木质素的分离方法及应用研究进展

冯泽宇，冯辉霞，赵丹，孟雪芬，曹番，赵欣怡

(兰州理工大学 石油化工学院，甘肃 兰州 730050)

生物质能以其环境友好、成本低廉和碳中性等特点而备受社会关注[1]。生物质材料种类繁多，其中木质素(Lignin)是最主要的几种之一，全球每年由植物光合作用合成的木质素约有500亿t[2-3]。木质素分子含有大量高活性的羟基、酚羟基、羰基、苯环结构[4]，是三大可再生资源中唯一能大量提供可再生芳香基的化合物。鉴于此木质素有望广泛应用于香兰素、油田化学品、橡胶补强剂以及生产精细化学品的功能化芳烃或作为高分子原料制备树脂、橡胶等高分子聚合物[5-7]。天然木质素多伴有大量纤维素等杂质，必须经过分离提纯后才可使用，但因其复杂的、非结晶型的三维网状结构，致使分离困难。目前的分离方法多会破坏芳基醚键并生成C—C缩合结构，导致木质素的网络状结构坍塌，失去其反应活性[8-9]。因此，在不破坏木质素活性的前提下高效的分离木质素和纤维素，是提高木质素分离率的关键问题。本文将就时下新型的木质素提取及相应的预处理工艺和木质素在橡胶、生物质等多领域的应用展开研究。

1 木质素的化学组成、结构及分类

木质素本身是一种组成极为复杂的芳香族聚合物，其结构单体主要是多种苯丙烷基。

1.1 木质素结构单体

木质素的结构单体为被称作C9单元的苯丙烷基。根据其结构和生物合成中前驱体的不同，可将其分为三类：①对-羟基苯基丙烷结构单体(H)；②愈疮木基丙烷结构单体(G)；③紫丁香基丙烷结构单体(S)。其中对-羟基苯基丙烷结构单体的前驱体为香豆醇，愈疮木基丙烷结构单体的前驱体为松柏醇，紫丁香基丙烷结构单体的前驱体为芥子醇。

1.2 单体连接方式

由于木质素的三维网状结构是各单体之间脱氢聚合形成的，因此根据参与脱氢聚合反应的元素和生成的键的不同，可将单体间连接方式分为C—O键相连(占全部成键的2/3～3/4)和C—C键相连(占全部成键的1/4～1/3)两大类[10]。根据参与反应的C的位置的不同，C—C键相连又可分为5-5型、β-β型、β-5型三种，C—O键相连可分为α-O-4 型和β-O-4型两种[11]。

1.3 木质素的分类

木质素根据其聚合单体的不同可分为3类，由对-羟基苯基丙烷结构单体构成的木质素称为对-羟基苯基木质素(H-木质素)，同理由愈疮木基丙烷结构单体构成的是愈疮木基木质素(G-木质素)、紫丁香基丙烷结构单体构成的是紫丁香基木质素(S-木质素)。

此外，木质素的种类根据植物种类的不同也是有很大区别的，如裸子植物主要含的是G-木质素；双子叶植物主要为愈疮木基-紫丁香基木质素(G-S木质素)；禾本科作物则主要为G-木质素，其次为S-木质素；以杨树为代表的杨柳科植物则是以S-木质素为主(占比全部木质素68%以上)。同科不同属的木质素组成也有较大区别，如禾本科下，小麦麦秸中G-木质素和S-木质素分别占64%和30%，玉米秸秆中为52%和40%，而同科的芒属作物则分别为54%和44%[12]。

2 木质素的分离方法

木质素的分离方法有多种，按照分离原理可分为物理法、化学法和生物法三种，其中传统物理法主要利用高温高压蒸汽爆破法[13]；化学法多为酸水解法、碱溶法和有机溶剂法；生物法则多为酶解法。传统木质素分离方法中基本均未进行预处理工艺，导致分离的效率低，效果差。

2.1 新型预处理工艺的研究

预处理工艺在木质素的分离中是很重要的一个环节。由于木质素分离的原料多为生物材料，难免会有分子量均一性差、化学反应活性较低和含对催化剂有毒害作用的S元素等问题，若不经过预处理而直接进行分离，会造成分离效率的低下，分离产物的纯度较低。Sun等[14]通过研究也证明，在碱性环境中，用低浓度的过氧化氢预处理之后的麦草木质素在不改变其化学结构的前提下能大幅提升其分离率。H2O2溶液预处理法、NaOH溶液两步预处理法和水热预处理法是时下木质素分离预处理工艺的研究热门。

2.1.1 H2O2溶液预处理法 H2O2溶液预处理法是利用H2O2溶液的氧化性，通过其与木质素单体侧链上的羰基和双键进行反应从而对木质素进行初步降解，提高整体木质素的分离率。何明宇等[15]以景信乡3年生巨龙竹为原材料，研究了H2O2溶液预处理对木质素分离效果的影响。原材料经过粉碎过筛后用体积比2∶1的甲苯/乙醇溶液在索氏提取器中抽提10 h并烘干以获得脱蜡竹粉。而后用4.0 mol/L 的NaOH调节5.0%H2O2溶液pH至11得到碱性H2O2溶液，并依次用此溶液、5.0%和8.0%的NaOH溶液对脱蜡竹粉抽提4 h，取滤液，用6 mol/L的HCl调pH至5.5。滤液减压浓缩后倒入95%乙醇中静置后用离心机分离，取滤液减压浓缩至15 mL，调节pH至2.0，离心分离析出的木质素，冷冻干燥得到巨龙竹木质素样品。通过红外光谱及核磁共振等手段分析后，可发现耦合H2O2溶液预处理的碱抽提工艺最后木质素总分离率为65.64%，较未进行预处理的其他工艺[16-18]高出约11.5～42.5个百分点，分离效果提升显著。

2.1.2 NaOH溶液预处理法 NaOH溶液预处理法是先用乙醇和水对原材料进行抽提，然后用NaOH对抽提后的滤渣进行油浴加热处理，碱性环境下木质素中醚键会被破坏从而使木质素被降解，提高分离率。Yang等[19]探究了NaOH溶液预处理法对离子溶液分离木质素的影响。该团队以产自美国的柳枝稷和松木为原料，首先将原料粉碎过筛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 ℃ 下油浴静置加热3 h后离心分离取滤渣，用蒸馏水清洗滤渣4次，并冻干24 h后于5 ℃以下保存，至此预处理结束。然后进行离子溶液分离，离心管内按照0.3 g生物量加入2.7 g或1.2 g的[C2C1im][oac]离子溶液以达到生物量浓度10%或20%。然后样品分别在40，60，80 ℃下油浴静置加热3 h，分4次按照生物量浓度10%和20%的不同分别加入12 g和6 g蒸馏水。混合物经离心机分离后取滤渣重复加水步骤4次后冻干滤渣得到木质素。通过XRD、红外光谱等手段对产品表征后发现，在60 ℃下柳叶稷中木质素的分离达到最大化，同时若只进行预处理，样品中木质素的分离率达到61.57%～73.56%，两步预处理后木质素的分离率达最高，可达83.68%，同时通过表征发现所得的木质素平均分子量较低，且抗氧化活性较未进行预处理时显著提高。

2.1.3 水热预处理法 水热预处理法可以与多种分离方法进行耦合，原材料中加入去离子水并进行盐浴加热，随后迅速降温并减压抽滤得预处理产品。该方法可以显著降低最后分离产品中的含糖量同时可以较好提升分离率，大幅提高分离纯度。常森林等[13]通过水热预处理对高沸醇分离木质素的工艺进行了改进。传统高沸醇分离木质素工艺不可避免的由于半纤维素的裂解生成残糖，进一步与木质素缩合造成分离所得的木质素含糖量较高。该团队发现将水热预处理和高沸醇分离工艺耦合后可以很好解决这一问题。该团队以石家庄当地的核桃壳为原料，原料粉碎过筛后按照每1 g原料加入5 mL的比例加入去离子水，将混合物移入不锈钢反应釜内密封进行200 ℃盐浴，按照预处理强度(PS)计算公式来计算反应时间。反应结束后迅速降温至60 ℃以下，并将釜内物料减压抽滤，固体用去离子水冲洗至无色，并置于65 ℃烘干。至此预处理结束。随后在烘干样品中加入设定体积及浓度的1，4-丁二醇水溶液，于一定温度下反应。反应后置于水中冷却并进行抽滤，固体用2倍初始体积去离子水洗涤烘干备用；滤液和洗涤液混合后静置并过滤，滤饼冻干后即为分离的高沸醇木质素。通过正交实验以及对产品进行称重和表征发现，在220 ℃，PS=4.22，1，4-丁二醇浓度为60%的条件下反应4 h，可获得最高的木质素分离率41.54%，分离后纯度95.89%，同时各组耦合了水热预处理的正交实验中分离后木质素含糖量均低于4%，这与传统高沸醇直接分离的产品相比有着明显的优势。

2.2 新型分离方法的研究

传统的分离方法有诸如能耗高、残糖量高、木质素分离率低、对设备有一定腐蚀、反应要求较高等不足，故而许多研究者在对现有工艺进行了改进的同时也着眼于将不同工艺进行耦合，以寻找更为高效的分离方法。新型的木质素分离方法主要有：亚临界水连续提取耦合酶解分离法、微波辅助萃取法、梯度碱抽提-酶水解连续处理法以及聚乙二醇/水(PEG-200/H2O)溶剂分离法。

2.2.1 亚临界水连续提取-酶解分离法 亚临界水连续提取-酶解分离法是首先在亚临界条件下以水为连续相对木质素进行亚临界提取，然后利用纤维素水解酶对亚临界提取产物进行酶解处理。通过耦合工艺使最终酶解分离的产率大大提升。Melih等[20]以东方云杉为原材料研究了以响应面法优化的亚临界水连续提取耦合酶解分离木质素工艺，按照Box-Benhken 设计方法，以温度(140，180，220 ℃)、压力(5，10，15 MPa)和流速(2，5，8 mL/min)3个因素为变量，反应时间45 min，设计了15组对比实验，利用固定床反应器在连续水流的条件下对东方云杉进行木质素提取。每组实验使用东方云杉样品5 g，首先将样品在105 ℃下干燥并研磨，然后反应器加热30 min 到达指定温度，将样品加入反应器后以固定流速向内冲水进行亚临界水连续提取，收集固体残渣进行酶解处理。将残渣加入高压反应器后，在pH=4.8 的0.05 mol/L柠檬酸盐缓冲溶液中按照不同固液比加入含量为15 fpu/(g底物)的CTEC2和Novozyme纤维素酶混合物，以150 r/min的速度搅拌进行酶解分离木质素的操作。酶解结束后根据nrel标准程序测定样品中木质素的含量。通过测定发现亚临界水提取部分的最优操作条件是150.9 ℃、15 MPa下水流速8 mL/min处理45 min；酶解的最优条件是2.53 g/L的固液比下Novozyme含量为24.59%时处理46.33 h，最终分离的木质素含量约为30%。

2.2.2 微波辅助萃取法 微波辅助萃取法是在传统萃取法之上，通过在萃取的同时辅以微波来打断木质素中特定的化学键，从而使木质素萃取分离的效果大幅提高。李鑫[21]以茭白鞘叶为原料，研究了微波辅助萃取木质素的工艺。通过将茭白鞘叶干燥去杂、粉碎过筛处理之后，用乙醇加酸进行处理同时辅以不同功率的微波。在控制茭白鞘叶原料和酸加乙醇料液比相同后，通过平行实验比较了硫酸、硝酸、盐酸、冰醋酸、磷酸的分离效果，得到的结论是硝酸的分离效果最好，能达到近60%；随后通过不同料液比的平行实验发现，在料液比>1∶10之后木质素分离效果几乎无变化，综合考虑溶剂损耗和后续工艺后选择料液比为1∶10。在此基础上通过对温度、微波功率和处理时间进行正交实验后得到最优选条件为用乙醇加硝酸为萃取液，料液比为 1∶10，反应温度90 ℃，在微波功率为600 W的条件下处理20 min，此时木质素的一次分离率可达66%。该方案将物理方法融入了化学分离方法，为日后的研究提供了一个较好的思路。

2.2.3 梯度碱抽提-酶水解连续处理法 梯度碱抽提-酶水解连续处理法首先是对原料用浓度梯度上升的碱进行抽提然后滤渣进行酶解处理。通过梯度碱抽提破坏木质素中的网状结构，将木质素部分水解，提高了后续酶解处理的效率和产量。付跃进等[22]以核桃壳原材料独创了梯度碱抽提-酶水解连续处理法对木质素进行分离，效果显著。原材料经过烘干破碎和过筛后，首先用体积比为2∶1的甲苯-乙醇溶液在索氏抽提器中对处理后的原材料进行6 h 的抽提，然后依次用浓度为1%，3%和6%的NaOH的70%乙醇溶液在75 ℃下抽提3 h。将最后抽提得到的滤渣用大量蒸馏水清洗至中性干燥16 h后球磨5 h，随后用浓度为3%的NaOH的70%乙醇溶液在75 ℃下抽提3 h后得到碱木质素样品。按照每克碱木质素样品加入30 mL pH 4.8的醋酸-醋酸钠缓冲液和1.2 mL纤维素酶的比例，在45 ℃下对样品进行酶水解48 h后离心去除上清液，并用80 ℃ 热水反复对固体残渣冲洗，干燥后即为滤渣中分离的木质素。随后将之前4次碱抽提后的滤液收集后用6 mol/L的盐酸调pH至5.5，并用乙醇溶液进行醇沉浓缩去除半纤维素。将去除半纤维素后的溶液减压浓缩后用前述的盐酸调pH至2.0，过滤后即为分离出的滤液中的木质素，用pH=2的酸水多次冲洗并干燥称重。将滤液和滤渣中分离的木质素混合后即为最终该工艺所分离得到的木质素产品。通过称重计算和表征发现，基于梯度碱抽提-酶水解连续处理法，核桃壳中木质素的分离率可高达89.69%。

2.2.4 聚乙二醇/水(PEG-200/H2O)溶剂分离法 聚乙二醇/水(PEG-200/H2O)溶剂分离法是对传统有机溶剂法的一个改进，通过环境友好的聚乙二醇为溶剂来取代传统有机溶剂，并无需传统工艺中的加热环节，极大程度避免了木质素活性结构因加热导致的变化失活，并提高了分离率。陈琳等[23]利用了聚乙二醇/水(PEG-200/H2O)溶剂体系改进了传统有机溶剂法。按照一定的质量比把水加入到聚乙二醇(PEG-200)中形成聚乙二醇/水溶剂体系，并用此体系模拟木质素的溶解和再生过程：首先向溶剂体系加入木质素至饱和以模拟木质素的溶解过程；然后再向混合溶液体系中继续加入去离子水来析出木质素，析出的木质素用去离子水洗净后，60 ℃ 烘干后称重得再生的木质素。通过对再生后的木质素用TGA和FTIR进行表征的结果结合称重后的回收率可以发现：在H2O∶PEG-200质量比为0.3∶1时，木质素的溶解度可达最大，每25 mL溶剂可溶解木质素超过105.0 g，同时由于不需要传统有机溶剂法的加热过程，通过表征发现该方法所分离的木质素的活性结构基本没有变化，未和溶剂发生反应，这也为在温和条件下分离木质素提供了一条新的途径。

3 木质素的应用研究

木质素因为自身的三维网状结构、适宜的碳氢比以及可提供大量活性的酚羟基、刚性的苯环、羰基结构，故而是一种同时具备吸附、抗热老化、抗氧化、抗高温变形和生物兼容等多种作用理想材料。当下对木质素的应用研究主要集中在作为水中重离子、有机染料吸附剂，制备准液体燃料，制备耐高温或耐氧化改性树脂，制备改性沥青以及制备生物兼容性水凝胶等方面。

3.1 木质素的吸附作用

由于木质素含有大量活跃的酚羟基、甲氧基结构，在酸性条件下极易与具有强氧化性的离子进行反应，将之吸附，故而木质素有很好的离子吸附作用。向浩等[24]探究了木质素的吸附作用，利用木质素作为工业废水中铬的吸附剂。通过在实验室以重铬酸钾为铬源制备了pH约为6，Cr6+浓度约在6 mg/L 的模拟工业废水，然后用木质素对模拟废水进行吸附，并用二苯碳酰二肼分光光度法测定处理后水中Cr6+残余量。通过实验发现pH在4～8，搅拌时间5 min时，木质素处理后水中Cr6+的去除率可达70%左右，当pH进一步升高时Cr6+去除率会显著下降。此法可作为含铬工业废水的预处理方法。

此外这些结构可对水中的有机染料分子进行物理、化学吸附，故而木质素有较好的有机染料吸附作用。薛蓓等[25]利用竹子造纸黑液提取了木质素，共沉淀法制备出了Fe3O4，随后用交联法先以3-氨丙基三乙氧基硅烷(APTES)为交联剂和Fe3O4制备出Fe3O4@APTES并加入木质素制备出Fe3O4@APTES@木质素固体粉末。通过对交联法制得的磁性木质素的磁性和对燃料的吸附性能测试，发现该产品的磁饱和强度为22 emu/g，在颗粒添加量达到1.5 g/L时，对甲基橙、亚甲基蓝和刚果红的最大吸附量分别可达71.2，140.2，181.4 mg/g，且由于磁性较强，在吸附后可通过外加磁场对磁性木质素快速回收。

3.2 木质素的生物质燃烧作用

由于木质素的碳氢组成比(12∶1)和天然石油(8∶1)近似，且有较多的氧元素，故而木质素是一种高能物质，有良好的生物质燃烧作用。王文将等[26]通过将木质素和乳化剂按照一定比例加入柴油后制备出了一种木质素准液体燃料，并探究了其燃烧作用。通过实验发现随木质素的比例增加分层厚度逐渐增加，最优条件为木质素9%，乳化剂4%，转速10 000 r/min，乳化20 min。此时制得的木质素准液体燃料经柴油机性能测试后得到：在柴油机1 600 r/min 时，木质素的替代效果最好，7.30 g木质素可替代4.88 g柴油，替代比例接近1.5∶1。同时对尾气的测定显示，加入木质素后柴油燃烧更为充分，NOx排放量降低约35%，HC排放量降低约19%，一定程度降低了对环境的危害。

3.3 木质素的抗热老化作用

由于木质素中含有大量羟基结构，高温下可与多种功能性有机高分子材料发生醚化作用，增强高温下材料的强度，故而木质素有很好地抗热老化作用。尚欣宇等[27]针对环氧树脂易热老化的问题利用木质素对其进行改性，将玉米秸秆木质素和环氧树脂混合并热处理后与稀释剂669、聚酰胺固化剂按一定比例混合后固化，并置于真空干燥箱中进行热老化实验的模拟。通过对结果的分析发现：加入木质素后的环氧树脂在热老化后弯曲强度虽略有下降但抗冲击强度大幅提升，同时玻璃化转变温度的变化幅度也有显著降低。鉴于此，木质素的添加可以很好地起到抗热老化性作用。

3.4 木质素的抗氧化作用

由于木质素中有大量活性羟基结构，可用于和有机高分子间形成氢键，并能捕捉氧化过程中的自由基，故而木质素有极佳的抗氧化性作用。陈凤贵等[28]针对聚氨酯易老化的问题通过掺杂木质素来改进其性能。将水性脂肪族聚氨酯溶液和木质素按不同比例混合，超声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/木质素复合材料薄膜。通过多手段表征和机械性能分析后发现：机械强度方面在加入少量木质素(≤10%)后，聚氨酯的拉伸强度、断裂伸长率均有极大提升，特别是在5%时最高，分别提升了106.0%和44.3%；抗氧化性方面，加入少量木质素的聚氨酯在紫外线光照射72 h后其屈服应变和断裂伸长率的下降率较未添加时分别降低了42%和39.9%。鉴于此，证明木质素的添加可以有效改善其机械强度并很好地起到抗氧化性作用。

3.5 木质素的抗高温形变作用

由于木质素有较丰富的三维网状结构，可以与多种材料间形成溶胀作用，常温下没有影响，高温下溶胀作用被破坏后可以提升其硬度，故而木质素有较好的抗高温形变作用。沙磊[29]通过木质素改性聚氨酯，然后将之与沥青进行混合制得L-PU改性沥青，通过对L-PU改性沥青和传统沥青的理化性能对比得到：常温下L-PU改性沥青在延度、软化点、针入度方面有了较好的提升，在高温时，L-PU改性沥青的抗高温变形能力较传统沥青有显著提升。后续的路用性能测试也进一步印证了这一结论。鉴于此，L-PU改性沥青在抗高温形变、机械强度等多方面性能均优于传统沥青，木质素起到了较好的抗高温形变作用。

3.6 木质素的生物兼容作用

由于木质素来源为植物木质部，作为天然的高分子化合物，分离之后的木质素对生物细胞有较好的兼容性，基于其制成的新型材料也多具有较好的生物兼容性，故而木质素有较好的生物兼容作用。Ravishankar等[30]利用木质素中苯氧化物基团与壳聚糖主链上的铵基之间的静电相互作用，使壳聚糖酸性水溶液与木质素形成离子型交联，从而制得壳聚糖-木质素生物相容性水凝胶。通过检验发现：这种水凝胶在对实验室条件下的对间充质干细胞是完全无毒的，同时在NIH 3T3小鼠成纤维细胞上表现出良好的细胞迁移特性，表明该凝胶可能适合于伤口愈合应用。

在此基础上Zhang等[31]针对壳聚糖-木质素生物相容性水凝胶机械强度强但抗菌能力差以及聚乙烯醇-壳聚糖复合水凝胶抗菌能力强但机械强度差的特点，制备出了一种木质素-壳聚糖-聚乙烯醇复合水凝胶。该水凝胶兼具两种水凝胶的优点，是一种理想的伤口涂覆材料。通过在小白鼠体内进行伤口模拟，该水凝胶可以显著加速小鼠伤口的愈合，同时该水凝胶的拉伸应力高达46.87 MPa。这种新型水凝胶为临床上伤口的护理及快速愈合提供了新的可能性。

4 结论与展望

木质素的结构十分复杂，不同的原料中木质素的含量、成分也有较大的区别，加上不同的分离方法对产品有较大的影响，因此针对不同材料制定相应的分离方法在木质素的分离工艺中是至关重要的。尽管目前木质素的分离方法已有许多，但基本都是纯物理法、纯化学法或纯生物法，少有将数种方法联用的。在今后的研究中，可以将物理中的微波、亚临界萃取等方法与化学分离法相结合，优势互补，从而实现高效分离。

应用方面木质素因为其可以提供极为丰富的具有较高活性的羟基、酚羟基、羰基、苯环结构而在橡胶、树脂、吸附剂、水凝胶等多领域有极佳的前景。国内相关的综合利用技术也在逐渐发展。但是目前的木质素分离工艺多为以破坏除木质素外的其他结构来获取、利用木质素，而非同时对几种物质进行利用，这是有背于原子经济的，所以后续应当考虑如何同时对木质素、纤维素以及半纤维素进行利用，从而真正减轻对分离工艺的依赖。另外，应当大力推进基于木质素的良好的生物相容作用的多种新型材料的研发，让木质素成为真正与人们生活直接相关的产品，同时这也可以反向带动木质素的安全无毒分离工艺的快速发展，具有极佳的社会和经济效益。