生物質熱解木醋液成分解析及分子結構研究

［收稿日期］中文收稿日期2023-10-30

［作者簡介］秦濤（1985—），男，山東東營人，山東合益氣體股份有限公司高級工程師，主要研究方向為化工技術與分析；馬翠翠（1984—），女，山東東營人，東營市瑞東環保科技有限公司助理工程師，主要研究方向為化工分析。Email：sdhyqt@163.com

［摘要］［目的］分析生物質熱解木醋液的成分并進行化學信息學解析，探究木醋液中化合物的結構與功能的關系。［方法］通過對木醋液的理化性質、不同前處理方法得到的有機組分進行測定并對其進行化學信息學分析、25種化學描述符的計算、化學空間的構建及分子骨架的聚類分析等。［結果］實驗測定了松木鋸末來源木醋液的組成成分，發現最佳的前處理方法為真空冷凍干燥法。化學描述符計算分析結果表明，木醋液以小分子活性物質為主，包括酸類、酚類、醛類、酯類等功能化合物；通過化學空間構建，印證了木醋液組分化學結構相似性高并存在較大的聚類性，還識別出苯環分子骨架是最大頻率的分子片段等。以上結果為木醋液產品功能的深入研究提供了借鑒和指導。

［關鍵詞］木醋液；成分解析；化學空間；分子骨架

［中圖分類號］TQ 35127；TQ 511

［文獻標志碼］A［文章編號］10050310（2024）02006606

0引言

生物質熱解木醋液是生物質材料（木屑、果殼等）干餾導出的蒸汽混合物經冷凝分離后得到的一種以乙酸為主，含有醇、酚、酮、醛及其衍生物等多種物質的混合物［13］。木醋液具有刺激植物生長、土壤消毒、殺菌、防蟲、防腐、除草、抗氧化等多種作用，在日本、韓國等國家已經獲得廣泛應用［4］。

木醋液作為一種高價值酸性副產物，具有無污染、成本低、來源豐富等優點，如果將木醋液中的有效成分進行轉化并加以利用，對促進生物質資源利用具有重要意義［5］。但木醋液成分復雜，制備過程中的熱解溫度、原料及制備方法均會對木醋液的產率、組分含量、化合物的種類產生影響。盧勝男等對白樺、棉稈等6種來源的木醋液進行組分分析，結果表明：木本植物原料的熱解溫度低于690 ℃，隨著溫度升高，所制備的木醋液成分的種類越多，種類在20～72種不等，并且原料的特性不同也會導致木醋液的成分存在差別［6］。本實驗中的木醋液來源于松木鋸末，許英梅等采用物理靜置法、蒸餾法、膜過濾法對松樹木醋液的主要組分進行收集，并利用GCMS分析法進行研究［7］，分析出揮發性化學成分282種，但對松木鋸末來源的木醋液研究較少。隨著科技和工藝水平的不斷發展，人們逐漸認識和了解木醋液的結構和功能，但不同處理方法得到的木醋液化學成分并沒有得到確認，不同用途下的質量要求也逐漸成為研究熱點［8］。

本實驗利用松木鋸末來源的原材料經熱解后制備得到木醋液，通過多種前處理方法處理后，利用GCMS分析法進行成分分析，結合化學信息學的處理工具，得到典型化合物組分數據集，進一步進行化學空間和分子結構分析，為松木鋸末來源的木醋液的應用提供科學依據。

1材料和儀器

生物質熱解木醋液（批號1412，山東泰然生物工程有限公司，原材料為松木屑）；沒食子酸丙酯標準品（壇墨質檢標準物質中心）；無水乙醇、正己烷、乙酸乙酯、二氯甲烷（HPLC級，上海麥克林生化科技股份有限公司）；其他試劑均為分析純。

氣相色譜質譜聯用儀（Agilent 6890/5973N）購自安捷倫科技（中國）有限公司，紫外可見分光光度計（TU1900）購自北京普析通用儀器有限責任公司，電子天平（FA2004）購自上海舜宇恒平科學儀器有限公司，密度計（DK120YT）購自德卡精密量儀（深圳）有限公司，pH計（PHS3C）購自上海儀電物理光學儀器有限公司。

2實驗方法

21常規理化分析

211外觀

將木醋液倒入100 mL量筒內，底部以白色紙張為背景，由上至下觀察，根據白紙的標記及液體的顏色確定焦油顆粒、異物等的混入情況，用鼻嗅其氣味，記錄結果。

212總酸含量（以醋酸計）

吸取木醋液試樣25 mL，精密稱取001g樣品，加入到250 mL容量瓶中，用去除CO2的實驗用水稀釋至刻度，充分混勻后準確吸取20 mL稀釋液至100 mL錐形瓶中，加2～3滴酚酞指示液，用01 mol/L氫氧化鈉標準溶液滴定至淡橘色至金紅色，保持30 s不變色；滴定后試樣的pH值應在8～9范圍內，否則應增加滴定量或重新實驗，直至符合要求，平行測定3次，相對標準偏差小于3%，最后以醋酸的質量分數表示總酸含量。

213總多酚的質量濃度

采用福林—酚比色法測定總多酚的質量濃度，以沒食子酸丙酯為標準品繪制吸光度與總多酚質量濃度的線性曲線。將樣品配置成質量濃度為200 mg/mL的木醋液樣品溶液，取上述樣品溶液005 mL，用蒸餾水補足至400 mL，加福林試劑200 mL，再加入質量分數為10%的碳酸鈉溶液200 mL，搖勻避光保存，35 ℃恒溫水浴2 h，于764 nm處測定吸光度。通過標準曲線計算總多酚的質量濃度，最后換算成木醋液中的總多酚質量濃度。

214其他檢測項目

在25 ℃條件下，用密度計測定溶液密度，用pH計測定溶液pH值。

22有機成分分析

為進一步了解木醋液中的有機成分，深入解析木醋液各有機組分的含量比例和性質類型，識別出更多的有機組分，方案中驗證了多種萃取方式及溶劑，如真空冷凍干燥法精制后的樣品，用無水乙醇、正己烷、乙酸乙酯、二氯甲烷等溶劑與木醋液分別按2∶1比例萃取后的樣品等；萃取后過濾其中的不溶物，利用氣相色譜質譜聯用儀進行全掃描分析，并通過NIST數據庫進行譜圖解析后，得到各有機組分的名稱、保留時間及相對百分含量。

氣相色譜質譜聯用儀的測試條件為：DB1701 色譜柱（60 m × 025 mm × 025μm ）；載氣為氦氣；在整個過程中流速恒定為597 mL/min；分流比為60∶1；進樣量為02 μL；氣化室溫度為280 ℃；氣相色譜儀和質譜儀的接口溫度為250 ℃；柱溫的初始溫度為40℃，升溫速率為5 ℃/min，升至240 ℃，保持時間為5 min。

23化學性質的計算及分析

針對22節中檢驗分析出的有機成分，借助化學信息學的工具和方法，篩選出不同的前處理方式均檢驗出的化合物，從而確定數據集的組成。利用ChemOffice Ultra工具將化合物名稱轉化成MOL化學結構格式，用生物信息學和化學信息學流程處理軟件Pipeline Pilot（student edition）合并化合物結果文件并將其轉化成sdf格式的化合物的結構總文件，篩選化合物數據集中的主要成分并進行化學描述符的計算，最終利用統計分析軟件SPSS和數據作圖分析軟件Origin進行數據統計和繪圖。

3結果與討論

31木醋液的理化性質

木醋液為紅褐色液體，精制后的木醋液為淡黃色透明液體。經實驗測定，實驗木醋液均質較好，無沉淀、無懸浮物，總酸含量（以醋酸計）為8136%，總多酚的質量濃度為5910 mg/mL，密度為1113 6 g/cm3，pH值為 243。

32有機成分解析

5種前處理方法處理后的木醋液樣品經GCMS分析，得到木醋液中各類物質成分的峰面積。本實驗識別并保留了檢出的所有化合物成分，對木醋液前處理后的主要化合物進行了整理，結果如表1所示。真空冷凍干燥處理后的木醋液中分析得出57種化合物，主要化合物以酚類活性組分為主，占處理后化合物總量的5762%；采用無水乙醇前處理后，經分析得出34種化合物，主要以左葡糖、醛類、酸類為主；用二氯甲烷前處理后，分析得出54種化合物，主要以醛類、酚類居多；相比而言，用正己烷、乙酸乙酯前處理后，分別得出24種和42種化合物，化合物均以烷類、酯類物質為主。

從不同前處理條件得出的化合物的種類和相對含量來看，真空冷凍干燥處理法保留的化合物最多，生物活性組分中酚類化合物相對含量占比最大；二氯甲烷前處理法與之類似，化合物的種類相差不大；無水乙醇前處理法有利于乙酸、乙醛等物質的提取；正己烷和乙酸乙酯前處理法適合烷基類物質和酯類成分的提取。這為以松木鋸末為原料制備的木醋液的應用開發提供了富集活性組分的依據。

33化學性質的計算及分析

331化學描述符計算

收集32節中不同前處理條件下經GCMS檢驗分析得出的所有化合物，共計92種，再用ChemOffice Ultra軟件轉化成MOL文件格式［9］，并利用生物信息學和化學信息學流程處理軟件Pipeline Pilot（student edition）進行25種化學描述符的計算［10］。計算得到的化學描述符為：碳原子數（C count）、氫原子數（H count）、氧原子數（O count）、脂水分配系數（ALogP）、體積（volume）、表面積（surface area）、極性表面積（polar surface area）、分子量（weight）、溶解度（solubility）、可旋轉鍵（rotatable bonds）、芳烴鍵（aromatic bonds）、芳香環（aromatic rings）、氫鍵受體數（H acceptors）、氫鍵供體數（H donors）、摩爾折射率疏水性（ALogP MR）、中性分子親脂性（LogD）、能量（energy）、最小化能量（minimized energy）、應變能量（strain energy）、平均鍵長（average bond length）、分極表面積（fractional polar surface area）、溶劑可及表面積（solventaccessibility surface area，SASA）、極性溶劑可及表面積（polar SASA）、分極性溶劑可及表面積（fractional polar SASA）、表面體積（surface area and volume）等。

對主要的化學描述符進行統計分析，碳原子數在＞5～10之間的化合物占5914%（圖1（a）），分子量在＞100～200之間的化合物占6196%（圖1（b））。從碳原子數量來看，分子骨架在10個碳原子以下的居多。脂水分配系數（ALogP）在0～4之間的化合物占7500%（圖1（c）），ALogP值較低的分子更容易受到抗氧化劑的青睞，即抗氧化劑需要更親水才能對自由基具有更高的清除能力［11］。體積在50～100之間的化合物占7391%（圖1（d）），說明小分子化合物占比高。水溶性指標溶解度（以logSw表示）大于-4的占比為8370%（圖1（e）），說明木醋液中化合物水溶性好。表面積（surface area）在100～150之間的化合物占比為75%，分子表面積越大，分子間相互作用越強。極性表面積（polar surface area）表征的是分子中極性原子表面積的總和，木醋液中化合物的極性表面積均小于140（圖1（f）），說明生物利用度較好。另外，氫受體數（H acceptors）在1～3之間的化合物占6522%，結合其他化學描述符的統計分布結果來看，以松木鋸末為原料制備的木醋液中的成分以小分子活性物質為主，包括酸類、酚類、醛類、酯類等化合物成分。

332化學空間構建

化學空間是通過對每一個分子計算一系列分子描述符，并將這些數值作為一個點構成的多維空間來定義的，它試圖利用三維或多維空間的形式直接展現化合物的結構聚類信息［12］。

由于多維空間在理解和表示上比較困難，一般需要將其維數降低，采用的方法主要有主成分分析法（PCA）、因子分析法（FA）、偏最小二乘分析法（PLS）、化合物二維映射法（SAR MAP）等。本實驗采用主成分分析法研究如何通過幾個主成分來解釋多變量方差—協方差的結構［12］。

根據92種化合物的25種化學描述符結果繪制其化學空間分布，并進行數據歸約處理的主成分分析和因子分析（見圖2（a）），隨后對相關性較強（相關系數＞085）的化合物進行去重復處理，得到19種化學描述符的化學空間（圖2（b））。

由圖2化學空間分布圖可以看出，生物質熱解木醋液化合物成分的化學空間相對偏窄，化學性質相似性高，化學結構存在一定的聚類性。

333化合物分子骨架聚類分析

根據木醋液化合物的化學空間，可推斷出生物質熱解木醋液成分具有較高的分子相似性聚類現象，因此對22中不同處理方法均檢出的38種化合物進行骨架分析，識別出分子結構頻率最高的分子片段為苯環分子骨架（見表2）。

4結論

生物質熱解后的木醋液經過多種前處理方法處理后并經過GCMS分析，得到木醋液中含有的化合物成分總計92種，不同前處理方法得到的組分差異較大，如真空冷凍干燥法的產物以酚類物質為主等。利用化學信息學的方法對分析出的木醋液成分進行化學描述符計算、化學空間構建及分子骨架聚類分析，得出木醋液主要成分化學結構的相似性較高，其中最大頻率的分子骨架為苯環骨架。這些實驗結果可作為以松木鋸末為原料制備的木醋液在不同應用場景下的參考，木醋液典型化學結構的發現拓展了木醋液的應用空間，下一步可圍繞苯環骨架開展一系列木醋液應用實驗研究，為木醋液產品和功能的進一步開發研究提供借鑒和指導。

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（責任編輯柴智；責任校對白麗媛）