黄腐酸分级及结构研究

徐万幸，张永振，刘文静，马璐蔺，张英杰,，巩冠群,

(1.中国矿业大学 煤炭加工与高效洁净利用教育部重点实验室，江苏 徐州 221116；2.中国矿业大学 化工学院，江苏 徐州 221116)

由于优质煤的大量使用，褐煤已成为我国主要使用的煤，但由于褐煤的煤化程度太低，造成燃烧时会有大量的黑灰飘在空中，如果不经过洗煤处理和提炼，大量使用劣势褐煤会导致我国雾霾问题日益严重。褐煤中腐植酸是一种非晶形的高分子有机化合物质，黄腐酸是其中分子量较小且活性较大的组分，因其分子量较低、易溶于多种溶剂且其在生物体内活性较高故能够被许多生物体吸收利用。研究发现黄腐酸是由众多含氧官能团构成的高分子有机酸，众多含氧官能团良好的生理活性使其具有吸收、络合和交换等功能[1-3]，广泛应用在工业、农业、电极材料和医药等方面[4-6]。本文通过对国内外黄腐酸分级方法的比较，归纳了加压超滤和透析分级等现代分级技术在黄腐酸分级过程中的应用，同时对各级分表征分析，为全面研究黄腐酸的基础理论和科学应用提供一定的科学依据。

1 黄腐酸的分级方法

1.1 梯度淋洗法

溶剂梯度淋洗法是可利用温度梯度与溶剂梯度相结合的制备方法，即将溶质在溶液中溶解，经减压蒸馏除去溶剂后使其均匀分布在玻璃珠表面装入玻璃柱中，通过溶剂和非溶剂按照不同体积比配制一系列溶液与程序升温相结合，将溶液依次加入玻璃珠，经减压蒸馏后可得到不同分子量的活性组分。刘诚仪等[7]利用溶剂梯度淋洗分级的方法对黄腐酸钠分级，按数均分子量(Mn)分为355、1 003和>2 500三种活性组分。张德和等[8]使用高分子中常用的溶剂分级法对黄腐酸进行分级，即在乙醇-乙酸乙酯溶剂体系中按照不同分子量级别对黄腐酸进行研究，经淋洗分级溶解得到15个级分，此方法可以获得较多且分子量比较均一的样品，为下步实验研究提供需要。

1.2 凝胶过滤法

黄腐酸凝胶过滤分级是指使用网状结构的凝胶作为分子筛，根据黄腐酸分子大小的不同进行分离。在层析过程中采用惰性微孔网状物质作为填料，其中交联的聚糖是经常使用的一类物质，在整个黄腐酸分级过程中，分子量较小的部分进入填料内部，其流下所用时间较长，分子量较大部分物质无法进入填料内部，从填料外部流出所用时间短，从而把黄腐酸按照不同分子量筛分开。陈荣峰[9]采用凝胶分级的方法对风化煤中的黄腐酸进行分级，经阳离子交换树脂交换后真空干燥，得到FA1、FA2、FA3和FA4四个活性组分，使用沸点升高法测得其数均分子量Mn，其中FA1为2 789，FA2为1 299，FA4为1 315。Anderson[10]采用凝胶渗透法利用交联葡聚糖(G-100、G-75、G-50、G-25)成功地将腐植酸分成4个不同分子质量的组分，该方法条件温和且再现性好。

1.3 透析分级法

透析分级的方法指利用特定的半透膜(多数用纤维素制成)，并将半透膜制成类似袋的形状，把装有需要分级的样品溶液透析袋放置在缓冲液中利用扩散压力，即半透膜两侧的浓度梯度不同，则样品溶液中小分子量的物质被透析出来，大分子量的物质被截留在袋内，当半透膜内外两侧的浓度达到平衡时，保留在半透膜内未透析出的样品称为“保留液”，膜外的样品溶液称为“透析液”。在最近的研究中Qin等[11]用过氧化氢氧化褐煤提取黄腐酸，经离心仪器离心后得到降解液的上清夜，通过真空减压旋转蒸发进行浓缩并在50 ℃条件下干燥，得到黄腐酸溶液通过分子量为100～500的透析袋透析后浓缩并冷冻成固体保存，利用气相色谱-质谱分析法对分级后的黄腐酸进行定性和定量的研究，发现此分子量范围内的47种成分。朱辉等[12]利用透析分级方法结合气相色谱-质谱联用仪(GC-MS)的保留指数(RI)，同时将峨山和寻甸两种不同来源地的褐煤黄腐酸进行了分子量小于500的分级，并测得其挥发分的种类分别为20种占总体的88.96%和24种占总体的91.33%，两者对比发现，其中有12种相同的成分。张水花等[13]采用了相对分子量(Mr)为1K、2K、3.5K、8K、10K和25K的透析袋对黄腐酸进行分离，获得7个不同分子量的活性级分，利用该方法可以对小分子混合物官能团进行定性定量分析。

1.4 加压超滤法

加压超滤法指在一定压力下，使黄腐酸分子量较小的一部分穿过一种小孔径的特制超滤薄膜，而分子量较大的溶质不能透过，留在膜的一侧，从而使不同孔径截留不同分子量的物质进行分离。Li等[14]采用超滤仪器和膜分离技术将从帕霍基煤种提取的腐植酸分成八个不同分子量大小尺寸的活性组分，分别是<1，1～3，3～5，5～10，10～30，30～100，100～300和>300 kDa，并采用高效凝胶排阻色谱法对分子量分布进行了进一步的校正，证明超滤技术对腐植酸活性组分的分离是有效的。Li等[15]利用此方法，对黄腐酸分为四个级别的重均分子量Mw(<5，5～10，10～30，>30 kDa)活性组分进行研究。张静茹[16]在最近的研究中将腐植酸钠溶液中放入有切割分子量为4 000，10 000，30 000，50 000和70 000的超滤膜的超滤系统中分级，经表征分析得出分子量小的脂肪化程度高，分子量大的其芳香度大，该分级方法在整个分级过程中没有相的转移且条件比较温和。

2 黄腐酸分级方法的比较

溶剂梯度淋洗法虽可以获得较多且分子量比较均一的样品，但操作复杂需严格控制各操作段温度梯度以及各溶剂体积的比例，在此过程中需大量使用洗脱液容易造成浪费，且需保证流速的稳定性，否则难以得到重复性的结果；凝胶过滤分级过程中所使用填料为惰性载体，无电荷、吸附力较弱等特点，其操作温度范围较广无需有机溶剂的引入，对高分子有良好的分离效果，但其分辨率不高且分子量表现在流速上的差别，在分离时需严格把握流速故分离较慢，同时分级产品灰分含量较高；加压超滤法条件温和无成分破坏，分离过程中没有相的转移且无须加热，采用压力作为分离的动力，局限性在与现有过滤器的浓差极化现象明显，过滤时黄腐酸与超滤膜之间存在相互作用，易产生分离不均或超滤膜堵塞的现象，限制了超滤膜的循环使用；透析袋分级是近年来研究的热点，选择合适的半透膜能够在较温和条件下对混合物进行不同分子量级别活性组分的分级，具工艺过程简单、操作安全等特点，但其依靠的是膜两侧的扩散压来进行分级，故该操作过程耗时较长，同时存在透析袋的制作成本较高并含有微量硫化物和重金属等杂质，使用之前必须除去，不利于大规模生产应用。

3 黄腐酸各级分表征

由于地区、原生植物和变质年代的不同等因素的影响，其煤中黄腐酸的结构、含量和组成较为复杂，且其提取方式的不同也会对黄腐酸的质量产生影响[17]。随着现代研究手段取得进展，可通过物理和化学的方法进行分离和降解，使样品产生分离、分级的较小的片段，再通过现代仪器进行鉴定和解析，从而推断其大分子的结构模型。黄腐酸的应用基础是较多的活性官能团组分，众多学者通过分级检测方法对其展开研究，为黄腐酸质量标准的制定提供理论依据。

黄腐酸分子量小于500的可以通过气相色谱-质谱联用仪(GC-MS)结合保留指数(RI)确定化学组分的组成，通过峰面积归一化的方法确定其组分含量。Qin[11]研究云南省峨山县煤矿褐煤，表征发现含量超过0.1%的组分有47种，占物质总量95%，其中酯类化合物的含量高达89%，其他是一些酸类和醇类化合物。朱辉等[12]采用膜分离技术研究云南寻甸和峨山两地分子量小于500的褐煤黄腐酸，其中乙酯类物质分别占83.37%和78.79%，相同的化学物质成分12种。以上研究更好的说明了在黄腐酸较低分子量时，存在大量的羧基，与上文研究所发现的在相对分子量较低级分中含氧官能团较多相吻合。

4 结束语

梯度淋洗和凝胶过滤分级分离精度较低，而先进的分级技术如加压超滤和透析分级存在着成本较高，不能大规模生产等问题。故改进已有的分级技术，寻找更有效的先进分级方法和技术，实现黄腐酸的高效精细分级具有重要意义。随着科学技术的发展，超滤、透析等分级技术将会更加完善，同时一些新型的分级技术也将不断出现，黄腐酸的高效精细分级以及其结构组分的研究也将会有新的突破。