不同萃取剂对木醋液活性组分的富集研究

2020-05-06卢辛成蒋剑春孙云娟

林产化学与工业 2020年2期

卢辛成，蒋剑春，何静，孙康，孙云娟

(1.中国林业科学研究院林产化学工业研究所；生物质化学利用国家工程实验室；国家林业和草原局林产化学工程重点实验室；江苏省生物质能源与材料重点实验室，江苏南京 210042； 2.南京林业大学江苏省林业资源高效加工利用协同创新中心，江苏南京 210037); 3.北京林业大学材料科学与技术学院,北京 100083)

木醋液是生物质原料(木材、秸秆、果壳等)在热化学转化过程中得到的一种重要产物，其主要成分是水，约占80%左右，其余为酸类、酚类、醛类、醇类、酮类和酯类等有机物质，组成十分复杂[1]。由于木醋液中含有丰富的有机物质，被广泛应用于改良土壤、促进植物生长、防治病虫害、抑菌杀菌以及饲料添加等领域[2-3]。木醋液应用性能与其活性组分组成与含量有关，因此通过活性组分的精制与富集可以提高木醋液的应用效果[4-5]。木醋液主要精制方法有静置法、蒸馏法、活性炭吸附法和萃取法等，不同方法具有不同的精制效果。萃取法是一种有效的精制分离方法，通过加入与提取成分相似而与溶剂极性不同的萃取剂来实现物质的分离。因此可以用于木醋液的分离和精制，实现不同组分的富集。邹勇等[6]研究表明：乙酸乙酯对木醋液中酚类物质的精制效果最好，总酚质量分数可达366 mg/g以上；许英梅等[7]采用有机络合萃取的方法对木醋液中的醋酸进行了萃取研究，获得了理想萃取体系和萃取工艺流程；杨頔等[8]研究表明采用5% NaHCO3、4% NaOH和乙酸乙酯组合萃取，具有显著的酚类物质富集效果。本研究以废弃板材为原料通过热解制备得到木醋液，采用有机溶剂对其进行萃取精制，探讨不同萃取剂对木醋液组成成分的影响以及对活性组分的富集作用，以期为木醋液的应用提供技术支撑。

1 实验

1.1 材料及仪器

本实验所用木屑来源于家具制造业废弃杉木板材，将其粉碎、过筛，得到粒径为0.5～2 mm的木屑，置于80 ℃烘箱中干燥5 h，备用。通过分析，木屑元素组成为：C 48.66%、H 5.69%、O 41.94%、N 0.13% 和S 0.06%。乙酸乙酯、氯仿、乙醚和甲醇均为分析纯。

自制固定床热解反应器；针式过滤器；美国安捷伦公司7890A-5975C型气相色谱-质谱联用仪(GC-MS)；德国耐驰STA 409同步热分析仪(DSC/DTA-TG) 。

1.2 热重分析

木屑热解特性分析采用Netzsch STA 409同步热分析仪，在氮气保护下，以10 ℃/min的加热速率从室温加热到800 ℃。

1.3 杉木木醋液的制备

图1 木屑的TG和DTG曲线Fig.1 TG and DTG curves of sawdust

在自制固定床热解反应器上进行木屑热解实验[9]。准确称取杉木屑20 g装入石英管中，将石英管置于程序控温管式炉内。装置连接后，通入N2检查气密性排出装置中的O2，确保绝氧条件。在氮气流量为100 mL/min下，以10 ℃/min的升温速率升到热解温度450 ℃，热解30 min，保证热解完全，热解产生的挥发分经冷凝装置收集。合并连续热解3次的木醋液，静置分层后取上层木醋液作为实验样品。

1.4 木醋液萃取精制

取5 mL木醋液，分别采用1.5 mL乙酸乙酯、氯仿、乙醚及乙醚/甲醇混合液进行萃取，连续萃取5次，合并萃取液，采用GC-MS分析组分。

1.5 GC-MS分析

将原木醋液样品与萃取精制木醋液样品通过针式过滤器过滤，采用7890A-5975C型GC-MS仪分析其组分及GC含量。GC条件：色谱柱选用石英毛细管柱(30 m×0.25 mm×0.25 μm)，载气为He，流量为1.6 mL/min，进样口温度为280 ℃，色谱柱升温程序为50 ℃保持2 min，以5 ℃/min的速率升至280 ℃保持20 min，分流比为100 ∶1，进样量0.2 μL。MS条件：EI电离源，温度230 ℃，电子轰击能量70 eV，扫描质量范围(m/z)为50～500。

2 结果与讨论

2.1 木屑热重分析

生物质主要由纤维素、半纤维素和木质素组成，这3种高聚物的热解行为影响着生物质的热解特性。图1 为木屑TG-DTG 曲线。从图1可以看出，木屑的热解主要可以分为3个阶段：水分析出的干燥预热解阶段、纤维素和半纤维素等的热解阶段以及残余焦炭的缓慢炭化阶段。干燥预热解阶段为室温到200 ℃左右，样品失重率约为5%左右，DTG峰值较小；热解阶段为200～400 ℃，TG值随温度升高迅速减小，样品失重率约为60%，该阶段出现一个明显的DTG峰，失重速率达到最大值9.64%/min，对应的温度为365.5 ℃；炭化阶段为400～800 ℃，随温度的升高失重率变化较为缓慢，TG和DTG趋于水平直线，热解反应结束，此时样品残存量为19.14%(799.6 ℃)。

2.2 木醋液GC-MS分析

采用GC-MS分析木醋液中的活性组分，主要成分为酚类物质和酸类物质，其次为酮类物质、醛类物质和醇类物质，酯类物质含量最少，结果见表1。

表1 木醋液组成成分Table 1 Composition of wood vinegar

从表1可以看出，酚类物质是木醋液的主要成分(GC含量33.714%),酚类物质主要是2-甲氧基苯酚(愈创木酚)及其衍生物，约占酚类物质总量的81%。酚类物质来源于木质素中苯丙烷结构的热解，这表明木屑原料中木质素的苯丙烷结构主要是愈创木酚型，热解过程中醚键断裂形成愈创木酚及其衍生物[10-11]。木醋液中酸类物质的GC含量为33.624%，主要是戊酸、乙酸、丙酸和3-甲氧基- 4-羟基苯甲酸。酸类物质主要来源于木质素结构中脂肪类羟基断裂以及半纤维素和纤维素的解聚、脱水[12]。酮类物质主要是丙酮、环戊二酮及其衍生物，GC含量为14.212%左右，纤维素和半纤维素在慢速热解过程中低聚糖的脱水和二次反应有利于产生丙酮和环戊二酮等物质[13]。醇类物质主要是4-羟基-3-甲氧基苯乙醇和呋喃甲醇，木质素中脂肪族醇羟基侧链结构的断裂生成醇类物质[14]。醛类物质是己醛、糠醛及其衍生物等，主要来源于半纤维素和纤维素热解。

2.3 萃取剂对木醋液活性组分及其含量的影响

2.3.1不同萃取剂的对比采用乙酸乙酯、氯仿和乙醚等萃取剂对木醋液进行精制，研究不同萃取剂对木醋液中活性组分的富集作用，结果见表2。从表2可看出，不同萃取剂对活性组分的富集效果有着显著的差异。对于酚类物质来说，3种萃取剂具有明显的富集作用，其中乙醚富集效果最好，GC含量可达57.00%，其次为氯仿(49.19%)，再次为乙酸乙酯(46.79%)。3种萃取剂对酸类物质的富集效果较差，GC含量分别为乙酸乙酯(8.80%)、氯仿(6.05%)和乙醚(12.03%)，明显低于原木醋液。对于酮类物质，采用乙酸乙酯、氯仿萃取富集效果较好，GC含量分别达到28.72%和23.91%，是原木醋液(14.21%)的2.0倍和1.7倍，而乙醚萃取的酮类物质GC含量为13.63%，低于原木醋液。对于醛类物质，氯仿萃取能够增加其GC含量。而对于醇类物质和酯类物质，3种萃取剂的精制富集作用较差，GC含量均低于原木醋液。由此可知，采用不同的萃取剂可实现木醋液中不同活性组分的分离与精制，有利于木醋液构效关系研究与高效应用。

表2 不同萃取条件下木醋液中活性组分组成与GC含量Table 2 Composition of wood vinegar under different extraction conditions

与表1对比可知， 3种萃取剂对木醋液中活性组分的分离和富集效果不同。对于酸类物质，萃取效果较差，总的GC含量明显下降，3-甲氧基- 4-羟基苯甲酸含量增加，但乙酸、戊酸含量减少，特别是戊酸，含量减至0。3种萃取剂对酚类物质具有显著的富集效应，其中乙酸乙酯和氯仿对2-甲氧基苯酚、4-甲基-2-甲氧基苯酚、4-乙基2-甲氧基苯酚和丁子香酚具有良好的萃取效果，但对苯酚、 3-甲基苯酚和4-丙基-2-甲氧基苯酚等萃取效果很差；乙醚能够有效分离除了4-乙烯基-2-甲氧基苯酚和4-丙基-2-甲氧基苯酚以外的其他酚类，对于酚类物质的富集效应最好。对于酮类物质，乙酸乙酯和氯仿萃取作用较显著，可以实现除丙酮以外其他酮类物质的有效富集，尤其是环戊二酮及其衍生物。而对于醛类、醇类和酯类物质，萃取效果均不显著。这可能是由于木醋液中有机物极性不同，在水与3种萃取剂之间的分配系数不同，导致部分组分无法萃取分离；同时，由于不同萃取剂与水的溶解性不同，导致富集效果不同。

图2 V(甲醇)/V(乙醚)对木醋液活性组分的影响Fig.2 Effect of V(methanol)/V(ether) on the enrichment of wood vinegar components

2.3.2乙醚 /甲醇混合萃取剂酚类物质和酸类物质是木醋液的主要成分，也是木醋液抑菌性、抗氧化性和生长调节作用的主要活性物质[15-16]。因此，以乙醚为萃取剂，进一步通过添加甲醇配制乙醚/甲醇混合萃取剂，考察甲醇添加量对萃取精制木醋液效果的影响，结果如图2和表3所示。从图2可以看出，乙醚/甲醇混合萃取剂对酚类物质的富集作用显著增强，甲醇和乙醚的比例影响其对酚类物质的富集效果。随着甲醇添加量的增加，酚类物质的GC含量逐渐增加，当V(乙醚) ∶V(甲醇)为2 ∶1时，酚类物质GC含量最高可达66%，较乙醚萃取提高了9个百分点，是原木醋液的1.96倍。对于酸类物质，V(乙醚) ∶V(甲醇)为 5 ∶1时，其GC含量增加，之后随着甲醇用量的增加，其GC含量降低。甲醇的添加，对酮类物质和酯类物质几乎没有影响，但导致醛类物质的GC含量降低。

表3 不同V(乙醚)/V(甲醇)条件下木醋液活性组分组成与GC含量Table 3 Composition of wood vinegar under different V(ether)/V(methanol)

续表3

类别 class 有机物名称compoundsGC含量GC content/% 5∶1 4∶1 3∶1 2∶1酮类ketones丙酮acetone0.6840.6010.5630.4801-羟基-2-丁酮1-hydroxy-2-butanone—0.5910.6890.5483-甲基-1,2-环戊二酮3-methyl-1,2-cyclopentanedione4.7874.3533.9033.1793-乙基-2-羟基环戊烯酮3-ethyl-2-hydroxyl cyclopentenone1.6761.1691.1651.0358-甲基-4-壬酮8-methyl-4-nonanone—0.9010.8620.7414-羟基-3-甲氧基苯乙酮4-hydroxy-3-methoxy hypnone5.1345.4466.3365.526醛类aldehydes糠醛furfural4.3933.7442.8702.9745-甲基-2-糠醛5-methyl-2-furfural—1.3201.3341.093香草醛vanilline2.3442.5942.5772.660醇类alcohols2-呋喃甲醇2-furfuryl alcohol—0.6761.1330.6744-羟基-3-甲氧基苯乙醇4-hydroxy-3-methoxy phenethyl alcohol5.7925.8824.5613.907

由表3可以看出，与原醋液(表1)相比，采用乙醚/甲醇混合萃取剂，不仅增加了主要酚类物质如2-甲氧基苯酚、 4-甲基-2-甲氧基苯酚、邻苯二酚等的GC含量，也使其他微量酚类物质如2,3-二甲基苯酚、 4-丙氧基苯酚和4-甲基邻苯二酚等萃取出来。与乙醚萃取(表2)相比甲醇的添加使2-甲氧基苯酚、 4-甲基-2-甲氧基苯酚、邻苯二酚、 4-乙基-2-甲氧基苯酚和4-丙基-2-甲氧基苯酚GC含量明显增加，但使3-甲基苯酚、丁子香酚和4-丙烯基-2-甲氧基苯酚的GC含量降低。同时，甲醇添加量对组分GC含量有着不同的影响。随着甲醇添加量的增加， 2-甲氧基苯酚、邻苯二酚的GC含量呈减少趋势， 3-甲基苯酚、 4-丙烯基-2-甲氧基苯酚的GC含量呈增加趋势，而2-甲氧基苯酚、 4-甲基-2-甲氧基苯酚、丁子香酚、 4-丙基-2-甲氧基苯酚等的GC含量先减少后增加。这可能是由于甲醇极性较强，通过添加强极性甲醇可以增强混合萃取剂的极性，进而增强对酚类物质的萃取效果。同时由于各酚类物质与混合萃取剂之间的互溶性和相互作用不同，导致萃取富集效应不同。