酸性助水溶劑脫除木質素機理分析

王敏，程金蘭，李鑫，2，陸晶晶，尹崇鑫，3，戴紅旗

（1 南京林業大學江蘇省制漿造紙科學與技術重點實驗室，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； 2 東北林業大學，黑龍江哈爾濱 150040； 3 山東世紀陽光紙業集團有限公司，山東濰坊 262400）

引 言

木質素是由香豆醇（p-coumaryl alcohol，Hunit）、松柏醇（coniferyl alcohol，G-unit）及紫丁香醇（sinapyl alcohol，S-unit）三種不同的苯丙烷基前體，在植物體內過氧聚合酶的作用下，首先形成酚氧自由基及其共振碳自由基，進一步通過形成不同β、α-O-4 等芳醚鍵和β 芳醚、5-5、β-5 和β-1 等碳碳鍵，構成的具有無定形三維網狀結構交聯大分子。此外，在木質素形成過程中，纖維素和半纖維素中活潑羥基結構會進一步地參與進攻木質素形成過程中的活潑亞甲基醌、羥基、羰基等位點，形成穩定的醚類和酯類共價鍵。另外，考慮到不同木質素之間及其與相鄰碳水化合物高分子之間的穩定復雜的氫鍵作用，木質素、纖維素和半纖維素等緊密地結合在一起，構成植物體內穩定的木質素纖維素細胞骨架，使植物細胞壁結構對生物和化學結構作用有天然抵抗性，即生物質頑抗性。然而，上述的穩定結構導致的后果就是木質纖維素生物質各組分間的分離以及后續精煉轉化異常困難。針對后續木質纖維素生物質原料進行高效轉化需求，首先要進行木質纖維素各組分的分離或高效木質纖維素的預處理，通過脫除木質素、降解半纖維素等方式破壞木質素與半纖維素對纖維素的包裹[1]，提高纖維素的可及度及疏松性，促進天然高分子結構分解成為易被微生物利用的結構，如促進酶與底物的接觸提高后續酶解效率等[2-3]。截至目前，實現針對木質素纖維素中木質素與半纖維素移除破壞的預處理方法已經有廣泛的報道，包括酸處理法[4]、堿處理法[5]、有機溶劑處理法[6]、離子液體處理法[7]等，這些方法大都存在需要高溫高壓反應條件或生產成本高等問題[8]。因此，如何在溫和條件下實現木質纖維素原料中木質素和半纖維素的高效移除仍然是一件具有實際應用背景意義的挑戰性工作。

助水溶劑是一類在水溶液中能與疏水性有機物相結合從而增加其溶解度的兩親性化合物[9-10]，代表性的助水溶劑有基于甲苯、二甲苯和異丙苯的烷基苯磺酸鹽、多酚、低烷醇鈉鹽和芳香酸類衍生物，如二甲苯磺酸鈉、異丙苯磺酸鈉、對甲苯磺酸等[11-13]。助水溶劑在藥物制備與化工分離領域有著廣泛的應用。同時，基于助水溶劑分離反應條件相對緩和、工藝相對簡單且能耗較低[14-15]，試劑能多次循環回用、環境友好，以及將分離廢液稀釋達到最小 助 溶 濃 度（minimum hydrotrope concentration，MHC）后可聚沉得到高分子量的木質素的特點，近年來，助水溶劑在高效脫除木質素領域的應用受到人們關注。Mou 等[16]比較了助水溶劑二甲苯磺酸鈉與乙醇的組分分離工藝，發現添加助水溶劑相比于單一有機溶劑具有更高的木質素脫除率，后續針對固體纖維素底物的酶水解產率也更高；Ansari 等[17]通過對比二甲苯磺酸鈉、異丙苯磺酸鈉、正丁基苯磺酸鈉等多種助水溶劑處理甘蔗渣，發現最高可以脫除近85%的木質素；Chen 等[18]發現在80℃下使用質量分數為80%的酸性助水溶劑TSA 處理楊木粉，表現出比上述鹽基助水溶劑更高的木質素脫除效率，20 min 內楊木木質素的脫除率可達到90%以上。Wang 等[19]進一步研究發現，使用流動式TSA 組分分離處理過程可以進一步地強化傳統的間歇式處理過程，并且流動式處理過程表現出略高的木質素脫除率，并且得到的木質素產品中β 芳醚鍵含量高，更有利于后續制備芳香化學品單體。此外，Cai等[20]用MA 酸性助水溶劑處理樺木粉，分離得到的木質素產品比TSA 處理的縮聚程度低且顏色淺，固體殘渣的酶水解效率高。Zhai等[21]發現5-磺基水楊酸(5-SSA)在最佳條件下(80%（質量）5-SSA 水溶液，110℃,60 min)，木質素脫除率為70%。綜上所述，酸性助水溶劑因其高效的木質素脫除效果，使其成為了近年來木質纖維素組分分離過程研究的熱門手段之一。有關酸性助水溶劑的脫木質素機理，不同的研究團隊給出了不同的模型解釋，相關的代表性機理模型有：（1）氫鍵輔助溶解模型，助水溶劑與木質素之間通過形成氫鍵促使其溶出[21]；（2）酯鍵促進溶解模型，木質素活潑羥基與酸性助水溶劑中的有機/無機酸根發生酯化反應促使其溶出[22]。然而，木質纖維素預處理實現木質素溶出是一個復雜綜合的問題，除了上述氫鍵和酯鍵形成的促進因素外，需要更加系統地研究各個實驗變量對于最終脫木質素結果的影響。

助水溶劑與表面活性劑不同，疏水端相對較短，親水/親油平衡值要高得多，因此相比使用表面活性劑促進不溶性溶質在水中增溶，助水溶劑中親水結構需要較高的濃度水平[23]，所以文獻中報道的助水溶劑的質量分數一般都維持在50%～80%。助水溶劑分子表面活性溫和，關于助水溶劑分子如何增強疏水分子在水體系中的溶解度有幾種假設：（1）助水溶劑分子的自聚集、助水溶劑誘導下的水結構斷裂和助水溶劑-溶質復合物的形成等；（2）在水溶液中，助水溶劑分子的聚集傾向，促進有機溶質增溶，助水溶劑自組裝的增溶作用也被廣泛接受[23]。雖然酸性助水溶劑有較好的脫木質素效果，但有關木質素的助溶以及聚集機理尚不明確。通過不同酸性助水溶劑的分析比較，可以更好地認識酸性助水溶劑的木質素助溶機理。

桉木是世界三大速成樹之一，生長快且廣泛存在于我國南方地區，資源豐富，是我國制漿工業常用的樹種之一[24]。本研究將考察TSA 和MA 兩種酸性助水溶劑對桉木木質纖維素組分分離過程的促進效果，結合不同酸性助水溶劑組分分離的反應歷程、各組分的化學結構變化、酸性助水溶劑的潤濕作用以及木質素聚集體性質分析等展開脫木質素反應機理研究。研究可為桉木等闊葉速生材的酸性助水溶劑組分分離工藝及優化分離產物的后續高值化利用研究提供理論參考，助力實現“雙碳”戰略目標。

1 實驗材料和方法

1.1 實驗原料和試劑

1.1.1 實驗原料 本實驗所用的桉木片由江蘇王子制紙有限公司提供，品種為澳洲藍桉，使用前統一剪成火柴桿粗細。

1.1.2 實驗試劑 對甲苯磺酸，純度≥99.5%，上海凌峰化學試劑有限公司；馬來酸，純度≥99.0%，國藥集團化學試劑有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 酸性助水溶劑組分分離實驗 根據文獻[15]與預實驗，進行了正交實驗設計[25]，各參數水平見表1和表2。

表1 TSA實驗因素設計Table 1 TSA experiment factors design

表2 MA實驗因素設計Table 2 MA experiment factors design

實驗步驟：將20.0 g（絕干）桉木片原料和不同質量分數的酸性助水溶劑分別油浴加熱到反應溫度后，按質量比為1∶10 將兩者混合，反應在500 ml三口燒瓶中進行，配用冷凝管回流裝置，攪拌并計時，到預設反應結束時間后加入200 g去離子水快速冷卻，隨后用布氏漏斗墊化學快速定量分析濾紙快速過濾，分離得到纖維固體組分與液體組分，纖維固體組分用去離子水洗至中性并收集，密封后冷藏保存。取20 ml 液體組分留樣進行成分分析，其余加水稀釋至MHC 以下，經沉淀、離心、透析、冷凍干燥得到酸性助水溶劑木質素產品[15]，密封儲存備用。

1.2.2 固體組分及原料化學成分分析 水分測定根據GB/T 741—1989，灰分測定根據GB/T 2677.3—1993。苯醇抽提物測定根據GB/T 10741—1989，木質素及糖類組分含量測定根據NREL/TP-510-42618 標準。其中HPLC 色譜柱為Waters XBridge Amide 3.5 μm(4.6 mm×150 mm)，柱溫固定為35℃，流動相為去離子水和乙腈的混合物，比例為2∶3，流量為0.3 ml/min。

固體組分的得率計算公式如式（1）所示；木質素脫除率計算公式如式（2）所示；聚糖的保留率計算公式如式（3）所示。

1.2.3 固體組分纖維形態分析 將固體纖維組分用纖維標準疏解機疏解分散，將疏解后的固體組分配制成40 mg/L 的纖維懸浮液，利用Morfi Compact型纖維質量分析儀進行質量分析。取一滴懸浮液于載玻片上，蓋上蓋玻片，用SMZ-168 型光學顯微鏡觀察分析。

1.2.4 液體組分化學成分分析 取1 ml 液體組分樣品，用0.3 mol/L 的NaOH 溶液中和至近中性，離心，取上清液用0.22 μm 濾膜過濾后，采用HPLC 檢測液體組分中單糖的含量。色譜條件同1.2.2節。

1.2.5 濾液中木質素聚集態分析 取1 ml 液體組分樣品，配制梯度濃度樣品，用CR 21 GIII型離心機進行離心，離心加速度為3000g，取上清液用Zetasizer Nano-Zs 型動態光散射儀進行粒徑分析，每個樣品進行3次循環測量，取平均值。

1.2.6 紅外光譜分析 纖維固體組分105℃烘至絕干，用粉碎機粉碎后，取過篩分0.125 mm 樣品進行紅外光譜檢測，木質素直接用冷凍干燥產品。將樣品與溴化鉀按1∶100 的比例進行混合，研磨均勻并壓片后，采用VERTEX 80V 型傅里葉變換紅外光譜儀進行分析檢測，掃描范圍為4000～400 cm-1，分辨率為4 cm-1，掃描次數為32次。

1.2.7 二維核磁波譜（2D-HSQC）測定 磨木木質素制備[26]：經苯醇抽提木粉真空干燥后進行球磨，球磨速度為600 r/min，每次球磨5 min 后暫停10 min，球磨有效時間為5 h。球磨后的木粉用二氧六環/水（96∶4，體積比）溶劑抽提，重復3 次。將3 次得到的上清液混合，旋轉蒸發除去溶劑后得到粗木質素。再逐滴加入少量的90%醋酸溶解粗木質素，溶解后加入少量水（醋酸體積的10倍）進行磁力攪拌，分離得到木質素，多次加水直至醋酸被洗凈，進行冷凍干燥后得到磨木木質素。

木質素2D-HSQC 測定：稱取60.0 mg 木質素樣品溶于0.6 ml 氘代二甲亞砜∶吡啶（4∶1）混合溶劑中，利用AVANCE III HD 型600 MHz 核磁共振譜儀對樣品進行分析。1H 及13C 兩個維度的譜寬分別為9615 Hz 和34710 Hz。1H 維度的采樣點數為1024，弛豫時間為1.5 s，累加108 次，13C 維度的采樣點數為256，碳氫耦合常數為145 Hz，二維核磁數據采用Bruker topspin 4.1.3軟件進行分析。

1.2.8 酸性助水溶劑溶液接觸角測定 配制不同質量分數的TSA 和MA 溶液，用T200-Auto3 Plus 型光學接觸角測試儀檢測分析，實驗在室溫下進行，液滴量設定為40 μl，用聚四氟乙烯平板模擬木質素疏水表面，測定助水溶劑在聚四氟乙烯平板表面上的接觸角。

2 結果與討論

2.1 桉木片原料化學成分分析

對桉木片原料進行粉碎后，過篩收集0.3～0.45 mm樣品，進行化學成分分析，結果見表3。

表3 桉木片原料化學成分Table 3 Chemical composition of eucalyptus chip material

桉木是典型的闊葉材，原料中灰分、苯醇抽提物等質量分數較低[24]，酸不溶木質素質量分數較高，達22.89%，桉木原料中糖類組分主要為葡聚糖和木聚糖，分別為36.54%和14.55%。

2.2 不同酸性助水溶劑組分分離工藝對桉木片化學組分的影響

用不同的酸性助水溶劑在不同反應條件下，對桉木片進行組分分離實驗。分離后的各組分的化學成分分析結果見表4，正交實驗極差分析結果見表5、表6。

由表4可以看出，隨著TSA和MA的質量分數增加、溫度升高且時間延長，組分分離后纖維固體組分中的酸不溶木質素含量急劇降低，說明酸性助水溶劑對桉木木質素脫除效果良好。表5、表6 表明，TSA和MA組分分離的三個因素A（質量分數）、B（反應溫度）、C（反應時間）中都是第三個水平對木質素脫除率的影響最大。其中TSA 的最優處理條件為A3B3C3，TSA 實驗極差結果表明三個因素影響排名為：反應溫度＞反應時間＞質量分數；MA 的最優處理條件也是A3B3C3，極差分析發現三個因素影響排名順序依次為：反應時間＞質量分數＞反應溫度。

表4 分離組分的化學成分Table 4 Chemical composition of fractions

表5 TSA正交實驗與極差分析Table 5 TSA orthogonal experiment and range analysis

表6 MA正交實驗與極差分析Table 6 MA orthogonal experiment and range analysis

TSA 是一種不具氧化性的有機強酸，質量分數和溫度的增加會加速其促進半纖維素的降解[27]，半纖維素降解后主要以單糖的形式存在，在表4 中可以看到，固體組分中木聚糖質量分數越低，液體組分中木糖的質量分數越高。半纖維素的適度降解有利于斷開LCC 鍵連接從而促進木質素的溶出與脫除，但是半纖維素過度降解會導致固體組分得率降低。MA 是一種非芳香二羧酸，在低溫下的溶解度較低，酸性弱于TSA，MA 的pKa=1.9，TSA 的pKa=-2.8[28]。MA 反應過程與TSA 一樣，隨著反應條件加劇，半纖維素降解程度增加，木質素脫除率也相應增加。為了達到較高的木質素脫除效果，又防止半纖維素過度降解，可以適當延長反應時間。在酸性助水溶劑處理過程中纖維素組分的保留率較高，TSA 處理后的纖維素保留率在98%以上。MA 處理溫度較高，對纖維素有一定的降解，處理后纖維素保留率可以達到90%左右。

2.3 酸性助水溶劑脫木質素動力學與半纖維素降解動力學

組分分離效率和反應劇烈程度密切相關，通常需要建立反應動力學模型來表征兩者的關系。木質纖維素原料組分分離過程的各組分的溶出主要影響因素有溫度、時間以及化學品的濃度等。復合水解因子（combined hydrolysis factor,CHF）[29]與復合脫木素因子（combined delignification factor，CDF）[30]可以分別表征木聚糖的降解動力學[31]和木質素的脫除動力學[32-33]，其中CDF 計算公式如式（4）和式（5）所示，CHF計算公式如式（6）和式（7）所示：

式中，C為TSA或MA的濃度，mol/L；R為氣體常數，8.314 J/（mol·K）；t為反應時間，min；T為反應溫度，K；E和E′為反應活化能，J/mol；α、α′與β、β′為擬合參數；θ和θ′分別為慢速脫木質素系數和慢速水解木聚糖降解系數；f為慢速脫木質素與快速脫木質素的反應速率之比；f′為慢速木聚糖降解與快速木聚糖降解的速率之比；θRe和θ′Re分別為殘余木質素系數和殘余木聚糖系數。根據表4 中的數據，用規劃求解方法求出式（4）～式（7）中的各參數值，見表7。為了更好地反映脫木質素和半纖維素降解的動力學，根據正交分析得到的最優條件，補充了TSA 和MA 的A3B3C3 實驗一起進行CDF 和CHF 分析。其中TSA（P55T90t90）的木質素脫除率和木聚糖降解率分別為67.99%與84.03%，MA（M70T140t180）的分別為66.31%和86.82%。

表7 式（4）～式（7）擬合參數Table 7 Fitting parameters for Eqs.（4）—（7）

將所得的擬合各參數分別代入式（4）和式（6）中，繪制CDF曲線和CHF曲線，見圖1。

將表7 各擬合參數分別代入式（5）和式（7）中，得到桉木片TSA 和MA 組分分離的CDF 值和CHF值，見表8。

表8 TSA、MA組分分離的CDF和CHF值Table 8 CDF and CHF values of TSA and MA fractionation

圖1四條曲線說明酸性助水溶劑組分分離反應存在快速反應和慢速反應兩個階段，TSA 的CDF 曲線轉折點處的反應條件和CHF 轉折點處的條件相同（P40T80t90，P25T90t90 附近），MA 的CDF 轉折點處和CHF 轉折點處的條件也相同（M55T120t180，M40T140t180 附近），表明在TSA 和MA 組分分離過程中木質素的脫除率與木聚糖降解趨勢一致。說明在酸性助水溶劑體系中木質素脫除和半纖維素的降解是同步的，半纖維素的降解有助于木質素的脫除。從圖1 中TSA 和MA 的曲線看到理論脫木質素率（CDF 曲線）和半纖維素降解程度（CHF 曲線）與實際測得的數據吻合度較高，擬合的相關系數R2都在0.99 以上，采用的動力學模型可以較好地反映桉木片原料在TSA 和MA 處理中的反應歷程。在同一條曲線上CDF 或CHF 值越大，說明該反應條件的反應強度越高，在快速反應階段反應條件比較溫和，酸性助水溶劑的質量分數相對較低，或反應時間短，或反應溫度較低，木質素的脫除率隨著反應條件的加劇而增加；慢速反應階段反應比較劇烈，木質素的脫除率開始趨于穩定，木質素在劇烈條件下既可以發生分子間的縮合又可以發生分子內的縮合，縮合反應會導致木質素分子量增大，在一定程度上影響木質素的溶出[34]。

圖1 TSA[(a),(c)]、MA[(b),(d)]組分分離的CDF、CHF曲線Fig.1 CDF and CHF curves of TSA[(a),(c)]and MA[(b),(d)]

2.4 固體組分纖維形態分析

纖維固體組分在光學顯微鏡100 倍圖像如圖2所示；TSA 和MA 處理后纖維固體產物的纖維質量分析結果見表9。

表9 TSA和MA固體組分纖維質量分析Table 9 Fiber quality analysis of TSA and MA solid fraction

在反應強度較低時，即TSA 的CDF 值小于3000 min·mol/L，MA 的CDF 值小于100 min·mol/L時，固體組分中纖維解離不完全，從圖2中可以看到有未解離的纖維束，此時木質素脫除率和半纖維素降解率也都不高（表4）。隨著CDF、CHF 值逐漸增加，木質素脫除率和半纖維素降解程度也逐漸增加，當增加至曲線轉折點附近時，纖維解離較徹底，纖維形態較完整，平均長度較大，卷曲指數高，P40T80t90 卷曲指數為6.4%，M55T120t180 為5.8%，纖維較柔軟。CDF 值進一步增加時，纖維斷裂程度也隨之增加，TSA 超過15000 min·mol/L，MA 超過310 min·mol/L時，雖然木質素脫除率高，但是固體組分纖維斷裂嚴重，很難找到形態完整的纖維，細小纖維組分超過50%。要得到形態完整且分離徹底的纖維固體組分，最好控制在CDF曲線的轉折點附近。

圖2 TSA（a）、MA（b）固體組分光學顯微鏡圖（100倍）Fig.2 Microscope images of the solid fraction of TSA(a)and MA(b)（100倍）

2.5 紅外光譜分析

參考CDF 曲線轉折點，分別選取不同CDF 值的TSA、MA 三組反應條件的固體組分以及木質素樣品進行紅外光譜分析，結果見圖3、圖4。

圖中3430 cm-1處主要為—OH 伸縮振動，2930 cm-1處為—CH3、—CH2、—CH伸縮振動，1730 cm-1處吸收峰主要為C==O 伸縮振動，1630 cm-1處主要是木質素的C==O 引起的伸縮振動，1510 cm-1和1460 cm-1處主要為苯環骨架振動和—CH2變形振動，1380 cm-1和1320 cm-1主要為纖維素和木質素的—CH 彎曲振動，1225 cm-1主要為木質素結構C—O 鍵引起的振動，1110 cm-1主要為苯環內—CH伸縮振動，1090 cm-1和1050 cm-1主要為纖維素和半纖維素的C—O—C 和C==O 引起的振動，890 cm-1處主要為β-糖苷鍵振動[35-36]，917 cm-1和873 cm-1處為木質素單元的C—H平面外變形振動。從圖3可以看出，與原料相比，不同酸性助水溶劑處理后得到的固體組分主要官能團的吸收峰位置未發生變化，化學組成基本相同，沒有發現新的官能團。圖4 中顯示兩種不同酸性助水溶劑處理的木質素主要官能團結構也相同，不同酸性助水溶劑處理對各組分化學結構的變化影響較小。

圖3 TSA（a）、MA（b）處理后固體組分的紅外光譜圖Fig.3 FTIR spectrum of the solid fraction of TSA(a)and MA(b)

圖4 TSA（a）、MA（b）處理后木質素的紅外光譜圖Fig.4 FTIR spectrum of lignin of TSA(a)and MA(b)

2.6 二維核磁（2D-HSQC）譜圖分析

2D13C-1H HSQC NMR 可以確定用13C或1H一維譜圖無法識別的特定碳官能團[37-38]，為了進一步探究酸性助水溶劑木質素結構的變化，取2.5 節中的酸性助水溶劑木質素產品進行2D-HSQC 結構表征，并與桉木MWL 進行比較，得到的木質素2DHSQC 譜圖見圖5，其中譜圖的側鏈區（δC/δH 50～90/2.0～6.0）和芳香區（δC/δH 90～150/6.0～8.0）的木質素主要相關信號歸屬[39-40]見表10。

表10 木質素2D-HSQC信號歸屬Table 10 Assignments of the lignin13C-1H correlation peaks in the 2D-HSQC spectra of lignin

圖5 木質素脂肪族和芳香族區域的2D-HSQC譜圖Fig.5 The aromatic regions(δC/δH 90—150/6.0—8.0)and aliphatic region(δC/δH 50—90/2.0—6.0)of lignin in 2D-HSQC NMR spectra

木質素連接鍵的含量用2D-HSQC 進行半定量分析計算[15]，其中總芳香族含量的計算公式為：I(C9)=0.5I(S2/6)+0.5I(S′2/6)+I(G2)+I(G′2)+I(Scon)；連接鍵含量計算公式為：β-O-4=100×I(β-O-4)/I(C9)；β-β=100×I(β-β)/I(C9)；β-5=100×I(β-5)/I(C9)；芳香族相對含 量 計 算 公 式 為：S=100×0.5I(S2/6)/I(C9)；S′=100×0.5I(S′2/6)/I(C9)；G=100×I(G2)/I(C9)；G′ =100×I(G′2)/I(C9)×100；S/G 比值公式為：S/G=(S+S′+Scon)/(G+G′)。木質素2D-HSQC 的結構單元及相關連接方式的半定量分析結果見表11。

表11 木質素結構單元及其比例和連接方式的2D-HSQC半定量分析Table 11 Semi-quantitative analysis of lignin units and ratio and linkages based on 2D-HSQC spectra

木質素的側鏈區木質素結構單元之間的連接方式有：甲氧基、β-O-4 構（A）、β-5 結構（B）和β-β結構（C），甲氧基隨著G 或S 結構單元而存在[41]，其中甲氧基信號最強，這是因為甲氧基結構比較穩定，具有較強的抗降解性[42]；其次是A 結構的信號，是木質素各結構單元之間最主要的連接方式，最后是B 和C 結構。Aɑ、Aβ(G)、Aβ(S)和Aγ信號峰分別在δC/δH 71.5/5.00、δC/δH 83.8/4.48、δC/δH 86.0/4.25、δC/δH 59.9/3.63 處 出 現，桉 木MWL 位 于64.8/4.31（A′γ）處有信號峰，這是由于β-O-4 連接鍵的酰化所導致[26]。當TSA 處理條件相對溫和（P40T70t60）時，β-O-4 鍵含量與MWL 接近，溶出的木質素的結構變化較小，MA溫和處理（M55T100t120）得到的木質素β-O-4鍵含量則有明顯的下降，為31.33%。

隨著CDF 值增加，即反應條件的加劇，木質素結構中的β-O-4鍵含量下降明顯，在CDF 曲線的轉折點附近時，P40T80t90 木質素的β-O-4 含量為31.23%，比P40T70t60減少了38%。M55T120t180木質素更是只剩下1.53%。處理條件劇烈時，在2DHSQC 譜圖中看不到β-O-4 信號峰，β-O-4 鍵含量為0。β-O-4 結構在木質素的溶解和碎解過程中起著重要的作用，因為木質素在預處理反應過程中，β-O-4 結構的醚鍵斷開，造成木質素大分子的分解。但木質素β-O-4 鍵含量越高，越有利于木質素產品后續的高附加值利用[19]，所以能達到相同脫木素率情況下，保留較高含量的β-O-4 鍵的工藝為優。其他結構，如β-5（B）、β-β（C）結構含量較低，并且隨著條件劇烈，含量也逐漸減少，說明木質素的降解包括芳醚鍵的斷裂和碳碳鍵的斷裂。

當CDF值較小時，如TSA弱反應條件P40T70t60，木質素產品中未發現希伯特酮（HKγ）信號，而MA弱反 應 條 件M55T100t120 處 理 時，在 譜 圖 的δC/δH 67.1/4.19（HKγ）處可以看到有微弱的信號，由于HKγ是β-芳醚鍵的斷裂而產生的，在木質素的酸性解聚過程中生成HKγ，隨著CDF 值增加，HKγ信號峰逐漸增大，與前面提到的β-O-4 鍵含量變化相對應。希伯特酮作為木質素酸解產生的具有活潑羰基分子碎片，可在較高酸性及較高溫度條件下發生雙分子羥醛縮合反應，或者與體系中活潑的碳基結構發生進一步的縮合，產生更加穩定的C—C鍵[43]。

在芳香區域中，可以觀察到木質素中的S 結構單元和G 結構單元的信號峰，木質素的S/G 是評價脫木質素程度的重要參數[44-45]。隨著CDF 值增加，TSA 和MA 處理后的木質素的S/G 含量逐漸增加，這是因為木質素中G 結構單元空間位阻小，更容易發生反應而降解溶出，含量逐漸減小，S 結構單元含量相對增加。MA 處理后G 含量下降更明顯，S/G 值增加更多。反應條件越劇烈，縮合的Scon含量越高，TSA 增加了71.74%，MA 增加了81.62%，MA 比TSA縮聚更嚴重。木質素縮合反應會導致木質素分子量增大，在一定程度上影響木質素的溶出。

MA 木質素的2D-HSQC 譜圖中，在δC/δH 128.0/6.2和132.9/6.4 處有Eγ(MA)信號，是因為MA 使木質素的γ位羥基酯化[20,22]，TSA中沒有酯化的信號峰。

MA處理后的木質素產品中的β-O-4鍵、β-β鍵和β-5鍵含量相對TSA的低，但是MA的木質素實際脫除率小于TSA，一方面MA 處理的溫度較高，生成的縮合木質素含量高，不容易溶出，另一方面，酸性助水溶劑中木質素的脫除不僅有化學反應降解使木質素變成小分子溶出作用，還有物理潤濕助溶作用對木質素的溶解作用，需要兩者結合進行分析。

2.7 濾液中木質素聚集態分析

與表面活性劑的臨界膠束濃度（critical micelle concentration，CMC）類似，疏水性有機物在酸性助水溶劑中有最小助溶濃度（MHC），CMC 是mmol/L 或更小的量級，酸性助水溶劑的MHC 是mol/L 級別。酸性助水溶劑是兩親性分子[46]，在水溶液中可以形成動態的、非共價的聚類裝配體，稱為團簇[47]。在疏水化合物木質素存在的情況下，這些團簇變得穩定，從而形成壽命長、高穩定的介觀液滴，即“介觀溶解”現象。這些介觀液滴結構有一個富含疏水性的核心，被一個由水和親水分子組成的氫鍵殼所包圍，這些液滴可穩定超過一年[12,48-49]。通過動態光散射分析，用光散射的光強度即濁度，可以測定溶液的聚集體的粒徑大小。取P55T90t60 和M70T140t120 的液體組分進行濃度梯度稀釋、離心分離后，用動態光散射測定上清液的粒徑分布，不同酸性助水溶劑質量分數與木質素聚集體的平均粒徑關系見圖6。

圖6 酸性助水溶劑質量分數對木質素聚集體的平均粒徑影響Fig.6 The effect of acid hydrotrope concentration on the average particle size of lignin aggregates

TSA 結構上的磺酸基具有很強的親水性，在質量分數較高時形成的木質素聚集體，分散性很好，平均粒徑小，在質量分數高于35%時，木質素聚集體的平均粒徑小于250 nm，是穩定的膠體溶液，很難進行離心分離。隨著質量分數減小，木質素聚集體粒徑變大，當TSA 質量分數從15%稀釋至10%時，溶液中木質素粒徑迅速從700 nm 增加至2600 nm，可以離心分離，有文獻[18]表明，木質素在TSA 中的MHC為11.5%，正好在這區間，木質素聚集性質發生突變。當繼續稀釋至質量分數為5%時，聚集體的粒徑增加至3000 nm后，可以進行自然沉降分離。

MA 有兩個羧基，親水性也很強，而且本身分子量較小，所以質量分數較高時，形成的木質素聚集體的平均粒徑小，在質量分數為55%時只有38 nm，也是穩定的膠體溶液。加水稀釋后木質素聚集體的平均粒徑呈線性增長。MA 質量分數為25%時，溶液中木質素平均粒徑增加至2000 nm，木質素容易離心分離，此時溶液顏色開始變淺，有文獻報道，木質素在MA 中溶液的MHC 值為25%[20]。隨著溶液逐漸被稀釋至15%時，木質素平均粒徑迅速增加到3000 nm，隨后變化不大。TSA 和MA 對木質素而言都是典型的酸性助水溶劑，當質量分數小于MHC值時，木質素聚集體不穩定，可以使木質素快速聚沉。因為MA 的MHC 高于TSA，所以在聚沉木質素時MA 比TSA 可以少加稀釋水，后續助水溶劑回用時可以減少蒸發量，降低能耗。

2.8 酸性助水溶劑潤濕性能分析

室溫下酸性助水溶劑溶液中的膠束化過程是一個熵主導的過程，與界面的表面張力相關，本研究用接觸角來表征木質素在酸性助水溶劑溶液中表面張力的變化，接觸角是液/氣界面與固體表面之間（包括液體相部分）的夾角θ，通常用來反映液體在固體表面的潤濕程度，是評價溶液對固體潤濕性的重要影響因素[50]。當θ＜90°時液體比較容易潤濕固體，其角度越小表明潤濕性越好；當θ＞90°時表明液體不容易潤濕固體，液體會在表面發生移動。聚四氟乙烯表面具有超疏水性，且表面平整，抗酸抗堿、抗各種有機溶劑，性質穩定，是研究表面活性劑與疏水材料表面潤濕性能的常用材料[51-52]。實驗時發現聚四氟乙烯可以被助水溶劑潤濕，但不會被助水溶劑溶解，可以用于助水溶劑的潤濕實驗。木質素本身不溶于水，具有疏水性，因此用聚四氟乙烯平板進行接觸角測定來模擬疏水木質素的固體表面在助水溶劑中的潤濕趨勢。結果見表12和圖7。

表12 酸性助水溶劑接觸角Table 12 The contact angle of acid hydrotropes

圖7 酸性助水溶劑接觸角照片Fig.7 The contact angle images of acid hydrotropes

從表12 數據可知：隨著TSA 與MA 質量分數從10%增加至50%，TSA 溶液和MA 溶液的接觸角都有明顯的下降趨勢，說明這兩種酸性助水溶劑對疏水表面有較好的潤濕性[53]，TSA 質量分數從10%到20%時，接觸角明顯降低，相應的TSA 對木質素的MHC 也在此范圍，為11.5%，超過11.5%后對木質素有較好的潤濕性能，可以將木質素從原料中溶出。當質量分數增加至40%～50%時，兩者溶液接觸角變化不明顯，潤濕性能趨于穩定，相應的，木質素聚集體的平均粒徑在此范圍時變化不明顯。對于MA來說，質量分數從10%增加到20%時，接觸角基本沒有變化，再進一步增加到30%時，接觸角開始降低，從30%到40%降低較明顯，40%增加到50%時，接觸角略有降低。同樣，MA 的木質素聚集態曲線中，也反映出相近的趨勢，MA 對木質素的MHC 較TSA 的高，為25%，MA 質量分數從20%到45%時，木質素聚集體的平均粒徑降低明顯，幾乎呈線性。所以用聚四氟乙烯平板表面模擬木質素的潤濕趨勢是合理可行的。酸性助水溶劑的潤濕性能有助于木質素的溶出，當其質量分數高于MHC 時，可以使木質素從原料中溶出，酸性助水溶劑組分分離的反應濃度必須大于MHC，在室溫下，40%～50%的酸性助水溶劑擁有很好的潤濕性能，所以此時木質素的脫除效果更好，與表4 木質素脫除率結果一致，TSA 溶液質量分數在40%時，木質素脫除率達到31.30%，相比質量分數為25%時木質素脫除率增加了近22%。在質量分數為20%～50%范圍內，相同質量分數下，TSA 的接觸角都小于MA 的，即TSA 的潤濕性能更好。從結構上來看，TSA 的疏水端含有苯環，木質素的結構中也含有苯環，兩者結構相近，親和力高，相似相溶，而MA的疏水端結構為丁烯基，親和力相對較小，所以TSA對木質素的潤濕能力更高，脫除木質素效果更好，從表4中數據可知，MA在質量分數為55%、反應溫度和反應時間為100℃和120 min 時，木質素脫除率為24.01%，而TSA 在質量分數為55%、反應溫度和反應時間為80℃和30 min時，木質素脫除率為47.80%，脫除了近一半的木質素。

綜上所述，分析推測酸性助水溶劑組分分離脫除木質素的機理如圖8 所示：脫除木質素反應分為快速反應和慢速反應兩個階段，酸性助水溶劑對木質纖維素具有潤濕性能，酸性助水溶劑分子先吸附在細胞壁表面，小部分通過細胞腔縱向直接進入細胞內，水化并溶解部分表面木質素，此階段屬于快速反應階段，木質素溶出量較少，酸性助水溶劑的潤濕性能越好，溶出的木質素越多；部分木質素在酸性助水溶劑的作用下，會發生醚鍵斷裂等化學反應變成小分子溶出，在溶出木質素的過程中，同時伴隨半纖維素的降解，木質素-碳水化合物復合體（lignin-carbohydrate complex, LCC）的切斷，使木質纖維素網絡結構松散，比表面積增大，有更多的酸性助水溶劑分子與木質素接觸，促進木質素的進一步溶出，隨著酸性助水溶劑質量分數、反應溫度和時間增加，半纖維素降解程度增加，木質素脫除率也相應增加，進一步脫除內部木質素，此階段為慢速反應階段，當反應條件進一步增強時，木質素的縮合程度也會大大增加，影響木質素進一步溶出，木質素脫除率維持穩定。脫除的木質素在酸性助水溶劑溶液中形成穩定的小聚集體，當稀釋到MHC 以下時，木質素聚集體失穩聚沉而析出，固液分離后的酸性助水溶劑結構沒有發生變化，蒸發部分水分后可以再次回用。組分分離后得到的固體組分主要成分為纖維素與部分半纖維素，纖維得到解離。

3 結 論

以桉木片作為研究對象，用兩種酸性助水溶劑（TSA、MA）在不同工藝條件下進行組分分離，對各組分的結構和性質進行分析，主要結論如下。

（1）TSA和MA兩種酸性助水溶劑都可以高效脫除木質素，木質素脫除率都隨著反應條件的加劇而增加，在相同反應條件下TSA 木質素脫除率比MA高；達到同等脫木質素率時TSA 反應溫度低于MA，可以降低能耗。TSA反應中的最大影響因素是反應溫度，而MA反應中的最大影響因素是反應時間。

（2）酸性助水溶劑脫除木質素分為快速反應階段和慢速反應階段，快速反應階段主要為表面木質素的脫除，慢速反應階段為內部木質素的脫除。對酸性助水溶劑來說，CDF 曲線和CHF 曲線的轉折點處的反應條件一致，部分半纖維素的降解有利于木質素的進一步脫除，但得率和纖維品質下降。CDF曲線與CHF曲線轉折點附近固體組分中的纖維解離徹底，纖維長度高且柔軟，TSA得到的纖維質量優于MA。

（3）2D-HSQC 研究表明，酸性助水溶劑會使木質素結構中的醚鍵等發生斷裂，變成小分子木質素溶出，隨著CDF 值增加，反應劇烈程度增加，醚鍵斷裂程度增加，木質素脫除率增加。但反應過于劇烈時，木質素縮合加劇，木質素脫除率不再增加。MA處理的溫度較高，木質素芳醚鍵等含量下降速度比TSA 快，但木質素脫除率低于TSA，MA 處理中還伴隨有γ位羥基酯化反應。

（4）酸性助水溶劑對木質素的脫除過程中既有芳醚鍵等斷裂，又有半纖維素的降解作用，同時還有物理潤濕溶解作用。在相同質量分數下，TSA 的接觸角小于MA，對木質素的潤濕性能更好，有利于木質素的溶解脫除。但TSA 的MHC 小于MA，聚沉木質素產品時需要更多的稀釋水。