低共熔溶剂低温预处理杨木及三组分结构演变规律研究

皮奇峰 ，朱妤婷 ，吕 微 ，廖玉河 ，王晨光,* ，马隆龙

（1.中国科学院广州能源研究所，广东 广州 510640；2.中国科学院可再生能源重点实验室，广东 广州 510640；3.中国科学院大学，北京 100871）

生物炼制先通过预处理将木质纤维素分离为纤维素、半纤维素和木质素，然后再分别转化三组分制备化学品或材料[1]。常用的酸、碱预处理可获得很高的木质素脱除率（＞ 90%），但是在分离过程中木质素结构被严重破坏，导致提取出的木质素更难被解聚[2,3]。为了保留木质素的反应活性，目前，使用有机溶剂、离子液体和低共熔溶剂（DES）等在温和条件下提取木质素。其中，DES具有低挥发性、不可燃性、生物相容性、可降解性、成本低且可以回收利用等优点，受到广泛关注[4]。

DES是由氢键供体(HBD)和氢键受体(HBA)组成的溶剂体系，这些溶剂体系能在低于HBD或HBA的熔点温度下缔合为均匀液体[5]。木质纤维素分子间存在大量氢键，木质素和半纤维素间主要以苄基酯或苄基醚键连接。DES中HBD可替代H原子与苄基酯或苄基醚键中的氧原子形成氢键，从而弱化木质素、半纤维素与纤维素三组分分子间氢键。此外，DES表现具有酸碱性，可催化酯基和醚键断裂。因此，DES能够选择性地溶解木质纤维素基质中的木质素和半纤维素，同时保持纤维素的完整性[6]。目前，主要报道的HBA为氯化胆碱(ChCl)，HBD为醇或酸的DES组合[7]。例如，以氯化胆碱作为HBA，甘油、尿素和咪唑分别作为HBD，在150 ℃下预处理玉米芯，木质素脱除率高达88%[8]。ChCl/LA可选择性脱除杉木57%的木质素，木质素得率和纯度分别为33%和95%。ChCl和LA物质的量比为1∶2时，在160 ℃下木屑的木质素脱除率高达88%，提取木质素纯度高达95%。而且，提取出的木质素解聚可高效转化为丁基化羟基甲苯，目标产物收率高达48%。Lou等[9]发现，ChCl/LA在120 ℃下预处理麦草秸秆，木质素收率高达81.5%，纯度达到94.8%，脱除出的木质素含有70-90 nm 纳米颗粒[10]。

近10年来，DES预处理木质纤维素脱除木质素进展显著，但仍处于实验研究阶段并存在许多问题：第一，预处理反应温度较高（120-160 ℃），温和条件下提取的木质素结构更完整；第二，预处理过程中木质素脱除伴随着木质素解聚，而DES对木质素的解聚作用机制研究报道较少；第三，DES处理对纤维素结构演变规律研究报道较少。

本研究考察了ChCl/羧酸组合、HBA/HBD的物质的量比、反应温度、时间对木质纤维素预处理的作用：木质素脱除率、回收率、纯度。通过FT-IR、GPC、HSQC对木质素进行结构表征，采用FT-IR、XRD、SEM对固体残渣进行结构表征，研究DES处理过程中三组分的结构演变规律。

1 实验部分

1.1 原料与试剂

杨木粉（来自中国东北地区）在60 ℃下烘干，40-60目。用无水乙醇对杨木粉进行索氏提取去除色素、油脂及其他醇溶成分，并在60 ℃干燥至恒重。所有化学品均为分析纯，购自上海麦克林生物科技有限公司。所有化学品使用前不经过任何处理。羧酸化学品及其缩写如下：草酸（OA）、甲酸（FA）、乳酸（LA）、马来酸（MA）、乙醇酸（GA）、琥珀酸（SA）、乙酸（AA）、丙酸（PA）、正丁酸（BA）、异丁酸（IA）。

1.2 DES制备

常温下将特定的羧酸和氯化胆碱按一定的比例置于厚壁耐压瓶中，密封，在油浴锅中并不断搅拌，加热至80 ℃并保温2 h，直至形成均质液体。然后，将厚壁耐压瓶置于干燥器中冷却，防止吸湿。

1.3 DES预处理杨木

将0.5 g杨木粉与10.0 g DES置于75 mL厚壁耐压瓶中，在特定温度下 (60、90、120、150 ℃)搅拌，搅拌转速 ≤ 300 r/min。反应一定的时间（4 、8 、16 、24 h）后，加入 10 mL 丙酮∶水（体积比 = 1∶1）终止反应。将反应液离心，吸取提取液。用800目不锈钢滤网过滤固体残渣，多次用20 mL丙酮∶水(体积比 = 1∶1)洗涤固体残渣直至洗脱液无色，并将洗脱液与提取液混合得到提取液。固体残渣用去离子水和乙醇洗涤至电导率 ＜ 5 μs/cm2，冷冻干燥，称重。将提取液通过减压蒸馏浓缩到15 mL，然后往浓缩液加入5倍体积的水，边加水边搅拌，直到木质素沉淀出来。离心分离出固体，用去离子水洗涤固体至洗脱液pH值为7，冷冻干燥得到木质素。DES处理杨木以及木质素提取过程如图1所示。

图1 DES预处理杨木提取木质素流程图Figure 1 Flow chart of DES pretreatment of poplar wood to extract lignin

1.4 杨木磨木木质素制备和成分分析

杨木磨木木质素参考文献[11]报道的方法进行制备。杨木粉及固体残渣的纤维素、半纤维素和木质素的含量均按照NREL法进行测定[12]。

1.5 计算公式

杨木的固体残渣收率、三组分（纤维素、半纤维素和木质素）脱除率、木质素回收率，以分别按 式(1)-(3)进行计算：

1.6 扫描电镜（SEM）、傅里叶变换红外光谱（FT-IR）、X射线衍射（XRD）分析

使用热场发射（分析型）扫描电镜（Hitachi S-4800，日立公司）表征固体残渣的形貌，操作电压2 kV。采用Nicolet iS50 FT-IR光谱仪（Thermo Fisher Scientific，America）表征固体残渣和木质素，波长为4000-400 cm-1，分辨率为2 cm-1，扫描32次。使用 XPertProMPD XRD（PANalytical，荷兰）测定固体残渣的晶体结构，使用CuKα辐射源，2θ值为5°-80°。纤维素的结晶度指数CI根据文献[13]报道方法计算。

1.7 凝胶渗透色谱（GPC）和异核单量子相干核磁共振谱（HSQC NMR）分析

在配备有折射率检测器（RID）的1260LC系统（Agilent Tech.，美国）对样品进行GPC分析。色谱柱为 PL Mixed gel-C（300 × 7.5 mm，5 μm），洗脱液为色谱级的THF。在BRUKER AVANCE Ⅲ(400 MHz)共振谱仪上记录木质素HSQC NMR谱图。GPC和HSQC NMR采集参数与作者之前报道的相同[14]。

2 结果与讨论

2.1 DES预处理对杨木三组分的脱除效果

使用羧酸作为HBD时，木质素脱除率随HBD酸性的增加而增加，与文献[15]报道结果一致（图2（a））。相同碳原子的二元羧酸（草酸、琥珀酸）的脱木质素效率高于一元羧酸（乙酸、丁酸）。ChCl/OA和ChCl/FA木质素脱除效果最佳，木质素脱除率约为90%，且纤维素保留率接近100%。然而，由于DES的酸性，大部分的半纤维素也被脱除。ChCl/OA和ChCl/FA的半纤维素脱除率分别为80%和60%。考虑到ChCl/FA的黏度比常用的DES（ChCl/LA、ChCl/GL、ChCl/尿素）的黏度更低，有利于预处理过程中的传质和后续处理，选择ChCl/FA(图3)作为深入研究的DES。

图2 ChCl/羧酸组合及ChCl：FA比例对对杨木预处理的作用Figure 2 Effects of different DES combinations and molar ratios of ChCl to FA on poplar pretreatment reaction conditions: 0.5 g poplar wood powder, 10 g DES(HBA:ChCl); (a) molar ratio of ChCl to HBD is 1∶1, 90 ℃,8 h; (b) the molar ratio of ChCl to HBD is 1:2, 90 ℃, 8 h

图3 低共熔溶剂分子结构示意图Figure 3 Molecular structure of deep eutectic solvent

为了进一步优化杨木预处理效果，考察了HBA与HBD的物质的量比、反应温度和反应时间对三组分脱除率和木质素回收率的影响（图4）。由图2（b）可知，ChCl有一定的脱除木质素作用。然而木质素脱除率仅30%，因为ChCl仅能削弱氢键，而其断键能力较弱（图5）。而FA起到断裂醚键、酯键的作用(图5)，其中，半纤维素和木质素之间的醚键和酯键更容易被断裂。结果表明，FA与ChCl共熔形成DES后，木质素脱除率显著增加。此外，由于FA与ChCl形成氢键，溶液中H+浓度降低，纤维素脱除率显著降低。

因此，ChCl/FA同时起到了弱化氢键和断裂醚键、酯键的作用（图5）。ChCl和FA物质的量比为 1∶2时，木质素的脱除率最高（91%）。ChCl和FA物质的量比大于1∶2时，木质素脱除率和回收率均逐渐降低。

图5 ChCl/FA分离三组分的示意图Figure 5 Schematic diagram of ChCl/FA separation of three components

反应温度60-80 ℃时，木质素脱除率缓慢增加（44%-52%）(图4（a）)。当温度升到 90 ℃（硬木木质素的玻璃化转变温度）时，为断裂木质素和半纤维素的醚键提供了足够的能量，木质素脱除率急剧增加到91%，半纤维素脱除率也显著增加至76%。然而，当温度继续升高时（120-150 ℃），纤维素和半纤维素的脱除继续增加，而木质素的脱除率却减低。

随着反应时间从4 h延长到8 h，木质素和半纤维素脱除率增加（图4（b））。继续延长反应时间，木质素和半纤维素脱除率保持不变，而木质素回收率略有减低，这是因为木质素在DES中可能发生解聚转化为单体。纤维素脱除率略有增加，这是由于不稳定的纤维素非结晶区的脱除导致的，与固体残渣的XRD结果相对应（图8（e））。

图4 反应温度和时间对杨木预处理的作用Figure 4 Effects of reaction temperature and time on the pretreatment of poplar wood reaction conditions: 0.5 g poplar wood powder, 10 g DES (HBA:ChCl); (a) : molar ratio of ChCl to FA is 1:2, 60-150 ℃, 8 h;(b): molar ratio of ChCl to FA is 1∶2, 90 ℃, 4-24 h

2.2 DES预处理过程中三组分的结构演变规律

2.2.1 固体残渣的颗粒尺寸及表面形貌变化

杨木粉颗粒约1 mm长、500 μm宽，其表面覆盖着片状的木质素-半纤维素复合物(图6（a）、6（d）)。FA预处理后，固体残渣颗粒长度不变，宽度减小为30-100 μm，表面残留大量100-200 nm的木质素纳米颗粒（半纤维素完全脱除，图6（b），6（e）)。在酸性条件下，木质素的 Cα-OH 容易与H+结合脱水得到C+离子，该C+离子容易与另一个木质素分子的苯环发生亲电取代得到由C-C键连接的聚合物[16]。这些聚合物难以被解聚且容易附着在固体残渣表面 (图6（e）)。DES（ChCl/FA）预处理后，固体残渣尺寸也显著减小，而且由于木质素的大量脱除，固体残渣表面比较光滑 (图6（c）、6（f）)。

图6 杨木和固体残渣的SEM照片Figure 6 SEM images of poplar wood and solid residue (a), (d) = poplar wood powder; (b), (e) = solid residue after FA treatment;(c), (f) = solid residue after ChCl/FA (1∶2) treatmen

2.2.2 固体残渣的组成、化学结构及晶体结构

为了深入研究固体残渣的组成、化学结构及晶体结构，采用FT-IR和XRD对固体残渣进行结构表征。FT-IR吸收峰对应的官能团归属参考文献[17,18]。

如图7（a）所示，1737 cm-1处的强峰为酯基的C=O伸缩振动，表明杨木的半纤维素含有酯基、乙酰基或糖醛酸基或者木质素中含有羧基（少量）。

图7 ChCl/羧酸预处理杨木得到的固体残渣的 FT-IR（a）,（c）和 XRD 谱图 (b）,（d)Figure 7 FT-IR spectra (a), (c) and XRD patterns (b), (d) of the solid residue obtained by ChCl/carboxylic acid pretreatment of poplar wood

ChCl/羧酸（物质的量比为1∶1）预处理后，1737 cm-1峰仍存在，说明半纤维素未能完全脱除（图7（a）和 7（c））。OA 为 HBD 时，1737 cm-1峰强度最弱，说明ChCl/OA脱半纤维效果最佳，与成分分析结果一致（图2（a））。1597 、1510 、1460 和 1423 cm-1处的红外峰为木质素苯环的特征峰，ChCl/OA、ChCl/FA和ChCl/LA预处理后木质素的特征峰显著减弱，说明这三种DES具有优良的脱木质素的效果。1375 、1318 、1264 、1160 、1112 和 1060 、1024 、991 和898 cm-1处的吸收峰为纤维素特征峰，其中，1375 、1318 和 898 cm-1是 I型纤维素的红外特征峰，表明ChCl/羧酸预处理不会改变纤维素晶形。1264 和1060 cm-1分别对应纤维素葡萄糖环的C2/C3位COH面内弯曲振动和C3位的C-O伸缩振动。当HBD为 FA、LA和MA时，1264 cm-1处的峰强度明显减弱，而1060 cm-1峰强度无明显变化，可能是因为部分纤维素葡萄糖环的C2位结构发生反应，如脱水。固体残渣的XRD衍射峰主要有 15°、16.6°、22.5°、34.5°，分别对应 I型纤维素的(101)、(10)、(002)和(040)晶面（图7（b）、7（d）），且只有 710 cm-1处的峰，说明固体残渣中纤维素晶型均为Iβ型，与FT-IR分析结果一致[19]。固体残渣结晶度(55%-66%)均高于原料（杨木）(54%)，这是因为半纤维素和木质素的脱除，固体残渣中纤维素比例增加。

如图8 所示，ChCl∶FA 物质的量比为 1∶1-0∶1，半纤维和苯环特征峰的强度明显减弱，说明大部分半纤维素和木质素在ChCl/FA预处理下脱除。

图8 ChCl∶FA比例、反应温度和时间对固体残渣化学结构的影响Figure 8 Effects of molar ratios of ChCl∶FA, reaction temperature and time on the chemical structure of the solid residue(a), (c), (e): FT-IR spectra; (b), (d), (f): XRD patterns

同时，纤维素葡萄糖单元C6位特征峰（1318 、1234 cm-1）的强度也明显减弱，说明纤维素的葡萄糖单元C6位会在酸性条件下发生转化（如脱水）。固体残渣结晶度随着ChCl∶FA物质的量比先增加后减少，ChCl∶FA物质的量比为1∶2时结晶度最高，为70%。固体残渣结晶度降低的原因有以下几点。随着FA物质的量比增加，反应体系中酸性越强（H+浓度增加），伯羟基含量更少，导致纤维素葡萄糖链之间的氢键减少，纤维素晶体结构被破坏。反应体系中H+浓度增加，导致大量木质素重聚并附着在固体残渣表面，导致固体残渣纤维素纯度降低。1060 和898 cm-1为纤维素糖苷键的特征峰，提高反应温度或延长反应时间均不能减弱这两个峰的峰强度，说明糖苷键具有高度稳定性，所以DES处理后大部分纤维素能以固体的形式保留下来（图8(c)、8(e)）。由于半纤维素和木质素的高效脱除和糖苷键的稳定性，固体残渣均保持高结晶度。但120-150 ℃时由于木质素在纤维素表面的重聚，导致固体残渣结晶度降低（图8（c）、8（d））。

2.2.3 提取木质素化学结构及分子量分布

提取木质素的主要红外吸收峰为木质素特征峰（图9、图10），表明提取木质素具有高纯度。当LA、MA、SA、AA、BA、IA作为 HBD时，1737 cm-1吸收峰强度较大，说明半纤维素与木质素相连，这几种羧酸不能促进半纤维素和木质素之间的酯键、醚键断裂，而其余FA和GA羧酸与ChCl组合具有良好的断键效果。1268 、920 和1160 cm-1分别为G型、S型和PB型木质素特有的吸收峰，分别对应G型木质素苯环C-H伸缩振动，S型木质素苯环C-H面外弯曲振动和PB型共轭酯键C=O振动，表明该木质素类型为G/S/PB型。1510 和1460 cm-1为木质素苯环骨架振动和C-H面内弯曲振动，两者的峰高比较可以用于判断G型和S型木质素比例：1510 cm-1峰越高，G型木质素含量越多。

从图9和图10可知，1460 cm-1峰高略高于1510 cm-1，表明G型木质素含量等于或略低于S型木质素[20]。1268 cm-1处的峰强度不受羧酸种类、ChCl∶FA物质的量比、预处理温度（≤ 120 ℃）和时间变化而变化，说明G型木质素在预处理过程中稳定性相对较高。920 和1160 cm-1通常吸收较弱，所以其变化不明显，很难用于判断S型和PB型木质素相对含量的变化。因为G/S比例变化不大，所以S型木质素预处理过程中也能稳定存在。

图9 ChCl/羧酸和ChCl/FA物质的量比对提取木质素结构的影响Figure 9 Effects of the ChCl/carboxylic acid and molar ratio of ChCl∶FA on the structure of the extracted lignin(a), (b): FT-IR spectra

1717 cm-1处吸收峰主要来自于苯环侧链非共轭酮（脂肪酮）的C=O伸缩振动，OA、FA、GA、BA和IA为HBD时峰强度较高，说明这些ChCl/羧酸均能促进木质素侧链转化为Cβ酮（可能通过侧链脱水生成）。150 ℃时，所有木质素特征峰强度均减弱，说明高温下木质素结构被严重破坏。

为了研究木质素在预处理过程木质素的解聚和重聚情况，采用GPC分析了提取木质的相对分子质量分布，如图10（a）和10（b），表1 所示。90 ℃ 时，提高预处理温度（120-150 ℃）或者延长反应时间（8 -16 h），大部分大相对分子质量分子（1000-4000）向小分子平均区域迁移，小部分向更大相对分子质量区域迁移（＞ 4000）。相应地，提取木质素的平均相对分子质量(Mw)和相对分子质量分布系数（D）显著减少，说明升温或延长反应时间木质素主要发生解聚，但是也会出现少量重聚现象，为升温时木质素脱除率减少提供了证据。ChCl/FA在90 ℃下预处理16 h，提取木质素Mw仅750，相对分子质量分布系数接近1。然而，预处理时间延长，木质素重聚越严重，导致相对分子质量分布系数（D）增大。

表1 不同温度和处理时间下木质素的GPC分析Table 1 GPC analysis of lignin extracted at different temperatures and treatment times

图10 预处理温度和时间对提取木质素化学结构（a），（b）FT-IR 谱图的影响Figure 10 Effects of pretreatment temperature and time on the chemical structure of extracted lignin (a), (b) FT-IR diagram

为了深入研究ChCl/FA提取木质素的结构特点，采用了HSQC NMR对提取木质素进行表征，结果如图11和表2所示。

杨木磨木木质素含氧侧链区（50-90/2.5-6，图11（a））主要出现甲氧基和三种单元间连接键的13C-1H 交联信号（β-O-4、β-β、β-5）。β-O-4为主要连接键，数量为43/100Ar (每100个苯环含有43.4个β-O-4键)，占所有连接键数量的77.9%。β-O-4主要存在于子结构A中，少量在Cγ-OH乙酰化的 A 中 (即 A′)（表2）。β-β 和 β-5分别存在于子结构B和C中，β-β和β-5的相对含量分别为15.4%和6.7%。

ChCl/FA预处理提取的木质素单元间主要连接键仍为 β-O-4、β-β 和 β-5（图11（c）），但总数量从55.8/100Ar减少至37.1（表2），表明木质素在预处理过程中发生了解聚。β-O-4数量为30.6/100Ar，占所有连接键的84.8%，占磨木木质素的β-O-4数量的71%，说明β-O-4在ChCl/FA提取过程中较稳定。Aβ′（81.6/4.6）和 Aγ′（63.0/4.36 ）处的信号明显增强，表明部分A子结构Cγ-OH位与甲酸或乙酸发生酯化反应从而转化为A′。162.8/8.2 出现的强烈信号是由于甲酯结构的C-H共振引起的，证明了甲酯结构的存在。乙酸由半纤维素木糖乙酰基水解而来，脂肪区21.36/2.0为乙酯结构上甲基的C-H共振信号，该信号的增强证明了乙酯结构的增多。

表2 木质素中的主要连接键及结构单元Table 2 Main interlinkages and units in lignin

此外，74.53/6.0 处出现了微弱信号，这是由Ar-HCα-O(O)C-的 Cα-Hα共振引起的，表明子结构A′的Cα-OH也会发生酯化反应从而转化为A′。预处理后，40%子结构A酯化转化为A′，3%酯化转化为A。β-β数量为2.9/100Ar，仅为磨木木质素的β-β数量的23%，表明ChCl/FA预处理对子结构B具有良好的解聚效果。β-5数量无明显变化，说明子结构C在ChCl/FA预处理过程具有高度稳定性。芳环区（100-135/6-8 ，图11（b）和 11（d））主要出现G、S和PB单元苯环的13C-1H交联信号，表明杨木木质素为G/S/PB型木质素，且预处理后没有新的结构单元出现。杨木磨木木质素的G/S/PB 比例为 43∶47∶10，而提取木质素的 G/S/PB为39∶53∶8，表明，ChCl/FA预处理过程中S 单元的稳定性更高，G单元和PB单元容易转化或分解。

图11 MWL = 杨木磨木木质素（a）, （b）和 DESL = DES 提取木质素 (c), (d) HSQC NMR 谱图Figure 11 HSQC NMR spectra of poplar milled wood lignin=MWL (a), (b) and DES extracted lignin=DESL (c), (d)(a), (c): side chain region; (b), (d): aromatic ring region

核磁结果表明，ChCl/FA提取的木质素单体 S单元含量更高，且β-O-4含量高达84.8%。

3 结 论

本研究发现，在温和条件下（90 ℃），氯化胆碱/甲酸中预处理杨木的木质素脱除率高于90%，木质素提取率和纯度高达63%和90%；半纤维素脱除率为76%。葡萄糖糖苷键稳定性高，所以纤维素保留率 ＞ 98%，纤维素晶型不变（Iβ型），固体残渣结晶度高达70%。提取木质素平均相对分子质量为1400，相对分子质量分散系数接近1。提取木质素较磨木木质素结构较完整，其保留了木质纤维素中71%的β-O-4键，而且S单元稳定性高。提取木质素中β-O-4含量高达84.8%，S单元相对含量增加。提取木质素具有高反应活性，有利于后续解聚为具有高附加价值的单酚。