醇溶剂提取松木木质素及其结构表征

王东玲，王文锦，彭梓芳，徐莹，刘建国，王海永，王晨光，张琦，马隆龙

（1 中国科学院可再生能源重点实验室，中国科学院广州能源研究所，广东广州510640； 2 广东省新能源和可再生能源研究开发与应用重点实验室，广东广州510640； 3 中国科学院大学，北京100871）

引 言

化石能源的不可再生以及利用过程中带来的环境污染问题日益突出，开发可再生新能源是解决能源危机和环保的关键点。木质纤维素类生物质广泛存在于自然界，其价格低廉，是清洁型的可再生能源[1]。木质素作为生物质中的重要组分，其特有的苯环结构，使其具有生产芳香类化学品的巨大潜能[2-3]。从生物质中有效地分离出高品质的木质素，对实现木质素制备酚类化合物具有重要的现实意义[4-5]。

有机溶剂提取法是最常用的木质素提取方法之一，该方法以有机溶剂为反应介质，在一定的温度下解聚、碎片化后溶出木质素。其反应条件相对温和，能较好地保留木质素原有结构和官能团[6-8]。有机溶剂提取的木质素结构特征不仅取决于生物质基质，也与提取过程中溶剂的类型与特性、反应温度与时间等有关[9-11]。加入少量酸或碱作为催化剂可以促进木质纤维素生物质中木质素与碳水化合物的分离，提高木质素的收率。Toledano 等[12]使用乙醇有机溶剂能有效地从生物质中提取木质素，在提取过程中酸性介质的介入可以使木质素形成正碳离子，进一步破坏木质素大分子结构。Brosse等[13]使用甲醇溶液体系提取大麻木质素过程中，加入H2SO4可以进一步增强大麻中木质素的溶解，75%的木质素发生了转化。

有机溶剂提取过程中，溶剂的类型与特性会影响木质素的溶解效果及其结构和官能团。Luo 等[14]研究了甲醇、丙酮和乙酸三种不同溶剂提取的木质素，扫描电镜、二维核磁表征结果显示三种木质素的形貌以及单元结构间的连接键呈现出显著的差异性；甲醇在提取过程中与木质素的Cɑ位羟基发生反应形成了甲氧基，抑制了木质素的缩合反应。Shuai 等[15]在木质素的提取过程中添加甲醛，通过与木质素侧链羟基形成1,3-二烷结构以防止木质素缩合反应的发生。在众多有机溶剂中，醇作为供氢溶剂对植物纤维原料中的木质素具有较好的降解、溶出效果。以正丁醇为有机溶剂提取玉米芯，木质素的提取率可达87.1%[16]。乙二醇、甘油等作为多羟基醇，也常用于生物质中木质素的提取与转化[17-18]。然而，以醇作为溶剂进行木质素提取的研究比较分散，为进一步研究醇类有机溶剂，特别是通过有机醇的碳数和羟基数等特性对木质素提取过程中收率和结构的影响深入理解木质素的结构特点，可为提高木质素解聚产物的选择性提供理论指导。

本文以广东省常见的木材类生物质松木粉为原料，利用美国可再生能源实验室的NREL法[19-20]测定原料中木质素含量；分别选取甲醇[14,21-22]、乙醇[23-25]、正丙醇、乙二醇[26-28]、1,3-丙二醇及1,4-丁二醇[29-31]为反应体系对生物质中的木质素开展提取实验，选择乙酸和浓硫酸为催化剂[29]，探究醇溶剂的碳数、羟基数和极性等在提取过程中对木质素收率的影响；并通过SEM、元素分析、GPC 及FT-IR 分析对木质素的外貌形状、主要官能团及分子量进行测定与表征以研究其结构特点。

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

实验中采用的原料与试剂：广东省常见的木材类生物质松木粉；浓硫酸（98%）、葡萄糖（AR，广州化学试剂厂）；NaOH（AR，天津市科密欧化学试剂有限公司）；D-木糖、阿拉伯糖（AR，上海源聚生物科技有限公司）；冰乙酸、无水乙醇、乙二醇、正丙醇、1,3-丙二醇、1,4-丁二醇（AR，天津市富宇精细化工有限公司）。主要的实验仪器设备有美国WATERS 2695-1201 型高效液相色谱（HPLC）、北京发恩科贸有限公司D-1型自动蒸汽灭菌锅、日本YAMOTA 公司FO310C 马弗炉、安徽省科幂仪器有限公司316 L 100 ml 高温高压反应釜、巩义市予华仪器有限责任公司FD-1C-50冷冻干燥箱。

1.2 实验过程

使用NREL 法[19-20]测定松木粉中纤维素、半纤维素和木质素等组分的含量。向100 ml 的反应釜中一次加入5.00 g 松木粉，60 ml 溶剂（乙酸4.2 ml，浓硫酸0.2 ml，醇41.7 ml，H2O 13.9 ml），充分混合后，密封反应釜，用氮气置换反应釜内空气后，设定反应釜内压力为1.5 MPa，并设定在40 min内将反应釜的反应温度调至160℃恒温反应1 h。反应结束后，待反应釜冷却至室温，取出反应釜内的混合物，进行过滤分离。向滤液中加入3～5 倍去离子水，析出木质素沉淀。减压抽滤分离木质素，并用去离子水将其洗涤至中性。将过滤得到的木质素置于冰箱中冷冻1 h，然后放在冷冻干燥箱中干燥24 h。得到的黄棕色木质素，称重，利用式(1)计算木质素得率。滤液合并洗涤液中的有机溶剂可通过负压旋蒸回收再利用。通过SEM、元素分析、GPC、FT-IT 等表征手段对木质素的结构进行分析。

1.3 木质素结构表征

1.3.1 GPC 木质素的分子量使用Agilent 1260 高效液相色谱系统(Agilent 1260 HPLC)和折射率检测器(RID, Agilent Technologies, Palo Alto, USA)以THF溶液为流动相，流速为1 ml/min 进行GPC 测定。以聚苯乙烯为标准化合物，按狭义外标法计算了分子量(Mn、Mw、Mz)。

1.3.2 元素分析 木质素的元素分析在德国元素分析系统公司制造的Vario EL cube 元素分析仪上进行，测试条件为0.12 MPa He 和0.2 MPa O2气氛下，在1145℃采用TCD检测器进行检测。

1.3.3 SEM 木质素的形貌使用热场发射（分析型）扫描电镜表征。在Hitachi S-4800（日立公司）热场发射扫描电镜（SEM）进行，操作电压10 kV。测试前，样品研磨过200 目筛网(筛孔尺寸大小为0.0750 mm)。测试时，取适量样品置于导电胶上进行观察拍照。

1.3.4 NMR 不同木质素的HSQC NMR 光谱在Bruker advance III 400 液体核磁仪上测定，使用D2O作为溶剂。将约30 mg 样品溶于0.5 ml DMSO-d6中。采集参数如下：f1（13C）频率为400.15 MHz，f2（1H）频 率 为100.61 MHz。f1和f2的 谱 宽 分 别 为22137.686 Hz 和4807.693 Hz。f2维度收集到的复合点数为2048 个，循环延迟2 s；f1维度扫描的数量为72 次，时间增量为256 次。1JCH为145 Hz。HSQC NMR 谱图使用MestReNova 软件进行分析计算。

2 结果与讨论

2.1 不同生物质的组分含量

根据NREL 法[19-20]测定的松木粉中各组分的含量（质量分数）如表1所示。

表1 松木粉的组分分析Table 1 Composition analysis of pine wood powder

从表1组分分析可知，松木粉的纤维素、半纤维素和木质素的含量分别是42.69%、22.60% 和22.93%，灰分含量仅有0.59%，果胶、脂类、色素等可溶性杂质的含量为4.90%，水分为4.89%。

2.2 不同醇溶剂的木质素提取率

在乙酸和硫酸的催化作用下，160℃反应1 h，不同有机溶剂对松木粉木质素的提取得率如表2所示。

表2 松木粉在不同醇溶剂中提取的木质素得率Table 2 Yield of lignin from pine wood extracted with different alcohol solvents

从表2 可以看到，在相同的提取条件下，6 种醇溶剂均能从松木粉中提取木质素且不同醇溶剂提取木质素的得率显著不同。乙醇、正丙醇、1,3-丙二醇和1,4-丁二醇的木质素提取得率均高于70%，其中，1,4-丁二醇溶剂的木质素提取得率最高，达91.73%，而甲醇和乙二醇溶剂提取的松木木质素的得率偏低，分别为57.87%和36.35%。

对比6 种醇溶剂的化学性质与极性参数[32]可以得到这几种醇溶剂的极性强弱排序为：乙二醇＞甲醇＞乙醇＞正丙醇；乙二醇＞1,3-丙二醇＞1,4-丁二醇。从不同碳数的有机醇来看，单一羟基数的甲醇、乙醇、正丙醇3 种醇溶剂提取松木木质素的得率随着极性增强而增大，甲醇提取的木质素得率最低，而正丙醇提取的木质素得率最高。在二元醇溶剂中也呈现了类似的规律，乙二醇溶剂提取的木质素得率最低，而1,4-丁二醇溶剂提取的木质素得率最高。这一结果表明在文中研究的6 种醇溶剂中，随着醇溶剂的极性减弱，松木木质素的提取得率升高。对比极性参数可查的甲醇、乙醇、乙二醇、正丙醇四种溶剂，乙二醇的极性参数最高、极性最强，木质素提取得率最低。由此可见，醇溶剂的极性对木质素在溶剂中的溶解性有着显著的影响，且随着醇溶剂极性的增强，木质素在醇溶剂中溶出效果变差。

李赢等[33]选用乙醇、乙二醇两种溶剂在其最优条件下提取稻壳中的木质素，乙二醇溶剂提取的木质素收率也低于乙醇中的木质素收率。胡宗潇[34]选用乙醇和1,4-二氧六环作为溶剂，在同一条件下，在极性更弱的1,4-二氧六环溶剂中的木质素提取得率更高。结论与本文相类似。

对比选用乙醇、乙二醇两种溶剂，选用正丙醇和1,3-丙二醇两种极性较弱的相同碳数二元醇作为溶剂提取木质素时所获得的得率均低于使用一元醇时提取木质素的得率。这可能由于溶剂分子中羟基数的增多增强了醇溶剂的供氢能力，促进了松木木质素在溶剂中的降解/溶解，在酸的作用下使溶液中的木质素进一步发生裂解[35]。

2.3 不同醇溶剂的木质素的GPC分析

探究不同醇溶剂提取得到的松木木质素的分子量分布，结果如表3所示。

表3 在不同醇溶剂中提取的松木木质素的分子量Table 3 Molecular weight of pine lignin extracted with different alcohol solvents

由表3 可知，利用有机溶剂提取得到的木质素的重均分子量（Mw）均在2400 以下，比工业碱木质素[36]的分子量小。甲醇木质素、乙二醇木质素和1,3-丙二醇木质素的重均分子量较小，均低于1700，分别为1339、1283、1695；这三种溶剂木质素所对应的分子量的分散度（PD）也相对较低，均不超过2.50；其中乙二醇木质素分子量的分散度最低，为2.11。正丙醇木质素的重均分子量最大，达到2315，分散度偏高，达3.53。

从所选取的6 种有机醇不同的碳数来看，在一元醇系列中，随着溶剂碳数的增长、极性的降低，木质素的重均分子量和分散度逐渐增大；在乙二醇、1,3-丙二醇和1,4-丁二醇二元醇系列中也表现出相应的变化规律。同时对比甲醇、乙醇、乙二醇、正丙醇4种溶剂的极性参数，乙二醇的极性最强，该溶剂提取的松木木质素的重均分子量和分散度均最低。这表明木质素的碎片大小受到溶剂极性和碳链长短的影响，随着碳链的增长和极性的减弱，木质素碎片增大。以结构小的甲醇为例，在高温条件下甲醇更易进入木质素大分子的网络中破坏苯丙烷之间的连接键[17]进而易于木质素的提取。对比乙醇和乙二醇提取到的木质素的重均分子量，乙二醇作为溶剂的木质素的重均分子量比乙醇木质素降低了782，且分散度也降低了0.94；正丙醇木质素与1,3-丙二醇木质素的变化规律也与前者类似。这一结果表明利用小分子醇为木质素的提取溶剂时，羟基数的增加可降低木质素的重均分子量。因此，同等碳数的条件下，相比于一元醇，二元醇能更好地将木质素大分子溶解断裂为小分子量的碎片。这可能是由于天然木质素含有大量的酚羟基，是很好的质子供体，在提取过程中易形成碳正离子；而溶剂分子羟基数的增加增强了醇溶剂的供氢能力，电子受体增多，促进了木质素大分子进一步降解为小分子[37]。

2.4 不同醇溶剂的木质素的元素分析

对不同醇溶剂提取的松木木质素进行C、H、O元素分析，结果如表4所示。

表4可知，6种不同的醇溶剂所提取得到的松木木质素，其C、H、O 元素含量存在规律性变化。从碳链长度变化规律看，在一元醇溶剂系列中，C、H 两种元素的含量随着碳链增长而降低，O 元素则随着碳链增长而增多。相反，二元醇溶剂系列中，随着碳链的增长，C、H 两种元素的含量增多，O 元素的含量降低。二元醇溶剂提取的木质素中C元素含量比一元醇溶剂提取的木质素低。这表明木质素在二元醇溶剂中能更好地溶解。与二元醇溶剂提取的木质素分子量偏小的结果相一致。其中甲醇木质素的C、H 含量是所有木质素中最高的，可能是大量的甲醇与木质素的Cɑ位羟基发生反应形成了甲氧基，增加了C、H 的含量[14]，因此，木质素的HHV 值偏高，即热值高。

表4 在不同醇溶剂中提取的松木木质素的元素分析Table 4 Element analysis of pine lignin extracted with different alcohol solvents

2.5 不同醇溶剂的木质素的SEM分析

利用电子扫描显微镜对木质素进行了形貌表征，得到电镜图如图1所示。

图1 的SEM 图中不同醇溶剂提取的松木木质素的形貌不一，颗粒的形状以及大小存在显著的差异。甲醇木质素、乙二醇木质素与1,3-丙二醇木质素三者的形貌特点比较相似，颗粒感明显，粒径大小比较相近，呈团簇现象。乙醇木质素是不规则的颗粒，轮廓明显，颗粒大小相对于前三种木质素较大。正丙醇木质素的颗粒不明显，呈块状。1,4-丁二醇木质素则是规则的球形颗粒且其大小不一。

图1 不同醇溶剂提取的木质素SEM图Fig.1 SEM images of lignin extracted with different alcohol solvents

2.6 不同醇溶剂的木质素的NMR分析

为进一步研究不同醇溶剂提取的松木木质素的结构特点，使用NMR 对其进行2D HSQC 表征，如图2所示。核磁谱图中测链区及芳香环区主要的基本连接结构及结构单元见图3。连接键的信号区域分布在δC/δH50～90/3～5.5，另一个区域δC/δH100～140/6～8 提供了有关甲氧基取代程度，H、S 和G 单元的芳香结构信息。由核磁谱图可知这几种有机溶木质素主要由愈创木基、对羟基苯基和羟基肉桂酸基本单元结构组成，其中愈创木基最为丰富；而单元间的连接键包括β-O-4键、β-β键、β-5键和β-O-4键。根据表5[14,38-39]中官能团的化学位移归属，对每种木质素的HSQC谱图进行了分析。

在δC/δH50～90/3～5.5 区域内，甲醇木质素中β-O-4 的相关信号偏弱，而树脂醇结构中的β-β 相关信号和苯基香豆满结构中的β-5 相关信号偏强，表明甲醇溶剂中提取松木木质素过程中β-O-4 键发生断裂。β-O-4结构中乙酰化的Cγ—Hγ(Aγ')中C、H交叉信号位于δC/δH64.0/4.0。

在甲醇木质素的连接键区域有个明显的信号，位于δC/δH58.1/3.2，该信号表明木质素中β-O-4 结构上α 位羟基反应形成了甲氧基结构。Luo 等[14]以甲醇为反应介质提取木质素，甲醇作为亲核试剂抑制了在β-O-4的α位形成苄基碳正离子。同时1,3-丙二醇木质素也检测到β-O-4 结构非乙酰化和乙酰化的Cγ—Hγ(Aγ')中C、H 交叉信号。在乙醇木质素和1,3-丙二醇木质素中可以清晰地观察到δC/δH60.1/40.0 信号，表明这两种木质素中含有松柏醇结构。而在正丙醇木质素的核磁谱图中观察到了纤维素的信号X5(δC/δH62.8/3.3)，这表明在该溶剂中木质素与纤维素没有完全分离。1,4-丁二醇木质素中检测到了R—OCH2CH2CH2CH2OH 的δC/δH60.9/3.3和68.8/3.3。该信号是1,4-丁二醇溶剂与木质素的β-O-4 上的α 位羟基发生缩合反应[40]，进而保护了β-O-4 结构。在δC/δH100～140/6～8 区域内，6 种醇溶剂提取的木质素的核磁结果中，均能找到G 单元和H单元的相关信号。同时还有PCE 结构和FA 结构的相关信号[41-42]。

综上，6 种有机溶木质素主要包括愈创木基、对羟基苯基、阿魏酸酯和对香豆酸酯4种结构，不同的结构间连接键主要以β-O-4、β-β 和β-5 这3 种方式键合。甲醇和1,4-丁二醇能与木质素中β-O-4结构上的羟基发生反应形成保护结构，从而可以抑制木质素发生自身缩合。由各有机溶木质素的核磁谱图可知，溶出过程中，使用甲醇溶剂体系提取木质素可能主要断裂C—O 键。该研究工作进一步揭示了有机溶剂对提取木质素以及木质素结构的影响，为木质素解聚奠定理论基础。

表5 木质素中二维核磁13C-1H HSQC主要化学位移的归属Table 5 Assignment of main 13C-1H cross-signals in the HSQC spectra of the lignin

3 结 论

文中所选用的6 种醇溶剂均能实现松木木质素的提取，在研究的6 种醇溶剂中，溶剂极性的强弱、碳链的长短以及羟基数目的多少对木质素的得率均有一定的影响。随着醇溶剂碳链的增长、极性的减弱，木质素的得率呈上升趋势；随相同碳数的醇溶剂羟基数目的增多，木质素的得率呈降低趋势。

醇溶剂提取的木质素，其官能团丰富；不同醇溶剂提取得到的木质素的形貌与粒径大小不一；木质素的重均分子量、分子量的分散度以及C、H、O 元素含量呈规律性变化。碳链较长的醇溶剂提取得到的木质素碎片的分子量较大；同碳数的醇溶剂随着羟基数目增多，可促进木质素进一步溶解为分子量更小的碎片，即二元醇提取的木质素的分子量比一元醇木质素的分子量要小。一元醇溶剂中，随碳数的增长，C、H 两种元素的含量降低，氧元素含量增多；二元醇溶剂提取的木质素中的C、H、O 元素含量的变化规律与一元醇相反。松木木质素中的主要结构单元为愈创木基，6 种醇溶剂提取的木质素单元结构之间的连接键方式主要为β-O-4、β-β 和β-5 三种。在采用有机醇溶剂的提取过程中，木质素的三种连接键均发生了不同程度的断裂且碎片化溶解在溶剂中。