 ℃, 8 h;(b): molar ratio of ChCl to FA is 1∶2, 90 ℃, 4-24 h

2.2 DES預處理過程中三組分的結構演變規律

2.2.1 固體殘渣的顆粒尺寸及表面形貌變化

楊木粉顆粒約1 mm長、500 μm寬，其表面覆蓋著片狀的木質素-半纖維素復合物(圖6（a）、6（d）)。FA預處理后，固體殘渣顆粒長度不變，寬度減小為30-100 μm，表面殘留大量100-200 nm的木質素納米顆粒（半纖維素完全脫除，圖6（b），6（e）)。在酸性條件下，木質素的 Cα-OH 容易與H+結合脫水得到C+離子，該C+離子容易與另一個木質素分子的苯環發生親電取代得到由C-C鍵連接的聚合物[16]。這些聚合物難以被解聚且容易附著在固體殘渣表面 (圖6（e）)。DES（ChCl/FA）預處理后，固體殘渣尺寸也顯著減小，而且由于木質素的大量脫除，固體殘渣表面比較光滑 (圖6（c）、6（f）)。

圖6 楊木和固體殘渣的SEM照片Figure 6 SEM images of poplar wood and solid residue (a), (d) = poplar wood powder; (b), (e) = solid residue after FA treatment;(c), (f) = solid residue after ChCl/FA (1∶2) treatmen

2.2.2 固體殘渣的組成、化學結構及晶體結構

為了深入研究固體殘渣的組成、化學結構及晶體結構，采用FT-IR和XRD對固體殘渣進行結構表征。FT-IR吸收峰對應的官能團歸屬參考文獻[17,18]。

如圖7（a）所示，1737 cm-1處的強峰為酯基的C=O伸縮振動，表明楊木的半纖維素含有酯基、乙酰基或糖醛酸基或者木質素中含有羧基（少量）。

圖7 ChCl/羧酸預處理楊木得到的固體殘渣的 FT-IR（a）,（c）和 XRD 譜圖 (b）,（d)Figure 7 FT-IR spectra (a), (c) and XRD patterns (b), (d) of the solid residue obtained by ChCl/carboxylic acid pretreatment of poplar wood

ChCl/羧酸（物質的量比為1∶1）預處理后，1737 cm-1峰仍存在，說明半纖維素未能完全脫除（圖7（a）和 7（c））。OA 為 HBD 時，1737 cm-1峰強度最弱，說明ChCl/OA脫半纖維效果最佳，與成分分析結果一致（圖2（a））。1597 、1510 、1460 和 1423 cm-1處的紅外峰為木質素苯環的特征峰，ChCl/OA、ChCl/FA和ChCl/LA預處理后木質素的特征峰顯著減弱，說明這三種DES具有優良的脫木質素的效果。1375 、1318 、1264 、1160 、1112 和 1060 、1024 、991 和898 cm-1處的吸收峰為纖維素特征峰，其中，1375 、1318 和 898 cm-1是 I型纖維素的紅外特征峰，表明ChCl/羧酸預處理不會改變纖維素晶形。1264 和1060 cm-1分別對應纖維素葡萄糖環的C2/C3位COH面內彎曲振動和C3位的C-O伸縮振動。當HBD為 FA、LA和MA時，1264 cm-1處的峰強度明顯減弱，而1060 cm-1峰強度無明顯變化，可能是因為部分纖維素葡萄糖環的C2位結構發生反應，如脫水。固體殘渣的XRD衍射峰主要有 15°、16.6°、22.5°、34.5°，分別對應 I型纖維素的(101)、(10)、(002)和(040)晶面（圖7（b）、7（d）），且只有 710 cm-1處的峰，說明固體殘渣中纖維素晶型均為Iβ型，與FT-IR分析結果一致[19]。固體殘渣結晶度(55%-66%)均高于原料（楊木）(54%)，這是因為半纖維素和木質素的脫除，固體殘渣中纖維素比例增加。

如圖8 所示，ChCl∶FA 物質的量比為 1∶1-0∶1，半纖維和苯環特征峰的強度明顯減弱，說明大部分半纖維素和木質素在ChCl/FA預處理下脫除。

圖8 ChCl∶FA比例、反應溫度和時間對固體殘渣化學結構的影響Figure 8 Effects of molar ratios of ChCl∶FA, reaction temperature and time on the chemical structure of the solid residue(a), (c), (e): FT-IR spectra; (b), (d), (f): XRD patterns

同時，纖維素葡萄糖單元C6位特征峰（1318 、1234 cm-1）的強度也明顯減弱，說明纖維素的葡萄糖單元C6位會在酸性條件下發生轉化（如脫水）。固體殘渣結晶度隨著ChCl∶FA物質的量比先增加后減少，ChCl∶FA物質的量比為1∶2時結晶度最高，為70%。固體殘渣結晶度降低的原因有以下幾點。隨著FA物質的量比增加，反應體系中酸性越強（H+濃度增加），伯羥基含量更少，導致纖維素葡萄糖鏈之間的氫鍵減少，纖維素晶體結構被破壞。反應體系中H+濃度增加，導致大量木質素重聚并附著在固體殘渣表面，導致固體殘渣纖維素純度降低。1060 和898 cm-1為纖維素糖苷鍵的特征峰，提高反應溫度或延長反應時間均不能減弱這兩個峰的峰強度，說明糖苷鍵具有高度穩定性，所以DES處理后大部分纖維素能以固體的形式保留下來（圖8(c)、8(e)）。由于半纖維素和木質素的高效脫除和糖苷鍵的穩定性，固體殘渣均保持高結晶度。但120-150 ℃時由于木質素在纖維素表面的重聚，導致固體殘渣結晶度降低（圖8（c）、8（d））。

2.2.3 提取木質素化學結構及分子量分布

提取木質素的主要紅外吸收峰為木質素特征峰（圖9、圖10），表明提取木質素具有高純度。當LA、MA、SA、AA、BA、IA作為 HBD時，1737 cm-1吸收峰強度較大，說明半纖維素與木質素相連，這幾種羧酸不能促進半纖維素和木質素之間的酯鍵、醚鍵斷裂，而其余FA和GA羧酸與ChCl組合具有良好的斷鍵效果。1268 、920 和1160 cm-1分別為G型、S型和PB型木質素特有的吸收峰，分別對應G型木質素苯環C-H伸縮振動，S型木質素苯環C-H面外彎曲振動和PB型共軛酯鍵C=O振動，表明該木質素類型為G/S/PB型。1510 和1460 cm-1為木質素苯環骨架振動和C-H面內彎曲振動，兩者的峰高比較可以用于判斷G型和S型木質素比例：1510 cm-1峰越高，G型木質素含量越多。

從圖9和圖10可知，1460 cm-1峰高略高于1510 cm-1，表明G型木質素含量等于或略低于S型木質素[20]。1268 cm-1處的峰強度不受羧酸種類、ChCl∶FA物質的量比、預處理溫度（≤ 120 ℃）和時間變化而變化，說明G型木質素在預處理過程中穩定性相對較高。920 和1160 cm-1通常吸收較弱，所以其變化不明顯，很難用于判斷S型和PB型木質素相對含量的變化。因為G/S比例變化不大，所以S型木質素預處理過程中也能穩定存在。

圖9 ChCl/羧酸和ChCl/FA物質的量比對提取木質素結構的影響Figure 9 Effects of the ChCl/carboxylic acid and molar ratio of ChCl∶FA on the structure of the extracted lignin(a), (b): FT-IR spectra

1717 cm-1處吸收峰主要來自于苯環側鏈非共軛酮（脂肪酮）的C=O伸縮振動，OA、FA、GA、BA和IA為HBD時峰強度較高，說明這些ChCl/羧酸均能促進木質素側鏈轉化為Cβ酮（可能通過側鏈脫水生成）。150 ℃時，所有木質素特征峰強度均減弱，說明高溫下木質素結構被嚴重破壞。

為了研究木質素在預處理過程木質素的解聚和重聚情況，采用GPC分析了提取木質的相對分子質量分布，如圖10（a）和10（b），表1 所示。90 ℃ 時，提高預處理溫度（120-150 ℃）或者延長反應時間（8 -16 h），大部分大相對分子質量分子（1000-4000）向小分子平均區域遷移，小部分向更大相對分子質量區域遷移（＞ 4000）。相應地，提取木質素的平均相對分子質量(Mw)和相對分子質量分布系數（D）顯著減少，說明升溫或延長反應時間木質素主要發生解聚，但是也會出現少量重聚現象，為升溫時木質素脫除率減少提供了證據。ChCl/FA在90 ℃下預處理16 h，提取木質素Mw僅750，相對分子質量分布系數接近1。然而，預處理時間延長，木質素重聚越嚴重，導致相對分子質量分布系數（D）增大。

表1 不同溫度和處理時間下木質素的GPC分析Table 1 GPC analysis of lignin extracted at different temperatures and treatment times

圖10 預處理溫度和時間對提取木質素化學結構（a），（b）FT-IR 譜圖的影響Figure 10 Effects of pretreatment temperature and time on the chemical structure of extracted lignin (a), (b) FT-IR diagram

為了深入研究ChCl/FA提取木質素的結構特點，采用了HSQC NMR對提取木質素進行表征，結果如圖11和表2所示。

楊木磨木木質素含氧側鏈區（50-90/2.5-6，圖11（a））主要出現甲氧基和三種單元間連接鍵的13C-1H 交聯信號（β-O-4、β-β、β-5）。β-O-4為主要連接鍵，數量為43/100Ar (每100個苯環含有43.4個β-O-4鍵)，占所有連接鍵數量的77.9%。β-O-4主要存在于子結構A中，少量在Cγ-OH乙酰化的 A 中 (即 A′)（表2）。β-β 和 β-5分別存在于子結構B和C中，β-β和β-5的相對含量分別為15.4%和6.7%。

ChCl/FA預處理提取的木質素單元間主要連接鍵仍為 β-O-4、β-β 和 β-5（圖11（c）），但總數量從55.8/100Ar減少至37.1（表2），表明木質素在預處理過程中發生了解聚。β-O-4數量為30.6/100Ar，占所有連接鍵的84.8%，占磨木木質素的β-O-4數量的71%，說明β-O-4在ChCl/FA提取過程中較穩定。Aβ′（81.6/4.6）和 Aγ′（63.0/4.36 ）處的信號明顯增強，表明部分A子結構Cγ-OH位與甲酸或乙酸發生酯化反應從而轉化為A′。162.8/8.2 出現的強烈信號是由于甲酯結構的C-H共振引起的，證明了甲酯結構的存在。乙酸由半纖維素木糖乙酰基水解而來，脂肪區21.36/2.0為乙酯結構上甲基的C-H共振信號，該信號的增強證明了乙酯結構的增多。

表2 木質素中的主要連接鍵及結構單元Table 2 Main interlinkages and units in lignin

此外，74.53/6.0 處出現了微弱信號，這是由Ar-HCα-O(O)C-的 Cα-Hα共振引起的，表明子結構A′的Cα-OH也會發生酯化反應從而轉化為A′。預處理后，40%子結構A酯化轉化為A′，3%酯化轉化為A。β-β數量為2.9/100Ar，僅為磨木木質素的β-β數量的23%，表明ChCl/FA預處理對子結構B具有良好的解聚效果。β-5數量無明顯變化，說明子結構C在ChCl/FA預處理過程具有高度穩定性。芳環區（100-135/6-8 ，圖11（b）和 11（d））主要出現G、S和PB單元苯環的13C-1H交聯信號，表明楊木木質素為G/S/PB型木質素，且預處理后沒有新的結構單元出現。楊木磨木木質素的G/S/PB 比例為 43∶47∶10，而提取木質素的 G/S/PB為39∶53∶8，表明，ChCl/FA預處理過程中S 單元的穩定性更高，G單元和PB單元容易轉化或分解。

圖11 MWL = 楊木磨木木質素（a）, （b）和 DESL = DES 提取木質素 (c), (d) HSQC NMR 譜圖Figure 11 HSQC NMR spectra of poplar milled wood lignin=MWL (a), (b) and DES extracted lignin=DESL (c), (d)(a), (c): side chain region; (b), (d): aromatic ring region

核磁結果表明，ChCl/FA提取的木質素單體 S單元含量更高，且β-O-4含量高達84.8%。

3 結 論

本研究發現，在溫和條件下（90 ℃），氯化膽堿/甲酸中預處理楊木的木質素脫除率高于90%，木質素提取率和純度高達63%和90%；半纖維素脫除率為76%。葡萄糖糖苷鍵穩定性高，所以纖維素保留率 ＞ 98%，纖維素晶型不變（Iβ型），固體殘渣結晶度高達70%。提取木質素平均相對分子質量為1400，相對分子質量分散系數接近1。提取木質素較磨木木質素結構較完整，其保留了木質纖維素中71%的β-O-4鍵，而且S單元穩定性高。提取木質素中β-O-4含量高達84.8%，S單元相對含量增加。提取木質素具有高反應活性，有利于后續解聚為具有高附加價值的單酚。