亚硫酸氢镁预处理麦秆木质素磺酸盐的性质和应用

刘蕾，任继巍，刘鑫露，郑兆娟，李鑫，欧阳嘉*

(1. 南京科技职业学院生物与环境学院，南京 210048； 2. 南京林业大学化学工程学院，南京 210037；3. 南京林业大学林学院，南京 210037)

木质纤维原料是一种价廉易得、丰富的可再生资源，可作为发酵制备燃料乙醇的糖类底物来源以及生产多种生物基化学品和化学原料[1]。然而木质纤维原料中仅葡萄糖可作为微生物转化碳源被利用，而木糖生物转化的经济可行性仍面临着巨大的挑战[2]。此外，木质素的综合利用度低，降低了原料的可利用率[3]，且木质素分子交联度高，结构复杂，是目前最难认知和利用的天然高分子。因此，木质素的高效利用将成为解决木质纤维原料生物炼制成本效益的关键，木质素基新材料的研究和开发面临着极大的机遇和挑战[4]。

目前，工业木质素绝大部分源于制浆造纸工业的蒸煮废液，随着原料和分离提取工艺不同可分为碱木素、木质素磺酸盐、硫酸盐木质素和酶解木质素[3]。木质素磺酸盐作为一种高分子两亲聚合物是目前应用最广的木质素系产品，其作为造纸工业中亚硫酸盐法的副产品，已被相继开发成水泥减水剂、农药分散剂、表面活性剂等产品[5]。而基于木质纤维原料生物炼制的木质素磺酸盐产品的工业化应用却鲜有研究报道。Huang等[6]提出了一种联产葡萄糖、低聚木糖和木质素磺酸盐的新工艺，利用高温自水解技术处理香枫，预处理废液采用XAD16N树脂从水解液中回收低聚木糖，并对酶水解残渣进行磺甲基化处理制备得到木质素磺酸盐。Zhu等[7]开发了一种用稀硫酸处理麦草联产木糖、木质素磺酸盐和乙醇的新工艺，从水解液中回收木糖，用磺甲基化试剂处理水解液中的木质素从而回收其中的木质素磺酸盐，最后通过酶解和微生物发酵将两步处理后的麦草转化为乙醇。此类研究中对生物炼制来源木质素磺酸盐产品的工业化应用途径并未做深入探讨，如何回收生物炼制废液中的木质素并对其进行高效利用成为工业应用中亟待解决的问题。

南京林业大学生物化工实验室近年来开发的亚硫酸氢镁预处理工艺耦联下游分离纯化技术有效实现了废液中高附加值化学品的提取，预处理后底物酶解发酵性能优秀[8]，结合固定床离子交换技术分离提取了预处理废液中低聚木糖和木质素磺酸盐[9]，但木质素磺酸盐的开发利用工作尚未进行。笔者对自制麦秆木质素磺酸盐产品进行理化性质和应用的初步研究，为生物炼制来源木质素磺酸盐的后续改性及工业化应用提供理论借鉴。

1 材料与方法

1.1 实验材料

小麦秸秆，购自江苏省连云港市，预处理之前风干粉碎，过20～80目(孔径0.18～0.85 mm)筛备用。

亚硫酸氢镁预处理麦秆(MBSP)废液参考文献[10]进行处理；商品木质素磺酸盐(CMLS)，购自天津光复精细化工研究所；甲基咪草烟原药(IMM，纯度97.5%)，无色结晶，由武汉鸿睿康试剂有限公司提供；聚羧酸盐类商品农药通用分散剂Wigwin-600C，可直接与原药配合使用，购自深圳朗钛生物科技有限公司。

1.2 麦秆木质素磺酸盐IELS的制备

将MBSP废液添加质量分数0.5%硅藻土吸附处理后，离心取上清液，采用离子交换固定床工艺对上清液进行分离纯化，洗脱液经纳滤后制备得到麦秆木质量磺酸盐(IELS)，经喷雾干燥后备用[9]。

1.3 超滤麦秆木质素磺酸盐UFLS的制备

将制备的IELS离子交换洗脱液直接采用切割分子质量5 ku超滤膜进行超滤(超滤设备：Quixstand，美国GE)，得到浓缩后的截留液经喷雾干燥后备用，简称UFLS。

1.4 木质素磺酸盐对微晶纤维素酶解的影响

以微晶纤维素(Avicel PH101)为底物，底物质量浓度30 g/L(以纤维素质量浓度计)，纤维素酶二代酶用量15 FPU/g纤维素，酶解体系20 mL，以空白为对照，添加1 g/L 木质素磺酸盐，用柠檬酸调节缓冲液pH至4.8，温度50 ℃，摇床转速150 r/min 条件下酶解48 h，取样经高效液相色谱(HPLC)分析纤维二糖、葡萄糖和木糖质量浓度，计算酶解得率，计算公式如下：

式中：Y为纤维素酶解得率，%；Cbiose为水解液中纤维二糖质量浓度，g/L；1.05为纤维二糖质量浓度转化为葡萄糖浓度的比例系数；Cglu为水解液中葡萄糖质量浓度，g/L；Ccel为酶解体系中纤维素的绝干质量浓度，g/L；0.9为纤维素和葡萄糖之间的转换系数。

1.5 测试方法

1.5.1 木质素磺酸盐基团含量测定

酚羟基和磺酸基团测定方法参照文献[11]，羧基含量测定方法参照文献[12]。

1.5.2 紫外扫描

紫外扫描使用UV-1800型紫外分光光度计(日本岛津)在波长190～400 nm范围内进行扫描，扫描速度为400 nm/min，绘制扫描图谱。

1.5.3 红外扫描

红外扫描使用VERTEX 80型傅里叶变换红外光谱仪(德国Bruker)进行化学结构特征分析，采用溴化钾压片法测定。

1.5.4 黏度测试

黏度测定在5 ℃下取适量样品进行测量，使用RS6000型旋转流变仪(德国Haake)对样品进行旋转剪切，获得黏度(Eta)变化曲线[13]。

1.5.5 凝胶过滤(GPC)测试

木质素磺酸盐分子量及分散性测试条件为：Waters 2414检测器；色谱柱为Waters Ultrahydrogel 250和Ultrahydrogel 500串联构成；流动相为0.1 mol/L 磷酸缓冲盐溶液(PBS)；流速0.6 mL/min；进样量200 uL；柱温35 ℃；标准物质为聚苯乙烯磺酸钠。

1.5.6 表面张力测试

表面张力采用铂金板法测试(测试仪器：DCAT21型表面/界面张力仪，德国Dataphysics)，具体方法参照文献[14]。

1.5.7 Zeta电位测试

在250 mL锥形瓶中加入不同质量浓度的木质素磺酸钠溶液50 mL和0.05 g农药原药颗粒IMM，在摇床中充分震荡6 h达到吸附平衡，静置，取锥形瓶上清液过膜注入电泳池中，用Malvern Zetasizer Nano ZS90型电位仪(英国马尔文仪器公司)测定溶液的Zeta电位。

1.5.8 接触角测定

将农药原药粉末真空干燥，去除多余水分，置入压片机(上海山岳科学仪器有限公司自制)，得到表面光滑平整的压片，采用JC2000C1型静滴接触角测量仪(上海中晨公司)测定液滴在压片表面的接触角，平均测3次，取平均值。

2 结果与分析

2.1 木质素磺酸盐特征基团分析

木质素磺酸盐产品性能因原料来源和制备工艺的不同具有很大的差异，其中磺酸基、酚羟基和羧基是木质素磺酸盐中重要的亲水性官能团，其含量直接影响到产品的实际应用性能。分别对MBSP废液、IELS、CMLS进行官能团测定，结果如表1所示。由表1可知，不同来源木质素磺酸盐的官能团含量有着明显差异，其中IELS经分离提纯后去除了糖水化合物等非木质素部分的杂质，纯度提高，亲水性官能团含量高于原始废液含量。与CMLS相比，IELS磺酸基团含量最高，为3.65 mmol/g，暗示其亲水性相对较高，羧基和酚羟基含量相对较低，这与自制木质素磺酸盐来源于麦秆有关。周明松等[15]分别比较了杨木、麦秆、竹子、蔗渣来源的木质素磺酸盐，发现来源于麦秆的木质素磺酸盐磺酸基含量最高；CMLS来源于杨木，分子量较大，羧基和酚羟基含量分别为1.39和1.05 mmol/g，高于IELS。邱学青等[3]比较了杨木、松木、蔗渣、麦草来源的木质素磺酸钠，发现杨木木质素磺酸盐酚羟基含量最高，并比较了不同分子量松木木质素磺酸钠的酚羟基含量，发现随着分子量增大，酚羟基含量随之增大，研究认为相对低分子质量木质素磺酸钠在制浆过程中酚羟基的磺化程度更深。同时，木质素磺酸盐的官能团含量与制备工艺以及原料来源存在一定的差别[15]。

在开学典礼上，一位教师代表的发言吸引了我的注意力。我从来没有听过这般清脆悦耳的声音，言语间文学味浓厚，更让我佩服的是，这位老师没有带讲稿，即兴发言都说得那般自然流畅，文采动人。如果闭着眼睛去听，还能感受到那种韵律感和节奏感。

表1 不同木质素磺酸盐样品的官能团含量Table 1 Functional group content of different LS samples mmol/g

2.2 紫外和红外光谱分析

图1 木质素磺酸盐紫外扫描图和红外扫描图谱Fig. 1 UV scanning image and infrared scanning spectrum of lignosulfonate

2.3 黏度分析

传统的造纸工业来源的木质素磺酸盐纯度低，含糖量高，产品容易吸水受潮，黏度增加，改性方面起步较晚，分别将MBSP废液、CMLS和IELS进行表面黏度测试，结果如图2所示。由图2可知，MBSP废液由于降解产物较多，黏度相对最高，为1.43 mPa·s；而IELS则通离子交换层析工艺去除了部分杂质和色素，黏度降低至1.14 mPa·s，澄清度提高；CMLS的黏度为1.23 mPa·s。王晓红等[18]报道木质素磺酸盐为两亲性分子结构，在水溶液中能自发组装成无规线团，周围为带负电荷的磺酸基团，因此木质素的特性黏度与其相对分子量往往也存在一定关系。笔者自制IELS黏度与CMLS接近，具备实际应用的潜力。

图2 不同来源木质素磺酸盐黏度Fig. 2 Viscosity of different lignosulfonates

2.4 GPC分析

在工业应用中，高纯度窄分布的木质素磺酸盐更有利于高效资源化应用的推广，对不同木质素磺酸盐样品进行分子量和多分散性检测，结果如表2所示。通过GPC测试得到MBSP废液中木质素磺酸盐的重均分子量(Mw)为3 360 u，数均分子量(Mn)为733 u，分散性(Mw/Mn)为4.580，分子量均一度较差。很显然可以看出，与废液相比较，麦秆木质素磺酸盐IELS经分离后纯度提高，多分散性显著降低至1.216，与杨木来源的 CMLS多分散性接近。同时IELS的Mw为3 456 u，Mn为2 842 u，低于CMLS, 这是由于草类原料木质素分子量本身就要低于木材，它们分子量之间的差别，会对其表面张力、分散性能等有很大的影响[19]。Buchholz等[20]指出木质素磺酸盐的分散效果与木盐分子量和悬浮体系有关，一般分子量范围为5 000～40 000 u时具有较好的分散效果。工业应用中，由于来源和制备工艺不同，木质素磺酸盐所含杂质多且性能各异，分子量分布较广使其应用受到了限制，笔者制备得到的窄分子量分布的木质素磺酸钠则具备较好的工业应用潜力。

表2 不同来源的木质素磺酸盐的平均分子量Table 2 Average molecular weight of lignosulfonate from different sources

2.5 木质素磺酸盐对微晶纤维素酶解的影响

为了研究不同来源木质素磺酸盐对微晶纤维素酶解的影响，以未添加木质素磺酸盐的酶解体系作为空白组对照，考察了不同来源的木质素磺酸盐对微晶纤维素酶解的辅助作用，结果如图3所示。由图3可以看出，添加1 g/L CMLS 48 h酶解得率达到69.19%，而添加1 g/L IELS 48 h酶解得率达到72.3%，较空白组提高了7.7%(空白组未添加木质素磺酸盐)，对于提高微晶纤维素的酶解效率效果更加显著。Lou等[21]认为木质素磺酸盐磺酸基团含量较高，亲水性较强，所以与纤维素酶在纤维素上的竞争疏水吸附较小并增强了酶的稳定性，防止其变性，同时分子量较大的木质素磺酸盐对纤维素酶的稳定作用较弱，由于水溶性较低，促进底物的酶解效果低于小分子量木质素磺酸盐。

图3 不同木质素磺酸盐对微晶纤维素酶解的影响Fig. 3 Effects of different lignosulfonates on enzymatic hydrolysis of microcrystalline cellulose

2.6 木质素磺酸盐对甲基咪草烟分散性能的影响

我国木质素系农药分散剂开发起步较晚，大部分产品依赖国外进口，为了适应农药剂型发展对分散剂的新要求，必须加大对木质素磺酸盐类分散剂的性能研究。对离子交换洗脱溶液进行超滤浓缩得到截留液UFLS，测得UFLS中木质素磺酸盐总量占据洗脱液中木质素磺酸盐总量的37.5%，UFLS磺酸基团含量降至2.35 mmol/g，重均分子量为6 150 u，多分散性为1.38，笔者继续考察UFLS对农药IMM悬浮液分散效果的影响。

2.6.1 表面张力分析

表面张力是表面活性剂在实际应用中的重要性能指标，木质素磺酸盐作为两亲高分子表面活性剂，加入水中后表面张力降低越多，其表面活性越高。实验测定了不同样品溶液的表面张力，结果如图4所示。由图4可以看出，随着木质素磺酸盐质量浓度的逐渐增大，不同溶液的表面张力呈下降趋势，当溶液质量浓度达到15 g/L时，表面张力降幅较大，其中当UFLS质量浓度达到50 g/L时，溶液表面张力降至30.0 mN/m。经比较，UFLS降低溶液表面张力能力最强，表面活性最高。

图4 不同木质素磺酸钠的表面张力Fig. 4 Surface tension of different lignosulfonates

2.6.2 木质素磺酸盐对IMM表面Zeta电位影响

分散体系中颗粒的Zeta电位对其分散稳定性起着重要作用。根据DLVO理论可知，颗粒的Zeta电位绝对值越高，体系越稳定[22]。分别考察UFLS、CMLS、Wigwin-600C在不同质量浓度下对甲基咪草烟颗粒表面Zeta电位影响，结果如图5所示。由图5可以看出，IMM在水溶液中颗粒表面Zeta电位约为1.32 mV，随着分散剂用量增加，IMM表面Zeta电位绝对值逐渐升高。分别加入1.5 g/L的商品分散剂Wigwin-600C和CMLS时，IMM颗粒表面Zeta电位最低降至-18.8和-22.6 mV，此后缓慢上升，而添加UFLS悬浮液体系的电位值降至-26.8 mV；当UFLS增至2.0 g/L时，IMM颗粒表面Zeta电位降至最低，为-30.3 mV，对IMM颗粒的Zeta电位影响最大；推测分散剂质量分数为2%时，其在颗粒界面的吸附接近饱和，再增加分散剂用量，剩余的分散剂分布在扩散层中，分散剂分子中的反号离子进入吸附层，使吸附层的电位减小，结果导致药物颗粒界面 Zeta 电位绝对值下降，同时溶液中多余分散剂的长链也会在分散的药物颗粒间相互缠绕导致颗粒间距离因絮凝作用变大。相比较之下，加入2.0 g/L的UFLS使农药悬浮体系Zeta电位绝对值增幅最大，高于Wigwin-600C和CMLS，对IMM颗粒具有更好的分散性。

图5 不同质量浓度分散剂对IMM颗粒表面Zeta电位影响Fig. 5 Effects of dispersant with different massconcentrations on Zeta potential of IMM particles surface

2.6.3 木质素磺酸盐对IMM表面润湿性分析

在实际喷洒作业中提高农药在靶标物上铺展和滞留量是发挥药效的重要前提，接触角则是评价润湿效果的重要指标之一。分别测定纯水、质量浓度为2.0 g/L的CMLS 和UFLS溶液在IMM原药压片表面的接触角，考察它们对压片的润湿性。纯水对IMM颗粒的接触角大于90°，说明IMM属于疏水性物质且疏水性很强，CMLS液滴在IMM 涂层上的接触角为111.4°，表明润湿性不好，较易从靶标表面形成球滚落下来，而UFLS在IMM涂层表面上的接触角降低至72.38°(图6)。可见UFLS在强疏水性IMM表面的润湿性能更优，在喷洒作业中更易于铺展开来，有利于提高IMM颗粒在水溶液中的分散性。由此可知，笔者自制麦秆木质素磺酸盐作为一种重要的助剂展现出良好的工业应用潜力，其分散悬浮能力及和其他助剂的复配效果有待于后续进一步深入研究。

图6 UFLS 在IMM压片上的接触角Fig. 6 Contact angle of UFLS on IMM tablet

3 结 论

1)与市售商用木质素磺酸盐(CMLS)相比较，麦秆木质素磺酸盐(IELS)磺酸基团较高，酚羟基和羧基含量较低，黏度下降；重均分子量为3 456 u，数均分子量为2 842 u，分散性为1.216，分子量分布范围较窄且均一，添加1 g/L IELS对于微晶纤维素的酶解有促进作用，48 h纤维素酶解得率达到72.3%，较空白组提高了7.7%。

2)添加质量浓度2.0 g/L的UFLS，可使农药IMM颗粒表面Zeta电位降至-30.3 mV，对IMM颗粒有较好的分散作用。

3)质量浓度2.0 g/L的UFLS液滴在IMM压片表面接触角为72.38°，对疏水性IMM的界面润湿性能良好，优于纯水和CMLS，易于在疏水材料上铺展开来。